Пятьдесят мегатонн
Опубликование карт и каталога вывала Тунгусского метеорита вызвало большой интерес научной общественности к научной проблеме. В 1967 году вышел второй выпуск сборника "Проблема Тунусского метеорита", включивший, кроме материалов по вывалу, первые результаты обработки ожоговых повреждений деревьев, результаты изучения роста нового леса, вставшего на месте погибшей тайги, количественный анализ магнитного возмущения и другие материалы. По инициативе Комиссии по метеоритам и космической пыли в апреле 1971 года в Новосибирске было проведено научное совещание "Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита". В нем участвовал Комитет по метеоритам АН СССР, Всесоюзное астрономо-геодезическое общество, Томский Университет.
На совещание были приглашены А.В.Золотов и Ф.Ю.Зигель. Совещание проходило в нституте геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР. Открыл его академик В.С.Соболев. Вход был свободным, и на заседаниях присутствовали не только приглашенные, но и все научные сотрудники Академгородка, проявившие интерес к проблеме "загадки века". Многие из них, привыкшие судить об исследованиях Тунгуской проблемы по газетным заметкам, носившим неизбежно мотивы преждевременных восторгов и сенсаций, с удивлением открывали для себя, что Тунгусская проблема не отличается от других чисто научных проблем и по уровню математической обработки данных, и по характеру решаемых задач.
Среди гостей совещания был и Константин Дмитриевич Янковский - участник и поисков Кулика, и двух послевоенных экспедиций. В седобородом ветеране войны, охотоведе и писателе невозможно было узнать молодого студента, искавшего метеорит в 30-х годах. Константин Дмитриевич, внимательно прослушав все доклады и дискуссии, был буквально потрясен тем уровнем, на котором решалась проблема Тунгусского метеорита в середине ХХ века. Когда-то она представлялась очень простой - выкопать из болота кусок железного астероида...
В решении совещания был отмечен - как принципиально важный - новый результат, полученный в Институте физики Земли профессором И.П.Пасечником. По просьбе Комитета по метеоритам Иван Петрович Пасечник провел детальную работу по анализу сохранившихся барограмм и сейсмограмм 1908 года, на которых был зарегистрирован взрыв Тунгусского болида. Работа была выполнена на высоком профессиональном уровне и полностью подтвердила оценки высоты взрыва, сделанные другими методами, уточнила цифры момента взрыва, времени распространения возмущений и т.д.
Им было сделано два заключения, которые хотя и были не совершенно новыми, но их авторитетное подтверждение имело принципиальное значение для теории явления. Первый касался энергии Тунгусского взрыва. В 60-х годах почти все исследователи согласились, что наиболее правильная оценка энергии взрыва лежит в пределах от 5 до 10 мегатонн тротилового эквивалента, т.е. порядка 1023 эрг. Анализ сейсмограмм Иркутска, Ташкента, Йены, проведенный И.П.Пасечником, привел к необходимости увеличить энергию взрыва почти на порядок - более 1024 эрг, что в тротиловых эквивалентах соответствовало 20 - 50 мегатоннам!
И.П.Пасечник считал, что наиболее достоверные оценки можно получить не по сейсмограммам, а по площади вывала леса, и эта оценка тоже, по его мнению, давала величину от 30 до 50 мегатонн. Отсюда делался второй важный вывод- "большая мощность взрыва указывает на весьма высокую концентрацию энергии в единице массы космического тела". Однако, автор считал, что по сохранившимся регистрациям невозможно сделать какого-либо заключения о природе Тунгусского взрыва. Как ни странно, он не касался в своем исследовании именно того эффекта Тунгусского взрыва, который более других указывал на природу взрыва, - геомагнитного возмущения, записанного иркутскими магнитографами.
На совещании был представлен доклад И.Т.Зоткина и А.Н.Чигорина, который решал интересную задачу: используя рассчитанные Фастом геометрические характеристики поля вывала, восстановить форму волны в пространстве, не прибегая к каким-либо физическим моделям. При расчетах авторы доклада воспользовались графоаналитическим методом, предложенным в 1966 году Д.Анфиногеновым. Они получили результат, который согласовывался с модельными экспериментами: наклон траектории 40 - 600 , проекция траектрии была близка к оси вывала (азимут 2850 ), траектрия пересекала поверхность Земли в 10 - 20 км от эпицентра на северо-западе. Форма волны в пространстве имела вид "колокола", обращенного вершиной вниз.
На совещании было представлено еще два теоретических доклада, явившихся началом большой расчетной работы, выполненной двумя группами исследователей. Одной из них руководил доктор технических наук Виктор Павлович Коробейников, один из самых авторитетных специалистов по газодинамике и механике сплошной среды. Участие в метеоритных конференциях и беседы с Н.В.Васильевым вызвали у него большой интерес к проблеме Тунгусского метеорита. В 1973 году он принял участие в работе Комплексной самодеятельной экспедиции и вместе с Васильевым, Фастом и Львовым обошел все самые интересные районы Тунгусского вывала, увидев объект своих расчетов в натуре. Вместе с другими участниками экспедиции Виктор Павлович проводил прикидочные опыты по оценке интенсивности ожога ветвей деревьев и кустарников, используя в качестве источника светового воздействия солнечный свет, сконцентрированный линзой.
Теория Корбейникова.
Выступая на Пятнадцатой метеоритной конференции в Калуге в 1972 году, В.П.Коробейников отметил, что в работах Станюковича, Цикулина, Зоткина, Бронштэна и Золотова были рассмотрены различные типы моделей падения и взрыва Тунгусского метеорита. Натурное моделирование подчеркнуло, что учет совместного действия баллистической и ударной волны очень важен при расчете таких моделей. Однако, по его мнению, все эти модели давали лишь качественное объяснение последствий Тунгусского взрыва и не позволяли детально описать распространение и воздействие на Землю ударных волн.
Коробейников поставил задачу построения теоретической модели системы ударных волн, возникающих при полете и взрыве метеоритов, которая давала бы возможность проводить надежный численный расчет характеристик явления. Эта задача решалась им совместно с П.И.Чушкиным, Л.В.Шуршаловым, Б.В.Путятиным в течение примерно двенадцати лет.
Работа группы Коробейникова имеет гораздо более широкое значение, чем анализ Тунгуского взрыва. Был создан новый раздел количественной теори метеорной физики на основе тщательного машинного эксперимента. Коробейников, обосновывая свой подход, отметил, что задача, которую пытались решить исследователи ударной волны Тунгуского феномена, является примером решения типичной "обратной задачи" - т.е. попытки восстановить явление по по его следам. В механике, как и в других разделах физики, обратные задачи чаще всего не имеют однозначного решения, особенно для сложных явлений, т.е. один и тот же характер следов или следствий может быть вызван различными причинами.
В случае Тунгусской проблемы сходные картины лесоповала мог вызвать взрыв болида, двигавшегося по пологой траектории при слабой баллистической волне, и сильная ударная волна болида, двигавшегося по крутой траектории. Варьируя угол наклона, мощность баллистической и взрывной волн, форму тела, высоту взрыва, можно получать иногда сходные поля разрушений. Однако дело не так безнадежно, как может показаться на первый взгляд.
Чем сложнее структура следов явления, тем труднее воспроизвести их при случайной комбинации причин. Если же имеется независимая информация о явлении, то свобода выбора становится тем меньше, чем сложнее и обильнее эта инфомация. Об этом говорил Зоотов, когда подчеркивал, что взрывы тел, параметры которых могут различаться на 3 - 4 порядка, не могут дать одинаковой картины. Все же он не учитывал вполне всех трудностей и "коварства" обратной задачи.
Коробейников, понимая, что анализ только картины вывала может не дать вполне однозначных результатов, пытался использовать и данные по ожогу. Но, во-первых, ожог не был изучен с той же тщательностью, что и вывал. Кроме того, методика расчета тепового воздействия сильной цилиндрической волны на поверхность Земли отсутствовала.
Модель, разрабатываемая Коробейниковым, Чушкиным и Шуршаловым, сочетала точный численный расчет и аналитические приближения. Она была настолько общей, что не требовала анализа физических процессов, происходящих с метеоритом, конкретных превращений энергии. Вопрос о том, имел ли место взрыв в буквальном смысле этого слова или резкое усиление и отход баллистической волны от тела при его быстром торможении, выходил за рамки теории.
Позднее, в 1976 году, научный сотрудник Института механики Московского университета С.С. Григорян несколько конкретизировал картину разрушения компактного метеорита с небольшой прочностью, входящего в атмосферу с гиперзвуковой скоростью. Он рассмотрел механику преобразования кинетической энергии осколков в энергию баллистической волны, тем самым объяснив физический смысл теории Коробейникова.
Рис15. Одна из компьютерных моделей В.П.Коробейникова, калибрующая карту изодинам В.Г.Фаста (рис.10). Изолинии отмечают места с одинаковым горизонтальным аэродинамическим напором: 1 - 0,008; 2 - 0,016; 3 - 0,024; 4 - 0,032; 5 - 0,040; 6 - 0,048 кг/см2 .
Дать объективное научно-популярное изложение теории ударных волн боьшого метеорита, которая была разработана групой Коробейникова, очень трудно. Неизбежные упрощения могут породить неправильные представления о простоте задачи, которая была решена в итоге многолетних трудов коллектива исследователей.
В результате варьирования главных параметров модели Коробейников получил разные варианты "бабочек". Компьютерный эксперимент показал, что наиболее близкую схему зоны разрушений к реальной удается получить при угле накона траектории 400 , высоте взрыва 6,5 км, при этом энергия баллистической волны была одного порядка с энергией взрывной волны , которая оценивалась как величина 1023 эрг. Полная энергия разрушений на основе модели, рассчитанной ЭВМ, получилась 9,5 мегатонны.
Моделирование позволило сделать вывод, что форма области поваленного леса наиболее сильно зависит от угла наклона траектории: с ростом этого угла все меньшая доля хвостовой ударной баллистической волны может производить наземные разрушения. В таком случае на земле ударная волна действует подобно сферической, крылья бабочки укорачиваются, выемка между ними становится меньше.
Конечно, этот вывод на качественном уровне можно было сделать и без моделирования, но разработка математической программы, выдающей количественные модели ударной волны при варьировании различных характеристик явления, было крупным успехом теории сверхметеорита. Однако попытки объяснения картины Тунгусского вывала на базе теории Коробейникова встретились с труднстями и некоторыми противоречиями.
Теория Бронштэна.
Наиболее ярко они проявились при сопоставлении результатов моделирования явления, выполненного группой В.П.Коробейникова и группой В.А.Бронштэна. Виталий Александрович Бронштэн, работавший в 70-х годах ученым секретарем Всесоюзного астрономо-геодезического общества, одним из первых среди столичных ученых обратил внимание на то, что результаты, полученные КСЭ, - особенно по изучению вывала - заслуживают серьезного внимания с точки зрения теории крупных метеоритов. В.А.Бронштэн поддерживал активное научное сотрудничество Московского и Томского отделений ВАГО в области исследований Тунгусской проблемы. Центральный совет ВАГО оказывал серьезную поддержку экспедиционным и теоретическим работам КСЭ.
В 70-х годах началась работа теоретической группы, возглавлявшейся В.А. Бронштэном, целью которой было построение теории Тунгусского падения на базе каталога и карт вывала. Основная масса расчетов по решению обратной задачи Тунгусского падения была выполнена в Томске А.П.Бояркиной, их анализ и истолкование - В.А.Бронштэном, а также А.К.Станюковичем.
В.А.Бронштэн решал ту же задачу, что и В.П. Коробейников, но другим методом. Оба расчетных метода были приближенными, но характер приближений был различным. Задачи, связанные действием ударных волн больших метеоритов на поверхность Земли, прежде детально не решались. Поэтому, с точки зрения аэродинамики, сравнение результатов решения одной и той же задачи разными методами представляло большой интерес.
Цикулин, Зоотов и другие авторы, исследовавшие аэродинамическую картину Тунгусского явления, пренебрегали неоднородностью атмосферы. Это могло привести к ошибочным выводам. Бронштэн и Коробейников решали задачу для неоднородной атмосферы, но изменение плотности воздуха с высотой учитывали разными способами. Бронштэн предложил метод параллельных слоев, котрый был детально разработан Л.В. Овсянниковым. Этот метод и был использован для анализа задачи об ударной волне Тунгусского метеорита.
Численные оценки основных параметров Тунгусского метеорита, полученные независимо двумя коллективами аэродинамиков, оказались различными. По мнению Бронштэна, различия не носили принципиального характера. Однако Коробейников в то время придерживался другой точки зрения. Он считал результаты Бронштэна неверными. Возникла дискуссия о правильных подходах к решению Тунгусской обратной задачи.
Возникновение дискуссии было, на наш взгляд, связано не столько с теми или иными конкретными ошибками теоретиков, сколько с фактом сложности Тунгусского явления. Наука впервые столкнулась со столь необычной задачей. Многое приходилось делать впервые - специально для Тунгусской проблемы. Пути физико-математического анализа следов, оставленных катастрофой, были непроторенными.
Результаты Коробейникова и Бронштэна разделяло принципиальное различие: решение вопроса об угле наклона траектории к горизонту. Модели вывала, построенные на ЭВМ Коробейниковым, лучше всего совпадали с реальной схемой вывала при угле наклона траектории 400 , расчеты Бронштэна и Бояркиной привели к выводу, что угол наклона траектории Тунгусского тела был не более 150 . Поскольку в расчетах Бронштэна не рассматривалась детаьно структура вывала, а модель Коробейникова не вникала в детали физики взрыва, то отсюда можно сделать вывод, что простые аэродинамические схемы не отражают реальной сущности Тунгусского явления.Это явление было более сложным, чем те упрощенные физические модели, которые, на первый взгляд, казались естественными.
Существенно различались и другие данные, полученные двумя группами исследователей. Суммарная величина энергии взрывной и баллистической волн, по Коробейникову, составляла 9,5 мегатонны (без учета потерь кинетической энергии на ионизацию,тепло, излучение и т.д.). Суммарная энергия, по расчетам Бронштэна, получалась порядка 150 мегатонн, что не соответствовало картине разрушений леса. Скорость Тунгусского тела, по оценке группы Коробейникова, была 44 км/с, по расчетам Бронштэна - 26 км/с. Лучше согласовывалась эффективная высота взрыва: 6,5 и 7,5 км (высота выделения энергии над эпицентром).
В ходе разгоревшейся дискуссии аворы пытались понять причины расхождений данных, полученных разными методами. Коробейников считал, что примененый им метод дает более надежную оценку угла наклона траектории, потому, что высокая радиальность вывала невозможна при пологой траектории. Бронштэн, возражая, указывал, что при угле 400 метеорит не могли наблюдать очевидцы в Преображенке, которые утверждали, что он пролетал над головой. Если бы угол наклона был равен 400 , то высота болида над Преображенкой была бы 260 км. Болид не мог светиться на такой высоте, тем более не мог издавать "громоподобные звуки". Решение, найденное Коробейниковым, можно считать оптимальным лишь для абстрактной математической задачи, но не для реального случая Тунгусского падения, - подчеркивал Бронштэн. Если исследователи изучают Тунгусский метеорит, они обязаны отбрасывать как негодные те решения, которые противоречат наблюдательным данным.
В то же время Бронштэн соглашался с рядом критических замечаний, например, с тем, что в его расчетах получилась сильно завышенная величина полной энергии разрушений. Он соглашался с тем, что эта энергия не могла превышать 40 мегатонн, и предполагал, что ошибка связана с неучетом силы тяжести и неточным определением энергии ударной волны.
Хотя авторы дискуссии не ссылались на расчеты Золотова (и считали их выполненными на примитивном теоретическом уровне), они, тем не менее, пришли к тому самому противоречию, на которое Золотов указывал как на принципиальный момент во всей проблеме. Крутая траектория - подчеркивал Золотов - способна дать точечный эпицентр, но она несовместима ни с показаниями очевидцев, ни с тонкой структурой самого вывала. Пологая траектория - порядка 10-150 - должна давать полосовой вывал, "елочку" из поваленных стволов, чего на самом деле нет. А раз нет "елочки", то кинетическая энергия болида не могла быть причиной вывала. Следовательно, причиной ударной волны могла быть лишь внутренняя энергия Тунгусского болида. Конкретные цифры, полученные Золотовым, были, возможно, неверными. Но противоречия, возникшие при двух разных методах строгого решения задачи об ударной волне Тунгусского тела, подтверждали, что картина вывала и показания очевидцев в рамках простой модели не стыкуются. Ничего не оставалось делать, как усложнять модель явления.
Метеорит со знаком качества
В 1980 году Бронштэн, пытаясь найти компромиссное решение возникшего парадокса, предложил совместить пологую и крутую траектории:" ... если Тунгусское тело имело отрицательное аэродинамическое качество или приобрело его в процессе разрушения, угол наклона пути мог измениться и траектрия могла стать более крутой". Наличие у летящего тела аэродинамического качества на языке аэродинамики означает действие на него подъемной силы вследствие, например, подходящей формы, плотности, сопротивления. У самолета подъемную силу создают крылья.
В 1984 году была опубликована работа В.П. Коробейникова, П.И. Чушкина и Л.В. Шуршалова, в которой авторы рассчитали полет метеорита с аэродинамическим качеством, т.е. с отличной от нуля подъемной силой. Были рассмотрены различные типы траекторий: пролетные, планирующие, петлеобразные. Для некоторых из них получилась та форма, которая требовалась, чтобы совместить пологую и крутую траектории, теорию Коробейникова и теорию Бронштэна. Авторы пришли к выводу, что между скоростью входа тела в атмосферу и его плотностью в конце полета имеется сильная зависимость. Если считать, что Тунгусский метеорит входил в атмосферу со скоростью от 20 до 50 км/с, то, согласно новым расчетам московских газодинамиков, его скорость над тайгой должна была упасть до 9 - 22 км/с. Его размеры были порядка 100 метров, масса - от 40 тысяч тонн до 250 тысяч тонн, а плотность - от 0,02 до 0,05 г/см3 . Траектория такого рыхлого метеорита в конце его пути резко изгибалась к Земле - метеорит делал "клевок", сохраняя космическю скорость.
Рис.16. Разрушение ядра кометы при "взрывоподобном торможении" по теории Г.И. Петрова и В.П. Стулова. Лес валит отраженная от земли ударная волна.
В 1975 году в журнале "Космические исследования" была опубликована статья академика Г.И.Петрова и доктора физико-математических наук В.П.Стулова "Движение больших тел в атмосферах планет". Авторы расмотели проблему Тунгусского падения на основе точного решения нового уравнения потери массы большого метеорита. Как и в первой "кометной" теории К.П.Станюковича, рассматривался разогрев тела под действием излучения плазмы, находящейся за головной ударной волной. Однако выводы, сделанные учеными Института космических исследований Академии наук, существенно отличались от выводов их предшественников. Если до сих пор расчеты приводили к заключению, что ледяной, каменный или даже железный метеорит, безусловно, может полностью испариться, распылиться, рассеяться в воздухе, превратившись в пыль и молекулы, то теперь авторитетшейшие газодинамики пришли к выводу, что полное рассеяние в атмосфере большой кинетической энергии большого тела возможно лишь для тел очень малой плотности. В противном случае для тел с плотностью, большей, чем 0,01 г/см3 , неизбежно выпадение их остатков на поверхность планеты.
Появление мощной ударной волны Петров и Стулов объясняли "взрывоподобным торможением" тела в атмосфере. Уравнения баллистики, которые описывали этот процесс, говорили о том, что такое торможение происходит по тем же законам, что и удар твердого метеорита о поверхность Земли. Если для достаточно быстрого метеорита взрыв и образование кратера происходят при его столкновении с поверхностью планеты, то взрыв метеорита в воздухе возможен, лишь если плотность метеорита сравнима с плотностью воздуха! Это было совершенно новое объяснение Тунгусского феномена. На высоте 10 км плотность воздуха составляет 0,0004 г/см 3 , у поверхности Земли она равна 0,001 г/см 3 . Следовательно, чтобы взорваться от торможения о воздух, Тунгусский объект должен был иметь примерно такую же плотность. Во всяком случае, не более, чем 0,01г/см 3 .
Что же это за тело? В статье Петрова и Стулова ответ на этот вопрос дается не совсем обычный. Это не газовое облако - оно может существовать меньше минуты. Время существования облака космической пыли также невелико. Для "конструирования " облака из монолитных ледяных образований с суммарной плотностью порядка 10 -3 г/см 3 нужно, чтобы расстояние между отдельными кусками льда в десять раз превосходило их поперечник. Авторы представляли себе Тунгусское тело как "образование рыхлое, но связанное, типа снега".
Однако плотность комка свежевыпавшего снега равна 0,13 г/см 3 . В статье Ф.Зигеля "Миф о Тунгусской комете", опубликованной в 1979 году в журнале "Техника - молодежи", говорилось по этому поводу: "Возьмите такой комок на ладонь и дуньне на него - он тотчас же разлетится от вашего дуновения. А теперь подумайте: может ли такой же плотности, но больший (до 1 - 2 км в поперечнике) комок загрязненного снега (а таковы ядра комет!) пролететь с космической скоростью сотни километров в плотных слоях атмосферы и не разрушиться при этом? Положительный ответ исключен - ядра комет, как и продукты их распада - метеоры, должны полностью разрушаться атмосферой уже на высоте 80 - 100 км ".
В этой книге, мы, впрочем, уже встречались с телом, средняя плотность которого оценивалась как величина порядка 10 -3 г/см 3 . Это была плотность гипотетического "искусственного спутника" Марса, которая была нужна, чтобы он тормозился в верхних слоях марсианской атмосферы*. И.С.Шкловский считал, что устойчивое естественное тело стакой плотностью существоват не может, и видел единственный выход в допущении, что тело было полым.
Г.И.Петров, решая совершенно другую задачу о торможении космического тела, также пришел к необходимости "конструировании" тела с плотностью 10 -3 г/см 3. Однако, что было позволено для Марса, было запрещено для Тунгусского метеорита - как известно, любые гипотезы о его искусственной природе являлись "ненаучными".
Модель Петрова и Стулова критиковали со всех сторон. Приверженцы кометной гипотезы В. Бронштэн и В.Коваль видели ее недостаток в том, что она "придумана" специально для объяснения Тунгусского явления и совершенно не нужна ни кометной, ни метеоритной астрономии. При этом они упускали из вида, что модель "снежинки" была логическим следствием строгой физико-математической теории.
Однако расчеты Петрова и Стулова высоко оценил один из самых активных противников кометной гипотезы - Золотов. Он считал, что объективно ход расуждений и логика авторов новой теории подтверждают его выводы. В выступлении Золотова на заседании клуба журнала "Техника - молодежи", посвященного 75-летию Тунгусского феномена, была дана такая оценка ее:
"Очень интересны расчеты академика Г.И.Петрова. К ним, надо сказать, ни одна из соперничающих групп не отнеслась достаточно серьезно. А выводы из этих результатов получаются весьма и весьма интересные.
Оказалось, в часности, что тело, взрывающееся в воздухе из-за торможения, принципиально не может рассеяться полностью, если его плотность превышает одну сотую плотности воды. Его части должны выпасть на Землю. Если же оно рассеялось полностью, то есть, если его кинетическая энергия полностью перешла в тепловую, значит, плотность тела была значительно меньше одной сотой плотности воды. Но как показывают те же расчеты, такое тело рассеется не на высоте 5 - 10 км, как тунгусское, а значительно раньше, в верхних слоях атмосферы. А раз тело рассеялось полностью и поскольку взрыв произошел на малой высоте, значит, оно взорвалось не за счет кинетической энергии. И это совершенно однозначный вывод, который следует из имеющихся фактов".
Заканчивая статью "Движение больших тел в атмосферах планет" с изложением модели формирования ударной волны "рыхлым, но связанным " комом снега, Г.И.Петров и В.П.Стулов не удержались от категорического заключения:
"Изложенные соображения являются единственными, рационально объясняющими все особенности явления".
Эта цитата показывает, что ее авторы подходили к анализу Тунгусской проблемы исключительно с позиции аэродинамики, считая, что решить ее можно, сведя проблему к физической задаче. Однако, как ни важен вопрос о механизме формирования ударной волны Тунгуского блида, это далеко не единственная и даже не самая трудная задача, которая встала перед исследователями.
*см. Часть III. Тропа не зарастет. КСЭ. Загадка спутника Марса.