Взаимодействие космических тел с атмосферой и поверхностью Земли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, доктор физико-математических наук Светцов, Владимир Владимирович

• Светцов, Владимир Владимирович
• доктор физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Светцов, Владимир Владимирович

Введение.

1 Развитие методов математического моделирования течений, возникающих при ударах космических тел.

1.1 Свободно-лагранжев метод.

1.1.1 Построение сетки.

1.1.1.1 Триангуляция.

1.1.1.2 Дополнительные связи.

1.1.1.3 Процедура преобразования (меппинг).

1.2.1 Конечно-разностная схема.

1.2.1.1 Разностные уравнения.

1.2.1.2 Процедура обратного преобразования (ремеппинг).

1.2.1.3 Итерационная процедура.

1.2 Метод 80УА.

1.2.1 Применение метода 80УА.

1.2.2 Метод БОУА в сферических координатах.

1.3 Другие методы решения уравнений газовой динамики.

1.3.1 Методы, используемые в задаче обтекания метеороида.

1.3.2 Тест на карбункулярную неустойчивость.

1.4 Экономичный метод расчета переноса излучения.

1.4.1 Приближенные уравнения.

1.4.2 Разностная схема.

1.4.3 Многогрупповое приближение.

Выводы по главе

2 Вихревой режим обтекания космических тел в атмосфере.

2.1 Неустойчивость ударной волны и течения.

2.2 Тестовая задача.

2.3 Численные решения тестовой задачи в рамках уравнений Эйлера . 67 2.4. Решения на основе уравнения Навье-Стокса.

2.5 Применимость численных методов.

2.6 Изменение показателя адиабаты и геометрии.

2.7 Учет переноса излучения.

2.8 Геофизические аспекты.

Выводы по главе 2.

3 Падения разрушенных метеороидов в атмосфере Земли и их особенности (тела размером 1—100 м).

3.1 Модели движения разрушенных тел.

3.1.1 Роль абляции при движении метеороидов в атмосфере.

3.1.2 Прочность и начало разрушения.

3.1.3 Аналитические и полуаналитические модели разрушения и движения метеороидов.

3.1.4 Гидродинамические численные модели.

3.2 Особенности Сихоте-Алинского метеоритного дождя.

3.3 Вспышки в атмосфере.

3.4 Болид Шумава.

3.5 Комета Шумейкер-Леви 9 и Тунгусское космическое тело.

3.6 Воздействие ударных волн на поверхность Земли - сейсмический . эффект при взрыве метероида в воздухе.

Выводы по главе 3.

4 Касательные удары километровых тел.

4.1 Касательные удары и их специфические черты.

4.2 Излучение и возникновение пожаров.

4.2.1 Проблема глобальных пожаров.

4.2.2 Модель расплющивающегося тела при касательном ударе.

4.2.3 Результаты вычислений.

4.3 Плавление поверхности и образование природных стекол.

4.3.1 Плавление и испарение поверхности при касательных ударах

4.3.2 Образование тектитов при ударах космических тел.

4.3.3 Плавление кремнезема.

4.3.4 Прямое численное моделирование касательных ударов.

4.3.5 Прямое численное моделирование ударов под острыми углами.

4.4 Доставка органического вещества и возникновение жизни.

4.4.1 Проблема доставки органического вещества (ОВ) на Землю.

4.4.2 Приближенные формулы для потока массы ОВ на Землю.

4.4.3 Торможение и абляция тела в атмосфере.

4.4.4 Приземление.

4.4.5 Результаты вычислений.

Выводы по главе 4.

5 Сильные акустико-гравитационные волны в атмосфере, инициируемые ударами крупных (~10 км) космических тел.

5.1 Последствия удара космического тела на границе мел-палеоген

5.2 Постановка задачи о генерации акустико-гравитационных волн при ударе крупного космического тела.

5.3 Особенности моделирования сильных АГВ.

5.4 Результаты моделирования.

Выводы по главе 5.

6 Эрозия и пополнение атмосферы за счет ударов космических тел

6.1 Ранняя атмосфера и механизмы ее эрозии.

6.2 Модели ударной эрозии атмосферы.

6.3 Оценки потерь атмосферы при ударах тел диаметром 100 м - 1 км

6.4 Численное моделирование вертикальных ударов и потери атмосферы для современной Земли.

6.5 Численное моделирование ударов по Марсу.

6.6 Аппроксимационные формулы.

6.7 Эволюция атмосфер планет земной группы под действием ударов

6.8 Выброс воды при ударах в океан: возможность разрушения озонного слоя.

Выводы по главе 6.

7 Удары очень крупных (до —1000 км) астероидов и комет по ранней Земле, временные силикатные атмосферы.

7.1 Размеры наиболее крупных ударников на ранней стадии эволюции Земли.

7.2 Особенности моделирования ударов крупных тел.

7.3 Воздействие крупных ударов на Землю.

7.4 Распределение энергии.

7.5 Образование и исчезновение силикатных атмосфер.

7.6 Испарение океана.

7.7 Ударная переработка поверхности Земли и поиск следов ударов в архее.АОУ

Выводы по главе 7.^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие космических тел с атмосферой и поверхностью Земли»

Актуальность темы. Падения космических тел на Землю представляют большой интерес не только в таких дисциплинах как геология, геофизика, планетология и астрономия, но также и с общей естественнонаучной точки зрения. Земля, как и другие планеты, рождалась в процессе многочисленных ударов планетезималей о ее поверхность. Удары крупных тел влияли на образование и эволюцию геосфер, в том числе на эволюцию атмосферы. Кометы и астероиды заносили органическое вещество и в том числе аминокислоты на поверхность Земли, что могло способствовать зарождению жизни. Очень многие аспекты этих проблем до сих пор неясны. Между тем, в последнее время вопросы образования и эволюции планет, возникновения биосферы приобретают все большую актуальность в связи с развитием космических исследований планет и малых тел Солнечной системы и многочисленными открытиями планет у других звезд.

С другой стороны, удары крупных тел истребляли живые существа. Астероиды и кометы размером порядка десяти километров могли приводить к глобальным катастрофам и массовым вымираниям видов в фанерозое. Нобелевский лауреат Луис Альварес с коллегами в 1980 г. связал падение крупного космического тела с глобальной катастрофой на границе мел-палеоген. Позже был найден и соответствующий кратер Чиксулуб в Мексике, созданный, как показали исследования, ударом тела диаметром 10-15 км. Хотя прямая связь этого события с гибелью биоты не доказана, результаты многочисленных работ по последствиям падений космических тел показывают, что такой удар мог привести к глобальной катастрофе.

Угрожающая человечеству астероидно-кометная опасность все больше осознается с течением времени. В 1981 г. НАС А начало изучение космической угрозы. Проведенные с тех пор многочисленные международные и российские конференции позволили заострить внимание на этой проблеме и выработать ряд рекомендаций. В США была развернута программа астрономических наблюдений за потенциально опасными космическими объектами, которые могут приблизиться к Земле, с помощью телескопов, радаров и космических аппаратов. Наблюдения и каталогизация ведутся и в России. Учет потенциально опасных объектов диаметром более километра предполагается завершить к 2010 г. Но реальную опасность для людей представляют и меньшие объекты, начиная с диаметров 50-100 м (предполагаемый размер тела, вызвавшего Тунгусскую катастрофу 1908 г.). Поэтому было поставлено целью выявление космических тел размером до ~100 м, число которых составляет многие десятки тысяч. Один из известных уже выявленных объектов - это астероид Апофис диаметром около 350 м, который сблизится с Землей в 2029 г.

Проблема астероидно-кометной опасности выдвинула много задач, которые предстоит решить [207]. В числе этих задач определение и изучение процессов, происходящих при столкновении космических тел с планетой. Исследования последствий ударов космических тел и изучение механизмов воздействия играют важную роль при разработке мер снижения опасности. Для предотвращения угрозы, при применении тех или иных средств защиты от опасных объектов очень важными являются также сведения о строении и составе космических тел. Но знания в этой области недостаточны, и особенно скудны сведения о строении кометных ядер.

Падающие космические тела взаимодействуют прежде всего с атмосферным воздухом, причем большинство метеороидов не долетает до поверхности. Они оказывают воздействие на атмосферу, тем более сильное, чем больше размер и скорость ударника. Изучение взаимодействия космических тел с атмосферой актуально не только с точки зрения состояния атмосферы после удара, но и с точки зрения определения параметров падающих на землю тел. С целью выяснения их свойств проводятся дорогостоящие космические эксперименты, такие как Star Dust (захват частиц кометы Вильде 2), Deep Impact (удар по комете Темпеля 1) или планируемый Европейским космическим агентством эксперимент Дон Кихот, в котором предполагается осуществить удар по астероиду. Но по-прежнему поток метеороидов, входящих в атмосферу Земли, несет в себе огромную информацию о составе и природе малых космических тел, которая требует расшифровки.

Научная новизна. Удары космических тел по поверхности планет изучаются и моделируются уже довольно давно. Геологические и геофизические последствия ударов не всегда очевидны. Вычислители, обратившиеся к задачам ударов космических тел, и геологи, использующие имеющиеся компьютерные программы, проделали большую работу, которая позволила понять основные процессы при образовании ударных структур и геологические последствия ударов, хотя многие вопросы, связанные с ударным кратерообразованием и интерпретацией геологических данных, все еще остаются нерешенными [123]. Процессы же, связанные с движением космических тел в атмосферах планет, изучены в гораздо меньшей степени. Новым общим итогом диссертации стало обнаружение общих закономерностей при падении и взаимодействии с атмосферой тел разного масштаба. Процессы взаимодействия космических тел с атмосферой рассматриваются в данной работе в первую очередь с точки зрения их геологических и геофизических последствий. Значительная часть конкретных результатов работы была получена впервые.

Новизна результатов, связанная как с методами расчетов, так и с постановкой задач, заключается в следующем. (1) Построена лагранжева полностью консервативная численная схема, обладающая определенными преимуществами при решении газодинамических задач, связанных с ударами космических тел. (2) Разработан новый экономичный метод численного решения одномерных уравнения переноса излучения для расчета остывания областей нагретого газа. (3) Получены и иследованы новые решения уравнений газовой динамики при обтекании тел гиперзвуковым потоком газа. (4) Проведены исследования нескольких падений космических тел: Тунгусского, Сихотэ-Алинского, болида Шумава, кометы Шумейкер-Леви 9, в которых выявлены не изученные ранее особенности этих событий. (5) Впервые полноценно исследованы касательные удары космических тел (под очень острыми углами к горизонтали), показано, какие геологические следы они могли оставить и определена их роль в снабжении Земли органическим веществом. (6) Впервые исследованы сильные акустико-гравитационные волны после ударов крупных космических тел, которые могут производить существенное механическое воздействие в глобальном масштабе. (7) Построена модель эволюции атмосферы в период завершения аккумуляции Земли. (8) Проведено математическое моделирование ударов очень крупных космических тел, приводящих к образованию временных силикатных атмосфер на ранней стадии существования планеты.

Объекты исследования. Объектами исследования работы являются, во-первых, малые тела Солнечной системы. От их размеров, скоростей, структуры, состава, механических свойств зависят последствия их взаимодействия с атмосферой. Исследование процессов, сопровождающих внедрение метеороидов в атмосферу, позволяет правильно интерпретировать данные наблюдений, что в конечном итоге позволяет судить о свойствах космических тел.

Во-вторых, объектом исследования является атмосфера, ее отклик на воздействие космического тела. Космические тела выделяют в атмосфере энергию, вносят вещество, генерируют ударные и акустико-гравитационные волны. При ударе о поверхность в атмосферу попадают частицы грунта, воды и продукты горения, если удар вызывает пожар. Часть атмосферы может теряться после удара и, наоборот, атмосфера пополняется летучими элементами, содержащимися в космическом теле. Таким образом, эволюция атмосферы и ее масса, особенно на ранней стадии существования Земли при большой частоте ударов космических тел, во многом зависит от их взаимодействия с атмосферой и поверхностью планеты.

В-третьих, объектом исследования является поверхность Земли, которая может хранить результаты воздействия космических тел не только в виде ударных кратеров, но также следов пожаров, расплавленной излучением породы, погибших организмов и т.д.

Методы исследования. Задачи обтекания космических аппаратов, которые решались до сих пор в связи с развитием космической техники, представляют хорошую базу для понимания процессов взаимодействия космических тел с атмосферой [176], но значительно более высокие скорости входа астероидов и комет в атмосферу Земли, фрагментация и разрушение вносят новые элементы и создают существенные трудности для создания математических моделей. При наблюдениях падений метеорных тел удается зарегистрировать, в лучшем случае, зависимость скорости тела от высоты, мощность излучения и спектр, и поэтому несмотря на обширный наблюдательный материал," поставляемый наземными болидными сетями и регистрацией со спутников, интерпретации падений метеорных тел вызывают много противоречий. Так до сих пор не удается согласовать динамические и фотометрические массы, определяемые для метеоров, а следовательно и определить их истинные массы [29, 262]. Чем крупнее тела, тем реже они сталкиваются с Землей, и тем меньше наблюдательных данных, которые могли бы служить основой для исследования взаимодействия крупных метеороидов (более 10 м) с атмосферой. Определенные сходства с выделением энергии астероидов и комет в атмосфере имеют воздушные ядерные взрывы. Но процесс торможения, наличие следа и материал космического тела вносят в эти явления существенные различия.

Таким образом, решение проблемы взаимодействия космических тел с атмосферой во многом опирается на теоретические исследования. Лабораторные возможности очень малы из-за недостижимости больших скоростей даже для тел с массой порядка грамма. Существует несколько аналитических моделей и простых аппроксимаций, которые в той или иной степени описывают некоторые процессы, происходящие при движении и разрушении тела в атмосфере. В рамках простых подходов нередко удается выявить новые факторы. Но в количественном отношении в каждом случае эти модели нуждаются в проверке. Вычислительные трудности при моделировании ударов космических тел связаны не только с большим объемом вычислений при решении двумерных и трехмерных нестационарных задач. Математическое описание физических процессов, происходящих при движении тела в атмосфере и ударе, нуждается в дальнейшем развитии.

Основным методом исследования в данной работе является математическое моделирование, основанное на численном решении системы уравнений газовой динамики и уравнений переноса излучения. Используются также упрощенные полуаналитические модели, которые необходимы для обоснованной постановки численных экспериментов и позволяют в ряде случаев получить результат, не прибегая к более трудоемким методам прямого моделирования процесса. Во всех случаях проводятся необходимые количественные оценки физических эффектов. Проводится анализ имеющихся экспериментальных и наблюдательных данных и их сравнение с полученными теоретическими результатами.

Цели и задачи диссертации. Основной целью диссертации являлись разработка общего подхода и определение общих закономерностей взаимодействия атмосферы с космическими телами разного размера — от метров до тысячи километров. Исследование явлений, сопровождающих взаимодействие падающих на Землю космических тел с ее атмосферой и поверхностью, и их последствий проводилось со следующими практическими целями: определения параметров космических тел по наблюдательным данным; оценки воздействия ударов на окружающую среду для выявления геофизических последствий и факторов, опасных для живых организмов и человека; идентификации возможных следов ударов космических тел и интерпретации геологических данных; определения роли ударов в эволюции атмосферы и поверхности Земли на ранней стадии ее существования. Для достижения поставленных целей решались следующие конкретные задачи.

1. Определить характерные особенности воздействия атмосферы на метеороид, его разрушение, разлет фрагментов, торможение. Эта задача важнее для относительно небольших тел, так как атмосфера обычно не оказывает существенного влияния на объекты размером более километра, которые, не испытывая существенного сопротивления, ударяют по поверхности и образуют кратер.

2. Исследовать атмосферные эффекты, вызываемые ударами космических тел при выделении их энергии в воздухе, определить параметры ударных волн, сильных акустико-гравитационных волн, потоки излучения. Существенные атмосферные эффекты возникают при падении тел размером более 50-100 м. Тела размером 50 - 100 м могут создать кратер, подобный кратеру Бэрринжера в Аризоне, если достигают поверхности, или произвести мощный взрыв в воздухе, как в Тунгусском явлении 1908 г. Они представляют прямую угрозу для людей при падении в населенных районах.

3. Определить, как действуют космические тела, тормозящиеся в атмосфере, на поверхность Земли, установить возможные следы ударов: пожары, плавление грунта излучением и ударом, выпадение конденсата и остатков космического тела.

4. Исследовать эволюцию ранних атмосфер, возникающих под действием ударов, — эрозию газовой атмосферы и ее пополнение, создание и время жизни временных силикатных атмосфер.

Указанные задачи объединены сходством процессов взаимодействия как относительно мелких, так и крупных космических тел с атмосферой, что нашло отражение в едином физико-математическом подходе.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Объем диссертации - 335 страниц, включая 92 иллюстрации. Список литературы содержит 549 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атмосферы и гидросферы», Светцов, Владимир Владимирович

Основные выводы по результатам исследований

1. Развиты численные методы решения уравнений газовой динамики для моделирования ударов и атмосферных течений, вызываемых вторжением 1 космических тел в атмосферу. Разработан оригинальный свободно-лагранжев метод расчета. Эйлеров метод БОУА, предназначенный для моделирования движения нескольких веществ в разных фазовых состояниях, модифицирован для двумерных расчетов в сферической системе координат. Разработан экономичный метод расчета одномерных уравнений переноса излучения, который позволяет учитывать эффекты переноса тепла и потери энергии на излучение в геофизических задачах, связанных с возникновением областей нагретого газа.

2. Взаимодействие космических тел с атмосферой происходит сходным образом в широком диапазоне их размеров и скоростей. Этому взаимодействию присущи характерные эффекты: создание ударных и акустико-гравитационных волн в атмосфере и взаимодействие этих волн с поверхностью Земли; разрушение метеороида под действием давления набегающего газа, развитие неустойчивостей на поверхности раздробленного тела в полете, разлет и рассеяние фрагментов, их абляция и торможение; нагрев поверхности Земли излучением; нагрев атмосферы и потери газа в космическое пространство; пополнение атмосферы испаренным веществом космического тела и мишени (при ударе о поверхность). Те или иные эффекты выходят на первый план в зависимости от конкретной ситуации и практических целей.

3. Показано, что при высокой скорости метеороида, движущегося в атмосфере, и наличии затупленной лобовой поверхности характер обтекания тела может существенно отличаться от классического режима со стационарной отошедшей ударной волной гладкой формы. Имеется другой режим обтекания, в котором за фронтом головной ударной волны существуют крупномасштабные вихри, а сам фронт имеет волнистый вид, соответствующий вихревым структурам. Такое течение нестационарно и имеет квазипериодический характер. Давление на лобовой поверхности пульсирует и изменяется в пределах двух порядков, его максимумы могут на порядок величины превышать давление торможения. Начальной причиной возникновения вихревого режима обтекания могут служить неустойчивости головной ударной волны (в частности, обусловленные интенсивным излучением с ее фронта и поглощением этого излучения перед ним) и внешние воздействия на фронт волны (например, вылет частиц с поверхности метеороида, испытывающего абляцию).

Вследствие сильных и быстрых пульсаций давления разрушение тела в атмосфере должно начинаться существенно выше, чем у тела, обтекаемого в стандартном режиме. Поэтому существование вихревого режима обтекания ставит под сомнение принятую наблюдателями метеорных явлений классификацию падающих тел по высоте торможения, согласно которой тела, тормозящиеся на больших высотах, имеют меньшую прочность и представляют собой кометное вещество с низкой плотностью. Кометного материала в потоке космических тел на Землю, по-видимому, значительно меньше, чем представляется в интерпретациях, основанных на элементарных соображениях. Вихревой режим обтекания может способствовать образованию регмаглиптов на лобовой поверхности метеоритов.

4. Проведены расчеты деформации и фрагментации тел размером 50100 м в атмосфере Земли, которые, будучи сильно раздробленными, ведут себя подобно несжимаемой жидкости. С помощью численного моделирования проверена теория увеличения поперечного сечения метеороида при падении в атмосфере, которая была выдвинута ранее другими авторами на основании простых оценок. Показано, что существенную роль в фрагментации раздробленного метеороида диаметром 10-100 м играют неустойчивости Релея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, развивающиеся на поверхности тела. Вследствие развития крупномасштабных неустойчивостей тело в полете может принимать как расплющенную форму с отверстиями, так и вытянутую хорошо обтекаемую форму. Таким образом, высота конечного торможения тел с фиксированными массой и составом не является вполне определенной величиной вследствие случайного характера развития неустойчивостей, а также различной формы падающих тел.

5. Проведены расчеты потоков излучения внутри и вне светящейся области, создаваемой раздробленным каменным космическим телом, параметры которого соответствуют Тунгусскому событию 1908 года (размер 50-70 м при скорости 15-20 км/с). Показано, что при дроблении тела на осколки размером менее 10 см, эти фрагменты могут полностью испариться. Дробление на столь малые фрагменты полностью согласуется с аэродинамическими нагрузками и типичной прочностью метеоритов. Подтверждена выдвинутая ранее гипотеза о том, что взрывы в атмосфере, подобные Тунгусскому, с отсутствием кратеров и фрагментов метеоритов на поверхности грунта могут происходить при падении каменных тел размером в десятки метров.

6. Исследованы касательные удары, при которых космическое тело подходит к Земле по гиперболической траектории с перигеем, отстоящим от О до нескольких десятков километров от поверхности планеты. Такие удары редки, но, как показано в работе, неоднократно происходили в истории Земли. Определено, что кометы диаметром 1-10 км, движущиеся по касательным траекториям, могут, постепенно тормозясь, совершить мягкую посадку на Землю без разрушения содержащегося в космическом теле органического материала. Этот механизм привноса органики мог послужить основой возникновения жизни на Земле. Показано, что излучение крупного метеороида, движущегося по касательной траектории может вызвать поджог горючих (древесных) материалов в полосе, длина которой сравнима с размером континента, а ширина составляет сотни километров.

7. Предложены и исследованы сценарии ударов космических тел, при которых могут образоваться природные стекла. Показано, что слоистые тектиты на площади 700000 км (где они найдены в Юго-Восточной Азии) могли образоваться в результате касательного удара астероида диаметром порядка 1 км, который дробится и рассеивается в атмосфере. Фрагменты такого тела тормозятся и выделяют свою энергию в воздухе над обширной поверхностью суши. Излучение из нагретой области обеспечивает плавление слоя кварцевого песка толщиной в сантиметры. Природные стекла с меньшим полем рассеяния, типа ливийских стекол (площадь 7000 км2), могут образоваться при ударах тел размером в сотни метров под острыми углами к поверхности Земли. Излучение из образующегося воздушного взрыва в этом случае также производит плавление сантиметровых слоев кремнезема.

8. Проведены серии расчетов ударов астероидов и комет по планете с различными массами атмосфер. В этих расчетах определены массы атмосферного газа и вещества ударника, теряемые планетой после удара (то есть, приобретающие скорости выше второй космической). С помощью оценок и расчетов выяснено, что, в отличие от существовавших ранее моделей, теряемая масса атмосферы по отношению к массе ударника наиболее велика при сравнительно малых размерах тел (~100 м), эти тела разрушаются при падении в атмосфере и нагревают относительно большую массу воздуха. Предложены аппроксимационные формулы для уносимых масс в зависимости от размера и плотности ударника, высоты однородной атмосферы и плотности атмосферы. Применение интегральной модели ударной эволюции атмосферы (без учета стока атмофильных элементов в реголит и дегазации недр планеты) показало, что конечные параметры атмосферы после завершения роста Земли определяются ударами в тот период аккумуляции планеты, когда дефицит слоя аккумулируемого вещества изменялся от ~100 до ~10 км, причем эти ранние атмосферы Земли оказываются достаточно массивными - с давлениями 10-100 бар.

9. Показано, что удары тел размером более 10 км генерируют в атмосфере Земли сильные акустико-гравитационные волны. Идущая вдоль поверхности акустико-гравитационная волна типа волны Лэмба имеет' столь большую амплитуду, что скорость газа за ее фронтом соответствует ураганному или штормовому ветру, причем эта волна огибает всю поверхность Земли. Обосновано предположение, что действие поверхностной акустико-гравитационной волны после удара, образовавшего кратер Чиксулуб 65 млн. лет назад, могло вызвать вывал леса или обламывание ветвей деревьев по всей Земле. Большое количество высохшего древесного материала могло послужить причиной распространения глобальных пожаров, которые усугубили стрессовую ситуацию в биосфере и способствовали гибели биоты на границе мелового и палеогенового периодов.

10. Исследованы вертикальные удары крупных (50-1000 км) астероидов и комет по ранней Земле. Показано, что значительная доля энергии самых крупных ударников тратится на перемещение мантийного материала, который поднимается вверх и растекается по поверхности планеты. Предложены аппроксимационные формулы для массы расплавленного и испаренного вещества мантии, коры и ударника. Оценена толщина слоя вещества, выпадающего на Землю после удара.

Рассчитаны времена существования временных силикатных атмосфер, которые образуются после ударов крупных тел и затем исчезают вследствие охлаждения излучением и конденсации. Времена существования этих атмосфер оказываются достаточно короткими (около 10 лет при ударе каменного тела диаметром 3000 км и лишь несколько дней при размере тела 500 км), так что эти атмосферы вряд ли могли оказать заметное влияние на ход аккумуляции планеты, но они могли повлиять на образование коры на ранней стадии развития Земли.

Необходимо отметить, что ряд результатов был получен автором диссертации совместно с сотрудниками лаборатории математического моделирования геофизических процессов ИДГ РАН. Разработка свободно-лагранжева метода (глава 1) проводилась совместно с В.М.Хазинсом. Исследование падений метеороидов в атмосфере (глава 3) проводилось в тесном взаимодействии с И.В.Немчиновым, В.В.Шуваловым, А.В.Тетеревым, О.П.Поповой, А.П.Голубем, Н.А.Артемьевой. Результаты по сильным акустико-гравитационным волнам (глава 5) получены совместно с В.В.Шуваловым. При построении аппроксимационных формул потерь атмосферного газа после ударов (глава 6) использовались результаты расчетов косых ударов Н.А.Артемьевой и В.В.Шувалова. Исследование по предсказанию возможных следов ударов в архее (глава7) проведено вместе с В.В.Шуваловым.

Апробация и внедрение результатов

Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, вошли в отчеты Института динамики геосфер по программам Президиума РАН

13 и №16 "Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы" и №25 "Проблемы зарождения биосферы Земли и ее эволюции", в отчет по астероидной опасности для МЧС по теме "Анализ и оценка

300 последствий падения на Землю опасных космических объектов и разработка предложений по их смягчению" и монографию "Катастрофические воздействия космических тел", написанную коллективом авторов ИДГ РАН. (Вариант этой монографии на английском языке "Catastrophic events caused by cosmic objects" был издан в 2008 г. в издательстве Springer). Ряд работ вошел в отчеты, выполненные по грантам РФФИ, контрактам с Национальной лабораторией Сандиа (США) и по гранту Американского фонда исследований и развития (CRDF).

Основные положения и результаты диссертационного исследования содержатся в 41 научных публикациях в отечественных и зарубежных журналах, научных изданиях, трудах и тезисах конференций.

Результаты исследований докладывались на международных и российских конференциях: на международных конференциях по астероидной опасности (Tucson, AZ, USA, 1993; Livermore, СА, USA, 1995); на лунно-планетных конференциях (Lunar Planetary Science Conference, Houston, TX, USA, 1994, 1996, 2002, 2005, 2006, 2007); на европейском совещании по столкновению кометы SL-9 с Юпитером (Garching, Germany, 1995); на международной конференции по космосу "Space -96" (Albuquerque, NM, USA, 1996); на международных совещаниях по ударному кратерообразованию, эволюции Земли и глобальным катастрофам (Ancona, Italy, 1995; Postojna, Slovenia, 1996; Quillan, France, 1999; Vienna, Austria, 2000; Granada, Spain, 2001; Mora, Sweden, 2002; Nordlingen, Germany, 2003); на совещаниях Метеоритного общества (Annual Meetings of the Meteoritical Society, Munster, Germany, 2003; Zurich, Switzerland, 2006); на конференциях, посвященных Тунгусскому явлению 1908 г., (Bologna, Italy, 1996; Красноярск, 1998; Москва, 2003, 2008); на всероссийской конференции "Астероидно-кометная опасность 2005" (Санкт-Петербург, 2005); на международной конференции "Околоземная астрономия 2007" (Терскол, 2007).

Заключение

Моделирование взаимодействия космических тел с атмосферой опирается не только на возможности вычислительной техники и методов расчета, но и во многом на опыт исследователя. До сих пор не создано универсальных методов решения задач, связанных с движением тел в атмосфере и их ударами о поверхность планеты. Развитые автором и его коллегами методы решения гидродинамических уравнений позволяют проводить численной моделирование задач достаточно широкого круга, но в каждом конкретном случае приходится применять эти методы с осторожностью, опираясь, если возможно, на математические оценки и подчас довольно скудный экспериментальный материал. Поэтому автор считает ценным результатом работы не только развитие методов математического моделирования, но и накопленный опыт получения численных решений, который отражен в публикациях по теме диссертации. г

Исследования, проведенные в диссертационной работе, охватывают широкий диапазон размеров космических тел, от ~1 м до ~1000 км. Среди всех возможных последствий ударов таких тел по атмосфере и по поверхности Земли были выбраны те аспекты, которые ранее либо вообще не рассматривались, либо исследовались еще недостаточно.

Важную роль в проблеме взаимодействия космических тел с атмосферой играет режим вихревого обтекания, который был выявлен в ходе выполнения диссертационной работы. Многочисленные расчеты различными методами и наличие экспериментов убеждают в существовании вихревого режима обтекания затупленных тел. Это явление, очень важное с точки зрения понимания движения метеорных тел в воздухе, заслуживает дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

Исследование конкретных падений космических тел: Сихоте-Алинского метеоритного дождя, болида Шумава, Тунгусского космического тела, кометы Шумейкер-Леви 9, вспышек излучения, зарегистрированных со спутников, изучение возможности образования слоистых тектитов и ливийских стекол под действием излучения воздушных взрывов позволило проиллюстрировать основные процессы взаимодействия космических тел с атмосферой и в каждом случае выявить своеобразные стороны отдельных событий.

Полученные результаты подтверждают важность проблемы астероидно-кометной опасности, угрожающей Земле. В ходе решения поставленных задач были выявлены новые факторы этой опасности — возникновение пожаров при касательных ударах крупных тел, акустико-гравитационные волны с ураганными скоростями у поверхности Земли и воздействие выбросов воды в верхнюю атмосферу на озоновый слой.

Планетологические задачи, рассматриваемые в диссертации, - удары крупных тел по ранней Земле, удары в архее, образование временных силикатных и водяных атмосфер, образование и эволюция ранних газовых атмосфер, занесение органического вещества на Землю - не новы по постановке, но по-прежнему вызывают большой интерес. В этих задачах ставилось целью получение количественных результатов и, если возможно, получение аппроксимационных формул. Они были получены, но впереди еще большое поле деятельности, если иметь в виду, что конечная цель количественных расчетов - создание модели ранней Земли.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Светцов, Владимир Владимирович, 2008 год

1. Авдуевский B.C., Иванов A.B. Течение разреженного газа вблизи передней критической точки затупленного тела при гиперзвуковых скоростях // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1968. № 3. С. 26-34.

2. Авилова И.В., Биберман U.M., Воробьев B.C. и др. Оптические свойства горячего воздуха. М.: Наука, 1970. 320 с.

3. Адушкин В.В., Кудрявцев В.П., Журавлева JI.A. Влияние дегазации Земли на ее озоновый слой // Динамика взаимодействующих геосфер. Сборник научных трудов. М: ИДГ РАН, 2004. С. 191-201.

4. Азовский А.Н., Шувалов В.В. Влияние геометрической формы на движение фрагментов разрушенного метеороида // Астрономический вестник. 2002. Т. 36. № 4. С. 1-7.

5. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Немчинов И.В., Орлова Т.И., Смирнов В.А., Хазинс В.М. Изменение режима сверхзвукового обтекания препятствия при возникновении перед ним тонкого разреженного канала //Изв. Ан СССР, МЖГ. 1989. № 5. С. 146-151.

6. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. М.: Мир, 1983. Т.1. 520 с.

7. Апштейн Э.З., Вартанян Н.В., Сахаров В.И. О распределении лучистых тепловых потоков по поверхности пространственных и осесимметричных. тел при сверхзвуковом обтекании их идеальным газом // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1986. № 1. С. 92-97.

8. Апштейн Э.З., Пилюгин H.H., Севастъяненко В.Г., Тирский Г.А. Радиационный теплообмен при входе тел в атмосферу Земли и планет со сверхорбитальными скоростями // Итоги науки и техники. Сер. Механ. жидкости и газа. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 23. С. 116-236.

9. Артемьева H.A. Высокоскоростные выбросы из кратеров и обмен веществом между планетами // Катастрофические воздействия космических тел / Ред. Адушкин В.В., Немчинов И.В. М: ИКЦ "Академкнига", 2005. С. 201-212.

10. Асланов С.К. О гидродинамическом моделировании процесса абляции поверхностного слоя метеороида // Астрономический вестник. 2000. Т. 34. № 4. С. 348-356.

11. Астапович КС. Новые материалы по полету большого метеорита 30 июня 1908 г. в Центральной Сибири // Астрономический журнал. 1933. Т. 10. № 4. С. 465-486.

12. Атмосфера стандартная. ГОСТ 4401-81. М: Изд. Стандартов. 1981. 180 с.

13. Бармин A.A., Егорушкин С.А. Устойчивость поверхностей сильного разрыва в газах (обзор) // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1996. № 2. С. 3-22.14