Астронет: В. В. Бусарев/ГАИШ Челябинский болид как напоминание о главном процессе Солнечной системы http://variable-stars.ru/db/msg/1297005

Челябинский болид как напоминание о главном процессе Солнечной системы
14.12.2013 1:27 | 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

Рис. 9а. Снимок астероида 4 Веста (диаметр ~ 530 км) со стороны Южного полюса, полученный КА "Рассвет" (Dawn, NASA) в 2011 г., Источник: НАСА

Рис. 9б. Кратеры и темные пятна на поверхности Весты. Снимок КА "Рассвет" (НАСА), 2011 г. Источник: НАСА

Ударный процесс как основной эволюционный фактор

Астероиды – это небесные тела с размерами примерно от 50 м до нескольких сотен километров. С момента своего образования астероиды остались почти в неизменном виде по сравнению с планетами и их спутниками, вещество которых было существенно модифицировано при магматическом плавлении, дифференциации и под влиянием других факторов. Астероиды хранят на своей поверхности следы всех процессов, действовавших в Солнечной системе, и, прежде всего, – ударных. Важными источниками информации являются разные свойства астероидов, такие как форма тела, строение поверхности, отражательная способность, вращение, размеры, масса, средняя плотность, параметры орбиты и другие. Обобщение такой информации для большого количества тел позволяет изучить ранний этап формирования нашей планетной системы. Необходимо заметить, что практически у всех астероидов неправильная форма сочетается с сильно кратерированной поверхностью. Прежде всего, это означает, что такие астероиды являются фрагментами более крупных (родительских) тел. Дробление последних, вероятно, произошло при их взаимных столкновениях, вызванных, как следует из современных динамических численных моделей, проникновением в Главный пояс не менее крупных и движущихся с высокими скоростями протопланетных тел из соседних зон формирования Юпитера и планет земной группы. С другой стороны, высокая кратерированность поверхности астероидов показывает, что и после их образования интенсивный поток падающих на них тел не прекращался. Только самые крупные астероиды, 1 Церера (которая сейчас считается карликовой планетой), 2 Паллада и 4 Веста, по-видимому, избежали катастрофического разрушения и представляют собой "выжившие" родительские тела. Поскольку масса и точные размеры некоторых астероидов были измерены со сближавшихся с ними космических аппаратов, то были сделаны и оценки их средней плотности. Оказалось, что средняя плотность астероидов заметно ниже типичной плотности слагающих их минералов и горных пород (если пользоваться земными образцами-аналогами), что указывает на высокую пористость астероидов или наличие внутренних пустот. Очевидно, что все перечисленные особенности астероидов – следствия их катастрофического происхождения и ударной эволюции.

Сейчас уже доказано, что метеориты являются в основном осколками астероидов. Скорость остывания метеоритного вещества (найденная по свойствам «видманштеттеновых фигур», возникающих при кристаллизации железо-никелевого расплава в железных метеоритах или в мелких железных частицах в каменных метеоритах) соответствует темпам охлаждения недр тел с размерами от нескольких десятков до нескольких сотен километров, что совпадает с размерами астероидов. Основные типы метеоритов (каменные, включающие хондриты и ахондриты, железо-каменные и железные) по оптическим характеристикам соответствуют установленным по наблюдательным данным таксономическим (спектральным) типам астероидов. Более того, обнаружены группы метеоритов, свойства которых практически совпадают с наблюдаемыми характеристиками определенных небесных тел. Например, есть лунные метеориты, которые близки или идентичны доставленным на Землю лунным образцам. Найдены марсианские метеориты, образующие группу SNC (аббревиатура из первых букв английских названий их типичных представителей), а также метеориты HED (первые буквы английских названий вулканических горных пород «говардиты, эвкриты и диогениты»), соответствующие свойствам Весты. Обнаружение таких метеоритных групп показывает, что при сильных ударах отдельные осколки поверхностей планетных тел могут выбрасываться в космическое пространство и, в конечном итоге, достичь земной поверхности. По существу, – это механизм ударного обмена планетами веществом. Кстати, следует заметить, что практически без повреждений достигают земной поверхности мельчайшие метеоритные частицы, с размером ~10^-3 см и менее. По причине значительной величины отношения площади поверхности к объему у таких частиц, они эффективно тормозятся и охлаждаются в самых верхних слоях земной атмосферы. После чего происходит их свободное падение на земную поверхность. Многообразные свойства метеоритов (минералогические, геохимические, петрологические, изотопные и многие другие) позволяют установить и проследить последовательность физико-химических процессов в их родительских телах. Абсолютный возраст метеоритов, являющихся фрагментами астероидов, составляет около 4,6 млрд лет. Его оценивают по содержанию в метеоритном веществе долгоживущих радиоактивных изотопов и продуктов их распада (уран-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и другие методы). Существует еще понятие космического возраста метеоритов, который соответствует моменту разрушения их родительского тела и выделению метеоритов как самостоятельных космических объектов. Такой возраст определяется количеством накопленных в метеоритах космогенных изотопов (например, ¹⁰Ве, ¹⁴С, ³⁶Cl, ⁸¹Kr) по влиянием потоков частиц. Космический возраст каменных метеоритов имеет широкий спектр с максимумом у 10⁷ лет, а у железных метеоритов такой же максимум приходится на 10⁸ лет. Есть еще "земной возраст" – время от падения метеорита на земную поверхность до его находки, за которое происходят некоторые эрозионные изменения вещества метеорита. Недифференцированные каменные метеориты, называемые хондритами, испытали наименьшие эволюционные изменения. Именно этим объясняется наиболее высокий интерес к ним. Слово "хондриты" связано с наличием в метеоритах множества небольших овальных образований или хондр с размерами примерно от 0,5 мм до нескольких миллиметров («хондра» в переводе с древнегреческого означает «зерно»), состоящих из оливина, пироксена, плагиоклаза и других высокотемпературных минералов с температурами кристаллизации 1500-2000 ^oС. Хондры окружены так называемой "матрицей". Хондриты подразделяются на обыкновенные и углистые, которые обязаны своим названием очень темному цвету. У обыкновенных хондритов матрица состоит примерно из тех же минералов, что и хондры. В то же время углистые хондриты вполне можно было бы назвать «необыкновенными», так как их матрица существенно отличается от хондр: она состоит в основном из низкотемпературных гидросиликатов (до 90 вес. %), типа серпентинов, хлоритов и других, в которых содержание связанной воды (в виде групп ОН) достигает 17-22 вес. %. Даже есть особая группа углистых хондритов (CI), состоящих из одной матрицы. Их вещество никогда не нагревалось выше 100-200 ^oС. Углистые хондриты обладают и другими необычными свойствами. Так, их низкотемпературная матрица содержит до нескольких процентов углерода в форме сложных углеводородных соединений, вплоть до спиртов и аминокислот, место и условия возникновения которых точно неизвестны. Но можно утверждать, что уже выяснены условия образования гидросиликатов в углистых хондритах. Это удалось сделать благодаря обнаружению энергетического источника раннего внутреннего разогрева родительских тел метеоритов, то есть астероидов. Установлено, что таким источником был ²⁶Al (с периодом полураспада 0,72 млн лет) и другие короткоживущие изотопы. В ряде каменных метеоритов, включая весьма известный Альенде, был найден в достаточном количестве дочерний этого изотопа, ²⁶Mg. Нами было показано, что распад ²⁶Al в недрах крупных каменно-ледяных тел (более 200 км) в течение первых нескольких млн лет мог привести к образованию внутреннего водного океана с температурой около 4 ^oС.

Откуда же взялись в едва сформировавшихся протопланетных телах ²⁶Al и другие изотопы? Как следует из теории эволюции звезд, такие элементы являются продуктами протекающих в звездных недрах термоядерных реакций. У многих звезд на конечных стадиях эволюции происходят взрывы, связанные с переходом от основного (водородного или протон-протонного) цикла термоядерных реакций к завершающим циклам реакций с участием более тяжелых элементов. При взрывах, которые приводят к частичному «сбросу» вещества, звезды резко увеличивают свою яркость и наблюдаются непродолжительное время как «новые». Иногда случаются мощные катастрофические взрывы звезд, ведущие к их почти полному рассеянию. При этом звезда наблюдается как «сверхновая». Подобные взрывы часто происходят в плоскости нашей Галактики, где высока плотность звездного "населения". При определении состава вещества в плоскости Галактики с помощью спутника "HEAO 3" в гамма-диапазоне обнаружено содержание ²⁶Al, практически совпадающее с тем, что было в каменных метеоритах в момент начала формирования их первых высокотемпературных включений. Как сейчас полагают, взрыв одной из новых или сверхновых звезд стал «толчком» к формированию нашей планетной системы: он не только вызвал уплотнение и динамическую эволюцию вещества исходного газо-пылевого облака, но и обогатил его множеством радиоактивных элементов.

Доставка вещества при падениях космических тел на Землю – одно из условий возникновения жизни?

Столкновения тел не всегда приводили к их катастрофическим разрушениям. Как следует из космогонических моделей, начальный период Солнечной системы был «конструктивным»: низкоскоростные столкновения или, по сути, слияния многочисленных мелких тел привели к образованию планетезималей, тел с широким диапазоном размеров – от миллиметров до километров. Когда эти объекты достигали нескольких километров в диаметре, гравитационное притяжение заставляло их объединяться друг с другом. Благодаря такому процессу, названному аккрецией, произошел рост протопланет. Благодаря накоплению тепловой энергии при аккреции и при распаде короткоживущих изотопов, в достаточно больших планетных зародышах (от двухсот и более километров) началась первичная тепловая эволюция – плавление и дифференциация вещества.

Таким же «конструктивным» можно назвать и связанный с вышеописанным процесс переноса вещества при столкновениях тел разного состава. И вот почему. Упоминавшиеся выше каменно-ледяные планетезимали могли образоваться в Солнечной системе за так называемой «границей конденсации водяного льда», то есть на таком удалении от Солнца, где температура их нагревания солнечным излучением была всегда ниже 0 ºС. Кстати, именно большое количество ледяных планетезималей за указанной границей обеспечило быстрое формирование зародышей планет-гигантов и, в первую очередь, прото-Юпитера. Но это – отдельная тема. Здесь же мы хотим остановиться на вопросе о возможном происхождении воды и других соединений, которые стали основой возникновения жизни на Земле.

Рис. 10. Впадающие в море лавовые потоки вулкана Килауэа на Гавайских островах

Рис. 11. Столкновение Земли с гигантским телом (фантазия художника). Источник: Дон Дэвис (Don Davis, USA).

Как следует из модели эволюции Солнечной системы, разработанной нашими известными космогонистами, О. Ю. Шмидтом и В. С. Сафроновым, температуры прото-Земли и других планет земной группы в период их формирования были весьма высокими. Это подтверждается многочисленными геохимическими и минералогическими исследованиями состава древнейших горных пород. При магматической эволюции и дифференциации Земля должна была потерять практически всю «летучую» часть своего состава, если полагать, что исходным материалом было вещество типа хондритов или углистых хондритов. Еще одно катастрофическое событие, которое могло привести к полной потере Землей летучих, – это ударное формирование Луны из тела Земли в результате мегаимпакта или столкновения с ней гигантского протопланетного тела размером с Марс (Рис. 11). Совпадение изотопных соотношений в земном и лунном веществе указывает именно на такой вариант происхождения Луны. Как логическое следствие перечисленных теорий появилась гипотеза о том, что ныне существующие атмосфера и гидросфера Земли образовались после остывания земной поверхности из вещества падающих на нее космических тел – астероидов, ядер комет, метеоритов и пыли. Но расчет показывает, что за всю земную историю поток самых мелких объектов (то есть пыли и метеоритов) был недостаточен для доставки воды, имеющейся в земных океанах. Основной объем воды и других летучих соединений мог попасть на Землю только при падениях более крупных тел – астероидов и/или ядер комет, включающих воду в замерзшем или связанном состоянии. Тем более, что статистический анализ возраста и размеров кратеров на Луне подтверждает высокую интенсивность потока падающих крупных тел в начальный период существования системы Земля-Луна около 4 млрд лет назад (см. Рис. 3в). Кроме того, из численного моделирования следует, что при падении на земную поверхность достаточно крупного тела некоторая его часть избегает нагревания до высоких температур и попадает на земную поверхность в неповрежденном виде. Об этом свидетельствуют и найденные фрагменты вещества Челябинского метеорита. Парадоксально, но факт: астероиды и кометы, которые на протяжении всей истории существования земной жизни угрожали ей уничтожением, вероятно, создали условия для ее возникновения.

При падениях ядер комет могли быть доставлены на земную поверхность не только вода, но и весьма сложные органические соединения, возникшие в космических условиях под воздействием коротковолнового ультрафиолетового излучения и потоков частиц солнечного и космического происхождения. Но с водой на Земле не все так просто. Было обнаружено, что изотопный состав кометной воды (по отношениям D/H, ¹⁷O/¹⁶O и ¹⁸O/¹⁶O) отличается от изотопного состава воды в земных океанах. Это говорит, по крайней мере, о том, что "кометный" источник нельзя считать основным. В то же время, перечисленные изотопные параметры совпали у земной воды и водных включений в углистых хондритах, откуда следует, что поток падающих углисто-хондритовых тел на Землю мог обеспечить доставку преобладающего объема воды в земных океанах.

Автором статьи были найдены подтверждения такого вывода. При спектральных наблюдениях астероидов высокотемпературных типов ("S", "M" и "V") был получен интересный результат: оказалось, что на большинстве этих тел имеются нетипичные гидросиликаты. Как и в случае с Землей, подобные астероиды формировались при высоких температурах и появление на них гидросиликатов можно объяснить их доставкой при падениях примитивных тел углисто-хондритового состава. Лабораторные спектры отражения углистых хондритов, характеризующие состав их вещества, очень похожи на спектры отражения астероидов С-типа. На этом основании С-астероиды считаются родительскими телами углистых хондритов. Значительная роль углистых хондритов в обеспечении условий для возникновения жизни на Земле может быть объяснена их необычными свойствами, связанными с условиями их образования. Рассмотрим нашу гипотезу о происхождении астероидов С-типа и углистых хондритов.

В. С. Сафроновым было показано, что в период формирования прото-Юпитера, когда масса его ядра достигла нескольких масс Земли, процесс аккреции на него меньших по размеру протопланетных тел сменился их выбросом далеко за пределы кольцевой зоны роста Юпитера, в том числе – в находящийся по соседству Главный пояс астероидов. Как уже говорилось, зона роста Юпитера находилась в Солнечной системе за границей конденсации водяного льда, поэтому все возникшие в ней протопланетные тела имели каменно-ледяной состав (точнее, если основываться на составе вещества ядер комет и межпланетной пыли, объемное содержание силикатов, льдов и органических соединений было примерно одинаковым). В таких крупных телах (более 200 км), благодаря разогреву недр при распаде 26Al, произошло плавление льда и образование внутреннего водного океана. Водная дифференциация привела к аккумуляции больших силикатно-органических ядер, достигающих 2/3 радиуса этих тел. Именно здесь было возможно формирование гидросиликатов и сложных органических соединений в течение 5-10 млн лет до исчерпания ²⁶Al и замерзания океана. Если температура водного океана в рассматриваемых телах всегда была близка к 4 С, то в их ядрах она могла быть на порядок выше по причине более высокой относительной концентрации ²⁶Al. Они представляли собой, вероятно, своего рода химические реакторы, где и произошло формирование углистого гидратированного вещества, подобного СI-метеоритам (Рис. 12).

Рис. 12. Модель протопланетных тел в зоне формирования Юпитера после их водной дифференциации.

Такие тела перебрасывались гравитационными возмущениями Юпитера на вытянутые орбиты, которые не только пронизывали Главный пояс астероидов, но, по-видимому, и достигали планет земной группы. По причине большого диапазона скоростей (в диапазоне от 1-2 до 30 км/с) и эксцентриситетов орбит этих тел, последствия их столкновений с родительскими телами астероидов были различными. Катастрофические столкновения при наибольших скоростях могли привести к выметанию или полному дроблению и удалению абсолютного большинства родительских тел астероидов из Главного пояса. Но тела из зоны Юпитера, двигавшиеся только по слегка вытянутым орбитам с минимальными скоростями, позволявшим им достигать Главный пояс, вероятно, в нем остались. Значительную роль при столкновениях могли сыграть и различия в степени однородности и составе вещества каменно-ледяных тел из зоны Юпитера и родительских тел астероидов, имевших преимущественно силикатный состав. Более высокая механической прочность и однородность последних могла стать причиной преимущественного дробления первых. Таким образом, оставшиеся в Главном поясе фрагменты тел из зоны роста Юпитера, по-видимому, образовали наиболее многочисленный класс С-астероидов. Более мелкие осколки этих тел выпали на астероиды и другие тела Солнечной системы в виде углистых хондритов. Весьма интересным является вопрос о происхождении хондр. Во второй половине ХХ в. было выдвинуто несколько гипотез, описывающих происхождение этих необычных образований. Мы не будем здесь эти гипотезы рассматривать. Отметим только, что с нашим сценарием происхождения астероидов С-типа и углистых хондритов согласуется идея известного американского физика и физикохимика, Гарольда Юри (1952 г.), занимавшегося изучением эволюции планет (он также был удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году за открытие дейтерия). Согласно этой идее, хондры представляют собой капли расплавленного силикатного вещества, выброшенные в космическое пространство при столкновениях тел астероидных размеров и затвердевшие во время полета до падения на поверхности ближайших небесных тел. Можно предполагать, что углистые хондриты разных групп образовались при разной степени ударной переработки исходного вещества типа СI (всего 8 химических групп, в которых, начиная со следующей за СI группы (СМ), последовательно уменьшается содержание связанной воды в форме гидросиликатов и нарастает относительное содержание хондр). Важно подчеркнуть, что так могли образоваться не только углистые, но и обыкновенные хондриты.

Детальные изображения Весты, полученные в 2011 г. космическим аппаратом "Рассвет" (НАСА, США), показали, что этот астероид покрыт многочисленными пятнами темного вещества, спектральные характеристики которого соответствуют углистым хондритам группы СМ (Рис. 9б). Особенности расположения кратеров и связанных с ними выбросов вещества позволяют сделать вывод о более высоком возрасте темных пятен. Вероятно, ударные события, приведшие к образованию кратеров на Весте, вскрывают подповерхностные залежи более древнего темного материала углисто-хондритового состава. Это можно рассматривать как прямое подтверждение существовавшего в начальный период Солнечной системы интенсивного потока примитивных тел, направленного к внутренним планетам, в том числе на Землю.

Итак, падение Челябинского метеорита снова нам напомнило об угрозе из космоса, связанной с извечным процессом Солнечной системы – столкновительным формированием и разрушением небесных тел.

Литература:
1) Бронштэн В.А. Физика метеорных явлений. М.: Наука, 1981.
2) Иванов Б.А. Распределение ударных кратеров и астероидов по размерам. – В сб. "Катастрофические воздействия космических тел" (Ред. Адушкин В.В., Немчинов И.В.), М.: ИКЦ "Академкнига", 2005, с. 118-150.
3) Мелош Г. Образование ударных кратеров: геологический процесс. М.: Мир, 1994.
4) Сафронов В. С. (1969) Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука.
5) Додд Р.Т. Метеориты: Петрология и геохимия. М.: Мир, 1986.
6) Бусарев В. В. Спектрофотометрия астероидов и ее приложения / LAP LAMBERT Acad. Pablish. GmbH & Co. KG, Саарбрюккен, 2011.