К 100-летию Тунгусской катастрофы
Падение Тунгусского космического тела: факты, модели, современные представления
В.В. СВЕТЦОВ,
кандидат физико-математических наук Институт динамики геосфер РАН
Чтобы понять новое природное явление, необходимо собрать сведения, построить физико-математические модели, поставить экспериментыI. Компьютерное моделирование, основанное на численном решении уравнений, может служить наиболее важны/м средством для осмысления явления. Применение вычислительной техники и совершенные методики позволили в последнее время получить достаточно точную картину процессов в атмосфере Земли после входа
в нее каменныи и ледя-ны/х тел больших размеров. Сейчас мыI понимаем основны/е процессыI, происходившие при падении
космического тела, вызвавшего Тунгусскую катастрофу 1908 г. В то же время необходимы/ дальнейшие исследования: дифференциации вещества при конденсации испаренного тела, атмосфер-ны/х последствий падения болида, возможной электризации частиц после взры/ва. В противоположность сторонникам концепции космической природы I Тунгусского явления приверженцы/ большинства нестандартным гипотез не смогли продвинуться в его понимании дальше общих рассуждений.
ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ И ТУНГУССКАЯ ПРОБЛЕМА
О событии, которое произошло утром 30 июня 1908 г. в бассейне реки Подкаменная Тунгуска, написано очень много. Факты
и вымыслы, физико-математические исследования и фантазии переплелись в общем потоке информации. Но что мы знаем уверенно о Тунгусском явлении? Напомним основные общепризнанные факты:
- в окрестностях эпицентра катастрофы нет ударного кратера и не найдено метеоритов;
- повален лес на площади 2150 км2, причем он имеет характерные особенности: в эпицентре остались стоять деревья с обломан-
© Светцов В.В.
19
Карта района Тунгусской катастрофы. Желтым цветом показано место вывала лесного массива от воздушного взрыва.
ными ветвями, стволы поваленных деревьев направлены от эпицентра к периферии, область вывала формой напоминает бабочку;
- взрывом инициирована поверхностная сейсмическая волна, зафиксированная четырьмя сейсмическими станциями;
- возникла воздушная акустико-гравитационная волна, распространившаяся по всей планете и зарегистрированная многими метеостанциями, в том числе в Англии;
- событие сопровождалось тепловым воздействием с плотностью энергии более 100 Дж/см2, которое вызвало пожар, ожоги растительности и животных;
- через несколько минут после образования сейсмической волны возникло геомагнитное возмущение, длившееся несколько часов и зарегистрированное в Иркутске;
- в течение нескольких дней на территории России и Европы наблюдались аномальные атмосферные явления: светлые сумерки, цветные зори, солнечные гало и кольца Бишопа (сияние вокруг Солнца, вызванное микрочастицами в стратосфере после крупных извержений вулканов).
Все эти эффекты, кроме атмосферных, могут быть вызваны мощным высотным ядерным взрывом.
Даже область вывала леса при подрыве сферически-симметричного заряда и наличии сильного ветра на километровых высотах, искажающего форму ударной волны у поверхности Зем-
ли, выглядит сплюснутой. Математическое моделирование взрывов с высокой концентрацией энергии в атмосфере показало, что вывал леса с характерными для Тунгусской катастрофы особенностями может произойти под действием ударной волны взрыва на высоте 6.510.5 км с энергией 7-18 Мт (2.9-7.5 х 1016 Дж), причем каждому уровню энергии соответствует свой интервал высот шириной 1-2 км. Так, если энергия взрыва 12.5 Мт, его высота должна быть в интервале 8.59.5 км. Создаваемое у поверхности Земли ударной волной давление вызывает землетрясение магниту-дой 4.8-5, что близко к показаниям 1908 г. Согласуется с данной моделью и амплитуда воздушной волны, зарегистрированная на удаленных расстояниях. Из всех взрывов, осуществленных за годы ядерных испытаний, указанному интервалу энергий и высот наиболее соответствуют ядерные взрывы с энергиями 12.5 и 8.2 Мт, которые проводились на меньших высотах (3-3.5 км) в 1961 г. и 1962 г. на Новой Земле. Несмотря на схожесть эффектов, гипотеза ядерного взрыва на Тунгуске (взрыв инопланетного космического корабля) не нашла подтверждения прежде всего из-за отсутствия следов радиоактивности, причем их специально искали на месте катастрофы.
При торможении космического тела в атмосфере его кинетическая энергия переходит в тепловую
энергию воздуха и пара. Если торможение происходит быстро, выделение энергии вызывает механические и тепловые эффекты, аналогичные сосредоточенному высотному взрыву. Астероиды и кометы сталкиваются с Землей со скоростью 11.272 км/с. По кинетической энергии тела и выделившейся энергии (7-18 Мт) можно вычислить его массу, она должна быть в пределах 103-106 т. Исходя из характерной плотности каменных метеоритов, можно вычислить диаметр Тунгусского тела: 20-100 м. Гипотеза падения космического тела с самого начала исследований Тунгусской катастрофы была основной. Отсутствие кратера и метеоритов стало сильным аргументом противников этой гипотезы и причиной возникновения множества других.
МОДЕЛИ ТОРМОЖЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Когда космическое тело падает в атмосфере со сверхзвуковой скоростью, оно создает впереди себя ударную волну. За ее фронтом воздух сжат и нагрет, поэтому на лобовой поверхности тела создается высокое давление, тормозящее метеороид. Нагретый воздух излучает, и потоки лучистой энергии испаряют метеороид. Но лучистой энергии недостаточно для быстрого испарения значительной части крупного метеороида. Вычисления показывают, что компактное тело указанных размеров с плотно-
стью камня или льда обязательно достигнет поверхности и создаст ударный кратер. Ведь масса атмосферы равна массе слоя воды толщиной всего 10 м. Так как не найдено ни ударного кратера, ни остатков Тунгусского космического тела, то давно возникло предположение, что метеороид дробился на фрагменты, которые рассеялись в полете и по отдельности испарились. Сила торможения за счет увеличения площади поперечного сечения возрастает настолько, что рой фрагментов полностью теряет скорость. Действительно, многие из образцов метеоритов размером 110 см имеют очень небольшую прочность, а чем больше тело, тем его прочность меньше. Оценки показывают, что под действием давления на лобовую поверхность Тунгусское тело могло раздробиться уже на высоте 70-80 км. Масса
фрагментов ведет себя подобно жидкости и, как огромная капля, сплющивается под действием давления, рассыпаясь на более мелкие части. Такая модель возникла в результате анализа и компьютерных расчетов. Лишь в последнее время стало возможным с приемлемой точностью провести математическое моделирование движения, торможения и испарения крупного космического тела в атмосфере. Модели движения космического тела в атмосфере и его обтекания воздушными потоками рассчитывались с помощью уравнений гидродинамики, модели тепловых потоков и испарения фрагментов тела -уравнениями переноса излучения. К этому надо добавить необходимые данные о термодинамических и оптических свойствах воздуха и паров различных космических тел: каменных (обычных и углистых
хондритов) и комет при соответствующих предположениях об их составе. Получение этих данных также связано со значительными трудностями вычислений.
Численное моделирование проводилось для каменных и ледяных тел разного размера, входящих в атмосферу под разными углами и с разными скоростями. Железный метеорит не рассматривался, так как он прочнее, обладает высокой плотностью и обязательно достиг бы поверхности Земли, образовав кратер. Плотность ядер комет (0.5-1.2 г/см3) в несколько раз ниже плотности каменных метеоритов, поэтому кометам долгое время отдавалось предпочтение в качестве кандидатов на роль Тунгусского космического тела (ТКТ). В результате расчетов выявилась следующая картина процессов при движении ТКТ в атмосфе-
60 50 м 40
л
о 30
I20 101-
-50 -30 Радиус, км
60 50
м 40 а,
ё 30
I20 10
50 -20 0 20 40 60 80 Расстояние вдоль поверхности, км
Модели относительной плотности атмосферы (отношение к нормальной плотности на определенной высоте) через минуту после Тунгусского взрыва: слева - при ядерном взрыве с энергией 12.5 Мт на высоте 9 км (ударная волна производит вывал деревьев в радиусе 25-30 км); справа - при падении каменного тела диаметром 80 м под углом 30°. Синий цвет указывает на увеличение плотности воздуха, красный -нагретый взрывом всплывающий в виде тора менее плотный газ, зеленая линия - фронт внешней ударной волны. Несмотря на разную природу (падение космического тела и высотный ядерный взрыв), такие явления производят одинаковые эффекты (механический и тепловой) на поверхности Земли.
ре. Раздробленное тело некоторое время сохраняет форму, а затем начинает расплющиваться. Но поверхность жидкой капли неустойчива, поэтому тело изменяет свою форму и дробится на отдельные части непредсказуемым образом, принимая заостренный или плохообтекаемый вид. Затем фрагменты разлетаются, плавятся и испаряются. После того как основная часть тела испарится, струя паров и осколков тормозится в атмосфере. Большая скорость преобразования кинетической энергии пара в тепловую и кинетическую энергию воздуха на коротком участке траектории создает взрыв. Струя паров играет роль разлетающихся продуктов взрыва, аналогичных химическим взрывчатым веществам. Когда пары теряют скорость и останавливаются, ударная волна продолжает двигаться вперед и через некоторое время достигает поверхности Земли.
Удалось выявить и некоторые специфические особенности. Во-первых, конечная высота, на которой космическое тело определенного размера и плотности полностью тормозится и происходит взрывное выделение энергии, не может быть однозначно определена из-за развития не-устойчивостей. Высота, на которой происходит взрыв, может изменяться в преде-
лах нескольких километров в зависимости от изменения формы тела. Во-вторых, высота взрыва существенно зависит от размера тела, угла входа в атмосферу и скорости. Несмотря на то, что температура за головной ударной волной перед телом выше для больш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.