Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра - Шустов Борис (читать книги онлайн полностью TXT) 📗

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.