Книга: Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

8.5. Региональные и глобальные катастрофы

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.