CC BY
25ЭТОТ ЗАГАДОЧНЫЙ ОБЫКНОВЕННЫЙ ЛЁД
(Продолжение. Начало см. в № 2 (37), 2019 г.)
В. Р. Алексеев DOI: 10.24412/1728-516Х-2020-1-91-98
Владимир Романович Алексеев,
доктор географических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории инженерной геокриологии Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН
Почему лёд скользкий?
Лёд на Земле разнообразен по происхождению и форме. Град, гололёд, изморозь, иней, ледники и наледи, сосульки на крышах, снег, наст, замёрзшая вода в недрах Земли - всё это твёрдая фаза воды - лёд. Он обладает удивительными свойствами, часть из которых определяет не только состояние и морфологию растений и животных, но и жизнь многих народов и даже судьбу цивилизации. Одно из таких свойств - скользкость. Она хорошо известна на бытовом уровне. Под скользкостью понимают уменьшение силы сцепления между двумя движущимися (скользящими относительно друг друга) телами. С наступлением зимы мы остро ощущаем эту характерную особенность Севера. Как и всякое другое явление природы, она имеет и положительные, и отрицательные стороны. Что было бы на Земле, если бы лёд не был таким скользким? Представьте, снег превратился бы в подобие песчаной смеси, а ледяной покров - в асфаль-то-бетонное покрытие. Мы не смогли бы кататься на лыжах, коньках и санках, исчезли бы нарты и снегоходы, погибли бы многие виды животных, не стало бы катков, зимних стадионов и видов спорта, изменился бы образ жизни, по меньшей мере, половины человечества. Не известно, как и когда были бы открыты Южный и Северный полюса Земли, ведь Роберт Скотт (1868-1912 гг.) и Роберт Пири (1856-1920 гг.) пользовались в своих походах лыжами и санями (нартами). Конечно, сократилось бы число травм, аварий и трагических происшествий на транспорте... Но, коль скоро этого не случилось (и не случится), люди имеют возможность наслаждаться снегом и льдом, не
обращая особого внимания на физическую сущность явления.
Между тем зимняя скользкость всегда была и остаётся предметом пристального внимания специалистов самого разного профиля, больше всего - учёных и инженеров. Актуальность проблемы заключена в двух вопросах: как предупредить или ослабить зимнюю скользкость и как бороться с ней? Оба вопроса замыкаются на причине и механизме взаимодействия соприкасающихся предметов. Долгое время считалось, что сам по себе лёд не скользкий, а причиной высокой скользкости является тончайшая плёнка воды, образующаяся под давлением на контакте движущегося предмета с ледяным основанием. Большое значение имеет также «степень гладкости» льда и температура среды: скользкость уменьшается при сильных морозах и на шероховатых поверхностях.
Однако ещё В. П. Вейнберг показал, что «понижение температуры плавления льда при увеличении давления не имеет никакого значения и что не давление полозьев на лёд, а работа, необходимая для преодоления сил трения полозьев о лёд, вызывает плавление льда» [12, с. 163]. Сложную ситуацию на границе скользящего предмета со снегом и льдом описал Марк Софер на примере скольжения лыж [13]. В экспериментах использовались металлические и пластиковые лыжи. Оказалось, что при понижении температуры воздуха от 0 до -25 °С коэффициент трения для стали увеличивается в два раза, а для меди в 3-4 раза. При увеличении скорости движения лыжи коэффициент трения может уменьшиться в 10 раз. Существенное значение имеет материал полозьев, структура и тепловое состояние снега, а также длина
скользящей поверхности. Трение стальной лыжи, увеличенной с 1,0 до 1,7 м, уменьшается на две трети. Таким образом, спортсмену, чтобы облегчить движение по лыжне, надо иметь длинные лыжи и бежать как можно быстрее. Однако при небольшом давлении и температуре снега около 0 °С трение возрастает, причём снег может налипать на подошву и сдвигаться вместе с лыжей.
Многие люди знают, что гладкий лёд менее скользкий, чем шероховатый или мелкобугристый. Причина этого - повышение давления на контакте полоза с выступающими неровностями, благодаря чему на бугорках появляется дополнительное количество смазки в виде тонкого слоя талой воды. Для понижения точки таяния льда на 1 °С требуется дополнительное давление около 130 кг/см2, что возможно далеко не всегда, но высокая скользкость сохраняется. Видимо, здесь вступают другие процессы и факторы, уменьшающие сцепление полоза и снежно-ледяного основания.
Недавно учёные из Нидерландов, Германии и Франции под руководством Даниэля Бонна из Амстердамского университета прояснили ситуацию [14]. Они определяли коэффициенты трения при скольжении стального шарика по ледяной поверхности в диапазоне температур от 0 до 100 °С. Полученные результаты анализировались с помощью спектроскопических измерений и компьютерного моделирования. В распределении температурной зависимости коэффициента трения выявились две характерные области (рис. 9). Первая
-100
-80 -60 -40 -20 Температура, "С
Рис. 9. Зависимость коэффициента трения и обратного коэффициента диффузии молекул от температуры.
Чёрными символами обозначены экспериментальные данные, красными - результаты компьютерного моделирования. Сплошные линии соответствуют предсказанию двух теоретических моделей
располагается в интервале температур примерно от 0 до -10 °С. Здесь сила трения определяется пластической деформацией льда при его продавливании; сила трения определяется диффузией молекул воды в поверхностном слое. Вторая область охватывает диапазон температур от -10 до -100 °С. Здесь повышение коэффициента трения происходит в результате снижения доли подвижных молекул в поверхностном слое при падении температуры. Самое низкое трение для льда, по мнению авторов, характерно при температуре около -7 °С, что подтверждается опытом конькобежцев, фигуристов, хоккеистов и ледотехников.
Борьба с зимней скользкостью - один из важнейших факторов экологической безопасности населения многих стран. На борьбу с ней ежегодно затрачиваются огромные материальные ресурсы. Усилия специалистов и обычных людей, проживающих в холодных регионах, сводятся к двум аспектам - изменению свойств передвижных средств (обуви, полозьев, колёс и пр.) и устранению причин и факторов, вызывающих скользкость на дорогах и тротуарах. Не всегда эти усилия достигают желаемого эффекта. Даже в высокоразвитых странах проблема борьбы с зимней скользкостью далека от полного разрешения. Например, в Канаде около 20 тысяч жителей провинции Онтарио ежегодно попадают в травмпункт из-за повреждений, связанных с падением на обледенелых и заснеженных поверхностях. Казалось бы, можно, внедрить зимнюю обувь с противоскользящими подошвами. Увы! Сотрудники специальной лаборатории провели исследования обуви, изготавливаемой различными фирмами, в том числе знаменитыми Tinberland и Caterpillar. Оценка пригодности подошвы обуви осуществлялась по трёхбалльной системе. Из 98 пар тестированной обуви 89 пар (90,8 %) не набрали ни одного балла. Есть над чем задуматься учёным и инженерам!
Наледи в атмосфере Земли
Наледи в Якутии видел каждый. Но не всякий знает, что существует целая наука - наледеведение. Она родилась и активно развивается в России. Ещё каких-то 40-50 лет назад среди учёных не существовало единого мнения об этом феноменальном явлении природы. Однако с годами многое прояснилось, в основном благодаря работам представителей якутской школы мерзлотоведов и гидрогеологов. Главное, определились ключевые понятия молодой науки. Ныне наледями называют не только гигантские ледяные поля-тарыны в бассейнах рек Колымы, Яны и Индигирки, но и относительно небольшие массивы льда во дворе нашего дома, сосульки на крышах и даже замёрзшие капли воды на оконных стеклах или на потолке старого железнодорожного тоннеля. Всех их объединяет один процесс - послойное намораживание на твёрдом основании. Разница лишь в размерах этих объектов. В основу наледеведения положена фундаментальная идея о единстве природных вод, восходящая к трудам великого русского учёного-самородка М. В. Ломоносова и развитая В. И. Вернадским
Кагагенное оледенение (накопление льда сверху вниз)
Анагенное оледенение (накопление льда снизу вверх)
Рис. 10. Схема основных типов оледенения Земли:
1 - вечная и сезонная мерзлота (сублимационные и конжеляционные льды); 2 - ледяной покров водотоков и водоёмов (конжеляционные льды); 3 - снежный покров, иней, кристаллическая изморозь (сублимационные
льды); 4 - ледники и ледниковые покровы (сублимационные и сублимационно-конжеляционные льды); 5 - наледи (конжеляционные льды). Стрелками показано направление накопления льда и снега
и Н. И. Толстихиным. На Земле замёрзшая вода аккумулируется в виде ледяных покровов, которые с учётом исходной поверхности и механизма аккумуляции группируются в два основных типа оледенения - катаген-ное и анагенное (рис. 10). Наледи представляют одну из форм анагенного оледенения. Они широко распространены во всех трёх сферах географического пространства - атмосфере, гидросфере и литосфере.
Типичным представителем наледных образований в атмосфере является град. Это грозное явление природы с давних пор вызывало у людей и удивление, и страх, и любопытство. Право же, разве не удивительно, если с неба вдруг падают куски льда? Хорошо, когда они мелкие, как горошина, а если с куриное яйцо! Тут не спрячешься под зонтиком. Да и под крышей или в автомобиле можно получить синяки и ушибы.
Град - разновидность атмосферных осадков, выпадающих в тёплое время года из мощных кучево-дож-девых облаков. Чаще всего это частички льда, различные по плотности, размерам и форме. Внешний вид и внутренняя структура градин определяются условиями их формирования (температурой среды, количеством и размерами облачных капель воды, наличием ядер конденсации и зародышей льда и др.), а также трансформацией при падении в облаке и подоблачном пространстве. Каждая градина формируется в результате намораживания переохлаждённых капель воды на какой-либо твёрдой аэрозольной частичке, взвешенной в конвективных потоках воздуха. Слоистость возникает, когда воздушные потоки то поднимают, то опускают растущую градину, причём она проходит через зоны с разной температурой и влажностью.
Если переохлаждённые капли воды, осаждаясь, не растекаются и не разбрызгиваются, образуются слои матового льда с большим количеством защемлённых пузырьков воздуха. Этот процесс называют «сухим» ростом градин. Если же капли воды расплющиваются
и растекаются, происходит мокрый рост льда. Такие градины имеют кристаллическое стекловидное строение.
Форма градин может быть различной: от правильных сфер до угловатых обломков причудливой конфигурации (рис. 11). Обычно в градине центральное непрозрачное ядро (зародыш) окружено несколькими концентрическими слоями прозрачного и непрозрачного льда с различной структурой. Слоистое строение градины объясняется намораживанием воды вокруг ядра, а степень прозрачности слоёв зависит от скорости замерзания: чем быстрее идёт кристаллизация капель, тем белее и менее прозрачен получающийся лёд. Наиболее часто встречаются двух- и трёхслойные градины (см. рис. 11), хотя есть градины, состоящие из десятков слоёв. Число слоёв, как правило, возрастает с размером градин. Градины диаметром 1-3, 3-5 и 5 см имеют в среднем 2, 4 и 9 слоёв. Наблюдаются как сплошные, так и разомкнутые слои. Иногда в структуре градин преобладают отдельные незамкнутые «чешуйки» или смёрзшиеся микроскопические капли воды. Толщина слоёв колеблется в пределах 0,1-10 мм. Случается, что градины взрываются. Это так называемый взрывной град. Он образуется, когда капли воды замерзают со всех сторон, при этом внутри возникает большое давление. Промерзание отдельных слоёв воды приводит к формированию растрескавшихся бугорков на поверхности ледяных сфер - полное подобие наземных гидролакколитов.
Плотность градин изменяется от 0,3-0,5 г/см3 для частиц конусной формы до 0,95 г/см3 - для частиц, содержащих примесь жидкой воды. В среднем она равна 0,8-0,9 г/см3. Различие в плотности, прозрачности и механической прочности слоёв определяется, прежде всего, структурой «упаковки» капель при их осаждении на растущую градину и наличием воздушных пузырьков в сплошном льде. Наименьший размер выпадающих градин 1-6 мм. Обычно они являются остатками от более крупных градин, сформировавшихся в кучевых облаках. Наиболее часто выпадает град диаметром 1-3 см. Градины большего размера встречаются лишь в 3-7 % случаев. Они могут содержать в себе разного рода «сюрпризы» в виде пыльцы растений, бактерий, насекомых и даже лягушек и небольших рыбёшек. Как-то в одном из городов США во время осадков на землю упала громадная льдина, внутри которой находилась... черепашка длиной 20 см! Максимальный размер градин назвать трудно. Ледяные глыбы свыше 30 см в диаметре не считаются градинами: во-первых потому, что они единичны (хотя это опровергается некоторыми фактами) и, во-вторых, происхождение их до конца не выяснено.
Рис. 11. Строение и форма градин.
а, б - слоисто-кольцевая структура градин (матовый лёд перемежается с прозрачно-кристаллическим). Форма и состав градин: в - сферическая,
снегоподобная; г - яйцевидная, матово-зернистая; д - конусовидная, кристаллическая; е - округлая, из смёрзшихся мелких градин; ж - округлая, с наростами ледяных кристаллов; з - бесформенная, конгломерат смёрзшихся ледяных частиц
Выпадение крупного града и глыб льда вызывает у многих людей страх и суеверие. Это не случайно. Ведь они приносят большие беды, в том числе гибель урожая, людей и животных. Приведём некоторые сведения, опубликованные в сети Интернет.
В 1593 г. падающие с неба куски льда погубили много людей и скота. 13 августа 1849 г. в Шотландии на острове Скай ледяная глыба весом около полутонны разрушила здание. 30 мая 1879 г. в штате Канзас (США) во время смерча выпадали градины до 40 см
в диаметре. При их ударе о землю образовались лунки размером 17 х 20 см. В 1888 г. в Индии разрушительный град убил 250 человек. В 1939 г. увесистые ледяные куски выпали в Худерабаде. Их вес достигал 3,4 кг. Было разрушено несколько десятков тысяч домов, имелись жертвы. 3 сентября 1970 г. в местечке Coffeyville (штат Канзас) размер отдельных градин составлял более 14 см, а вес достигал килограмма. В 1977 г. в штате Техас (США) от гигантских градин погибли тысячи овец. В мае 1995 г. ущерб от града составил около 1,5 млрд долларов. В апреле 1981 г. в Китае в провинции Гуандун градины достигали 7 кг. Было убито 5 человек и разрушено 10 500 домов. В 1984 г. в результате урагана с крупным градом в Мюнхене и Верхней Баварии уничтожено 200 тыс. автомобилей и разрушено 70 тыс. домов. Несколько сотен людей получили ранения. Ущерб составил 3 млрд немецких марок. 14 апреля 1986 г. в Бангладеш выпал град весом более килограмма и диаметром 20 см. Он убил 92 человека и десятки слонов (http://meteoweb.ru/phen005.php; http://www. kp.ru/daily/26370/3251677/; http://www.ecoindustry.ru/didyouknow/ view/47.html и др.). 14 мая 2001 г. в Ставропольском крае России выпал град, от которого пострадали 4500 домов, погиб урожай на площади 1000 км2. Ущерб составил около 17 млрд долларов. В 2011 г. от градин гигантского размера пострадал г. Аньшунь в Китае. Серьезные травмы получили около 160 тыс. человек, зафиксировано несколько смертельных случаев. Среди погибших были подростки и дети. В 2013 г. мощный град обрушился на г. Дунгуань. По словам очевидцев, градины были размером с теннисный мячик. Зафиксировано 9 смертей. В соседней провинции Хунань погибли 3 человека. Сильнейшие ранения получили 272 человека (https:// zen.yandex.ru/media/pogoda1/mojet-li-ubit-gradom-realnye-istorii-5beefb8b00a81900aa3eb3df). В США от града ежегодно погибает от 1 до 6 % урожая сельскохозяйственных культур на сумму от 1 до 1,5 млрд долларов.
Огромный ущерб, причиняемый градом, заставил мировое сообщество потратить средства на исследование процессов льдообразования в атмосфере Земли. Учёные многих стран (США, России, Франции, Китая
и др.) на выделенные средства поставили специальные опыты и эксперименты в натурных и лабораторных условиях, провели глубокие теоретические исследования, разработали методы прогноза и предупреждения градовых явлений. В результате ключевые проблемы градоведения были успешно решены. Стало возможным не только предсказывать развитие градовых процессов, но и управлять ими, в частности, заряжать кучевые облака частичками йодистого серебра, другими активизаторами льдообразования и таким образом вызывать искусственное выпадение града, т. е. предупреждать возможные опасные и неблагоприятные события.
Однако многие важные вопросы атмогляциологии остались неразрешёнными. Например, много неясного в явлении переохлаждения капельно-жидкой воды. Казалось бы, в атмосферном воздухе присутствует бесконечно большое число мелких взвешенных частиц (ядер кристаллизации), на которых могли бы расти и сублимационные кристаллы льда (снег) и конжеляци-онный лёд (градины). Так это, собственно, и происходит, но далеко не всегда. Известны случаи необъяснимых, загадочных явлений. Вот как описывает одно из таких событий Станислав Смирнов, старший научный сотрудник НИИ точных приборов, действительный член Русского географического общества: «В Москве мне довелось быть свидетелем необычного явления. Была прекрасная июльская погода: 25 градусов без ветра, редкие кучевые облачка на голубом небе. Около четырёх часов дня я вышел на балкон и увидел, как на высоте нескольких сот метров над соседним стадионом (около ВДНХ) возникало серое чечевицеобраз-ное облако. Оно делало оборот секунд за десять, непрерывно темнея и увеличиваясь в диаметре. Через несколько оборотов облако накрыло мой дом. И вдруг оно начало быстро светлеть. Тут же по крышам загрохотала лавина града крупного размера. Очень быстро всё видимое пространство было ими усыпано, причём несколько градин попало на мой балкон. Вращающееся облако исчезло, не оставив на небе никаких следов. Как и несколько минут назад, высоко на голубом небе плыли редкие кучевые облака. Скоро градины растаяли, весь двор был залит водой, побежали бурные ручьи. По моей оценке выпало порядка 100 тонн льда. Как потом выяснилось, за пределами проекции вращающегося облака никаких изменений погоды не отмечалось» [15]. С. Смирнов считает, что первопричина необычного выпадения града кроется в недрах Земли. По его мнению, возник расширяющийся электромагнитный вихрь, который ионизировал молекулы воздуха, увлёк их за собой и спровоцировал вращение воздушных масс. В результате произошло резкое расширение воздуха, вследствие чего понизилась температура и переохладились взвешенные капли воды. Далее они промёрзли и выпали в виде града. Конечно, тектонические процессы под Москвой, видимо, играют определённую роль в состоянии атмосферы, но не проще ли было найти объяснение процесса вращения облака воздействием встречных воздушных потоков?
А вот внезапная кристаллизация переохлаждённых капель - действительно загадка. Примеров тому много. Интересный случай произошёл в Казахстане, когда в районе космодрома Байконур после запуска ракеты «Союз» на высоте около 10 км от дымового хвоста началось спонтанное образование тумана. Оно быстро охватило всё небо до горизонта. Нечто подобное при низких отрицательных температурах воздуха происходит во многих поселках и городах Якутии: в тихую безветренную погоду при ясном небе их вдруг накрывает густой морозный туман.
Глыбы льда падают с неба
Однако более всего удивляют людей не твёрдые атмосферные осадки - град, даже самый крупный, а одиночные глыбы льда, падающие с неба. Известно довольно много подобных случаев, начиная с давних времён, когда не было летательных аппаратов и «сюрпризы» с неба трудно было приписать деятельности человека. Вот несколько эпизодов, указанных в книге американского исследователя непознанного Чарльза Форта (1874-1932 гг.) «1001 забытое чудо» [16]. В Венгрии 8 мая 1802 г. во время грозы свалилась глыба размером 90 х 90 х 60 см. В мае 1811 г. в графстве Дербишир в центральной Англии выпали куски льда около 30 см в поперечнике. Через 26 дней глыбы кубической формы диаметром около 15 см обрушились в Бирмингеме. В 1828 г. в Кандейше (Индия) упала глыба льда диаметром около одного метра. В октябре 1844 г. в местечке Сэтт во Франции прилетела глыба льда весом 5 кг. 13 августа 1849 г. после мощного раската грома на земле поместья мистера Моффата в английском графстве Шроршир упала глыба льда, имевшая, якобы, около 7 м (20 футов) в окружности. Говорится, что эта глыба упала без града. В августе 1857 г. глыба льда весом около 13 кг была обнаружена в пригороде Лондона. 24 июня 1877 г. в штате Колорадо с небе упали «куски льда настолько большие, что их нельзя было удержать одной рукой». В июне 1881 г. в штате Айова во время града свалилась глыба 53 см в окружности. Перечень подобных событий можно было бы продолжить.
Не иссякает он и в наши дни. 10 января 1950 г. в Дюссельдорфе (Германия) ледяное копьё толщиной 15 см и длиной 182 см смертельно поразило плотника, ремонтировавшего крышу своего дома. 30 июля 1957 г. в местечке Ридинг (штат Пенсильвания, США) фермер Эдвин Граф вышел из дома вместе с женой. Вдруг раздался страшный свист, и рядом с ним упала на землю глыба льда весом около 20 кг. Через некоторое время рядом с женой рухнула ещё одна глыба, но меньших размеров. В 1996 г. несколько ледяных глыб упало около школы и ближайших к ней домов в предместье Токио. «Бомбардировка» продолжалась в течение недели, что вынудило дирекцию отдать распоряжение приходить детям на учёбу в защитных касках [17]. В том же 1996 г., в начале ноября, громадная ледяная глыба свалилась с неба в 82-м квадрате Мальбагушского лесничества на востоке Республики Татарстан. Объём массы
грязно-белого цвета составил более 500 м3, а вес - около 300 т. При падении глыба уничтожила 30 сосен и берёз, сорвала макушки с других деревьев. Изучением льда занимались учёные из Казанского университета. В Министерстве охраны окружающей среды и природных ресурсов Татарстана выдали следующее заключение: «Это просто редкое атмосферное явление. Масса воды была поднята с открытого водоёма мощным смерчем в верхние слои атмосферы и там замёрзла. Анализ показал, что лёд - пресный» [18].
В начале января 2000 г в Испании, в деревне Тосина, близ Севильи, произошло событие, взволновавшее не только обывателей, но и многих учёных. Среди ясного неба на землю упал кусок льда размером с футбольный мяч. Он ударился о ветровое стекло легкового автомобиля и раскололся на две части весом 1,2 и 1,7 кг По поручению Национального совета по научным исследованиям осколки изучал геофизик Хесус Мартинес-Фриас из Мадрида. На основании проведённого химического и изотопного анализа он пришёл к заключению, что лёд небесного «пришельца» состоит из обычной дождевой воды. Геофизик считает выпавшую ледяную глыбу «градиной-переростком», которая возникла в результате редкого совпадения нескольких необычных метеорологических явлений. Между тем, до конца месяца поступали сообщения ещё о пятидесяти глыбах, якобы упавших на землю. Подделки вскоре стали очевидными: во всех пробах оказалась замороженная водопроводная вода [19].
29 сентября 2017 г лента новостей сайта https://universe-tss.su/main/klimat сообщила: в шотландской области Ренфрушир (Англия) с неба посреди дня свалился огромный кусок льда. Глыба ударилась о землю вблизи жилого дома и разлетелась на куски. В результате удара образовалась глубокая яма диаметром около полутора метров (рис. 12).
Происхождение крупных глыб льда, падающих с неба, во многом остаётся загадкой. Большинство учёных склонны считать их чисто атмосферным явлением, т. е. образование льда происходит по типу послойного намерзания капель и слоёв воды на вращающихся твёрдых предметах в потоках охлаждённого воздуха. Это те же градины, только очень большого размера. Некоторые из таких градин могут состоять из смёрзшихся сферических частиц или снежных комьев. Часть выпадающих ледяных глыб связана с деятельностью авиации: крупные куски льда могут отваливаться от обледенелых поверхностей самолётов или представлять фекальные массы, сбрасываемые при полётах. На большинстве современных самолётов такие отходы аккумулируются в специальных контейнерах, которые удаляются на земле. Но возможны и непредвиденные случаи.
Рис. 12. Лёд неизвестного происхождения, упавший с неба:
а - осколки ледяной глыбы, упавшей в Шотландии (диаметр ямы, образовавшейся при ударе о землю, составил около 1,5 м); б - ледяной шар, упавший в английском порту Бристоль (лёд пробил слой черепицы, утеплитель и деревянные блоки двухэтажного дома)
Многие исследователи в вопросах происхождения ледяных глыб отдают предпочтение космическим гипотезам. Странно лишь то, что до сих пор не признаются ледяные метеориты. Ведь никто не сомневается в реальном существовании ледяных комет и астероидов. Если это так, в ином свете можно представить природу Тунгусского феномена. Напомним: утром 30 июня 1908 г. над Восточной Сибирью пролетело огненное тело, которое взорвалось над Южным болотом недалеко от р. Подкаменной Тунгуски (рис. 13). По ориентировочным оценкам, сила взрыва составила около 40-50 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Мощная звуковая волна распространилась на 800 км от эпицентра. Взрывной волной был повален лиственничный лес на площади 2000 км2, а сотрясение земли
• Современные насел, пункты — Траект. полета метеорн. тела Эпицентр взыва метеорита -Границы заповедника
Видимость болида, звуков и ощущ. сотряс, земли Видимость болида и слышимость звуков Слышимость звуков и ощущение сотрясен, земли Слышимость звуков
Рис. 13. Тунгусский метеорит - ледяная комета (одна из гипотез).
а - место и траектория полета тунгусского космического тела; б - картина, иллюстрирующая падение метеорита в бассейне р. Подкаменной Тунгуски
зарегистрировано сейсмическими станциями в Иркутске, Ташкенте и Тбилиси. Событие бурно обсуждалось во всём мире в течение многих десятков лет, внимание к нему не ослабло до сих пор. О происхождении «тунгусского чуда» существует более 70 гипотез (ядерный взрыв, гибель космического корабля, «проделки» Николо Тесла, гигантская шаровая молния и пр.), но ни одна из них не получила всеобщего признания.
В начале 1930-х годов британский учёный Фрэнсис Уиппл высказал предположение, что на сибирскую землю упало ядро кометы (или его осколок). Схожую идею высказал российский академик В. И. Вернадский. Согласно этой гипотезе, признанной большинством учёных, прилетевший объект представлял собой рыхлый сгусток космической пыли, в котором лёд составлял
основную массу (порядка 5 млн тонн). При входе в плотные слои атмосферы он рассыпался, твёрдые частицы сгорели, а лёд превратился в пар, минуя жидкую фазу. Недавно к этой гипотезе присоединились специалисты NASA. В июне 2009 г они заявили, что «Тунгусский метеорит состоял изо льда, а его прохождение через плотные слои атмосферы привело к выделению молекул воды и микрочастичек льда, которые образовали в верхних слоях атмосферы серебристые облака - редкое атмосферное явление, наблюдавшееся сутки спустя» ((https://ru.wikipedia.org/wiki/Тунгус-ский_метеорит). Гипотезу о ледяной природе тунгусского феномена поддерживают российские исследователи воздушного пространства из Института физики атмосферы РАН. Опубликована интересная статья Д. В. Руденко и С. В. Утюжникова, в которой изложены результаты математического моделирования процесса вхождения в атмосферу и взрыва ледяной сферы диаметром 60 м, плотностью 1000 кг/м3 и массой 216 тыс. тонн со скоростью 20 км/c под углом 45° [20]. Эти пара-
J I^^h метры приблизительно соответствуют общепринятым характеристикам Тунгусского космического тела. Показано последовательное изменение плотности, температуры, давления, скорости движения объекта и его воздействия на земную поверхность, покрытую лесом. Определена площадь вывала стволов деревьев (около 20 км в поперечнике) и конфигурация пятна воздействия ударной волны (эллипс) со значением ~5,6104 Па. Основной вывод статьи: ледяной метеорит указанных размеров не достиг поверхности Земли и взорвался при вхождении в плотные слои атмосферы. Так ли это было на самом деле, мы не узнаем, по крайней мере до тех пор, пока не произойдёт нечто подобное или не прояснится вопрос о бомбардировке Земли ледяными объектами.
Любопытна история идеи американского физика Луиса Фрэнка из Айовского университета, США [21]. В 1982 г. студент-дипломник Фрэнка Джон Сигварс, изучая инфракрасное излучение верхних слоёв Земли, очень огорчился, увидев телевизионные снимки, переданные двумя спутниками «Dynamics Explorer». На них было очень много небольших чёрных точек. На последующих снимках они исчезали, а затем ненадолго появлялись вновь. Профессор Луис Фрэнк, Джон Сигварс и присоединившийся к ним геофизик Джон Крей-вен предположили, что чёрные пятнышки фиксируют
какие-то эфемерные образования диаметром от десятков метров до десятков километров, которые возникают в самых верхних слоях атмосферы каждые несколько секунд. Так родилась гипотеза о тысячах огромных глыб льда (небольших комет), ежедневно обрушивающихся на нашу Землю из Космоса. Эти глыбы, попав в атмосферу, испаряются, поэтому до сих пор их никто никогда не замечал. Достигают поверхности Земли лишь самые крупные экземпляры. Луис Фрэнк выступил со своей гипотезой на заседании Американского геофизического союза. Реакция коллег была неоднозначной: одни отнеслись к ней с большим интересом, другие с полным неприятием. Научные журналы долго отказывались публиковать их статью. Наконец, съёмка ультрафиолетовой камерой высокого разрешения с нового спутника «Поляр» показала, что в нашу атмосферу действительно влетают ледяные глыбы с частотой до 20 раз в минуту, при этом уже на высоте 10-15 тыс.ки-лометров ледяные кометы испаряются, превращаясь в облако пара диаметром до 50 км.
Однако сомнения всё же остались. Некоторые учёные уверены, что это ошибка наблюдений. В противном случае следы от таких метеоритов можно было видеть в вечернем небе каждые несколько минут чуть ли не простым глазом. А куда исчезает вода - миллион тонн в сутки? Фрэнк поясняет: ледяные кометы вспыхивают так же ярко, как и Венера, но человек без оптики их может видеть лишь один раз за 100 часов постоянных наблюдений и только в ночное время. Что касается водяного пара: часть его поступает обратно в космическое пространство, а часть растворяется в атмосфере. Эта вторая часть, если распределить её по поверхности земного шара, составляет всего один микрон в год. Кого-то убедили аргументы Фрэнка, кто-то остался при своём мнении.
А как быть с математическими моделями Д. В. Ру-денко и С. В. Утюжникова? [21]. Если принять их за основу, то Земля уже давно бы превратилась в бесплодную пустыню от нашествия миллионов «тунгусских космических тел»... Ответы должны быть в будущем.
Продолжение следует Список литературы
12. Вейнберг, В. П. Лёд. Свойства, появление и исчезновение льда / В. П. Вейнберг. - М.; Л. : Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1940. - 524 с.
13. Софер, М. Как замерзают реки и озёра / М. Со-фер // Наука и жизнь. - 2018. - № 1. - С. 24-32.
14. Дубов Александр. Скользкость льда объяснили диффузией молекул в поверхностном слое [Электронный ресурс]. - Режим доступа : 10.05.2018.https:// nplus1.ru/news/2018/05/10/slippery-ice.
15. Смирнов, С. Глыбы льда с неба, огненные шары, замороженные самолёты и гибель Гагарина. -22.04.2015 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.kp.ru/daily/26370/3251677/.
16. Форт, Чарльз. 1001 забытое чудо. Книга проклятых. 1919. Язык оригинала английский [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.koob.pro/ fort/1001_forgotten_miracle.
17. Яблоков, М. Лёд с неба / М. Яблоков // Техника -молодёжи. - 2002. - № 1. - С. 19 (http://zhurnalko.net/ =nauka-i-tehnika/tehnika-molodezhi/2002-01--num1921).
18. Федотов Гзннадий. НЛО сбрасывает ледяные бомбы. 31.03.2014 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://othereal.ru/nlo-sbrasyvayut-ledyanye-bomby/.
19. Лёд с ясного неба. По материалам журнала «Science» (США) // Наука и жизнь. - 2003. - № 10. (https://www.nkj.ru/archive/articles/3582/).
20. Руденко, Д. В. Газодинамические последствия взрыва тунгусского космического тела/Д. В. Руденко, С. В. Утюжников // Математическое моделирование. -1999. - Т. 11 (10). - С. 49-61 (http://www.mathnet.ru/links/ ad37c8346c96bdb76b65d00a3323f719mm1170.pdf).
21. Александрович, К. И. Лёд из космоса /К. И. Александрович // Наука и жизнь. - 1997. - № 9 (http:// zhurnalko.net/=nauka-i-tehnika/tehnika-molodezhi/2002-01--num19).
Я<РШВ Ш<ШЬ1ХШ1СЛ(ЕЙ
Современная западная цивилизация достигла необычайных высот в искусстве расчленения целого на части. Мы изрядно преуспели в этом искусстве, преуспели настолько, что нередко забываем собрать разъятые части в единое целое, которое они некогда составляли.
О. Тофлер
Развитие междисциплинарных подходов очень близко по форме и существу к преподаванию или к научной популяризации. В обоих случаях приходится осмысливать пройденный исследователями путь, выделять в нём ключевые идеи и результаты, выбрасывать многочисленные подробности.
С. П. Капица
