Суперкомпьютеры Sandia предлагают новое объяснение Тунгусской катастрофы

Sandia — лаборатория Национального управления по ядерной безопасности (США).

Малые астероиды могут представлять гораздо большую опасность, чем считалось ранее

ВОЗГОРАНИЕ ВОЗМОЖНО При моделировании на суперкомпьютере, которое было проведено командой лаборатории Sandia под руководством Марка Бослафа, зафиксированы яркие области «огненного шара», которые могут быть заметны при взрыве астероида в земной атмосфере. (Фото сделано Рэнди Монтоя)

Компьютерное моделирование, проведенное в Sandia National Laboratories показывает, что масштабное опустошение леса в Сибири близ реки Подкаменная Тунгуска, произошедшее век назад, могло быть вызвано астероидом по размеру намного меньшим, чем предполагалось ранее.

«Астероид, причинивший такие обширные разрушения, был намного меньше, чем мы думали, — утверждает руководитель исследования Марк Бослаф (англ. Mark Boslough), говоря о событии 30 июня 1908 года. — Тот факт, что подобные малые объекты могут служить причиной таких разрушений, заставляет по-новому относиться к малым астероидам. Несмотря на их небольшой размер, подобные столкновения не так маловероятны, как мы полагали до сих пор».

Поскольку малые астероиды приближаются к Земле статистически чаще больших, «нам следует приложить больше усилий по их обнаружению, чем мы прилагали до этого», — продолжает он.

Новое моделирование, гораздо точнее воспроизводящее фактические разрушения, чем предыдущие модели, демонстрирует, что центр масс астероида, взорвавшегося над поверхностью земли, упал со скоростью, превышающей скорость звука. Он принял форму высокотемпературной струи расширяющегося газа, так называемого «огненного шара» (англ. fireball).

Это спровоцировало более сильные взрывную волну и термическое излучение на поверхности, чем те, что рассчитывались на примере простого взрыва в воздухе на высоте, на которой он произошёл.

«Наши представления были слишком упрощены, — говорит Бослаф, — Но нам больше нет нужды делать упрощающих предположений, потому что современные суперкомпьютеры позволяют нам работать с большими разрешениями в трёхмерном пространстве. Всё становится понятнее, когда смотришь на вещи с помощью усовершенствованных инструментов».

Эта новая интерпретация событий также принимает во внимание факт, что ветры усиливались выше границ, где деревья были повалены, и что лес во время взрыва, если верить лесничим, уже был нездоров. Таким образом, предыдущие научные оценки преувеличили разрушения, причинённые астероидом, так как топографические и экологические факторы, внёсшие свой вклад в результат, не были приняты в расчёт.

«На самом деле разрушения меньше, чем думали раньше, — уверен Бослаф, — но они вызваны астероидом, который был ещё меньше. К сожалению, это не просто пустая болтовня о потенциальной угрозе, малых астероидов на самом деле гораздо больше, чем больших».

Бослаф и его коллеги прославились ещё более десяти лет назад, когда точно предсказали, что «огненный шар», образовавшийся при столкновении кометы Шумейкеров — Леви 9 с Юпитером, можно будет наблюдать с Земли.

Моделирования показывают, что материал падающего астероида сжимается под действием растущего сопротивления земной атмосферы. Чем дальше вглубь, тем сильнее и сильнее увеличивается сопротивление атмосферы, заставляя астероид в конце концов взорваться в воздухе и выпасть на землю потоком раскалённого газа.

Из-за дополнительной передачи энергии к поверхности земли «огненным шаром», мощность взрыва, которая оценивалась учёными в 10-20 мегатонн, вероятнее всего, составила всего от трёх до пяти мегатонн. Физические размеры астероида, отмечает Бослаф, зависят от его скорости и характеристик материала: пористый он или монолитный, ледяной или безводный, и т. д.

«Любая стратегия защиты или отражения должна принимать во внимание все эти механизмы взрыва», — говорит Бослаф.

Одна из наиболее выдающихся статей по оценке частоты столкновений была опубликована пять лет назад в журнале «Нэйче» (англ. Nature) исследователем из Sandia Диком Спэлдингом (англ. Dick Spalding) и его коллегами, на основе данных спутника о взрывах в атмосфере. «Можно сосчитать эти события и оценить частоту вторжений с помощью теории вероятности», — подчёркивает Бослаф.

Работа была представлена 11 декабря 2007 года на заседании Американского геофизического союза (American Geophysical Union) в Сан-Франциско. Статья, посвящённая феномену, написанная в соавторстве с исследователем Дэйвом Кроуфордом (англ. Dave Crawford) и озаглавленная «Низковысотные воздушные взрывы и угроза столкновения» (англ. «Low–altitude airbursts and the impact threat»), была принята для публикации изданием International Journal of Impact Engineering.

Исследование было профинансировано службой исследований и развития лаборатории Sandia.

Видеоролики

Ролик № 1 (11,5 Мб)
62 000-тонный неподвижный астероид взрывается с энергией 5 мегатонн на высоте 5 км над поверхностью. Ширина экрана — 15 км, высота — 8 км. Яркие цвета «огненного шара» означают температуру в диапазоне от горячего (тускло-красного) до сверхгорячего (белый). Серый фон означает плотность воздуха и показывает сферическую взрывную волну, отражающуюся от земли. «Огненный шар» медленно увеличивается и охлаждается по мере уменьшения, ограничивая термическое действие на поверхность. Это моделирование показывает, что происходит, когда импульсом для упрощения пренебрегают, как учёные и поступали до сих пор. Этот воздушный взрыв от «точечного источника» подобен ядерному.

Ролик № 2 (11,5 Мб)
Эта модель показывает, что происходит, если не пренебрегать инерцией. Такой подход стал возможным благодаря современным суперкомпьютерам и программам. Тот же астероид теперь движется в атмосфере с обычной скоростью (20 км/с). Для наглядности, в астероид вкладывается дополнительная энергия, когда он достигает высоты 5 км (суммарная энергия 5 мегатонн). Инерция заставляет горячий «огненный шар» лететь к поверхности, что только увеличивает температуру и ветер на земле.

Ролик № 3 (9,8 Мб)
Крупный план предыдущей модели. Размеры экрана 4 на 3 км. Цвета обозначают энергию, связанную с турбулентностью, вращением, торнадо-подобными воронками, создаваемыми при движении вниз. Высокоскоростные ветра на земле могут поддерживаться этими вихревыми потоками.

Ролик № 4 (5,3 Мб)
Траектория 5-мегатонного астероида, который начинает взрываться на высоте 20 км над поверхностью, но переносит энергию вниз почти на 8 км. Оси размечены по сантиметрам, цвета означают скорость в см/с.

Ролик № 5 (4,8 Мб)
Трёхмерная модель 15-мегатонного взрыва, произошедшего на высоте 18 км от поверхности, для астероида, вошедшего в атмосферу под углом 35 градусов. Размеры экрана 40 на 20 км. Цвета обозначают скорости. Горячий «огненный шар» спускается к поверхности и скользит по намеченному пути на высоких скоростях, подвергая ландшафт действию ударной волны. Этого не происходило на Тунгуске.

Ролик № 6 (4,2 Мб)
Карта зоны ударной волны, полученная в результате трёхмерного моделирования 15-мегатонного взрыва. Оси размечены по сантиметрам, цвета обозначают скорость ветра. Расширяющаяся вытянутая форма — это взрывная волна, движущаяся по поверхности, валящая деревья ветром, скорость которого снижается от ураганной — 60 м/с (пурпурный) до 20 м/с (жёлтый). Ударная волна оставляет след на поверхности (слева), где «огненный шар» касается поверхности. Этого не происходило на Тунгуске, поэтому астероид должен быть меньше (с меньшей энергией).

Ролик № 7 (4,8 Мб)
Трёхмерная модель 5-мегатонного взрыва, произошедшего на высоте 12 км над поверхностью, для астероида, вошедшего в атмосферу под углом 35 градусов. Размеры экрана 40 на 20 км. Цвета обозначают скорости. Горячий «огненный шар» не достигает поверхности, однако снижается до высоты 5 км, после чего всплывает наверх. Ничтожная на земле, ударная волна приходит прямо сверху, не противореча наблюдениям, по которым в эпицентре остались стоящие деревья.

Ролик № 8 (3,4 Мб)
Карта зоны ударной волны, полученная в результате трёхмерного моделирования 5-мегатонного взрыва. Оси размечены по сантиметрам, цвета обозначают скорость ветра. Расширяющаяся вытянутая форма — это взрывная волна, движущаяся по поверхности, валящая деревья ветром, скорость которого снижается от ураганной — 60 м/с (пурпурный) до 20 м/с (жёлтый). Поскольку «огненный шар» остановился на достаточной высоте, нет выжженной зоны возле эпицентра и деревья в эпицентре продолжают стоять, как и было на Тунгуске.