Последствия падений крупных тел на Землю в целом известны. Мы будем рассматривать только те, которые можно проанализировать в настоящее время методами точных наук. (Гораздо более сложно, как нам кажется, точно спрогнозировать социальные последствия.) Итак, в результате падения тела «работают» следующие поражающие факторы:

Рассмотрим процессы взаимодействия падающих тел с атмосферой Земли и ее поверхностью, а также последствия этих падений подробнее.

 

8.1. Явления, связанные с падением небесных тел

8.1.1. Взаимодействие небесных тел с земной атмосферой. Торможение метеороида в воздухе. Космическое тело, если оно движется сквозь атмосферу без разрушения и существенной абляции (потери массы), тормозится, когда его масса сравнивается с массой воздуха в цилиндре, имеющем такую же площадь поперечного сечения, что и само тело. Поэтому критерий отсутствия торможения неразрушающегося тела на высоте h можно записать в следующем виде:

ρ а H (sin θ) -1 ≪ 2 ρ b R b ,

где H — характеристическая высота атмосферы (H = 8,5 км), θ — угол наклона траектории тела к горизонту, ρb и Rb — плотность и радиус тела соответственно, а ρа — плотность атмосферы на высоте h.

Можно определить размер неразрушающегося тела, которое долетит до Земли без торможения, из условия

где ρ0 а — плотность воздуха у поверхности Земли (h = 0, ρ0а = 10-3 г/см3).

Для вертикального падения (θ = 90°) ледяного тела (ρb = 1 г/см3) получаем Rb > 4 м.

Таким образом, если бы тела не разрушались, то относительно небольшие метеороиды достигали бы поверхности Земли со скоростью, близкой к начальной. Но космические тела разрушаются в полете под действием аэродинамических сил: они могут распадаться на фрагменты, изменять свою форму и площадь поперечного сечения [Мелош, 1994; Melosh, 1981; Passey and Melosh, 1980].

Анализ наземных и спутниковых наблюдений за входом в атмосферу метеороидов с характерными размерами порядка 1–3 м показывает, что они разрушаются на высотах 25–45 км, не достигая Земли [Chyba et al., 1993; Svetsov et al., 1995; Nemtchinov et al., 1997a]. С увеличением размера тела его прочность снижается, так как в большом теле больше дефектов, а также трещин, возникновение которых связано с предыдущими столкновениями в космическом пространстве. К тому же, для того чтобы разделить тело на части, необходима энергия, пропорциональная его площади, в то время как запасенная в теле упругая энергия, связанная с аэродинамической нагрузкой, пропорциональна объему. Поэтому можно ожидать, что более крупные тела (> 10 м) начинают разрушаться на еще больших высотах. Следует также отметить, что абляция, вызванная теплопроводностью и переносом излучения в ударно-сжатом воздухе, незначительна для тел c размерами больше 10 м [Немчинов, Цикулин,1963; Немчинов и др., 1976; Baldwin and Sheafler, 1971; Biberman et al., 1980].

Деформация тела, вызванная аэродинамическими силами. Сильно фрагментированный объект может быть легко деформирован и становится подобным жидкости [Григорян, 1979]. При аналитических оценках используется предположение, что под действием аэродинамических сил во время полета оно расплющивается — увеличивается отношение его диаметра к высоте [Melosh, 1981; Ivanov et al., 1986; Chyba et al., 1993] — тело превращается в «блин» (pan-cake). Степень расплющивания может быть оценена из простых соображений. Давление на лобовой поверхности тела максимально в его критической точке и уменьшается к боковым поверхностям. Наличие градиента давления вызывает движение жидких частиц (или квазижидких частиц разрушенного материала) вдоль лобовой поверхности в радиальном направлении. Скорость этого поперечного движения Vt может быть оценена из следующего выражения [Григорян, 1979; Hills and Goda, 1993]:

V t = (ρ а /ρ b ) 1/2 V,

где V — скорость тела, ρb — его плотность, ρа — плотность атмосферы. Если плотность атмосферы убывает с высотой по экспоненциальному закону, то легко получить выражение, определяющее критический радиус R*b, когда тело расширяется до радиуса, примерно равного его начальному диаметру:

Если Rb < R*b, то может произойти деформация тела или его разрыв на отдельные части с последующим рассеянием частей фрагментированного тела. Критический диаметр для метеороидов в атмосфере Земли составляет 580, 330 и 200 м для ледяного, каменного и железного тел соответственно [Мелош, 1994].

Фрагментация и разрушение метеороида в атмосфере. Большие метеороиды (> 1 км) ударяются о поверхность Земли, почти не успев изменить форму и массу после прохождения через атмосферу. Судьба мелких тел зависит от их характеристик — состава, скорости, прочности, формы. Атмосфера оказывает большое влияние на последствия их ударов. Отсутствие кратера после падения Тунгусского космического тела диаметром 50–100 м показывает, что атмосфера может предотвратить образование кратера и ослабить сейсмические эффекты. Но железные тела того же размера достигают поверхности Земли. Так, известный 1-километровый кратер в Аризоне, возникший 50 000 лет назад, был образован падением железного тела диаметром 30–40 м [Мелош, 1994; Melosh and Collins, 2005]. На Земле было найдено довольно много кратеров меньших размеров, например 100-метровый кратер Kaaли в Эстонии возрастом приблизительно 4000 лет [Пиррус, Тиурма, 1987]. Еще несколько подобных кратеров в Эстонии возрастом в несколько тысяч лет имеют диаметры 40, 30 м и менее. Сихотэ-Алинский железный метеоритный дождь 1947 г. создал массу мелких кратеров (диаметр наибольшего из них около 26,5 м) и огромное число мелких фрагментов [Кринов, 1981; Кринов, Фонтон, 1959; Немчинов, Попова, 1997]. Начальная кинетическая энергия этого метеороида по оценкам составила около 10 кт тринитротолуола (ТНТ), масса — около 200 т. Поверхности достигли крупные фрагменты с энергией, соответствующей примерно 100 т ТНТ. Остальная энергия перешла в энергию нагретого воздуха и продуктов абляции. Хотя железные тела составляют только 6–7 % от всех падающих на Землю тел [Shoemaker, 1983], они легче проходят сквозь атмосферу и чаще встречаются в качестве находок.

Численное моделирование деформации и фрагментации метеороида. Действие аэродинамических сил — основная причина деформации и разрушения тел, попадающих в атмосферу. Применение модели «блина» ограничивается некоторой величиной fp отношения радиуса «блина» R к начальному радиусу тела Rb. Величина фактора расширения fp в разных работах принимается равной 2–7 в зависимости от некоторых дополнительных соображений, иногда не вполне корректных. Влияние этого фактора на параметры разрушенного тела (т. е. роя фрагментов и пара) на поздней стадии торможения, очевидно, очень велико, так как он определяет диаметр поперечного сечения, а с ним и скорость тела (струи), и температуру воздуха в ударной волне, и т. д. Таким образом, простые модели могут дать весьма грубые результаты. Более точные предсказания должны основываться на более сложном прямом численном моделировании падения.

Прямые численные расчеты двумерной гидродинамической задачи падения тела в атмосфере были выполнены, например, в работе [Hazins and Svetsov, 1993] с использованием лагранжева метода и в работе [Teterev et al., 1993] эйлеровым методом со специальным способом маркировки границы тела. Ледяное космическое тело, движущееся сквозь атмосферу, рассматривалось как жидкость с уравнением состояния воды. Расчеты показали, что метеороид в определенных ситуациях расплющивается незначительно. Он постепенно теряет свою массу вследствие сдува вещества поверхности воздухом. Под действием неустойчивостей раздробленное тело может принимать различную форму, которую заранее невозможно точно предсказать. В некоторых случаях тело стремится принять коническую форму и легче выдерживает полет сквозь атмосферу. В других случаях оно раздувается и принимает форму тора. При скорости входа в атмосферу 20 км/с 200-метровое ледяное тело теряет перед падением на поверхность менее 20 % своей начальной кинетической энергии, но увеличивает свой радиус приблизительно до 300 м на высоте 6,5 км над поверхностью Земли. На еще более низких высотах тело разрушается на мелкие фрагменты, которые на момент падения рассеиваются на расстояния вплоть до 200 м от центра падения метеороида. Масса этих фрагментов составляет 80 % от начальной массы, и их энергия достигает более чем 70 % от начальной энергии метеороида. Несмотря на разрушение тела, единая ударная волна охватывает все фрагменты. Подобные численные расчеты были проведены и для большего тела с диаметром 400 м. В этом случае тело деформируется, и при достижении поверхности Земли его полная масса уменьшается лишь на 10 %.

В работе [Teterev and Nemtchinov, 1993] была развита численная модель «мешка с песком», в которой считалось, что метеороид представляет собой совокупность частиц, движущихся сквозь атмосферу. Частицы передают энергию и импульс атмосфере и охватываются единой огибающей их ударной волной. С помощью этого метода также было показано, что сильно фрагментированный метеороид принимает коническую форму (рис. 8.1) и теряет меньше энергии, чем это было предсказано с помощью простых полуаналитических моделей дезинтеграции.

Рис. 8.1. Положения характерных частиц в модели «мешка с песком» для двух моментов полета t. Предполагается, что метеороид был мгновенно фрагментирован на высоте 25 км на 10 6 каменных фрагментов, заполняющих сферу с диаметром 200 м, и имел скорость 20 км/с

В расчетах предполагалось, что каменный метеороид после начальной стадии фрагментации состоит из 106 каменных фрагментов, свободно упакованных в сфере диаметром 200 м, скорость их составляет величину 20 км/c. В расчетах использовались пять групп фрагментов с радиусами от 10 см до 10 м, средний радиус составлял 1 м. Перед падением диаметр сферы, содержащей основную часть каменных фрагментов, увеличивался приблизительно до 400 м. Вследствие увеличения объема тела перед падением и уменьшения его средней плотности механический импульс, передаваемый поверхности Земли, будет меньше, чем для более компактного тела, и большая часть кинетической энергии тела будет превращаться в энергию поднимающегося факела.

След за телом. Космическое тело, проходящее сквозь атмосферу, создает за собой нагретый след, который расширяется до тех пор, пока давление в нем не сравняется с атмосферным. При расширении плотность в следе понижается. Воспользуемся очень простой идеализированной моделью цилиндрического сильного взрыва: тонкий ударно-сжатый слой с выровненным давлением внутри этой оболочки. Будем считать, что разреженная полость за фронтом расширяется до момента времени, когда давление на фронте становится примерно равным атмосферному давлению pа. Отсюда получаем, что радиус следа Rw определяется соотношением

R w  ≈ R b (p 0 /p а ) 1/2 , или R w  ≈ R b (V/C a ) √γ,

где p0 — давление на лобовой поверхности затупленного тела (p0 ≈ ρаV 2, ρa — плотность воздуха, γ — показатель адиабаты), Cа — скорость звука в холодном воздухе. При V = 15 км/с, Cа = 0,3 км/с получаем Rw/Rb ≈ 60. Таким образом, для тела диаметром 0,2 км диаметр следа будет достигать Rw ≈ 12 км. В действительности, за время пролета тела сквозь слой толщиной порядка характеристической высоты атмосферы H след не успевает расшириться до своего предельного размера.

След является разреженным каналом, через который некоторая часть энергии и массы может покидать плотные слои атмосферы, на его размер влияет и разрушение тела. Поэтому более полную картину можно получить только путем численного расчета.

На рис. 8.2 приведены результаты расчета по программе SOVA [Shuvalov, 1999] пролета ледяного тела (ρb = 1 г/см3) сквозь атмосферу при начальном диаметре 200 м и начальной скорости 50 км/с, т. е. при массе 4 106 т и начальной энергии, эквивалентной 300 Мт ТНТ. Видно, что к моменту времени, когда струя фрагментов подлетела к Земле, диаметр струи превышал 1 км. Через 1 с после удара характерный поперечный диаметр горячей области и области повышенного давления составил уже около 10 км.

При меньших начальных размерах тела струя фрагментов и воздуха вообще не достигает Земли. Именно это имело место в случае Тунгусского падения в 1908 г., когда метеороид имел размер не более 100 м. Наоборот, при падении крупного тела практически вся масса тела почти без торможения и абляционных потерь достигает поверхности Земли.

Рис. 8.2. Распределение плотности при пролете сквозь атмосферу ледяного тела с начальными диаметром 200 м и скоростью 50 км/с

8.1.2. Ударная волна. Оценка параметров ударной волны. После удара космического тела о поверхность Земли его кинетическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергии вещества грунта за фронтом ударной волны, распространяющейся в грунте от точки удара, и в энергию парового факела, выбрасываемого в атмосферу. Этот факел взаимодействует с атмосферой Земли и выделяет часть своей энергии в воздухе, также генерируя в нем ударную волну [Мелош, 1994; Ahrens and O’Keefe, 1987; O’Keefe and Ahrens, 1982a; Roddy et al., 1987].

Если ударяющее тело имеет низкую плотность по сравнению с плотностью грунта, а влиянием следа и неоднородности атмосферы можно пренебречь, то простейшую оценку параметров ударной волны в воздухе можно сделать, предположив, что вся энергия тела превращается вблизи точки удара в энергию полусферической волны. В свою очередь, для определения параметров ударной волны такого взрыва можно использовать или эмпирические данные, например представленные в виде аналитической формулы Садовского [Садовский, 2004], или результаты одномерных численных расчетов [Brode, 1955; Охоцимский и др., 1957]. Естественно, необходимо учитывать, что при прохождении космическим телом атмосферы часть его энергии выделяется в воздухе и энергия «приземного» взрыва, соответственно, меньше начальной.

Проблема определения опасностей, связанных с ударами астероидов и комет, является многофакторной, так как результат зависит от начальной скорости, массы, плотности, состава, формы, структуры и прочности тела, угла наклона его траектории, плотности и состава грунта в месте удара и т. д. Численные расчеты двумерных, а тем более трехмерных физико-математических задач о прохождении разрушающегося тела сквозь атмосферу и ударе о Землю являются весьма трудоемкими. Поэтому естественными являются попытки построения приближенных моделей для оценки результатов удара. Одной из таких моделей, доведенных до удобной в использовании программы, является программа, созданная в Аризонском университете (модель СММ) [Collins et al., 2005] и размещенная на сайте этого университета (www.lpl.arizona.edu/ImpactEffects). В силу желания получить простой и удобный в использовании инструмент для оценок авторы прибегли к ряду упрощений, которые подчас применимы не ко всем ситуациям, возникающим при ударах. При расчете параметров ударной волны были использованы данные, полученные при наземных и приземных ядерных взрывах [Glasstone and Dolan, 1977], и принцип энергетического подобия. В действительности область энерговыделения при входе метеороида является не точечным и не линейным источником, что видно из результатов расчета даже вертикального удара (рис. 8.2). И тем более сложной является картина взаимодействия ударной волны с поверхностью при косом ударе. Расчет прохождения тела сквозь атмосферу в программе СММ для рассматриваемых здесь достаточно больших тел (размером в десятки, сотни и более метров) проводится по модели растекающегося «блина» [Chyba et al., 1993] с фактором расширения fp = 7. Считается, что при достижении этого расширения оставшаяся энергия выделяется в воздухе. Если же эта степень расширения не достигается вплоть до поверхности Земли, то предполагается, что остатки ударяют о поверхность, приводя к образованию кратера, выбросу вещества, сейсмическому эффекту и формированию ударной волны в воздухе.

Приведем результаты расчетов по программе СММ для вертикального удара кометы (плотностью 1 г/см3) диаметром 200 м при начальной скорости 50 км/с и каменного тела (плотностью 2,7 г/см3) диаметром 400 м при начальной скорости 17 км/с. В обоих случаях будем считать грунт плотным, скалистым. В первом случае (в дальнейшем — вариант 1) начальная кинетическая энергия равна 1,2 103 Мт ТНТ. По модели СММ фрагменты тела ударяют по поверхности со скоростью 32 км/с в пределах круга диаметром 0,7 км, энергия ударяющих о поверхность струи пара и фрагментов составляет около 500 Мт ТНТ. На расстоянии 15 км амплитуда ударной волны, по оценке СММ, составляет 1,8 бар. При таком давлении, согласно работе [Glasstone and Dolan, 1977], многоэтажное кирпичное здание с несущими стенами обрушится. Во втором случае (в дальнейшем — вариант 2) начальная кинетическая энергия несколько больше, чем в варианте 1, а именно 3,1 103 Мт ТНТ. Эллипс рассеяния по оценке СММ составляет 0,58 × 0,58 км, амплитуда ударной волны при скорости 16,7 км/с на расстоянии 20 км равна 3,2 бар, что также приводит к обрушению многоэтажного кирпичного здания. Будет повреждено и многоэтажное здание со стальным каркасом. В двух вариантах, выбранных нами для примера (комета и каменное тело), скорости входа соответствуют типичным скоростям входа таких тел. Размеры выбраны сравнительно небольшими. Они соответствуют, по нашему мнению, нижней границе размеров объектов, которые следует считать опасными. Они вызывают последствия, которые можно рассматривать в некоторых случаях как локальные катастрофы (ударная волна и пожары, кратеры и навал), в других — как региональные (цунами), а в третьих — возможно, как глобальные (ионосферные и магнитосферные возмущения, см. ниже). При увеличении диаметра тела и его энергии возрастает роль следа и неоднородности атмосферы в распространении ударной волны, и использование данных ядерных испытаний и энергетического подобия становится невозможным.

Характеристический размер ударной волны воздушного взрыва зависит от его энергии и пропорционален радиусу тела. Для тела размером Rb = 100 м и скоростью 50 км/с размер ударной волны может достигать 8 км, что близко к величине характеристической высоты атмосферы H. Для таких сравнительно небольших тел существенную роль играет след, и взрывная волна по форме сильно отличается от сферической. Неоднородность атмосферы также приводит к сильному отличию формы ударной волны от сферической.

Как видно из рис. 8.2, для кометы с Rb = 100 м диаметр области повышенного давления на поверхности Земли составляет примерно 10 км. Средняя скорость распространения ударной волны по поверхности при этом составляет примерно 5 км/с, т. е. волна еще сильная. Однако максимальное давление в ней намного меньше, чем в случае, если бы тело достигло Земли не разрушившись. Поэтому и размер кратера, и сейсмическая эффективность, и эффективность возникновения цунами (при ударе о воду) также намного меньше, чем для более крупных тел. В то же время эффективность воздействия ударной волны на сооружения, расположенные на поверхности, не слишком снижается по сравнению с таковой для воздушного взрыва с той же энергией. Систематические расчеты параметров ударных волн и механического действия на грунт или воду при различных размерах астероидных или кометных тел (в диапазоне 100–1000 м), различных начальных скоростях и углах наклона траектории еще предстоит произвести. Это позволит уточнить сейсмическую и цунамигенную опасность таких тел.

Избыточное и динамическое давления. Эффекты разрушения, вызванные взрывной волной, обычно соотносят с максимумом избыточного давления. В Нагасаки жилые дома разрушились на расстоянии вплоть до 2 км от эпицентра взрыва, где максимум избыточного давления Δp по оценкам составлял 20 кПа [Glasstone and Dolan, 1977]. Результаты ядерных испытаний показывают, что почти полное разрушение двухэтажного деревянного каркасного дома и неукрепленного кирпичного дома происходит при Δp = 30–35 кПа, прочный дом с каркасом из стали с алюминиевыми панелями обваливался при Δp = 20 кПа. Максимум избыточного давления, вызванного ударной волной, зависит не только от расстояния до эпицентра, но также от высоты взрыва. Величина Δp = 30 кПа достигалась на расстоянии 5 км от эпицентра для ядерного взрыва с энергией 1 Мт, когда он происходил на поверхности, и на расстоянии 9 км при взрыве на высоте 3,6 км [Glasstone and Dolan, 1977]. Для взрыва с энергией 30 Мт простые оценки, основанные на гидродинамическом подобии, дают радиус поражения R = 25 км при взрыве на высоте 10 км. Таким образом, размеры областей, которые могли бы быть опустошены падением метеороида с энергией около 30 Мт, сравнимы с радиусом крупного города. Существует другой важный фактор — динамическое давление, которое определяет повреждения, вызванные сильными ветрами, возникающими за фронтом взрывной волны. Для Δp = 35 кПа максимальное динамическое давление q = 4 кПа и максимальная скорость ветра составляет 260 км/ч. Но мы не будем углубляться в такие детали. Лишь упомянем, что полученная с помощью теоретических газодинамических расчетов [Коробейников и др., 1991] зона разрушения лесного массива неплохо согласуется с данными натурных исследований зоны воздействия при Тунгусском событии 1908 г.

Оценки величины зоны разрушений ударными волнами, вызванными падениями астероидов и комет, были даны в работе [Chapman and Morrison, 1994]. Авторы принимали во внимание избыточное давление на фронте ударной волны и динамическое давление, которое вызвало падение деревьев. Для калибровки они использовали Тунгусское событие [Зоткин, Цикулин, 1966], где ударные волны вызвали падение деревьев на площади 2000 км2, которая эквивалентна площади круга с радиусом Rs = 25 км. Предполагалось, что площадь As сильных повреждений строений приблизительно равна площади вывала леса. Для оценок может быть использовано следующее выражение:

A s = πR 2 s = 200E 2/3 k, Rs = 8E k 1/3 ,

где радиус Rs выражен в километрах, площадь As — в квадратных километрах, энергия ударяющего тела Ek — в мегатоннах. Коэффициенты в формуле изменяются с высотой взрыва. «Оптимальная» высота h [км] составляет 6,4E1/3 [Glasstone and Dolan, 1977; Hills and Goda, 1993]. Если высота взрыва уменьшается до нуля, радиус Rs уменьшается приблизительно в 1,4 раза. Для E = 30 Мт получается радиус Rs = 18 км.

Прорыв атмосферы. Законы подобия, которыми мы пользовались для оценок, основаны на теоретических исследованиях гидродинамической задачи о распространении ударной волны после точечного взрыва в однородной атмосфере и на исследованиях с помощью численного эксперимента распространения взрывных волн, образованных химическими взрывами с высокой энергией и ядерными взрывами с энергиями менее 10 Мт. Но для больших энергий радиус Rs оказывается порядка характерной высоты атмосферы или превышает ее (для E = 103 Мт мы получаем Rs = 80 км), поэтому оценки следует уточнять численными расчетами.

Двумерные численные расчеты взрыва в неоднородной атмосфере и различные теоретические оценки прорыва атмосферы показывают, что ударная волна вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой над поверхностью Земли движется вверх быстрее, чем в радиальном направлении. Численные расчеты [Jones and Sanford, 1977; Jones and Kodis, 1982] взрыва с энергией 500 Мт, произведенного на поверхности, показали, что динамическое давление превосходит порог вывала леса на расстояниях в 27,5 км вместо 45 км, как это следует из закона подобия. В действительности давление и скоростной напор снижаются еще больше за счет влияния следа, не учтенного в этих расчетах.

Результаты расчета для большого тела (диаметром 10 км) приведены на рис. 8.3. Картина распределения плотности и температуры в более поздние моменты времени показана на рис. 8.4. Хотя след здесь также присутствует, но выброс вверх в основном облегчен за счет быстрого падения плотности атмосферы с высотой.

8.1.3. Световой импульс и пожары. Падение Тунгусского космического тела 30 июня 1908 г. вызвало пожар на площади около 500 км2 [Vasilyev, 1998], что в 4 раза меньше, чем площадь опустошения леса взрывными волнами (2000 км2). Этот пожар наглядно демонстрирует роль светового излучения. В Хиросиме и Нагасаки 20–30 % всех жертв были ранены за счет ожога от прямого действия теплового излучения вспышки. Используя эти данные, можно ожидать, что лучистое воздействие при энергии взрыва в 10–30 Мт могло бы быть причиной ожогов незащищенной кожи первой степени (обратимое повреждение) для 82 % населения, а 15 % получили бы ожоги второй степени (которые можно вылечить за одну или две недели) [Glasstone and Dolan, 1977]. Конечно, жертвы прямого действия теплового излучения вне зоны «огненного шара» могут быть сокращены простыми способами гражданской обороны (убежище и другие меры защиты) при условии предупреждения о возможном падении космического объекта. Мы должны упомянуть также глазные травмы, вызывающие слепоту и ожоги сетчатки, но они также могут быть сокращены адекватной тренировкой использования специальных фильтров для глаз, опять же при условии предупреждения об опасности.

Рис. 8.3. Распределение относительной плотности ( а ) и температуры ( б ) непосредственно перед столкновением каменного тела диаметром 10 км с поверхностью Земли

Рис. 8.4. Распределение плотности (верхняя панель) и температуры (нижняя панель) через 5 с ( а ) и 15 с ( б ) после удара о Землю каменного тела диаметром 10 км со скоростью 20 км/с

Используя «экспериментальное» значение площади пожара для энергии E = 30 Мт (Тунгусское событие), получим следующие соотношения:

A r = 30E r , R f = 3E r 1/2  N = 2,9 10 3 E r ,

где Ar — площадь воздействия теплового излучения в км2, Rf — радиус зоны пожара в км, N — число жертв, Er — энергия теплового излучения в Мт, которая для больших взрывов примерно составляет 30–40 % от энергии взрыва E [Glasstone and Dolan, 1977] или энергии ударника Ek.

При ударе метеороида и его фрагментов о поверхность твердого тела со скоростью более 15 км/с происходит испарение ударника и поверхности мишени. При расширении в вакуум характерный размер излучающей области Rf составляет примерно 10–15 размеров ударника [Melosh et al., 1993; Немчинов и др., 1998]. Время излучения порядка Rf/V, где V — скорость удара о Землю. Излучательная эффективность в вакууме η зависит от скорости ударника, но в среднем очень мала (η ≈ 10-4–10-2). Такие значения применимы при ударах об астероиды, планеты и их спутники, лишенные атмосферы, например о Луну [Ortiz et al., 2000]. Именно эти значения приняты в программе СММ для излучения факела. Однако в условиях весьма плотной атмосферы Земли они сильно преуменьшают реальную излучательную эффективность. Во-первых, наличие атмосферы сильно сдерживает разлет паров и скорость их охлаждения, увеличивает их плотность и оптическую толщину. Во-вторых, воздух нагревается в ударной волне, генерируемой при расширении паров, и сам излучает.

Характерная скорость ударной волны, при которой интенсивность излучения еще достаточно высока, составляет ∼ 6 км/с. Даже при ударе в воду скорость расширения паров, по крайней мере вблизи места удара, настолько велика, что ударная волна в воздухе интенсивно излучает. Так, даже при скорости ударной волны 5 км/с давление в ней составляет ∼ 25 ГПа. Согласно ударной адиабате, приведенной в работе [Stewart and Ahrens, 2005], температура сжатых в ударной волне воды или льда составляет 1700 К, и излучение сжатой воды не интенсивно. В то же время, согласно адиабате разгрузки, полученной в работе [Stewart and Ahrens, 2005], скорость паров воды при разгрузке от таких давлений до близких к атмосферным составляет ∼ 6 км/с. При таких скоростях температура воздуха за ударной волной достигает 10 000 К [Кузнецов, 1965] и излучение весьма интенсивно. Поэтому для оценок следует использовать значение излучательной эффективности, найденное при ядерных испытаниях, а именно 30–50 % [Glasstone and Dolan, 1977], или хотя бы значения порядка 10 %, полученные при расчетах входа в атмосферу тел размером 1–100 м [Nemtchinov et al., 1997b].

В программе СММ учитывается кривизна поверхности Земли, ограничивающая распространение вдоль нее излучения, но не учитывается тот факт, что излучающая область поднимается вверх, причем для больших тел достаточно быстро, тем самым увеличивая облучаемую поверхность. Кроме того, прозрачность стратосферы выше, чем тропосферы. Согласно оценкам по программе СММ, в варианте 1 на расстоянии 15 км импульс светового излучения Er составляет 400 Дж/см2, в варианте 2 на расстоянии 25 км — 900 Дж/см2. В то же время по нашим оценкам на этих же расстояниях в варианте 1 величина Er составляет 5 кДж/см2, а в варианте 2–10 кДж/см2, что на порядок выше, чем по программе СММ. Согласно [Glasstone and Dolan, 1977], одежда загорается при Er = 100 Дж/см2, трава — при 38 Дж/см2. Таков же примерно порог ожогов 3-й степени. Поэтому расстояние поражения световым излучением намного больше, чем оценивается по программе СММ, и лимитируется в основном погодными условиями (прозрачностью атмосферы, облачностью и т. д.).

Отметим еще, что защита от несчастных случаев при пожарах мерами гражданской обороны с увеличением энергии и площади облучения становится все более трудной, так как могут возникать дополнительные эффекты (например, «огненный смерч» [Андрианов и др., 2003]).

 

8.2. Последствия ударов о поверхность

8.2.1. Образование кратеров и баллистических выбросов. Астероиды и кометы размером более нескольких сотен метров достигают поверхности

Земли практически без торможения, т. е. со скоростями от 11 до 72 км/с (средняя скорость ударов астероидов около 20 км/с). При ударе образуются сильные ударные волны в мишени и ударнике. Начальная скорость таких волн приблизительно равна половине скорости удара, а давление достигает сотен ГПа. Распространение ударных волн и следующих за ними волн разрежения приводит к образованию ударного кратера.

Не учитывая разницы в плотностях между мишенью и ударником и считая скорость удара равной 20 км/с, можно на основе законов подобия [Holsapple, 1993] построить зависимость размера земного кратера от размера ударника (рис. 8.5). Эта зависимость не является линейной, но в широком диапазоне размеров можно приблизительно считать, что размер конечного кратера примерно на порядок превышает размер ударника. Естественно, что в месте образования кратера давления, температуры и скорости перемещения грунта настолько велики, что нет смысла обсуждать поражающие факторы. Однако размер этой области невелик по сравнению с размером Земли.

Гораздо большую площадь охватывают выбросы из кратера. Принято считать, что размер сплошного покрова выбросов примерно в 2–3 раза больше размера кратера.

Рис. 8.5. Зависимость диаметра комплексного кратера (> 4 км) от диаметра ударника для Земли. Серая линия показывает размер промежуточного кратера, черная — конечного

Распределение фрагментов выбросов по размерам зависит от размера кратера и скорости выброса. Наиболее крупные километровые фрагменты обычно выбрасываются с небольшой скоростью и падают вблизи вала кратера. Более мелкие фрагменты способны пролететь десятки километров и создать вторичные кратеры в месте падения.

В настоящее время на Земле идентифицировано около 180 ударных кратеров с возрастом от нескольких десятков до 2 млрд лет и с размерами от нескольких метров до 200 км (http://www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/). Крупнейшие земные кратеры — это Вредефорт (∼ 200 км, Южная Африка), Садбери (∼ 200 км, Канада), Чиксулуб (180 км, Мексика) и Попигай (100 км, Россия). Распределение земных кратеров по размерам показано на рис. 8.6. Уменьшение количества кратеров при увеличении их размера отражает распределение астероидов по размерам, а их уменьшение для малых размеров — экранирующие свойства земной атмосферы. Практически все кратеры размером менее 3 км образованы железными ударниками, а кратеры меньше 1 км обычно сгруппированы в поля рассеяния, т. е. созданы облаком фрагментов, образовавшихся при пролете в атмосфере. Понятно, что распределение на рис. 8.6 не отражает полного количества ударов в земной истории, по крайней мере, по трем причинам: во-первых, большая часть ударов приходится в океан; во-вторых, не все кратеры найдены; в-третьих, кратеры стираются с поверхности Земли в результате активных тектонических процессов, осадконакопления и эрозии.

Детальная картина процессов кратерообразования может быть найдена в ряде работ [Иванов, 1981; Мелош, 1994]. Приведем несколько примеров.

Рис. 8.6. Распределение земных кратеров по размерам

Кратер Метеор (кратер Бэрринджера, США) — первый достоверно идентифицированный земной кратер. Это простой кратер, имеющий чашеобразную форму диаметром 1,2 км и глубиной около 200 м (рис. 8.7). Кратер образовался в результате удара железного астероида размером 50–70 м. Ударник интенсивно разрушался во время движения в атмосфере. Многие фрагменты упали с небольшой скоростью и были позднее найдены вблизи кратера в виде метеоритов Каньона дьявола. Но в среднем струя фрагментов сохранила высокую (> 15 км/с) скорость, поэтому внутри кратера и на его валу найдены кусочки расплава (и мишени, и ударника), а также стишовит и коэсит — фазы высокого давления кварца.

Кратер Рис в Германии (см. рис. 8.8 на вклейке) диаметром около 25 км образовался 15 млн лет назад [Stöffler et al., 2002]. Уникальной чертой этого кратера являются его хорошо сохранившиеся выбросы, которые вблизи кратера (на расстояниях до 40 км) образуют двойной слой, а в дальней зоне (200–400 км) переходят в поля рассеяния тектитов. Крупные фрагменты выбросов и блоки обрушения вала (размером до 1 км) находятся между внутренним (10 км) и внешним (25 км) валами кратера.

Рис. 8.7. Кратер Метеор (Barringer Meteorite Crater, Arizona). Источник: http://interest-planet.ru/uploads/images/7/e/d/e/10/42855929e7.jpg

Попигайский ударный кратер диаметром 100 км возник 36 млн лет назад в Восточной Сибири [Масайтис и др., 1998]. Диаметр создавшего его ударника оценивается в 8 км при скорости 15 км/с; начальная кинетическая энергия ударника эквивалентна энергии 2 107 Мт ТНТ. Процесс образования кратера показан на рис. 8.9. Согласно расчетам [Иванов, 2005], переходный кратер к моменту 200 с после удара достиг диаметра около 50 км и глубины 18 км, которая примерно равна половине толщины земной коры. В дальнейшем за счет коллапса кратера его диаметр увеличился до 100 км, а глубина уменьшилась до 1–2 км. Выбросы из кратера (микрокриститы) найдены на расстояниях в тысячи км — в Атлантическом океане [Kettrup et al., 2003].

Кратер Чиксулуб (Мексика) образовался при ударе астероида размером ∼ 12–15 км в шельфовую зону Мексиканского залива 65 млн лет назад. Кратер имеет диаметр 180 км и погребен под километровым слоем осадочных пород. Образование кратера совпадает по времени с массовым вымиранием биоты, хотя причины этого вымирания до сих пор дискутируются (см. раздел 8.6.2).

8.2.2. Сейсмические эффекты. Ударные волны быстро затухают с увеличением расстояния от кратера и переходят в сейсмические. Для оценки амплитуды сейсмических волн можно использовать выражение для максимальной скорости смещения твердой породы Um, полученное для подземных ядерных взрывов [Родионов и др., 1971]: Um = 24(q1/3/R)1,75, где Um в см/с, q — энергия в кт ТНТ, R — расстояние в км. Необходимо иметь в виду, что как взрыв на поверхности, так и падение астероида менее эффективны, чем подземный взрыв.

Рис. 8.9. Последовательность событий при образовании модельного Попигайского кратера: а — исходное положение сферического ударника и слоистой мишени, б — 23 секунды после удара, переходная полость кратера достигает максимальной глубины около 19 км, в — 115 секунд после удара, коллапс переходной полости (подъем пород в центре за счет оседания бортов) приводит к образованию «переходного холма» высотой до 5 км, глубинные породы под кратером поднимаются выше уровня их исходного залегания, г — 200 секунд после удара, «переходной холм» растекается в поле тяжести, в то время как породы в глубине остановились за счет восстановления нормальной величины внутреннего трения, скорость приповерхностного растекания достигает 200 м/с, д — 300 секунд после удара, движение близко к остановке, е — 400 секунд после удара, кратер приобретает устойчивую конечную форму

Если мы заменим величину q на 0,1q (т. е. будем считать, что удар в 10 раз менее эффективен, чем взрыв), то на расстоянии 1000 км получим максимальную скорость смещения 6 см/с, если энергия удара составляет 106 Мт. Как следует из анализа разрушения типовых строений [Садовский, Костюченко, 1974], это значение скорости — критическое, так как при более высокой скорости происходит значительное повреждение строений или даже их полное разрушение. Экстраполяция формулы на более крупные удары, по-видимому, некорректна. Тем не менее, в расчетах удара, образовавшего кратер Чиксулуб (энергия удара порядка 108 Мт ТНТ), на расстоянии 300 км от центра кратера получены [Иванов, 2005] максимальные расчетные скорости грунта порядка 10 м/с и смещения 70–80 м, которые неплохо согласуются с предложенной оценкой.

Сравним сейсмический эффект от падения астероида с наиболее разрушительным, катастрофическим землетрясением. Для оценки этого эффекта мы используем величину магнитуды M по шкале Гутенберга — Рихтера [Садовский и др., 1987]: lg Es = 4,8 + (3/2)M, где Es — сейсмическая энергия в Дж, причем величина Es для подземного взрыва составляет приблизительно 0,05–0,1 от полной энергии взрыва. Подобные значения M получаются, если взять величину M = 6,5 для наиболее сильного взрыва на острове Амчитка на Алеутских островах с энергией E = 5 Мт [Gerstl and Zardecki, 1982] и затем использовать указанное соотношение. Для удара с полной энергией 106 Мт, принимая сейсмическую эффективность равной 0,05, по той же формуле получаем M = 9. Землетрясений с такими магнитудами не было зарегистрировано в течение последнего столетия. При землетрясении в Китае, для которого величина M = 8,5, погибло более 100 000 человек, и радиус зоны разрушений был больше 600 км. Это значение M близко к значению, полученному при использовании расчетной максимальной скорости. Для кинетической энергии 106 Мт площадь разрушения при M = 9 увеличивается до 1000 км. В такой зоне могут жить порядка 3 107 человек (при использовании средней плотности населения Земли).

Вопрос о сейсмической эффективности удара (доле кинетической энергии ударника, переходящей в энергию сейсмической волны) далек от своего разрешения. Согласно экспериментальным данным [Schultz and Gault, 1975], эта величина лежит в диапазоне 10-5–10-3. В работах [Мелош, 1994] и [Collins et al., 2005] берется некоторое среднее значение эффективности и конечное выражение для магнитуды выглядит следующим образом: M = (2/3) lg E — 5,87. Для E = 106 Мт = 4 1021 Дж получаем M = 8,5, т. е. несколько меньше, чем раньше.

Воздействие сейсмических волн на здания, сооружения, инициирование ими оползней, лавин и т. д. существенно зависит от расстояния до эпицентра, локальной и региональной геологии. Для учета этих факторов вводится понятие балльности или эффективной магнитуды [Collins et al., 2005]. Вообще говоря, возможность использования данных по землетрясениям для случая ударов космических тел не является очевидной, так как, во-первых, вычисленные магнитуды обычно намного выше магнитуд сильнейших землетрясений и, во-вторых, приведенные зависимости различны для разных районов Земли, что связано с существенной гетерогенностью земной коры.

Если характерный размер зоны разрушения порядка 10 км, то на распространение волны и развитие такой зоны влияет слоистая структура Земли с характерным вертикальным масштабом в несколько км и даже десятков км. Согласно данным, приведенным в работе [Краснопевцева, Щукин, 2004], в отдельных районах Северной Евразии скорость продольных волн Vp возрастает с глубиной от значений∼ 5 км/с в верхних слоях до 7 км/с на глубине∼ 40 км (граница Мохоровичича). В других районах имеют место промежуточные слои (на глубинах, скажем, 15–20 км) с пониженной скоростью Vp. В третьих районах такой слой располагается на глубинах 25–30 км или, наоборот, слои с повышенными значениями Vp имеются на глубинах 20–25 км. Таким образом, могут возникать эффекты волноводного распространения сейсмических волн. Наконец, в действительности эти низкоскоростные и высокоскоростные слои неоднородны по горизонтали из-за разбиения земной коры на отдельные блоки [Кочарян, Спивак, 2003].

Блочная структура земной коры существует во всех регионах. Так, в штатах Невада и Колорадо на участке длиной около 300 км, проходящем вдоль 39-й параллели, выявлено 9 довольно крупных разломов, простирающихся до границы Мохоровичича (расположенной в данном районе на глубине около 30 км) и наклоненных под различными углами [Niemi et al., 2004]. Квазивертикальные и квазигоризонтальные разломы, заполненные раздробленной породой, могут существенно изменить параметры сейсмической волны за разломом по сравнению с амплитудой до разлома.

Удары в горячие [Ivanov and Melosh, 2003] или напряженные [Витязев, Печерникова, 1997] точки литосферы могут приводить к дополнительным разрушающим эффектам. Таким образом, при анализе сейсмической опасности для данного объекта необходимо знать геологическую структуру вокруг объекта на довольно больших расстояниях и глубинах и рассматривать различные места возможного падения около него.

8.2.3. Выброс пыли и климатически активных газов в атмосферу. Рассмотренные выше эффекты носят локальный или, для самых крупных ударов, региональный характер. К глобальным последствиям могут привести выбросы из кратера пыли и образование климатически активных газов. Такие последствия могут длиться десятилетиями и существенно изменить окружающую среду на Земле и, возможно, ее климат. Увеличение количества парниковых газов в атмосфере (в первую очередь — воды и углекислого газа) приводит к нагреву поверхности Земли, а блокировка солнечного излучения пылью и аэрозолями (эффект, хорошо известный в вулканологии) — к остыванию. Суммарный эффект определяется, во-первых, общим количеством выброшенных газов и пыли и, во-вторых, временем их жизни в атмосфере (которое, в свою очередь, зависит от размера частиц, их химического состояния, способности коагулировать и т. д.). Если ответ на первый вопрос достаточно ясен (см. ниже), второй является предметом дискуссий, в которых ответы колеблются от резкого потепления и полного таяния льдов до бесконечной ядерной зимы.

Одной из основных проблем определения степени загрязнения атмосферы после удара является проблема определения максимальной высоты облаков пыли. Для предсказания эволюции облака, вызванного падением на поверхность Земли космического тела, можно использовать экспериментальные результаты по подъему облаков ядерных взрывов (см., например, [Glasstone and Dolan, 1977; Гордейчик и др., 1997]), применяя закон подобия динамики всплывающего нагретого объема — термика (высота равновесия h пропорциональна E1/4). Однако простой закон подобия для больших мощностей может приводить к существенным ошибкам из-за влияния неоднородности атмосферы. Кроме того, при ударе существенную роль в распространении пыли может играть наличие следа, оставленного при пролете в атмосфере. Так, энергия Тунгусского взрыва в 1908 г. была примерно в 5 раз меньше, чем энергия самого крупного ядерного взрыва в атмосфере, проведенного в 1961 г. на Новой Земле. Результаты расчетов для Тунгусского явления с учетом следа и разрушения в атмосфере приведены в работе [Shuvalov and Artemieva, 2002a]. В этом случае на начальной стадии облако взрыва (воздух с продуктами абляции и разрушения тела) по форме более сходно с длинным, турбулизованным цилиндром. Позднее в верхних слоях атмосферы образуется плюм, который, падая на более плотные слои атмосферы, вызывает ее сильные возмущения, а пыль достаточно быстро разносится на тысячи километров.

Для Тунгусского события в облако взрыва не вовлекалась пыль, выброшенная из кратера, так как такового не было. Однако с увеличением энергии ударника кратер возникает, и происходит выброс пыли из него, причем ее количество увеличивается с ростом диаметра тела и размера кратера. Размеры частиц, образующихся при ударе, увеличиваются с увеличением размера ударника [Melosh and Vickery, 1991; O’Keefe and Ahrens, 1982b]. В последней работе были проведены численные расчеты удара для условий К — Т-границы и было показано, что масса выброшенного вещества в 100 раз больше массы ударника, но масса субмикронной пыли составляет лишь 10 % массы ударника. Аналогичные результаты были получены и для ядерных взрывов: масса пыли, вынесенной пылевым слоем, составляет 300 Мт на 1 Мт ТНТ энергии, причем субмикронная фракция пыли составляет 8 % или 24 Мт массы на 1 Мт энергии [National Research Council, 1985]. Именно эти мельчайшие частицы остаются в воздухе длительное время и распространяются вокруг всей Земли в течение нескольких недель [Covey et al., 1990].

Характерный массовый коэффициент поглощения излучения Солнца субмикронной пылью составляет примерно 3 104 см2/г (для более крупных частиц он падает примерно обратно пропорционально радиусу частиц). Оценочные значения средней массовой концентрации m и оптической толщины τ, приведенные в работе [Toon et al., 1994], можно аппроксимировать простыми зависимостями: m = 10-7E, τ = 10-5E, где энергия удара E измеряется в Мт ТНТ, массовая концентрация пыли, поднятой в стратосферу, — в г/см2, а оптическая толщина субмикронной пыли безразмерна. Зависимость m(E) определена по данным испытаний ядерного оружия. Оптическая толщина атмосферы после извержения вулкана Пинатубо в 1991 г. составляла 10-1, что соответствует энергии удара 104 Мт. Оптическая толщина облака субмикронной пыли после К — Т-удара достигла единицы, т. е. ослабление солнечного излучения было существенным (но достаточно кратковременным).

Доля T солнечного излучения, проникающего до поверхности Земли сквозь слой пыли, обычно представляется функцией оптической толщины τ, а именно: T = A exp(-τ/b) = A exp(-10-5/b), где A = 0,9, b = 6,22 для пыли; A = 0,8, b = 1,03 для дыма. Дым пропускает меньше солнечного излучения, чем пыль, потому что поглощает много света. В работе [Covey et al., 1990] исследовано поведение облака, образовавшегося при ударе с энергией 6 105 Мт. Согласно этим расчетам, понижение средней температуры составляет 8 К в течение первых двух недель после удара. Через 30 дней после удара пыль распределяется глобально и температуры восстанавливаются до первоначального уровня.

При энергии ударника, падающего в океан, равной 105 Мт, удельная масса воды, выброшенной в атмосферу, превышает содержащуюся в ней в обычных условиях (0,001 г/см2). При энергии 108 Мт удельная масса воды достигает уже 1 г/см2. Но, согласно работе [Toon et al., 1994], в диапазоне высот 16–45 км и выше 45 км не может содержаться более 0,2 г/см2 и 2 г/см2 соответственно, так как начнется конденсация. Это верхние оценки, поскольку водяной пар сильно поглощает и излучает в инфракрасном диапазоне. Это дополнительный фактор, ведущий к снижению температуры верхней атмосферы (примерно до 215 К) и интенсивным дождям. Богатая водой атмосфера неустойчива к вертикальным возмущениям, в результате чего возникает интенсивная конвекция.

Увеличение альбедо за счет формирования облаков с каплями и с льдинками приводит к снижению температуры поверхности суши Земли, океана и нижних слоев атмосферы. Это уменьшает конвекцию в нижних слоях. С другой стороны, парниковый эффект увеличивает температуру. Поэтому даже знак эффекта до сих пор не ясен. Процессы инжекции воды в атмосферу и последствия этого требуют дальнейшего изучения.

Ударные волны, образующиеся при пролете астероида и/или в результате расширения послеударного плюма и распространяющиеся со скоростями > 2 км/с, нагревают атмосферу до нескольких тысяч градусов, что способствует образованию токсичных окислов азота (NO, NO2, HNO3) [Prinn and Fegley, 1987; Zahnle, 1990] и приводит к разрушению озонового слоя Земли [Turco, 1981]. Пожары, возникающие под действием излучения плюма или в результате возвращения в атмосферу высокоскоростных выбросов, заполняют нижнюю атмосферу дымом и токсичными газами. При ударах в осадочные породы (например, известняки и доломиты) в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа (результат дегазации кальцита) и серы. Если первый, являясь парниковым газом, может привести к существенному потеплению, то соединения серы, наоборот, приводят к уменьшению температуры поверхности. Суммарный эффект определяется массовым соотношением между этими химическими соединениями и их способностью оставаться в атмосфере длительное время (см. раздел 8.6.2).

Подъем пыли в пустынных районах. Существует еще один механизм выброса пыли в атмосферу — эрозия высокоскоростными ветрами, созданными ударной волной, усиленная вследствие так называемого «эффекта теплого слоя». Эта эрозия, по-видимому, наиболее интенсивна при «взрывах» комет и астероидов над полупустынными районами и песчаными пустынями, покрывающими значительную часть поверхности Земли. Теплый слой — это слой нагретого воздуха над поверхностью Земли, который может образовываться за счет нагрева поверхности излучением, возникшим при ударе. Низкий коэффициент теплопроводности песчаного грунта способствует быстрому повышению температуры частиц поверхностных слоев грунта. Естественно, что нагревается также воздух между песчаными частицами и над ними. Взаимодействие ударной волны с теплым слоем приводит к образованию предвестника перед фронтом волны и глобальной перестройке всего течения.

Эффект теплого слоя был обнаружен в середине 1950-х гг. при ядерных испытаниях и в специальных моделирующих опытах [Садовский, Адушкин, 1988]. В дальнейшем этот эффект изучался теоретически, оценками и численными расчетами, а также экспериментальными лабораторными исследованиями [Таганов, 1960; Немчинов и др., 1987, 1989; Артемьев и др., 1987, 1988, 1989; Бергельсон и др., 1987, 1989]. Он был исследован также в работах [Shreffler and Christian, 1954; Mirels, 1988; Reichenbach and Kuhl, 1988]. Взаимодействие ударной волны с теплым слоем приводит к возникновению вихревой структуры перед основной ударной волной. Это видно из рис. 8.10, где представлены результаты расчета развития взрывной волны для тела диаметром 200 м.

Рис. 8.10. ( а ) Распределение изохор в атмосфере после вертикального падения ледяного тела диаметром 200 м и скоростью 50 км/с в момент времени t = 1 с. ( б ) Положения начальных маркеров теплого слоя в тот же момент времени

На рис. 8.10 а показана форма ударной волны. Видно, как перед фронтом возникает предвестник. На рис. 8.10 б для того же момента времени приведены положения маркеров, предварительно размещенных в теплом слое в начальный момент времени. Вихревое течение внутри предвестника приводит к отрыву вещества теплого слоя от поверхности Земли. При этом нагретый газ захватывает частицы пыли, взвешенные в воздухе, и может поднять их на большую высоту.

Размеры предвестника и вихря намного больше толщины теплого слоя и оказываются порядка длины пути, пройденного ударной волной по теплому слою. Более того, в плоском случае при постоянной скорости поршня, генерирующего волну, задача автомодельна, и размер предвестника со временем неограниченно растет и, в конце концов, его длина и высота намного превосходят толщину теплого слоя и последняя перестает играть роль. Таким образом, очень малое возмущение может вызвать глобальную перестройку течения.

Были проведены лабораторные эксперименты по взаимодействию ударной волны с теплым слоем над запыленной поверхностью. Сферическая волна создавалась лазерным импульсом, метеорный след моделировался электровзрывом тонкой проволочки. Нагрев покрытой тонкой графитовой пылью проволочки производился другим лазером. Одновременно проводились численные эксперименты с использованием программы SOVA, где размер частиц принимался равным 1 мкм, а энергия лазерного взрыва — 30 Дж. Результаты расчетов показали, что частицы поднимаются на высоту 0,2–0,4 см, заполняя область за косой волной (к моменту времени 5 мкс волна проходит по теплому слою∼ 1,6 см). Эти эксперименты и расчеты использовались для моделирования возникновения пыльных бурь [Rybakov et al., 1997] после ударов небольших метеороидов на Марсе, где в силу разреженности атмосферы сравнительно небольшие метеороиды (порядка 1 м) достигают поверхности.

Для Земли удар по поверхности возможен для тел размером более ∼ 50–400 м (критический размер разный для кометных, каменных и железных тел). Однако даже если тело не достигло поверхности, «взрыв» над пустынной поверхностью («Тунгуска» не в тайге, а в пустыне) может вызвать подъем пыли за счет импульсного ветра — движения высокоскоростной струи перед ударной волной вдоль поверхности с теплым слоем. Заметим, что подъем частиц пыли ветром происходит не только за счет трения, но и за счет сальтации, т. е. удара увлеченных воздухом частиц, выбивающих при своем падении новые частицы или упруго отскакивающих снова в поток.

В последние годы были предприняты довольно интенсивные поиски кратеров в пустынных районах Земли. Paillou et al. [2003], используя радарные изображения со спутников, в юго-восточной части Ливийской пустыни обнаружили двойную кратерную структуру, частично скрытую песчаными наносами. Полевые исследования показали, что каждый из этих кратеров имеет диаметр около 10 км и возраст менее 140 млн лет. В юго-западной части Египетской пустыни на площади более 4500 км2 было обнаружено 13 кратеров диаметром от 20 м до 1 км [Paillou et al., 2004]. Вряд ли столь большое кратерное поле было создано одним космическим телом. Скорее всего, оно было вызвано его фрагментацией еще до входа в атмосферу.

Из 180 найденных на Земле ударных кратеров в Африке находится 17. В пустынных районах Сахары, безусловно, еще будут найдены кратеры, скрытые под песчаными наносами. Ранее в Саудовской Аравии, в пустыне Руб-аль-Кали, была найдена группа из 4 кратеров (Вабар) диаметром от 17 до 100 м в области размером 400 × 200 м [Holm, 1962]. На месте падения было обнаружено метеоритное железо. Люминесцентный анализ показал очень небольшой возраст этого падения — всего 290 лет [Prescott et al., 2004]. Моделирование песчаных облаков, вызванных ударами в песчаные пустыни Земли или «взрывами» над ними и эрозией ветровыми потоками, тем более с учетом действия светового излучения и эффекта теплого слоя, пока не проводилось.

 

8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами

Моря и океаны покрывают большую часть поверхности Земли, поэтому вероятность ударов астероидов и комет по водной поверхности выше, чем по суше.

Волны в воде в ближней зоне удара. Волны, вызванные падением метеороидов в океаны и моря, распространяются от места удара на большие расстояния и могут вызвать весьма серьезные последствия [Hills and Mader, 1995; Hills et al., 1994]. Удары по водной поверхности так же, как и по суше, вызывают образование кратера. Поскольку кратер в воде нестабилен, помимо волн, вызванных непосредственно ударом, после заполнения кратера водой и его схлопывания возникают волны, распространяющиеся наружу [Gault and Sonnet, 1982]. Астероиды с размерами, большими чем глубина океана, вызывают вблизи места удара волны с амплитудой, сравнимой с этой глубиной [Ahrens and O’Keefe, 1983, 1987; Roddy et al., 1987].

Численные расчеты [Ahrens and O’Keefe, 1987; Roddy et al., 1987] дали детальную картину начальной стадии гидродинамических процессов, инициированных вертикальным падением 10-километрового каменного тела со скоростью 20 км/с и энергией 6 107 Мт ТНТ в океан глубиной 5 км. Через 120 с после падения высота волны в воде приблизительно равна 4 км. В работе [Nemchinov et al., 1993] численные расчеты были выполнены для кометы диаметром 2 км, имеющей такую же скорость и падающей в океан глубиной 4 км. Через 37 с после удара высота волны в воде составляет 1,3 км на расстоянии 18 км от места удара (это существенно нелинейная стадия распространения волны). Энергия 150-метрового железного тела, движущегося со скоростью 20 км/с, равна 600 Мт. Такое тело пройдет через 600-метровую толщу морской воды почти без замедления и испарит большое количество воды ударной волной, а также вызовет образование кратера в морском дне почти такого же размера, что и при ударе о поверхность суши [Croft, 1982].

Рис. 8.11. Образование кратера и формирование волн цунами при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км

На рис. 8.11 проиллюстрировано образование кратера в воде и океанском дне и формирование волн в воде в ближней зоне при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км (расчеты были проведены по программе SOVA). Как видно, через 30 с после удара высота водяной струи составляет примерно 2,5 км. В момент времени 60 с эта струя уже разрушилась; гребень волны, вызванной ударом, находится на расстоянии ∼ 12 км от места падения. При ударе железного астероида диаметром 1 км с энергией 1,5 106 Мт ТНТ высота струи достигает 19 км, высота волны вблизи места удара достигает 0,8 км и снижается до 0,4 км на расстоянии 64 км от места удара.

Для случая плотности ударника ρ = 3 г/см3, его скорости V = 20 км/с и эффективности передачи энергии воде ε = 0,15 в работе [Ward and Asphaug, 2003] зависимость диаметра d и глубины h временного кратера в глубокой воде была аппроксимирована соотношением

d = 117D 0 3/4 , h = d/3,13,

где D0 — диаметр ударника в метрах. Для D0 = 300 м диаметр временного кратера d составит 8,4 км, а его глубина h = 2,7 км.

Экспериментальные данные по распространению волн в воде на боль шие расстояния. При распространении волн в воде на большие расстояния в случае цилиндрической симметрии простая оценка такова: высота волны hw ∼ 1/r, где r — расстояние от центра. Этот закон согласуется с эмпирическим соотношением [Коробейников, Христофоров, 1976], полученным при анализе результатов подводных взрывов ТНТ. Распространение волн в воде в эксперименте [Glasstone and Dolan, 1977] также подчиняется этому закону. Исходя из этого легко получить следующую оценку: hw = 10 м на расстоянии 2000 км для 2-километровой кометы, падающей в океан глубиной от 4 км, и на расстоянии 3000 км для 150-метрового железного тела, падающего в море глубиной 600 м (это средняя глубина Балтийского моря). Такая высота водяной волны (10 м) соответствует высоте наиболее разрушительного цунами, зарегистрированного на Курильских островах в течение XX в. [Шокин и др., 1989].

Анализ экспериментальных данных по подводным ядерным взрывам [Glasstone and Dolan, 1977] привел к следующим эмпирическим зависимостям высоты h цунами над уровнем невозмущенного океана для случая, когда максимальная глубина водяного кратера заметно меньше глубины океана. На расстоянии r от места взрыва с энергией E

где h и hw (hw — полная высота волны) выражены в м, E — в Мт, а r — в км. Отметим, что астероид диаметром 500 м при скорости 20 км/с имеет энергию 10 000 Мт ТНТ. Астероиды диаметром менее 200 м обычно заметно теряют свою энергию за счет диссипации в атмосфере и снижают свою среднюю плотность, что приводит к заметному уменьшению высоты волн.

Средняя глубина океана d составляет 4–5 км. Если максимальная глубина кратера в воде становится сравнимой с этой величиной, то высота волны (в метрах) определяется по следующей эмпирической формуле:

В работе [Schmidt and Holsapple, 1982] на основании лабораторных экспериментов было установлено, что глубина кратера в воде примерно в 12 раз больше, чем диаметр ударяющего космического тела.

Помимо геометрической расходимости существует и дисперсия волн различных частот.

Цунами. Астероиды с размерами, заметно меньшими глубины океана, вызывают волны, которые можно назвать волнами в глубокой воде. Такие волны не представляют значительной опасности вплоть до больших расстояний от места удара. Если же волна попадает на мелководье, ее скорость уменьшается и ее фронт увеличивает свою крутизну — огромная волна цунами опрокидывается на побережье. Берега морей и океанов являются обычно областями с высокой плотностью населения и промышленности, что увеличивает опасность, исходящую от цунами. Такие низко лежащие площади, как территории Нидерландов и Дании, могут быть затоплены, а большие города и даже целые промышленные регионы, расположенные у берегов, могут быть погружены в воду (конечно, при падении очень больших тел).

Разрушительные последствия цунами хорошо известны по цунами, возникающим после землетрясений. Так, после Чилийского землетрясения 1910 г. волна прошла 17 000 км и вызвала в Японии цунами высотой 1–5 м. На расстоянии 10 500 км (на Гавайских островах) высота волны достигла 10 м. Еще более страшными были последствия события 26 декабря 2004 г., когда цунами было вызвано землетрясением магнитудой M ≈ 9 и привело к гибели более 300 000 человек, огромны были и материальные потери.

Набегание волны цунами на берег. Когда волна набегает на берег, максимальное расстояние, которое волна проходит в глубь суши (Xmax), определяется высотой волны у берега h0, наклоном берега и шероховатостью прибрежной зоны, по которой движется волна. Высота волны на берегу h и расстояние в глубь берега X связаны соотношениями [Hills and Mader, 1995; Mader, 1988; 1991]

Здесь A и B — константы, а параметр n характеризует шероховатость прибрежной поверхности, причем n = 0,015 для плоской поверхности, покрытой грязью, и n = 0,070 для берега с деревьями, кустами и скалами. В среднем n ≈ 0,03. Константы определяются на основании наблюдений. Для n = 0,035 и h0 = 15 м оказывается Xmax = 1,8 км. Для h0 = 40 м имеем Xmax = 9 км, а для h0 = 200 м имеем Xmax = 80 км.

Эмпирические данные по набеганию волн на берег при землетрясении [Toon et al., 1994] показывают, что в прибрежных районах с наклоном берега 1: 40 высота волны на берегу в 10–20 раз больше, чем в глубоком океане. Широкий шельф или рифы могут уменьшить высоту набегающей волны в 2–3 раза.

Оценки параметров волн цунами при ударе каменного тела диаметром 300 м при скорости входа 20 км/с в океан на расстоянии 1900 км от берега США показали [Chesley and Ward, 2006], что выход волны цунами на берег подвергает риску жизни примерно 1 млн человек и вызывает разрушения инфраструктуры стоимостью более 100 млрд долларов. Недавно вопрос о набегании на берег волн цунами, вызванных ударами, рассматривался в работе [Melosh, 2003]. При этом использовались опубликованные данные наблюдений за волнами, вызванными ядерными взрывами.

По мнению Мелоша [Melosh, 2003] для волн, вызванных ударами сравнительно небольших тел, коэффициент усиления волны при выходе на берег намного меньше, чем значение 10–20, принятое в работе [Hills et al., 1994] и основанное на исторических данных по цунами, вызванных землетрясениями. Мелош также обращает внимание на то, что, согласно данным ядерных испытаний, опрокидывание сравнительно коротких волн до выхода на берег ограничивает набег волны (эффект Ван Дорна). Поэтому относительно короткие волны, вызванные ударом астероидов небольших размеров, а именно 100–1000 м, по мнению Мелоша [Melosh, 2003] не представляют столь большой опасности, как считалось ранее. Этот вопрос требует дополнительного анализа.

В работе [Korycansky and Lynett, 2005] проведены расчеты опрокидывания волн, вызванных ударами тел размером менее 1 км в глубокий океан, при их выходе на берег. При расчетах использовались типичные профили дна Тихоокеанского побережья Северной Америки и Мексиканского залива. Предварительные результаты расчетов состоят в том, что типичное расстояние от берега, где происходит опрокидывание волн начальной высотой 10 м, составляет 3–7 км, для волн высотой 100 м — 15–18 км от Тихоокеанского побережья. Для более плавного профиля дна у берега Мексиканского залива расстояние опрокидывания увеличивается до∼ 200 км. В расчетах учитывалось трение о дно, которое для плавного профиля дна вызывает достаточную диссипацию энергии, препятствующую опрокидыванию волн. Отмечено, что максимальный набег волны при реальных ударах должен сильно зависеть от формы волнового пакета. Такие детальные исследования еще предстоит провести.

Изучение проблемы эволюции волны цунами еще далеко от завершения. Влияние реального рельефа береговой линии и дна являются, вероятно, наиболее важными факторами, которые должны приниматься во внимание в будущих предсказаниях опасностей, исходящих от цунами. Недавно проблема цунами широко обсуждалась в связи с катастрофическими событиями 26 декабря 2004 г. в Индийском океане. Была обнаружена сильная направленность распространения волн вдоль побережья острова Суматра и далее на север к Шри-Ланке и Индии [Lomnitz and Nilsen-Hofseth, 2005]. Таким образом, существует возможность большого локального или даже регионального усиления разрушительных последствий падения на больших расстояниях.

Наконец, удары в воду могут вызвать цунами не за счет образования кратера, а за счет мощных оползней, вызванных сейсмическим эффектом. Таким образом, проблема цунами, вызванных ударами, далека от своего разрешения. Так, остаются неопределенными последствия цунами, возникающих при ударах метеороидов в мелководные моря (например, Балтийское) и входе волн в заливы с учетом реального рельефа дна и формы береговых линий; нет каких-либо детальных оценок возможных разрушений объектов в прибрежных районах России. Во многих районах земного шара цунами возникают постоянно, и существует служба их предупреждения, использующая данные сейсмических сетей о землетрясениях и наблюдения за океаном. Это позволяет уменьшить число жертв за счет вывода населения из районов возможных цунами. Волны цунами, вызванные ударами метеороидов, не только менее изучены, но могут возникать в тех районах, которые сейчас не считаются цунамиопасными и где отсутствует служба предупреждения.

 

8.4. Уязвимые объекты на поверхности Земли

По мере развития человеческой цивилизации появляются все новые и новые аспекты астероидной опасности. В настоящее время на поверхности Земли построены высокие плотины гидроэлектростанций, крупные химические заводы, мощные атомные электростанции, хранилища ядерных отходов, разрушение которых может привести к серьезным последствиям [Мельников и др., 1992]. Атомные электростанции, химические заводы, производящие ядовитые вещества, или такие, которые могут загрязнить окружающую среду, если в них произойдет утечка, хранилища радиоактивных отходов являются объектами, которые должны быть защищены от попадания в них астероидов или их фрагментов. Такие объекты могут быть защищены либо активными способами (разрушением астероидов на орбитах с помощью ядерных устройств или кинетического оружия, изменением траекторий таких космических тел), либо пассивными способами (укреплением структур объектов, изменением их конструкций). Мы не будем описывать здесь обычное структурное повреждение воздушным взрывом (которое может привести к наклону или даже полному разрушению стальных рам, кирпичных стен, строений с железобетонными и упрочненными железобетонными рамами, крыш и т. д.). Это можно исключить размещением опасных объектов под землей. Однако движение грунта также может вызвать значительные повреждения. Трубопроводы, туннели, метро, подземные структуры — все может разрушаться вследствие деформации и образования разломов.

В зонах, где амплитуда возмущений превышает порог плавления и фазовых превращений грунта (∼ 100 Мбар), расчет конструкций подземных сооружений не имеет смысла, поскольку при таких нагрузках поведение строительных материалов близко к таковым для грунта и сооружение будет полностью разрушено [Коряк, Старчикова, 1997]. Но и в зонах, где амплитуда возмущений превышает 100–1000 кбар для скальных пород и 1–100 кбар для осадочных пород, можно предсказать полное и сильное разрушение конструкций сооружений.

Хранилища радиоактивных отходов. Хранилища радиоактивных отходов — это система помещений, построенных для изоляции радиоактивных веществ, которые в них содержатся, чтобы по мере возможности защитить биосферу в течение того периода, пока остается значительный риск радиоактивного заражения. Защитная способность хранилища зависит от барьера между радиоактивными отходами и биосферой. Существует две группы хранилищ: приповерхностные сооружения и глубоко расположенные сооружения. В отличие от хранилищ, расположенных в глубоких и промежуточных слоях, приповерхностные хранилища функционируют в течение нескольких десятков лет. В то же время глубокие сооружения рассчитаны на десятки тысяч лет, т. е. время их существования в будущем сравнимо с характерным интервалом времени между падениями тел размером 200–400 м, достигающих поверхности Земли.

Существуют национальные и международные программы, в которых была исследована осуществимость удобных геологических хранилищ. Были исследованы различные геологические среды (соль, кристаллическая порода, такая как гранит, глины и туф) и различные конструкции. Правильно выбранные места в асейсмических регионах обеспечили бы невозможность проникновения содержимого хранилищ в биосферу в течение, по крайней мере, нескольких тысячелетий. Несколько стран имеют уже построенные хранилища, в некоторых других они находятся в стадии конструирования. Другие страны планируют построение промышленных хранилищ в ближайшие 15–50 лет.

Атомные электростанции. В 1990 г. в мире существовало 435 работающих атомных электростанций в 30 странах, как в индустриально развитых, так и в развивающихся. Они обеспечивали 17 % мировых потребностей в электроэнергии. Однако случай в Чернобыле ясно показал риск, связанный с атомными электростанциями, и был учрежден международный режим ядерной безопасности. В последние годы синдром Чернобыля постепенно преодолевается и вновь ставится вопрос о строительстве новых атомных электростанций. В Великобритании предполагается строительство 10 новых станций. По всему миру в течение 15 лет будет построено 500 атомных электростанций с существенно улучшенными характеристиками безопасности. Однако они не предусматривают мер защиты от ударов космических объектов. Следует иметь в виду, что продуктивная жизнь этих станций составляет от 40 до 50 лет, как следует из предшествующего опыта.

Оценим вероятность катастрофы на атомной станции вследствие падения космического тела. Поверхность Земли составляет 5 108 км2. Если бы атомные электростанции были распределены равномерно по всей поверхности, сейчас на каждую из этих станций приходилась бы средняя площадь поверхности порядка 106 км2 с характерным радиусом площади 600 км. Число этих станций могло бы увеличиться в предсказуемом будущем (скажем, сто лет) в 10 раз с уменьшением соответствующего радиуса до 200 км. Если этот радиус будет равен радиусу разрушения структур атомной станции, то любое падение приведет к катастрофе, которая будет по порядку величины равна Чернобыльской (выделяется 100 миллионов Кюри радиоактивности) или больше.

Рассмотрим разрушение конструкций наземных атомных электростанций. Скорость подвижки почвы в 1 м/с повлечет не только разрушение мест соединения трубопроводов и утечку радиоактивности, но даже разрушение некоторых стен и крыш. Это означает, что при падении тела диаметром 1 км радиус зоны разрушения достиг бы 200 км. В то же время для химических заводов, расположенных на поверхности, критическая скорость подвижки меньше (10–15 см/с) и радиус зоны разрушения может достичь 1000 км.

В областях, далеких от берегов морей и океанов или расположенных достаточно высоко над уровнем моря, единственным опасным фактором являются сейсмические волны. Но атомные электростанции (и химические заводы) часто построены вблизи морского берега, потому что так легче транспортировать тяжелое оборудование к месту расположения (в частности, существуют проекты строительства нескольких подземных атомных станций на Кольском полуострове [Мельников и др., 1992]). При энергиях более 1000 Мт в гибели людей будут преобладать эффекты от цунами, возникающих при ударах в океан. Поэтому для ударов в океан различия между ударами с локальной и глобальной шкалой разрушений стираются.

Разрушение плотин. При разрушении плотин, гидроузлов образуется волна прорыва, затапливающая речные долины и разрушающая плотины лежащих ниже гидроузлов. Для арочных и бетонных плотин на скальном основании определяющей является стадия образования начального прорыва. Эта стадия может быть существенной для большинства плотин из местных материалов и смешанных (бетонная русловая плотина и боковые плотины из местных материалов), а также для бетонных плотин на мягком основании из-за размыва грунта основания и последующей потери устойчивости отдельных секций плотин [Розов, 1997].

Плотина из местных материалов перестает сдерживать напор воды, если ее гребень оказывается хотя бы на какое-то время ниже уровня воды в верхнем бьефе. При повышении этого уровня за счет волны, вызванной ударом, либо за счет оползания откоса сооружения, оказавшегося неустойчивым вследствие действия сейсмических волн, плотина размывается потоком воды из водохранилища. Волна прорыва обладает, как правило, огромной разрушительной силой. Отметим, что обычно концентрация населения вдоль речных долин очень высока. Поэтому разрушение системы плотин гидроэлектростанции является региональной катастрофой, которую нельзя допускать.

 

8.5. Региональные и глобальные катастрофы

При увеличении размеров тела до нескольких километров и, тем более, десятков километров его удар приводит к глобальной катастрофе, угрожающей существованию всего человечества или его значительной части. Такие события редки, поэтому все большее внимание уделяется опасности, связанной с воздействием падений сравнительно небольших тел — размером 200–400 м и энергией порядка 103–105 Мт. Такие удары приводят к региональным катастрофам и могут привести к глобальному нарушению работы современных средств связи. Рассмотрим примеры хорошо изученных событий, вызывающих региональную и глобальную катастрофы.

8.5.1. Тунгусское событие как пример локальной катастрофы. Событие, которое произошло в Сибири в бассейне реки Подкаменная Тунгуска утром 30 июня 1908 г., продолжает привлекать к себе интерес как исследователей, так и широкой публики во всем мире. В прессе и в популярной литературе, издаваемой в России, довольно часто Тунгусская катастрофа представляется как загадочное явление, для объяснения которого предложено немало экзотических гипотез. Но из проведенных за многие десятилетия научных исследований с очевидностью следует, что это событие было вызвано падением космического тела (астероида или кометы) размером 50–100 м, которое затормозилось в атмосфере на высотах 5–10 км и передало ей свою энергию, эквивалентную 10–50 Мт взрывчатого вещества. Это было типичное падение довольно крупного космического тела, и от часто наблюдаемых ударов меньших тел (болидов) оно отличается по существу лишь масштабом. Но этот масштаб таков, что событие представляет собой региональную катастрофу.

За промежуток времени, сравнимый с существованием человеческой цивилизации, на Земле произошло совсем немного падений космических тел размером с Тунгусское космическое тело (ТКТ). Такие удары случаются в среднем, по разным оценкам, от 1 раза в 300 лет [Shoemaker, 1983] до 1 раза в 1000 лет [Brown et al., 2002]. Если учесть, что тела с наибольшей вероятностью падают в океан, море или на ненаселенную местность, то, возможно, это единственное столь крупное падение, с которым непосредственно столкнулась цивилизация. Но такое событие может произойти и в самое ближайшее время. Изучение последствий Тунгусской катастрофы показывает особенности явления, которое представляет реальную угрозу человечеству.

Перечислим основные факты Тунгусского события [Vasilyev, 1998; Бронштэн, 2000; Плеханов, 2000; Васильев, 2004; Васильев и др., 1965; Иванов, 1961, 1964; Кулик, 1976; Пасечник, 1986]. 1. В окрестностях эпицентра катастрофы нет ударного кратера и не найдены метеориты. 2. Был вывален лес на площади около 2000 км2 (рис. 8.12), причем вывал имеет характерные особенности: в эпицентре остались стоять деревья с обломанными ветвями; стволы поваленных деревьев направлены в среднем от эпицентра к периферии; форма области вывала имеет сплюснутую форму, напоминающую бабочку. 3. Была инициирована поверхностная сейсмическая волна, зарегистрированная на четырех сейсмических станциях. 4. Созданная воздушная акусто-гравитационная волна распространилась по всему земному шару и была зарегистрирована на многих метеостанциях, в том числе в Англии. 5. Событие сопровождалось тепловым воздействием, которое ощущалось очевидцами, вызвало пожар, ожоги растительности и животных. 6. Через несколько минут после образования сейсмической волны возникло геомагнитное возмущение, которое длилось несколько часов и было зарегистрировано в Иркутске. 7. В течение нескольких дней на протяженной территории России и Европы наблюдались аномальные атмосферные явления: светлые сумерки, цветные зори, солнечные гало и кольца Бишопа.

Рис. 8.12. Вывал леса в районе падения Тунгусского метеорита

Обычно далеко не все очевидцы, опрашиваемые после падений болидов, сообщают сведения, соответствующие реальности, а показания большинства свидетелей Тунгусского события были собраны лишь через десятки лет после него. Тем не менее их сообщения, которые собраны в каталоге [Васильев и др., 1981], содержат убедительные свидетельства падения крупного космического тела. Сотни жителей Сибири, находившихся на разных расстояниях от эпицентра, наблюдали полет светящегося тела, а затем последствия его разрушения в атмосфере. Сообщаемое место взрыва, как правило, соответствовало эпицентру катастрофы. В эпицентре не оказалось никого, лишь на расстояниях 25–35 км от него были местные жители. Их рассказы вполне согласуются с представлениями о действии взрыва, вызванного падением крупного космического тела. (Под взрывом мы понимаем достаточно быстрое, порядка секунды, торможение тела в атмосфере и передачу его энергии воздуху.) Основные эффекты такого взрыва метеороида вблизи его эпицентра — излучение нагретого воздуха и паров космического тела, приход ударной волны и распространение ее вдоль поверхности Земли, сильный ветер, возникающий за ударной волной, сейсмические волны. Интенсивное излучение при данной энергии взрыва могло продолжаться до нескольких десятков секунд, т. е. заметно дольше, чем требуется для прихода ударной волны к поверхности Земли, а световые явления при движении нагретого воздуха и пара после взрыва вверх вдоль следа метеороида под действием градиента давления — до нескольких минут. Недостаточно исследованный, но возможный эффект в таком событии — электрические разряды после взрыва космического тела. Так, электрические явления (молнии) наблюдались как после ядерных взрывов, так и при извержениях вулканов.

Эвенки в ближней к эпицентру зоне находились на стоянках в чумах и поэтому сначала испытали приход ударной волны и ураганного ветра. Они рассказывали, что разметало чумы и людей, и, вылезая из жилищ, они наблюдали, как падали горящие деревья, горел сухой мох, сухая трава, хвоя. Видели сильное свечение и слышали звуки, напоминающие удары. Непосредственных смертельных исходов не произошло, но от ударной волны у людей были переломы и контузии, а сам взрыв оказал на жителей сильное психическое действие. О тепловых ожогах людей не сообщалось — они были защищены от импульса теплового и светового излучения стенками чумов. Но ближе к эпицентру погибли и сгорели стада в сотни оленей, а также сгорело имущество, хранившееся в лабазах.

Жители фактории Ванавара, которые находились вне домов, ощутили сначала действие теплового излучения. Этот ближайший к эпицентру взрыва поселок находится от него на расстоянии 65 км к юго-юго-востоку. На этом расстоянии тепловое излучение не вызвало ожогов, но было еще достаточно сильным. Очевидцы сообщали о таких ощущениях, как «что-то как бы сильно обожгло уши», «получился такой жар, что невозможно было сидеть», «чуть-чуть не загорелась рубашка». Ударная волна, пришедшая после теплового импульса, ломала стекла, сбросила очевидца с крыльца, ощущалось действие сейсмических волн. Об ощущении жара сообщал и свидетель явления, находившийся в районе Катанги на расстоянии 116 км на юго-восток от эпицентра. На больших расстояниях столь сильного теплового действия не было.

Очевидцы, находившиеся на удаленных расстояниях, сообщали, что видели полет, световые явления и слышали различные звуки, похожие на гром, выстрелы, гул. Зона видимости события простирается до расстояний 400 км в секторе, ограниченном азимутами из эпицентра 130–240° (по часовой стрелке), а зона слышимости — до расстояний 1000 км в секторе с азимутами от 90° до 290°. Размеры, цвет светящейся области, направление полета описываются очевидцами по-разному. Это довольно обычная ситуация при опросе очевидцев падений болидов, но в случае Тунгусского события с большой энергией наблюдатель мог видеть не только пролет метеороида к Земле, но и подъем светящегося образования (плюма) вверх вдоль следа. Последовательность ощущений могла быть разной у тех, кто сначала увидел падающее тело, а затем услышал звуки или ощутил действие сейсмических волн, и у тех, кто стал смотреть на небо позже прихода акустических или сейсмических волн и наблюдал свечение плюма.

В целом из свидетельских показаний складывается картина взрыва метеороида, по тепловому и механическому воздействиям во многом аналогичная взрыву ядерного заряда соответствующей энергии на определенной высоте. Это вполне естественно, так как в обоих случаях либо ядерная энергия заряда, либо кинетическая энергия тела выделяется в виде тепловой энергии в воздухе с образованием ударной волны. Из показаний очевидцев можно извлечь и некоторую количественную информацию, и такие попытки предпринимались. Обработка около 100 сообщений очевидцев на ЭВМ с целью определения траектории ТКТ в атмосфере была сделана в работах [Зоткин, Чигорин, 1988; 1991]. Авторы нашли, что азимут проекции траектории (измеряемый в направлении по часовой стрелке) на Землю равен 126°, а наклон траектории тела к горизонту (угол входа в атмосферу) составил 20° с точностью ±12 %.

Объект, аналогичный ТКТ, может стать заметным как объект звездной величины –10 при наблюдении с расстояния 100 км (это соответствует блеску Луны в фазе первой четверти), если его поверхность нагреется до температуры плавления. Быстрые метеоры регистрируются на высотах до 130 км, но крупные тела нагреваются медленнее. На большой высоте, где пробеги молекул воздуха сравнимы с размером тела, энергии соударений с молекулами недостаточно для существенного нагрева поверхности тела. Конвективный поток тепла к поверхности (он уменьшается с увеличением размера тел) мог обеспечить разогрев Тунгусского тела до температуры плавления лишь на высотах ниже 80 км (при умеренных скоростях — менее 40 км/с, и углах входа 15° и более). Радиационный поток энергии на поверхности тела (который, наоборот, растет с ростом размера тел) мог достигнуть величины, необходимой для плавления, на высотах ниже 90 км. Воздух, нагретый в ударной волне, на этой высоте еще прозрачен для видимого излучения, сам излучает мало, но пропускает излучение с поверхности. При дальнейшем снижении объекта его блеск возрастает за счет прогрева паров и увеличения оптической толщины нагретого воздуха, и через несколько секунд достигает звездной величины –25 (что соответствует блеску Солнца) на высотах 50–70 км. Ледяное тело на больших высотах, видимо, имело бы меньший блеск, чем каменное, из-за более низкой температуры паров. Чтобы заметить на светлом небе падение Тунгусского болида на высотах 80–90 км, когда его звездная величина была порядка –10, надо было точно в тот момент вглядываться в нужном направлении. Более вероятно, что жители Сибири могли заметить яркий падающий метеороид лишь на высотах 70 км и менее. Но в этом случае возникают значительные противоречия, так как угол входа должен быть очень маленьким.

Увеличение яркости могло быть заметным через десятки секунд после взрыва, по мере подъема и выброса пара и нагретого воздуха вверх вдоль следа. Большое количество наблюдателей обратило внимание на явление лишь спустя минуту и более после пролета метеороида, ощутив действие звуковых или сейсмических волн. Тогда в атмосфере должен был наблюдаться плюм (направленная вверх струя пара и конденсата), свечение которого определяется температурой, размером и количеством выбрасываемых на большие высоты частиц конденсированного пара. Очевидцы, сообщавшие о наблюдении объекта на фоне Солнца, заметили, возможно, не пролет метеороида, а плюм на высотах более 100 км или затенение Солнца частицами конденсата.

Помимо свидетелей самого падения на расстояниях до 1000 км от эпицентра, собрано немало показаний о необычных атмосферных явлениях, наблюдавшихся в Европе и Азии. Эти явления начались в ночь с 30 июня на 1 июля 1908 г. на территории от Енисея до Атлантики. Эту территорию можно ограничить с юга воображаемой линией, соединяющей города Ташкент, Ставрополь, Севастополь и Бордо, а с севера — зоной полярного дня. Наблюдались необычно светлые сумерки и ночи, яркие серебристые облака, цветные зори, солнечные гало и кольца Бишопа. Обращалось внимание и на необычный ход точки Араго нулевой поляризации атмосферы. Оптические аномалии носили разный характер и, по-видимому, были вызваны возмущениями как в тропосфере, так и в стратосфере и мезосфере.

Сообщения об аномальных атмосферных явлениях поступили из более чем 140 пунктов, причем наиболее яркие явления наблюдались в Германии. В Южном и Западном полушариях таких явлений не отмечалось совсем. В ночь с 1 на 2 июля свечение неба было значительно слабее и исчезло 3 июля. Отдельные очевидцы сообщили, что аномальные оптические явления наблюдались и до события, 25–29 июня, но таких показаний было очень мало. Следует отметить, что Тунгусское падение произошло как раз в период максимума ежегодного появления серебристых облаков на средних широтах.

Кроме того, в 1908 г. отмечалась сильная вулканическая активность — было зафиксировано 22 извержения вулканов, причем 5 из них были достаточно сильными. Поэтому на эффекты, вызванные Тунгусским падением, могли наложиться атмосферные явления, обусловленные естественными земными причинами.

По оценкам, масса рассеянной пыли должна была составлять порядка 1 Мт. При этом механизм распространения пыли должен быть очень быстрым, так как аномальные явления начались почти одновременно с Тунгусским взрывом. В популярной когда-то гипотезе Фесенкова [Фесенков, 1969] предполагалось, что ТКТ было кометой, и в атмосферу над Европой вошел ее хвост, направленный на запад. В более изощренной гипотезе Бронштэна [Бронштэн, 1991] предлагался иной механизм распространения пылевых частиц из оболочки кометы при ее входе в верхние слои атмосферы. А именно, если предположить, что пылевая оболочка была протяженной, размером в сотни километров, то часть пыли на больших расстояниях от места катастрофы вошла бы в атмосферу под очень острыми углами к горизонту, как бы слегка касаясь атмосферы. Некоторые частицы, затормозившись на больших высотах, перешли бы тогда на эллиптические орбиты и могли двигаться по ним, снижаясь от Енисея вплоть до Британских островов. Но эти частицы при входе в атмосферу должны попасть в очень узкий интервал расстояний от поверхности Земли шириной не более 10 км. Высказывались и предположения о том, что Земля прошла через облако космической пыли, внутри которого было ТКТ, или что ТКТ само было облаком пыли. Но при таких объяснениях многое остается сомнительным или неясным. Во-первых, никто не наблюдал таких пылевых облаков, не наблюдались и кометы столь малого размера, как ТКТ. Во-вторых, масса пыли, которая могла вызвать атмосферные аномалии, по порядку величины сопоставима с оцененной массой ТКТ, вызвавшего взрыв, — около 1 Мт. Так как попасть в узкий диапазон высот и перейти на эллиптические орбиты может лишь очень небольшая часть всей пылевой оболочки, то возникает вопрос, почему вокруг ядра плотного космического тела (допустим, ледяного ядра кометы) находилась пылевая оболочка с массой, значительно большей массы ядра. Взрыв был локальным, а такая массивная оболочка должна была выделить огромную энергию и сильно воздействовать на атмосферу на значительно большей территории, чем это наблюдалось. Как был устроен такой космический объект, как он мог образоваться и существовать до столкновения с Землей? Эти гипотезы оставляют много простора для всевозможных фантазий.

Наиболее просто и естественно объяснить необычные атмосферные явления прониканием на большие расстояния пыли или конденсата, который образовался из испаренного при взрыве вещества ТКТ. Такая причина аномального свечения, наряду с возможностью образования серебристых облаков из воды, захваченной облаком взрыва, и химическими реакциями окислов азота с кислородом, была предложена в ряде работ. Первоначально, из аналогии с ядерными взрывами оценивалось, что высота подъема облака взрыва ТКТ должна была составлять около 40 км, и на эту высоту могло быть заброшено количество воды, достаточное для образования серебристых облаков.

Но летом на широте 60° ветры в стратосфере дуют чаще с запада на восток и, кроме того, они недостаточно сильны для быстрого переноса вещества, поэтому сомнительно, что оно могло быстро достигнуть Западной Европы. Более правдоподобное предположение — что вещество ТКТ достигло больших высот при выбросе в плюме и было подхвачено ионосферными ветрами. В целом аномальные атмосферные явления, которые возможны при падении крупных метеороидов, включая поляризацию атмосферы, исследованы недостаточно. Их изучение надо проводить вместе с детальным моделированием Тунгусского явления, что само по себе до сих пор представляет довольно сложную проблему. Исследователей всегда волновал вопрос о том, космическое тело какой природы вторглось в атмосферу — комета или каменное тело (обыкновенный хондрит, углистый хондрит, ахондрит). Но математическое моделирование пока не дает ответа на этот вопрос, так как основные физические эффекты при падении комет и астероидов одинаковы. Не дают ясного ответа и наблюдательные данные.

 

8.6. Массовые вымирания

8.6.1. Статистика массовых вымираний. В последние десятилетия получены достоверные данные о массовых вымираниях биоты на протяжении последних 600 млн лет жизни Земли. На рис. 8.13 (по сводным данным) сплошной линией показан график вымираний морских видов (в %), точками — ударные кратеры на поверхности Земли, звездочками отмечены пять наиболее крупных вымираний. Причины этих пяти катастроф широко обсуждаются и до конца не ясны.

Причиной первой (около 65 млн лет назад) предположительно был удар астероида (остаток — кратер Чиксулуб).

Рис. 8.13. Вымирание биоты в фанерозое — сплошная линия (левая шкала); звездочками отмечены 5 крупнейших вымираний, точками — ударные кратеры на поверхности Земли (правая шкала)

Вторая катастрофа (по грубым оценкам от 199 до 214 млн лет назад), наиболее вероятно, вызвана массивными излияниями лавы в центральной Атлантической провинции (раскрытие Атлантического океана).

В третьем случае (около 251 млн лет назад) многие исследователи подозревают кометный или астероидный удар, хотя прямых доказательств не было найдено. Другие полагают в качестве причины мощный вулканизм (Сибирские траппы), третьи — вулканизм, спровоцированный ударом. Эта катастрофа была самой страшной в истории биосферы Земли.

Причина четвертой биокатастрофы (около 364 млн лет назад) неизвестна. Пятая (около 439 млн лет назад), по предположению, была вызвана понижением уровня моря и увеличением солености воды при образовании льдов (оледенение), а затем поднятием уровня моря и уменьшением солености при их плавлении.

Шестой большой размытый пик (рис. 8.13) считается наложением ряда событий.

Кроме этих гигантских биокатастроф (Major extinction events) палеобиологи выделяют в фанерозое еще около 20 событий меньшего масштаба (Minor events). Ряд исследователей полагает, что до 10 % из последних могли быть вызваны ударами тел диаметром более километра. Как отмечено в главе 9, по оценкам вероятности столкновений с Землей небесных тел, частота падений астероидных тел и кометных ядер километровых размеров составляет 1 на миллион лет, 10-километровых — 1 на 100 млн лет. Таким образом, за указанные полмиллиарда лет могло быть до сотни крупных импактных событий, вызывающих региональные и субглобальные перестройки биосферы. Рисунок 8.14 иллюстрирует геологическую активность за тот же период (последние 570 млн лет).

Рис. 8.14. Пики суммарной максимальной эндогенной активности для верхней мантии и коры в фанерозое по данным [Балашов, 2002]

Упомянем еще один пока непонятный феномен, для объяснения которого пытаются привлечь импакты. В фурье— и вейвлет-спектрах рядов вымираний и магматической активности выявляется значимая периодичность в 30 ± 3 млн лет. Пример такого вейвлет-анализа показан на рис. 8.15, где наряду с крупными редкими событиями можно видеть череду более мелких [Глазачев и др., 2008].

Рис. 8.15. Вейвлет-спектр временного ряда массовых вымираний морской фауны (виды) в фанерозое: 1 — около 65 млн лет назад («вымирание динозавров»), 2 — массовое пермо-триасовое вымирание, 3 — Кембрийский взрыв

Уже около трех десятилетий идет поиск причин, вызывающих эту периодичность. Одно из возможных объяснений состоит в следующем. Раз в 30 млн лет Солнечная система проходит через галактическую плоскость с большей плотностью звездного населения. В эти периоды возможны частые и сильные возмущения облака Оорта, порождающие «кометные дожди».

8.6.2. К — P-граница, кратер Чиксулуб и массовое вымирание. До 1980 г. удары космических тел вообще не рассматривались в качестве возможных причин смены геологических эпох и типов жизни на Земле. Только после открытия иридиевой аномалии на границе К — Т (современное название — граница К — Р, Cretaceous — Paleogene boundary) Л. Альварес выдвинул гипотезу об ударе 10-километрового астероида, приведшем к массовому вымиранию видов 65 млн лет назад [Alvarez et al., 1980]. Обнаружение зерен ударно-метаморфизированного кварца внутри К — P-слоя [Bohor et al., 1984] подтвердило эту гипотезу, так как только при высокоскоростных ударах можно достичь давлений в десятки ГПа. Через 10 лет после этой публикации в Мексиканском заливе был найден кратер Чиксулуб, который полностью соответствовал как заданному возрасту, так и предполагаемому масштабу события [Hildebrand and Boyton, 1990]. В настоящее время кратер диаметром примерно 180 км погребен под километровым слоем третичных осадочных пород. В момент удара этот район представлял собой континентальную платформу, состоящую из тонкого (не больше нескольких сотен метров) слоя воды, 3–4-километрового слоя осадочных пород (карбонатов и эвапоритов) и кристаллического основания. Хотя на Земле существует несколько кратеров аналогичного масштаба, Чиксулуб является единственным, для которого связь между ударом и массовым вымиранием можно считать окончательно установленной. Тем не менее, возможные причины вымирания до сих пор являются предметом интенсивных дискуссий.

Ни воздушная ударная волна, ни излучение плюма, ни волны цунами (см. выше) не могли привести к глобальной катастрофе. Первичная гипотеза о сильной запыленности атмосферы и «ядерной зиме» не подтверждается современными расчетами. Действительно, образование кратера Чиксулуб сопровождалось выбросом огромной массы расплава и твердых фрагментов в атмосферу. Основная часть этих выбросов имела низкую скорость и образовала непрерывный покров выбросов. Расчеты [Toon, 1997; Pierazzo et al., 1998; Pope et al., 1997] показывают, что полное количество высокоскоростных выбросов (расплава, пара, твердых фрагментов мишени и ударника) не превышает (2–4) 1018 г. Приблизительная геологическая оценка удаленных выбросов дает похожие значения, ∼ 3,8 1018 г [Pope, 2002]. Однако К — Р-слой состоит в основном из сферул размером в десятки и сотни микрон [Smit, 1999], время пребывания которых в атмосфере не превышает нескольких часов или дней. Источником субмикронной пыли может быть конденсат испаренных веществ, небольшая часть расплава и твердых выбросов, а также более крупные высокоскоростные частицы, подвергшиеся абляции при возвращении в атмосферу. Но даже эта пыль не привела к глобальной и долгосрочной блокировке солнечного излучения [Toon, 1997].

По-видимому, дым, углекислый газ и аэрозоли серной кислоты играют более существенную роль в изменении оптических свойств атмосферы и температурного режима на поверхности. По разным оценкам [Ivanov et al., 1996; Pierazzo et al., 1998; Gupta et al., 2002] количество образовавшегося в результате удара углекислого газа (дегазация кальцита в результате ударного сжатия) колеблется в пределах от 0,35 1015 кг до 2,85 1015 кг, количество диоксида серы (дегазация ангидритов) — от 0,08 1015 кг до 1,1 1015 кг.

Такое заметное расхождение в оценках связано, во-первых, с противоречивыми данными по разложению карбонатов (экспериментальные данные дают критические давления в диапазоне 10–110 ГПа, скорость обратных реакций неизвестна) и, во-вторых, с неполнотой данных о структуре мишени в момент удара (толщина карбонатной платформы, ее пористость, соотношение между карбонатами и эвапоритами).

Даже самые минимальные оценки выбросов соединений серы превышают на порядки количество сернистых газов, выброшенных в атмосферу во время извержения вулкана Пинатубо. Количество образовавшихся аэрозолей определяется двумя факторами — скоростью окисления серы до триоксида и количеством воды в верхних слоях атмосферы. По-видимому, при ударе в атмосферу было выброшено достаточное количество воды (в основном это вода, связанная с пористыми осадочными породами), чтобы связать оксиды серы. Тем не менее, скорость окисления может быть достаточно низкой, т. е. время жизни аэрозольных облаков в стратосфере может достигать нескольких лет, в отличие от пыли и частиц сажи, которые вымываются той же водой в течение нескольких дней. Моделирование радиационного переноса в атмосфере, нагруженной аэрозольными частицами серной кислоты [Pope et al., 1997; Pierazzo et al., 2003] показывает, что поглощение длинноволнового излучения с поверхности планеты, с одной стороны, и интенсивное рассеяние коротковолнового солнечного излучения, с другой стороны, могло привести к уменьшению теплового потока на 300 Вт/м2, т. е. к уменьшению температуры поверхности на несколько десятков градусов в течение 5–10 лет.

Позднее, когда атмосфера очистилась от пыли, сажи и аэрозолей, могли возникнуть парниковые эффекты. Содержание углекислого газа в атмосфере 65 млн лет назад превышало его содержание в доиндустриальную эпоху в 2–10 раз. Поэтому выброс углекислого газа в результате удара мог, как максимум, увеличить его концентрацию на 50 %. Это, в свою очередь, могло привести к увеличению теплового потока на 1,2–3,4 Вт/м2, т. е. к повышению температуры на доли градуса, что сравнимо по величине с наблюдаемым в настоящее время потеплением, вызванным увеличением выброса парниковых газов в атмосферу.

Тем не менее, изучение К — Р-границы показывает, что все эти эффекты (как понижение, так и повышение температуры) не привели к дестабилизации палеоклимата, который восстановился в геологически короткое время (< 10 тыс. лет). С другой стороны, даже кратковременное, но интенсивное воздействие может иметь необратимые последствия для фауны. Скорее всего, изменения климата не коснулись глубин океана.

Невзирая на существенный прогресс в развитии моделей фотохимических процессов в атмосфере и общей циркуляции атмосферы, полной картины изменения климата после крупных ударных событий до сих пор не существует, что связано, скорее всего, с нестандартными начальными условиями после удара, когда полное количество выбросов на много порядков превышает типичные величины, известные, например, из вулканологии.

8.6.3. Массовые вымирания и вулканизм. По мнению многих ученых, массовые вымирания видов (по крайней мере, некоторые из них) связаны с ударами космических тел. В качестве альтернативной причины рассматриваются сверхмощные вулканические извержения — супервулканизм. Известно, что 74 000 лет назад на северной Суматре возникла кальдера размером ∼ 100 км, а масса вулканической пыли, выброшенной при извержении в стратосферу, была настолько велика, что температура воздуха, возможно, понизилась на несколько градусов. Еще более мощные извержения происходили, вероятно, на территории, занимаемой ныне Йеллоустоунским национальным парком в штате Вайоминг, США (3 извержения произошли 2,1 млн лет, 1,3 млн лет и 0,64 млн лет назад). Детали воздействия таких извержений на климат пока недостаточно ясны. Самым мощным извержением за последние 200 лет было извержение вулкана Тамбора в 1815 г. На одной из стадий извержения высота эруптивной колонки достигла 40–50 км, т. е. произошел прорыв тропопаузы, и выброшенные мелкие частицы пепла долго оседали, изменяя прозрачность атмосферы. Это извержение известно как вызвавшее «год без лета». Отметим, что катастрофические последствия были намного меньше, чем после упомянутых извержений на Суматре и тем более в Йеллоу-стоунском парке. Полный объем выброса составил∼ 100 км3. Последствия извержения в основном носили локальный и региональный характер. Глобальные изменения температуры были невелики — десятые доли градуса, как и при других мощных извержениях последних столетий — вулканы Кракатау (1883) и Агунг (1963) с выбросами 20 км3 и 1 км3 соответственно [Rampino and Self, 1982]. Совместное действие мощных вулканических извержений и ударов космических тел еще предстоит выяснить.

В настоящее время и ударные, и вулканические явления рассматриваются как наиболее вероятные возможные причины массовых вымираний.