CC BY
81
/60 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44) УДК 502.572; 552.6; 551.211
К вопросу о роли механизма «парового взрыва» в природных катастрофах. Взрывы метеоритов и извержения вулканов
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2015
В.В. Барелко, М.В. Кузнецов, Л.А. Быков
Аннотация
Падения метеоритов и другие природные катастрофы, например, извержения вулканов, являются в настоящее время предметами противоречивых дискуссий в специализированных научных, научно-популярных и интернет-изданиях, а также в некоторых средствах массовой информации. Авторами предложена вниманию научного сообщества своя версия происхождения и протекания данных природных явлений, основанная на особенностях явления «парового взрыва».
Ключевые слова: падения метеоритов (Челябинский метеорит); извержения вулканов; концепция «парового взрыва»; явление «взрывающихся проволочек»; механизмы природных и техногенных катастроф.
To the Question about the Role of "Steam Explosion" Mechanism in the Natural Catastrophes. Еxplosions of Meteorites and Volcanic Eruptions
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2015
V. Barelko, M. Kuznetsov, L. Bykov
Abstract
The fall of meteorites and other natural disasters, such as volcanic eruptions, are currently the subjects of controversial discussions in specialized scientific, scientific-popular and online publications, as well as in certain media. The authors have proposed to the attention of the scientific community their own version of the origin and development of such natural phenomena, based on the features of the "steam explosion" phenomenon.
Key words: the fall of meteorites (Chelyabinsk meteorite); volcanic eruptions; conception of "steam explosion"; "exploding wires" phenomenon; the mechanisms of natural and man-made disasters.
В настоящее время уже ни у кого не вызывает сомнения, что проблемы астероидно-кометной опасности, метеоритики и вулканологии являются исключительно важными для жизнедеятельности всего человеческого сообщества. Одна из этих проблем вновь заявила о себе 15 февраля 2013 г. в связи с падением Челябинского метеорита. Это событие стало темой публикаций во многих научных и научно-популярных изданиях. Специалистами были подробно изучены вопросы химического состав и фазового состояния болида. Однако без обстоятельного рассмотрения до настоящего времени остается самый важный вопрос — вопрос о физическом механизме взрывоподобных катастрофических явлений, сопровождающих вхождение метеоритов в плотные слои атмосферы и приводящих к появлению масштабных зон разрушения на поверхности Земли. Каков же он, этот механизм?
Первые попытки ответа на этот вопрос специалисты разных отраслей науки предприняли более 100 лет назад, после падения на Землю Тунгусского метеорита в 1908 г. За прошедшие десятилетия предлагались различные гипотезы. Однако большая их часть сводилась к моделям диспергирования (рассеяния) тела болида за счет появления и развития в этом объекте разрушающих механических и термических напряжений. К сожалению, многие естественно возникающие и, казалось бы, очевидные вопросы остаются при таком подходе без адекватных ответов. Вот лишь некоторые из них:
Достаточно ли для объяснения масштаба катастрофических последствий падения метеоритов использовать лишь представления об ударной волне, генерируемой летящим в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями телом?
Какова природа и динамические закономерности интенсивной потери массы в виде газопарового шлейфа, сопровождающего движение болида, и что можно сказать о его физическом механизме и влиянии на энергетические характеристики указанной ударной волны?
Какая причина (если не взрыв!) определила одномоментное прекращение существования Челябинского болида на высоте 10—20 км?
Как объяснить ничтожный объем найденных на земной поверхности фрагментов метеоритного тела, обладавшего огромной первоначальной массой? Отметим в этой связи, что какое-либо фиксированное присутствие на земле вещества Тунгусского метеорита вообще не было обнаружено. По итогам анализа последствий челябинской катастрофы было установлено, что с площади поражения в сотни квадратных километров удалось с привлечением современных методов поиска и разведки собрать осколки общим весом в несколько сот килограммов при общей предполагаемой массе космического тела от 6 до 10 тыс. т!
Может показаться странным, но в многочисленном ряду аналитиков, представляющих свои версии по поводу произошедшего в небе над южно-уральским городом, трудно обнаружить профессионалов
в области процессов горения, взрыва и детонации. Возможно, это связано с тем обстоятельством, что интересующее нас событие нельзя отнести к традиционным объектам данного раздела физики?
Мы полагаем, что причину взрыва метеорита следует искать в ряду газодетонационных механизмов образования сверхзвукового фронта ударной волны. Поскольку присутствие в метеорите традиционных для взрывчатых веществ химических источников взрывного газовыделения в данном случае исключено, представляется весьма обоснованным обращение к процессу взрывного объемного вскипания перегретого до нескольких тысяч градусов тела. Иными словами, мы предлагаем рассмотреть применительно к обсуждаемой природной катастрофе роль «парового взрыва» в качестве фактора, сопровождающего превращения метеоритов (болидов) в плотных слоях атмосферы [1].
В рамках предлагаемой парогазовой детонационной концепции можно представить схему взрыва болида в следующем виде. Твердое космическое тело входит с огромными скоростями (10—20 км/с) в плотные слои атмосферы, в результате чего на его поверхности формируется адиабатически сжатый до высоких давлений горячий пограничный слой. Объект перегревается много выше температуры кипения образующего его вещества, и по мере торможения болида и снижения сжимающего его давления за ультракороткий промежуток времени происходит вскипание массы тела. Переведенное в газопаровое состояние и пока еще сжатое до высоких давлений вещество взрывоподобно распадается, то есть происходит «объемный паровой взрыв», который и формирует ударную волну с катастрофическими последствиями.
Малая масса найденных осколков свидетельствует в пользу предлагаемой гипотезы. Ударная волна рассеивает газопаровое облако вещества от взорвавшегося метеорита в атмосфере на большой площади, поэтому и не удается собрать с поверхности Земли более или менее значительный объем продуктов его превращения.
К сожалению, теоретические основы, объясняющие явление парового взрыва, еще не созданы, а его математические модели не построены. В силу этих обстоятельств возникает необходимость поиска объектов для экспериментального изучения рассматриваемой проблемы. Полагаем, что в качестве лабораторной модели, описывающей метеоритный взрыв, пригодно явление так называемых «взрывающихся проволочек» [2]. В ходе опытов через тонкую металлическую проволочку (0.1—1 мм в диаметре), помещенную в реактор, пропускался очень короткий импульс электрического тока большой плотности (104—106 А/мм2). Почти мгновенно (10-5—10-7 с) она перегревалась выше температуры кипения материала и затем, взрываясь, объемно сублимировала, разбрасывая со сверхзвуковыми скоростями наночастицы металла по всему пространству и стенкам реактора. Такой электрический взрыв сопровождается возник-
/62 ^П SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44)
новением ударной волны с давлением до нескольких тысяч атмосфер в ее фронте, что обеспечивается режимом сверхбыстрого нагрева проволочного элемента со скоростью свыше 1-107 Кх-1 до температур, превышающих 104 К. Электровзрывную методику используют в настоящее время в качестве технологического инструмента для получения металлических и неметаллических наноразмерных порошков материалов, обладающих значительной запасенной энергией.
Конечно, картина взрыва массивного болида существенно сложнее, чем тонкой проволочки. Но при определенных параметрах его движения в атмосфере перегрев, пусть и локальный, может быть таким, что в ограниченном слое образуется газопаровая фаза сверхвысокого давления, которая и «детонирует». Это может происходить последовательно путем повторяющихся взрывных актов. Три таких акта предшествовали одномоментному прекращению существования Челябинского болида. Последняя из зафиксированных вспышек перед исчезновением объекта произошла на высоте 10—20 км.
Не исключена и другая версия, объясняющая интенсификацию теплообменных процессов в объеме космического тела. В результате действия механических и термических напряжений при движении в атмосфере оно диспергирует на малоразмерные фрагменты. И уже движение «груды» осколков обеспечивает условия для реализации однородного режима перегрева раздробленной массы объекта.
Сформулированная задача построения теории парового взрыва не ограничивается, с нашей точки зрения, лишь ее приложением к объектам метеоритики. Мы полагаем, что этот механизм «срабатывает» также и в вулканизме. В частности, при так называемых «фреатических извержениях» — они возникают при контакте магмы и ее потоков с водосодержащими флюидными средами в земной коре (или с расположенными на вулканических куполах ледниковыми покрытиями), начинаясь с мощных выбросов водяного пара, и не могут быть объяснены ничем иным, как действием механизма парового взрыва. Более того, представляется, что сам процесс «вскрытия» жерла вулкана и последующий ударно-волновой выброс на высоту в несколько километров парогазового «фонтана» с увлеченными фрагментами магмы и осколками породы являются следствиями парового взрыва находящейся под куполом вулкана перегретой магматической массы. На бытовом уровне этот процесс наглядно иллюстрирует «выстрел» содержимого из бутылки с шампанским при ее вскрытии вследствие объемного вскипания вина, пересыщенного углекислым газом.
Развиваемая концепция, по нашему мнению, чрезвычайно важна, поскольку представления о паровом взрыве привлекаются нами с единых позиций к объяснению механизмов и техногенных и природных катастроф.
Возвращаясь к вопросу о выборе лабораторного объекта, необходимого для формирования научных основ явления «парового взрыва», вновь упомянем
«взрывающуюся проволочку». Эта модель поможет определить многие важные параметры явления «парового взрыва»: критические величины длительности импульса разряда, темпа нагрева объекта и величины «закаченной» в него тепловой энергии. Она позволит также определить необходимую для реализации взрыва критическую величину перегрева объекта сверх температуры кипения, измерить динамические характеристики взрыва, установить механизмы инициирования, зарегистрировать скорости распространения волны вскипания перегретой массы, а также время действия взрыва. Кроме того, ее использование даст возможность установить параметры картины акустической эмиссии и измерить поле давлений в ударной волне. Наконец, все вышеперечисленные экспериментальные подходы дадут возможность подтвердить молекулярное диспергирование объекта в процессе взрыва, то есть его сублимационный механизм. Полученные данные составят основу для построения соответствующей тепловой и газодинамической теории этого механизма.
Следует подчеркнуть, что паровой взрыв необходимо отнести к тем нелинейным явлениям, физические основы которых строятся на привлечении феноменологии горения, взрыва, детонации. В частности, обозначенные подходы могут быть использованы для описания процессов взрывоподобного распада мета-стабильных состояний вещества в физике твердого тела и в металловедении. Нами ранее были рассмотрены примеры развития такого рода междисциплинарных концепций применительно к космохимии (механизмы сверхбыстрых твердофазных химических превращений вблизи 0 К) и геотектонике (землетрясения как результат взрывных полиморфных превращений в земной коре). Аналогия становится весьма наглядной, если сопоставить роль механизма «взрывной кристаллизации» переохлажденного расплава в магматических процессах и роль механизма парового взрыва перегретой среды в метеоритике [3, 4].
Таким образом, по нашему мнению, именно паровые взрывы, обусловленные различными причинами, привели ко многим разрушительным катастрофам природного характера. Предсказание, а возможно, и предотвращение такого рода явлений в будущем должно стать одной из задач в вопросах изучения астероидной опасности, а также мониторинга потенциально опасных природных объектов. С этой целью необходимо развитие теоретических представлений о природе паровых взрывов, создание моделей процессов, протекающих в реальных условиях и их возможная апробация в реальных и максимально приближенных к ним условиях.
Литература
1. Барелко В.В., Дроздов М.С., Кузнецов М.В. К вопросу о физическом механизме взрывных явлений, сопровождающих вхождение метеоритных объектов в плотные слои атмосферы Земли // Наука в России. 2014. № 1. С. 36—39.
2. Барелко В.В., Кузнецов М.В., Быков Л.А. Механизм «парового взрыва» в техногенных и природных катастрофах // Безопасность объектов топливно-энергетического комплекса (ТЭК). 2014. № 2 (6). С. 128—133.
3. Barelko V., Kiryukhin D., BarkalovI., Kichigina G., Pumir A. Nonlinear wave mechanisms of very fast chemical and phase transformations in solids. Applications to cosmic chemistry processes near to 0 K, to explosive-like decays of metastable solid phases and to catastrophic geotectonic phenomena // Natural Science. 2010. V. 2. No. 12. Р. 1356-1359.
4. Barelko V.V., Drozdov M.S., Kuznetsov M.V., Parkin I.P. Meteorites penetration into the dense layers of the Earth's atmosphere: physical mechanism behind the explosive phenomena // Journal of Earth Science and Engineering. 2013. No. 3. P. 829—883.
Сведения об авторах
Барелко Виктор Владимирович: д. х. н., проф., ФГБУН
Институт проблем химической физики РАН, гл. н. с.
142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т Академика
Семенова, 1.
Тел.: (49652) 2-18-17.
E-mail: barelko@icp.ac.ru
Кузнецов Максим Валерьевич: д. х. н., проф., ФГБУ
ВНИИ ГОЧС (ФЦ), зав. лаб.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
Teл.: (499) 449-12-13.
E-mail: maxim1968@mail.ru
Information about authors
Barelko Victor V.: Doctor of Chemical Sciences, Prof., Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Chief Researcher.
142432, Moscow region., Chernogolovka, pr. Akademika
Semenova, 1.
Tel.: (49652) 2-18-17.
E-mail: barelko@icp.ac.ru
Kuznetsov Maxim V.: Doctor of Chemical Sciences, Prof., Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and High Technology), Head of the Laboratory. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-12-13. E-mail: maxim1968@mail.ru
Bykov Leonid A.: Institute of Problems of Chemical Physics,
Russian Academy of Sciences, Team Leader.
142432, Moscow region., Chernogolovka, pr. Akademika
Semenova, 1.
Tel.: (49652) 2-18-17.
E-mail: lbik@icp.ac.ru
Быков Леонид Алексеевич: д. х. н., ФГБУН Институт проблем химической физики РАН, руковод. группы. 142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр-т Академика Семенова, 1. Тел.: (49652) 2-18-17. E-mail: lbik@icp.ac.ru
