Трибуна смелых гипотез
«Вся история вокруг Тунгусского явления началась в 1921 году, когда Л.А.Кулик впервые увидел упоминание о «метеорите» 1908 года в каком-то календаре и оно его потрясло. А вторично он был потрясен, когда сам оказался на месте взрыва», — писал в нашем журнале основоположник советской уфологии, доцент Ф.Ю.Зигель.
Итак, минуло 70 лет с тех пор, как на место падения Тунгусского космического тела (ТКТ) отправилась первая группа исследователей. Затем последовали сотни экспедиций, однако и поныне ученые разных рангов и специальностей не могут найти однозначного решения проблемы. Об этом можно судить хотя бы по публикациям в «ТМ». Например, в №9 за 1977 год была помещена статья, как будто окончательно подтверждающая, что в бассейне реки Подкаменная Тунгуска взорвалось ядро кометы. Но уже в № 3 за 1979 год появился материал, в котором ставилась под сомнение кометная гипотеза и приводились дополнительные данные в пользу рукотворности ТКТ. А в № 11 за 1981 год вообще доказывалось, что Тунгусская катастрофа имела не космическое, а геологическое происхождение, была вызвана мощным проявлением газово-грязевого вулканизма. В дни 75-летнего юбилея тунгусского взрыва мы пригласили тех, кто отдал немало творческих сил разгадке столь уникального явления, и попытались за «круглым столом» подвести некоторые итоги, обсудить все «за» и «против» существующих научных гипотез. В результате же читатели познакомились в № 12 за 1983 год, № 1 и № 2 за 1984 год с новыми предположениями (ТКТ — плазмоид с замкнутым и скрученным тороидальным магнитным полем, попутчик кометы Галлея и т.д.), которые еще больше запутали проблему. И совсем уж странный акцент в нее внес подмеченный исследователями факт, что злополучное «Чертово кладбище», совпадающее с проекцией точки «первого маневра» ТКТ, и сам эпицентр взрыва являются ярко выраженными зонами биологического дискомфорта (№ 9 за 1985 год). Но что интересно: этот факт (в числе других) мог быть интерпретирован с позиций классических гипотез — как метеоритной (вредное излучение при электроразрядном взрыве, № 12 за 1987 год), так и кометной (разброска ядовитого содержимого ядра, № 7 за 1988 год)...
Впрочем, пора остановиться, с перечисления отдельных идей начинается и предлагаемая вниманию читателей статья. И хотя автор придерживается опять же кометной гипотезы, она в его трактовке получает совершенно неожиданное продолжение.
Михаил МАРТЫНЮК,
профессор, доктор физико-математических наук
Виновник глобальных катастроф Тайна тунгусского феномена
По поводу Тунгусской катастрофы было высказано немало экзотических гипотез, но встречались, казалось бы, и вполне реальные предположения. Скажем, разрушения в сибирской тайге вызваны баллистической ударной волной, возникшей при движении ТКТ в атмосфере со сверхзвуковой скоростью. Что ж, фронт такой волны имеет форму расширяющегося конуса, и зона вывала леса от нее была бы вытянута в направлении движения. Однако на карте она близка к форме круга со средним радиусом около 26 км. Отсюда следует: взрыв произошел на очень коротком конечном участке траектории полета; по оценкам специалистов, протяженность взрыва— около полукилометра.
Правдоподобным выглядело и допущение о том, что взрыв вызван быстрым испарением ТКТ из-за тепла, выделенного при его резком торможении в плотных слоях атмосферы. Однако из теории следует: испарение само по себе не могло быть причиной столь грандиозной катастрофы. Как показывают расчеты, максимальная скорость испарения тела не превышает 10 м/с, а потому такой механизм перехода вещества в состояние пара не способен породить в воздухе ударную волну. Для сравнения заметим, что скорость фронта взрывного превращения тротила (скорость детонации) равна 8 км/с.
Нет, не умозрительные догадки, а только выявленные факты могли служить основой для разгадки тайны тунгусского феномена. Первый из них — характер лесоповала. Тщательное изучение показало, что его зона несколько отличается по форме от круга (рис. 1). По оси ее симметрии удалось определить направление движения ТКТ, что помогло установить его природу.
Известный астроном академик В.Г. Фесенков доказал, что Тунгусский «метеорит» не был метеоритом. Метеориты, продукты распада астероидов, движутся в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца. Они «догоняют» Землю, поэтому их скорость относительно нее сравнительно невелика, порядка 10 км/с. ТКТ, наоборот, двигалось навстречу Земле, и его скорость достигала 40-50 км/с. Так могла перемещаться только комета.
Вторым важным достижением на пути разгадки тайны стала находка остатков вещества этой кометы. Экспедиции Томского университета, организованные под руководством профессора Н.В.Васильева, в слое торфа, сформированного в 1908 году в районе катастрофы, обнаружили малые стекловидные шарики со средним диаметром около 30 мкм; внутри некоторых из них проглядывались сферические пустоты. Шарики в основном состояли из окислов кремния, алюминия и натрия; в них было повышенное содержание редкоземельных элементов, что указывает на их внеземное происхождение. Химический состав шариков близок к составу ядер комет.
Эти факты дают основание считать, что над сибирской тайгой в земную атмосферу врезалось ядро небольшой кометы. Что же произошло в процессе его быстрого разогрева три торможении в воздухе?
Фазовый взрыв
Чтобы ответить на вопрос, проведем опыт со сверхскоростным нагревом металла. Для этого конденсатор емкостью около 100 мкФ зарядим до напряжения 10 кВ, а затем разрядим его через металлический проводник диаметром 0,5 мм и длиной 10 см. Результат поразительный: проводник взрывается, оглушая мощным звуком и ослепляя яркой вспышкой света. Если же эксперимент проводится в наполненном водой сосуде, то возникающая ударная волна деформирует или разрушает его стенки (электрогидравлический эффект Юткина). Чем не Тунгусский «метеорит» в миниатюре? Не разгадаем ли мы его тайну, исследуя механизм такого взрыва?
Надо заметить, что познать характер поведения «взрывающихся проволочек» удалось лишь после многочисленных проб с применением различных методов анализа быстропротекающих процессов (рис.2). Оказалось, для «нормального» взрыва необходим ряд условий: энергия заряженного конденсатора должна быть не меньше теплоты испарения проводника; тот должен нагреваться одиночным импульсом тока (апериодический режим разряда); время нагрева до начального момента взрыва должно быть менее 10 мкc; скорость нагрева —более 104 град/с; плотность нагревающего тока —более 104 А/мм2. В таком режиме проводник сначала раскаляется в твердом состоянии; затем плавится; сохраняя свою форму, нагревается до точки кипения металла; без существенного изменения объема перегревается на несколько тысяч градусов выше этой точки; наконец, взрывается, интенсивно расширяясь, порождая в окружающей среде ударную волну. Самое удивительное в этой цепочке процессов— перегрев металла выше точки кипения и его последующий взрыв. Например, температура перегрева жидкого железа в начальный момент взрыва достигала 5400° С, тогда как закипает оно уже при 2880° С.
Почему металл столь сильно перегревается? Что происходит с ним после начального момента взрыва? Ответы на эти вопросы дает теория.
Более века назад нидерландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния вещества, из которого следовало — точка кипения не является предельной для жидкости. Она при низком давлении может существовать и при более высоких температурах (в таком состоянии ее называют перегретой или метастабильной). Известно, что вода кипит при 100°С, однако в некоторых опытах (при атмосферном давлении) ее удавалось перегреть и до 300° С. Словом, если посмотреть на диаграмму давление—температура, то, помимо линии зависимости точки кипения жидкости от давления, можно увидеть еще другую линию — спинодаль, определяющую границу перегрева метастабильной жидкости (рис.3). Перегрев выше точки спинодали невозможен, так как при подходе к ней жидкость взрывообразно закипает. Чем же отличается это кипение от обычного?
Со школы мы знаем, что кипение воды в чайнике — это процесс образования и роста пузырьков пара на готовых центрах (воздушные пузырьки, неровности стенок чайника). Поскольку число центров, а значит, и число пузырьков мало, само кипение протекает спокойно. А при отсутствии таких центров вообще вода не закипела бы не только при 100, но и при 200° С. Дело в том, что возникновение пузырьков пара в «бездефектной» жидкости при ее небольшом перегреве запрещено законами термодинамики. На пути роста пузырька стоит фазовый барьер —работа образования «жизнеспособного» зародыша пара (рис.4). Барьер может быть преодолен при случайном локальном разрежении жидкости, за счет теплового движения ее молекул (флуктуации плотности). При небольшом перегреве энергии флуктуации не хватает для этого, и пузырьки пара не возникают. Однако при увеличении перегрева величина барьера снижается и в окрестности» спинодали сравнивается с энергией флуктуации. В такой области температур и давлений (рис.3) пузырьки могут возникать в любой точке объема жидкости, и частота их спонтанного (самопроизвольного) образования составляет миллиарды зародышей за секунду в кубическом сантиметре. То и есть фазовый взрыв — взрывное кипение перегретой метастабильной жидкой фазы. Он идет за счет тепла, которое было введено в жидкость при ее перегреве от точки кипения до околоспинодалыюй точки взрывного кипения. В процессе взрыва 40 — 50% жидкости превращается в пар, а остальная ее часть распыляется на мелкие капельки.
Все это — теоретические выводы. Однако как же такой взрыв осуществить в реальных условиях? Ответ и дают эксперименты со «взрывающимися проволочками». Если скорость нагрева жидкости достаточно большая, то процесс обычного кипения «не сделает погоды» и основная ее масса успеет перегреться до температуры взрывного кипения. Минимальная скорость нагрева, необходимая для получения фазового взрыва, зависит от свойств жидкости: чем ниже ее текучесть, тем ниже эта скорость. Потому фазовый взрыв вязких каменных расплавов можно осуществить при гораздо меньшей, чем для жидких металлов, скорости нагрева.
Для реализации фазового взрыва вещества попсе не обязательно прибегать к электричеству; важен не способ, а скорость нагрева. Например, большие скорости в миллиарды градусов в секунду достигаются при облучении импульсами лазерного излучения. При плотности его потока более 20 МВт/см2 экспериментально наблюдалось фазовзрывное разрушение поверхностного слоя металлов. Огромные скорости разогрева вещества развиваются и в зоне очагов ядерных взрывов. Поэтому можно ожидать, что взрыву атомной бомбы аккомпанирует фазовый взрыв окружающей среды. Ведь не зря же американские ученые из Лос-Аламоса, где была создана первая атомная бомба, помимо ядерных взрывов, исследуют электрический взрыв проводников. Но вернемся к «тунгусскому диву». Какова здесь роль фазового взрыва?
Что же произошло пал Тунгуской?
Итак, 30 июня 1908 года в земную атмосферу врезалась комета со скоростью 40 — 50 км/с. Впереди двигалось ядро, состоящее из каменных глыб, а за ним тянулся шлейф из мелких частиц и газов. По мере проникновения ядра в атмосферу увеличивалась плотность воздуха, отчего сопротивление движению нарастало. Расчеты показывают, что уже на высоте 80 км космический пришелец породил в атмосфере мощную ударную баллистическую волну; температура на ее фронте достигала 100 000° С. Интенсивное ультрафиолетовое излучение фронта проникало внутрь каменных глыб на глубину около 5 мм, быстро разогревало их приповерхностный слой примерно до 7000 °С, вызывая его фазовый взрыв; затем то же самое повторялось со следующим слоем. Взрывы шли один за другим с частотой около десяти в секунду. Этим можно объяснить свидетельства очевидцев о том, что перед основным взрывом они слышали сильный гул и взрывы послабее. Каждый локальный взрыв дробил камни на более мелкие части. И в конце полета ядра размер «щебня» в такой камнедробилке достиг сантиметрового диапазона; камешки раскалились до околоспинодальной температуры 7000° С и разрушились по фазовзрывному механизму. Взрыв произошел за счет тепла, накопленного в веществе за время его движения на последнем участке траектории. Этот заключительный аккорд «космической симфонии» и вызвал основные разрушения и пожары в сибирской тайге.
По энергии взрыва мы рассчитали массу космического вещества, достигшего «финишной прямой»; она оказалась равной 5 млн. т. Большая ее часть испарилась, а остальная была распылена взрывом на мелкие капельки, которые после затвердевания осели в районе катастрофы. Эти шарики и обнаружили в слое торфа 1908 года. То, что внутри некоторых сохранились сферические пустоты, доказывает их фазовзрывное происхождение. Ведь пустоты — следы не успевших вырасти пузырьков пара. Кстати, при конденсации пара возникли более мелкие частицы с диаметром меньше 1 мкм; они были унесены потоками воздуха далеко за пределы зоны лесоповала. Долго блуждая в верхних слоях атмосферы, они стали причиной появления «белых ночей» на евразийской территории от Енисейска до Лондона.
Может ли повториться подобное явление? Да, если в земную атмосферу достаточно энергично войдет космическое тело. Минимальная скорость движения тела, при которой происходит его фазовзрывное разрушение, зависит от высоты полета. Однако на одной и той же высоте она для каменных метеоритов в 4 раза меньше, чем для железных (рис.5). Поэтому вероятность взрыва первых больше, чем вторых, что объясняется, как мы уже говорили, большей вязкостью каменных расплавов. Летом на фоне звездного неба часто видны метеорные следы малых космических частичек, путь которых в атмосфере завершается яркой вспышкой. Возможно, последняя и есть фазовый взрыв.
Ярость Плутона
Тунгусский взрыв прогремел в безлюдной местности; о жертвах ничего не сообщалось. Однако история хранит сведения о природных взрывных катастрофах, которые унесли многие человеческие жизни. Вот сравнительно недавний пример. Сен-Пьер на острове Мартиника был самый красивый из городов Малых Антильских островов. Особую прелесть его пейзажу придавала гора Монтань-Пеле. Утром 8 мая 1902 года ее вершина со страшным грохотом раскололась на куски; оттуда вырвалась огромная палящая туча, которая понеслась вниз по склону. За считанные секунды она достигла города, и тот исчез в ее пламени. Погибло 30 тыс. жителей; 16 кораблей, стоявших в гавани, были опрокинуты или сгорели. Ныне обитатели Сен-Пьера с опаской поглядывают на действующий вулкан.
Обычно извержение вулканов протекает более спокойно. То, что случилось с Монтань-Пеле, специалисты относят к типу взрывных (эксплозивных) извержений. К нему же относится и извержение Кракатау на небольшом островке в Зондском проливе между Явой и Суматрой.
Взрыв произошел 27 августа 1883 года в 10 ч 20 мин. Два конуса вулкана были разнесены на куски. Грохот взрыва слышали в Австралии и даже на острове Родригес на расстоянии 5000 км. Его мощность оценивается в 20 тыс. атомных бомб. Взрывом выбросило в воздух более 18 куб.км. горных пород. Вулканический пепел выпал на площади 827 тыс. кв. км. В Джакарте среди бела дня он затмил Солнце, после чего наступила ночь. Чудовищный взрыв породил в океане гигантскую волну (цунами), высотой до 40 м, которая обрушилась на соседние острова; погибло около 36 тыс. человек.
Геологические и археологические исследования показывают, что три с половиной тысячи лет назад грандиозная катастрофа постигла остров Санторин в Эгейском море.
В результате вулканического взрыва от него остались лишь «осколки» в виде мелких островков; образовалась впадина (кальдера) объемом 83 куб. км. При взрыве возникло мощное цунами, которое обрушилось на побережье Крита и уничтожило там минойский город Аниссос. Через несколько часов оно затопило дельту Нила и разрушило город Угарит, удаленный на 1000 км от Санторина.
Читатели спросят, неужели и эти стихийные бедствия можно объяснить механизмом фазового взрыва; ведь маловероятно, что в недрах Земли происходит импульсный нагрев вулканических пород. Они не учитывают важную деталь: импульсный нагрев отнюдь не единственный способ реализации такого процесса. Скажем, для получения фазового взрыва воды ее нагревают в прочном баллоне (под давлением) до околоспинодальной температуры (280 — 370° С), после чего быстро сбрасывают давление; она взрывообразно закипает (рис.3). Энергия взрыва кубометра воды с температурой 300° С эквивалентна энергии взрыва 15 кг тротила. Потому-то, дабы соблюсти безопасность энергетических агрегатов, и должен быть обеспечен такой режим их работы, который исключал бы возможность фазового взрыва воды. Это требование относится в первую очередь к паровым котлам ТЭС и к теплообменным контурам АЭС.
Взрыв вулкана похож на взрыв огромного котла с водой, разогретой до околоспинодальной температуры. Механизм процесса в обоих случаях один и тот же —взрывное кипение. Однако есть и существенные различия, которые определяются свойствами «рабочего» вещества.
Таковым в вулкане является магма — сложный расплав разных минералов, насыщенный газами. Их растворимость увеличивается с ростом давления. После его сброса магма «закипает», подобно шампанскому, когда откупоривают бутылку,—идет образование и рост пузырьков в пересыщенной газами метастабильной жидкой фазе. При невысокой температуре магмы этот процесс протекает более-менее спокойно, ибо пузырьки возникают на готовых центрах, число которых мало. В таких случаях извержение вулкана сопровождается излиянием из кратера кипящих потоков лавы. Если же магма сильно разогрета, то после сброса давления может произойти взрывное выделение газа, когда (за счет флуктуации концентрации его молекул) пузырьки возникают в любой точке объема магмы. Это и есть ее фазовый взрыв, вызывающий эксплозивное извержение вулкана. При этом выбрасывается огненный фонтан взрывно-кипящей магмы. Стремительно набухая, он превращается в палящую тучу из раскаленных газов и капелек распыленной магмы. После остывания из нее выделяется вулканический пепел, который разносится потоками воздуха на большие расстояния.
Специалисты уже давно заметили: почти все крупнейшие вулканические катастрофы связаны с теми геологическими образованиями, которые содержат в своих глубинах очень вязкие магмы, Характерным в этом плане явилось поведение Монтань-Пеле. После его взрыва из кратера выталкивался купол густой лавы, которая не разливалась по склонам горы, а постепенно застывала, подпитывая «столб», —ежедневно вырастая на 10— 12 м, он вытянулся в высоту до 300 м. Теория фазового взрыва легко объясняет связь вязкости магмы с вулканическими эксплозиями.
Для фазового взрыва сжатой магмы необходимо, чтобы сброс давления, вызванный перемещением земных пластов, произошел достаточно быстро. При медленном его понижении можно не дойти до области температур и давлений взрывного газовыделения, поскольку газ успеет выделиться внутрь пузырьков, возникших на готовых центрах. По крайней мере, для сильно текучих магм, где скорость роста пузырьков большая, затрачиваемое на это время меньше реального времени сброса давления, и газовыделение здесь протекает довольно спокойно. По-иному ведут себя вязкие магмы. В них пузырьки на готовых центрах не успевают заметно увеличиться, поэтому газонасыщенность магмы практически не изменится. После сброса давления через некоторое время начинается процесс флуктуационного газовыделения и происходит взрыв.
Каково время запаздывания фазового взрыва вязких магм после сброса давления? Для ответа на этот вопрос нужны дальнейшие исследования. Если окажется, что оно составляет хотя бы несколько десятков минут, то появляется возможность предупреждения населения о грозящей катастрофе — после регистрации первоначального толчка, вызвавшего сброс давления в очаге магмы при смещении горных пластов. Другими словами, исследования фазового взрыва открывают перспективу прогнозирования взрывных землетрясений и извержений вулканов.