Как было установлено, взрыв Тунгусского космического тела в 1908 г. произошел за счет его внутренней энергии (см. главу 2). Рассмотрим возможность оценки концентрации энергии тунгусского взрыва по характеру микробарограмм. Независимая оценка концентрации энергии, так же как и оценка доли световой энергии, поможет определить характер тунгусского взрыва.
Известно, что каждый импульс (в том числе и импульс давления в воздухе) определенной формы во времени G(t) имеет вполне определенный частотный спектр S(ω). При этом длительность Δt основной части импульса и ширина основной части спектра Δω = 2πΔf связаны соотношением [137, 138]
Δf = Δω/2
~ 1/Δt (50)
За полную длительность импульса давления при взрыве принимается время с момента взрыва до восстановления первоначального невозмущенного состояния атмосферы в области взрыва. По форме импульса G(t) можно определить спектр S(ω) и, наоборот, по спектральной функции S(ω) можно определить форму импульса G(t).
Используем эти закономерности для определения формы импульса давления во время тунгусского взрыва по записи воздушных волн в различных обсерваториях мира.
Каждый тип взрыва имеет вполне определенную, только ему присущую форму импульса давления, а следовательно, н свой характерный спектр и характерную форму записи на микробарограмме, которая является как бы «почерком» каждого типа взрыва. Характерная запись каждого типа взрыва широко применяется в звукометрии [139]. По форме записи воздушных волн имеется возможность определить характер взрыва, в связи с чем для характеристики тунгусского взрыва важно исследовать спектральный состав воздушных волн этого взрыва.
Распространение взрывных волн в реальной атмосфере характеризуют две основные особенности:
1. Поглощение в атмосфере звуковых волн с высокой частотой происходит быстрее, чем с низкой частотой [140]; для звуковых волн атмосфера является фильтром нижних частот, поэтому на далекие расстояния в несколько тысяч километров распространяются и регистрируются на микробарограммах только низкие инфразвуковые волны от 0,1—0,12 гц и ниже с периодом колебаний от 8—12 до 300 сек и более [141].
2. Инфразвуковые волны распространяются в атмосфере с различной скоростью. Нижние слои атмосферы представляют собой волновод, при распространении в котором инфразвуковые волны имеют дисперсию. Наибольшей дисперсией обладают волны с периодом колебаний от 8—12 до 100 сек [141].
Рис. 43. Дисперсионная кривая групповой скорости воздушных волн [141]
Причем волны с периодом от 8—12 до 30 сек имеют нормальную дисперсию, т. е. при увеличении периода колебаний в этом интервале скорость волны уменьшается с 305 до 295 м/сек; волны с периодом от 30 до 100 сек и более имеют прямую дисперсию, т. е. при увеличении периода от 30 сек и выше скорость волн увеличивается с 295 до 330 м/сек (рис. 43) [141].
Рис. 44. Форма импульса давления, спектр и микробарограмма инфразвуковых волн для химического взрыва (а); для ядерного взрыва (б); G(t) – импульс; S(f) – спектр; A(t) – микробарограмма
Вследствие дисперсии инфразвуковых волн атмосфера является для них своеобразным спектрометром. Пройдя в атмосфере несколько тысяч километров, инфразвуковые волны различной частоты разделяются во времени — сначала на микробарограмме регистрируются длинные волны, затем — относительно короткие волны. Весь процесс записи воздушных волн крупного взрыва, происходящего в течение нескольких долей секунды, на расстоянии более 1000 км от эпицентра растягивается во времени и продолжается в течение нескольких десятков минут [141]. Кроме того, период колебания низкочастотной части спектра инфразвуковых волн зависит от мощности взрыва: с увеличением мощности период первого колебания, записанного на микробарограмме, увеличивается.
Рис. 45. Микробарограммы воздушных волн: химического взрыва (а) [142]; ядерного взрыва мощностью в несколько мегатонн, записанная на эпицентральном расстоянии 6330 км (б) [141]; тунгусского взрыва, записанная на расстоянии около 6000 км от эпицентра (в) [14]
Таким образом, микробарограмма, записанная на большом эпицентральном расстоянии, является своеобразной спектрограммой взрывной волны, по которой можно определить форму импульса давления в точке взрыва, а также мощность и характер самого взрыва.
Для определения характера тунгусского взрыва, независимо от его механизма и природы космического тела, нас прежде всего интересует вопрос о концентрации внутренней энергии, выделившейся при взрыве (количество энергии на единицу массы или объема космического тела).
Рис. 46. Запись воздушных волн взрыва вулкана Безымянный 30 марта 1956 г.
Рассмотрим, в чем заключается сущность различия двух типов взрывов с малой и большой концентрацией энергии с учетом спектров инфразвуковых волн от этих взрывов. Для определенности рассмотрим два типа взрыва: химический и ядерный, которые резко, на несколько порядков, различаются между собой по концентрации энергии соответственно 4,2∙1010 и 8,4∙1017 эрг/г. При взрыве с малой концентрацией энергии на единицу массы (тепловой эффект ВВ) участвует сравнительно большое количество вещества, поэтому в результате взрывчатого превращения образуется относительно большое количество газообразных продуктов взрыва. Так, при взрыве 10 млн. т тротила образуется газообразный шар диаметром около 2,5 км.
При таком огромном количестве газа следует считать, что равновесное состояние в области взрыва принимает не атмосферный воздух, а газообразные продукты взрыва. В процессе установления равновесия в этих условиях при наличии противодавления атмосферы происходят многократные колебания газового шара, при которых образуются несколько волн сжатия и разрежения [111]. Размеры газового шара определяют период его собственных колебаний. Коэффициент затухания этих колебаний определяется соотношением энергии первой ударной волны взрыва и вторичных колебаний газового шара — соответственно 75 и 25% энергии взрыва [111].
Рис. 47. Микробарограммы тунгусского взрыва, записанные в Англии на расстоянии около 6000 км от эпицентра [143]
Основные разрушения производит первая ударная волна, так как она несет около 75% энергии взрыва [111], поэтому при рассмотрении взрывных явлений обычно учитывают только первую ударную волну. Действительно, имея в виду разрушающее действие взрыва, колебания газового шара продуктов взрыва можно не учитывать, но для образования спектра взрывной волны вторичные колебания газового шара, несущие около 25% энергии взрыва, имеют существенное значение. Наличие даже нескольких колебаний приводит к образованию в спектре взрывной волны узкого интервала преобладающих частот. Поэтому необходимым следствием взрыва с относительно малой концентрацией энергии на единицу массы ВВ являются колебательный процесс газового шара продуктов взрыва и наличие в спектре воздушных волн взрыва узкого интервала преобладающих частот. Микробарограмма такого взрыва будет иметь вид затухающего колебания без существенного изменения периода колебаний (рис. 44, а и 45, а) [142].
Вследствие узкого интервала преобладающих частот Δf = 0,01 гц дисперсия инфразвуковых волн химического взрыва по скорости почти не сказывается (Δv ≈ 2—3 м/сек), поэтому длительность записи воздушных волн химического взрыва (или вообще взрыва с относительно малым тепловым эффектом) на микробарограмме практически не зависит от эпицентрального расстояния. Интересно отметить особенность крупного взрыва с малой концентрацией энергии, которая заключается в том, что при увеличении мощности такого взрыва весь участок спектра взрывных волн сдвигается в область низких частот с периодом более 150—200 сек. В этом участке спектра дисперсия инфразвуковых волн очень мала и практически не наблюдается. Инфразвуковые волны с периодом более 200 сек распространяются в атмосфере почти с одинаковой скоростью [141]. Поэтому форма записи воздушных волн мощного взрыва с малой концентрацией энергии также не зависит от эпицентрального расстояния. Например, длительность и форма записи инфразвуковых волн взрыва вулкана Безымянный в 1956 г. практически не меняются при изменении эпицентрального расстояния от 3560 до 42 250 км (рис. 46) [141].
При взрыве с большой концентрацией энергии в малом объеме (Q ≈ 1018 эрг/г) участвует относительно малое количество вещества, в связи с чем в результате взрывчатого превращения образуется малое количество продуктов взрыва, которым можно пренебречь при анализе процесса установления состояния равновесия атмосферы после взрыва. Взрыв с высокой концентрацией энергии в малом объеме, например ядерный, можно рассматривать как точечный. В таком случае атмосфера, выведенная из равновесия мощным импульсом взрыва, возвращается к своему первоначальному состоянию апериодически без вторичных колебаний [104, 111]. Поэтому необходимым следствием взрыва с большой концентрацией энергии является относительно короткий импульс давления и широкий спектр инфразвуковых частот.
Рис. 48. Изменение длительности записи воздушной волны тунгусского взрыва в зависимости от эпицентрального расстояния: а – Иркутск, R=979 км, С-Ю составляющая колебаний; б – Иркутск, В-З составляющая; в – Павловск, R=3739 км; г – Лондон, R=5736 км
Как показывают экспериментальные данные, воздушные волны ядерного взрыва при записи на больших эпицентральных расстояниях имеют спектр колебаний с периодом от 8—12 до 100 сек и более, т. е. как раз имеют спектр инфразвуковых волн, обладающих дисперсией [141]. Вследствие дисперсии скорости инфразвуковых волн в атмосфере микробарограмма ядерного взрыва, записанная на далеком эпицентральном расстоянии, будет иметь вид колебания с переменными амплитудой и периодом колебания (рис. 44, б). И действительно, микробарограммы ядерных взрывов имеют именно такую характеристику (рис. 45, б) [141]. Период колебания для микробарограммы, приведенной на рис. 45,6, меняется с 300 сек в начале записи до 8—12 сек в конце записи, т. е. более чем на порядок.
Отметим, что в отличие от химического взрыва при увеличении мощности ядерного взрыва сдвигается не весь спектр, а только одна низкочастотная граница спектра (с увеличением мощности взрыва период первой волны увеличивается до 300 сек и более), а верхняя граница спектра вследствие очень крутого переднего фронта и кратковременности импульса практически не изменяется (верхняя граница спектра с периодом колебаний 8—12 сек остается постоянной и определяется свойствами атмосферы как фильтра нижних частот). Поэтому воздушные волны ядерных взрывов различной мощности имеют общий участок спектра инфразвуковых волн с периодом от 8—12 до 50—60 сек, в связи с чем микробарограммы ядерных взрывов имеют однотипную характерную форму независимо от мощности с той лишь разницей, что с увеличением мощности взрыва увеличивается длительность записи и период первой волны [141].
Вследствие широкого интервала преобладающих частот Δf ≈ 0,1 гц при fmax / fmin>10 и дисперсии инфразвуковых воли в атмосфере изменение скорости инфразвуковых волн в зависимости от частоты для ядерного взрыва достигает нескольких десятков метров (Δv = 30—35 м/сек) [141]. Поэтому необходимой особенностью ядерного взрыва (или вообще точечного взрыва с относительно большим тепловым эффектом) является зависимость длительности записи воздушных волн взрыва на микробарограмме от эпицентрального расстояния.
Рассмотрим с этой точки зрения микробарограммы тунгусского взрыва, записанные в 1908 г. в различных обсерваториях мира [14, 18, 101, 143] (рис. 45, в, 47 и 48).
На микробарограмме тунгусского взрыва, записанной на одной из английских станций в 1908 г. [14] (она записана наиболее чувствительным микробарографом), период колебания инфразвуковых волн меняется от 600—700 до 8—12 сек, т. е. меняется почти на два порядка (рис. 45, в). При изменении эпицентрального расстояния от 970 (г. Иркутск) до 5750 км (г. Лондон) длительность записи воздушных волн тунгусского взрыва на микробарограммах меняется соответственно от 5—7 до 30—35 мин, т. е. в 5—6 раз. Это обстоятельство можно использовать для определения скорости инфразвуковых волн независимо от абсолютного времени моментов взрыва и записи микробарограмм (рис. 48).
Анализ микробарограмм различных типов взрывов показывает, что спектральные параметры химического и ядерного взрывов не менее чем на порядок отличаются между собою, что дает возможность уверенно различать типы взрывов по форме записи микробарограмм (табл. 10). Анализ микробарограмм тунгусского взрыва, записанных на больших расстояниях от места катастрофы, показывает, что при тунгусском взрыве имели место: широкий спектр инфразвуковых волн с интервалом частот порядка 0,001—0,1 гц (fmax/fmin >>10), дисперсия воздушных волн (Δv = 30—35 м/сек), зависимость длительности записи воздушных волн от эпицентрального расстояния и все другие свойства мощного точечного взрыва (табл. 10).
Из сказанного можно сделать вывод, что взрыв Тунгусского космического тела произошел по законам точечного взрыва и имел большую концентрацию энергии в малом объеме, что невозможно при химическом взрыве обычных ВВ. Концентрация энергии тунгусского взрыва сравнима с концентрацией энергии ядерного взрыва.
Зная концентрацию энергии (Q≈1018эрг/г) и общую энергию взрыва (4∙1023эрг), можно определить количество вещества, прореагировавшего при взрыве. На основании этих данных можно полагать, что при тунгусском взрыве прореагировало не более 400—500 кг вещества.
Таблица 10 Спектральная характеристика химического, ядерного и тунгусского взрывов 