Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра

Иванов Борис Федорович

Вопрос о сейсмической эффективности удара (доле кинетической энергии ударника, переходящей в энергию сейсмической волны) далек от своего разрешения. Согласно экспериментальным данным [Schultz and Gault, 1975], эта величина лежит в диапазоне 10^{– 5}–10^{– 3}. В работах [Мелош, 1994] и [Collins et al., 2005] берется некоторое среднее значение эффективности и конечное выражение для магнитуды выглядит следующим образом: M = (2/3) lg E — 5,87. Для E = 10⁶ Мт = 4 10²¹ Дж получаем M = 8,5, т. е. несколько меньше, чем раньше.

Воздействие сейсмических волн на здания, сооружения, инициирование ими оползней, лавин и т. д. существенно зависит от расстояния до эпицентра, локальной и региональной геологии. Для учета этих факторов вводится понятие балльности или

эффективной магнитуды [Collins et al., 2005]. Вообще говоря, возможность использования данных по землетрясениям для случая ударов космических тел не является очевидной, так как, во-первых, вычисленные магнитуды обычно намного выше магнитуд сильнейших землетрясений и, во-вторых, приведенные зависимости различны для разных районов Земли, что связано с существенной гетерогенностью земной коры.

Если характерный размер зоны разрушения порядка 10 км, то на распространение волны и развитие такой зоны влияет слоистая структура Земли с характерным вертикальным масштабом в несколько км и даже десятков км. Согласно данным, приведенным в работе [Краснопевцева, Щукин, 2004], в отдельных районах Северной Евразии скорость продольных волн V_p возрастает с глубиной от значений~ 5 км/с в верхних слоях до 7 км/с на глубине~ 40 км (граница Мохоровичича). В других районах имеют место промежуточные слои (на глубинах, скажем, 15–20 км) с пониженной скоростью V_p. В третьих районах такой слой располагается на глубинах 25–30 км или, наоборот, слои с повышенными значениями V_p имеются на глубинах 20–25 км. Таким образом, могут возникать эффекты волноводного распространения сейсмических волн. Наконец, в действительности эти низкоскоростные и высокоскоростные слои неоднородны по горизонтали из-за разбиения земной коры на отдельные блоки [Кочарян, Спивак, 2003].

Блочная структура земной коры существует во всех регионах. Так, в штатах Невада и Колорадо на участке длиной около 300 км, проходящем вдоль 39-й параллели, выявлено 9 довольно крупных разломов, простирающихся до границы Мохоровичича (расположенной в данном районе на глубине около 30 км) и наклоненных под различными углами [Niemi et al., 2004]. Квазивертикальные и квазигоризонтальные разломы, заполненные раздробленной породой, могут существенно изменить параметры сейсмической волны за разломом по сравнению с амплитудой до разлома.

Удары в горячие [Ivanov and Melosh, 2003] или напряженные [Витязев, Печерникова, 1997] точки литосферы могут приводить к дополнительным разрушающим эффектам. Таким образом, при анализе сейсмической опасности для данного объекта необходимо знать геологическую структуру вокруг объекта на довольно больших расстояниях и глубинах и рассматривать различные места возможного падения около него.

8.2.3. Выброс пыли и климатически активных газов в атмосферу. Рассмотренные выше эффекты носят локальный или, для самых крупных ударов, региональный характер. К глобальным последствиям могут привести выбросы из кратера пыли и образование климатически активных газов. Такие последствия могут длиться десятилетиями и существенно изменить окружающую среду на Земле и, возможно, ее климат. Увеличение количества парниковых газов в атмосфере (в первую очередь — воды и углекислого газа) приводит к нагреву поверхности Земли, а блокировка солнечного излучения пылью и аэрозолями (эффект, хорошо известный в вулканологии) — к остыванию. Суммарный эффект определяется, во-первых, общим количеством выброшенных газов и пыли и, во-вторых, временем их жизни в атмосфере (которое, в свою очередь, зависит от размера частиц, их химического состояния, способности коагулировать и т. д.). Если ответ на первый вопрос достаточно ясен (см. ниже), второй является предметом дискуссий, в которых ответы колеблются от резкого потепления и полного таяния льдов до бесконечной ядерной зимы.

Одной из основных проблем определения степени загрязнения атмосферы после удара является проблема определения максимальной высоты облаков пыли. Для предсказания эволюции облака, вызванного падением на поверхность Земли космического тела, можно использовать экспериментальные результаты по подъему облаков ядерных взрывов (см., например, [Glasstone and Dolan, 1977; Гордейчик и др., 1997]), применяя закон подобия динамики всплывающего нагретого объема — термика (высота равновесия h пропорциональна E^1/4). Однако простой закон подобия для больших мощностей может приводить к существенным ошибкам из-за влияния неоднородности

атмосферы. Кроме того, при ударе существенную роль в распространении пыли может играть наличие следа, оставленного при пролете в атмосфере. Так, энергия Тунгусского взрыва в 1908 г. была примерно в 5 раз меньше, чем энергия самого крупного ядерного взрыва в атмосфере, проведенного в 1961 г. на Новой Земле. Результаты расчетов для Тунгусского явления с учетом следа и разрушения в атмосфере приведены в работе [Shuvalov and Artemieva, 2002a]. В этом случае на начальной стадии облако взрыва (воздух с продуктами абляции и разрушения тела) по форме более сходно с длинным, турбулизованным цилиндром. Позднее в верхних слоях атмосферы образуется плюм, который, падая на более плотные слои атмосферы, вызывает ее сильные возмущения, а пыль достаточно быстро разносится на тысячи километров.

Для Тунгусского события в облако взрыва не вовлекалась пыль, выброшенная из кратера, так как такового не было. Однако с увеличением энергии ударника кратер возникает, и происходит выброс пыли из него, причем ее количество увеличивается с ростом диаметра тела и размера кратера. Размеры частиц, образующихся при ударе, увеличиваются с увеличением размера ударника [Melosh and Vickery, 1991; O’Keefe and Ahrens, 1982b]. В последней работе были проведены численные расчеты удара для условий К — Т-границы и было показано, что масса выброшенного вещества в 100 раз больше массы ударника, но масса субмикронной пыли составляет лишь 10 % массы ударника. Аналогичные результаты были получены и для ядерных взрывов: масса пыли, вынесенной пылевым слоем, составляет 300 Мт на 1 Мт ТНТ энергии, причем субмикронная фракция пыли составляет 8 % или 24 Мт массы на 1 Мт энергии [National Research Council, 1985]. Именно эти мельчайшие частицы остаются в воздухе длительное время и распространяются вокруг всей Земли в течение нескольких недель [Covey et al., 1990].

Характерный массовый коэффициент поглощения излучения Солнца субмикронной пылью составляет примерно 3 10⁴ см²/г (для более крупных частиц он падает примерно обратно пропорционально радиусу частиц). Оценочные значения средней массовой концентрации m и оптической толщины , приведенные в работе [Toon et al., 1994], можно аппроксимировать простыми зависимостями: m = 10^{– 7}E, = 10^{– 5}E, где энергия удара E измеряется в Мт ТНТ, массовая концентрация пыли, поднятой в стратосферу, — в г/см², а оптическая толщина субмикронной пыли безразмерна. Зависимость m(E) определена по данным испытаний ядерного оружия. Оптическая толщина атмосферы после извержения вулкана Пинатубо в 1991 г. составляла 10^{– 1}, что соответствует энергии удара 10⁴ Мт. Оптическая толщина облака субмикронной пыли после К — Т-удара достигла единицы, т. е. ослабление солнечного излучения было существенным (но достаточно кратковременным).

Доля T солнечного излучения, проникающего до поверхности Земли сквозь слой пыли, обычно представляется функцией оптической толщины , а именно: T = A exp(-/b) = A exp(-10^{– 5}/b), где A = 0,9, b = 6,22 для пыли; A = 0,8, b = 1,03 для дыма. Дым пропускает меньше солнечного излучения, чем пыль, потому что поглощает много света. В работе [Covey et al., 1990] исследовано поведение облака, образовавшегося при ударе с энергией 6 10⁵ Мт. Согласно этим расчетам, понижение средней температуры составляет 8 К в течение первых двух недель после удара. Через 30 дней после удара пыль распределяется глобально и температуры восстанавливаются до первоначального уровня.

При энергии ударника, падающего в океан, равной 10⁵ Мт, удельная масса воды, выброшенной в атмосферу, превышает содержащуюся в ней в обычных условиях (0,001 г/см²). При энергии 10⁸ Мт удельная масса воды достигает уже 1 г/см². Но, согласно работе [Toon et al., 1994], в диапазоне высот 16–45 км и выше 45 км не может содержаться более 0,2 г/см² и 2 г/см² соответственно, так как начнется конденсация. Это верхние оценки, поскольку водяной пар сильно поглощает и излучает в инфракрасном диапазоне. Это дополнительный фактор, ведущий к снижению температуры верхней атмосферы (примерно до 215 К) и интенсивным дождям. Богатая водой атмосфера неустойчива к вертикальным возмущениям, в результате чего возникает интенсивная конвекция.