Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра - Борис Шустов

Блочная структура земной коры существует во всех регионах. Так, в штатах Невада и Колорадо на участке длиной около 300 км, проходящем вдоль 39-й параллели, выявлено 9 довольно крупных разломов, простирающихся до границы Мохоровичича (расположенной в данном районе на глубине около 30 км) и наклоненных под различными углами [Niemi et al., 2004]. Квазивертикальные и квазигоризонтальные разломы, заполненные раздробленной породой, могут существенно изменить параметры сейсмической волны за разломом по сравнению с амплитудой до разлома.

Удары в горячие [Ivanov and Melosh, 2003] или напряженные [Витязев, Печерникова, 1997] точки литосферы могут приводить к дополнительным разрушающим эффектам. Таким образом, при анализе сейсмической опасности для данного объекта необходимо знать геологическую структуру вокруг объекта на довольно больших расстояниях и глубинах и рассматривать различные места возможного падения около него.

8.2.3. Выброс пыли и климатически активных газов в атмосферу. Рассмотренные выше эффекты носят локальный или, для самых крупных ударов, региональный характер. К глобальным последствиям могут привести выбросы из кратера пыли и образование климатически активных газов. Такие последствия могут длиться десятилетиями и существенно изменить окружающую среду на Земле и, возможно, ее климат. Увеличение количества парниковых газов в атмосфере (в первую очередь — воды и углекислого газа) приводит к нагреву поверхности Земли, а блокировка солнечного излучения пылью и аэрозолями (эффект, хорошо известный в вулканологии) — к остыванию. Суммарный эффект определяется, во-первых, общим количеством выброшенных газов и пыли и, во-вторых, временем их жизни в атмосфере (которое, в свою очередь, зависит от размера частиц, их химического состояния, способности коагулировать и т. д.). Если ответ на первый вопрос достаточно ясен (см. ниже), второй является предметом дискуссий, в которых ответы колеблются от резкого потепления и полного таяния льдов до бесконечной ядерной зимы.

Одной из основных проблем определения степени загрязнения атмосферы после удара является проблема определения максимальной высоты облаков пыли. Для предсказания эволюции облака, вызванного падением на поверхность Земли космического тела, можно использовать экспериментальные результаты по подъему облаков ядерных взрывов (см., например, [Glasstone and Dolan, 1977; Гордейчик и др., 1997]), применяя закон подобия динамики всплывающего нагретого объема — термика (высота равновесия h пропорциональна E1/4). Однако простой закон подобия для больших мощностей может приводить к существенным ошибкам из-за влияния неоднородности атмосферы. Кроме того, при ударе существенную роль в распространении пыли может играть наличие следа, оставленного при пролете в атмосфере. Так, энергия Тунгусского взрыва в 1908 г. была примерно в 5 раз меньше, чем энергия самого крупного ядерного взрыва в атмосфере, проведенного в 1961 г. на Новой Земле. Результаты расчетов для Тунгусского явления с учетом следа и разрушения в атмосфере приведены в работе [Shuvalov and Artemieva, 2002a]. В этом случае на начальной стадии облако взрыва (воздух с продуктами абляции и разрушения тела) по форме более сходно с длинным, турбулизованным цилиндром. Позднее в верхних слоях атмосферы образуется плюм, который, падая на более плотные слои атмосферы, вызывает ее сильные возмущения, а пыль достаточно быстро разносится на тысячи километров.

Для Тунгусского события в облако взрыва не вовлекалась пыль, выброшенная из кратера, так как такового не было. Однако с увеличением энергии ударника кратер возникает, и происходит выброс пыли из него, причем ее количество увеличивается с ростом диаметра тела и размера кратера. Размеры частиц, образующихся при ударе, увеличиваются с увеличением размера ударника [Melosh and Vickery, 1991; O’Keefe and Ahrens, 1982b]. В последней работе были проведены численные расчеты удара для условий К — Т-границы и было показано, что масса выброшенного вещества в 100 раз больше массы ударника, но масса субмикронной пыли составляет лишь 10 % массы ударника. Аналогичные результаты были получены и для ядерных взрывов: масса пыли, вынесенной пылевым слоем, составляет 300 Мт на 1 Мт ТНТ энергии, причем субмикронная фракция пыли составляет 8 % или 24 Мт массы на 1 Мт энергии [National Research Council, 1985]. Именно эти мельчайшие частицы остаются в воздухе длительное время и распространяются вокруг всей Земли в течение нескольких недель [Covey et al., 1990].

Характерный массовый коэффициент поглощения излучения Солнца субмикронной пылью составляет примерно 3 104 см2/г (для более крупных частиц он падает примерно обратно пропорционально радиусу частиц). Оценочные значения средней массовой концентрации m и оптической толщины τ, приведенные в работе [Toon et al., 1994], можно аппроксимировать простыми зависимостями: m = 10-7E, τ = 10-5E, где энергия удара E измеряется в Мт ТНТ, массовая концентрация пыли, поднятой в стратосферу, — в г/см2, а оптическая толщина субмикронной пыли безразмерна. Зависимость m(E) определена по данным испытаний ядерного оружия. Оптическая толщина атмосферы после извержения вулкана Пинатубо в 1991 г. составляла 10-1, что соответствует энергии удара 104 Мт. Оптическая толщина облака субмикронной пыли после К — Т-удара достигла единицы, т. е. ослабление солнечного излучения было существенным (но достаточно кратковременным).

Доля T солнечного излучения, проникающего до поверхности Земли сквозь слой пыли, обычно представляется функцией оптической толщины τ, а именно: T = A exp(-τ/b) = A exp(-10-5/b), где A = 0,9, b = 6,22 для пыли; A = 0,8, b = 1,03 для дыма. Дым пропускает меньше солнечного излучения, чем пыль, потому что поглощает много света. В работе [Covey et al., 1990] исследовано поведение облака, образовавшегося при ударе с энергией 6 105 Мт. Согласно этим расчетам, понижение средней температуры составляет 8 К в течение первых двух недель после удара. Через 30 дней после удара пыль распределяется глобально и температуры восстанавливаются до первоначального уровня.

При энергии ударника, падающего в океан, равной 105 Мт, удельная масса воды, выброшенной в атмосферу, превышает содержащуюся в ней в обычных условиях (0,001 г/см2). При энергии 108 Мт удельная масса воды достигает уже 1 г/см2. Но, согласно работе [Toon et al., 1994], в диапазоне высот 16–45 км и выше 45 км не может содержаться более 0,2 г/см2 и 2 г/см2 соответственно, так как начнется конденсация. Это верхние оценки, поскольку водяной пар сильно поглощает и излучает в инфракрасном диапазоне. Это дополнительный фактор, ведущий к снижению температуры верхней атмосферы (примерно до 215 К) и интенсивным дождям. Богатая водой атмосфера неустойчива к вертикальным возмущениям, в результате чего возникает интенсивная конвекция.

Увеличение альбедо за счет формирования облаков с каплями и с льдинками приводит к снижению температуры поверхности суши Земли, океана и нижних слоев атмосферы. Это уменьшает конвекцию в нижних слоях. С другой стороны, парниковый эффект увеличивает температуру. Поэтому даже знак эффекта до сих пор не ясен. Процессы инжекции воды в атмосферу и последствия этого требуют дальнейшего изучения.

Ударные волны, образующиеся при пролете астероида и/или в результате расширения послеударного плюма и распространяющиеся со скоростями > 2 км/с, нагревают атмосферу до нескольких тысяч градусов, что способствует образованию токсичных окислов азота (NO, NO2, HNO3) [Prinn and Fegley, 1987; Zahnle, 1990] и приводит к разрушению озонового слоя Земли [Turco, 1981]. Пожары, возникающие под действием излучения плюма или в результате возвращения в атмосферу высокоскоростных выбросов, заполняют нижнюю атмосферу дымом и токсичными газами. При ударах в осадочные породы (например, известняки и доломиты) в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа (результат дегазации кальцита) и серы. Если первый, являясь парниковым газом, может привести к существенному потеплению, то соединения серы, наоборот, приводят к уменьшению температуры поверхности. Суммарный эффект определяется массовым соотношением между этими химическими соединениями и их способностью оставаться в атмосфере длительное время (см. раздел 8.6.2).

Подъем пыли в пустынных районах. Существует еще один механизм выброса пыли в атмосферу — эрозия высокоскоростными ветрами, созданными ударной волной, усиленная вследствие так называемого «эффекта теплого слоя». Эта эрозия, по-видимому, наиболее интенсивна при «взрывах» комет и астероидов над полупустынными районами и песчаными пустынями, покрывающими значительную часть поверхности Земли. Теплый слой — это слой нагретого воздуха над поверхностью Земли, который может образовываться за счет нагрева поверхности излучением, возникшим при ударе. Низкий коэффициент теплопроводности песчаного грунта способствует быстрому повышению температуры частиц поверхностных слоев грунта. Естественно, что нагревается также воздух между песчаными частицами и над ними. Взаимодействие ударной волны с теплым слоем приводит к образованию предвестника перед фронтом волны и глобальной перестройке всего течения.