Величина энергии светового излучения тунгусского взрыва является важным параметром, который поможет выяснить характер взрыва. По доле световой энергии от полной энергии взрыва имеется возможность определить первоначальную температуру области взрыва и тепловой эффект взрывчатого превращения, по которым в свою очередь можно определить тип и характер взрывчатого превращения — химический, ядерный и др.
Известно, что интенсивность светового излучения пропорциональна четвертой степени температуры тела: чем выше температура тела, тем больше его световое излучение. При взрыве первоначальная температура области взрыва зависит от концентрации энергии на грамм взрывчатого вещества (тепловой эффект взрывчатого превращения) — чем больше концентрация энергии, тем выше температура продуктов взрыва, тем больше интенсивность светового излучения взрыва, тем большая доля полной энергии, выделившейся при взрыве, расходуется на световое излучение. В конечном итоге доля световой энергии взрыва зависит от концентрации энергии на 1 г взрывчатого вещества, которая имеет определенное значение для каждого типа взрыва. Например, тепловой эффект химического взрыва обычных ВВ равен около 1010 эрг/г, температура области химического взрыва равна около 3000°С, а доля световой энергии от полной энергии взрыва с учетом светового излучения ударной волны составляет незначительную часть процента; концентрация энергии при атомном взрыве равна около 1018 эрг/г, первоначальная температура области взрыва равна нескольким десяткам миллионов градусов, а доля световой энергии от полной энергии взрыва составляет около 33% [106, 109, 120].
Величину энергии светового излучения взрыва можно определить, например, по размерам области светового ожога деревьев в районе катастрофы. Зона пожара в районе Тунгусской катастрофы имеет радиус до 20—25 км [38, 131]. При воздушном взрыве Тунгусского космического тела причиной пожара было световое излучение взрыва [64, 84, 87, 88]. В связи с этим возникает вопрос: каковы размеры зоны первичного светового ожога деревьев, совпадает ли зона первичного ожога с зоной пожара или значительно меньше ее? К.П. Флоренский считает, что радиус зоны первичного светового ожога 9—10 км [84, 87, 88], он отождествляет эту зону с зоной физиологического теплового ожога слоя камбия тонких веток толщиной 10—15 мм. Для такого теплового ожога веток (нагрев слоя камбия до 60—70°С) требуется световой импульс около 15 кал/см2 при взрыве мощностью 20 тыс. т тротила и 40— 45 кал/см2 при взрыве около 10 млн. т тротила.
При расчете по этим данным полной лучистой энергии, выделившейся при взрыве, следует учесть:
1) возможную экранировку отдельных участков леса, именно тех участков леса, на которых деревья сохранились растущими и пережили катастрофу, на сучках этих деревьев сейчас наблюдаются следы теплового ожога 1908 г. (в то время как другие участки леса оказались обожженными и засохшими);
2) возможность теплового ожога сучьев в зоне сжатия ударной волны взрыва. Такой ожог так же, как и световой, может быть ориентирован относительно точки взрыва.
Отождествляя зону теплового ожога сучьев растущих деревьев с зоной первичного светового ожога, К. П. Флоренский считает, что далее до 20—25 км пожар распространялся обычным путем от эпицентра к периферии. Однако такое распространение пожара нереально, так как в этом случае пожар из эпицентра должен распространяться концентрически во все стороны, что невозможно. При крупных воздушных взрывах создается мощный поток воздуха от периферии к эпицентру взрыва, вследствие чего возникшая огненная буря не распространяется к периферии и ограничивается первичной зоной возгорания от светового излучения взрыва. В дальнейшем после прекращения действия огненной бури, в последующие дни, пожар мог бы распространяться за пределы первичной зоны ожога, но тогда он должен был бы распространяться полосой вдоль преимущественного направления ветра, чего не наблюдается в действительности [131].
Рис. 41. Ориентация ожоговой травмы растущего дерева относительно направления распространения пожара: 1 – направление распространения пожара (направление ветра); 2 – ожоговая травма
В 1960—1962 гг. наряду с другими материалами наша экспедиция собирала фактический материал о направлении распространения пожара в районе катастрофы. Направление распространения пожара однозначно определяется по ориентации ожоговой травмы растущего дерева (рис. 41). Наблюдения показывают, что на всех направлениях (север, юг, восток и запад) ожоговые травмы деревьев, относящиеся к 1908 г., преимущественно ориентированы от периферии к эпицентру взрыва. В этом случае зона первичного светового ожога практически совпадает с зоной пожара с радиусом 20—25 км. Такой вывод согласуется с экспериментальными данными по крупным взрывам [120, 123]. Например, при атомном взрыве в г. Хиросиме «огненный шквал, сопровождаемый сильными ветрами со скоростью от 48 до 64 км/час, возник примерно через 20 мин после атомного взрыва. Сильные ветры в направлении района пожара наблюдались со всех направлений в течение 2—3 час; затем они уменьшились до слабых и средних, меняя свое направление, и продолжались еще в течение почти 6 час. Вследствие сильной тяги к центру непосредственно у земной поверхности огонь не распространился за границы того района, который был охвачен пожаром сразу после взрыва» [123].
В конечном итоге размеры зоны светового ожога в 10—15 или 20 км не меняют существа дела, так как в обоих случаях размеры зоны ожога сравнимы с размерами механических разрушений, а полная световая энергия, выделившаяся при взрыве, по порядку величины сравнима с общей энергией взрыва. В нашем случае световая энергия тунгусского взрыва определялась ло величине светового импульса на границе зоны светового ожога (табл. 9).
Таблица 9 Значения светового импульса, вызывающего воспламенение Различных материалов при различной мощности взрыва 
С увеличением мощности взрыва время свечения огненного шара увеличивается, интенсивность светового излучения (излучение в единицу времени) уменьшается, поэтому при большей мощности взрыва требуется большее значение полного светового импульса, необходимого для воспламенения одного и того же материала. В литературе приводятся значения светового импульса, при котором воспламеняются различные материалы. Эти значения получены в основном по экспериментальным данным атомного взрыва мощностью 20 тыс. т тротила (мощность стандартного взрыва). Значение светового импульса I2 для взрыва другой мощности q2 можно рассчитать по формуле [120].
I2 = I1 (q2/q1)1/6 (46)
где I1 — известное значение светового импульса, необходимое для нанесения той же степени поражения для взрыва известной мощности q1.
На границе зоны светового ожога можно считать, что пожар, по-видимому, возник от воспламенения сухой травы, веток, листьев или хвои деревьев, т. е. наиболее легко возгораемых материалов. Световой импульс, необходимый для их воспламенения при мощности взрыва около 10 млн. т тротила, равен 11—17 кал/см2 (табл. 9). Наиболее вероятной причиной лесного пожара при взрыве над массивом хвойного леса является воспламенение хвои, так как хвоя в этом случае принимает на себя основной поток светового излучения взрыва. Такой вывод подтверждают и показания очевидцев — Ивана и Акулины Петровых и Василия Охчен, которые находились во время катастрофы на расстоянии не менее 20 км от места взрыва (§ 1). Если при подходе ударной волны через минуту после взрыва деревья падали уже горящими (§ 1), то они загорались не сразу от лесной подстилки, а сверху от воспламенения хвои и тонких веток. Следовательно, для расчета величины световой энергии взрыва можно принять значение светового импульса около 17 кал/см2 (табл. 9).
При известном световом импульсе Iс с учетом поглощения света в атмосфере полная энергия светового излучения взрыва Ес будет равна:
Ec = Ic 4
R2 exp(μ(R - r)) (47)
где R — расстояние от точки взрыва; r — средний радиус светящейся области; μ — коэффициент поглощения света в атмосфере. Для сухого воздуха μ = 0,0112 км-1 [135]. Однако реальный воздух и его прозрачность существенно отличаются от сухого воздуха. Поэтому в расчете Ес внесена поправка для μ с учетом прозрачности реального воздуха. Так как 30 июня 1908 г. в районе Тунгусской катастрофы был ясный, солнечный и безоблачный день [38] и взрыв произошел на большой высоте (не менее 5 км), что благоприятствует распространению света, в расчете нижнего значения световой энергии взрыва была принята предельная дальность видимости для реального воздуха — около 120 км-1 [109]. При такой дальности видимости коэффициент поглощения света в воздухе будет равен: μ = 0,033 км-1 [109].
Таким образом, для расчета минимального значения световой энергии тунгусского взрыва имеем: Iс == 17 кал/см2 = 7,1∙108 эрг/см2, R = 21 км = 2,1∙106 см, r = 1,5 км, μ =0,033 км-1. Тогда, согласно формуле (47), величина световой энергии взрыва Еc = 0,75∙1023 эрг. Однако такое значение световой энергии несколько занижено, так как в приземном слое атмосферы коэффициент поглощения света μ значительно больше принятого выше значения (рис.42). Например, для очень чистого воздуха дальность видимости D = 40 км, коэффициент поглощения света μ = 0,1 км-1, а для чистого воздуха D=10 км, μ = 0,4 км-1. Для летнего солнечного утра (около 7 час утра по местному времени) в таежных условиях, по-видимому, реальной будет дальность видимости около 40 км, а соответствующий коэффициент ослабления света μ = 0,1 км-1. При этом значении μ величина световой энергии взрыва Ес = 2,75∙1023 эрг. Мы получили несколько завышенное значение световой энергии, которое составляет около 70% от полной энергии взрыва Еc 4∙1023 эрг. Однако следует учесть, что обычно в литературе приводятся значения дальности видимости и коэффициента поглощения света для приземного слоя воздуха, проверенные по экспериментальным данным атомных взрывов, которые были проведены на высоте до 1 км [109, 120].
Известно, что приземной слой воздуха толщиной около километра, для которого приводятся данные о дальности видимости, является наиболее запыленным, в связи с чем эти данные о дальности видимости и поглощения света нельзя применять для верхних чистых слоев воздуха, расположенных на высоте нескольких километров.
Для учета поглощения светового излучения высокого воздушного взрыва, по-видимому, более правильным будет слой воздуха от точки взрыва до земной поверхности разделить на два слоя: первый, более чистый слой от точки взрыва до высоты 1 км и второй, менее чистый приземной запыленный слой толщиной в 1 км. Для первого слоя коэффициент поглощения света μ1 = 0,033 км-1, а для второго слоя в зависимости от метеорологических условий коэффициент поглощения μ можно определить по графику (рис. 42). Для очень чистого воздуха D = 40 км, μ2 = 0, 1 км-1 (рис. 42).
При высоте взрыва h = 6 км и радиусе ожога R0 = 20 км при наклоне к земной поверхности αс = 17° световой луч пройдет расстояние R1=17,5 км в первом слое от точки взрыва до высоты 1 км и расстояние R2 = R— R1 = 3,5 км во втором приземном слое. Тогда световую энергию взрыва можно вычислить по формуле
Ec = Ic 4R2 exp(μ2(R - R1)+μ1(R1 - r)) (48)
Подставляя в формулу (48) найденные значения Iс, R, r, R1 μ1, и μ2, определяем величину световой энергии тунгусского взрыва (около 1∙1023 эрг). Рассмотрим другие фактические данные, характеризующие интенсивность светового излучения тунгусского взрыва. Очевидец взрыва в фактории Ванаваре С.Б. Семенов рассказывал, что в момент взрыва до прихода ударной волны стало так горячо, что ему показалось, будто на нем загорелась рубашка; он хотел ее разорвать и сбросить (§1). Другой очевидец из Ванавары П.П. Косолапов говорил, что ему так сильно обожгло уши, что он схватился за них и присел на землю, думая, что загорелась крыша [38]. Относительно этих показаний высказывается мнение, что по ним нельзя делать оценку энергии светового излучения взрыва, так как ошибка в оценке числового значения светового импульса по субъективным показаниям может измениться в пределах нескольких порядков величины [136]. Однако это мнение не подкреплено расчетами и не соответствует фактическим данным. Несмотря на субъективность, описанные показания можно перевести в числовые данные. Дело в том, что кожа человека является очень чувствительным индикатором к термическим воздействиям, к тому же интервал плюсовых термических воздействий, которые ощущает кожа человека, очень узок (от 36 до 100 °С), и действительно, при температуре воды T = 37—40 °С человек ощущает тепло, при T = 41—42° ощущается легкая боль, при Т = 70—80 °С ощущается резкая боль с покраснением кожи и при T = 90—100 °С наступает омертвление кожи. Вот и вся гамма ощущений, при которой температура воды меняется менее чем в три раза, т. е. остается в пределах одного порядка величины.
Приращение температуры ΔT освещаемой поверхности пропорционально величине светового импульса Iс:
ΔT ~ Ic
Поэтому узкому интервалу изменения температуры соответствует и узкий интервал изменения светового импульса, поражающего кожу человека. Известно, что ожог кожи первой степени возникает при световом импульсе в 2—4 кал/см2 [106], а при световом импульсе 10—15 кал/см2 (нижние пределы относятся к атомным взрывам малой мощности, верхние — к взрывам большой мощности) происходит омертвление и обугливание кожи. Таким образом, реакция кожи человека от покраснения и легкой боли до омертвления и обугливания происходит при изменении светового импульса всего в 4—5 раз, т. е. в пределах одного порядка величины.
Из показаний С.Б. Семенова и П.П. Косолапова следует, что ожог кожи человека световым излучением взрыва в фактории Ванаваре был близок к ожогу первой степени (сопровождается покраснением и легкой болезненностью). По литературным данным, слабая боль ощущается при воздействии на тело человека в течение одной секунды светового импульса в 0,3 кал/см2, что соответствует значению полного светового импульса взрыва около 0,6 кал/см2, так как более 90% излучения раскаленного облака крупного взрыва высвечивается в течение 2 сек [106]. Теперь рассмотрим, в каких пределах может изменяться значение светового импульса в Ванаваре, чтобы оно соответствовало показаниям очевидцев. Если увеличить величину импульса в 3 раза, то С.Б. Семенов и П.П. Косолапов должны были получить ожог первой степени, чего, по-видимому, не было. Поэтому верхний предел для светового импульса в Ванаваре равен 2 кал/см2. Если допустить, что величина светового импульса была в 2—3 раза меньше, то очевидцы не ощутили бы никакой боли. А если Семенов хотел разорвать и сбросить рубашку, думая, что она загорелась, то, по-видимому, во время действия светового облучения он ощутил какую-то боль.
Таким образом, возможные изменения значения светового импульса тунгусского взрыва в Ванаваре находятся в очень узком интервале в пределах одного порядка величины.
Термические ощущения очевидцев в Ванаваре можно перевести в числовые данные с точностью, вполне достаточной для оценки световой энергии взрыва по порядку величины. Если от кратковременного светового излучения взрыва ощущается боль, то световой импульс имеет вполне определенное пороговое значение (при более слабом импульсе боль ощущаться не будет), которое можно использовать для оценки нижнего значения световой энергии взрыва.
Очевидно, значение светового импульса от тунгусского взрыва в фактории Ванаваре на расстоянии около 65 км от эпицентра было не менее 0,6 кал/см2 и не более 2 кал/см2. Поскольку боль ощущалась, по-видимому, только непосредственно во время облучения и остаточной болезненности не отмечалось, то для расчета нижнего значения световой энергии взрыва примем нижнее значение светового импульса Iс = 0,6кал/см2 = 2,51∙107эрг/см2. При распространении до фактории Ванавара световой луч пройдет расстояние R1 — 54 км в первом слое воздуха от точки взрыва до высоты 1 км и расстояние R2 = R— R1 = 11 км во втором приземном слое.
Подставляя найденные числовые значения Iс = 2,51∙107 эрг/см2, R = 65 км = 6,5∙106 см, R1 = 54 км, r = 1,5 км, μ1= 0,033 км-1 и μ2 = 0,1 км-1 в формулу (48), для световой энергии взрыва получаем Eс = 2,1∙1023 эрг, что хорошо согласуется с первой оценкой, сделанной по размерам зоны светового ожога деревьев.
Рассмотрим третий пример. Очевидцы взрыва в с. Кежме на расстоянии около 220 км от эпицентра отмечают сильную световую вспышку во время взрыва и вызванные ею вторые тени в комнатах, окна которых были обращены на север:
«Многие в разных селениях отлично видели, что с прикосновением летевшего предмета к горизонту, в том месте, где впоследствии было замечено указываемое выше своеобразное облако, но гораздо ниже расположения последнего—на уровне лесных вершин как бы вспыхнуло огромное пламя, раздвоившее собою небо. Сияние было так сильно, что отражалось в комнатах, окна которых обращены к северу» [38, стр. 10].
Из этих показаний следует, что в с. Кежме освещенность от тунгусского взрыва была соизмерима с освещенностью дневного света. В 7 час утра в июне на широте 60° (время и место взрыва) интенсивность дневного света равна около 0,0015 кал/см2∙сек (интенсивность светового излучения взрыва должна составлять не менее 5 % от интенсивности дневного освещения, чтобы отблеск взрыва можно было заметить в комнате [101], т. е. интенсивность светового излучения должна быть не менее 0,000075 кал/см2∙сек). Тогда полный световой импульс взрыва на расстоянии около 200 км будет равен не менее 0,00015 кал/см2. Примем это значение светового импульса для оценки нижнего значения световой энергии взрыва.
При движении до с. Кежмы световой луч пройдет расстояние R1 = 167 км в первом слое воздуха от точки взрыва до высоты 1 км и расстояние R2 = 33 км во втором приземном слое. Согласно формуле (48), световая энергия взоывз Ес = 2∙1023 эрг.
Таким образом, значения световой энергии взрыва, полученные по всем трем независимым примерам, соответствующим фактическим данным и имеющим различный характер, вполне удовлетворительно согласуются между собой. Поэтому можно считать, что энергия светового излучения тунгусского взрыва по порядку величины равна (1—2)∙1023 эрг, что составляет долю в несколько десятков процентов от полной энергии взрыва. Отсюда следует интересный вывод: отношение световой энергии тунгусского взрыва к его полной энергии имеет тот же порядок, что и при ядерном взрыве, т. е. около 30 % [106, 109]. Такой высокий процент световой энергии взрыва говорит о том, что при тунгусском взрыве была огромная концентрация энергии в малом объеме, в результате чего произошла реакция с тепловым эффектом, сравнимым с тепловым эффектом ядерной реакции. Большая доля световой энергии и большая концентрация в малом объеме, сравнимая с концентрацией энергии при ядерном взрыве, говорят в пользу того, что первоначальная температура области тунгусского взрыва по порядку величины составляла не менее нескольких десятков миллионов градусов. Обычный химический взрыв таких параметров иметь не может.