CC BY
79
М.Г. Ишмухаметова12, Е.Д. Кондратьева1
!Казанский государственный университет, Казань 2Астрономическая обсерватория им. В.П. Энельгардта, Казань
mig@ksu.ru
АСТЕРОИДНО-КОМЕТНАЯ ОПАСНОСТЬ: К 100-ЛЕТИЮ ТУНГУССКОГО ВЗРЫВА
Малые тела Солнечной системы размером от 10 до 100 метров выделяют в отдельную группу инасанов. К подобным объектам относится и Тунгусский метеорит. Вероятность столкновения с Землей подобных объектов составляет примерно один раз в сто лет. Инасаны трудно обнаружить, вследствие чего они представляют реальную опасность для Земли. В работе рассмотрены критерии генетического отождествления космических объектов типа группы «инасанов» с родительскими телами.
Земля, как и другие планеты и их спутники, регулярно испытывает столкновения с космическими телами. На поверхности Земли сохранилось не менее 130 кратеров диаметром до 250 км, имеющих различный возраст. Знаменитый Аризонский кратер в США (Рис. 1) имеет диаметр 1200 м и глубину 175 м. Кратер образовался при падении железного астероида размером примерно 60 м около 50 тыс. лет назад. Все больше подтверждений находит и точка зрения, что внезапное вымирание динозавров объясняется столкновением Земли с огромным астероидом.
Вблизи Мексики у полуострова Юкатан обнаружен кратер, диаметр которого достигает 180 км, а его возраст оценивается учеными порядка 65 млн. лет. В геологических слоях кратера, относящихся к этому периоду, обнаружено содержание иридия в сотни раз превышающее концентрацию в других слоях. Как известно, иридий в больших количествах содержится в метеоритах. Еще одна глобальная космическая катастрофа, возможно, произошла примерно 10 тыс. лет назад и послужила причиной вымирания «мамонтовой» фауны. Эти глобальные космические катастрофы стали важным фактором в процессе развития жизни на Земле.
30 июня 2008 г. исполняется сто лет со дня таинственного взрыва в районе реки Подкаменная Тунгуска на территории России. После взрыва на поверхности Земли не было обнаружено никаких воронок и осколков метеоритов. Это породило целый ряд экзотических гипотез: встреча с телом из антивещества, небольшой черной дырой, взрыв «летающей тарелки» и т.д. Первая научная экспедиция под руководством Л.А.Кулика обследовала территорию только в 1927 г. В настоящее время наиболее реальной является версия о столкновении с телом кометного происхождения размером около 50 м. Выводы основаны на показаниях очевидцев и расчетов в рамках механики и аэродинамики.
Из общей массы свидетельских показаний 47 % детально описали строение болида, выделив в нем ядро и хвост («комок пламени», «огненный шар» с огненным, огненнобелым, розово-красным хвостом «метлой»). Таким образом, большинство исследователей сходятся во мнении, что Тунгусский болид не мог быть каменным, железнокаменным или железным астероидом. При сгорании таких объектов в атмосфере остается темный шлейф дыма. Можно предположить, что тело состояло из водяного льда и углеводородных компонент, в частности, метана. В результате взаимодействия с атмосферой и резкого торможения тела происходил интенсивный сброс массы кометного вещества, что привело к образованию облака горящей смеси. Заме-
ченная очевидцами белая полоса и дымка, оставшаяся на небе после пролета болида, может быть результатом испарения водяного льда при разогреве ядра кометы.
Важной деталью в показаниях очевидцев является тот факт, что тело развалилось во время пролета на мелкие фрагменты, которые, сгорая, были видны в виде искр или даже «красных как раскаленный уголь» фрагментов. Показания очевидцев, отсутствие воронки и осколков метеорита на поверхности земли привели к выводу, что тело взорвалось или распалось в воздухе. Вывал леса был установлен на площади 2150±50 кв. м, причем расположение поваленных деревьев имело хорошо выраженное радиальное направление. Приблизительно в середине вываленного леса на протяжении 3-5 км был обнаружен так называемый телеграфный лес - вертикально стоящие стволы без веток (Рис. 2). Такое разрушение могло быть произведено как сосредоточенным, так и протяженным взрывом. В первом случае, оценивая скорость напора воздуха в ударной волне, способной вызвать такой вывал леса, вычисленная энергия эквивалентна мощности заряда, равной примерно 10 мегатонн тротила. Высота взрыва была оценена по размеру площади телеграфного леса и составила около 6 -10 км (Веп-МепаЪеш, 1975). Такой вывал мог быть произведен и баллистической ударной волной от летящего под большим углом к поверхности Земли со сверхзвуковой скоростью телом, которое разрушается на некоторой высоте и тормозится до звуковой скорости (Козин и Коротков, 2000).
Гипотеза падения каменного тела или углистого хондрита не подтверждается, прежде всего, отсутствием осколков в месте падения. Это несмотря на то, что многочисленные экспедиции занимались исследованием этого района. Крупное каменное тело при полете в атмосфере должно испытывать процесс дробления под действием давления на лобовую поверхность. Действительно, именно каменные и углистые метеориты находят чаще всего. Феномен Тунгусского метеорита продолжает привлекать внимание ученых. В этом году планируется провести ряд научных конференций, посвященных столетию Тунгусского события и обсуждению проблем, связанных с астероидно-ко-метной опасностью и космическим техногенным мусором.
Вероятность столкновения Земли с космическим телом, подобным Тунгусскому, составляет примерно один раз в сто лет. Пространственная плотность малых тел Солнечной системы, проходящих через околоземное пространство, в зависимости от массы представлена на Рис. 3 (Багров и др., 2003). Крупные метеороиды размером в пределах 10-100
Рис. 1. Аризонский кратер в США - место падения железного метеорита.
м, в некоторых источниках их называют инасанами, имеют малую яркость и большую видимую скорость, а также неопределенность направления их прихода. Потому малые тела данного класса трудно обнаружить в телескопы, и в этом их опасность. Существуют два варианта воздействия на опасный космический объект: это разрушение самого объекта или изменение его траектории. В любом случае объект необходимо обнаружить как можно раньше.
Все обнаруженные на сегодня инасаны принадлежат к метеорным потокам. Генетическое отождествление зарегистрированного метеороида с метеорным роем можно выполнить разными способами. Способ сравнения радиантов является наиболее надежным в том случае, когда координаты радианта метеорного потока известны, а площадь радиации небольшая, то есть для хорошо изученных и сравнительно молодых метеорных роев. Способ D-критерия более универсальный, так как в качестве меры генетической общности принимается близость расстояния между орбитами тел в пятимерном фазовом пространстве (Southworth and Hawkins, 1963).
Для двух исследуемых тел D-критерий выражается формулой:
D2 = (e^e/ +(q2-qI)2 +(2sin(I/2))2 +((e2+eI)/2)2 (2sin(W/2))2, (1) где
(2sin(I/2))2 = (2sin((i2- iI)/2))2 +sin(iI) sin(i2) (2sin((Q2- QI)/2))2,
W = ю2- юI ± 2arcsin(cos((i2+ iI)/2) sin((Q2- QI)/2) sec(I/2)),
I - взаимный угол наклона орбит, W - угол между направлениями на перигелии, е, a, q, i, ю, Q - орбитальные элементы. Знак минус ставится, когда |Q2-Q1|>180o. Принимается, что два тела будут иметь общее происхождение, если расстояние между их орбитами в заданном пространстве окажется меньше некоторой заданной величины D. Метод предполагает, что ошибки измерений элементов орбит значительно меньше, чем реальная дисперсия орбит в рое.
Основной проблемой использования D-критерия является именно определение верхнего передела величины D как меры общего происхождения двух тел. При изучении принадлежности метеороидов к метеорному рою или определения его средней орбиты для всех метеорных роев величину D принимают равной 0,2. Однако применять равные предельные значения D для метеорных роев мож-
но только как первое приближение. Для более надежного отождествления верхний предел Б необходимо определять для каждого метеороидного комплекса индивидуально, так как, вероятнее всего, эта величина является некоторой эволюционной характеристикой данного роя или комплекса.
Значение верхнего предела Б-критерия было исследовано для наиболее хорошо изученного метеорного роя Персеид. Родительская комета Персеид - комета 1862 III Свифта-Туттля является активной, то есть в результате разогрева при сближении с Солнцем ядро кометы разрушается, выбрасывая метеорное вещество. При дезинтеграции кометного ядра орбиты выброшенных фрагментов связаны с родительским телом, поэтому значение Б зави-
Рис. 2. «Телеграфный лес» в эпицентре Тунгусского взрыва.
сит прежде всего от начальных условий выброса (скорости выброса и точки выброса на орбите). Проанализируем значения Б-критерия для различных значений скоростей выбросов частиц, выброшенных в разных точках орбиты, используя результаты моделирования выброса Персеид из родительской кометы в 1348 г.
Процесс моделирования образования метеорного роя Персеид, выполненный авторами ранее, подробно описан в работах (Жуков и др., 2003; Ишмухаметова и Кондратьева, 2005). В качестве примера рассмотрим только выброс в направлении против движения кометы, так как в данном случае элементы орбиты выброшенной частицы в наибольшей степени отличаются от орбиты кометы. Величина Б для двух орбит комета-метеороид была рассчитана по формуле (1) для диапазона скоростей выбросов 300 - 2100 м/с, при этом были выбраны точки выброса до перигелия -900 -600, -300, в перигелии 00 и +300, +600, +900 после прохождения кометой перигелия. На рис. 4 показана зависимость величины Б критерия от скорости V выброса частиц. Как видим, значение Б практически не меняется для частиц, выброшенных в разных точках орбиты с одной и той же скоростью. Значение Б, равное 0.2, достигается только для частиц, выброшенных со скоростями выше, чем 2000 м/с.
По современным га-1^(М)кв.м/с зодинамическим
представлениям де-
Рис. 3. Плотность потока малых тел Солнечной системы через околоземное пространство в зависимости от 1^(М)г их массы.
Ю
, . v-3 V-&
СО т с,
' X т/с
* —
Т
■
1 1 •СО 1 С -С 1 і 1 0 Ж 1 1 1 С С 2 1 ' і 1 0 оо 1 V 1 ГО
Рис. 4. Значение О-крите-рия в зависимости от скорости выброса и положения точки выгброса фрагмента на кометной орбите.
зинтеграции кометного ядра при сближении с Солнцем скорости выброса не превышают 600 м/с. Таким образом, для только что выброшенных модельных частиц роя Пер-сеид верхний предел Б не превышает величины 0,075 независимо от точки выброса на орбите.
Однако из-за влияния планетных возмущений орбиты метеороидов в рое с течением времени изменяются. Поэтому интересно проследить динамику значений Б в зависимости от эволюции роя. Элементы орбит модельных частиц, выброшенных из кометы в 1348 г., были проинтегрированы вперед до 1862 г. с учетом возмущений от всех планет.
Значения Б для двух орбит комета-частица, рассчитанные по формуле (2), для возмущенных орбит частиц представлены на Рис. 5.
Значение Б выше величины 0,2 дает модельная частица, выброшенная со скоростью 2100 м/с в точке орбиты с истинной аномалией +300. Это обусловлено сближениями частицы с Юпитером: одно тесное (взаимное расстояние 0,27 а.е.) и два - на границе сферы его действия. При той же скорости выброса в точке орбиты с истинной аномалией -300 основное возмущение на орбиту частицы оказывает Земля. Тесных сближений ее с Землей достаточно много -1469, 1497, 1525, 1590, 1730, 1758, 1786, 1842 гг., причем при сближениях минимальное взаимное расстояние равно 0,093 а.е., а максимальное - 0,16 а.е. Такие возмущения приводят к значительным изменениям элементов орбит модельных метеороидов за 500 лет. Если рассмотреть диапазон наиболее вероятных скоростей выбросов до 600 м/с, то даже через четыре оборота вокруг Солнца значения Б для возмущенных орбит Персеид не выходят за пределы значения 0,1.
Заключение
Отождествление наблюдаемых космических объектов с родительскими телами имеет огромное значение для изучения их эволюции и возможного сближения с Землей. Б-критерии являются одним из инструментов генетического отождествления космических тел с той или иной группой малых тел астероидно-кометного и метеорного комплекса, однако неопределенность верхнего предела остается основной проблемой их использования. Значение величины Б как меры общего происхождения двух тел нельзя искусственно переносить на разные типы малых тел. Для каждого типа (группы астероидов, семейства комет, комплекса метеорных роев) величину верхнего предела Б-критерия необходимо исследовать индивидуально как эволюционную характеристику.
Кроме того, важно отметить, что надежность отождествления наблюдаемых объектов зависит также от точности определения их орбитальных элементов, так как в основе Б-критерия лежит вычисление расстояния между орбитами тел в пятимерном фазовом пространстве. Это ста-
Рис. З.
Значение
D-критерия
через З00
лет после
выгброса
фрагмента.
вит задачу постоянного мониторинга околоземного пространства с целью как можно более раннего обнаружения опасных космических объектов и определения параметров их движения. Орбиту космического тела, неожиданно появившегося в пределах земной атмосферы, вычислить практически невозможно.
Именно таким неопознанным объектом и остался Тунгусский метеорит. Даже если на поверхности земли не были найдены обломки, то вычисленная орбита метеорита позволила бы ученым отождествить его с наиболее вероятным родительским телом или хотя бы с большой степенью достоверности установить к какому типу малых тел Солнечной системы относится Тунгусский болид. Получить какие-либо дополнительные сведения о явлении, наблюдавшемся сто лет назад крайне сложно. Поэтому, вероятно, это удивительное событие так и останется загадкой XX века.
Литература
Багров А.В., Выгон В.Г., Бондарь С.Ф. Труды конф. «Околоземная астрономия - 2003». РАН, Институт астрономии, Терс-кол, 8-13 сентября 2003. Т. 2. 2003. 29-41.
Жуков Г.В., Ишмухаметова М.Г., Кондратьева Е.Д., Масленникова Е. Метеорный рой Персеид по наблюдениям кометы Свифта-Туттля. Георесурсы. 2(14). 2003. 21-23.
Ишмухаметова М.Г., Кондратьева Е.Д. Астрономический вестник. Т. 35. № 5. 2005. 440-448.
Козин В.Н., Коротков П.В. Взрыв Тунгусского метеорита и образование вывала леса. Астрономический вестник. Т. 34. № 4. 2000. 357-364.
Ben-Menahem A. Source parameters of the Sibirian explosion of June 30 1908 from analysis and synthesis of seismic signals of four stations. Phys. Earth and Planetary Interiors. V. 11. 1975. 1-35.
Southworth R.B., Hawkins G.S. Statistics of meteor streams. Smithson Contr. Astrophys. V. 7. 1963. 261285.
Марина Геннадьевна Ишмухаметова
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры астрономии. Область научных интересов: кометно-метеорная астрономия, исследо-
вание эволюции и структуры метеорных роев.
Екатерина Дмитриевна Кондратьева
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры астрономии. Область научных интересов: кометно-метеорная астрономия, моделирование образования метеорных роев.
