|
В. П. Коробейников, П. И.
Чушкин, Л. В. ШурШалов
ТУНГУССКИЙ ФЕНОМЕН: ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. НЕКОТОРЫЕ
МОДЕЛИ ЯВЛЕНИЯ
Для Тунгусского космического тела, полет
которого закончился взрывоподобным распадом, разные исследователи продвигали
всевозможные гипотезы природы этого феномена, был построен ряд моделей для
объяснения его механизма. Часть таких гипотез (инопланетный зонд, атомный
взрыв, аннигиляция вещества, черная дыра и т. п.) носит сенсационный характер
и не выдерживает какой-либо серьезной критики. Наиболее убедительно
представление о Тунгусском космическом объекте как о ядре (или его осколке)
небольшой кометы. Эта версия, которую разрабатывали такие крупные ученые, как
И. С. Астапович, Ф. Уиппл, В. Г. Фесенков, наиболее обоснованно и полно
объясняет основные факты, установленные в связи с Тунгусским событием, хотя
некоторые моменты требуют еще дополнительной интерпретации.
Обсудим ряд наиболее развитых моделей, предложенных для
описания свойств и взрывоподобного распада Тунгусского космического тела.
Одной из первых была модель теплового взрыва, опубликованная К. П.
Станюковичем и В. П. Шалимовым [1960]. Основным фактором .здесь
предполагалась мощная тепловая волна, проникающая благодаря теплопроводности
в глубь тела и вызывающая быстрое взрывоподобное поверхностное испарение
вещества. Однако такой процесс вряд ли мог успеть реализоваться за короткое
время полета в атмосфере.
Усовершенствованный вариант такой модели предложил М. М.
Мартынюк [1980 ]. Он рассмотрел объемный прогрев за счет излучения тонкого
поверхностного слоя метеоритного тела из стекловидного вещества и описал при
этом периодический фазо- взрывной процесс в зоне метастабильного расплава.
Интенсивное дробление вещества из-за внутренних ударных волн может
завершиться фазовым взрывом всего космического объекта. В этом случае на
Землю в районе катастрофы должно было бы выпасть огромное количество
микросферул метеоритного вещества, что, однако, не подтверждается натурными
исследованиями.
На другую возможность реализации модели теплового
взрыва указано в работе Л. В. Шуршалова [1982]. Если допустить, что
снежно-ледяное космическое тело обладает достаточной оптической
прозрачностью, то сильный и очень быстрый лучистый нагрев может иметь место
сразу во всем его объеме или в значительной его части. Тогда практически
мгновенно произойдет объемный фазовый переход и все вещество перейдет в
газообразное состояние с примерно постоянными высокими давлением и
температурой. Такого рода взрывоподобное явление в условиях объемного
тепловыделения изучено в работе А. М. Искольдского и соавторов [1977 ].
М. Н. Цынбал и- В. Э. Шнитке [ 1986] выдвинули гипотезу о
газовоздушном взрыве Тунгусского космического объекта, рассматриваемого как
комета. При испарении замерзших газов ко- метного ядра, способных к
взрывчатому превращению, может образоваться их смесь с воздухом, которая
затем сдетонирует. Таким образом, энерговыделение при Тунгусском явлении
могло быть результатом не только превращения кинетической энергии летящего
тела в тепло, но и химических реакций.
Г. И. Петров и В. П. Стулов [1975] предложили свою модель,
полагая, что Тунгусское тело представляло собой большой рыхлый снежный ком и
имело крайне низкую плотность (меньше 0,01 г/см3). Благодаря этому оно резко
полностью затормозилось на некоторой высоте и рассеяло свою массу, а головная
ударная волна при таком нестандартном процессе дошла до поверхности Земли. В
связи с этой версией А. С. Куцаев [1978] провел численное исследование входа в
атмосферу большого деформируемого газового облака. Однако представляется
проблематичным стабильное существование космических объектов с такой малой
плотностью.
Существует ряд моделей, в которых рассматривается процесс
механического разрушения Тунгусского тела во время полета. Первое такое
качественное описание лавинообразного механического разрушения Тунгусского
метеорита, которое эквивалентно по своему эффекту взрыву, дал Г. И.
Покровский [ 1966]. Количественный анализ такого процесса провел Ю. И. Фадеенко
[1967 ]. Современную построенную на количественном уровне модель
прогрессивного дробления твердого космического тела в гиперзвуковом полете в
атмосфере разработал С. С. Григорян [1979 ]. Он выяснил, что в этом случае
возможно полное торможение и взрывоподобный разлет Тунгусского метеорита в
конце его траектории.
На интересную возможность реологического (деформационного)
взрыва указал Т. Я. Гораздовский [1976]. Из-за аэродинамических нагрузок и
больших касательных деформаций в космическом объекте, представляющем собой
каменное или железное тело, может произойти мгновенная потеря устойчивости
кристаллических структур, сопровождаемая спонтанным диспергированием
вещества, большим удельным энерговыделением и излучением.
Эти эффекты подтверждены экспериментом и использованы
автором для интерпретации Тунгусского явления и, в частности, наличия
мелкодисперсных частиц в зоне падения.
Имеются также попытки трактовать Тунгусское космическое
тело как железный метеорит, получивший в атмосфере большой электрический заряд
и затем лавинно разрядившийся над поверхностью Земли [Соляник, 1980], ми как
гипотетический плазмоид гелиофизической природы [Журавлев, Дмитриев, 1984].
Однако эти гипотезы представляются малообоснованными и маловероятными.
Все приведенные выше модели имеют, по существу,
концептуальный характер, ни одна из них не послужила для воспроизведения в
расчете целостной картины явления и для установления строгой количественной
связи с зафиксированными последствиями Тунгусской катастрофы. При построении
этих моделей проводились лишь качественные рассуждения о такой связи или, в
лучшем случае, давались грубые оценки. Следует со всей определенностью
сказать, что важнейшим критерием при верификации предложенных моделей должно
быть хорошее соответствие рассчитанных по ним и достоверных натурных данных о
геофизических последствиях Тунгусского явления (вывал леса, лучистый ожог
деревьев, полная энергия, полученная при обработке барограмм и сейсмограмм и
др.).
Первая попытка моделировать Тунгусское явление в связи с
главным его последствием — вывалом леса — была сделана в экспериментальной
работе И. Т. Зоткина и М. А. Цикулина [1966 ]. Взрывая над модельным лесом
длинный детонационный шнур с усилением заряда на его конце, эти исследователи
получили картину разрушений, качественно- напоминающую реальную, показав при
этом важную роль баллистической волны и угла наклона траектории.
Исходя из схемы этого эксперимента, В. П. Коробейников и
соавторы [Коробейников и др., 1971, 1974, 1977, 1980; Коробейников и др.,
1983; Korobeinikov et al,, 1971, 1976] впервые осуществили численное
газодинамическое моделирование полета и взрыва Тунгусского космического тела.
Для описания возникающей системы ударных волн они разработали и реализовали
модель эквивалентного взрыва полубесконечного цилиндрического заряда,
ориентированного по траектории и имеющего переменное энерговыделение по
длине. Эта первая модель неоднократно усовершенствовалась авторами за счет
последовательного включения в нее таких факторов, как двумерносты течения,
неизотермичность атмосферы, высокотемпературные эффекты в реальном воздухе
(диссоциация и ионизация), излучение.
С помощью данной модели ее авторам удалось впервые
рассчитать зону вывала леса в районе Тунгусской катастрофы, хорошо
согласующуюся с реальной. В результате были достаточно надежно определены
такие траекторные и энергетические параметры Тунгусского космического тела,
как угол наклона а и высота конечной точки Н0 траектории, баллистическая
энергия Ех, соответствующая стадии полета, и взрывная энергия Е0, соответствующая
энерговыделению на заключительном участке траектории, где происходило
взрывоподобное разрушение тела.
Следует отметить, что по аналогичной модели (в простейшем
ее варианте без учета указанных выше факторов) В. А. Брон- штэн и А. П.
Бояркина [1975] провели расчеты воздушных волн Тунгусского метеорита. Однако
в их работе не было получено ни одной расчетной зоны вывала леса, которая
была бы похожа на натурную, а энерговыделение, отвечающее только этому
наземному разрушению, составляло здесь 150 Мт, что почти на порядок
превосходит известные надежные оценки.
В развитие первой модели была построена модель радиационно-теплового
воздействия [Коробейников и др., 1983; Коробейников и др., 1984; Korobeinikov
et al., 1982], которая позволяет рассчитать лучистый поток, поступающий на
поверхность Земли при полете и взрыве космического тела. Здесь излучающая
область представляется в виде комбинации точечного и линейного источников,
которые располагаются в соответствии с траекторией полета и высотой взрыва и действуют
одновременно. По этой модели для Тунгусского явления была рассчитана граница
обожженного излучением леса; она хорошо согласуется с натурой.
В рассмотренной первой модели эквивалентного взрыва
полубесконечного цилиндрического заряда распределение баллистической энергии
находилось по вывалу лесного массива и непосредственно не было связано с
полетом Тунгусского тела. В рамках такой модели были получены данные о ряде
искомых траек- торных и энергетических параметров этого космического объекта,
но вместе с тем одна такая модель не дает возможности определить некоторые
другие важные его характеристики, такие как скорость полета, плотность,
масса, размеры. Для уменьшения этой неопределенности предлагается новый
подход, состоящий в дополнении первоначальной гипотезы моделями и объединении
их в единый комплекс. Идея такого комплексного моделирования была дана нами в
работе [Коробейников и др. 1987 ], а некоторые результаты приведены в статье
[Коробейников и др. 1988 ].
|