Книга: Космос

Импактные события — грозные явления природы

Импактные события — грозные явления природы

Падение на Землю небесных тел в некоторых случаях может привести к катастрофическим последствиям. Их масштабы прежде всего зависят от скорости и массы падающего на Землю тела. Скорость встречи Земли с космическим объектом может быть от 1 1,2 до 72,8 км/с. 11,2 км/с — это II космическая скорость, которая необходима, чтобы преодолеть земное притяжение и улететь в межпланетное пространство. Такую же скорость под действием гравитации Земли разовьёт даже медленно подлетающий к ней метеороид. Максимальная скорость — 72,8 км/с — складывается из орбитальной скорости нашей планеты и скорости летящего навстречу ей метеороида.

Удар космического «странника» сначала принимает на себя воздушная оболочка Земли. Сила торможения в атмосфере будет тем больше, чем больше размер «космического пришельца». Ведь от этого зависят объём и площадь воздушной подушки, которую создаёт перед собой вторгшееся тело. Если масса уплотняющейся воздушной подушки окажется в 10 раз больше массы метеорита, его скорость может быть погашена больше чем на 90%. В некоторых случаях скорость приземления бывает так мала, что даже многотонный «пришелец» не выроет воронки. Характерный тому пример — самый большой из исследованных учёными железный метеорит Гоба массой около 60 т. Этот железный метеорит, скорей всего, вошёл в атмосферу и продолжал двигаться к земной поверхности под очень малым углом, поэтому в процессе постепенного торможения не только погасил почти всю скорость, но сохранил свою форму. Учёные полагают, что каменный метеорит подобной массы мог бы раздробиться в воздухе.

^{Метеорит Гоба крупным планом}

^{Метеорит Эскуэль — один из самых красивых палласитов, он найден в 1951 г. на юге Аргентины}

^{Крупнейшая кольцевая ударная структура Вредфорт в Южной Африке} 

Именно они определили зависимость диаметра кратера от энергии метеорита. При массе т, скорости метеорита v энергия Е = mv²/2, диаметр кратера D пропорционален Е^1/3. Таким образом, о величине освобождающейся при этом энергии можно судить по размерам обнаруживаемых астроблем. Их истинные размеры удаётся выяснить далеко не сразу.

Например, кольцевая структура Вредфорт находится на юго-востоке Африки приблизительно в 100 км от Иоганнесбурга, в центральной части золотоносного бассейна Витватерсранда. Ярко выраженное в рельефе ядро структуры имеет примерно 40 км в диаметре. Оно сложено древними кристаллическими породами. Плоское ядро окружает приподнятое над ним кольцо более молодых осадочных отложений и застывших лав. Оказалось, что эти молодые геологические слои скрывают значительную часть древнего кратера. Диаметр покровного кольца около 80 км. Дальнейшее изучение изменений в структуре пород под действием взрыва позволило установить первоначальный диаметр кратера. Он достигал 300 км и сейчас полностью охватывает весь золотоносный бассейн Витватерсранда. Специалисты считают, что сохранение крупнейших в мире золотых месторождений бассейна

Витватерсранда объясняется наличием этого обширного кратера. В частности, древняя структура Вредфорт затруднила вымывание драгоценного металла водными потоками. Астроблема начала свою историю приблизительно 2 млрд. лет назад. Это самая древняя и наиболее изученная ударная структура на Земле.

Сравним высвобождаемую при импактном событии энергию с энергией других грозных явлений природы.

Наша планета получает от Солнца ежегодно колоссальное количество энергии — 5,2?10²⁴ Дж.

Суммарная годовая энергия землетрясений в 500 000 раз меньше — 1,0?10¹⁹ Дж.

При извержении в 1883 г. вулкана Кракатау в считанные минуты освободилась энергия 1,81?10¹⁹ Дж, а вулкана Тамбора в 181 5 г. — 1,44?10²⁰ Дж.

При импактных событиях — образовании метеоритного кратера — земная кора может получить гораздо больше энергии:

для кратера 10 км — 10²¹ Дж.

для кратера 50 км — 10²³ Дж.

для кратера 70 км — 10²⁵ Дж.

То есть при образовании не самого большого ударно-взрывного кратера диаметром 70 км выделяется разрушительная энергия, в 10 000 раз большая, чем при самом катастрофичном в истории вулканическом извержении.

Как видим, по энергетике импактные явления вне конкуренции. Причём при импактном событии выделение энергии происходит за считанные секунды или даже за их малые доли, а вулканическое извержение может продолжаться от нескольких минут до многих часов, поэтому и результаты этих грозных явлений природы несравнимы.

Как протекает импактное событие?

Если в момент контакта скорость «ударника» более 5 км/с, он потеряет её, зарывшись в грунт, и большая часть кинетической энергии мгновенно превратится в тепловую и механическую. При скорости более 1 5 км/с в пар превратится не только вещество «ударника», но и окружающие его земные породы. Невероятная скорость этих превращений порождает энергию высочайшей плотности, которая обеспечивает столь же быстрое возрастание температуры и давления. Это в свою очередь дает импульс необычайно скоростного течения тепловых и механических процессов. Достаточно сказать, что скорость механического деформирования горных пород под действием взрыва астероида в миллиарды миллиардов раз (10¹⁸!) больше, чем во время землетрясений.

Происходящее образно описывает Л.П. Хрянина: «От точки взрыва распространяется ударная волна, имеющая шаровидный фронт. Наверху породы сначала вспучиваются, потом появляются яркие языки плазмы. Затем кровля этого «пузыря» раскрывается во все стороны подобно распускающемуся цветку, и тонкие края её падают на землю в перевёрнутом положении. Эта перевёрнутая складка на валу — один из признаков метеоритных кратеров.

^{Космическая бомбардировка Земли в представлении художника}

Взрыв выбрасывает вверх массу обломков, которые в дальнейшем обрушатся как на дно образовавшегося кратера, так и за его пределы».

Такая последовательность событий связана с тем, что в самом центре, где развивается многотысячная температура, происходит мгновенное испарение вещества и разлёт образующихся газов — т.е. взрыв. Несколько дальше от центра возникает зона плавления вещества земных пород и «ударника» с температурой более 1500 °С, вне её образуется зона механического воздействия — дробления, метаморфизма горных пород. И все это взрывной волной разбрасывается вокруг со скоростью несколько километров в секунду. Раскалённый огненный шар расширяется до тех пор, пока давление внутри него не сравняется с давлением окружающего воздуха. Из-за высокой температуры шар устремляется вверх. При этом он начнёт «выворачиваться наизнанку» и превратится в грибообразное облако, как при ядерном взрыве. При соответствующем размере и скорости «ударника» облако пара вместе с подхваченными им кусками пород и взвесью достигнет стратосферы, где и рассеется. В процессе взрыва могут образоваться и разнестись на огромные расстояния застывшие после расплава стекловидные камешки и шарики — тектиты и микротектиты.

После скоротечного образования кратера формирование астроблемы не заканчивается. Идет кристаллизация расплавленных пород, обрушение краёв кратера, под действием водных потоков и ветра происходит деформация поверхности, перемешивание образовавшихся пород — импактитов. В некоторых случаях импактное событие может спровоцировать землетрясение, подъём и вторжение (интрузию) магмы в образовавшиеся при взрыве трещины в подстилающих породах, вулканические извержения. Но все эти процессы уже длятся многие тысячи и миллионы лет.

^{На рисунке показан последовательный процесс образования взрывных метеоритных кратеров в слоистой поверхности планеты}

Если учесть все обнаруженные астроблемы на достаточно хорошо изученной территории Северной Америки и Европы и считать, что весь земной шар подвергался космической бомбардировке такой же интенсивности, можно попытаться оценить размеры и число образовавших их астероидов. Это позволяет также найти концентрацию опасных астероидов в околоземном космическом пространстве на протяжении фанерозоя. Некоторые расчёты показывают, что за 570 млн. лет фанерозоя выпало около 200 астероидов размером 3,5 ± 1,0 км. Следовательно, такие падения происходили в среднем каждые 2,9 млн. лет. Разрушительное действие «ударников» зависело от их скорости и состава. Столкновение с железным астероидом при прочих равных условиях значительно опаснее, чем с каменным. Согласно некоторым расчётам максимальный размер астероида, с которым могла столкнуться наша планета за последние почти 600 млн. лет (длительность фанерозоя), достигает 1 5,6 ± 4,7 км. При плотности 4 г/см³ он может иметь массу до 8?10¹⁸ г или 8 трлн. тонн, а энергию удара 7?10²⁴ Дж. При падении на твердую поверхность Земли взрыв оставит след в виде кратера поперечником 110 км.

Падения крупных астероидов случаются, вероятно, значительно чаще кометных ливней. Причём выпадают они, судя по обследованным взрывным кратерам, не группами, а поодиночке и с разными интервалами.