Эффект теплого слоя был обнаружен в середине 1950-х гг. при ядерных испытаниях и в специальных моделирующих опытах [Садовский, Адушкин, 1988]. В дальнейшем этот эффект изучался теоретически, оценками и численными расчетами, а также экспериментальными лабораторными исследованиями [Таганов, 1960; Немчинов и др., 1987, 1989; Артемьев и др., 1987, 1988, 1989; Бергельсон и др., 1987, 1989]. Он был исследован также в работах [Shreffler and Christian, 1954; Mirels, 1988; Reichenbach and Kuhl, 1988]. Взаимодействие ударной волны с теплым слоем приводит к возникновению вихревой структуры перед основной ударной волной. Это видно из рис. 8.10, где представлены результаты расчета развития взрывной волны для тела диаметром 200 м.
Рис. 8.10. (а) Распределение изохор в атмосфере после вертикального падения ледяного тела диаметром 200 м и скоростью 50 км/с в момент времени t = 1 с. (б) Положения начальных маркеров теплого слоя в тот же момент времени
На рис. 8.10 а показана форма ударной волны. Видно, как перед фронтом возникает предвестник. На рис. 8.10 б для того же момента времени приведены положения маркеров, предварительно размещенных в теплом слое в начальный момент времени. Вихревое течение внутри предвестника приводит к отрыву вещества теплого слоя от поверхности Земли. При этом нагретый газ захватывает частицы пыли, взвешенные в воздухе, и может поднять их на большую высоту.
Размеры предвестника и вихря намного больше толщины теплого слоя и оказываются порядка длины пути, пройденного ударной волной по теплому слою. Более того, в плоском случае при постоянной скорости поршня, генерирующего волну, задача автомодельна, и размер предвестника со временем неограниченно растет и, в конце концов, его длина и высота намного превосходят толщину теплого слоя и последняя перестает играть роль. Таким образом, очень малое возмущение может вызвать глобальную перестройку течения.
Были проведены лабораторные эксперименты по взаимодействию ударной волны с теплым слоем над запыленной поверхностью. Сферическая волна создавалась лазерным импульсом, метеорный след моделировался электровзрывом тонкой проволочки. Нагрев покрытой тонкой графитовой пылью проволочки производился другим лазером. Одновременно проводились численные эксперименты с использованием программы SOVA, где размер частиц принимался равным 1 мкм, а энергия лазерного взрыва — 30 Дж. Результаты расчетов показали, что частицы поднимаются на высоту 0,2–0,4 см, заполняя область за косой волной (к моменту времени 5 мкс волна проходит по теплому слою∼ 1,6 см). Эти эксперименты и расчеты использовались для моделирования возникновения пыльных бурь [Rybakov et al., 1997] после ударов небольших метеороидов на Марсе, где в силу разреженности атмосферы сравнительно небольшие метеороиды (порядка 1 м) достигают поверхности.
Для Земли удар по поверхности возможен для тел размером более ∼ 50–400 м (критический размер разный для кометных, каменных и железных тел). Однако даже если тело не достигло поверхности, «взрыв» над пустынной поверхностью («Тунгуска» не в тайге, а в пустыне) может вызвать подъем пыли за счет импульсного ветра — движения высокоскоростной струи перед ударной волной вдоль поверхности с теплым слоем. Заметим, что подъем частиц пыли ветром происходит не только за счет трения, но и за счет сальтации, т. е. удара увлеченных воздухом частиц, выбивающих при своем падении новые частицы или упруго отскакивающих снова в поток.
В последние годы были предприняты довольно интенсивные поиски кратеров в пустынных районах Земли. Paillou et al. [2003], используя радарные изображения со спутников, в юго-восточной части Ливийской пустыни обнаружили двойную кратерную структуру, частично скрытую песчаными наносами. Полевые исследования показали, что каждый из этих кратеров имеет диаметр около 10 км и возраст менее 140 млн лет. В юго-западной части Египетской пустыни на площади более 4500 км2 было обнаружено 13 кратеров диаметром от 20 м до 1 км [Paillou et al., 2004]. Вряд ли столь большое кратерное поле было создано одним космическим телом. Скорее всего, оно было вызвано его фрагментацией еще до входа в атмосферу.
Из 180 найденных на Земле ударных кратеров в Африке находится 17. В пустынных районах Сахары, безусловно, еще будут найдены кратеры, скрытые под песчаными наносами. Ранее в Саудовской Аравии, в пустыне Руб-аль-Кали, была найдена группа из 4 кратеров (Вабар) диаметром от 17 до 100 м в области размером 400 × 200 м [Holm, 1962]. На месте падения было обнаружено метеоритное железо. Люминесцентный анализ показал очень небольшой возраст этого падения — всего 290 лет [Prescott et al., 2004]. Моделирование песчаных облаков, вызванных ударами в песчаные пустыни Земли или «взрывами» над ними и эрозией ветровыми потоками, тем более с учетом действия светового излучения и эффекта теплого слоя, пока не проводилось.
8.3. Выброс струй воды и цунами, вызванные ударами
Моря и океаны покрывают большую часть поверхности Земли, поэтому вероятность ударов астероидов и комет по водной поверхности выше, чем по суше.
Волны в воде в ближней зоне удара. Волны, вызванные падением метеороидов в океаны и моря, распространяются от места удара на большие расстояния и могут вызвать весьма серьезные последствия [Hills and Mader, 1995; Hills et al., 1994]. Удары по водной поверхности так же, как и по суше, вызывают образование кратера. Поскольку кратер в воде нестабилен, помимо волн, вызванных непосредственно ударом, после заполнения кратера водой и его схлопывания возникают волны, распространяющиеся наружу [Gault and Sonnet, 1982]. Астероиды с размерами, большими чем глубина океана, вызывают вблизи места удара волны с амплитудой, сравнимой с этой глубиной [Ahrens and O’Keefe, 1983, 1987; Roddy et al., 1987].
Численные расчеты [Ahrens and O’Keefe, 1987; Roddy et al., 1987] дали детальную картину начальной стадии гидродинамических процессов, инициированных вертикальным падением 10-километрового каменного тела со скоростью 20 км/с и энергией 6 107 Мт ТНТ в океан глубиной 5 км. Через 120 с после падения высота волны в воде приблизительно равна 4 км. В работе [Nemchinov et al., 1993] численные расчеты были выполнены для кометы диаметром 2 км, имеющей такую же скорость и падающей в океан глубиной 4 км. Через 37 с после удара высота волны в воде составляет 1,3 км на расстоянии 18 км от места удара (это существенно нелинейная стадия распространения волны). Энергия 150-метрового железного тела, движущегося со скоростью 20 км/с, равна 600 Мт. Такое тело пройдет через 600-метровую толщу морской воды почти без замедления и испарит большое количество воды ударной волной, а также вызовет образование кратера в морском дне почти такого же размера, что и при ударе о поверхность суши [Croft, 1982].
Рис. 8.11. Образование кратера и формирование волн цунами при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км
На рис. 8.11 проиллюстрировано образование кратера в воде и океанском дне и формирование волн в воде в ближней зоне при ударе каменного тела диаметром 600 м о поверхность океана глубиной 1 км (расчеты были проведены по программе SOVA). Как видно, через 30 с после удара высота водяной струи составляет примерно 2,5 км. В момент времени 60 с эта струя уже разрушилась; гребень волны, вызванной ударом, находится на расстоянии ∼ 12 км от места падения. При ударе железного астероида диаметром 1 км с энергией 1,5 106 Мт ТНТ высота струи достигает 19 км, высота волны вблизи места удара достигает 0,8 км и снижается до 0,4 км на расстоянии 64 км от места удара.
Для случая плотности ударника ρ = 3 г/см3, его скорости V = 20 км/с и эффективности передачи энергии воде ε = 0,15 в работе [Ward and Asphaug, 2003] зависимость диаметра d и глубины h временного кратера в глубокой воде была аппроксимирована соотношением
d = 117D03/4, h = d/3,13,
где D0 — диаметр ударника в метрах. Для D0 = 300 м диаметр временного кратера d составит 8,4 км, а его глубина h = 2,7 км.
Экспериментальные данные по распространению волн в воде на боль шие расстояния. При распространении волн в воде на большие расстояния в случае цилиндрической симметрии простая оценка такова: высота волны hw ∼ 1/r, где r — расстояние от центра. Этот закон согласуется с эмпирическим соотношением [Коробейников, Христофоров, 1976], полученным при анализе результатов подводных взрывов ТНТ. Распространение волн в воде в эксперименте [Glasstone and Dolan, 1977] также подчиняется этому закону. Исходя из этого легко получить следующую оценку: hw = 10 м на расстоянии 2000 км для 2-километровой кометы, падающей в океан глубиной от 4 км, и на расстоянии 3000 км для 150-метрового железного тела, падающего в море глубиной 600 м (это средняя глубина Балтийского моря). Такая высота водяной волны (10 м) соответствует высоте наиболее разрушительного цунами, зарегистрированного на Курильских островах в течение XX в. [Шокин и др., 1989].
