ПОЧЕМУ ВЗОРВАЛСЯ ЧЕЛЯБИНСКИЙ МЕТЕОРИТ?
Доктор химических наук Виктор БАРЕЛКО, Институт проблем химический физики РАН (Черноголовка, Московская область), кандидат физико-математических наук Михаил ДРОЗДОВ, филиал Института энергетических проблем химической физики РАН (Черноголовка, Московская область), доктор химических наук Максим КУЗНЕЦОВ, Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС РФ (Москва)
Падение Челябинского метеорита 15 февраля 2013 г. стало темой публикаций многих периодических изданий, в том числе и журнала «Наука в России» (№ 4, 2013 г.). Директор Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, председатель Комитета по метеоритам Президиума РАН академик Эрик Галимов в своей статье подвел предварительные итоги
изучения химического состава объекта, а директор Института космических исследований РАН академик Лев Зеленый с соавторами, выйдя за рамки конкретного события в небе над Челябинском, затронули некоторые аспекты проблемы астероидно-кометной опасности.
Однако вне рассмотрения остался вопрос о физическом механизме взрывоподобных катастрофических явлений, сопровождающих вхождение метеоритов в плотные слои атмосферы и приводящих к появлению на поверхности земли масштабных зон разрушения.
Первые попытки ответа на этот вопрос специалисты разного профиля предприняли более 100 лет назад, после падения на Землю Тунгусского метеорита в 1908 г.* За прошедшие десятилетия предлагались различные гипотезы. Однако большая их часть сводилась к моделям дисперги-
*См.: Э. Галимов, М. Назаров. Столетие Тунгусского события. — Наука в России, 2008, № 3 (прим. ред.).
рования (рассеяния) тела болида за счет наведения в этом объекте, двигавшемся с гиперзвуковой скоростью в плотных слоях земной атмосферы, разрушающих значений механических и термических напряжений. К сожалению, многие естественно возникающие и, казалось бы, очевидные вопросы остаются при таком подходе без адекватных ответов. Сформулируем их.
Достаточно ли для объяснения масштаба катастрофических последствий падения метеоритов использовать лишь представления об ударной волне, генерируемой летящим в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями телом? Какова природа и динамические закономерности интенсивной потери его массы в виде газопарового шлейфа, сопровождающего движение болида, и что можно сказать о физическом механизме этого фактора и его влиянии на энергетические характеристики указанной ударной волны? Какая причина (если не взрыв!) определила одномоментное прекращение существования Челябинского болида на высоте 10—20 км? Как объяснить ничтожный объем на земной поверхности фрагментов метеоритного тела, обладавшего огромной первоначальной массой? Отметим в этой связи, что какое-либо фиксированное присутствие на земле вещества Тунгусского метеорита вообще не обнаружено, а по итогам анализа последствий челябинской катастрофы установлено: с площади поражения в сотни квадратных километров удалось с привлечением современных методов поиска и разведки собрать осколки общим весом в несколько сот килограммов при общей предполагаемой массе космического тела от 6 до 10 тыс. т !
Может показаться странным, но в многочисленном ряду аналитиков, представляющих свои версии по поводу произошедшего в небе над южноуральским городом, трудно обнаружить профессионалов в области процессов горения, взрыва и детонации. Возможно, это связано с тем обстоятельством, что интересующее нас событие нельзя отнести к традиционным объектам данного раздела физики?
Мы полагаем, что причину взрыва метеорита следует искать в ряду газодетонационных механизмов образования сверхзвукового фронта ударной волны. Поскольку присутствие в метеорите традиционных
для взрывчатых веществ химических источников взрывного газовыделения в данном случае исключено, представляется весьма обоснованным обращение к процессу взрывного объемного вскипания перегретого до нескольких тысяч градусов тела. Иными словами, мы предлагаем рассмотреть роль «парового взрыва» в качестве фактора, сопровождающего превращения метеоритов (болидов) в плотных слоях атмосферы.
Понятие «паровой взрыв» известно в науке и инженерной практике на протяжении более полутора столетий, со времени создания паровых котлов и изобретения двигателей на паровой тяге. Перегретая вода в котле, работающем при высоком давлении, в случае аварийного сброса давления мгновенно вскипала, что приводило к формированию разрушающей аппарат ударной волны и сопровождалось трагическими последствиями.
Аналогичную схему с некоторыми приближениями можно представить и для описания динамики взрыва метеорита в рамках парогазовой детонационной концепции. Твердое космическое тело входит с огромными скоростями (10—20 км/с) в плотные слои атмосферы, в результате чего на его поверхности формируется адиабатически сжатый до высоких давлений горячий пограничный слой. Объект перегревается много выше температуры кипения образующего его вещества, в результате чего, по мере торможения болида и снижения сжимающего его давления за ультракороткий промежуток времени происходит вскипание массы тела болида. Переведенное в газопаровое состояние и пока еще сжатое до высоких давлений вещество взрывоподобно распадается, т.е. происходит «объемный паровой взрыв», который и формирует ударную волну с катастрофическими последствиями.
Малая масса найденных осколков свидетельствует в пользу предлагаемой гипотезы. Ударная волна рассеивает газопаровое облако вещества от взорвавшегося метеорита в атмосфере на большой площади, потому и не удается собрать с поверхности земли более или менее значительный объем продуктов его превращения.
К сожалению, теоретические основы, объясняющие явление парового взрыва, еще не созданы, не построены и математические его модели. В силу этого обстоятельства возникает необходимость поиска объектов для экспериментального изучения рассматриваемой проблемы. Полагаем, что в качестве лабораторной модели, описывающей метеоритный взрыв, пригодно явление так называемых «взрывающихся проволочек» — одно время оно было объектом многочисленных исследований*. В ходе опытов через тонкую металлическую проволочку (0,1—1 мм в диаметре), помещенную в реактор, пропускался очень короткий импульс электрического тока большой плотности (104—106 А/мм2). Почти мгновенно (10-5— 10-7 с) она перегревалась выше температуры кипения материала и затем, взрываясь, объемно сублимировала, разбрасывая со сверхзвуковыми скоростями наночастицы металла по всему пространству и стенкам реактора. Такой электрический взрыв сопровождается возникновением ударной волны с давлением до нескольких тысяч атмосфер в ее фронте, что обеспечивается режимом сверхбыстрого нагрева проволочного элемента со скоростью свыше 1107 Кс-1 до температур, превышающих 104 К. Электровзрывную методику используют в настоящее время в качестве технологического инструмента для получения металлических и неметаллических наноразмерных порош-
*См.: В. Шпак. Плавкий предохранитель: история с продолжением. — Наука в России, 2012, № 5 (прим. ред.).
Фрагмент Челябинского метеорита, поднятый со дна озера Чебаркуль 16 октября 2013 г.
ков материалов, обладающих значительной запасенной энергией.
Конечно, картина взрыва массивного болида существенно сложнее, чем тонкой проволочки. Но при определенных параметрах его движения в атмосфере перегрев, пусть и локальный, может быть таким, что в ограниченном слое образуется газопаровая фаза сверхвысокого давления, которая и «детонирует». Это может происходить последовательно путем повторяющихся взрывных актов — три таких предшествовали одномоментному прекращению существования Челябинского болида. Последняя из зафиксированных вспышек перед исчезновением объекта произошла на высоте 10—20 км.
Не исключена и другая версия, объясняющая интенсификацию теплообменных процессов в объеме космического тела. В результате действия механических и термических напряжений при движении в атмосфере оно диспергирует на малоразмерные фрагменты. И уже движение «груды» осколков обеспечивает условия для реализации однородного режима перегрева раздробленной массы объекта.
Сформулированная задача построения теории парового взрыва не ограничивается, с нашей точки зрения, лишь ее приложением к объектам метеоритики. Мы полагаем, что этот механизм «срабатывает» также в вулканизме. В частности, при так называемых «фреатических извержениях» — они возникают при контакте магмы и ее потоков с водосодержащими флюидными средами в земной коре (или с расположенными на вулканических куполах ледниковыми покрытиями), начинаясь с мощных выбросов водяного пара, и не могут быть объяснены ничем иным, кроме как действием механизма парового взрыва. Более того, по нашему мнению, сам процесс вскрытия жерла вулкана и последующий ударно-волновой выброс на высоту в несколько километров парогазового «фонтана» с увлеченными фрагментами магмы и осколками породы является следствием парового взрыва находящейся под куполом вулкана перегретой магматической массы. На бытовом уровне этот процесс наглядно иллюстрирует «выстрел» содержимого из бутылки с шампанским при ее вскрытии вследствие объемного вскипания вина, пересыщенного углекислым газом.
Развиваемая концепция чрезвычайно важна, поскольку представления о паровом взрыве могут быть также использованы для объяснения природы таких техногенных катастроф, как взрывы в ядерных энергетических парогенерирующих реакторах (в частности, применительно к механизму Чернобыльской катастрофы). Более того, один из авторов данной статьи
Выброс парогазового облака вулканом Горелый (Камчатка) на высоту 2 км в 2013 г. (по данным сотрудника Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН Алексея Озерова).
использовал концепцию парового взрыва в экспертном заключении о причинах катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г.
Определенный научный задел в рамках изучения данной проблемы был заложен нами в работах об «автоволновом кризисе кипения» и «детонационных механизмах в физике кипения». На основе сформулированных представлений предложено техн
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.