Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Челябинский болид как напоминание о главном процессе  Солнечной системы Челябинский болид как напоминание о главном процессе Солнечной системы
14.12.2013 2:27 | В. В. Бусарев/ГАИШ, Москва

Явления

Мы стали свидетелями необычного небесного явления в районе г. Челябинск 15 февраля 2013 г., благодаря заснявшим его многочисленным очевидцам, средствам массовой информации и Интернету. Речь идет о наделавшем много шума болиде (так называют предельно яркий метеор или светящийся след метеороида, движущегося с огромной скоростью в земной атмосфере; "болидос" в переводе с греческого – метательное копье). Болид завершился ослепительной вспышкой, оглушительным взрывом и выпадением на земную поверхность раздробленного метеоритного вещества. Как рассказал один из ближайших очевидцев этого события, Марат Ахметвалеев, была серия вспышек и взрывов, слившихся вместе. Его снимки, полученные в Челябинской области 15 февраля 2013 г. перед восходом Солнца, показывают последовательность событий и направление болида.


Рис. 1а. Взрыв Челябинского болида

Рис. 1б. Раздвоение следа болида

Рис. 1в. Остаток от следа болида сразу после восхода Солнца. Снимки сделаны Маратом Ахметвалеевым.

На втором из приведенных снимков заметно раздвоение дымного следа болида, как признак дробления метеороида во время полета в атмосфере. Возникшая при взрыве сильная ударная волна вызвала обрушение многих строительных конструкций и повреждение оконных стекол и рам, в результате чего более 1500 человек получили травмы. Такое большое число людей пострадало при падении метеорита впервые за всю цивилизованную историю Человечества. По предварительным оценкам специалистов взрыв (или ряд взрывов) метеороида произошел на высотах 20-40 км. Он вошел в земную атмосферу с восточного направления под малым углом к горизонту (менее 20º), со скоростью около 18 км/с. Оценки его первоначальных размеров и массы составляют, соответственно, ~17 м и ~9000 т. Исходя из этих величин, плотность метеоритного тела оказывается равной 3,5 г/см3, что попадает в диапазон плотностей каменных недифференцированных метеоритов (2,0-3,7 г/см3). Мощность взрыва могла достигать 300-500 Кт в эквиваленте тринитротолуола (TNT). Если приведенные оценки подтвердятся, то это будет самое мощное падение космического тела после известного Тунгусского (30 июня 1908 г.). У озера Чебаркуль и в других местах "по горячим следам" были найдены небольшие фрагменты черного метеоритного вещества. Сделанный первоначальный анализ состава небольшого количества найденных фрагментов (с общей массой около 3 кг) показал, что вещество метеорита представляет собой обыкновенный хондрит химической группы LL5. Аббревиатура LL означает, что в нем весьма мало железа (около 1,5 вес. %) и других металлов по сравнению с другими обыкновенными хондритами. Цифра 5 указывает петрологический тип (самый высокий – 6), который описывает тепловой метаморфизм или преобразование вещества метеорита еще до падения на Землю. Основные минералы, которые входят в состав метеорита – это оливин, пироксен, плагиоклаз, сульфит, камасит и тэнит. Ранее было установлено эмпирическое правило: при падениях и взрывах в атмосфере достаточно крупных тел на земную поверхность выпадает не более 10% их начальной массы. Основываясь на оценке начальной массы Челябинского метеорита, можно предполагать, что на земную поверхность должно выпасть около 1000 т его вещества. Предполагаемый эллипс рассеяния вещества метеорита имеет размеры ~130 х 20 км и протянулся от точки южнее и западнее Челябинска до Златоуста, поэтому не исключено, что будут найдены и более крупные фрагменты. По мнению Дмитрия Бадюкова, сотрудника ГЕОХИ РАН и члена Комитета по метеоритам выполняющего изучение найденных осколков Челябинского метеорита, поиск его новых фрагментов необходимо продолжать хотя бы потому, что он может быть ударной брекчией, то есть состоять из разных типов вещества, возникших при разных условиях. Д. Бадюков сообщил также, что возраст челябинского метеорита составляет примерно 4,5 млрд лет, как и у всех обыкновенных хондритов. Можно предполагать, что метеорит образовался в Главном поясе астероидов и его родительское тело было размером несколько сотен километров. И еще один интересный факт: астероид, из которого произошел метеорит, испытал сильный удар. По-видимому, с ним столкнулось другое массивное небесное тело, в результате чего его вещество стало рыхлым. Это подтверждается наличием застывшего ударного расплава в его многочисленных трещинах. Метеорит решили назвать "Челябинск".

Интересно, что в Челябинской области 72 года назад (9 апреля 1941 г.) уже наблюдался яркий болид, известный как Катавский (в Катав-Ивановском районе). Были найдены его предполагаемые осколки. Но начало войны не позволило продолжить начатые поиски и исследования. Падения метеоритов в России происходят чаще, чем в других странах, что объясняется ее наибольшей в мире площадью и долготной протяженностью. За прошедшие почти 105 лет с момента наиболее масштабного взрыва известного Тунгусского метеорита с размером ~40 м и энергией взрыва ~40-50 Мт TNT (как у самой мощной водородной бомбы), кроме упомянутого Катавского, на территории России произошло еще несколько значительных событий. Дождь каменных метеоритов выпал 6 декабря 1922 г. близ села Царев (ныне Волгоградской области). Но его следы были обнаружены только летом 1979 г. Собрано 80 осколков общим весом 1,6 тонны на площади около 15 кв. км. Вес крупнейшего фрагмента составил 284 кг. Это наибольший по массе каменный метеорит, найденный в России, и третий в мире. Падение Сихоте-Алинского железного метеорита произошло 12 февраля 1947 г. над тайгой в горах Сихотэ-Алинь в Приморском крае на Дальнем Востоке. Его фрагменты выпали в виде метеоритного дождя на площади в несколько десятков квадратных километров, образовав "кратерное поле" – 106 воронок с размерами от 1 до 28 м. Масса самого крупного найденного обломка метеорита достигает 23 тонны, а всех упавших фрагментов – 60-100 т. По химическим анализам Сихотэ-Алинский метеорит состоит из 94% железа, 5,5% никеля, 0,38% кобальта и небольших количеств углерода, хлора, фосфора и серы.

Очень яркий болид наблюдали поздно вечером 17 мая 1990 г. в Башкирии, близ г. Стерлитамак. Очевидцы сообщили, что на несколько секунд стало светло, как днем, раздались гром, треск и шум, от которых зазвенели оконные стекла. Сразу после этого на загородном поле обнаружили кратер диаметром 10 м и глубиной 5 м, но нашли только два относительно небольших фрагмента железного метеорита (весом 6 и 3 кг) и много мелких. Оказалось, что при разработке этого кратера с помощью экскаватора был пропущен более крупный фрагмент этого метеорита. И только год спустя дети обнаружили в отвалах грунта, извлеченного экскаватором из кратера, основную часть метеорита весом 315 кг.

Витимский болид – еще одно крупное подобное событие. Он наблюдался в районе реки Витим, в Мамско-Чуйском районе Иркутской области 25 сентября 2002 г. Взрыв метеороида произошел на высоте около 30 км и вызвал вывал леса на 60 кв. км, а также его пожар, охвативший несколько кв. км. К сожалению, остатков вещества этого тела найти не удалось.

События, подобные Челябинскому болиду происходили и происходят на Земле повсеместно и иногда оставляют после себя заметные "следы" – кратеры. Яркий пример – это хорошо сохранившийся Аризонский метеоритный кратер (его второе название – кратер Бэрринджера) с диаметром 1,2 км и глубиной 180 м, расположенный на севере штата Аризона (США).


Рис. 2. Аризонский метеоритный кратер

Геологические исследования и численное моделирование показали, что кратер возник около 50 тысяч лет назад в результате удара 50-метрового метеорита, весившего 300 тысяч тонн и летевшего со скоростью 12-17 км/с. Его взрыв был втрое более мощный, чем при падении Тунгусского тела, а сам метеорит практически полностью рассеялся и испарился, несмотря на свой преимущественно металлический состав. Общая масса падающего в течение года на Землю космического вещества по разным оценкам достигает от 100 до 1000 т. Метеороиды влетают в земную атмосферу со скоростями от 11,2 км/с (на "догоняющих" траекториях) до ~ 72 км/с (на встречных траекториях) в любом направлении, в любое время суток и года и в любом месте земного шара. Если регистрировать все космические объекты, попадающие ежедневно в земную атмосферу с размером от 10-6см, то их число достигает 70 млн. Но только частицы более 10-2 см способны вызвать явление метеора, то есть светящийся в атмосфере след, который можно наблюдать визуальным, фотографическим или радиолокационным методами. А тела с массой более 1 кг уже порождают явление болида, который может завершиться взрывом и выпадением осколков. Среди падающего на Землю метеоритного вещества по количеству падений примерно 92% составляют каменные метеориты, 6% железные и 2% железо-каменные (или соответственно 85, 10 и 5% по массе).

Вообще говоря, атмосфера создает мощный газовый фильтр, предохраняющий земную поверхность от интенсивного потока падающих мелких тел. Возможность образования ударного кратера на поверхности Земли зависит от массы, размера, состава вещества и физического состояния достигающего ее космического тела. В целом установлена закономерность: чем больше размер метеороидных тел, тем меньше в среднем частота их падений. Например, вероятность падения метеороида вызвавшего Челябинский болид, оценивается как одно событие в 100 лет, а Тунгусского – как одно примерно в 1000 лет. В более ранний период истории Земли эти вероятности были значительно более высокими. Наибольшую опасность создают столкновения Земли с крупными телами, такими как астероиды и ядра комет с размером более 1 км, которые способны вызвать катастрофу от региональной до глобальной. По данным Центра малых планет Международного Астрономического Союза (IAU) на сегодняшний момент обнаружено свыше 7000 астероидов, сближающихся с Землей (входящие в группы Атонцев, Аполлонцев и Амурцев), из которых около 900 имеют диаметр более 1 км. Хотя положения этих астероидов могут быть рассчитаны на любой момент времени, их орбиты подвержены периодическим изменениям под влиянием гравитационных возмущений со стороны планет земной группы и, поэтому, нуждаются в постоянном уточнении. Еще большим изменениям подвержены вытянутые орбиты периодических комет. Появление же новых комет вообще непредсказуемо. Если говорить о телах типа Челябинского метеорита, то их число в околоземном пространстве оценивается в 100 миллионов. В то же время технические возможности сейчас пока ограничены: за несколько суток до сближения с Землей могут быть пока обнаружены тела не меньше 50 метров (и то – при достаточно высоком значении их отражающей способности в солнечном свете).

Таким образом, последствия Челябинского болида – многочисленные людские травмы, разрушения и крупный материальный ущерб – вывели "астероидно-кометную опасность" из теоретических или маловероятных в число очевидных, насущных проблем, требующих практического решения. Таким решением может быть создание системы своевременного обнаружения приближающихся к Земле космических тел с размером свыше 10 метров и осуществление мер по их уничтожению или отклонению с опасной траектории.

Некоторые важные исторические и научные факты

Можно предполагать, что когда Галилео Галилей впервые посмотрел на Луну в телескоп (1609 год), то увидел множество кольцевых структур непонятной природы. В сочинении "Звездный вестник" (1610 г.), где содержится описание его открытий, сделанных с телескопом, Галилей упоминает только лунные горы.


Рис. 3а. Галилео Галилей и его телескоп


Рис. 3б. Изображение западного полушария Луны

Рис. 3в. Карта 5200 кратеров Луны, возникших ~4 млрд лет назад Источник: NASA/LRO/LOLA/GSFC/MIT/Brown Univ.

Понимание происхождения лунных кратеров стало возможным намного позже – примерно через 350 лет, благодаря научному и техническому прогрессу. Примечательно, что Парижская академия наук официально признала космический источник падающих с неба камней только в начале XIX в., хотя доказательства этого были получены и опубликованы некоторыми учеными (например, Э. Хладни и Э. Кингом) значительно раньше. После этого началось постепенное осознание возможных последствий падений метеоритов и более крупных тел на Землю, Луну и другие планеты. Что же касается лунных кратеров, то обсуждение их природы (вулканической или ударной) не прекращалось до середины XX в. Исследования лунной поверхности с помощью советских и американских космических аппаратов, а также пилотируемых экспедиций по программе "Аполлон" показали, что абсолютное большинство лунных кратеров являются ударными. Кстати, следует заметить, что термин "ударный" здесь неточен. На безатмосферных небесных телах таких, как Луна, почти все спутники планет и астероиды, кратеры на поверхности образуются при падениях тел, движущихся с космическими скоростями. В этом случае в момент «контакта» падающего тела с более протяженным объектом происходит не механический удар, а взрыв, который приводит к испарению, плавлению, переработке и выбросу из эпицентра взрыва значительных долей вещества как "ударника", так и "мишени". При экспериментальном и теоретическом моделировании установлено, что эти доли определяются многими параметрами сталкивающихся тел: физическими (скорость, масса, прочность и др.), физико-химическими (состав вещества и его фазовое состояние) и геометрическими (угол столкновения, размеры тел). Несколько иначе происходит образование кратеров на планетах с атмосферами. Торможение крупного падающего тела в атмосфере приводит к частичной или полной потере и преобразованию его кинетической энергии в другие формы (ударную волну в газе и в самом теле, тепло, световое излучение и т. п.) еще до его столкновения с поверхностью планеты. Поэтому на земной поверхности кратеры образуются только при падениях достаточно прочных (например, металлических) или больших тел, для которых атмосфера не является значительным препятствием. На поверхности Марса, имеющего примерно в 100 раз более разреженную атмосферу, чем Земля, кратеры образуются при ударах значительно меньших по размеру и менее прочных тел.


Рис. 4. Древний марсианский кратер Гэйл (Gale) (154 км в диаметре), расположенный вблизи экватора в восточном полушарии Марса в окружении более мелких и молодых кратеров. Источник: NASA/JPL-Caltech/Arizona State Univ.

Признание реальности потока падающих на Землю космических тел в начале XIX в. привело к целенаправленному поиску ударных образований на всех континентах. Но изучение первых найденных ударных кратеров, или так называемых астроблем, было сложным делом, а его результаты – противоречивыми. Оно осуществлялось, в первую очередь, геологами, поскольку именно они могли обнаружить необычные минералогические, геохимические и другие особенности этих образований на фоне земных горных пород. Например, почти 100 лет (с 1827 г.) предпринимались попытки выяснить происхождение группы из 9 кратеров Каали (самый крупный из них имеет диаметр 110 м и глубину 22 м) на острове Сааремаа в Эстонии. Только в 1937 г. инженеру-геологу И. Рейнвальду удалось доказать их метеоритную природу, благодаря обнаружению в двух из них тридцати осколков метеоритного железа, состоящих из 91,5% железа и 8,3% никеля. Похожая драматическая история сложилась и при изучении Аризонского кратера. До начала ХХ в. считалось, что он является вулканическим. Американский горный инженер Д. Бэрринджер в 1902 г. высказал гипотезу, что этот кратер имеет метеоритное происхождение, основываясь на многочисленных находках небольших фрагментов метеоритного железа на дне и за пределами вала кратера. Бэрринджер потратил 26 последних лет своей жизни, безуспешно пытаясь найти крупный фрагмент этого метеорита на дне кратера с целью добычи никеля.

Лишь в 40-50-х годах XX в., когда началось широкое применение аэрофотосъемки при геологической разведке и оценке других природных ресурсов, выяснилось, что на поверхности земного шара имеется много округлых геологических структур необычного строения. Их всесторонние исследования показали, что это следы ударов космических тел. В настоящее время изучение крупномасштабной структуры известных астроблем и поиск новых осуществляется с помощью спектрозональной космической съемки. Общее количество известных астроблем от 10 м до 340 км в диаметре – около 200 (в том числе, 35 из них находятся на территории бывшего СССР). Их возраст имеет широкий диапазон – от 2,5 млрд. лет до наших дней. Причем небольшие кратеры с размерами от десятков до сотен метров (их около 15%) не старше 1 млн. лет. Причиной этого является быстрая эрозия земной поверхности, приводящая к уничтожению мелких образований. В качестве примера приведен снимок кратера Бэрринджера (справа), полученный с МКС.

Рис. 5.Снимок кратера Бэрринджера с МКС

Широкомасштабные исследования Солнечной системы с помощью космических аппаратов во второй половине ХХ и начале ХХI века, показали, что ударными кратерами покрыты не только Земля и Луна. Оказалось, что ударные структуры имеются на всех известных твердых телах Солнечной системы. Много их на Марсе (Рис. 4), на безатмосферном Меркурии (Рис. 6), они видны на всех космических снимках астероидов Главного пояса, расположенного между орбитами Марса и Юпитера, и спутников планет (Рис. 7-9).


Рис. 6. Изображение поверхности Меркурия, скомбинированное из трех снимков КА "Мессенджер", сделанных в синих, зеленых и красных лучах. Источник: НАСА/Лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса/Научный институт Карнеги

Рис. 7. Снимок астероида 951 Гаспра (19 х 12 х 11 км), полученный КА "Галилео" (НАСА) в 1991 г. Источник: НАСА

Рис. 8. Снимок астероида 243 Ида (58 км вдоль длинной оси), полученный КА "Галилео" (НАСА) в 1993 г. Источник: НАСА