Взаимодействие космических тел с атмосферой и поверхностью Земли

При моделировании ударов было определено количество воды, выбрасываемой в верхние слои современной атмосферы при ударах тел размером порядка 1 км в глубоководные бассейны. Разложение воды под действием солнечного излучения достаточно быстро приводит к образованию водорода, который затем составляет верхнюю часть атмосферы и постепенно проникает сверху в стратосферу, разрушая озоновый слой. Изменение концентрации водорода в стратосфере, где находится озоновый слой, со временем оценивалось путем решения уравнения диффузии для малой компоненты; учитывалась утечка Джинса в верхней разреженной части атмосферы и сток водорода в поверхность планеты. Была оценена связанная с выбросом воды в верхнюю атмосферу опасность для современной Земли. В случае удара тела диаметром три километра заметное понижение концентрации озона в стратосфере может продолжаться в течение нескольких десятилетий.

7. Удары очень крупных (до ~1000 км) астероидов и комет по ранней Земле, временные силикатные атмосферы

Рис. 13. Удар астероида диаметром 3000 км со скоростью 15 км/с.

В правых частях рисунков показаны изолинии постоянной плотности, которые построены с интервалом 0.5 г/см³, изолиния с минимальной плотностью находится у поверхности Земли. На границе мантии и ядра, где происходит скачок плотности от 5.9 г/см³ до 10.3 г/см³, девять изолиний совпадают. В левых частях рисунков показано движение вещества Земли и астероида. Линии являются границами между определенными слоями внутри Земли, сферическими до удара. Частицы астероида показаны мелкими темными кружками. R_E - радиус Земли.

Моделировались удары тел диаметром от 50 до 3000 км по ранней Земле, которые приводят к перестройке и частичному испарению коры и мантии, испарению океана и образованию временных силикатных и водяных атмосфер. Земля рассматривается как тело сферической формы с определенным строением - корой, мантией и ядром. Пример расчета удара наиболее крупного тела приведен на рис. 13. Астероид проникает в Землю до глубины, приближенно равной его диаметру, образуя через 10 минут переходный кратер. Затем сжатые слои Земли поднимаются вверх внутрь полости переходного кратера, который заполняется расширяющимся веществом мантии и коры. Плотное вещество поднимается до высоты 1500 км над первоначальной поверхностью Земли через 30 мин, а затем в течение часа падает вниз. Рассчитывались распределения энергии, параметры слоя выбросов и теряемые после удара массы.

Рис. 14. Образование силикатной атмосферы после удара астероида диаметром 3000 км со скоростью 15 км/с. В правых частях рисунков показаны изолинии постоянной плотности, которые построены с интервалом 10^0.5 (в логарифмической шкале) от 10^-8 г/см³ (внешние изолинии) до 10 г/см³ (внутренние изолинии, расположенные на поверхности внутреннего ядра Земли). Цифры на кривых указывают десятичные логарифмы плотности. В левых частях рисунков показаны изолинии температуры, измеряемой в тысячах градусов Кельвина.

Одна из целей моделирования ударов очень крупных тел - исследование временных силикатных атмосфер, которые создаются в результате испарения вещества астероида, коры и мантии Земли. Процесс образования силикатной атмосферы показан на рис. 14. Время жизни атмосферы определяется излучением верхнего слоя пара в космическое пространство, которое приводит к охлаждению и конденсации пара. Предполагалось, что атмосфера приходит в состояние равновесия, и на этой стадии решалась одномерная сферически симметричная гидродинамическая задача с излучением.

Сконденсировавшееся вещество на внешней границе атмосферы медленно падает к Земле со скоростью около нескольких метров в секунду. Атмосфера из силикатного пара, образованная после удара астероида диаметром 3000 км, продолжает существовать в течение примерно 10 лет, а после удара тела размером 500 км - всего три дня. Вероятность дополнительных ударов крупных тел за этот период времени очень мала. Ударники размером более 500 км нагревают поверхность Земли до температур в несколько сотен градусов Кельвина и более и испаряют водяной океан. Время жизни водяной атмосферы определяется излучением водяного пара и примерно одинаково для всех ударов, испаряющих океан. Оно составляет около 3000 лет для океана глубиной 3 км.

Рис. 15. Сечение Земли вертикальной плоскостью, проходящей через место удара. Заштрихованы области расплавленного вещества после ударов астероидов диаметрами 200 км (а) и 400 км (б). R_E - радиус Земли.

В работе моделировались также удары космических тел размером 50-400 км, которые могли произойти в архее в тот период, когда кора Земли уже полностью сформировалась. Геологическая активность и эрозия быстрее уничтожают мелкие кратеры, поэтому в архее более вероятно найти следы самых крупных из возможных ударов. Вычислялись размеры кратеров, количество испаренного и расплавленного вещества коры и мантии, толщины слоя сконденсировавшегося вещества. Объемы, занимаемые расплавленной породой через 1 час после удара, показаны на рис. 15. Максимальная глубина, где мантия оказывается полностью расплавленной, изменяется от ~100 км при диаметре ударника 50 км до ~450 км при размере тела 400 км.

Результаты расчетов аппроксимировались формулами. Полученные данные можно использовать при поиске следов ударов крупных космических тел на древних платформах. Основными признаками крупных ударов в архее могут служить большие объемы переплавленного вещества, особенно ультраосновного состава, и относительно толстые поверхностные слои сконденсированного вещества, включающие сферулы высокоскоростных выбросов. Усредненная по всей поверхности Земли толщина слоя выбросов составляет около 10 см при ударе тела размером 50 км и 1 м при размере тела 100 км.

Основные выводы по результатам исследований

1. Развиты численные методы решения уравнений газовой динамики для моделирования ударов и атмосферных течений, вызываемых вторжением космических тел в атмосферу. Разработан оригинальный свободно-лагранжев метод расчета. Эйлеров метод SOVA модифицирован для двумерных расчетов в сферической системе координат. Разработан экономичный метод расчета одномерных уравнений переноса излучения, который позволяет учитывать эффекты переноса тепла и потери энергии на излучение в геофизических задачах, связанных с возникновением областей нагретого газа.

2. Взаимодействие космических тел с атмосферой происходит сходным образом в широком диапазоне их размеров и скоростей. Этому взаимодействию присущи характерные эффекты: создание ударных и акустико-гравитационных волн в атмосфере и взаимодействие этих волн с поверхностью Земли; разрушение метеороида под действием давления набегающего газа, развитие неустойчивостей на поверхности раздробленного тела в полете, разлет и рассеяние фрагментов, их абляция и торможение; нагрев поверхности Земли излучением; нагрев атмосферы и потери газа в космическое пространство; пополнение атмосферы испаренным веществом космического тела и мишени (при ударе о поверхность). Те или иные эффекты выходят на первый план в зависимости от конкретной ситуации и практических целей.

3. Показано, что при высокой скорости метеороида, движущегося в атмосфере, и наличии затупленной лобовой поверхности характер обтекания тела может существенно отличаться от классического режима с отошедшей ударной волной гладкой формы. Имеется другой режим обтекания, в котором за фронтом головной ударной волны существуют крупномасштабные вихри, а сам фронт имеет волнистый вид, соответствующий вихревым структурам. Такое течение нестационарно и имеет квазипериодический характер. Давление на лобовой поверхности тела пульсирует, изменяясь в пределах двух порядков, его максимумы могут на порядок величины превышать давление торможения. Вследствие пульсаций давления разрушение тела в атмосфере должно начинаться при этом существенно выше, чем у тела, обтекаемого в стандартном режиме. Поэтому существование вихревого режима обтекания ставит под сомнение принятую наблюдателями метеорных явлений классификацию падающих тел по высоте торможения, согласно которой метеорные тела, тормозящиеся на больших высотах, имеют меньшую прочность и представляют собой кометное вещество с низкой плотностью.

4. Проведены расчеты деформации и фрагментации тел размером 50-100 м в атмосфере Земли, которые, будучи сильно раздробленными, ведут себя подобно несжимаемой жидкости. С помощью численного моделирования проверена теория увеличения поперечного сечения метеороида при падении в атмосфере, которая была выдвинута ранее другими авторами на основании простых оценок. Показано, что существенную роль в фрагментации раздробленного метеороида диаметром 10-100 м играют неустойчивости Релея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, развивающиеся на поверхности тела. Вследствие развития крупномасштабных неустойчивостей тело в полете может принимать как расплющенную форму с отверстиями, так и вытянутую хорошо обтекаемую форму. Высота конечного торможения тел с фиксированными массой и составом не является вполне определенной величиной вследствие случайного характера развития неустойчивостей, а также различной формы падающих тел.

5. Проведены расчеты потоков излучения внутри и вне светящейся области, создаваемой раздробленным каменным космическим телом, параметры которого соответствуют Тунгусскому событию 1908 года (размер 50-70 м при скорости 15-20 км/с). Показано, что при дроблении тела на осколки размером менее 10 см, эти фрагменты могут полностью испариться. Дробление на столь малые фрагменты полностью согласуется с аэродинамическими нагрузками и типичной прочностью метеоритов. Подтверждена выдвинутая ранее гипотеза о том, что взрыв в атмосфере, подобный Тунгусскому, с отсутствием кратеров и фрагментов метеоритов на поверхности грунта является естественной судьбой падающего каменного тела размером в десятки метров.

6. Исследованы касательные удары, при которых космическое тело подходит к Земле по гиперболической траектории с перигеем, отстоящим от 0 до нескольких десятков километров от поверхности планеты. Определено, что кометы диаметром 1-10 км, движущиеся по касательным траекториям, могут, постепенно тормозясь, совершить мягкую посадку на Землю без разрушения содержащегося в космическом теле органического материала. Этот механизм привноса органики мог послужить основой возникновения жизни на Земле. Показано, что излучение крупного метеороида, движущегося по касательной траектории может вызвать пожары в полосе, длина которой сравнима с размером континента, а ширина составляет сотни километров.

7. Исследованы сценарии ударов космических тел, при которых могут образоваться природные стекла за счет плавления грунта излучением. Показано, что слоистые тектиты на площади 700000 км² в Юго-Восточной Азии могли образоваться в результате касательного удара астероида диаметром порядка 1 км, который дробится и рассеивается в атмосфере. Природные стекла с меньшим полем рассеяния, типа ливийских стекол (площадь 7000 км²), могут образоваться при ударах тел размером в сотни метров под острыми углами к поверхности Земли. Излучение из образующегося воздушного взрыва производит плавление сантиметровых слоев кремнезема.

8. Проведены серии расчетов ударов астероидов и комет по планете с различными массами атмосфер. Определены массы атмосферного газа и вещества ударника, теряемые планетой после удара. Выяснено, что теряемая масса атмосферы по отношению к массе ударника наиболее велика при сравнительно малых размерах тел ~100 м. Предложены аппроксимационные формулы для уносимых масс в зависимости от размера и плотности ударника, высоты однородной атмосферы и плотности атмосферы. Применение интегральной модели ударной эволюции атмосферы показало, что конечные параметры атмосферы после завершения роста Земли определяются ударами в тот период аккумуляции планеты, когда дефицит слоя аккумулируемого вещества изменялся от ~100 до ~10 км, причем эти ранние атмосферы Земли оказываются достаточно массивными - с давлениями 10-100 бар.

9. Показано, что удары тел размером более 10 км генерируют в атмосфере Земли сильные акустико-гравитационные волны. Идущая вдоль поверхности акустико-гравитационная волна типа волны Лэмба имеет столь большую амплитуду, что скорость газа за ее фронтом соответствует ураганному или штормовому ветру, причем эта волна огибает всю поверхность Земли. Обосновано предположение, что действие поверхностной акустико-гравитационной волны после удара, образовавшего кратер Чиксулуб 65 млн. лет назад, могло вызвать вывал леса или обламывание ветвей деревьев по всей Земле. Большое количество высохшего древесного материала могло послужить причиной распространения глобальных пожаров, которые усугубили стрессовую ситуацию в биосфере и способствовали гибели биоты на границе мелового и палеогенового периодов.

10. Исследованы вертикальные удары крупных (50-1000 км) астероидов и комет по ранней Земле. Показано, что значительная доля энергии самых крупных ударников тратится на перемещение мантийного материала, который поднимается вверх и растекается по поверхности планеты. Предложены аппроксимационные формулы для массы расплавленного и испаренного вещества мантии, коры и ударника. Оценена толщина слоя вещества, выпадающего на Землю после удара.

Рассчитаны времена существования временных силикатных атмосфер, которые образуются после ударов крупных тел и затем исчезают вследствие охлаждения излучением и конденсации. Эти времена оказываются достаточно короткими (около 10 лет при ударе каменного тела диаметром 3000 км и лишь несколько дней при размере тела 500 км).

Необходимо отметить, что ряд результатов был получен автором диссертации совместно с сотрудниками лаборатории математического моделирования геофизических процессов ИДГ РАН. Разработка свободно-лагранжева метода (глава 1) проводилась совместно с В.М.Хазинсом. Исследование падений метеороидов в атмосфере (глава 3) проводилось в тесном взаимодействии с И.В.Немчиновым, В.В.Шуваловым, А.В.Тетеревым, О.П.Поповой, А.П.Голубем, Н.А.Артемьевой. Результаты по сильным акустико-гравитационным волнам (глава 5) получены совместно с В.В.Шуваловым. При построении аппроксимационных формул потерь атмосферного газа после ударов (глава 6) использовались результаты расчетов косых ударов Н.А.Артемьевой и В.В.Шувалова. Исследование по предсказанию возможных следов ударов в архее (глава7) проведено вместе с В.В.Шуваловым.

космический атмосфера энергия

Литература

1. Светцов В.В. Экономичный численный метод для одномерных задач радиационной газодинамики // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1994. Т. 34. № 3. С. 432-445.

2. Светцов В.В. Взрывы в нижней и средней атмосфере - сферически симметричная стадия // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. № 5. С.129-142.

3. Светцов В.В. Падение кометы в атмосфере Юпитера // Астрономический вестник. 1995. Т. 29. № 4. С. 331-340.

4. Немчинов И.В., Попова О.П., Светцов В.В., Шувалов В.В. О фотометрической массе и радиационном размере крупных метеороидов // Астрономический вестник. 1995. Т. 29. № 2. С. 155-173.

5. Светцов В.В. Куда делись осколки Тунгусского метеороида? // Астрономический вестник. 1996. Т. 30. № 5. С. 427-441.

6. Светцов В.В. Взрывы метеороидов и оценка их параметров по световому излучению // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34. № 4. С. 117-128.

7. Светцов В.В. Загадки кратерного поля Сихотэ-Алиня // Астрономический вестник. 1998. Т. 32. №.1. С. 76-88.

8. Светцов В.В. Нестационарный режим сверхзвукового обтекания // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. № 12. С. 95-97.

9. Светцов В.В. Нарушение стандартного режима обтекания и болид Шумава // Астрономический вестник. 2000. Т. 34. № 4. С. 331-347.

10. Светцов В.В. Об эффективности ударного механизма эрозии атмосферы // Астрономический вестник. 2000. Т. 34. № 5. С. 441-453.

11. Светцов В.В. Оценка привноса органического вещества кометами на Землю на начальных стадиях ее эволюции // Астрономический вестник. 2002. Т. 36. № 1. С. 55-67.

12. Светцов В.В. Пожары и ураганные акустико-гравитационные волны от ударов крупных космических тел // Динамика взаимодействующих геосфер. Сборник научных трудов ИДГ РАН. Москва, 2004. С. 258-267.

13. Светцов В.В. Тепловое излучение и пожары при падениях космических тел // Катастрофические воздействия космических тел / Ред. Адушкин В.В., Немчинов И.В. Москва: ИКЦ “Академкнига”, 2005. C. 151-165.

14. Светцов В.В. Выброс воды в верхнюю атмосферу при ударах космических тел в океан: возможность разрушения озонного слоя // Всероссийская конференция “Астероидно-кометная опасность - 2005” (АКО-2005). Материалы конференции. СПб.: ИПА РАН, 2005. С. 290-293.

15. Светцов В.В., Шувалов В.В. Сильные акустико-гравитационные волны от ударов крупных космических тел // Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41. № 5. С. 602-612.

16. Светцов В.В., Шувалов В.В. Тунгусская катастрофа 30 июня 1908 г. // Катастрофические воздействия космических тел / Ред. Адушкин В.В., Немчинов И.В. Москва: ИКЦ “Академкнига”, 2005. C. 167-199.

17. Светцов В.В., Шувалов В.В. Воздействие ударов крупных космических тел на поверхность ранней Земли // Доклады РАН. 2005. Т. 403. № 6. С. 812-814.

Размещено на Allbest.ru