Природа № 7, 1998 г.

И. В. Немчинов, О. П. Попова

ПРИ ВТОРЖЕНИИ в атмосферу Земли твердых частиц - метеорных тел - возникают явления, которые называются метеорными, или метеорами. Обычный метеор на ночном небе возникает внезапно, быстро движется и выглядит как звезда, поэтому раньше метеоры называли "падающими звездами". Очень яркие метеоры, блеск которых превосходит блеск звезд, называются болидами, а очень яркие (и более редкие) болиды - суперболидами. Остатки метеорных тел, порождающих суперболиды, могут выпадать на поверхность Земли в виде метеоритов. Падение очень крупных тел приводит к образованию кратеров.

Хорошо известны кратеры на Луне и в меньшей степени на самой Земле, так как, во-первых, атмосфера защищает поверхность Земли от падения не слишком крупных тел, во-вторых, большая часть Земли покрыта морями и океанами, а на суше кратеры, особенно мелкие, быстро разрушаются из-за эрозии и зарастают деревьями и кустарниками. Тем не менее обнаружено около 120 крупных кратеров диаметром от 1 до 100 км. Большинство из них расположено в геологически стабильных районах Северной Америки, Европы и Австралии. Кратер Метеор в Аризоне диаметром 1.2 км и глубиной 120 м стал первым, для которого доказано, что он образовался в результате падения железного метеорита, после того как в 1920 г. были найдены его небольшие осколки. Самый крупный из известных кратеров диаметром около 100 - 200 км в районе п-ова Юкатан образовался примерно 65 млн лет назад.

Столкновение с очень крупным метеорным телом может привести к полной гибели цивилизации на Земле. Так, например, в наш информационный век выход из строя спутников связи грозит серьезными последствиями, даже если космическое тело не достигнет поверхности планеты, а выделит энергию в атмосфере. Во многих районах Земли сосредоточено большое число химических заводов, атомных электростанций и других объектов, разрушение которых приведет к региональной катастрофе. В связи с этим все большее внимание уделяется изучению падения тел "средних размеров". Такие тела падают на Землю не часто - примерно один раз в 100 - 300 лет.

Два крупнейших события в этом веке произошли на территории России, оба, к счастью, в малонаселенных районах. Тунгусский метеорит, упавший в 1908 г., широко известен у нас в стране и за ее пределами. О его природе спорят до сих пор: комета или каменный астероид, который разрушился на множество мелких осколков, полностью испарившихся в атмосфере? Более 50 лет назад в отрогах Сихотэ-Алиня упал железный метеороид в виде "железного дождя".

ФРАГМЕНТАЦИЯ МЕТЕОРНЫХ ТЕЛ

При полете через атмосферу метеорные тела разрушаются. На видеозаписи болида Пикскилл можно увидеть до 70 фрагментов одновременно.

Космическое тело может разрушиться на несколько крупных фрагментов, которые летят затем по отдельности, или раздробиться на облако мелких осколков, объединенных ударной волной и летящих как одно целое. Это облако быстро расширяется и тормозится во время полета, вызывая яркую вспышку излучения. При разрушении крупного метеорного тела могут реализовываться одновременно оба сценария фрагментации. В обоих случаях осколки метеороида приобретают скорости в направлении, перпендикулярном траектории, что приводит к поперечному рассеянию фрагментов.

Разрушение крупных метеорных тел происходит легче, чем мелких. Чем больше тело, тем больше в нем дефектов, возникших еще при образовании самого метеороида из родительского тела (астероида, планеты, Луны). Некоторые осколки могут достичь Земли, а другие претерпеть дальнейшую фрагментацию или "сгореть" в атмосфере. Следует, однако, иметь в виду, что достигать поверхности могут и огромные метеорные тела (например, комета радиусом 100 м при вертикальном входе все еще сохраняет значительную скорость при подлете к Земле). Поэтому изучение движения метеорного тела с учетом его фрагментации и абляции (потери массы) - актуальная задача. Важную роль в ней играет анализ наблюдательных данных, в частности световых явлений.

Традиционный подход к описанию метеорных явлений сводится к решению системы уравнений, в которой учитываются торможение метеороида, абляция и интенсивность излучения в зависимости от высоты. При этом часто предполагается, что излучение обусловлено только свечением испаренного вещества, а эффективность высвета (коэффициент, связывающий интенсивность излучения со скоростью абляции) почти не зависит от химического состава испаренного вещества, высоты полета и размера тела.

Для тел массой 1 - 10 г (и менее), движущихся в верхней атмосфере в свободномолекулярном режиме, излучение действительно определяется в основном свечением испаренного вещества. При переходе в режим сплошной среды с изменением размера тела и высоты полета происходит изменение характера обтекания, испарения и нагрева паров. Кроме того, с изменением размера тела и плотности воздуха изменяется оптическая толщина паров, а с ней и распределение температуры в слое паров, спектр излучения и доля потерь энергии на излучение.

Эмпирические значения эффективности высвета были получены в результате наблюдений за отдельными, обычно не очень большими телами, массы которых оценивались по их торможению в атмосфере. Экстраполяция этих значений на все возможные размеры и скорости метеорных тел, по нашему мнению, необоснованна, поэтому необходимо было разработать теоретические методы расчета эффективности излучения метеороидов и проверить их на всей совокупности наблюдательных данных.

В Институте динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) была разработана модель абляции и свечения метеорного тела, в которой учитывается излучение как паров вещества метеороида, так и ударной волны, возникающей перед телом. В радиационно-газодинамических расчетах использовались подробные таблицы оптических свойств паров различных метеороидов (железных, H-, L-, LL- и C-хондритов, тел с составом кометы Галлея и др.), составленные для широкого диапазона температур, плотностей и спектра излучения. С помощью теоретических моделей и методик, разработанных в ИДГ РАН, удалось, в частности, воспроизвести общую картину полета и разрушения Сихотэ-Алинского метеороида.

СИХОТЭ-АЛИНСКИЙ МЕТЕОРИТ: НАБЛЮДЕНИЯ ОЧЕВИДЦЕВ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Утром, в 10 ч 40 мин, 12 февраля 1947 г. по небу над отрогами Сихотэ-Алиня пронесся очень яркий болид. Вызвавший его метеороид разрушился во время полета и упал в тайге в виде железного дождя. Три дня спустя летчики, облетая тайгу, увидели место падения, и им показалось, что это место подверглось бомбардировке. Через месяц сюда добралась группа геологов, которые описали более 30 кратеров диаметром от 7 до 28 м и глубиной до 6 м. Комитет по метеоритам отправил на место события полноценную экспедицию под руководством академика Фесенкова всего два месяца спустя. Эта экспедиция и несколько последующих собрали около 27 т метеоритного вещества и опросили более 200 очевидцев.

Собранный уникальный научный материал используется до сих пор, в том числе и для оценки осознанной лишь недавно астероидной опасности. Показания очевидцев позволили астроному Н.Б.Дивари сделать ряд очень интересных выводов. Так, удалось определить направление и угол наклона траектории метеорита, оценить вероятные высоты, на которых произошло разрушение, а также размеры болида и следа. Метеороид вошел в атмосферу с северо-северо-востока (азимут ~14^o) под углом примерно 43^o к поверхности Земли. Сначала казалось, что размеры поля рассеяния упавших фрагментов не соответствуют такому направлению траектории. По осколкам, собранным в 1947 г., поле рассеяния было оценено всего в 1-2 км². Лишь позже, уже в 1975 г., В.И.Цветков предложил новый метод поиска осколков метеорита, в результате размеры поля рассеяния увеличились до 10 км² Болид был очень ярким, "ярче Солнца", "резал глаза". Он выглядел так, "как будто кусок Солнца отломился и падал на Землю". Метеороид разрушался в полете, возникали вспышки света. Большинство очевидцев показали, что он разрушался во время одной-двух взрывных вспышек. Какое-то время все фрагменты летели как одно целое ("один большой кусок... и возле него много маленьких, сверкающих, как звездочки"), в конце траектории падающий метеороид состоял из отдельных фрагментов и за каждым из них тянулся дымный след ("казалось, будто из чего-то поливают", "по форме напоминал метлу").

Информация, собранная по рассказам очевидцев, и анализ кратерного поля позволили оценить скорость исходного метеороида, определить его орбиту и высказать суждение о его происхождении. В работе Е.Кринова предполагалось, что размеры кратеров линейно зависят от размеров осколков. Однако для больших кратеров это предположение неверно и нужно использовать зависимость D ~ E1/3, где D - диаметр кратера, а E - кинетическая энергия кратерообразующего тела, что приводит к увеличению масс наибольших фрагментов. Крупные кратеры образованы большими нераздробившимися осколками, а вспышки излучения и уширение следа связаны с облаком мелких фрагментов и паров. Мелкие осколки метеороида были найдены на большом расстоянии (до 10 км) от основного кратерного поля.

Результаты расчетов скорости абляции с учетом характера разрушения крупных метеорных тел позволили оценить энергию Сихотэ-Алинского метеороида в (12 - 42)x10⁶ МДж. Метеороид был довольно прочным телом, имел начальную скорость 12 - 15 км/с, массу 200 - 400 т, а его разрушение, вероятно, происходило в два этапа: на высотах 22 - 28 и 10 - 16 км. Эти оценки удовлетворительно согласуются с числом и диаметрами наибольших из образовавшихся кратеров, а также с размером поля рассеяния.

Падение метеороида произошло ясным зимним днем. Однако в некоторых местах, по свидетельству очевидцев, в процессе падения перемещались тени. Это свидетельствует о большей интенсивности света от болида, нежели от Солнца. Наши оценки согласуются с этими наблюдениями. Лишь около 1 - 3% начальной энергии метеороида выделилось при ударе о Землю, основная часть была передана атмосфере. Таким образом, атмосфера защищает Землю даже от таких крупных тел, как Сихотэ-Алинский метеороид. Но сумеет ли она уменьшить разрушительное действие более крупных тел, которые могут представить опасность, даже если не долетят до поверхности Земли? Метеорное тело, вызвавшее Тунгусское событие, разрушилось в воздухе, но ударная волна от взрыва вызвала полегание леса на большой территории. Если бы падение произошло над крупным городом, например над Москвой, Нью-Йорком или Лондоном, оно с неизбежностью вызвало бы разрушения и человеческие жертвы.

Отметим, что при попытке предотвратить катастрофические последствия столкновений путем разрушения крупных метеорных тел мы можем столкнуться с ситуацией, когда осколки по размерам будут сравнимы с Сихотэ-Алинским метеороидом.

БОЛИДНЫЕ СЕТИ

Для сбора информации о притоке метеорного вещества на Землю был создан ряд болидных сетей в США, Канаде и Европе. В настоящее время болидная сеть осталась только в Европе.

Первоначально предполагалось, что оптическая регистрация болидов поможет в поиске упавших тел. Однако, по данным, поступившим с этих сетей, были найдены лишь три небольших метеорита (Пршибрам в Чехии в 1959 г., Лост-Сити в США в 1971 г. и Иннисфри в Канаде в 1978 г.). Позже наблюдались еще два болида, после которых также были найдены метеориты: Пикскилл, пролет которого был заснят на любительские видеокамеры (1992), и Сент-Роберт (1994).

Одним из крупнейших болидов, зарегистрированных Европейской сетью, стал Бенешов. Его светимость, по данным Дж.Боровичка П.Спурни, достигала - 21m звездной величины (для сравнения: блеск Луны примерно - 13m, Солнца - 26m), а начальная скорость при почти вертикальном вхождении в атмосферу составляла ~21 км/с. Во время пролета атмосферы он неоднократно разрушался; на фотоснимках был зарегистрирован ряд фрагментов на высотах 38 - 30 км и ниже 24 км.

Вместе с сотрудниками Чешской Ондржейовской обсерватории (главный центр Европейской болидной сети) мы проанализировали данные наблюдений. По торможению тела массу можно оценить в 80 - 200 кг, что противоречит высокой интенсивности излучения болида. Оставалось принять, что метеороид разрушился на большой высоте. Фрагменты летят отдельно, торможение определяется лидирующим фрагментом, и полная масса метеороида гораздо больше, чем масса лидера. Излучение фрагментов суммируется, соответствуя практически всей массе. Благодаря сравнительно низким скоростям поперечного разлета даже мелкие осколки не разлетаются за время регистрации дальше, чем на 20 м.

Более реалистическая оценка массы метеороида Бенешов 2 - 4 т. Для таких крупных тел, разрушающихся при пролете атмосферы, использование световой кривой (зависимости интенсивности излучения от высоты или времени) при оценке массы может дать более точные результаты, чем оценка по торможению. Расчетная динамика фрагментов хорошо согласуется с наблюдениями. Для болида Бенешов были получены спектры излучения на разных высотах. Судя по спектрам и высоте погасания болида Бенешов, можно сказать, что это было каменное тело.

Метеороиды могут иметь как астероидное, так и кометное происхождение. Кометные метеороиды с низкой прочностью разрушаются и исчезают на больших высотах, поэтому узнать о них что-либо можно, только наблюдая за их полетом в атмосфере. Одним из таких тел, зарегистрированных Европейской болидной сетью, был очень яркий болид Шумава, который начал светиться на высоте ~92 км и сгорел на высоте ~59 км. На световой кривой этого болида отмечены четыре яркие вспышки, связанные, по мнению Боровичка и Спурни, с разрушением тела. Но такие тела разрушаются и светятся иначе, чем более прочные каменные тела, проникающие в плотные слои атмосферы. Отметим, что все метеорные тела, зарегистрированные наземными сетями до настоящего времени, гораздо меньше Сихотэ-Алинского метеороида.

НАБЛЮДЕНИЯ СО СПУТНИКОВ

В последние годы американские геостационарные спутники, оснащенные инфракрасными и оптическими датчиками, неоднократно регистрировали яркие вспышки в атмосфере Земли, светимость которых обычно превышает - 17m; поэтому их можно назвать суперболидами. Относительно небольшое число высокоорбитальных спутников позволяет контролировать большую часть земной поверхности и вести непрерывное, независимо от погодных условий, наблюдение за Землей. Для сравнения следует отметить, что Европейская болидная сеть охватывает только 0.3% земной поверхности. Инфракрасные датчики спутников регистрируют около 30 ярких вспышек в год в течение последних трех лет. Наблюдения в видимом диапазоне велись в течение меньшего времени.

Первоначально спутниковая система наблюдений должна была контролировать выполнение договора о запрещении ядерных испытаний и запуски ракет. Но оказалось, что яркие световые вспышки в атмосфере, энергия которых была сравнима с энергией ядерных взрывов, слишком часты. Вскоре было установлено, что эти вспышки были вызваны внедрением в атмосферу и взрывным разрушением в ней крупных метеороидов. По оценкам, характерный размер таких тел 1 - 3 м. 1 октября 1990 г. была зарегистрирована яркая вспышка над Тихим океаном с энергией 19x10⁶ МДж. Интенсивность ее излучения соответствовала кинетической энергии метеороида, в несколько раз превышающей энергию атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки. Тщательный анализ наблюдательных данных позволил заключить, что вспышка над Тихим океаном была вызвана не испытанием ядерного оружия, а разрушением в атмосфере крупного метеороида.

Датчики спутниковой системы обычно регистрируют только световую кривую болида, и нужно было создать новые методики оценки параметров метеорных тел на основе только данных о вспышке. Световые кривые "спутниковых" болидов (еще более крупных, чем Бенешов) в первую очередь определяются дроблением метеорного тела и расширением облака фрагментов и пара. Попытки численно воспроизвести световую кривую крупных метеороидов без учета разрушения тела и увеличения эффективного радиуса светящегося облака фрагментов и паров оказались неудачными.

Для оценки энергии метеороидов по энергии излучения были определены интегральные эффективности высвета (коэффициент пропорциональности между зарегистрированной энергией излучения и кинетической энергией тела, вызвавшего эту световую вспышку) для различных значений начальных скоростей, размеров, наклона траекторий, состава и прочностей метеорных тел. Для описания разрушения и расширения облака в качестве первого приближения С.Григоряном использовалась жидкостная модель. Оказалось, что эффективность высвета почти не зависит от угла наклона траектории, химического состава и предполагаемой прочности тела, зато увеличивается с ростом начальных скоростей и интенсивности излучения.

Самый крупный метеороид был зарегистрирован со спутников 1 февраля 1994 г. над Маршалловыми о-вами. Данные наблюдений позволили определить угол наклона траектории и скорость (24 км/с). Световая кривая этого болида имеет характерную форму с двумя максимумами интенсивности. Наблюдения показали также, что во время полета метеороид испытал двукратное разрушение - на высотах 34 и 21 км. Пользуясь расчетными значениями эффективности высвета и скорости абляции, а также новыми представлениями о характере разрушения, мы воспроизвели световую кривую этого болида и оценили параметры метеороида. Его масса 400 - 500 т, энергия ~170x10⁶ МДж (около 40 кт ТНТ). Начальные массы метеороида 1 февраля 1994 г. и Сихотэ-Алинского, возможно, близки, как и угол входа в атмосферу. Начальная скорость метеороида 1 февраля 1994 г. была почти в 2 раза больше, и в результате он разрушился на большей высоте. Вероятно, крупные фрагменты составили лишь незначительную часть его массы.

14 июня 1994 г. в Западной Канаде упал метеорит Сент-Роберт. В тот день тысячи людей на северо-западе США и в Западной Канаде наблюдали очень яркий болид. Сразу же после его падения были записаны показания многих очевидцев. С поля рассеяния размером 8x4 км² За 22 месяца систематических наблюдений (с середины 1994 г. по март 1996-го) оптические датчики спутниковой системы зарегистрировали 51 световую вспышку. Распределение числа болидов в год на всей Земле по энергиям метеорных тел показано на рис. 6. Установлено, что в среднем за год в атмосферу Земли попадает около 25 метеороидов с энергией (1 - 17)x10⁶ МДж. По-видимому, раз в один-два года в атмосферу Земли вторгается тело с энергией (40 - 60)x10⁶ МДж, примерно сравнимое с Сихотэ-Алинским метеороидом. Большинство из них не достигает поверхности Земли, поскольку железные метеорные тела среди них довольно редки ~5%). Наша оценка распределения болидов по энергиям согласуется с данными по лунным кратерам. Это позволяет говорить об отсутствии заметных флуктуаций в потоке метеороидов в настоящее время по сравнению со средним значением.

Экстраполируя наблюдательные данные, можно найти вероятность вторжения в атмосферу Земли метеороида с энергией 4x10⁹ МДж (около 1 Мт ТНТ): такое может произойти один раз в 30 - 300 лет. Американская наземная акустическая система за 12 лет работы зарегистрировала одно такое событие, а оптическая спутниковая система за два года не зарегистрировала пока ни одного.

Продолжая наблюдения и анализируя их результаты, можно точнее определить распределение числа болидов и оценить вероятность падения крупных метеорных тел. При решении проблемы предотвращения астероидной опасности важно знать свойства (прочность, структуру) метеорных тел, внедряющихся в атмосферу. От этих свойств зависят высота, на которой происходит разрушение метеороида, и характер разрушения. Наблюдения за болидами помогут получить такую информацию.

ВИЗУАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БОЛИДАМИ

Кроме профессиональных наблюдений, большую роль в сборе информации о болидах играют очевидцы. Мы уже говорили, насколько важными оказались их показания о Сихотэ-Алинском метеорите. Недавно в районе Калуги наблюдался яркий болид, сведения о котором удалось получить от людей, наблюдавших его. Этот болид был очень ярким, почти как Солнце. К сожалению, метеориты найдены не были.

Другой яркий дневной болид наблюдали многочисленные очевидцы в районе г.Эль-Пасо (штат Техас, США) 9 октября 1997 г. Он был заснят любительскими видеокамерами и зарегистрирован акустической и спутниковой системами наблюдений. Небольшая экспедиция сразу начала собирать сведения об этом событии. Проводятся обработка этих данных и поиск, возможно, выпавших метеоритов.

Еще одно событие, вызвавшее большой интерес, произошло 9 декабря 1997 г. Над огромной ледяной пустыней - Гренландией ночью (05 ч 50 мин местного времени) пронесся довольно яркий болид. Поскольку Гренландия, особенно зимней ночью, почти безлюдна, то очевидцев было немного - капитаны и матросы рыболовецких траулеров и люди, живущие на побережье.

Информация о таких крупных событиях имеет большую научную ценность, поэтому ее начинают сейчас собирать по всему миру. Существуют планы по организации сети наблюдений за суперболидами, главная цель которой состоит в том, чтобы с помощью добровольцев обеспечить тщательное изучение больших событий, происходящих во всех районах земного шара.

До сих пор основное внимание уделялось поиску метеоритов, которые позволяют получать уникальные данные о внеземном веществе. Однако сам процесс внедрения метеороидов в атмосферу Земли (их разрушение, абляция, излучение) также представляет не меньший интерес. Поэтому сейчас интерес смещается в первую очередь к наблюдениям болидов. Из рассказов очевидцев обычно трудно точно определить траекторию, но можно установить общее направление движения метеороида и приближенное значение скорости. Отсюда можно получить представление о происхождении тела (кометном или астероидном).

В организации сети наблюдений за суперболидами участвуют: Международная метеорная организация (IMO), которую представляет П.Браун (P.Brown); Чешская Ондржейовская обсерватория, ее представляет З.Сеплеха (Z.Ceplecha); Национальные Лаборатории Санди, их представляет Р.Сполдинг (R.Spalding).

Добровольцы из России могут сообщить о своем желании участвовать в сборе информации для Глобальной сети через Ивана Васильевича Немчинова, Институт динамики геосфер РАН. Тел. (095)939-79-05. Е-mail ivvan@idg.chph.ras.ru).