Взрыв Тунгусского космического тела вызвал не только воздушные и сейсмические волны, но и возмущение магнитного поля Земли, которое было зарегистрировано в Иркутской обсерватории на расстоянии 970 км от места взрыва (рис. 49, 50) [61, 77]. Исследование геомагнитного возмущения, вызванного тунгусским взрывом, также имеет большое значение для выяснения механизма и характера взрыва космического тела.
В настоящее время опубликовано около 20 работ посвященных изучению геомагнитного эффекта тунгусского взрыва и связанных с ним явлений [61, 75—79, 81, 82, 86, 90, 96, 144, 145], в них тунгусское геомагнитное возмущение объясняется по-разному. Общей основой интерпретации геомагнитного эффекта во всех работах является кажущееся запаздывание 
ТМ = ТМ—Т0 = 2,3 мин [77] начала магнитного возмущения ТМ относительно момента взрыва Т0.
Рис. 49. Магнитограммы тунгусского взрыва 1908 г., записанные в Иркутской обсерватории [96]
Рассмотрим некоторые варианты объяснения причины тунгусского магнитного возмущения. В работе [75] магнитное возмущение объясняется прохождением Земли через хвост гипотетической кометы, а время запаздывания начала магнитного возмущения ТМ относительно момента столкновения головы гипотетической кометы с Землей принимается равным времени вхождения Земли в хвост кометы на величину своего диаметра. Согласно этому предположению, тунгусское магнитное возмущение должно быть глобальным и должно быть зарегистрировано на всех магнитных станциях мира, в то время как в действительности оно является локальным и зарегистрировано только в Иркутске [77]. Таким образом, объяснение геомагнитного эффекта в работе [75] противоречит фактическим данным [77, 78, 86].
Рис. 50. Изменение горизонтальной составляющей H тунгусского геомагнитного возмущения 1908 г., зарегистрированного в Иркутской обсерватории
По мнению автора работы [78], магнитное возмущение вызвано взрывом головной части гипотетической кометы, который сопровождался образованием плазмы. Предполагается [78], что после расширения плазмы до состояния равновесия с магнитным полем Земли произошло разделение зарядов, движущихся в разные стороны вдоль магнитных силовых линий, что и вызвало магнитное возмущение. Время запаздывания начала магнитного возмущения приравнивается ко времени расширения плазмы с момента взрыва до предполагаемого разделения зарядов. Не рассматривая детали этих во многом ошибочных представлений [78], (например, совершенно нереально, чтобы в пределах тропосферы плазма могла существовать и расширяться в течение 3,9 мин [78]), следует отметить, что при образовании плазмы в нижних плотных слоях атмосферы на высоте 6±1 км первичный поток заряженных частиц не выйдет за пределы нижних слоев атмосферы, он быстра полностью поглотится и не сможет обеспечить такое длительное магнитное возмущение (в течение нескольких часов), каким было тунгусское мозмущение [77].
Самая многочисленная группа авторов [61, 76, 77, 79, 81, 82, 86, 90, 96, 144, 145] предполагает, что магнитное возмущение можно объяснить действием ударной волны тунгусского взрыва при прохождении ее через ионосферу. В большинстве этих работ, посвященных обсуждению возможного механизма образования геомагнитного возмущения, вызванного тунгусским и ядерными взрывами, основная роль в образовании геомагнитного возмущения отводится действию ударной волны на ионосферу, а начало магнитного возмущения связывается с моментом прихода ударной волны до нижней границы ионосферы.
Однако третья группа исследователей также не имеет единого мнения на механизм образования тунгусского геомагнитного возмущения. Одни авторы считают, что при достижении слоя Е ионосферы ударная волна вызвала магнитогидродинамический эффект, обеспечивший резкое вступление геомагнитного возмущения. Затем, распространяясь по ионосфере, ударная волна вызвала динамо-эффект вследствие механического движения ионосферы за фронтом ударной волны [79]. Другие авторы полагают, что вслед за магнитогидродинамическим действием при достижении слоя Е ионосферы волна вызвала дополнительную термическую ионизацию, которая и является причиной дальнейшего изменения геомагнитного поля. Например, первая фаза (увеличение H-составляющей) магнитного возмущения тунгусского взрыва объясняется магнитогидродинамическим действием ударной волны при движении через ионосферу как плазму [77, 82]. Вторая фаза (уменьшение H-составляющей) магнитного возмущения объясняется дополнительной термической ионизацией слоя Е, которая образовалась в результате движения через ионосферу ударной волны [81, 82, 96].
Основанием для таких объяснений является кажущееся запаздывание начала магнитного возмущения ТМ, вызванного взрывом космического тела относительно момента этого взрыва Т0, а также предположение о том, что ударная волна тунгусского взрыва, который произошел на высоте не более 10 км, оставалась сильной и на высоте слоя Е ионосферы на расстоянии 70—80 км от места взрыва [81, 82, 96]. Рассмотрим эти предположения.
Предполагаемое запаздывание магнитного возмущения тунгусского взрыва ТМ = ТМ—Т0 = 2,3 мин [77] приравнивается ко времени движения ударной волны от точки взрыва до нижней границы ионосферы (h = 80 км) [61, 76, 77, 79, 81, 82, 86, 90, 96, 144]. Поскольку интерпретация геомагнитного эффекта и оценка параметров тунгусского взрыва основаны на явлении запаздывания геомагнитного возмущения, найдем ошибку в определении ТМ. В работе [77] и других за время запаздывания ТМ принимается разница во времени между началом магнитного возмущения ТМ = 0 час 19,5 мин, определенным по иркутской магнитограмме [77], и взрывом космического тела Т0 = 0 час 17,2 мин по гринвичскому времени, определенному по сейсмограмме [5]. Однако при этом не учитывается ошибка в определении моментов Т0 и ТМ.
Очевидно, что без учета этой ошибки не может быть и речи о количественной оценке ТМ и тем более о количественной оценке высоты и других параметров тунгусского взрыва по величине ТМ, как это сделано в работах [76, 86, 90]. Существование или отсутствие явления запаздывания начала магнитного возмущения имеет принципиальное значение для выяснения механизма образования магнитного эффекта тунгусского взрыва.
При определении момента тунгусского взрыва Т0 = 0 час 17,2 мин [77, 86, 96] обычно ссылаются на работу [5]. Однако в 1925 г., когда была опубликована работа, еще не были известны точные координаты эпицентра тунгусского взрыва.. При расчете момента взрыва Т0 [5] расстояние от эпицентра до Иркутска было принято равным 893 км. В действительности оно составляет 970 км (расстояние между точками с координатами 
э = 60°54', 
э=101°54', и = 52°16', и=104°19' [18]).
Кроме того, в работе [5] скорость сейсмических волн была принята равной 7,56 км/сек, между тем действительное ее значение 3—3,2 км/сек [18, 54]. В этом случае время движения сейсмической волны от эпицентра до Иркутска будет равно около 5 мин, а не 1 мин 58 сек [5]. В связи с этим ошибка в определении момента взрыва Т0 = 0 час 17,2 мин [5] сравнима со временем предполагаемого запаздывания начала магнитного возмущения ТМ. И действительно, в работе [18], по данным той же иркутской сейсмограммы, момент тунгусского взрыва имеет значение Т0=0 час 15,1 мин. Еще большую ошибку в вычислении ТМ вносит ошибка начала отсчета времени на сейсмограмме и магнитограмме. Эти ошибки в работах [77, 79, 86, 96] не учитывались.
Рис. 51. Распределение рассчетного момента тунгусского взрыва Т0, определенного по микробарограммам различных станций мира по данным работы (а) [18]; по уточненным данным (б)
Ошибки в определении момента взрыва Т0 и начала магнитного возмущения ТМ складываются из ошибки отсчета момента времени t1 по отметкам на диаграмме и ошибки начала отсчета времени t0 на диаграмме (магнитограмме, барограмме и сейсмограмме). Ошибка отсчета времени по отметкам на магнитограмме tм = ±0,2 мин [96], а ошибка отсчета времени по сибирским барограммам периода 1908 г. ?tб = ±6,6 мин [18]; еще большую величину имеет ошибка начала отсчета времени этих станций. По данным работы [18], в которой сделан детальный анализ данных всех сибирских и других станций мира за 30 июня 1908 г., ошибка начала отсчета времени доходит до 30 мин и более.
Средняя квадратичная ошибка определения момента взрыва Т0 по одной станции равна ±8,5 мин (рис. 51). По наиболее достоверным данным 13 сибирских станций средняя квадратичная ошибка определения момента взрыва Т0 по одной станции равна 7,5 мин [18]. Эта ошибка фактически представляет собой среднюю квадратичную ошибку начала отсчета времени метеорологических и других станций (в том числе и Иркутской станции) периода 1908 г. [18].
Таким образом, средняя квадратичная ошибка определения начала магнитного возмущения ТМ, по данным Иркутской станции, равна не менее ±7,5 мин. Средняя квадратичная ошибка определения среднего значения момента тунгусского взрыва ТМ = ТМ—Т0 относительно момента тунгусского взрыва составляет ±7,8 мин, что в несколько раз превышает время предполагаемого запаздывания магнитного возмущения ТМ = 2,3 мин [77]. При таком соотношении ошибки t измеряемой величины ТМ = ТМ—Т0, когда t >> ТМ, количественная оценка времени запаздывания начала магнитного эффекта ТМ не имеет фактической основы. Поэтому оценку параметров взрыва и ударной волны по величине ТМ делать нельзя.
В работе [18] при определении момента взрыва Т0 по микробарограммам, записанным в различных обсерваториях мира, было принято некоторое среднее значение скорости воздушных волн, равное 318 м/сек. Явление дисперсии инфразвуковых волн в атмосфере в этой работе не учитывалось. Однако инфразвуковые волны при распространении на большие расстояния в нижних слоях атмосферы, как в волноводе, имеют дисперсию и двигаются с различной скоростью в зависимости от частоты [141]. Например, инфразвуковые волны с периодом колебаний 10—12 мин имеют скорость около 330 м/сек, а волны с периодом около 30 сек имеют скорость около 295 м/сек (рис. 43) [141]. Период первого колебания на записи инфразвуковых волн тунгусского взрыва равен 10—12 мин [14, 38], следовательно, скорость инфразвуковой волны, создающей момент вступления волны на микробарограмме, по которому определяется момент взрыва Т0, равна 330 м/сек.
Среднее значение момента взрыва по уточненным данным {рис. 51,6) Т0 —19,3 мин, вычисленного с учетом более точного значения скорости инфразвуковых волн v = 330 м/сек, практически совпадает с моментом начала магнитного возмущения, вызванного тунгусским взрывом, ТМ =19,5 мин [77]. Строго говоря, по данным рис. 51,б нельзя сделать определенный вывод: было или нет запаздывание магнитного возмущения, так как средняя квадратичная ошибка измерения начала магнитного возмущения по одной станции равна не менее 7,5 мин. Рис.51 наглядно показывает, что по магнитным, сейсмическим и метеорологическим данным сибирских станций 1908 г. последовательность во времени тунгусского взрыва и начала магнитного возмущения не имеет однозначной интерпретации. С равной вероятностью можно предположить, что начало магнитного возмущения ТМ могло быть до и после или одновременно с моментом взрыва Т0. Следовательно, запаздывание магнитного возмущения, вызванного тунгусским взрывом, не является фактом.
При анализе тунгусского магнитного эффекта с равной вероятностью можно предположить, что между началом магнитного возмущения и моментом взрыва запаздывания практически не существует. Это обстоятельство существенно расширяет возможности исследования причин и механизма магнитного эффекта тунгусского взрыва. Например, при отсутствии задержки магнитного возмущения относительно момента тунгусского взрыва можно предположить несколько новых вариантов объяснения причины магнитного возмущения:
1. Тунгусское магнитное возмущение могло возникнуть непосредственно при полете космического тела через ионосферу, тогда магнитное возмущение могло начаться до взрыва тела.
2. Магнитное возмущение могло возникнуть вследствие потока заряженных частиц, образовавшихся после взрыва. В этом случае задержка начала магнитного возмущения относительно момента взрыва может практически отсутствовать.
Могут быть и другие варианты объяснения магнитного эффекта тунгусского взрыва, не связанные с наличием задержки начала магнитного возмущения и с действием ударной волны взрыва.
Как уже отмечалось, интерпретация тунгусского геомагнитного возмущения в предыдущих работах была основана на предположении о наличии задержки геомагнитного возмущения относительно момента взрыва. Более того, в работе [82] кажущееся явление запаздывания магнитного возмущения перенесено и на интерпретацию магнитных эффектов ядерных взрывов. С этой точки зрения в работах [77, 79, 82, 144] образование магнитного эффекта как тунгусского, так и ядерных взрывов в основном объясняется действием ударной волны на ионосферу. Однако большая ошибка определения величины задержки ТМ (рис. 51) вызывает вполне обоснованное сомнение в существовании связи начала магнитного возмущения с действием ударной волны на ионосферу, в связи с чем возникает сомнение в большой роли ударной волны в образовании магнитного возмущения, вызванного крупным взрывом в нижних слоях атмосферы. Поэтому рассмотрим возможные действия ударной волны на ионосферу при взрывах в нижних слоях атмосферы.
В работах [81, 82, 96] рассчитано, что магнитный эффект тунгусского взрыва по своей амплитуде и длительности мог бы быть обеспечен дополнительной термической ионизацией ионосферы при прохождении через нее ударной волны, если температура на фронте ударной волны будет равна 6000—7000 °С. Но такая высокая температура ударной волны на расстоянии 70—80 км от места взрыва нереальна. Из экспериментальных данных по крупным взрывам в нижних слоях атмосферы известно, что при воздушном взрыве мощностью около 10 млн. т тротила радиус шара с температурой на поверхности около 6000—10000°С равен всего 1,5—2 км [109]. Ошибка в работах [81, 82, 96] заключается в том, что при расчете давления и температуры на фронте волны на далеких расстояниях (70—80 км) были использованы формулы для сильного взрыва и справедливые только на малых расстояниях [104, 112]. Поэтому температура ударной волны тунгусского взрыва при прохождении через ионосферу в этих работах сильно завышена, что признает и сам автор [96].
В работе [96] справедливо отмечается трудность расчета амплитуды ударной волны на далеких расстояниях от взрыва в атмосфере с переменной плотностью. Однако эту задачу с достаточным приближением можно решить в несколько другой постановке. Известно, что заметная ионизация зоны сжатия ударной волны наблюдается при температуре выше 6000°С [146]. Тогда задачу можно сформулировать следующим образом: при известной мощности взрыва нужно найти расстояние от точки взрыва, на котором температура на фронте ударной волны будет равна 6000°С. Это и будет искомое расстояние, на котором ударная волна может вызвать заметную дополнительную термическую ионизацию в ионосфере, а следовательно, и заметное магнитное возмущение. Если, например, радиус ударной волны с температурой на фронте 6000°С равен 10 км, то ударная волна такого взрыва, произведенного на высоте не более 70 км, т. е. на расстоянии около 10 км от нижнего края ионосферы, не вызовет заметной дополнительной термической ионизации ионосферы, а следовательно, не вызовет и магнитного возмущения, обусловленного этой причиной.
Для определенности предположим, что взрыв Тунгусского космического тела произошел на высоте 10 км и имел мощность 4 1023 эрг [64, 105]. Рассчитаем, при каком расстоянии от точки взрыва температура на фронте ударной волны будет равна 6000°С. Такой расчет относится к задаче о сильном взрыве, которая с достаточной степенью приближения решена как для взрыва в однородной газовой среде, так и в атмосфере с переменной плотностью по высоте [104].
Основные параметры сильной ударной волны сферического взрыва в однородном газе на близких расстояниях определяются следующей формулой [104]:
0 < R2 
2, (51)
где P1 и Р2 — давление соответственно в невозмущенной среде и на фронте ударной волны, остальные обозначения те же, что и в формулах (5) — (8).
Для определения температуры Т2 на фронте сильной ударной волны дополнительно используются соотношения [104]:
(52)
(53)
где R — газовая постоянная; 
1 и 2 — плотность соответственно невозмущенной среды и на фронте ударной волны.
На высоте 10 км P1 = 2692 кг/м2, 1 = 0,042 кг сек2/м4, Т1 = 223 °С [147], тогда T2/Т1 = 6000/223 
27. Согласно уравнениям (51) — (53), это отношение температур выполняется при R2 = 0,1. Используя определение динамической длины r0 и безразмерного параметра R2, по формулам (7) и (8) находим радиус ударной волны:
(54)
Подставляя значения R2, Eo и Р1 в равенство (54), имеем r2 1150 м. Но это значение радиуса ударной волны с температурой T2 = 6000°С вычислено для однородной среды. Изменение плотности атмосферы по высоте для сильной ударной волны можно учесть по формулам [104]:
(55)
(56)
где Р2
и Р20 — давление на фронте ударной волны соответственно для газа с переменной и постоянной начальной плотностью; 2 и 20 — плотность на фронте ударной волны соответственно для газа с переменной и постоянной начальной плотностью; — безразмерная переменная; 
— постоянный множитель; r20 — радиус ударной волны в однородной среде; 
— постоянное число, характеризующее изменение плотности газа от расстояния от точки взрыва; ? — угол между вертикалью и радиусом r.
При выводе формул (55) и (56) было принято, что начальная плотность газа распределена по закону [104]
(57)
где Z — вертикальная координата; 1 —плотность газа на высоте Z; 0 — плотность газа в точке взрыва.
Для барометрического закона изменения плотности атмосферы с высотой имеем:
= 1, = 1/Z0 (58)
где Z0 = 8000 м — эквивалентная толщина атмосферы.
Вообще говоря, в формулах (55) и (56) давление Р20 и плотность 20 соответствуют автомодельному решению в однородном газе. Но при R2 0,2 автомодельное решение и решение по формуле (51) совпадают [104], поэтому в формулах (55) и (56) давление Р20 будет равно давлению Р2, вычисленному по формуле (51): Р20 = Р2 то же самое справедливо и для плотности 20 = 2.
При распространении ударной волны вертикально вверх cos 
= 1, тогда, подставляя найденные значения , r20 = r2 и k = 0,144 в формулы (55) и (56), получаем
P2/P2 =0,95; 2/2 = 0,856 (59)
Учитывая эти поправки в формулах (51) — (53), получаем R2 = 0,105, r2 =1200 м. Как и следовало ожидать, поправка за счет изменения плотности атмосферы на расстоянии 1,1 км от места взрыва получилась незначительной. Она составляет около 10% относительно параметров ударной волны взрыва и однородной атмосфере.
Таким образом, температура на фронте ударной волны воздушного взрыва мощностью около 10 млн. т тротила на высоте 10 км может быть равной 6000°С на расстоянии от места взрыва 1,2—1,5 км, что соответствует экспериментальным данным по крупным взрывам [109].
Очевидно, что при движении через ионосферу на расстоянии 70—80 км от точки взрыва о температуре ударной волны 6000°С не может быть и речи — температура ударной волны не менее чем на порядок будет меньше этой величины, т. е. не будет превышать нескольких сотен градусов.
Приближенную оценку параметров ударной волны на высоте 80 км можно сделать следующим образом. Слой атмосферы от высоты взрыва H0=10 км до ионосферы Hi = 80 км примем за однородную среду со средним значением давления в этом слое Р1 = 0,0244 кг/см2 = 244 кг/м2. Среднее значение давления в интервале высот от 10 до 80 км вычислялось по данным работы [148]. В этом случае на расстоянии 70 км от точки взрыва основные параметры ударной волны определяются формулой (5). Для расчета температуры Т2 на фронте слабой ударной волны на больших расстояниях дополнительно используются соотношения [104]:
(60)
(61)
где a1—скорость звука в невозмущенной среде; с — скорость ударной волны.
По известным Е0 и вычисляем динамическую длину м. По известной динамической длине r0 и известному расстоянию r2 = 70 км рассчитываем безразмерный параметр R2 = r2/r0 = 2,72. При известном R2 по формулам (5), (52), (60) и (61) определяем отношение T2/T1 = 1,03. При температуре газа T1 на высоте слоя Е, равной 200°К, температура ударной волны T2 = 206 °С. При такой температуре ударной волны, по-видимому, нельзя говорить о сколько-нибудь заметной дополнительной термической ионизации ионосферы.
Для большей убедительности рассчитаем максимальные параметры ударной волны на высоте нижней границы слоя Е ионосферы при взрыве на высоте 10 км. По определению (формула (8)) динамическая длина взрыва r0 увеличивается при уменьшении давления газовой среды, в которой произведен взрыв. Тогда при прочих равных условиях (постоянная мощность взрыва Е0 и др.) относительная интенсивность ударной волны P2/P1 на одном и том же расстоянии от точки взрыва r2 будет увеличиваться при уменьшении давления однородной газовой среды P1 (формулы (51), (52), (7) и (8)). Отсюда следует, что максимально возможное значение относительной интенсивности ударной волны при подходе к нижней границе слоя Е ионосферы на расстоянии 70 км от точки взрыва будет получено, если при расчетах параметров ударной волны принять наименьшее значение давления среды P1 на участке движения волны от точки взрыва (H0 = 10 км) до нижнего края ионосферы (hi = 80 км), которое равно атмосферному давлению на высоте hi = 80 км (табл. 11).
Таблица 11 Параметры ударной волны на высоте 80 км при взрыве мощностью Е = 4 1023 эрг, произведенном на высоте 10 км, r2 = 70000 м, Т1 = 200 0К
Примечание. Строки 1, 2 и 3 характеризуют соответственно минимальные, средние и максимальные значения параметров ударной волны.
Табл. 11 показывает, что максимально возможное значение температуры ударной волны такого взрыва при движении через Е слой ионосферы равно 760°К.
Степень термической ионизации атмосферы можно рассчитать по формуле Саха [149]:
2/(1-2) = 2,4 10-4 T2,52 exp(-11600vi /T2) (62)
где =пе/п — степень ионизации; пе — концентрация ионов; п — концентрация нейтральных частиц; Р1 — давление в мм рт. ст.; vi — потенциал ионизации газа в в; Т2 — температура газа (для слоя Е ионосферы n1013 частиц/см3, Р1 = 4,5 10-4 мм рт. ст., vi 14 в [81]). Согласно формуле (62), дополнительная термическая ионизация слоя Е при температуре 760 °К будет ничтожно мала — 2 10-31 э/см3, что на 36 порядков слабее средней ионизации слоя Е в полдень, равной 1,5 105 э/см3 [149, 150], и на 40 (!) порядков слабее ионизации, рассчитанной для температуры 6000 °К, которая необходима, согласно [81], для обеспечения тунгусского геомагнитного возмущения. Такая ничтожно малая дополнительная ионизация не может вызвать сколько-нибудь заметного геомагнитного возмущения.
Рассмотрим задачу о термической ионизации ионосферы ударной волной тунгусского взрыва в несколько другой постановке. Определим размеры области, в которой произойдет заметная ионизация атмосферы ударной волной взрыва, и размеры области, за пределами которой термической ионизацией атмосферы ударной волной можно заведомо пренебречь. Тогда станет ясно, в какой из этих областей будет расположена ионосфера относительно точки тунгусского взрыва.
Как уже было сказано, заметная ионизация воздуха в зоне сжатия ударной волны начинается при температуре на фронте волны более 6000°К. За искомый радиус области с заметной ионизацией атмосферы можно принять радиус ударной волны, температура на фронте которой равна 6000°К. В работах [81, 82, 96] рассчитано, что по длительности тунгусское магнитное возмущение может быть обеспечено дополнительной ионизацией с плотностью 109—1010 э/см3, что на 4—5 порядков превышает среднюю концентрацию электронов в E-слое в полдень, равную 1,5 105 э/см3. Такая ионизация образуется при температуре ударной волны 6000—7000°К.
Теперь определим температуру, при которой дополнительная ионизация будет на 9—10 порядков меньше расчетной для T=6000°К или на 5—6 порядков ниже нормальной ионизации слоя Е, с тем расчетом, чтобы дополнительной термической ионизацией можно было заведомо пренебречь по сравнению с нормальной ионизацией слоя Е. Согласно формуле (62), этому условию удовлетворяет температура около 2000°К, при которой дополнительная концентрация ионов в слое Е равна 0,25 э/см3, что почти на 6 порядков меньше нормальной концентрации электронов в слое Е в дневное время. Поэтому радиус ударной волны с температурой на фронте 2000°К можно принять за размеры искомой области, за пределами которой дополнительной термической ионизацией можно пренебречь.
Таким образом, радиусы искомых областей с заметной и пренебрежимо малой дополнительной термической ионизацией атмосферы ударной волной взрыва равны радиусам ударной волны с температурой на фронте соответственно 6000 и 2000°К. Расчет радиуса ударной волны с такой высокой температурой относится к задаче о сильном взрыве, которая достаточно хорошо изучена и описана в литературе [104].
Как показывает табл. 12, на расстоянии более 2 км от точки взрыва термической ионизацией атмосферы, вызванной ударной волной тунгусского взрыва, можно пренебречь (в действительности на высоте 10 км размеры этой области еще меньше). Отсюда следует, что ионосфера, расположенная на расстоянии 70 км от точки взрыва, находится далеко за пределами области заметной ионизации. Поэтому ударная волна тунгусского взрыва, который произошел на высоте не более 10 км, не могла вызвать заметную термическую ионизацию ионосферы, а следовательно, и заметное геомагнитное возмущение, обусловленное термической ионизацией ионосферы.
Таблица 12 Радиус ударной волны с температурой на фронте 6000 и 2000 0К для взрыва мощностью в 4 1023 эрг, проведенного на высоте 10 км, Т1=223 0К, Р1=2694 кг/м2, Е0=4,1015 кгм
Примечание: - радиус ударной волны по направлению вверх от точки взрыва с учетом переменной плотности атмосферы, остальные обозначения соответствуют формулам (5)—(8).
В связи с проведенным анализом возникает обоснованное предположение о том, что даже при высотных ядерных взрывах на высоте 30—70 км ударная волна не имеет существенного значения в образовании магнитного эффекта этих взрывов.
По изложенной выше методике определим радиус ударной волны r2, на фронте которой при взрыве мощностью Е = 4 1023 эрг = 4,08 1015 кгм на высоте 70 км (в непосредственной близости от ионосферы) температура Т2 = 6000оС. По известным значениям Ео и Р1 = 0,64 кг/м2 определим динамическую длину r0=186 103 м. Температура Т1 на высоте 70 км равна около 200°С, тогда отношение Т2/Т1 = 30. По формулам (51) — (53) этому отношению соответствует значение R2 = 0,095, тогда радиус ударной волны с температурой Т2 = 6000°С равен r2 = R2r0=17,7 км, а с учетом переменной плотности атмосферы r2 по направлению вверх будет равен около 20 км. Для взрыва на высоте 70 км мощностью в несколько миллионов т тротила (Е0 ? 1023 эрг) радиус ударной волны с температурой на фронте Т2 = 6000°К будет равен 11 км, что вполне соответствует экспериментальным данным по крупным высотным взрывам [151].
Для образования заметной дополнительной ионизации в ионосфере сильная ударная волна, по-видимому, должна пройти в слой ионосферы на глубину 10—15 км и более. Тогда ударная волна может вызвать заметную дополнительную ионизацию ионосферы только при взрыве в непосредственной близости на границе или внутри самой ионосферы. Отсюда можно сделать вывод, что ударная волна взрыва мощностью до 10 млн. т тротила не может вызвать заметную дополнительную термическую ионизацию ионосферы не только при низких воздушных взрывах, но даже и при высотных взрывах на высоте до 70—75 км.
Таким образом, анализ возможности образования геомагнитного возмущения, вызванного ударной волной за счет до полнительной термической ионизации ионосферы, привел к отрицательному выводу.
Рассмотрим возможность образования геомагнитного возмущения за счет гидромагнитного действия ударной волны на ионосферу. Амплитуда магнитогидродинамической волны зависит от интенсивности ударной волны. Поэтому необходимо выяснить зависимость амплитуды геомагнитного возмущения от интенсивности ударной волны при ее движении через ионосферу.
Проанализируем магнитограммы нескольких взрывов примерно одинаковой мощности, но проведенных на различной высоте. Известно, что геомагнитный эффект, вызванный крупным воздушным взрывом, зависит от высоты взрыва – с уменьшением высоты геомагнитный эффект уменьшается [152]. Анализ магнитограмм (рис. 52) показывает, что при изменении высоты взрыва от 75 до 18 км геомагнитный эффект ослабляется незначительно — всего в несколько раз, эффект остается в пределах одного порядка величины. Но при уменьшении высоты взрыва от 18 и до 0 геомагнитный эффект резко падает до нуля. По данным работы [155], геомагнитный эффект наземного ядерного взрыва не отмечается совсем. Отсюда следует, что при наземном взрыве основное ослабление геомагнитного эффекта, вызванного взрывом, происходит в нижних плотных слоях тропосферы.
Рис. 52. Магнитограммы ядерных взрывов, записанных на ст. Джарвис: а – взрыв над островом Джонстон 1.VIII.1958 г., h75 км, Rэ=2380 км [152]; б – взрыв над островом Джонстон 12.VIII.1958 г., h42 км, Rэ=2380 км [153]; в – взрыв над островом Рождества 28.IV.1958 г., h?18 км, Rэ=380 км [154]; t0 – момент взрыва Такое явление можно объяснить тем, что при уменьшении высоты взрыва существенное значение в ослаблении геомагнитного эффекта имеет не расстояние от точки взрыва до ионосферы, а «оптическая» толщина атмосферы. Известно, что половина массы атмосферы сосредоточена в приземном слое толщиной около 5 км. Поэтому при уменьшении высоты взрыва от ионосферы до Земли вначале (от 75 км до 15-20 км) в разреженной атмосфере происходит сравнительно медленное ослабление геомагнитного эффекта в основном за счет геометрического фактора — увеличения расстояния. На пример, геомагнитный эффект двух взрывов примерно одинаковой мощности над островом Джонстон на высоте 75 и 42 км отличается всего в 1,5—2 раза (рис. 52). При дальнейшем уменьшении высоты взрыва от 15—20 км до Земли плотность атмосферы существенно увеличивается, в связи с чем на этом участке, несмотря на незначительное относительное изменение расстояния от точки взрыва до ионосферы, т. е. при слабом влиянии геометрического фактора, геомагнитный эффект резко ослабляется. По-видимому, такой же характер ослабления при изменении высоты должна иметь и та сила, которая вызывает возмущение геомагнитного поля. Поэтому сила, возмущающая геомагнитное поле, должна удовлетворять условию: при изменении высоты взрыва от ионосферы до поверхности Земли ослабление возмущающей силы должно иметь следующий вид:
1. На участке от 75 до 15—20 км — плавное уменьшение в основном за счет геометрического фактора — увеличения расстояния от точки взрыва до ионосферы.
2. На участке от 15—20 км до поверхности Земли — резкое уменьшение преимущественно за счет увеличения плотности нижних слоев атмосферы.
Рассмотрим, какая возможная причина возмущения геомагнитного поля удовлетворяет этому условию. Высказываются предположения о том, что возмущение геомагнитного поля после взрыва может вызвать ударная волна или ионизирующее излучение [79, 82, 152—155]. Отметим, что речь идет об основной фазе геомагнитного эффекта связанной с возмущением состояния ионосферы после взрыва ударной волной или ионизирующим излучением. Начальная относительно кратко временная стадия геомагнитного возмущения, вызванная расширением плазмы после взрыва и не связанная с ионосферой, здесь не рассматривается.
Рис. 53. Ослабление интенсивности ударной волны (1) и относительной интенсивности гамма-излучения (2 и 3) на уровне нижнего края слоя Е ионосферы в зависимости от высоты ядерного взрыва;
2 - Е? = 2 Мэв; 3 - 5 Мэв
Рассчитаем зависимость интенсивности ударной волны (кривая 1, рис. 53) и относительной интенсивности гамма-излучения (кривые 2 и 3, рис. 53) на уровне нижнего края слоя Е ионосферы (hi = 80 км) от высоты взрыва мощностью E=1023 эрг. Кривая 1 рассчитана по формулам (5) — (8) и (51). Для учета изменения атмосферного давления с высотой при расчете интенсивности ударной волны для каждого значения высоты взрыва по данным [147, 148] вычислялось среднее значение давления в слое атмосферы от точки взрыва до ионосферы. Кривые 2 и 3 на рис. 53 рассчитаны для гамма-излучения с энергией соответственно 2 и 5 Мэв [156]. Для определенности при расчете источник гамма-излучения был принят как точечный. Тогда относительная интенсивность гамма-излучения на расстоянии r от источника определяется следующей формулой:
Iv/I0 = e-
r/r2 = exp(-s/v)/r2 , (63)
где I0 и Iv - интенсивность гамма-излучения соответственно на расстоянии 1 и r м от источника; и /v - соответственно линейный и массовый коэффициенты поглощения гамма-лучей в воздухе, для E
- 2 Мэв /v = 0,004 м2/кг, для E = 5 Мэв /v = 0,0027 м2/кг [156]; v - объемная плотность воздуха; s - поверхностная плотность слоя атмосферы от точки взрыва до ионосферы в кг/м2; r - расстояние от точки взрыва до ионосферы в м. Поверхностная плотность s вычислялась по данным работ [147, 148].
Кривая 1 на рис. 53 наглядно показывает, что ударная волна как возможная причина возмущения геомагнитного поля не удовлетворяет основному необходимому условию, сформулированному выше, - она имеет плавный ход во всем интервале изменения высоты взрыва без резкого ослабления (без точки перегиба) в пределах тропосферы. Действительно, если ядерный взрыв на высоте 18 км вызывает заметное геомагнитное возмущение [154], то, согласно кривой 1, взрыв на поверхности Земли также должен вызвать вполне обнаружимое геомагнитное возмущение, так как ударная волна при этом по сравнению со взрывом на высоте 18 км будет слабее всего в 4 раза. И, наоборот, если ядерный взрыв на поверхности Земли не вызывает геомагнитного возмущения [155], то взрыв на высоте 18 км также не должен вызвать заметного геомагнитного возмущения, что противоречит экспериментальным данным [154]. Заметное увеличение интенсивности ударной волны при прохождении через ионосферу наблюдается только при высоте более 60 км (рис. 53, кривая 1). Таким образом, резкое ослабление геомагнитного поля при взрыве в тропосфере и отсутствие геомагнитного возмущения при наземном ядерном взрыве нельзя объяснить действием ударной волны.
Ионизирующее излучение, например гамма-лучи, как возможная причина возмущения геомагнитного поля после ядерного взрыва полностью удовлетворяет основному необходимому условию - ослабление интенсивности гамма-лучей в атмосфере (по вертикали) имеет такой же характер, как и ослабление геомагнитного возмущения при уменьшении высоты взрыва (рис. 53, кривые 2 и 3). Так, на первом участке, от 75 до 20 км, при распространении в разреженной атмосфере ослабление потока гамма-лучей происходит плавно в основном за счет геометрического фактора - увеличения расстояния от источника до ионосферы, а на втором участке, от 20 км до Земли, происходит резкое ослабление потока гамма-лучей на относительно небольшом расстоянии, в основном за счет поглощения в плотных слоях атмосферы. При взрыве на поверхности Земли поток гамма-лучей и других видов излучений практически полностью поглотится в пределах тропосферы, не достигнув ионосферы. Поэтому дополнительная ионизация ионосферы не произойдет, в связи с чем не произойдет и геомагнитное возмущение.
Таким образом, наиболее вероятной причиной образования основной фазы геомагнитного эффекта ядерного взрыва является не ударная волна, как предполагается в работах [79, 82], а гамма-излучение и другие виды ионизирующих излучений, образующихся в результате этого взрыва, так как характер поглощения ионизирующих излучений в реальной атмосфере полностью объясняет все особенности ослабления геомагнитного возмущения при уменьшении высоты взрыва и, что особенно важно, объясняет факт отсутствия геомагнитного эффекта наземных ядерных взрывов. Проведенный анализ зависимости геомагнитного эффекта от интенсивности ударной волны показал, что гидромагнитный эффект ударной волны на ионосферу не может объяснить наблюдаемое геомагнитное возмущение, вызванное ядерными взрывами. Экспериментальный материал по ядерным взрывам подтверждает этот вывод.
При анализе магнитограмм ядерных взрывов, по-видимому, можно исходить из следующего условия: если при движении через ионосферу ударная волна вызывает заметный гидродинамический эффект, то две ударные волны одинаковой интенсивности независимо от происхождения при прочих равных условиях должны создать одинаковое по амплитуде геомагнитное возмущение.
Таблица 13 Параметры ударной волны на высоте нижнего края ионосферы (hi = 80 км) при различной высоте взрыва мощностью 1023 эрг
Сравнение экспериментальных данных для 4 взрывов мощностью около 1023 эрг, проведенных на высоте 75, 42, 18 км и на поверхности Земли [82, 152-155], и параметров ударной волны на высоте слоя Е ионосферы, рассчитанных для этих взрывов (табл. 13), позволяет сделать следующие заключения:
1. При огромной (почти на 3 порядка) разнице относительных интенсивностей Р2/Р1 ударных волн первых двух взрывов (над островом Джонстон) амплитуды геомагнитного возмущения от этих взрывов лишь в 1,5—2 раза [82] различаются между собой.
2. И наоборот, при незначительной разнице интенсивностей ударных волн третьего и четвертого взрывов наблюдается огромная разница в амплитудах геомагнитного возмущения [82, 155]. При взрыве над островом Рождества на высоте около 18 км отмечалось заметное, вполне отчетливое геомагнитное возмущение [82], тогда как взрыв на поверхности Земли, по данным работы [155], не производит никакого сколько-нибудь заметного геомагнитного возмущения.
Отсюда следует, что геомагнитное возмущение взрывов на высоте до 70-75 км нельзя объяснить гидродинамическим действием ударной волны на ионосферу.
Рассмотрим возможное действие динамо-эффекта при прохождении ударной волны через ионосферу. По мнению авторов работы [79], ударная волна тунгусского взрыва, который произошел на высоте около 10 км, достигнув нижнего края слоя Е ионосферы (hi = 80 км), при своем движении через ионосферу образовала магнитогидродинамическую волну. Эта волна достигла Иркутска и вызвала начальный импульс магнитного возмущения. Дальнейшие изменения магнитного поля (основная фаза геомагнитного возмущения) продолжительностью 4-6 час (рис. 49) вызваны динамо-токами в слое Е, возникшими вследствие движения плазмы под действием ударной волны. Такое предположение высказывается и в других работах [86, 144], однако оно никаким фактическим материалом и никакими расчетами не обосновано. В связи с этим рассмотрим вопрос о динамо-токах, вызываемых движением ионосферы за фронтом ударной волны, определим возможное время действия динамо-эффекта и сравним его с длительностью тунгусского геомагнитного возмущения.
При движении ударной волны через ионосферу динамо-токи образуются вследствие движения ионизованного газа за фронтом ударной волны. После прохождения ударной волны через ионосферу движение ионизованного газа прекращается, следовательно, время действия динамо-эффекта определяется временем действия на ионосферу ударной волны. В рассматриваемом случае время действия динамо-эффекта будет равно времени распространения ударной волны тунгусского взрыва по слою Е ионосферы.
Известно, что через некоторое время, равное примерно 19 значениям динамического времени взрыва t0, когда относительная интенсивность ударной волны P/P1<0,01, ударная волна вырождается в звуковую волну [104]. По-видимому, звуковая волна заметного динамо-эффекта и заметного геомагнитного возмущения не вызывает. Поэтому время действия динамо-эффекта tэ определяется временем существования ударной волны ty при движении по слою Е ионосферы:
tэ ty = 19 t0 (64)
По определению, динамическое время сферического взрыва выражается формулой [104]
(65)
где Ео - энергия взрыва в кгм; Р1 - давление невозмущенной среды в кг/м2; - показатель адиабаты Пуассона, для воздуха = 1,4; a1 - скорость звука в невозмущенной среде в м/сек; 1 - плотность невозмущенной среды в кг·сек2/м4. Для приближенной оценки параметров ударной волны тунгусского взрыва на высоте слоя Е ионосферы слой атмосферы от точки взрыва (hо = 10 км) до ионосферы (hi = 80 км) можно принять за однородную среду со средними значениями давления и плотности в этом слое 
= 244 кг/м2 и 
= 0,00392 кг·сек2/м4, которые рассчитаны по данным работ [147, 148]. Подставляя в формулу (65) значения Е0 = 4 1023 эрг = 4,1 1015 кгм, , получим t0 65 сек.
Согласно формуле (64), время, через которое ударная волна тунгусского взрыва при своем движении по слою Е ионосферы выродилась в звуковую волну, равно tу = 19 t0 20 мин. Следовательно, через 20 мин после взрыва на расстоянии около 600 км от эпицентра при распространении по слою Е ионосферы ударная волна тунгусского взрыва практически перестала существовать. По истечении этого времени прекратилось и действие динамо-эффекта, так как tэ ty 20 мин. Очевидно, что динамо-эффект с продолжительностью не более 20 мин не мог обеспечить тунгусское магнитное возмущение, продолжительность которого tм = 240-360 мин (рис. 49) более чем на порядок превышает продолжительность действия динамо-эффекта: tэ « tм. Отсюда следует, что схема образования динамо-токов, вызванных в ионосфере ударной волной тунгусского взрыва, не может объяснить тунгусское магнитное возмущение.
Таким образом, анализ фактических данных и расчеты показали, что если взрыв (химический, ядерный и др.) мощностью до 10 млн. т тротила произошел вне слоя ионосферы на высоте менее 70-75 км, то при движении от точки взрыва до ионосферы ударная волна успевает настолько ослабнуть, что она, по-видимому, не может обеспечить наблюдаемое магнитное возмущение ни за счет дополнительной термической ионизации ионосферы, ни за счет гидромагнитного эффекта и ни за счет динамо-эффекта, т. е. ударная волна в этом случае не имеет существенного значения в образовании геомагнитного возмущения, вызванного взрывом.
Из всего сказанного можно сделать вывод, что ударная волна тунгусского взрыва, который произошел на высоте не более 10 км, не играет никакой роли в образовании магнитного возмущения, вызванного полетом и взрывом Тунгусского космического тела. Поэтому для объяснения геомагнитного эффекта крупных воздушных взрывов в нижних слоях атмосферы (в том числе и тунгусского взрыва) нужно искать другие причины, не связанные с действием ударной волны на ионосферу. Необходимо выяснение влияния ионизации следа космического тела, потока заряженных частиц, вызванного полетом или взрывом, и других возможных причин.
В работах [77, 79, 144] справедливо отмечается некоторое сходство магнитограмм тунгусского и ядерных взрывов (рис. 49 и 54), в связи с чем целесообразно проанализировать магнитограммы тунгусского и ядерных взрывов и сравнить результаты анализа. Для определенности рассмотрим магнитограммы трех ядерных взрывов мощностью в несколько миллионов тонн тротила, проведенных 1 и 12 августа 1958 г. над атоллом Джонстон на высоте 75 и 42 км и 28 апреля 1958 г. над островом Рождества на высоте около 18 км [82], так как фактический материал по этим взрывам достаточно хорошо описан в литературе [79, 82, 151-155, 157] (рис. 54-56). При выяснении возможных причин магнитного возмущения, вызванного ядерным взрывом, действие ударной волны на ионосферу исключим из рассмотрения.
С точки зрения образования дополнительной ионизации атмосферы и возмущения магнитного поля Земли механизм высотного (h = 70 км) ядерного взрыва можно представить следующим образом. В момент взрыва образуется высокотемпературная (107-108 °С) плазма, которая расширяется с большой скоростью. Расширение электрически проводящей высокотемпературной плазмы можно представить как расширение проводника в магнитном поле. Движение сферического проводящего поршня (расширение плазмы) создает магнитную гидродинамическую волну, которая распространяется со скоростью в несколько сот и даже тысяч километров в секунду [151, 158-161]. Эта магнитогидродинамическая волна обеспечивает резкое вступление магнитного возмущения практически одновременно на всех станциях, которое соответствует моменту взрыва (рис. 54). Амплитуда такой волны зависит от мощности и высоты взрыва и в конечном итоге характеризует параметры (температуру и размеры) плазмы [161].
Рис. 54. Магнитограммы высотного ядерного взрыва 1.VIII.1958 г. над островом Джонстон [152]: I – Гонолулу; II – Пальмира; III – Фэннинг; IV – Джервис; V – Апиа
Следует отметить кажущуюся странность того, что с увеличением эпицентрального расстояния амплитуда первой волны (первое вступление t1) увеличивается (рис. 54), тогда как по теории она должна уменьшаться как 1/r3 [161]. Это явление можно объяснить либо изменением местных условий, окружающих регистрирующую станцию (изменение напряженности магнитного поля, электропроводности поверхностного слоя Земли и др.), что для океана маловероятно, либо тем, что нарастание амплитуды первой волны было прервано другим противоположным по знаку процессом, например действием второй магнитогидродинамической волны с противоположной фазой. Такая волна может возникнуть при пересечении потока заряженных частиц слоя ионосферы. В работе [163] показано, что движение потока заряженных частиц через плазму (в нашем случае через ионосферу) неустойчиво и должно вызвать продольные магнитогидродинамичесние волны. Скорость распространения таких волн по ионосфере может быть несколько меньше скорости первой волны, вызванной расширением плазмы в вакууме, поэтому между вступлениями первой и второй волн образуется некоторая задержка, которая увеличивается с увеличением расстояния. Если эта задержка меньше 1/4 периода колебаний первой волны, то с увеличением эпицентрального расстояния ее регистрируемая амплитуда растет пропорционально увеличению задержки (времени действия первой волны), что и наблюдается в действительности (рис. 54 и 57).
При дальнейшем расширении раскаленного облака продуктов ядерного взрыва заряженные частицы всех сортов и обоих знаков движутся по спирали в обе стороны вдоль силовых линий. Тяжелые заряженные частицы сравнительно быстро поглощаются в атмосфере. А электроны, имеющие наибольшую длину свободного пробега и проникающую способность среди заряженных частиц, попадают в так называемую магнитную ловушку и движутся в ней вдоль силовых линий в магнитосопряженные точки на большие расстояния (до нескольких тысяч километров и более) от точки взрыва [151]. Движение электронов в магнитной ловушке в разные стороны от точки взрыва вызывает магнитное возмущение, фаза которого имеет противоположные знаки по обе стороны (север - юг) от точки взрыва, что соответствует наблюдаемым явлениям, например, на станциях Пальмира и Гонолулу (рис. 54 и 56).
Рис. 55. Магнитограммы воздушного ядерного взрыва 28.IV.1958 г. над островом Рождества [154]: 1 – Пальмира, Rэ=705 км; 2 – Фэннинг, Rэ=340 км; 3 – Джервис, Rэ=380 км
Скорость электронов вдоль линий определяется формулой ve = vr sin , где vr - радиальная скорость электронов, - угол между вектором радиальной скорости vr и вертикальной плоскостью. Поскольку ? меняется от 0 до 90°, то ve меняется от 0 до vr. Поэтому преобладающая скорость электронов вдоль силовых линий существенно меньше скорости разлета ve « vr. Тогда можно ожидать, что третье вступление (основная фаза) магнитного возмущения имеет задержку относительно момента взрыва, причем задержка t13 должна быть пропорциональна эпицентральному расстоянию rэ, что и наблюдается в действительности. Например, на станции Пальмира rэ = 1430 км, задержка t13 = 5 мин, на станции Фэннинг rэ = 1890 км, tl3 = 7 мин, на станции Джэрвис rэ = 2380 км, tl3 = 9 мин (рис. 54). Из этих данных получаем, что кажущаяся скорость распространения магнитного возмущения, вызванного потоком электронов вдоль силовых линий, равна около 5 км/сек (по-видимому, для более точного расчета кажущейся скорости распространения магнитного возмущения следует брать не эпицентральное расстояние, а его проекцию на магнитный меридиан, но в данном случае это не имеет существенного значения).
Такая интерпретация третьего вступления магнитного возмущения соответствует и другим данным. Известно, что после третьей операции «Аргус» в магнитосопряженной точке в районе Азорских островов на эпицентральном расстоянии более 8000 км 23 мин спустя после взрыва началось многоцветное сияние верхних слоев атмосферы, которое продолжалось около 30 мин [151]. Очевидно, что сияние было вызвано потоком электронов, который двигался в магнитной ловушке вдоль силовых линий с кажущейся скоростью около 6 км/сек. Таким образом, кажущаяся скорость движения электронов в магнитной ловушке (движение вдоль поверхности Земли) равна нескольким километрам в секунду. Такую относительно малую скорость в несколько километров в секунду не может иметь никакая гидромагнитная волна [151].
Поэтому распространение магнитного возмущения ядерных взрывов со скоростью 5-6 км/сек, по-видимому, связано с движением электронов в магнитной ловушке. Однако с такой малой скоростью поток первичных электронов также не может двигаться, так как скорость первичных электронов значительно выше. Можно предположить, что распространение геомагнитного возмущения со скоростью 5-6 км/сек связано с диффузионным движением вторичных электронов в магнитной ловушке, которые образуются в результате ионизации атмосферы первичным потоком быстрых заряженных частиц, гамма-лучей и других ионизирующих излучений.
При ядерном взрыве на высоте 70-80 км над областью взрыва в ионосфере образуется сильно ионизированное облако с высокой концентрацией ионов и электронов, которые затем в течение длительного времени будут диффундировать на большие расстояния. Вследствие анизотропии диффузии электронов в магнитном поле [164] электроны будут диффундировать в основном вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Скорость диффузионного движения электронов в магнитной ловушке значительно меньше скорости движения первичных электронов и по порядку величины равна нескольким километрам в секунду [165].
Рис. 56. Схема расположения эпицентров воздушных ядерных взрывов и регистрирующих станций: I – эпицентр взрыва; 2 – регистрирующая станция; 3 – магнитосопряженная точка
Одним из наиболее характерных признаков диффузионного движения частицы является зависимость скорости ее движения от времени - с увеличением времени скорость диффузионного движения уменьшается. Среднее квадратичное смещение отдельной частицы за время t по одной координате определяется формулой [164]
(66)
где D — коэффициент диффузии. Тогда скорость диффузионного движения частицы по одной координате
(67)
Такая закономерность изменения скорости со временем при движении электронов после ядерных взрывов действительно наблюдается. Например, в работе [165] показан обобщенный график зависимости скорости распространения возмущения электронной концентрации слоя F ионосферы, построенный по данным 22 станций, которые зарегистрировали возмущение после ядерного взрыва, проведенного 1 августа 1958 г. над островом Джонстон. Согласно данным работы [165], скорость распространения возмущения электронной концентрации ионосферы за время от 10 до 140 мин изменилась от 2,5 до 0,5 км/сек.
Таким образом, распространение магнитного возмущения со скоростью нескольких километров в секунду, по-видимому, связано с диффузионным движением вторичных электронов в магнитной ловушке. Поэтому задержка третьего вступления геомагнитного возмущения ядерного взрыва должна зависеть от мощности и высоты взрыва, а также от эпицентрального расстояния регистрирующей станции.
В дополнение можно отметить, что если отнести задержку магнитного возмущения tl3 за счет запаздывания ударной волны при движении от точки взрыва до ионосферы, как предполагается в работе [82], то задержка магнитного возмущения tl3 не должна зависеть от эпицентрального расстояния и должна быть одинаковой для всех станций, что явно противоречит имеющимся данным (рис. 54, 55). Особенно наглядно и убедительно сам факт задержки третьего вступления магнитного возмущения и зависимость этой задержки от эпицентрального расстояния наблюдаются при взрыве над островом Рождества (рис. 55). Причины отсутствия первой волны и другие особенности магнитограммы этого взрыва будут рассмотрены ниже.
После третьего вступления магнитное возмущение также не успело увеличиться до своего максимального значения, так как через 13 мин после взрыва оно было прервано новым, четвертым, вступлением, которое началось почти одновременно на всех станциях (рис. 54 и 57). Отсюда следует, что четвертое вступление, возможно, вызвано возбуждением магнитогидродинамической волны, распространяющейся с большой (несколько сот километров в секунду) скоростью. По времени возбуждение этой волны совпадает с приходом потока электронов в магнитосопряженную точку (конец магнитной ловушки), расположенную на расстоянии более 3000 км от точки взрыва. Образование облака электронов в конце магнитной ловушки или повторное пересечение сверху вниз слоя ионосферы потоком электронов вполне могло возбудить магнитогидродинамическую волну. Эти рассуждения не относятся к взрыву над островом Рождества, так как он произошел почти на магнитном экваторе.
Интересно отметить, что регистрируемая амплитуда магнитного возмущения после третьего вступления пропорциональна времени его действия t34 = t4 – t3. Для станции Пальмира t34 = 13 - 5 = 8 мин, для станции Фэннинг t34 = 13 - 7 = 6 мин, для станции Джервис t34 = 13 - 9 = 4 мин. Например, на станцию Джервис третья волна пришла позднее, чем на предыдущие станции, а прервана была одновременно, как и на всех станциях, поэтому она меньше всего успела проявиться (рис. 57) (на станции Апиа, расположенной вблизи магнито-сопряженной точки, магнитное возмущение более сложно, поэтому для количественного и качественного сравнения на рис. 54 и 57 взяты только три станции: Пальмира, Фэннинг и Джервис).
Анализ изменения магнитного возмущения со временем показывает, что время релаксации магнитных возмущений 
м 9-10 мин, поэтому до максимальной амплитуды магнитное возмущение возрастает в течение 30-40 мин. Однако время действия отдельных видов магнитных возмущений равно нескольким минутам, что меньше времени релаксации м, например t34 = 4 - 8 мин < м. Этим объясняется изрезанность магнитограммы ядерных взрывов, произведенных на малых геомагнитных широтах. Учитывая кажущуюся скорость распространения магнитного возмущения, равную 5-6 км/сек, можно ожидать, что магнитограммы ядерных взрывов, произведенных на больших геомагнитных широтах м 40-45°, будут иметь более плавный характер (речь идет о главной фазе магнитного возмущения после третьего вступления).
Таким образом, магнитное возмущение ядерных взрывов имеет две существенно различные четко выделяющиеся скорости распространения: скорость, равную нескольким сотням километров в секунду и более, с которой распространяется магнитогидродинамическая волна, и скорость, равную 4-6 км/сек, с которой движется поток электронов в магнитной ловушке (имеется в виду кажущаяся скорость вдоль поверхности Земли). Причем магнитное возмущение взрыва, распространяющееся со скоростью несколько километров в секунду, обусловлено потоком вторичных электронов в магнитной ловушке.
Из сказанного следует, что магнитное возмущение высотных ядерных взрывов можно объяснить в основном двумя процессами: возбуждением магнитогидродинамической волны расширяющейся плазмой и движением потока электронов в магнитной ловушке. Остальные процессы являются следствием последующего взаимодействия потока электронов с ионосферой и магнитным полем Земли. Ударная волна не имеет существенного значения в образовании магнитного возмущения ядерного взрыва, произведенного на высоте ниже 70-75 км. Отметим наиболее характерные черты магнитного возмущения высотного ядерного взрыва:
1. Область действия основной фазы магнитного возмущения локализуется вдоль магнитного меридиана. Эту особенность можно объяснить тем, что основная фаза (после третьего вступления, рис. 54 и 57) магнитного возмущения связана с движением потока электронов в магнитной ловушке вдоль силовых линий. Например, магнитное возмущение ядерного взрыва над островом Джонстон 1.VIII 1958 г. наиболее сильно отмечается на станции Апиа (именно вблизи конца магнитной ловушки, что подтверждает связь магнитного возмущения с потоком электронов) на расстоянии 3680 км по меридиану (рис. 54), в то время как почти на том же расстоянии в широтном направлении на станции Гуам (rэ = 4860 км) магнитное возмущение этого взрыва не отмечается совсем [79, 144]. Характерно, что локализация вдоль магнитного меридиана не относится к первой волне магнитного возмущения взрыва, так как она не связана с движением электронов в магнитной ловушке. Поэтому могут быть случаи, когда на далеких расстояниях от точки взрыва в широтном направлении будет зарегистрирована только первая волна (первое вступление) магнитного возмущения, а основная фаза (третье вступление) магнитного возмущения вследствие локализации вдоль магнитного меридиана на диаграмме не зарегистрируется. Например, после взрывов над атоллом Джонстон 1.VIII 1958 г. и 12.VIII 1958 г. в гг. Шимозато и Онагава, расположенных на расстоянии более 5000 км от точки взрывов в широтном направлении, зарегистрирована первая волна магнитного возмущения от этих взрывов, которая распространялась со скоростью 540 км/сек, в то время как более интенсивная основная фаза (третье вступление) магнитного возмущения на диаграмме не отметилась [157].
2. Горизонтальная составляющая магнитного возмущения Нх меняет знак при переходе по меридиану через точку взрыва, рис. 54 и 57 (станция Гонолулу расположена на север от точки взрыва, остальные станции расположены южнее, рис. 56).
3. Горизонтальная составляющая Н (магнитное склонение) меняет знак при переходе по широте магнитного меридиана, на котором произошел взрыв. Например, на станции Пальмира магнитное склонение имеет разный знак от взрыва над островом Джонстон, расположенным на западе, и от взрыва над островом Рождества, расположенным на востоке от станции Пальмира (рис. 54-56 и 58).
4. Вертикальная составляющая Hz меняет знак при переходе через магнитный экватор, рис. 54 и 58 (магнитный экватор проходит между станциями Фэннинг и Джервис, рис. 56).
Эти особенности позволяют по векторной диаграмме магнитного возмущения определить положение взрыва относительно регистрирующей станции.
Рассмотрим влияние высоты взрыва на механизм образования и амплитуду магнитного возмущения. Поскольку основную фазу магнитного возмущения ядерного взрыва создает поток электронов в магнитной ловушке, рассмотрим механизм взрыва с точки зрения образования потока электронов в верхних слоях атмосферы. Известно, что при ядерном взрыве образуются следующие ионизирующие факторы: поток заряженных частиц, нейтронов, рентгеновского и гамма-излучений. При высотном взрыве на высоте около 70 км тяжелые заряженные частицы поглощаются в непосредственной близости от области взрыва, поток первичных электронов и рентгеновского излучения при движении в нижние слои атмосферы проникает до высоты 50-60 км, поток гамма-лучей - до высоты 20-25 км [151], поток нейтронов - до высоты 15-20 км. Эти высоты являются как бы критическими, при, переходе через которые (при изменении высоты взрыва) меняется механизм образования потока вторичных электронов в магнитной ловушке. Например, движение электронов в магнитной ловушке на большие расстояния между магнитосопряженными точками может происходить только на высоте выше 60 км, так как при уменьшении высоты до 60 км плотность атмосферы возрастает настолько, что электроны быстро поглощаются.
При взрыве на высоте около 70 км в магнитную ловушку попадают непосредственно первичные электроны. Однако основная фаза магнитного возмущения, которая распространяется со скоростью 5-6 км/сек, как было выяснено, будет обусловлена потоком вторичных электронов, которые образуются в результате дополнительной ионизации ионосферы потоком первичных электронов, гамма-лучей и других ионизирующих излучений. Следует отметить также, что при высотном взрыве (выше 60 км) вторичные электроны, порождаемые потоком нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей, образуются и на далеких расстояниях от места взрыва и вызывают нарушение нормального состояния ионосферы, помехи радиоприему и т. д. [151].
Рис. 58. Смена знаков x, y, z – составляющих магнитного возмущения ядерного взрыва в зависимости от расположения регистрирующей станции относительно точки взрыва: 1 – точка взрыва; 2 – магнитосопряженная точка; ОО – магнитный экватор; ММ – магнитный меридиан точки взрыва
При взрыве на высоте около 40 км (25 км < h < 60 км) все первичные электроны будут поглощены в атмосфере, они не пройдут в верхние слои атмосферы выше 60 км и поэтому не попадут в магнитную ловушку. Если принять, что максимальная энергия первичных электронов Ее равна 6 Мэв (средняя энергия Ее = 2 Мэв) [151], то максимальный пробег электронов Rm равен около 3 г/см2 [166]. Такую поверхностную плотность имеет слой атмосферы от 45 до 60 км. Следовательно, при взрыве ниже 45 км ни один первичный электрон не попадет в магнитную ловушку. Рентгеновские лучи также будут поглощены в этом слое. На высоту выше 60 км проникает только поток нейтронов и гамма-лучей. В результате взаимодействия нейтронов и гамма-лучей с воздухом в верхних слоях атмосферы (выше 60 км) появятся вторичные электроны, которые попадут в магнитную ловушку. Движение вторичных электронов в магнитной ловушке вызовет магнитное возмущение. Можно ожидать, что амплитуда этого возмущения будет меньше, чем для взрыва такой же мощности на высоте более 60 км, так как значительная часть потока нейтронов и гамма-лучей поглотится в нижних слоях атмосферы, и только небольшая часть гамма-лучей в малом телесном угле выйдет на высоту более 60 км. Например, магнитное возмущение взрыва над островом Джонстон 12.VIII 1958 г. на высоте 42 км в 1,5-2 раз слабее, чем взрыва примерно той же мощности 1.VIII 1958 г. на высоте 75 км [82].
При взрыве на высоте 15-20 км значительная часть первичных гамма-лучей поглотится в слое атмосферы 15-60 км. На высоту выше 60 км проникает в основном поток нейтронов и поток вторичных гамма-лучей, который образуется в результате поглощения в атмосфере потока нейтронов. Вторичные электроны, которые образуются в результате взаимодействия нейтронов и вторичного гамма-излучения с воздухом, попадут в магнитную ловушку и вызовут магнитное возмущение. Отметим, что при расширении плазмы в нижних слоях атмосферы амплитуда магнитогидродинамической волны будет значительно слабее, чем при расширении плазмы в вакууме, вследствие влияния атмосферного давления, превышающего магнитное давление на несколько порядков. Поэтому первое вступление магнитного возмущения слабого взрыва в нижних слоях атмосферы может быть не отмечено на магнитограмме. Магнитное возмущение в таком случае начнется со второго или с третьего вступления, т. е. с некоторым запаздыванием, что и наблюдается, например, при взрыве над островом Рождества 28.VIII 1958 г. на высоте около 18 км [154] (рис. 53).
При ядерном взрыве на высоте 5-10 км значительная часть нейтронов и первичных гамма-квантов поглощается в нижних слоях атмосферы. На высоту выше 60 км проникает только незначительная часть первичного излучения, которой недостаточно для того, чтобы вызвать заметное магнитное возмущение. В этом случае вторичные электроны на высоте более 60 км образуются следующим образом: при взрыве на высоте 5-10 км поток нейтронов проникает до высоты 30-40 км. В результате поглощения нейтронов образуется вторичное гамма-излучение. Вторичные гамма-кванты, возникшие в слоях атмосферы выше 25-30 км, проникнут в слои выше 60 км и в результате взаимодействия с воздухом образуют вторичные электроны, которые в свою очередь попадут в магнитную ловушку и вызовут магнитное возмущение. Нейтроны в этом случае представляют собой как бы транспортеры источников вторичного гамма-излучения, так как точка поглощения нейтрона является точкой излучения вторичного гамма-кванта. При взрыве на высоте 5-10 км магнитное возмущение будет еще более слабым, чем в предыдущем случае.
При взрыве на поверхности Земли поток нейтронов и гамма-лучей почти полностью поглотится в пределах тропосферы. Поток даже вторичного гамма-излучения, образуясь в слоях до 10 км, будет в основном поглощен в слоях до 60 км. Для убедительности можно отметить, что слой атмосферы с поверхностной плотностью 1 кг/см2 по поглощению ионизирующих излучений эквивалентен слою бетона толщиной около 4 м или слою свинца толщиной около 50 см. Ясно, что при взрыве на Земле поток гамма-лучей почти полностью поглотится в нижних слоях атмосферы.
Гамма-излучение радиоактивных продуктов взрыва, поднимающихся в виде облака на высоту 15-20 км, также будет поглощено в основном в слоях атмосферы высотой до 60 км. Поэтому при наземных взрывах в магнитную ловушку попадет незначительная часть вторичных электронов, которой недостаточно для того, чтобы вызвать заметное магнитное возмущение. Этим можно объяснить тот факт, что при наземных взрывах магнитное возмущение практически не обнаруживается [155].
Таким образом, при уменьшении высоты ядерного взрыва вследствие влияния более плотных слоев атмосферы амплитуда магнитного возмущения уменьшается. Причем уменьшается как амплитуда возмущения, обусловленного потоком электронов в магнитной ловушке, так и амплитуда магнитогидродинамической волны, обусловленной расширением плазмы. При расширении проводящей плазмы в магнитном поле сам факт возникновения магнитогидродинамической волны не зависит от плотности атмосферы, поэтому волна должна возникнуть и при наземном взрыве. Но при увеличении плотности воздуха при одной и той же мощности взрыва уменьшаются размеры проводящей плазмы, в связи с чем уменьшается и амплитуда магнитогидродинамической волны. Однако при достаточно сильном наземном ядерном взрыве магнитное возмущение, вызванное расширением высокотемпературной проводящей плазмы, вполне может быть обнаружено достаточно чувствительным магнитометром. И наоборот, обнаружение первого вступления магнитного возмущения, зарегистрированного одновременно со взрывом, говорит о том, что если взрыв произошел в нижних плотных слоях атмосферы, то он был очень мощным и сопровождался образованием высокотемпературной, достаточно ионизированной и проводящей плазмы.
Мы получили качественную картину изменения механизма образования потока электронов в магнитной ловушке в зависимости от высоты ядерного взрыва. Количественную зависимость интенсивности потока вторичных электронов в магнитной ловушке при изменении высоты взрыва можно рассчитать по законам взаимодействия различных видов ядерных излучений с веществом [166-168].
Отметим, что при уменьшении мощности или высоты взрыва (от 70-80 до 0 км) дополнительная ионизация ионосферы уменьшается, при этом уменьшается и скорость диффузионного движения вторичных электронов в магнитной ловушке вдоль силовых линий. В связи с чем при уменьшении высоты взрыва следует ожидать уменьшения скорости распространения основной фазы магнитного возмущения взрыва и увеличения задержки третьего вступления возмущения, что и наблюдается в действительности. Например, для взрыва над атоллом Джонстон 12.VIII 1958 г. на высоте около 42 км задержка третьего вступления магнитного возмущения заметно увеличивается относительно задержки для взрыва, проведенного 1.VIII 1958 г. на высоте около 75 км [82]. Соответственно уменьшается кажущаяся скорость движения электронов в магнитной ловушке: для взрыва 1.VIII 1958 г. скорость равна около 5 км/сек, для взрыва 12.VIII 1958 г. - около 3,5-4 км/сек. Для взрыва на высоте около 18 км (рис. 55) задержка третьего вступления особенно велика и скорость распространения магнитного возмущения равна около 1 км/сек.
Таким образом, рассмотренная схема объясняет все основные особенности геомагнитного возмущения ядерных взрывов. Из рассмотрения этой схемы можно сделать вывод: если взрыв произошел на высоте менее 10 км и вызвал геомагнитное возмущение, то он должен сопровождаться ядерными реакциями и потоком ионизирующих излучений.
Учитывая полученные результаты, проанализируем магнитное возмущение тунгусского взрыва, зарегистрированное в Иркутской обсерватории (рис. 49) [77, 96]:
1. Отметим, что по форме, длительности и амплитуде тунгусское магнитное возмущение имеет полную аналогию с возмущением ядерного взрыва мощностью в несколько мегатонн (рис. 49, 54 и 57). Анализ векторной диаграммы иркутских магнитограмм [77. 96] показывает, что источник тунгусского магнитного возмущения должен быть расположен на север и запад от Иркутска (рис, 49 и 58). Тунгусскую магнитограмму можно сравнивать с магнитограммой от ядерного взрыва над островом Джонстон, записанной на станции Пальмира и Фэннинг (рис. 54), так как Иркутская обсерватория и эти станции аналогично расположены относительно точки взрыва – на юг от эпицентра, находясь в одном полушарии с ним (северном), и на восток от меридиана точки взрыва (магнитограммы станций Джервис и Апиа сравнивать с данными Иркутской обсерватории уже нельзя, так как они перешли через магнитный экватор в южное полушарие); Hz сменило знак (рис. 54 и 56). Тунгусская магнитограмма имеет все четыре наиболее характерных вступления с теми же знаками и в той же последовательности, что и магнитограмма ядерного взрыва (рис. 49, 50, 54 и 57).
2. Как было показано, при взрыве на высоте около 10 км (тунгусский взрыв произошел на высоте не более 10±2 км [64, 105]) ударная волна не имеет существенного значения в образовании магнитного возмущения. Отсюда можно сделать вывод, что магнитное возмущение тунгусского взрыва так же, как и возмущение ядерного взрыва, обусловлено образованием магнитогидродинамических волн и потока электронов в магнитной ловушке, т. е. можно сделать вывод, что тунгусский взрыв произошел с образованием высокотемпературной плазмы.
3. Расширение высокотемпературной проводящей плазмы достаточно мощного взрыва (около 10 млн. т тротила) даже в нижних слоях атмосферы вызвало достаточно сильную магнитогидродинамическую волну, которая зарегистрирована как первое вступление практически одновременно с моментом взрыва (рис. 49). Амплитуда этой волны зависит от мощности и высоты взрыва и от температуры плазмы. Поэтому при известной высоте и мощности взрыва по амплитуде первой волны магнитного возмущения в принципе можно определить размеры и температуру плазмы.
4. Магнитное возмущение тунгусского взрыва локализовано вдоль магнитного меридиана. Это подтверждается тем, что в широтном направлении на расстоянии около 2400 км в Свердловске магнитное возмущение не отмечено [77], тогда как при изотропном распространении магнитное возмущение должно было отметиться в Свердловске с амплитудой не менее 6-8 при ослаблении магнитного возмущения как 1/r3. В действительности при распространении магнитного возмущения между двумя проводящими слоями (Земля-ионосфера) ослабление магнитного возмущения значительно меньше чем 1/r3. Тогда в Свердловске должно зарегистрироваться возмущение с амплитудой 20-25 , чего не наблюдается в действительности [77]. В то же время представляет интерес попытка обнаружить на магнитограмме первое вступление тунгусского магнитного возмущения в Свердловске, совпадающего с моментом взрыва. Можно ожидать также, что на далеких станциях, расположенных близко от меридиана точки взрыва, например в Джакарте, тунгусское магнитное возмущение вполне могло быть зарегистрировано.
5. Запаздывание третьего вступления относительно первого tl3 равно 4 мин (рис. 49 и 50). Отсюда следует, что кажущаяся скорость распространения магнитного возмущения равна около 4 км/сек, что полностью согласуется с кажущейся скоростью движения потока электронов в магнитной ловушке при ядерных взрывах над островом Джонстон (рис. 54).
6. Тунгусский взрыв произошел на большой геомагнитной широте (около 50°), путь электронов в магнитной ловушке между магнитосопряженными точками составляет около 11 000 км, поэтому все фазы геомагнитного возмущения успели «проработаться». Например, разность между третьим и четвертым вступлениями равна около 30 мин, за это время амплитуда основной фазы возмущения успела достигнуть своего максимального значения, поэтому тунгусская магнитограмма имеет более плавный вид, чем магнитограммы ядерных взрывов на небольшой магнитной широте (рис. 54). Эту особенность тунгусской магнитограммы (регистрация максимальных значений амплитуды возмущения) можно попользовать для количественной оценки параметров тунгусского взрыва.
В результате анализа тунгусских магнитограмм можно сделать вывод, что основная фаза магнитного возмущения тунгусского взрыва обусловлена потоком электронов в магнитной ловушке. Магнитное возмущение тунгусского взрыва не могло быть вызвано действием ударной волны, оно было вызвано потоком заряженных частиц.
Дополнительная ионизация верхних слоев атмосферы могла быть вызвана:
1) полетом самого тела через верхние слои атмосферы (ионизации следа движущегося тела);
2) непосредственно взрывом космического тела.
Предварительные расчеты на основании данных работы [169] показывают, что ионизация следа обычного космического тела не может вызвать такого сильного магнитного возмущения, какое было в тунгусском случае: Н = 67 10-5 э (рис. 49). Например, при полете космического тела с размерами 50-100 м магнитное возмущение на 2-3 порядка меньше, чем при тунгусском взрыве. Кроме того, это возмущение должно иметь бухтообразную форму, что не наблюдается в действительности (рис. 49).
Анализ формы и амплитуды тунгусского магнитного возмущения и сравнение его с возмущением от ядерных взрывов (форма, амплитуда, длительность, векторная диаграмма и др.) показывают, что магнитное возмущение при тунгусском взрыве, вероятнее всего, является следствием взрыва космического тела. Как отмечалось, при взрыве на высоте ниже 15-20 км образование потока вторичных электронов в верхних слоях атмосферы, а следовательно, и образование магнитного возмущения обусловлены потоком нейтронов и гамма-квантов.
Таким образом, из сказанного можно сделать вывод: если тунгусское магнитное возмущение является следствием взрыва космического тела, то тунгусский взрыв сопровождался образованием высокотемпературной плазмы, потоком нейтронов и гамма-излучения, т. е. тунгусский взрыв произошел с сопровождением ядерных реакций.