АКАДЕМИЯ НАУК СССР
МЕТЕОРИТИКА 1964г. Вып. XXIV
Г. М. ЗЕНКИН, А. Г. ИЛЬИН
О ЛУЧЕВОМ ОЖОГЕ ДЕРЕВЬЕВ В РАЙОНЕ ВЗРЫВА ТУНГУССКОГО МЕТЕОРИТА
Известно, что одним из результатов взрыва Тунгусского метеорита 1908 г. явился мощный радиальный вывал леса, который до последнего времени оставался главнейшим следом взрыва непосредственно в районе катастрофы. Характеристики этого вывала были использованы для определения координат эпицентра взрыва и для описания свойств взрывной волны.
Однако вывал — не единственный след в тайге, оставленный взорвавшимся телом.
Повсюду в районе, радиусом приблизительно 20 км от эпицентра, имелись и имеются в настоящее время явные следы лесного пожара, несомненно связанного с катастрофой 1908 г. и не похожего на обычный лесной пожар [1—4].
Особенность этого лесного пожара заключается в том, что он охватил равномерно большую площадь около центральной части поваленного леса и имеется много очагов возникновения пожара, часто расположенных изолированно.
Описывая следы лесного пожара, Л. А. Кулик [1] отмечал, что они имеются «как на поваленном, так и на стоящем лесе, остатках кустов и мха, как на вершинах и склонах гор, так и в тундре и на изолированных островках суши среди покрытых водой болот». Эту особенность лесного пожара отмечали также участники экспедиции 1958 г. [3]. До последнего времени не было единого мнения о механизме возникновения пожара. Возник ли он до или после прихода взрывной волны? Послужил ли причиной пожара, по крайней мере, на большей части площади его, мгновенный ожог растительности, или же в основном распространялся верховой пожар от центра? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо было найти следы первичного ожога, выделить их среди следов последовавшего затем горения, если это возможно, и по их характеристикам определить возможный механизм возникновения пожара.
Те следы ожога коры и древесины, которые обнаруживаются на стоящих сухих деревьях и пнях в районе центра вывала, не имеют четко выраженной направленности, и часто среди них можно видеть явные следы продолжительного горения, которые, конечно, замаскировали первичный ожог [3]. Надо отметить, что в некоторых местах на следы пожара 1908 г. наложились следы прошедших после 1908 г. пожаров, а разделить следы различных пожаров на сухих деревьях весьма трудно.
Кроме того, мертвые деревья к настоящему времени в основном потеряли свою кору, которая, вероятнее всего, могла нести на себе первичные следы ожога. Эти же деревья полностью лишены веток, которые также могли нести на себе такие следы.
Фиг. 1. Лиственница около Сусловской воронки в возрасте 150 лет. Крона моложе 53 лет
Поэтому было целесообразно провести осмотр живых деревьев, переживших катастрофу 1908 г. вблизи ее центра, и выяснить характер термических повреждений, имеющихся на них. О присутствии таких деревьев в районе центра катастрофы писал еще Л. А. Кулик, но до лета 1960 г. было осмотрено крайне незначительное количество этих деревьев.
Фиг. 2. Лиственница на Северном болоте, около Кабаева острова, в возрасте около 300 лет
В 1960 и 1961 гг. осмотр деревьев, переживших катастрофу 1908 г., был проведен группой участников экспедиций в составе А. Г. Ильина, Г. М Зенкина, Л. Ф. Шикалова и др. В районе радиусом до 10 км от эпи центра было обнаружено и осмотрено более 300 живых деревьев, в основном лиственниц, возрастом от 100 до 300 лет (фиг. 1—3). Подавляющее большинство этих деревьев имеет различные механические и термические повреждения, связанные с катастрофой 1908 г. В кроне деревьев ветки старше 53 лет имеются в очень незначительном количестве. Часто, особенно для деревьев, ближайших к центру, все ветки кроны моложе 53 лет и весь ствол усеян сучьями, обломанными в 1908 г. Кора стволов имеет следы ожога, внизу ствола встречаются почти у всех деревьев пожарные подсушины, иногда до высоты 3—5 м от земли. Большинство пожарных повреждений, возраст которых был определен, относилось к 1908 г., но есть также следы пожаров более ранних и более поздних. Многие старые деревья за 53 года, прошедших со дня катастрофы, залечили многочисленные раны, крона их сильно разрослась и внешне их трудно отличить от здоровых деревьев.
Так, одна старая лиственница возрастом 110 лет была спилена на Южном болоте (6 на фиг. 6). Внешне она выглядела, как вполне здоровое и неповрежденное дерево, но при детальном осмотре оказалось, что вся ее крона моложе 53 лет, вершина отсохла в 1908 г., а на коре ствола и под отсохшей вершиной имеются повреждения в виде щелей с засмоленностью. Повреждение под отсохшей вершиной, в сторону от которой растет новая вершина, и повреждения на коре направлены к югу. Этот факт противоречит наблюдениям Б. И. Вронского [3, 5], который осматривал одну старую лиственницу, росшую в центре Южного болота, и не обнаружил на ней никаких следов катастрофы 1908 г.
Фиг. 3. Лиственница на берегу Северного болота в возрасте около 250 лет
Необходимо отметить, что описанное выше повреждение в виде щели в коре с засмоленностью встречается под отсохшими в 1908 г. или несколькими годами позже вершинами старых лиственниц очень часто. Эти повреждения имеют заметную ориентацию к центру катастрофы.
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ВЕТОК ЛИСТВЕННИЦ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ К ЦЕНТРУ
Среди различных повреждений, обнаруженных на деревьях, переживших катастрофу 1908 г., особый интерес представляют повреждения веток старых лиственниц, относящиеся к 1908 г. Эти поврежденные ветки имели в 1908 г. возраст 3—20 лет и толщину 3—20 мм в месте повреждения. Само повреждение располагается чаще всего у конца ветки 1908 г. (но не всегда). У такой ветки конец в большинстве случаев засох в тот же год или несколько лет спустя, а новая часть ветки растет в сторону. Эта особенность поврежденных веток позволяет распознавать их среди неповрежденных веток дерева прямо с земли. Внешне повреждения выглядят в виде щели с засмоленностью, которая тянется непрерывной полосой или с перерывами вдоль ветки и имеет длину 5—50 см. На спиле ветки повреждение имеет вид, показанный на фиг. 4. Здесь видно, что годовые кольца, которые до 1908 г. развивались нормально, в месте повреждения перестают развиваться. Годовые кольца, развивающиеся на здоровой части, постепенно окружают поврежденный участок, интенсивно разрастаясь и закручиваясь. Через некоторое время кольца замыкаются, и далее ветка развивается нормально. Лишь на коре ее остаются следы прежнего повреждения в виде смолы, выступавшей некоторое время после повреждения камбия. Так как кора ветки отмирает и со временем отпадает, внешние признаки повреждений (засмоленность) могут отсутствовать.
Фиг. 4. Типичное термическое повреждение ветки лиственницы в 1908 г.
— угол повреждения от вертикали
Эти повреждения имеют две интересные особенности: во-первых, они располагаются в большинстве случаев в верхней части ветки, т.е. смотрят вверх; во-вторых, они имеют хорошо заметную направленность к одному центру, т. е. смотрят в одну сторону от лиственницы. Осмотр нескольких веток одной лиственницы, имеющих различные азимуты, позволяет проследить эту направленность.
На фиг. 5 приведены схемы лиственниц 2 и 7, расположение которых указано на фиг. 6. Это схематическое изображение лиственниц сверху. Отрезки, идущие из центра, изображают отдельные ветки. Стрелки указывают, в какую сторону от вертикальной плоскости, проходящей через ось ветки, смотрит повреждение. В конце ветки указан средний угол повреждения, измеренный от вертикальной плоскости. Цифра у стрелки — число спилов с повреждениями, пропорциональное длине повреждения.
Фиг. 5. Схемы лиственниц 2 (слева) и 7 (справа). Вид сверху
На схеме дерева 2 видно, что из десяти веток с повреждениями 1908 г. семь веток имеют повреждения, направленные в одну сторону от лиственницы. У трех веток, повреждения которых смотрят в противоположную сторону, углы повреждений от вертикали малы (— 1°, 7°, 6°). В большинстве тех случаев, когда повреждение направлено в сторону, противоположную направлению на центр, это можно объяснить кручением ветки вдоль своей оси под действием возникшего из-за несимметрии ветки крутящего механического момента. Этим также частично объясняется разброс в углах повреждений веток, имеющих близкие азимуты.
Необходимо отметить интересный факт, связанный с лиственницей 7. Эта лиственница росла в районе пожара 1944 г. на опушке леса. На ее стволе имеется пожарная подсушина до 2,5 м от земли — след пожара 1944 г.; шесть нижних веток лиственницы, растущих на высоте 4 м от земли, имеют повреждения, похожие на описанные выше. Эти повреждения начинаются в 10 см от основания ветки и имеют длину до 1,5 м, но только располагаются они снизу веток и относятся к 1944 г. Эти повреждения образовались, следовательно, во время низового пожара 1944 г. На ветках, растущих выше (начиная с 80 см от нижних), следов низового пожара 1944 г. не обнаружено, но зато большинство старых веток имеет повреждения 1908 г., расположенные сверху. Этот факт свидетельствует о том, что повреждения 1908 г. произошли не из-за ожога веток в результате низового пожара. Говорить о распространении верхового пожара в месте, где растет лиственница 7, вряд ли возможно, так как большинство деревьев кругом было вывалено взрывом.
Повреждения веток, направленные к эпицентру, прослеживаются приблизительно до 8—9 км от центра вывала. Интенсивность повреждений, а также количество веток с повреждениями на отдельном дереве быстро уменьшаются к периферии, поэтому определение границы распространения повреждений затруднительно и требует обработки большого количества деревьев.
Все перечисленные выше особенности повреждений веток говорят о том, что вероятной причиной их происхождения явилось световое излучение Тунгусского взрыва 1908 г. Об этом прежде всего говорит направленность повреждений вверх и к общему центру. Кроме того, исследования, проведенные ботаниками Н. П. Курбатским в Красноярске и В. И. Некрасовым в Москве, показали, что повреждения имеют термическое происхождение, а не грибковое, и представляют собой локальную гибель или угнетение камбия ветки в результате его прогрева до 65° и выше. Если это так, то характеристики этих повреждений можно использовать для вычисления координат источника излучения, а также для оценки энергии световой вспышки Тунгусского взрыва 1908 г.
Для этой цели летом 1961 г. во время полевых работ Тунгусской комплексной метеоритной экспедиции, которую возглавлял К. П. Флоренский, был произведен сбор материала по повреждениям. Сбор материала производился по следующей методике. Выбиралась старая лиственница из числа сохранившихся после катастрофы и растущая на открытой местности: посреди болота или на опушке леса, обращенной к центру. С дерева срубалось несколько старых веток, в основном те, на которых были заметны следы повреждений. У веток предварительно отмечался верх, замерялся горным компасом азимут ( ) и наклон ветки ( ).
Срубленные ветки зарисовывались и распиливались на части. Как уже отмечалось, часто на коре ветки отсутствовали следы внутренних повреждений, так как смола, выступившая после повреждения в 1908 г., отпала вместе с корой. Поэтому ветки распиливались на части по 5 см. Части веток с повреждениями 1908 г. отбирались, подписывались и были отправлены в Томок, Новосибирск и Москву, где проводилась дальнейшая обработка.
Всего в центре катастрофы, на расстоянии до 10 км от эпицентра, было обработано таким способом 33 лиственницы. Расположение лиственниц показано на фиг. 6.
Части веток, доставленные из тайги, распиливались на кружки и шлифовались. Определялся их возраст, точный возраст повреждения, а также средний для ветки угол повреждения от вертикальной плоскости () (см. фиг. 4).
По описанной методике было обработано более 1500 спилов. Такую большую и трудоемкую работу удалось успешно выполнить благодаря тому, что в ней приняло участие большое число добровольцев: инженеров, научных работников и студентов, членов КСЭ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ТУНГУССКОГО ВЗРЫВА
Полученные после обработки параметры повреждений были использованы для вычисления координат источника излучения.
Для этой цели были отобраны 55 веток с наиболее надежными данными росшие на 13 лиственницах. На фиг. 6 эти лиственницы отмечены кружками. Из 55 веток после усреднения (объединения нескольких веток растущих на одном дереве и имеющих близкие азимуты) было получено 19 усредненных веток, параметры повреждения которых приведены в табл. 1. В этой таблице X0, Y0— координаты лиственницы, с которой взяты ветки; координата Z0 = 0. Центр координат выбран произвольно (см фиг. 6); —угол повреждения от вертикальной плоскости, —азимут ветки, - наклон ветки —угол между осью ветки и горизонтальной плоскостью. Ветки лиственницы практически можно принять за прямые линии.
Фиг. 6. Схема района центра Тунгусской катастрофы
I — центр излучения; II — центр вывала; III — лиственницы, на ветках которых искали термические повреждения; IV — лиственницы, использованные для вычисления координат источника излучения; V — граница обнаружения термических повреждений веток; VI — избы
Задача определения координат источника излучения в данном случае аналогична известной задаче об определении местоположения объекта в пространстве по засечкам из пунктов наблюдений, расположенных на поверхности земли. Но она имеет две особенности, о которых надо упомянуть.
Во-первых, в данном случае засечки объекта сделаны такими специфическими «приборами», как живые ветки деревьев. Эти засечки сделаны 53 года назад, в течение которых ветки продолжали расти и развиваться. Свойства этих «приборов» нам далеко неизвестны, тем не менее, можно видеть, что они обладают достаточной для решения вопроса точностью.
Эти «приборы», обладая каждый своей индивидуальностью, дают нам неравноточные замеры. Можно, однако, принять, что ошибки этих «приборов» случайны (для совокупности всех веток) и распределены по нормальному закону. Тогда среднеквадратичную ошибку каждого «прибора» — нашей обобщенной ветки — можно оценить, зная «показания» всех веток, входящих в обобщенную ветку. Зная эту ошибку, мы можем вычислить вес измерения, сделанного обобщенной веткой (табл. 1).
Во-вторых, повреждение на ветке, которое располагается вдоль ветки, дает нам не направление на источник излучения, а лишь плоскость, вблизи которой должен быть расположен источник излучения. Эта плоскость проходит через ось ветки под углом к вертикальной плоскости. 19 усредненных веток определяют 19 таких плоскостей.
Таблица 1 Параметры усредненных веток
|
№ пп |
X0, м |
Y0, м |
|
|
|
Вес р |
|
1 |
—740 |
—850 |
—17 |
87 |
0 |
1 |
|
2 |
—740 |
—850 |
—3 |
105 |
0 |
5 |
|
3 |
—740 |
—850 |
13 |
140 |
0 |
1 |
|
4 |
—740 |
—850 |
—26,5 |
11 |
0 |
2 |
|
5 |
—740 |
—850 |
12 |
230 |
0 |
5 |
|
6 |
270 |
2020 |
33 |
235 |
0 |
1 |
|
7 |
2580 |
—5780 |
—44 |
230 |
—15 |
1 |
|
8 |
1500 |
—6800 |
—55 |
260 |
0 |
1 |
|
9 |
1900 |
—7920 |
—13 |
345 |
0 |
1 |
|
10 |
430 |
—4840 |
24 |
55 |
10 |
1 |
|
11 |
50 |
2940 |
-44 |
110 |
0 |
5 |
|
12 |
3560 |
790 |
—22,5 |
165 |
0 |
7 |
|
13 |
3630 |
700 |
—25,5 |
170 |
0 |
1 |
|
14 |
3750 |
1080 |
—34 |
145 |
0 |
7 |
|
15 |
4070 |
0 |
-27 |
215 |
10 |
5 |
|
16 |
6780 |
1020 |
—39,5 |
150 |
0 |
5 |
|
17 |
4160 |
920 |
—26 |
180 |
0 |
1 |
|
18 |
4160 |
920 |
—8 |
205 |
0 |
5 |
|
19 |
4160 |
920 |
22 |
318 |
0 |
5 |
За центр источника излучения мы примем точку, сумма квадратов расстояний которой до этих плоскостей минимальна, т. е.
.
Выведем уравнение плоскости, определяемой веткой. Пусть х, у, z — система координат, связанная с веткой. Ось х направлена вдоль оси ветки от ствола; ось у — вправо, если смотреть с конца ветки; ось z лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось ветки. «Земная» система координат — О, X, Y, Z. Ось X направлена на восток, ось Y — на север, ось Z — вверх.
Уравнение плоскости, проходящей через полюс, в векторной форме записывается так: 
=0.
В системе координат ветки имеем: = {x, y, z}, = {0, -Cos, Sin}.
Отсюда уравнение плоскости в системе координат ветки будет
y Cos - z Sin =0. (1)
Формулы перехода от системы координат ветки к «земной» системе координат легко выводятся из фиг. 7:
x = (X - X0) Sin
Cos
+ (Y - Y0) Cos Cos +Z Sin,
y = - (X - X0) Cos + (Y - Y0) Sin , (2)
z = - (X - X0) Sin Sin + (Y - Y0) Cos Sin +Z Cos.
Подставляя эти формулы в уравнение (1), находим выражение плоскости в земной системе координат:
(X-X0)(CosCos - SinSinSin) - (Y-Y0)(SinCos + CosSinSin) +Z SinCos= 0. (3)
Задача, сформулированная выше, была решена способом наименьших квадратов А. Бояркиной и В. Гороховым на электронной вычислительной машине.
Из 19 условных уравнений была получена система нормальных уравнений:
[paa]x + [pab]y + [pac]z = [pal],
[pab]x + [pbb]y + [pbc]z = [pbl],
[pac]x + [pbc]y + [pcc]z = [pcl],
где [paa]= 28,2, [pcc] = 12,2, [pac] = 10,9, [pal] = 100500, [pcl] = 71300, [pbb] =19,6, [pab] = 2,8, [pbc] = 6,4, [pbl] = 14700.
Фиг. 7. Рисунок к выводу уравнения (2)
Решение этой системы уравнений определяет координаты источника излучения:
Xc= 1800 м, Yc= — 1100 м, Zc= 4800 м.
Ошибки определения координат:
mX= ± 300 м, mY= ± 350 м, mZ= ± 550 м.
Географические координаты этой точки можно определить, зная координаты горы Фаррингтон [2]. Эти координаты такие:
= 60°52',8; 
= 101°55',3; h = 4800 м.
Точка с такими координатами расположена над северными склонами сопок на южном берегу Южного болота.
Таким образом, установлено, что источник излучения располагается на юго-восток от центра вывала [4] на расстоянии более 2 км от последнего, что превосходит ошибку определения местоположения как источника излучения, так и центра вывала.
Энергия световой вспышки Тунгусского взрыва
Данные о расположении источника излучения и об интенсивности повреждений могут быть использованы для оценки энергии световой вспышки Тунгусского взрыва. В литературе мы не встречали экспериментальных данных о величине светового импульса, необходимого для перегрева камбия молодых веток лиственницы. Из известных данных о действии светового излучения ядерного взрыва на различные материалы [6] можно лишь приблизительно оценить величину импульса (Ic), необходимого для нанесения подобных повреждений. Примем, что величина этого светового импульса на уровне почвы вблизи центра находилась в пределах от 5 до 15 кал/см2 [7]. Вычислим энергию световой вспышки для трех коэффициентов поглощения света в атмосфере [7]:
1 = 0,1 км-1 — очень хорошая видимость — 50 км,
2 = 0,4 км-1 — хорошая видимость — 10 км,
3 = 1,0 км-1 — редкий туман — 3 км.
Величины световой энергии, вычисленные по формуле
приведены в табл. 2. В формуле R — расстояние от места взрыва 5,7 км
Таблица 2 Световая энергия Тунгусского взрыва
|
|
| ||
|
0,1 |
0,4 |
1,0 | |
|
5 кал/см2 |
1,2 1021 эрг |
4 1021 эрг |
4 1022 эрг |
(для 2), r — радиус светящейся области, принятый равным 1,7 км. Величина светового импульса, вычисленная для Ванавары, если принять значение светового импульса в эпицентре 15 км/см2, равна 0,0004 кал/см2.
Эта величина значительно отличается от принятой А. В. Золотовым для Ванавары [8].
ВЫВОДЫ
1. Причиной пожара, возникшего в районе эпицентра взрыва 1908 г., послужило световое излучение взрыва. Таким образом, можно считать доказанным, что пожар возник одновременно в пределах большой площади (радиусом более 9 км от места взрыва), в местах, где были благоприятные условия для возгорания облученных материалов (лесной подстилки, сухих веток и т. п.). Световое излучение взрыва вызвало также перегрев и гибель камбия небольших веток лиственниц на той стороне веток, которая была обращена к центру взрыва.
2. Направленность повреждений веток позволила вычислить координаты источника излучения. Довольно высокая точность определения координат позволяет думать, что основным источником излучения послужил взрыв тела в воздухе. Собранные материалы не позволяют оценить влияние светового излучения тела во время пролета в атмосфере перед взрывом, а также не позволяют оценить форму светящейся области. Дальнейший сбор материала о повреждениях, особенно под предполагаемой траекторией пролета тела, позволил бы, вероятно, ответить на эти вопросы.
3. Взаимное расположение центра вывала, координаты которого были вычислены в работе В. Г. Фаста, А. П. Бояркиной, И. Т. Зоткина [4] и центра излучения, координаты которого вычислены в настоящей работе, позволяет предполагать, что траектория тела проходит с юго-востока на северо-запад, что согласуется с юго-восточным вариантом траектории [2]. Для точного установления траектории необходимо учесть влияние ветра на взаимное расположение этих точек.
4. Точность оценки световой энергии Тунгусского взрыва пока еще весьма мала. Проведение экспериментов по световому ожогу веток лиственниц позволит повысить эту точность.
В заключение авторы выражают благодарность всем участникам обора и обработки материалов, которые проделали большую и трудную работу. Без такой помощи обработка материалов затянулась бы на долгое время. Авторы также выражают благодарность начальнику экспедиции К. П. Флоренскому и другим участникам экспедиции за полезные советы.
ЛИТЕРАТУРА
- Л. А. Кулик. Докл. АН СССР, серия А, 23, 1927.
- Е. Л. Кринов. Тунгусский метеорит. Изд-во АН СССР, 1949.
- К. П. Флоренский, Б. И. Вронский и др. Метеоритика, вып. XIX, 1960.
- А. П. Бояркина, Д. В. Дёмин, И. Т. 3откин, В. Г. Фаст. Метеоритика, наст. выпуск, стр. 112.
- И. Вронский. Природа, №3, 1960.
- А. И. Иванов, Г. И. Рыбкин. Поражающее действие ядерного взрыва. Воениздат, 1960.
- К. П. Флоренский, И. Т. 3откин. Природа, № 8, 1962.
- А. В. Золотов. Докл. АН СССР, 136, 1, 1961.