В зонах, где амплитуда возмущений превышает порог плавления и фазовых превращений грунта (∼ 100 Мбар), расчет конструкций подземных сооружений не имеет смысла, поскольку при таких нагрузках поведение строительных материалов близко к таковым для грунта и сооружение будет полностью разрушено [Коряк, Старчикова, 1997]. Но и в зонах, где амплитуда возмущений превышает 100–1000 кбар для скальных пород и 1–100 кбар для осадочных пород, можно предсказать полное и сильное разрушение конструкций сооружений.
Хранилища радиоактивных отходов. Хранилища радиоактивных отходов — это система помещений, построенных для изоляции радиоактивных веществ, которые в них содержатся, чтобы по мере возможности защитить биосферу в течение того периода, пока остается значительный риск радиоактивного заражения. Защитная способность хранилища зависит от барьера между радиоактивными отходами и биосферой. Существует две группы хранилищ: приповерхностные сооружения и глубоко расположенные сооружения. В отличие от хранилищ, расположенных в глубоких и промежуточных слоях, приповерхностные хранилища функционируют в течение нескольких десятков лет. В то же время глубокие сооружения рассчитаны на десятки тысяч лет, т. е. время их существования в будущем сравнимо с характерным интервалом времени между падениями тел размером 200–400 м, достигающих поверхности Земли.
Существуют национальные и международные программы, в которых была исследована осуществимость удобных геологических хранилищ. Были исследованы различные геологические среды (соль, кристаллическая порода, такая как гранит, глины и туф) и различные конструкции. Правильно выбранные места в асейсмических регионах обеспечили бы невозможность проникновения содержимого хранилищ в биосферу в течение, по крайней мере, нескольких тысячелетий. Несколько стран имеют уже построенные хранилища, в некоторых других они находятся в стадии конструирования. Другие страны планируют построение промышленных хранилищ в ближайшие 15–50 лет.
Атомные электростанции. В 1990 г. в мире существовало 435 работающих атомных электростанций в 30 странах, как в индустриально развитых, так и в развивающихся. Они обеспечивали 17 % мировых потребностей в электроэнергии. Однако случай в Чернобыле ясно показал риск, связанный с атомными электростанциями, и был учрежден международный режим ядерной безопасности. В последние годы синдром Чернобыля постепенно преодолевается и вновь ставится вопрос о строительстве новых атомных электростанций. В Великобритании предполагается строительство 10 новых станций. По всему миру в течение 15 лет будет построено 500 атомных электростанций с существенно улучшенными характеристиками безопасности. Однако они не предусматривают мер защиты от ударов космических объектов. Следует иметь в виду, что продуктивная жизнь этих станций составляет от 40 до 50 лет, как следует из предшествующего опыта.
Оценим вероятность катастрофы на атомной станции вследствие падения космического тела. Поверхность Земли составляет 5 108 км2. Если бы атомные электростанции были распределены равномерно по всей поверхности, сейчас на каждую из этих станций приходилась бы средняя площадь поверхности порядка 106 км2 с характерным радиусом площади 600 км. Число этих станций могло бы увеличиться в предсказуемом будущем (скажем, сто лет) в 10 раз с уменьшением соответствующего радиуса до 200 км. Если этот радиус будет равен радиусу разрушения структур атомной станции, то любое падение приведет к катастрофе, которая будет по порядку величины равна Чернобыльской (выделяется 100 миллионов Кюри радиоактивности) или больше.
Рассмотрим разрушение конструкций наземных атомных электростанций. Скорость подвижки почвы в 1 м/с повлечет не только разрушение мест соединения трубопроводов и утечку радиоактивности, но даже разрушение некоторых стен и крыш. Это означает, что при падении тела диаметром 1 км радиус зоны разрушения достиг бы 200 км. В то же время для химических заводов, расположенных на поверхности, критическая скорость подвижки меньше (10–15 см/с) и радиус зоны разрушения может достичь 1000 км.
В областях, далеких от берегов морей и океанов или расположенных достаточно высоко над уровнем моря, единственным опасным фактором являются сейсмические волны. Но атомные электростанции (и химические заводы) часто построены вблизи морского берега, потому что так легче транспортировать тяжелое оборудование к месту расположения (в частности, существуют проекты строительства нескольких подземных атомных станций на Кольском полуострове [Мельников и др., 1992]). При энергиях более 1000 Мт в гибели людей будут преобладать эффекты от цунами, возникающих при ударах в океан. Поэтому для ударов в океан различия между ударами с локальной и глобальной шкалой разрушений стираются.
Разрушение плотин. При разрушении плотин, гидроузлов образуется волна прорыва, затапливающая речные долины и разрушающая плотины лежащих ниже гидроузлов. Для арочных и бетонных плотин на скальном основании определяющей является стадия образования начального прорыва. Эта стадия может быть существенной для большинства плотин из местных материалов и смешанных (бетонная русловая плотина и боковые плотины из местных материалов), а также для бетонных плотин на мягком основании из-за размыва грунта основания и последующей потери устойчивости отдельных секций плотин [Розов, 1997].
Плотина из местных материалов перестает сдерживать напор воды, если ее гребень оказывается хотя бы на какое-то время ниже уровня воды в верхнем бьефе. При повышении этого уровня за счет волны, вызванной ударом, либо за счет оползания откоса сооружения, оказавшегося неустойчивым вследствие действия сейсмических волн, плотина размывается потоком воды из водохранилища. Волна прорыва обладает, как правило, огромной разрушительной силой. Отметим, что обычно концентрация населения вдоль речных долин очень высока. Поэтому разрушение системы плотин гидроэлектростанции является региональной катастрофой, которую нельзя допускать.
8.5. Региональные и глобальные катастрофы
При увеличении размеров тела до нескольких километров и, тем более, десятков километров его удар приводит к глобальной катастрофе, угрожающей существованию всего человечества или его значительной части. Такие события редки, поэтому все большее внимание уделяется опасности, связанной с воздействием падений сравнительно небольших тел — размером 200–400 м и энергией порядка 103–105 Мт. Такие удары приводят к региональным катастрофам и могут привести к глобальному нарушению работы современных средств связи. Рассмотрим примеры хорошо изученных событий, вызывающих региональную и глобальную катастрофы.
8.5.1. Тунгусское событие как пример локальной катастрофы. Событие, которое произошло в Сибири в бассейне реки Подкаменная Тунгуска утром 30 июня 1908 г., продолжает привлекать к себе интерес как исследователей, так и широкой публики во всем мире. В прессе и в популярной литературе, издаваемой в России, довольно часто Тунгусская катастрофа представляется как загадочное явление, для объяснения которого предложено немало экзотических гипотез. Но из проведенных за многие десятилетия научных исследований с очевидностью следует, что это событие было вызвано падением космического тела (астероида или кометы) размером 50–100 м, которое затормозилось в атмосфере на высотах 5–10 км и передало ей свою энергию, эквивалентную 10–50 Мт взрывчатого вещества. Это было типичное падение довольно крупного космического тела, и от часто наблюдаемых ударов меньших тел (болидов) оно отличается по существу лишь масштабом. Но этот масштаб таков, что событие представляет собой региональную катастрофу.
За промежуток времени, сравнимый с существованием человеческой цивилизации, на Земле произошло совсем немного падений космических тел размером с Тунгусское космическое тело (ТКТ). Такие удары случаются в среднем, по разным оценкам, от 1 раза в 300 лет [Shoemaker, 1983] до 1 раза в 1000 лет [Brown et al., 2002]. Если учесть, что тела с наибольшей вероятностью падают в океан, море или на ненаселенную местность, то, возможно, это единственное столь крупное падение, с которым непосредственно столкнулась цивилизация. Но такое событие может произойти и в самое ближайшее время. Изучение последствий Тунгусской катастрофы показывает особенности явления, которое представляет реальную угрозу человечеству.
Перечислим основные факты Тунгусского события [Vasilyev, 1998; Бронштэн, 2000; Плеханов, 2000; Васильев, 2004; Васильев и др., 1965; Иванов, 1961, 1964; Кулик, 1976; Пасечник, 1986]. 1. В окрестностях эпицентра катастрофы нет ударного кратера и не найдены метеориты. 2. Был вывален лес на площади около 2000 км2 (рис. 8.12), причем вывал имеет характерные особенности: в эпицентре остались стоять деревья с обломанными ветвями; стволы поваленных деревьев направлены в среднем от эпицентра к периферии; форма области вывала имеет сплюснутую форму, напоминающую бабочку. 3. Была инициирована поверхностная сейсмическая волна, зарегистрированная на четырех сейсмических станциях. 4. Созданная воздушная акусто-гравитационная волна распространилась по всему земному шару и была зарегистрирована на многих метеостанциях, в том числе в Англии. 5. Событие сопровождалось тепловым воздействием, которое ощущалось очевидцами, вызвало пожар, ожоги растительности и животных. 6. Через несколько минут после образования сейсмической волны возникло геомагнитное возмущение, которое длилось несколько часов и было зарегистрировано в Иркутске. 7. В течение нескольких дней на протяженной территории России и Европы наблюдались аномальные атмосферные явления: светлые сумерки, цветные зори, солнечные гало и кольца Бишопа.
