Тунгусское тело

 
 
 март 2007 3 "В МИРЕ НАУКИ"
 
 Науки о земле
 
 ВЕКОВАЯ ЗАГАДКА ТУНГУСКИ
 
 Владимир Светцов, Татьяна Потапова и Валерий Шувалов
 
 
 
 Раннее утро 30 июня 1908 года. На огромной территории Центральной Сибири многочисленные свидетели наблюдают фантастическое зрелище. В небе со свистом и шипением пролетело нечто огромное и светящееся. Затем последовали ослепительная вспышка и серия громовых ударов. Волна от чудовищного взрыва дважды обогнула земной шар. Что это было?
 
 Существуют сотни гипотез: метеорит, шаровая молния, обломок кометы, взрыв газа: Говорят о столкновении с черной дырой или антивеществом. И даже о крушении инопланетного корабля. Есть и еще одна версия, совсем невероятная: виновник Тунгусской катастрофы - совершенно конкретный земной человек, ученый, которого одни называли сумасшедшим мистификатором, другие величайшим изобретателем. Имя его - Никола Тесла.
 
 Метеорит упорно искали различные экспедиции: сначала в 1920-1930-х гг., затем в конце 1950-х - начале 1960-х, пока не убедились, что на месте предполагаемого падения небесного тела нет ничего похожего на ударный кратер, как нет и обломков упавшего тела. Пришлось признать, что вывал деревьев на площади около 2 тыс. км2, а также ожог деревьев, почвы и пожар на площади 500 км2 были вызваны взрывом, произошедшим в воздухе. Но осталось непонятным, как произошел такой взрыв. В район катастрофы устремились многочисленные энтузиасты, которые объединились в Комплексную самодеятельную экспедицию (КСЭ), и на протяжении десятков лет они продолжают изучать Тунгусское явление и район падения, однако многие вопросы, касающиеся абляции космического тела, аномальных атмосферных явлений, геомагнитных возмущений, интерпретации показаний очевидцев, остались нерешенными. Рассмотрим основные моменты исследований Тунгусского события и новые результаты последних работ - компьютерного моделирования, выполненного авторами статьи, и химических исследований состава торфа в районе катастрофы.
 
 Загадочный взрыв
 
 Первые испытания ядерных зарядов показали, что давний взрыв на Тунгуске подобен ядерному. По площади и картине вывала леса, по интенсивности воздушных акустико-гравитационных и сейсмических волн, зарегистрированных в 1908 г.рядом российских и зарубежных обсерваторий и метеостанций, Тун-гусский "взрыв" соответствует ядерному с энергией от 7 до 17 Мт (1 Мт = 4.21015 Дж) на высоте от 6,5 до 10,5 км. (Самый мощный ядерный заряд с энергией 50 Мт был взорван в 1961 г. на Новой Земле на высоте около 4 км). Однако на Тунгуске не удалось найти следов радиоактивности. Кроме того, область вывала леса была не симметричной, как следовало ожидать при ядерном взрыве, а имела форму "бабочки", которую, как показали лабораторные эксперименты, могла вызвать ударная волна при наклонном (под некоторым углом к горизонтали) падении космического тела в атмосфере и выделении значительной части его кинетической энергии в конце траектории. При энергии от 7 до 17 Мт и типичных скоростях входа космических тел в атмосферу (от 15-20 до 50 км/с) диаметр каменного тела был бы около 50 м, а ледяного - до 70 м. Масса атмосферы равна массе слоя воды толщиной всего в 10 м, и на первый взгляд кажется, что тело размером 50-70 м должно упасть на поверхность Земли, не потеряв скорости, и образовать кратер, аналогичный знаменитому кратеру Метеор в Аризоне.
 
 Были выдвинуты десятки разных, в том числе весьма экзотических гипотез для объяснения того, что Тунгусское космическое тело взорвалось в воздухе и не создало кратера, но с течением времени ни одна не выдержала критики.
 

 Гипотеза рыхлого тела
 
 Из предположения, что тело может затормозиться и выделить свою энергию в атмосфере, если его плотность очень мала, возникла гипотеза рыхлого тела. По расчетам, плотность такого тела должна быть ниже 0.01 г/см3. Но исследования комет с помощью космических аппаратов (впервые кометы Галлея в 1986 г.) убеждают в том, что плотность вещества ядер комет лишь ненамного ниже плотности воды (1 г/см3). Весьма неправдоподобным выглядело и предположение о существовании в космосе облаков пыли размером порядка 1-10 км.
 
 Аэродинамические нагрузки
 
 Следующая гипотеза - о том, что тело в полете может разрушаться под действием аэродинамических нагрузок и дробиться. Фрагменты образуют в полете облако газа и частиц, сила торможения за счет увеличения площади поперечного сечения возрастает, и рой фрагментов полностью тормозится в атмосфере. Оценки показали, что скорость разлета фрагментов может быть столь быстрой, что торможение и переход кинетической энергии в тепловую энергию воздуха произойдут на небольшом отрезке траектории, что эквивалентно взрыву. Эта концепция подтвердилась результатами анализа поведения небольших метеороидов (размером порядка метра и меньше) в атмосфере. Регулярные наблюдения за такими космическими телами осуществлялись начиная с 1960-х гг. наземными болидными сетями, а в последние десятилетия - со спутников.
 
 Каменное тело
 
 Довольно долго была популярной гипотеза о том, что произошло падение кометы, вещество которой (вода и замерзшие газы) легко испарилось или, упав на поверхность, растаяло. Оказалось, что метеорный поток, связанный с кометой Энке, неплохо коррелировал с Тунгусским падением по времени и радианту.
 
 Каменные тела также испаряются под действием излучения воздуха, нагретого за фронтом ударной волны, но за короткое время падения в атмосфере может испариться лишь тонкий слой в несколько сантиметров. В то же время, крупная комета или каменное тело, все глубже проникая в атмосферу и испытывая большие аэродинамические нагрузки, может раздробиться на фрагменты размером менее 10 см, которые уже способны испариться полностью. Затормозившись, пары могут взрывообразно выделить энергию. Испарившиеся фрагменты уже не долетят до земли и не выпадут в виде метеоритов. Может быть, что-то аналогичное произошло и в районе Тунгуски?
 
 Компьютерные имитации Тунгусского события
 
 Разработанные методы численного решения уравнений газовой динамики и переноса излучения позволили в наши дни с помощью мощных компьютеров проводить численное моделирование торможения крупных космических тел в атмосфере. Исследования прочности таких тел показывают, что она очень мала. Изменение формы тела под действием аэродинамических нагрузок начинается на высоте 30 км. На высоте 20 км тело расплющивается, причем его поверхность принимает волнообразную форму под действием гидродинамических неустойчивостей. Дальнейшее действие давления на поверхность метеороида приводит к тому, что на высоте ниже 17 км метеороид превращается в струю из паров его вещества, нагретого воздуха и неиспарившихся фрагментов.
 
 Фрагментация приводит к резкому увеличению площади испаряемой поверхности, тем самым ускоряя потерю массы за счет испарения (абляции). На высоте около 10 км все фрагменты полностью испаряются, но скорость струи все еще велика - около 18 км/c. Струя расширяется, продвигается в более плотные слои атмосферы и тормозится на высоте около 5 км. В момент полного торможения основная масса вещества метеороида в виде паров, перемешанных с горячим воздухом, сосредоточена на высоте 3-10 км. Энергия метеороида, в отличие от энергии сосредоточенного (ядерного) взрыва, выделяется на довольно протяженном участке траектории: на высоте от 15 до 2 км. При этом взаимодействие кометы или каменного тела с атмосферой качественно не отличаются друг от друга.
 
 Важной особенностью взаимодействия космических тел с воздухом является развитие неустойчивостей Релея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца на лобовой и боковых поверхностях тела. (Типичный пример неустойчивости Релея-Тейлора - разрушение границы между легкой и, находящейся над ней, тяжелой жидкостями, а Кельвина-Гельмгольца - возникновение волн на границе между слоями жидкости или газа, движущимися с разными скоростями). Неустойчивости на поверхности метеороида развиваются случайным образом, что приводит к некоторой непредсказуемости результата.
 
 В численных экспериментах одно и то же тело тормозится на разных высотах, в пределах 5 км (что весьма существенно), в зависимости от того, какую форму принимает само раздробленное тело и его фрагменты. Поэтому можно говорить лишь об усредненных различиях между падениями разных тел. Расчеты показывают, что термодинамические свойства вещества метеороида и его начальная скорость слабо влияют на высоту, на которой происходит разрушение и торможение метеороида. А вот влияние плотности существенно, и каменные тела гораздо глубже проникают в атмосферу, чем кометы того же размера. Еще глубже (вплоть до поверхности Земли) проникают прочные железные метеороиды, что и привело к образованию вышеупомянутого кратера Метеор при падении железного тела примерно того же размера, как Тунгусское.
 
 В среднем, комета с плотностью 0,9 г/см3 и диаметром 100 м распадается на фрагменты, испаряется и тормозится примерно на тех же высотах, что и каменное тело с плотностью 3 г/см3 и диаметром 60 м.
 
 Комета Шумейкер-Леви 9, или Тунгуска на Юпитере
 
 Известно, что после приземных ядерных взрывов с энергией более мегатонны область нагретого воздуха (огненный шар) всплывает вертикально под действием силы Архимеда и останавливается на высоте 20-30 км. После полной абляции и торможения космического тела его вещество в виде пара и конденсированных частиц (размером 1-100 микрон) зависает на некоторое время в атмосфере, а затем начинает двигаться вверх, так как в атмосфере остается разреженный след, вдоль которого нагретый газ ускоряется. При абляции тела размером менее 10 м, поднимающийся нагретый газ быстро перемешивается с окружающим холодным воздухом и тормозится. Но для тел размером 50-100 м след оказывается значительно шире: километр и более, и расширяющаяся масса газа и пара с конденсированными частицами поднимается вверх на сотни километров, а затем двигается в разреженной атмосфере по законам баллистики. Такие выбросы, названные плюмами, были обнаружены при наблюдении падений фрагментов кометы Шумейкер-Леви 9 на Юпитер в 1994 г. Новые представления о плюмах и выбросах паров метеороида на большие высоты и их компьютерное моделирование позволили объяснить несколько непонятных ранее фактов, связанных с Тунгусским событием.
 
 Во-первых, жители села Преобра-женка, расположенного на расстоянии около 350 км от эпицентра, сообщали, что видели светящийся объект вблизи зенита, над головой. Поскольку свечение болида, входящего в атмосферу, даже такого огромного, как Тунгусский, начинается лишь на высоте менее 100 км, то из этих сообщений следовало, что угол наклона траектории к поверхности Земли должен был быть меньше 15°. К аналогичному выводу приводили и наблюдения очевидца из Бодайбо (775 км от эпицентра события). Однако этот вывод противоречит результатам численного моделирования и показаниям других очевидцев. Предположить, что столь массивный метеороид менял направление своего движения в атмосфере, совершенно не логично. Но вполне вероятно, что жители Преображенки, Бодайбо и некоторых других населенных пунктов видели не вход тела в атмосферу, длящийся лишь несколько секунд, а наблюдали плюм с огромным количеством микрочастиц, освещенных солнцем, который мог быть виден на больших высотах длительное время (десятки секунд).
 
 Во-вторых, в ночь с 30 июня на 1 июля 1908 г. на территории от Енисея до Атлантики, ограниченной с юга линией Ташкент-Ставрополь-Севастополь-Бордо, происходили атмосферные аномалии - необычно светлые сумерки и ночи, цветные зори, яркие серебристые облака, солнечные гало и кольца Бишопа. Объяснить эти атмосферные явления можно запылением воздуха на разных высотах микрочастицами Тунгусского тела. Долгое время оставалась непонятной малая разница во времени между падением космического тела и возникновением аномалий на больших расстояниях, что породило гипотезы о хвосте кометы или очень протяженном пылевом облаке, окружавшем космическое тело. Согласно современным представлениям, огромная масса микрочастиц полностью разрушенного астероида или кометы (более 105 т) выбрасывается в плюме вверх, а затем, падая, тормозится в атмосфере на высоте около 100 км, так же, как обычные микрометеориты, постоянно падающие на Землю. Известно, что скорость зональных ветров на таких высотах может быть достаточно стабильной и достигать 100 м/с. Поэтому микрочастицы, двигаясь от Тунгуски в западном направлении, могли достигнуть Англии менее чем за сутки, то есть к началу той самой ночи.
 
 В-третьих, примерно через 6 минут после Тунгусского "взрыва" (т. е. быстрого торможения и выделения энергии метеороида) Иркутской обсерваторией были зарегистрированы значительные (до нескольких десятков нТл ) изменения составляющих геомагнитного поля, длившиеся в течение 4 часов. (Время взрыва было определено достаточно точно по приходу в Иркутск сейсмической волны, вызванной воздушной ударной волной в эпицентре). Возмущение токовых систем в ионосфере, генерирующих геомагнитные возмущения, можно объяснить нагревом воздуха и изменением его проводимости в протяженной (порядка 1000 км) области ионосферы. Падение на ионосферу плюма, содержащего значительную часть массы и начальной энергии космического тела, обеспечивает необходимый нагрев. Задержку начала геомагнитного эффекта можно объяснить временем полета частиц над ионосферой, которое по расчетам и должно составлять несколько минут.
 
 Количественные модели, как геомагнитного возмущения, так и аномальных атмосферных явлений, пока еще не построены, хотя, по-видимому, для численного моделирования соответствующих процессов нет принципиальных препятствий.
 
 Космическое вещество?
 
 К началу XXI в. научные исследования и развитие общих концепций о метеорных явлениях позволили объяснить и понять основные процессы, сопровождавшие Тунгусское событие (см.: Чудецкий Ю. "Звездоподобные" бродяги // ВМН, 9, 2003; Грэхем С. Обнаружена уникальная система из трех астероидов // ВМН, 8, 2005, Рубин А. Что разогрело астероиды? // ВМН, 8, 2005). Но по-прежнему остается вопрос: какое именно космическое тело вторглось в атмосферу? Была ли это комета или астероид? А если каменный астероид, то какой именно: обыкновенный хондрит, углистый хондрит, ахондрит? Математическое моделирование не дает ответа на этот вопрос, т.к. физические эффекты при падении комет и астероидов одинаковы.
 
 Тунгусское тело полностью испарилось, и его фрагменты, несмотря на интенсивные поиски, так и не были найдены. Однако очевидно, что в верхнюю атмосферу плюмом могла быть выброшена только часть паров, а оставшаяся их масса должна была рассеяться в нижней атмосфере и осесть в виде микрочастиц конденсата на грунт и растения где-то в окрестностях эпицентра.
 
 Действительно, в начале 1990-х гг. в смоле хвойных деревьев, переживших удар в окрестности эпицентра, в кольцах, датируемых 1908 г., было найдено большое количество микрочастиц разного химического состава, которые, возможно, являются конденсатом паров космического тела. Но установить тип космического тела по составу этих микрочастиц не удалось, хотя исследователи считают, что они более подходят каменному астероиду.
 
 Более определенные выводы были получены при исследованиях слоев торфа, близких по времени образования к 1908 г. Они располагаются в настоящее время на полуметровых глубинах в слое вечной мерзлоты. С помощью методов геохимического анализа был найден иридий - элемент, который служит индикатором космических тел (т.к. его очень мало в земной коре), а также обнаружено аномальное содержание других элементов и изотопов.
 
 Выявленные соотношения между концентрациями ряда элементов (в частности, платиновой группы и редкоземельных) оказались ближе всего к аналогичным соотношениям в углистых хондритах типа CI, а также к пылевой компоненте комет, которая, вероятно близка по составу к хондритам CI. Однако отношение концентраций изотопа углерода 13С к иридию в аномальных слоях торфа во много раз превышало это отношение и для углистых хондритов, богатых углеродом, и для ахондритов, бедных иридием.
 
 Объяснить появление изотопа 13С земными эндогенными причинами не удается. На основании результатов химических анализов и определенных допущений можно сделать вывод, что основную часть массы испарившегося над Тунгуской тела составляли углеродсодержащие соединения, и поэтому оно могло бы быть кометой с очень незначительным содержанием пылевой (минеральной) компоненты. При этом мы должны предположить, что, либо такая комета достигла поверхности, не полностью испарившись, и ее фрагменты приземлились, что плохо согласуется с результатами теоретических исследований, либо вещество вошедшего в атмосферу и испарившегося объекта осело в зоне вывала леса - там, где обнаружены элементные и изотопные аномалии. И в том, и другом случаях окончательный вывод о кометной природе изучаемого явления может быть сделан только на основании данных о том, что ее вещество было поглощено мхом соответственно элементному составу. К сожалению, физико-химические процессы, сопровождающие конденсацию, осаждение и поглощение, а также биологические процессы питания мха аэрозолями для условий Тунгусского события пока не исследованы.
 
 Таким образом, современные химические исследования делают более предпочтительной гипотезу кометной природы Тунгусского космического тела, но интерпретация результатов требует дальнейших исследований, в том числе с помощью компьютерного моделирования образования и распространения микрочастиц.
 
 Поиск продолжается
 
 Кометы размером около 100 м с низким содержанием пыли пока не наблюдались. Но и наши знания об этих телах, полученные лишь в нескольких миссиях космических аппаратов к кометам Галлея, Боррелли, Вильда-2, Темпеля-1, пока еще весьма ограничены. Был ли Тунгусский метеороид такой необычной кометой или интерпретация полученных данных неверна, покажут дальнейшие исследования. Интерес к Тунгусскому явлению по-прежнему высок, и энтузиасты продолжают искать в тайге остатки этого знаменитого космического тела. И, как и ранее, выдвигаются все новые и новые версии, о чем свидетельствует премьера документального фильма "Властелин мира. Никола Тесла", состоявшаяся на канале "Россия" (См. о Н. Тесла: Карлсон Б. Изобретатель-фантазер // ВМН, 6, 2005).
 
 Результаты компьютерного моделирования образования плюма после падения космического тела с энергией, соответствующей Тунгусскому событию. Верхний рисунок соответствует моменту времени 30 с, а нижний - 40 с после торможения тела в атмосфере.
 
 
 
 ОБ АВТОРАХ
 
 Владимир Светцов - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института динамики геосфер РАН.
 
 Татьяна Потапова - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник НИИ физико-химической биологии МГУ.
 
 Валерий Шувалов - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института динамики геосфер РАН.
 
 
 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
 
 
 
 Бронштэн В.А. Тунгусский метеорит: история исследования. М.: А.Д. Сельянов, 2000.
 
 Васильев Н.В. Тунгусский метеорит. Космический феномен лета 1908. М.: Русская панорама, 2004.
 
 Катастрофические воздействия космических тел. М.: ИКЦ "Академкнига", 2005.
 
 Ромейко В.А. Огненная слеза Фаэтона. Эхо далекой Тунгуски. М.: Вече, 2006.
 
 Kolesnikov E. M., Longo G., Boettger T. et al. Isotoic-geochemical study of nitrogen and carbon in eat from the Tunguska Cosmic Body exlosion site. Icarus, Vol. 161, No. 2, . 235-243; 2003.
 
 Kolesnikov E.M., Hou Q.L., Xie L.W., Kolesnikova N.V. Finding of robable Tunguska Cosmic Body material: anomalies in latinum grou elements in eat from the exlosion area. Astronomical and Astrohysical Transactions, Vol. 24, No. 2, . 101-111, 2005.
 
 Longo G., Serra R., Cecchini S., Galli V. Search for Microremnants of the Tunguska Cosmic Body. Planetary and Sace Science. Vol. 42, No. 2, . 163-177.
 
 По материалам htt://www.sciam.ru/2007/3/nauka.shtml