К 90 -летию ТУНГУССКОЙ ПРОБЛЕМЫ:
ГИПОТЕЗЫ
Принципиальная возможность объяснения Тунгусской катастрофы взрывом метано-воздушного облака, инициированного метеоритом, высказана в [Ion Nistor, февраль 1989; май 1989; 1996]. В работе [Николаев, 1998] выдвинута более подробная гипотеза, согласно которой Тунгусская катастрофа 1908г. представляла собой взрыв метано-воздушного облака, инициированного небольшим, относительно медленно и полого летящим каменным или железным метеоритом. Показано, что для этого необходим не уникальный по мощности разовый выброс приблизительно 200 кт метана в атмосферу в виде мощной газовой струи с образованием устойчивого тора. Для инициирования детонации достаточно пролета метеорита размером 3-6 метров со скоростью 1-2 км/с. Метеорит пересек облако метано-воздушной смеси, инициировал детонацию и упал в нескольких десятках километров от эпицентра. Эта гипотеза объясняет все основные характеристики явления: появление серебристых облаков (в том числе и до взрыва), световые, акустические и магнитные явления, отсутствие значительного количества метеоритного вещества в области эпицентра и не противоречит физическим законам.
В настоящей работе проводится дополнительный анализ указанной гипотезы. Уточнены некоторые количественные оценки, приведены данные модельных экспериментов по вывалу и ожогу леса. Представлены результаты численного расчета возможных траекторий метеорита, позволившего отобрать "подходящие" траектории, которые бы не противоречили свидетельствам очевидцев и объективным данным и благодаря этому определено наиболее вероятное место падения метеорита. Как вытекает из расчетов, метеорит следует искать на удалении 20-100 км от эпицентра в местности, изобилующей болотами, что дает все основания предполагать о том, что он не разрушен.
Общая картина явления
Схема события приведена на рис. 1. Хронология события представляется следующей. Начиная с 20-х чисел июня 1908 г. недалеко от будущего эпицентра Тунгусской катастрофы начались прорывы метана в атмосферу. Поскольку метан легче воздуха, он всплыл в верхние слои атмосферы и был перенесен ветрами в западном направлении. При подъеме на высоту выше 120 км, в начале термосферы, где температура повышается до сотен градусов [Хргиан, 1986; Справочник..., 1965; Таблицы..., 1976; Атмосфера..., 1991], метан сгорает с образованием углекислого газа и паров воды. Водяной пар, диффундируя вниз, на высотах ~ 80 км, где температура опускается до 150-170К, сублимируется, образуя серебристые облака. Этим и объясняются аномальные оптические явления, наблюдавшиеся вплоть до Западной Европы за несколько дней до момента падения Тунгусского метеорита [Васильев, 1965; Журавлев, 1994]. За несколько минут до прилета метеорита интенсивность утечки метана возросла, причем процесс носил характер разового выброса массы метана порядка 200 кт. Прорыв газов, вызвавших появление тора, привел к сопутствующему выбросу (и последующему выпадению на землю) древнего подземного углерода возрастом 60 тыс. лет, а также осколков породы типа "камня Джона" и редкоземельных металлов (иттербий) [Журавлев, 1994]. Подземная камера, содержавшая сжатый метан, имела характерный размер порядка 200 м, а диаметр жерла, через которое произошел выброс, был порядка нескольких десятков метров. После выброса жерло и камера были залиты водой, образовавшей впоследствии слой вечной мерзлоты. Поэтому поиск и идентификация жерла и камеры могут быть затруднены. В результате выброса сформировался устойчивый тор, который за время ~ 1 мин. [Действие..., 1963] достиг высоты тропопаузы и завис на высоте 5 - 7 км в зоне инверсии температуры [Хргиан, 1986; Действие..., 1963; Справочник..., 1965; Таблицы..., 1976; Атмосфера..., 1991]. Выброс произошел не вертикально, и наклон гора к поверхности земли, по-видимому, составлял ~ 30°. Точка выброса могла отстоять от центра проекции тора на землю на расстоянии 3-4 км. Внешний диаметр сформировавшегося тора составлял 5-7 км, а поперечное сечение 1-0.8 км. В это время в атмосферу Земли вошел железный (или, что менее вероятно, каменный) метеорит размером порядка нескольких метров, прилетевший из пояса астероидов. Наклон плоскости орбиты метеорита к плоскости эклиптики составлял несколько градусов и его невозмущенная притяжением Земли орбита была практически касательна к орбите Земли. Метеорит был догоняющим. Максимальная скорость его сближения с Землей составляла 12-14 км/с. Догоняя Землю, метеорит пересек плоскость эклиптики с северной стороны, а затем под воздействием притяжения Земли вновь пересек плоскость эклиптики, вошел во взаимодействие с атмосферой, двигаясь по географическому азимуту 295° в районе катастрофы, пересек газовый тор, состоящий из смеси метана с воздухом. При этом его траектория была наклонена под небольшим (до 25°) углом к поверхности земли. Имея скорость 1.5-3 км/с, метеорит пересек тор в нижней точке, вызвал детонацию газа, и, пролетев 20 - 100 км, упал в местности, изобилующей болотами. По-видимому (если метеорит был железный) он не разрушился при падении. Вследствие того, что болота носят мерзлотный характер, метеорит не мог глубоко погрузиться под поверхность земли или болота, и, вероятно, может быть найден без особых трудностей. Вследствие торможения метеорита атмосферой, его поверхность была раскалена до температуры выше температуры плавления. Поэтому с поверхности метеорита имел место срыв жидкой пленки в виде мелких капель размером порядка десятков микрон. Эти частицы после затвердевания были снесены ветром на расстояния в десятки и сотни километров и выпали длинным шлейфом на северо-запад от места катастрофы [Флоренский, 1963, Васильев, 1967, Журавлев, 1994]. Детонация тора вызвала появление ударной волны, что явилось причиной вывала леса. Наклон тора к поверхности земли обусловил вид вывала в виде бабочки [Васильев, 1967; Фаст, 1967; 1976]. Из-за неоднородности состава газа в торе детонационная волна могла иметь различную интенсивность при распространении в разных направлениях, и, по-видимому, волна, распространявшаяся по часовой стрелке (при виде сверху), была более мощной, что обусловило регулярное отклонение вывала от радиального в том -же направлении приблизительно на 5° [Васильев, 1967; Фаст, 1967; 1976]. Максимумы давления лежали на оси симметрии проекции кольца на землю, что и обусловило дополнительное осесимметричное отклонение от радиальности вывала. Ударные волны, возникшие при распространении детонационных волн, при их столкновении между собой и при отражении волны сжатия от земли, создали звуковой эффект нескольких взрывов, а эхо породило последующие громоподобные раскаты [Суслов, 1967, Васильев и др., 1981]. В ближней от проекции тора на землю зоне, после отражения волны сжатия от земли, образовалась волна разрежения, приведшая и к обратному направлению вывала. Даже на больших расстояниях от эпицентра имели место небольшие вихревые зоны, в которых наблюдался беспорядочный вывал деревьев [Фаст, 1967; 1976; Журавлев, 1994]. В указанной ближней от проекции тора на землю зоне хаотически направленный вывал также имел место и присутствовал стоячий ("телеграфный") лес без крон [Васильев, 1967; Журавлев, 1994]. Химический состав газа в торе перед инициированием детонации был неравномерным: во внутренних областях тора ощущался недостаток кислорода. Поэтому при детонации образовалось много сажи, обладающей высокой светимостью при температуре * 3000К. Это вызвало ожог леса [Львов, 1976; Журавлев, 1994], при этом эллипс ожога смещен относительно проекции центра тора вследствие наклона тора к поверхности земли. В результате взрыва образовалось облако огня и дыма [Коненкин, 1967; Васильев и др., 1981], постепенно догорающего по мере поступления кислорода при смешении с воздухом. Образовавшийся при взрыве водяной пар, даже после остывания имея плотность существенно ниже плотности воздуха, в течение нескольких минут [Действие..., 1963] всплыл в верхние слои атмосферы. Затем, в зоне очередной инверсии температуры (начато термопаузы, высота 80 - 100 км [Хргиан, 1986]), паровое облако расплылось, расширившись в сотни миллионов раз, и накрыло площадь, соизмеримую с площадью поверхности Земного шара. Сублимация водяных паров вызвала появление серебристых облаков вплоть до Западной Европы [Васильев, 1965; Журавлев, 1994]. Очень мелкие частицы недогоревшего углерода могли достигнуть за счет регулярных ветров Калифорнии и обусловить возможность помутнения там атмосферы (данные обсерватории Маунт - Вильсон [Журавлев, 1994]). При всплытии продуктов детонации тора D (высота 50 - 90 км) и Е (высота 90 - 140 км) слои ионосферы были просто смыты, что обусловило возникновение кратковременной магнитной бури [Журавлев, 1994]. Начало магнитной бури произошло после всплытия основной массы водяных паров (за время порядка нескольких минут [Действие..., 1963]), что обусловило задержку начала магнитной бури относительно момента взрыва [Журавлев, 1994].
Рис. 1. общая схема Тунгусской катастрофы.
1 - метеорит; 2 - газовый тор (метано-воздушная смесь); 3 - место падения метеорита; 4 - газовая камера; 5 - поверхность земли.
Моделирование и анализ явления
Наличие метана в районе взрыва неудивительно вследствие геологического строения Тунгусской синеклизы вообще и Куликовского палеовулкана в частности (месторождения и проявления угля и углеводородов) [Сапронов, 1975, 1988; Тунгусский..., 1977].
Согласно имеющимся численным оценкам, например [Коробейников, 1983, 1990], взрыв произошел на высоте нескольких километров и имел эффективную энергию порядка 10 Дж. Эти параметры были определены по характеру вывала и ожога леса. Такой энергии соответствует взрыв приблизительно 200 кг метана [Щетинков, 1965]. При стехиометрическом смешении такого количества метана с воздухом на высоте нескольких километров взрывчатая смесь будет иметь объем порядка 10 км3, и, соответственно, размер порядка 2 км.
Как отмечено в работе [Николаев, 1998], важно, что эпицентр взрыва находился над кальдерой древнего вулкана. Она образовалась при оседании вулкана в пустоты, возникшие на заключительной стадии извержения вулкана. Часть пустот могла сохраниться и быть герметизирована слоем вечной мерзлоты. Подобные камеры в угольных пластах, как правило, заполнены метаном. Прорывы газов, вероятнее всего, происходят летом при оттаивании ледяной "пробки". Характерная величина давления в газовых скважинах составляет 100 атм. Следовательно, размеры камеры, содержащей указанное количество метана, должны быть порядка 200 м. Это количество газа невелико, так как составляет всего трехмесячный свободный дебит мощной скважины. При таком давлении поток газа был звуковым [Станюкович, 1971], а поперечный размер жерла, обеспечивающего истечение указанного количества газа из камеры в течении нескольких минут, должен составлять десятки метров. Самопроизвольные мощные выбросы подземных газов вполне возможны и показательными примерами таких явлений служат подобный по мощности Тунгусскому выброс углекислоты в Камеруне [Эттингер, 1988] и существование Патомского кратера (Иркутская область) [Кандыба, 1967]. "Кратер мог образоваться только в результате прорыва со значительной глубины газов или паров, которые... пробили цилиндрическую трубку в участке, ослабленном тектоническими разломами" [Обручев, 1951]. И только мощным разовым выбросом метана можно объяснить такой загадочный феномен, как "Сибирская тьма", имевший место в начале осени 1938 г. [Емельянов, 1967; 1976]. Тогда на севере Сибири произошло обширное "затмение": высоко в небе образовалось круглое облако размером около 300 км, местами абсолютно черное, местами красно-желтое. Перенос пепла от далеких лесных пожаров исключается, так как появление подобного облака не могло быть внезапным и его путь неминуемо был бы прослежен от места возникновения. Вторжение в атмосферу облака космической пыли остается лишь ничем не подкрепленной гипотезой. Облако просуществовало всего несколько часов и почти полное потемнение на земле сменилось временным просветлением, а затем вторичным потемнением. Это загадочное явление легко объяснить мощным разовым выбросом метана. Возникший тор не встретил на пути подходящего метеорита, и, сильно расширяясь, благополучно всплыл наверх. Достигнув термосферы на высоте порядка 120 км, где температура достигает нескольких сот градусов и воспламеняется атмосферный водород [Николаев, 1997], он также воспламенился. Из-за недостатка кислорода при горении образовалось много сажи, постепенно догорающей по мере притока воздуха. Причудливая смена освещенности на земле связана с горизонтальным движением кольца. Скорость перемещения составляла 100 км/ч, что вполне можно объяснить ветрами.
Рис.2. Структура фронта детонации в газах (волна распространяется снизу вверх) [Васильев А. и др., 1987]. ------- ударные и детонационные фронты; ---- фронты горения; - - - - следы движения поперечных волн; в круге - соударение поперечных волн.
Для определения возможных траекторий метеорита решалась обратная задача. Задавались угол и скорость встречи метеорита с поверхностью Земли. Задача решалась в два этапа. На первом этапе численно решалась двумерная задача. Учитывались: притяжение метеорита к Земле и ее вращение вокруг своей оси, аэродинамическое сопротивление движению метеорита в атмосфере и зависимость ее плотности от высоты, возможность дробления метеорита. На втором этапе (при высоте полета метеорита над Землей выше 180 км) численно решалась трехмерная задача, использующая в качестве начальных данных результаты расчетов первого этапа и учитывающая притяжение метеорита к Солнцу и Земле, а также движение Земли вокруг Солнца. В соответствии с рассматриваемой гипотезой явления ось симметрии вывала и ожога леса Рис. 2 зависит только от ориентации тора, а не от направления полета метеорита. Следовательно, определение азимута полета должно основываться преимущественно на показаниях очевидцев. Поэтому мы использовали в расчетах географический азимут 295° [Васильев, 1967]. Учитывались также широта и долгота эпицентра, дата и время суток падения метеорита. Из всех возможных в качестве наиболее вероятных были выбраны траектории, удовлетворяющие следующим условиям:
- высота траектории в эпицентре взрывасоставляла 5 - 7 км;
- высота полета на расстоянии 300км от эпицентра не превышала 100 км (чтобы метеорит был наблюдаем);
- метеорит не испытал распада до соприкосновения с Землей;
- невозмущенная плоскость орбиты метеорита имела небольшой наклон к плоскости эклиптики и перигей и апогей, характерные для метеоритов из пояса астероидов (прилет метеорита из-за пределов Солнечной системы мало вероятен).
Рис. 3. Теневая фотография фронта детонации (волна распространяется снизу вверх) [Субботин, 1975J.
Дополнительно на характерный размер метеорита и его скорость в момент встречи с газовым тором накладывались ограничения снизу: они должны были быть достаточны для инициирования детонации. При этом область, занятая взрывчатой смесью, должна иметь такие геометрические размеры, чтобы детонационная волна не затухла. Поясним это более подробно.
Рис. 4 Следовой отпечаток, образующийся на закопченой стенке плоского канала после прохождения детонации. Метано-воздушная смесь. Волна прошла слева направо [Ульяницкий, 1980].
Детонационная волна представляет собой комплекс из ударной волны и зоны горения, разделенных зоной индукции, тепловыделение в которой практически отсутствует и идет экспоненциальное нарастание числа активных центров химической реакции. Зона индукции всегда неустойчива. В ней возникают поперечные волны, столкновение которых эквивалентно микровзрывам, порождающим новые поперечные волны. В результате фронт детонационной волны распространяется в пульсирующем режиме, а характерный поперечный размер неоднородностей фронта носит название размера ячейки, величины, наиболее универсальным образом отображающей кинетические и детонационные свойства смеси [Васильев А., Николаев, 1976; 1977; Васильев А. и др., 1977: Vasiliev A.. 1978].
Рис. 5 Выход детонационной волны из узкого плоского канала в широкий [Войцеховский и др., 1963). Фотография на неподвижную пленку.
На рис. 2 изображена структура фронта детонации в газах. На рис. 3 приведена характерная теневая фотография фронта детонации. На рис. 4 приведен следовой отпечаток, образующийся на закопченной стенке плоского канала после прохождения детонации в метано-воздушной смеси. Тройные точки сопряжения фронта детонационной волны и поперечной волны рисуют на саже характерную ячеистую структуру, откуда и произошло название: ячейка детонации. Размер ячейки определяет такое важное свойство детонирующей смеси, как минимальный размер свободной струи взрывчатого газа, по которой может распространяться самоподдерживающаяся детонация. Этот минимальный диаметр для всех смесей равен и 60 размерам ячеек [Васильев А., 1986; 1987]. Размер ячейки приблизительно обратно пропорционален давлению [Васильев А., Николаев, 1976, 1977; Васильев А. и др., 1977;Vasiliev A., 1978: Васильев А.. 1987]. Для метано-воздушной стехиометрической смеси при нормальном давлении размер ячейки приблизительно равен 30 см [Васильев А., 1987]. На высоте 5 - 7 км вследствие уменьшения давления он должен увеличиться до величины ~ 1м. Следовательно, для возможности распространения детонации по тору его толщина должна быть не менее 60 м, что в нашем случае заведомо выполняется. Размер ячейки также определяет минимальный размер и скорость быстролетящего тела, способного инициировать детонацию. Если детонация инициируется у переднего торца тела, летящего приблизительно со скоростью 0.6D0. (Do- скорость детонации), то эффект быстролетящего тела эквивалентен цилиндрическому инициированию детонации. При распространении детонации в радиальном направлении от траектории тела она ведет себя так-же, как при выходе детонации из плоского канала малой ширины в значительно более широкий канал (рис. 5). При этом для того, чтобы детонационная волна не затухла, необходимо, чтобы ширина узкого канала превышала 6 размеров ячейки [Васильев А., 1987]. Если скорость тела больше 0.6D0 , то из энергетических соображений следует, что минимальный размер тела уменьшается пропорционально его скорости. Скорость детонации стехиометрической метано-воздушной смеси составляет «1.8 км/с, а скорость газа за фронтом волны ~ 1 км/с [Николаев, Топчиян, 1977]. Следовательно, при скорости тела ~ 1 км/с его минимальный размер, обеспечивающий инициирование детонации в торе должен быть не менее 6м, а при скорости 2 км/с - не менее 3 м. Мы использовали для оценок свойства стехиометрической метано-воздушной смеси, поскольку по сечению тора состав смеси меняется от очень бедной до сильно переобогащенной, а метеорит, пересекая тор, неминуемо пересечет область стехиометрии. Возникшая детонация может, распространяясь по тору, затухнуть, если в результате каких-либо неоднородностей химического состава размер легко детонирующей области станет меньше 60м. Это может привести к несимметричному взрыву тора и преимущественной закрутке потока продуктов детонации. Этим может быть объяснено наличие регулярного отклонения вывала от радиальности.
|
|
|
Численные расчеты траекторий показали, что размеры металлических и каменных (с на порядок меньшей прочностью) метеоритов с "подходящими" (то есть удовлетворяющими приведенным выше ограничениям) тра екториями должны составлять 3-15 метров. Для каждого размера метеорита существует область допустимых значений скорости и угла встречи с поверхностью Земли. На рис. 6 приведена область указанных допустимых значений для железного трехметрового метеорита. Отметим, что внутри этой области "подходящие" точки перемежаются с не 'подходящими". Очень небольшое смещение параметров внутри этой области приводит к очень существенному изменению размеров орбиты. Вблизи любой из точек существуют такие, для которых орбита соответствует орбите метеоритов из пояса астероидов. Характерная расчетная "подходящая" орбита трехметрового железного метеорита приведена на рис. 7 (угол и скорость встречи метеорита с поверхностью Земли соответствуют точке 1 на рис. 6). Видно, что плоскость орбиты слабо наклонена к плоскости эклиптики, а в точке встречи орбиты метеорита и Земли практически касаются друг друга. Можно показать, что если бы приведенная орбита метеорита была такой с начала его возникновения, то его возраст не мог превышать 100000 лет. По-видимому, исходная невозмущенная орбита имела существенно другой наклон к эклиптике и претерпевала изменения каждые 100000 лет при опасном сближении с Землей. Участки трех характерных 'подходящих" траекторий движения трехметрового железного метеорита, параметры орбит которых соответствуют точкам 1 - 3 на рис. 6, приведены на рис. 8-10. Видно (рис. 9), что с точки зрения возможности наблюдения метеорита траектория 1 является более вероятной (как самая низкая), что свидетельствует в пользу низкоскоростного метеорита. Из рис. 10 следует, что в этом случае место падения метеорита находится на расстоянии 20-30 км от проекции на Землю точки инициирования детонации. Как следует из расчетов, более крупные метеориты могли упасть и дальше, но не далее 100 км. Области вероятного падения железных и каменных метеоритов мало отличаются друг от друга.
|
Рис. 8 Характерные "подходящие" траектории метеорита при подлете к Земле. 4 - поверхность Земли. |
Рис. 9 Характерные зависимости высоты Н полета метеорита от расстояния L между проекциями на Землю центра тора и метеорита. Точка инициирования детонации находится на высоте 6 км. |
При расчете траектории полета метеорита предполагалось отсутствие его вращения. Тем не менее, его возможное вращение может существенно исказить траекторию. Поперечное ускорение at цилиндра радиуса Rm и плотности рm, вызванное силой Магнуса, равно: ах = 2VUp/Rmpm, где U - скорость цилиндра относительно воздуха плотности р, V = fi Rm, fi - угловая скорость вращения. Максимально возможная величина Vmxi, при которой еще не происходит разрушение тела, равна Vmm = (2сm/рm)1/2 , где сm - предел прочности. В частности, для железного метеорита Vmax.~ 250-300 м/с. При максимальной скорости вращения железный метеорит размером Зм, летящий со скоростью 10 км/с на высоте 10 км будет иметь поперечное ускорение около 3g, где g - ускорение свободного падения. Следовательно, если ось вращения метеорита параллельна земле и перпендикулярна траектории, то он может планировать за счет подъемной силы. Не исключен даже набор высоты. Если тело имело неправильную форму, то вращение, создающее подъемную силу, могло возникнуть самопроизвольно при входе метеорита в атмосферу и поддерживаться при его движении (наглядным аналогом такой ситуации может служить свободное падение в воздухе узкой полоски бумаги). Если ось вращения метеорита перпендикулярна земле, то проекция траектории движения будет изгибаться, причем радиус кривизны равен: RKp = U2 /а1, и для рассматриваемого случая составляет 3000 км. На расстоянии 500 км траектория может изменить свое направление примерно на 10°. При более низких высотах полета RKp. может быть еще меньше за счет увеличения плотности воздуха. За счет самораскрутки не исключено дробление метеорита на несколько частей. Но судя по тому, что метеорит наблюдался один, его разрушения за счет самораскрутки не было и существенный маневр метеорита за счет силы Магнуса был маловероятен.
|
Рис. 10 Заключительные участки «подходящих» траекторий (обозначения как на рис. 9). Высота точки инициирования детонации принималась равной 5 и 7 км. |
Рис. 11 Фотография общего вида модельного эксперимента по вывалу леса. |
При полете метеорита его поверхностный слой расплавляется и с расплавленной части начинается срыв жидкости. При этом толщина срываемого слоя практически не зависит от толщины расплавленного слоя и может быть найдена из соотношений: We = (Re)1/2 , где We = рU2d/2s, Re = рUd/m, a p, U и m - плотность, скорость и вязкость обтекающего газа, s -коэффициент поверхностного натяжения жидкости, d -толщина срываемого слоя [Борисов, 1981]. Пленка сорванной жидкости из-за сил поверхностного натяжения распадается на капли размером порядка нескольких 5, которые при застывании образуют шарики. Подставляя характерные значения величин: s =1.84 Дж/м2, m = 2.1 10-5кг/м [Таблицы... Л 976], скорость метеорита в районе эпицентра 2 км/с, плотность газа на высоте 6 км: р = 0.7 кг/м3 и учитывая сжатие газа за ударной волной ~ в 6 раз получим d ~ 0.1 мм. Размер капель обратно пропорционален pU3, и, как показывают наши расчеты, вдоль траектории изменение плотности и скорости в значительной степени компенсируются. Отсутствие явно выраженного шлейфа шариков, выпавших до эпицентра взрыва [Флоренский, 1963; Васильев, 1967; Журавлев1994], связано, по-видимому, с их рассеиванием с большей высоты. Подчеркнем, что само наличие шлейфа магнетитовых металлических частиц размером порядка 0.1 мм говорит в пользу того, что Тунгусский метеорит был металлическим и низкоскоростным.
Рис. 12 Фотография общего вида вывала в эксперименте. Вид сверху. Ось симметрии эксперимента проходит посредине рисунка - вправо. Нижняя часть кольца располагалась слева.
Возможность получения при взрыве газового тора вывала в виде бабочки была проверена нами посредством модельного эксперимента. Тор имитировался незамкнутым кольцом из пяти детонирующих шнуров. Общая масса взрывчатки в шнурах составляла 25 г, масса взрывчатого вещества в капсюле детонаторе равнялась 1.5 г. Детонатор располагался в нижней части кольца. Разрыв в связке детонирующих шнуров составлял около 2 см. Детонация обегала кольцо по часовой стрелке. Скорость детонации приближенно равнялась 7 км/с. Диаметр и средняя высота кольца над поверхностью составляли 15 см и 19 см соответственно. Наклон плоскости кольца к горизонтали составлял 30°. Лес имитировался вертикально стоящими медными проволочками высотой 3 см и диаметрами 2.7 мм и 0.5 мм, расположенными в шахматном порядке (30x30 ячеек) с шагом 5 см. Общий вид эксперимента по вывалу леса представлен на рис. 11.
При выборе геометрических характеристик эксперимента мы исходили из того, чтобы на расстояниях от эпицентра, соответствующих границам вывала, избыточное давление в модельном эксперименте и при Тунгусской катастрофе имели один порядок величины. Для увеличения точности определения направления вывала кроны не имитировались. Диаметр тонких проволочек подбирался таким, чтобы отклонение на расстояниях, характерных границе вывала, было невелико, но достаточно для измерения Диаметр толстых проволочек подбирался таким, чтобы можно было имитировать вывал толстых деревьев и улучшить точность измерений в прилегающей к эпицентру зоне.
Рис.13 Фотографии центральной части вывала в эксперименте. Вид сбоку. Нижняя часть кольца располагалась слева. Фото б сделано с большего расстояния
Результаты эксперимента показаны на рис. 12,13. Характерные виды изгибов проволочек представлены на рис. 4 (взрыв за пределами рисунка слева). Предварительные результаты обработки эксперимента нанесены на рис. 15 (геометрические размеры модельного эксперимента приведены в пересчете на масштабы Тунгусского вывала). Видно (рис. 12), что имеет место приблизительно радиальный характер вывала. Вблизи центральной части вывала (область внутри кривой 2 на рис. 15) толстые проволочки практически не отклонились (рис. 12,13; рис. 14, вид 1а). Это является аналогом "телеграфного" леса Тунгусского вывала. Тонкие проволочки внутри несколько превышающей область "телеграфного" леса зоны (ограничена снаружи кривой 3 на рис 15) имеют "обратное" (то есть направленное к центру) направление вывала (рис. 12, 13; виды 1,2 на рис. 14). В более удаленных от центра зонах направление проекции тонких проволочек на землю меняется на противоположное. При этом тонкие проволочки в зоне, ограниченной кривыми 3 и 5 на рис. 15, имеют характерный загиб на конце: верхняя часть проволочек загнута в направлении центра (рис. 13; форма 3 на рис. 14). Аналогичную форму имеют и толстые проволочки внутри зоны "обратного" вывала (форма 2а на рис. 14). Это связано с последовательным действием на проволочки волн сжатия и разрежения, а также с воздействием отраженной от земли волны сжатия при Маховском характере отражения [Баженова, 1976; Станюкович, 1971]. Таким образом, область, ограниченная снаружи кривой 5 на рис. 15 является в условиях нашего эксперимента областью заметной волны разрежения. В более удаленной от центра вывала зоне (лежит вне кривой 5 на рис. 15) указанные загибы отсутствуют, причем по мере удаления к периферии вывала наклон тонких проволочек постепенно уменьшается (формы 4,5 на рис. 14). Уменьшается и величина наклона толстых проволочек (формы За, 4а на рис. 14), причем кривая 4 на рис. 15 служит внешней границей их вывала, снаружи которой толстые проволочки не деформированы (форма 5а на рис. 14).
Рис. 14 Виды изгибов проволочек. Цифры без индекса относятся к тонким проволочкам, цифры с индексом - к толстым.
Из рис. 15 видно, что модельная картина вывала по размерам приблизительно соответствует реальной и по форме напоминает бабочку. Отметим, что даже на относительно больших расстояниях от центра (на границах "бабочки") имеются небольшие зоны завихренности (на рис. 15 не показаны), дающие беспорядочный вывал. Следует также отметить, что имеется направленное от оси АВ (рис. 15) отклонение вывала от радиальности. В нашем модельном эксперименте общая закрутка потоков продуктов детонации имитировалась путем установления зазора между детонатором и одним из концов тора (детонация по кольцу шла только в одном направлении). Но в связи с тем, что эффект подкрутки потока из-за слишком большой скорости детонации в детонирующем шнуре ( ~7 км) был незначителен, при предварительной обработке результатов регулярного отклонения от радиальности обнаружено не было.
Таким образом, данный эксперимент показывает, что основные характеристики вывала леса при Тунгусском взрыве вполне соответствуют взрыву газового тора. Результаты подробной статистической обработки рассматриваемого модельного эксперимента будут опубликованы позднее.
Рис. 15 Предварительные результаты эксперимента по вывалу леса. АВ - ось симметрии эксперимента. Нижняя часть кольца располагалась слева. 1 - проекция кольца на землю; 2 - граница области «телеграфного леса»; 3 - граница области обратного вывала тонких проволочек; 4 - граница вывала толстых проволочек; 5 - внешняя граница области заметной волны разрежения.
Для моделирования картины ожога леса был проведен следующий эксперимент (рис. 16). Посредством фотодиода измерялась зависимость освещенности J. горизонтальной поверхности от расстояния и направления. Источником света служил светящийся тор, изготовленный из полупрозрачного кабеля с расположенными внутри лампочками. Средняя высота над уровнем датчика и внешний диаметр тора равнялись 5 см, диаметр кабеля -1.25 см. Угол между плоскостью тора и горизонтальной поверхностью составлял 30°. При измерениях чувствительная область фотоприемника располагалась либо горизонтально, либо под углом, обеспечивающим максимальный сигнал. На рис. 17 приведены кривые равной освещенности, а также проекция кольца на землю и граница ожо га по расчетам [Коробейников, 1983, 1990] (этим расчетам соответствует горизонтальная ориентация датчика). Координаты модель ного эксперимента также пере считаны на реальные. Видно, что области ожога в первом приближении представляют собой круги со смещенными центрами, что удовлетворитель но соответствует реальной кар тине ожога при Тунгусском взрыве.
Рис. 16 Фотография общего вида модельного эксперимента по ожогу леса
Продуктами полного сгорания метана являются углекислый газ и водяной пар, причем, как следует из уравнения реакции, масса водяного пара М составит 225М0 (где М0 - масса сгоревшего метана), или 450 кг. Если это количество водяного пара сублимируется в мезопаузе в кристаллы льда размером d порядка 1 мкм, то число таких кристаллов N будет равно: N= бМ/пр^, где рл - плотность льда, а их суммарная площадь поверхности равна: Ss = Nncf./A. Если эти кристаллы равномерно распределить над поверхностью Земли, то средняя отражающая способность серебристых облаков, образованных такими кристаллами составит отношение половины Sz к площади поверхности Земли: ц= 0.5Ss /4nR32 ~0.7-10-3 (здесь R3 - радиус Земли). Величина ц характеризует долю отраженного солнечного света, то есть яркость серебристых облаков при сделанных предположениях составит 0.7-10-3 яркости Солнца, что более чем на два с половиной порядка превышает яркость Луны [Таблицы..., 1976]. Подобная яркость серебристых облаков имеет место при их обычном образовании, вызванном горением водорода в термосфере. Образующийся при этом пар, диффундируя вниз, на высоте мезопаузы при флуктуационных уменьшениях температуры сублимируется, образуя серебристые облака с отражающей способностью ц = 4-10-3. Такой механизм образования серебристых облаков предложен и обоснован нами в [Николаев, 1997]. Наличие широкого спектра размеров указанных кристаллов уменьшает яркость серебристых облаков в видимом спектральном диапазоне, а повышенная концентрация водяного пара вдоль траектории ветров приводит к увеличению их яркости. Следовательно, наличие серебристых облаков над Евроазиатским материком вполне может объясняться сгоранием метана, выброшенного во время Тунгусской катастрофы. Отметим важную роль собственно взрыва метана. Только благодаря ему продукты сгорания метана могли достигнуть мезосферы.
Таким образом, идентификация Тунгусской катастрофы со взрывом метано-воздушного облака, инициированного небольшим медленно летящим метеоритом не противоречит известному фактическому материалу и объясняет все особенности явления.
Рис. 17 Результаты эксперимента по ожогу леса. АВ - ось симметрии. Нижняя часть кольца располагалась слева. 1 - проекция кольца на горизонтальную плоскость. Кривые равной освещенности: 2 - Юшах= 0.8, 3 - J/Jmax= 0.5, 4 - J/Jmax = 0.2; А - горизонтальная ориентация фотоприемника, Б - ориентация фотоприемника на максимальный сигнал. 5 -расчет В. П. Коробейникова и др. [Коробейников и др., 1983; 1990] кривой равной освещенности (соответствует горизонтальной ориентации фотоприемника и J/Jmax - 0.3). особенности явления.
Литература
Атмосфера: Справочник (справочные данные, модели)/Под ред. Ю. С. Седунова и др.- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
Баженова Г. В., Гвоздева Л. Г. и др. Нестационарные взаимодействия ударных и детонационных волн в газах,- М.: Наука, 1976.- 208с.
Борисов А. А., Гельфанд Б. Е., Шерпанев С. М., Тимофеев Е. И. О механизме смесеобразования за ударной волной, скользящей по поверхности жидкости // Физика горения и взрыва.- 1981.- Т. 17,- № 5,- С. 86-93.
Васильев А. А., Зак Д. В. Детонация газовых струй // Физика горения и взрыва.- 1986. -Т. 22,- № 4.- С. 82-88.
Васильев А. А. , Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Детонационные волны в газах // Физика горения и взрыва. -1987.- Т. 23,- № 5.- С. 109-131.
Васильев А. А., Николаев Ю. А. Модель ячейки многофронтовой газовой детонации // Физика горения и взрыва.- 1976.- Т. 12,- № 5.- С. 744-754.
Васильев А. А., Николаев Ю. А., Ульяницкий В. Ю. Расчет параметров ячейки многофронтовой газовой детонации // Физика горения и взрыва.-1977.- Т. 13,- № 3.- С. 404-408.
Васильев А. А., Николаев Ю. А. О модели ячейки многофронтовой газовой детонации // Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация.- Черноголовка, 1977.
Васильев Н. В., Журавлев В. К. и др. Ночные светящиеся облака и оптические аномалии, связанные с падением Тунгусского метеорита. - М.: Наука, 1965. - 111с.
Васильев Н. В., Журавлев В. К. и др. Современное состояние проблемы Тунгусского метеорита // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Томск, ун-та, 1967.-Выл 2,- С, 5-20.
Васильев Н. В., Ковалевский А. Ф. и др. Показания очевидцев Тунгусского падения.- Томск, 1981.- 305с- Деп. в ВИНИТИ 24.11.81, №5350-81.
Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Структура фронта детонации в газах.- Новосибирск: Изд-во АН СССР, 1963.-168с. Действие ядерного оружия.- М.: Военное изд-во Минобороны, 1963.- 684 с.
Емельянов Ю. М. О загадочной "Сибирской тьме" 18 сентября 1938 года // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Том. ун-та, 1967,- Вып. 2.- С. 210-217.
Емельянов Ю. М. О распространении "Сибирской тьмы" // Вопросы метеоритики. Проблема Тунгусского метеорита/Изд-во Том. ун-та, 1976.-С. 168-169.
Журавлев В. К., Зигель Ф. Ю. Тунгусское диво.- Новосибирск: ЦЭРИС, 1994.- 465c.
Ion Nistor // Lumea (The World) journal. Bucharest, Romania. 16 February, 1989
Кандыба Ю. Л., Болесто Ю. Ф. и др. Экспедиция на Патомский кратер // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Том. ун-та, 1967,- Вып. 2,- С. 218-220.
Коненкин В. Г. Сообщения очевидцев о Тунгусском метеорите 1908 года // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Томск, ун-та, 1967.- Вып. 2,- С. 31-35.
Коробейников В. П., Путятин Б. В. и др. Об эффектах излучения в условиях неоднородной атмосферы при Тунгусском явлении // Метеоритные и метеорные исследования.- Новосибирск.: Наука, Сибирское отделение. 1983.-С. 5 - 24.
Коробейников В. П., Чушкин П. И. и др. Тунгусский феномен: газодинамическое моделирование. // Следы космических воздействий на Землю.-Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1990.- С.59-79.
Львов Ю. А., Васильев Н. В. Лучистый ожог деревьев в районе падения Тунгусского метеорита // Вопросы метеоритики. Проблема Тунгусского метеорита /Изд-во Томск, ун-та, 1976,- С. 53-57
Николаев Ю. А. Гипотеза о природе Тунгусского метеорита // Физика горения и взрыва.- 1998.- Т. 34, № 1.- С. 120-122.
Николаев Ю. А., Топчиян М. Е. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах // Физика горения и взрыва.-1977.- Т. 13,- № 3,- С. 393-404.
Николаев Ю. А., Фомин П. А. О природе серебристых облаков и озонного слоя Земли // Физика горения и взрыва,-1997,- Т. 33,- № 4.- С. 3-13.
Обручев С. В. Загадочный кратер на Патомском нагорье // Природа.-1951,- № 2.
Сапронов Н. Л., Соболенко В. М. Некоторые черты геологического строения Куликовского палеовулкана нижнетрастового возраста // Проблемы метеоритики.- Новосибирск: Наука, Сибирское, отделение, 1975.- С. 13-19. Сапронов Н. Л.,
Соболенко В. М. и др. Палеовулканические реконструкции мезозоя Сибирской платформы (на примере Южно - Тунгусской вулканической области) // Палеовулканологические реконструкции палеозоя Сибири.-Новосибирск, 1988-С. 12-24
Справочник по геофизике.- М.: Наука, 1965- 572с.
Станюкович К. П. Неустановившиеся движения сплошной среды.- М.: Наука, 1971.- 856с.
Субботин В. А. Два типа структуры поперечных волн в многофронтовой детонации // Физика горения и взрыва.- 1975.- Т. 11,- № 1- С. 96-102.
Суслов И. М. Опрос очевидцев Тунгусской катастрофы в 1926г. // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Томск, ун-та, 1967.Вып. 2,- С. 21-30.
Таблицы физических величин: Справочник/ Под ред. И. К. Кикоина.- М.: Атомиздат, 1976,- 1008с.
Тунгусский угольный бассейн // Большая советская энциклопедия.-1977- Т. 26,- С. 897-898.
Ульяницкий В. Ю. Пульсации в процессах газовой детонации. Автореф. дис. канд физ.-мат. наук .- Новосибирск, 1980,- 123с.
Фаст В. Г. Статистический анализ параметров Тунгусского вывала // Проблема Тунгусского метеорита/ Изд-во Томск, ун-та, 1967.-Вып. 2,- С. 40-61
Фаст В. Г., Баранник А. П., Разин С. А. О поле направлений повала деревьев в районе падения тунгусского метеорита // Вопросы метеоритики. Проблема Тунгусского метеорита /Изд-во Томск, ун-та, 1976.- С. 39-52.
Флоренский К. П. Предварительные результаты Тунгусской метеоритной комплексной экспедиции 1961г. // Метеоритика-1963.-Вып. 23,- С. 3-29.
Хргиан А. X. Физика атмосферы.-М.: изд-во Моск. Ун-та, 1986.- 328с.
Щетинков Е. С. Физика горения газов.- М.: Наука, 1965.- 739с.
Эттингер И., Боярский В. Две катастрофы - одна гипотеза // Наука и жизнь.-1988.- № 2.- С. 94-95.
Ion Nistor // Lumea 89 (The World 89) almanac. Bucharest, Romania. 15 May, 1989.
Ion Nistor. Tunguska - The "gas pouch" hypothesis // Internal Workshop Tunguska 96. Program. Abstracts. Participants. Bologna (Italy), July 14-17, 1996.
Vasiliev A. A., Nikolaev Yu. Closed theoretical model of detonation cell // Acta Astronautica.- 1978,- Vol. 5- P. 983-996.