ВЗРЫВ ЧЕЛЯБИНСКОГО СУПЕРБОЛИДА В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ: РЯДОВОЕ СОБЫТИЕ ИЛИ УНИКАЛЬНОЕ СТЕЧЕНИЕ ОБСТОЯТЕЛЬСТВ? © 2013 г. В. Е. Фортов*, В. Г. Султанов**, А. В. Шутов**
*Объединенный институт высоких температур РАН 125412, Москва, ул. Ижорская, 13 e-mail: fortov@ras.ru **Институт проблем химической физики РАН 142432, Московская обл., Черноголовка, пр-кт ак. Н.Н. Семенова, 1 e-mail: sultan@ficp.ac.ru Поступила в редакцию 20.03.2013 г. Принята к печати 23.03.2013 г.
Рассматриваются особенности разрушения малых космических тел в атмосферах планет. Проанализированы основные наблюдательные факты Челябинского суперболида: потеря скорости при прохождении верхних слоев атмосферы, прочность и характер разрушения, высота взрыва и энерговыделение. Детально рассмотрены аэродинамические явления, сопровождающих его вход с гиперзвуковой скоростью и разрушение в атмосфере. Даны расчетные оценки прочности исходного метеороида в зависимости от начальной высоты разрушения. Представлены основные результаты по столкновению кометы Шумейкеров—Леви 9 с Юпитером.
Ключевые слова: Челябинский метеорит, фрагментация и разрушение метеоритов, комета Шумейкеров—Леви 9, астероидно-кометная опасность.
Б01: 10.7868/80016752513070091
1. ВВЕДЕНИЕ
15 февраля 2013 года в 9.20 (7.20 мск) жители Челябинска, а также Свердловской, Курганской, Тюменской областей, части северного Казахстана, стали свидетелями редкого астрономического явления — появление яркого суперболида, перемещающегося в западном направлении. Движение болида сопровождалось несколькими вспышками (воспринимаемых очевидцами как взрывы, из-за раздавшихся через некоторое время сильных хлопков), наиболее яркая из которых длилась по разным данным от 1 до 5 секунд, при этом от нее ощущался жар, сильнее чем от Солнца днем. Несмотря на то, что болид не долетел до Земли, — на текущий момент не обнаружены следы его удара, — он все же смог нанести ущерб, — пришедшая после прохождения болида ударная волна выбила оконные стекла в части домов города Челябинск и окружающих населенных пунктах. Осколками стекла ранено порядка 1500 жителей.
Основной урон пришелся на шесть населенных пунктов Челябинской области: Кманжелинск, Копейск, Коркино, Южноуральск, Челябинск и село Еткуль. Пострадало более 7000 строений, — в основном выбитые стекла, ближе к эпицентру в некоторых домах были выбиты рамы. Ударной волной разрушены крыша и часть стены здания склада концентратов Челябинского цинкового
завода. Повреждены конструкции ледового дворца "Уральская молния".
Момент взрыва тела зафиксировали американские сейсмологи. 15 февраля в 3 часа 20 минут 26 секунд по Гринвичу наблюдался толчок магни-тудой 4 балла примерно в километре к юго-западу от центра Челябинска. Для сравнения, падение Тунгусского метеорита оценивается в 5.0 баллов. Российские сейсмические станции зафиксировали сопутствующее взрыву землетрясение с магни-тудой 3.2 в районе Еманжелинска. По оценкам NASA мощность взрыва составила 440 кт ТНТ [1].
После Тунгусского метеорита это первый случай на территории России, когда вторжение болида в атмосферу сопровождалось разрушениями.
И тем не менее, появления суперболидов достаточно нередкое явление [2]. В настоящее время накоплен большой опыт наблюдений, получено много интересной информации по подобного рода событиям. Есть данные не только по составу и структуре подобных тел, остатки которых найдены на земле, но и из анализа наблюдательных данных даны оценки прочности собственно метеорных тел до их разрушения в атмосфере, детально исследован и проанализирован характер их разрушения, в том числе и взрывного, при прохождении атмосферы.
Уникальным в данном событии является то, что впервые оно не просто произошло над густонаселенными районами, но и привело к разрушениям, хотя и незначительным, но с большим числом пострадавших. Далее мы детально рассмотрим, что происходит с телами, подобными Челябинскому метеориту, при входе в атмосферу, — каким образом они разрушаются; дадим оценки его прочности и высоты разрушения.
Есть еще один аспект, который может быть интересен с точки зрения астероидно-кометной опасности для Земли, это столкновение комет с Землей. К счастью в нашей истории мы еще не наблюдали такого явления, — Тунгусский метеорит, несмотря на то, что уже достаточно долгое время его причисляют к телам кометного происхождения, по прежнему сохраняет свое название, что говорит в общем-то о том, что пока нет убедительных доказательств, что это была комета. И тем не менее, мы имели уникальную возможность наблюдать столкновения кометы Шумейкеров— Леви с Юпитером, которое дало массу уникальной и очень интересной научной информации, на которой мы тоже остановимся в данной работе.
2. ГИПЕРЗВУКОВОЕ ПРОХОЖДЕНИЕ МЕТОРИТАМИ/АСТЕРОИДАМИ АТМОСФЕРЫ
2.1. Болиды в атмосфере Земли
2.1.1. Фрагментация и разрушение метеороидов в атмосфере. Во время движения в атмосфере большинство метеоритов разрушается, — фрагменти-руются, под действием аэродинамических сил. Фрагментация обычное явление [2]. На видеозаписи полета болида Пикскил можно увидеть до 70 фрагментов. У метеорита Прштибрам было обнаружено 17 фрагментов. Так же большое количество фрагментов было найдено и при падении других крупных метеоритов Мбала, Зуанзе, Парк Форест.
Рассмотрим некоторые механизмы разрушения относительно небольших космических тел при взаимодействии их с атмосферой. Скорости входа в атмосферу составляют, как правило, десятки км/с. Для достаточно мелких тел (от микроскопических до 1 м в диаметре) абляция поверхностного слоя тела действительно играет заметную роль в изменении его формы и размеров. Среди причин, вызывающих абляцию тела, обычно рассматриваются перенос тепла от ударно-сжатого слоя воздуха к поверхности тела за счет диффузии, молекулярной и электронной теплопроводности, а также излучением горячего воздуха. Однако в классических работах Бронштэна показано, что относительно холодный слой паров перед телом (с температурой порядка температур плавления и испарения) значительно снижает перенос тепла конвективным и радиационным ме-
ханизмами. Основным механизмом абляции тела в этой ситуации оказывается квазинепрерывное дробление, или шелушение тела.
Для крупных объектов (от десятков метров до десятков километров) наиболее существенными оказываются другие виды дробления. Такие тела не успевают потерять скорость и полностью расплавиться и испариться в верхних слоях атмосферы и достигают таких высот, где давление воздуха за ударной волной возрастает до величин порядка прочности материала метеороида.
Под воздействием аэродинамической нагрузки метеорит начинает разрушаться, образующиеся обломки сносятся в стороны и назад, формируя "хвост" из частиц разных размеров, подвергающихся вторичному дроблению под действием скоростного напора и взаимных столкновений. В этом случае можно отметить возникновение аэродинамических сил отталкивания между фрагментами тела, а также эффект коллимации — вытягивания облака фрагментов в цепочку.
Различают два механизма фрагментации. В первом случае исходное тело в процессе движения разделяется на несколько фрагментов, которые движутся далее по направлению общего движения тела, и процесс их взаимодействия с набегающим потоком воздуха можно рассматривать независимо. В этом случае возможно взаимодействие отошедших от частей ударных волн, но оно происходит обычно достаточно далеко позади и не оказывает влияния на характер движения основных тел.
Второй механизм характеризуется наличием облака мелких фрагментов тел движущихся как единое целое, т.е. в этом случае от набегающего на него потока воздуха они отделены единой ударной волной. Такая фрагментация характерна для крупных тел с достаточно малой исходной прочностью. Обычно она происходит на большой высоте (тело быстро разделяется на мелкие фрагменты), что приводит практически к полному разрушению тела.
При дроблении и сносе осколков в стороны резко увеличивается суммарная площадь миделе-ва сечения, что приводит к ускорению торможения тела и возрастанию роли конвективного и радиационного притока тепла к нему. Однако унос массы тела за счет дробления остается несопоставимо большим по сравнению с уносом за счет плавления и испарения.
Дробление тела начинается после достижения давлением газа на его лобовой поверхности разрушающих для материала тела значений по ско-ловому механизму под действием сжимающих напряжений (от перепада давлений и массовых сил инерции). Начавшееся локально разрушение будет распространяться от лобовой поверхности к тыльной в виде волны дробления. При этом потерявшая связность масса будет растекаться в стороны и сноситься потоком назад. К моменту начала существенной деформации раздробленной
массы за счет растекания все тело уже будет раздроблено и может рассматриваться как несжимаемая жидкость. Такая капля начнет сплющиваться, сжимаясь в продольном направлении и расширяясь в поперечном, причем края ее под действием скоростного напора будут отгибаться назад, принимая медузообразную форму. Конечным итогом будет полное диспергирование и торможение космического объекта.
Описанный процесс происходит быстро и носит взрывной характер, как это и наблюдалось при падении Челябинского метеорита.
На многочисленных видеозаписях хорошо видно, что за несколько секунд до основной вспышки яркость и видимый размер трека болида начали быстро увеличиваться, что говорит о стремительном разрушении тела. Через приблизительно 5 секунд произошло резкое торможение и наблюдалась самая яркая вспышка, взрыв, исходное тело катастрофически разрушилось. Видно также, что отдельные фрагменты смогли продолжить свое движение и "сгорели" немного дальше вследствие тех же причин.
Движение полностью разрушенного тела внутри общей для всех фрагментов ударной волны хорошо описывается в гидродинамическом приближении [3], которое часто используют в аналитических моделях и в математическом моделировании. Этот подход и будет использован далее.
2.1.2. Данные по прочности, высот и характере разрушений наиболее известных болидов. Данные по прочности метеороидов весьма ограничены [2]. О
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.