Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

Иванов Борис Федорович

Земли практически без торможения, т. е. со скоростями от 11 до 72 км/с (средняя скорость ударов астероидов около 20 км/с). При ударе образуются сильные ударные волны в мишени и ударнике. Начальная скорость таких волн приблизительно равна половине скорости удара, а давление достигает сотен ГПа. Распространение ударных волн и следующих за ними волн разрежения приводит к образованию ударного кратера.

Не учитывая разницы в плотностях между мишенью и ударником и считая скорость удара равной 20 км/с, можно на основе законов подобия [Holsapple, 1993] построить зависимость размера земного кратера от размера ударника (рис. 8.5). Эта зависимость не является линейной, но в широком диапазоне размеров можно приблизительно считать, что размер конечного кратера примерно на порядок превышает размер ударника. Естественно, что в месте образования кратера давления, температуры и скорости перемещения грунта настолько велики, что нет смысла обсуждать поражающие факторы.

Однако размер этой области невелик по сравнению с размером Земли.

Гораздо большую площадь охватывают выбросы из кратера. Принято считать, что размер сплошного покрова выбросов примерно в 2–3 раза больше размера кратера.

^{Рис. 8.5. Зависимость диаметра комплексного кратера (> 4 км) от диаметра ударника для Земли. Серая линия показывает размер промежуточного кратера, черная — конечного}

Распределение фрагментов выбросов по размерам зависит от размера кратера и скорости выброса. Наиболее крупные километровые фрагменты обычно выбрасываются с небольшой скоростью и падают вблизи вала кратера. Более мелкие фрагменты способны пролететь десятки километров и создать вторичные кратеры в месте падения.

В настоящее время на Земле идентифицировано около 180 ударных кратеров с возрастом от нескольких десятков до 2 млрд лет и с размерами от нескольких метров до 200 км . Крупнейшие земные кратеры — это Вредефорт (~ 200 км, Южная Африка), Садбери (~ 200 км, Канада), Чиксулуб (180 км, Мексика) и Попигай (100 км, Россия). Распределение земных кратеров по размерам показано на рис. 8.6. Уменьшение количества кратеров при увеличении их размера отражает распределение астероидов по размерам, а их уменьшение для малых размеров — экранирующие свойства земной атмосферы. Практически все кратеры размером менее 3 км образованы железными ударниками, а кратеры меньше 1 км обычно сгруппированы в поля рассеяния, т. е. созданы облаком фрагментов, образовавшихся при пролете в атмосфере. Понятно, что распределение на рис. 8.6 не отражает полного количества ударов в земной истории, по крайней мере, по трем причинам: во-первых, большая часть ударов приходится в океан; во-вторых, не все кратеры найдены; в-третьих, кратеры стираются с поверхности Земли в результате активных тектонических процессов, осадконакопления и эрозии.

Детальная картина процессов кратерообразования может быть найдена в ряде работ [Иванов, 1981; Мелош, 1994]. Приведем несколько примеров.

^{Рис. 8.6. Распределение земных кратеров по размерам}

Кратер Метеор (кратер Бэрринджера, США) — первый достоверно идентифицированный земной кратер. Это простой кратер, имеющий чашеобразную форму диаметром 1,2 км и глубиной около 200 м (рис. 8.7). Кратер образовался в результате удара железного астероида размером 50–70 м. Ударник интенсивно разрушался во время движения в атмосфере. Многие фрагменты упали с небольшой скоростью и были позднее найдены вблизи кратера в виде метеоритов Каньона дьявола. Но в среднем струя фрагментов сохранила высокую (> 15 км/с) скорость, поэтому внутри кратера и на его валу найдены кусочки расплава (и мишени, и ударника), а также стишовит и коэсит — фазы высокого давления кварца.

Кратер Рис в Германии (см. рис. 8.8 на вклейке) диаметром около 25 км образовался 15 млн лет назад [St"offler et al., 2002]. Уникальной чертой этого кратера являются его хорошо сохранившиеся выбросы, которые вблизи кратера (на расстояниях до 40 км) образуют двойной слой, а в дальней зоне (200–400 км) переходят в поля рассеяния тектитов. Крупные фрагменты выбросов и блоки обрушения вала (размером до 1 км) находятся между внутренним (10 км) и внешним (25 км) валами кратера.

^{Рис. 8.7. Кратер Метеор (Barringer Meteorite Crater, Arizona). Источник: http://interest-planet.ru/uploads/images/7/e/d/e/10/42855929e7.jpg}

Попигайский ударный кратер диаметром 100 км возник 36 млн лет назад в Восточной Сибири [Масайтис и др., 1998]. Диаметр создавшего его ударника оценивается в 8 км при скорости 15 км/с; начальная кинетическая энергия ударника эквивалентна энергии 2 10⁷ Мт ТНТ. Процесс образования кратера показан на рис. 8.9. Согласно расчетам [Иванов, 2005], переходный кратер

к моменту 200 с после удара достиг диаметра около 50 км и глубины 18 км, которая примерно равна половине толщины земной коры. В дальнейшем за счет коллапса кратера его диаметр увеличился до 100 км, а глубина уменьшилась до 1–2 км. Выбросы из кратера (микрокриститы) найдены на расстояниях в тысячи км — в Атлантическом океане [Kettrup et al., 2003].

Кратер Чиксулуб (Мексика) образовался при ударе астероида размером ~ 12–15 км в шельфовую зону Мексиканского залива 65 млн лет назад. Кратер имеет диаметр 180 км и погребен под километровым слоем осадочных пород. Образование кратера совпадает по времени с массовым вымиранием биоты, хотя причины этого вымирания до сих пор дискутируются (см. раздел 8.6.2).

8.2.2. Сейсмические эффекты. Ударные волны быстро затухают с увеличением расстояния от кратера и переходят в сейсмические. Для оценки амплитуды сейсмических волн можно использовать выражение для максимальной скорости смещения твердой породы U_m, полученное для подземных ядерных взрывов [Родионов и др., 1971]: U_m = 24(q^1/3/R)^1,75, где U_m в см/с, q — энергия в кт ТНТ, R — расстояние в км. Необходимо иметь в виду, что как взрыв на поверхности, так и падение астероида менее эффективны, чем подземный взрыв.

^{Рис. 8.9. Последовательность событий при образовании модельного Попигайского кратера: а — исходное положение сферического ударника и слоистой мишени, б — 23 секунды после удара, переходная полость кратера достигает максимальной глубины около 19 км, в — 115 секунд после удара, коллапс переходной полости (подъем пород в центре за счет оседания бортов) приводит к образованию «переходного холма» высотой до 5 км, глубинные породы под кратером поднимаются выше уровня их исходного залегания, г — 200 секунд после удара, «переходной холм» растекается в поле тяжести, в то время как породы в глубине остановились за счет восстановления нормальной величины внутреннего трения, скорость приповерхностного растекания достигает 200 м/с, д — 300 секунд после удара, движение близко к остановке, е — 400 секунд после удара, кратер приобретает устойчивую конечную форму}

Если мы заменим величину q на 0,1q (т. е. будем считать, что удар в 10 раз менее эффективен, чем взрыв), то на расстоянии 1000 км получим максимальную скорость смещения 6 см/с, если энергия удара составляет 10⁶ Мт. Как следует из анализа разрушения типовых строений [Садовский, Костюченко, 1974], это значение скорости — критическое, так как при более высокой скорости происходит значительное повреждение строений или даже их полное разрушение. Экстраполяция формулы на более крупные удары, по-видимому, некорректна. Тем не менее, в расчетах удара, образовавшего кратер Чиксулуб (энергия удара порядка 10⁸ Мт ТНТ), на расстоянии 300 км от центра кратера получены [Иванов, 2005] максимальные расчетные скорости грунта порядка 10 м/с и смещения 70–80 м, которые неплохо согласуются с предложенной оценкой.

Сравним сейсмический эффект от падения астероида с наиболее разрушительным, катастрофическим землетрясением. Для оценки этого эффекта мы используем величину магнитуды M по шкале Гутенберга — Рихтера [Садовский и др., 1987]: lg E_s = 4,8 + (3/2)M, где E_s — сейсмическая энергия в Дж, причем величина E_s для подземного взрыва составляет приблизительно 0,05–0,1 от полной энергии взрыва. Подобные значения M получаются, если взять величину M = 6,5 для наиболее сильного взрыва на острове Амчитка на Алеутских островах с энергией E = 5 Мт [Gerstl and Zardecki, 1982] и затем использовать указанное соотношение. Для удара с полной энергией 10⁶ Мт, принимая сейсмическую эффективность равной 0,05, по той же формуле получаем M = 9. Землетрясений с такими магнитудами не было зарегистрировано в течение последнего столетия. При землетрясении в Китае, для которого величина M = 8,5, погибло более 100 000 человек, и радиус зоны разрушений был больше 600 км. Это значение M близко к значению, полученному при использовании расчетной максимальной скорости. Для кинетической энергии 10⁶ Мт площадь разрушения при M = 9 увеличивается до 1000 км. В такой зоне могут жить порядка 3 10⁷ человек (при использовании средней плотности населения Земли).