Курсовая работа: Влияние космических процессов и явлений на развитие Земли

Столкновение с крупным астероидом - одно из самых масштабных явлений планеты. Оно, очевидно, оказало бы влияние на все без исключения оболочки Земли - литосферу, атмосферу, океан и, разумеется, на биосферу. Существуют теории, описывающие процесс образования ударных кратеров; влияние же столкновения на атмосферу и климат (наиболее важное с точки зрения воздействия на биосферу планеты) сходно со сценариями ядерной войны и крупнейшими вулканическими извержениями, также приводящими к выбросу в атмосферу большого количества пыли (аэрозоля). Конечно, масштабы явлений в определяющей степени зависят от энергии столкновения (то есть в первую очередь от размеров и скорости астероида). Обнаружено, однако, что при рассмотрении мощных взрывных процессов (начиная от ядерных взрывов с тротиловым эквивалентом несколько килотонн и до падения самых крупных астероидов) применим принцип подобия. Согласно этому принципу, картина происходящих явлений сохраняет свои общие черты во всех масштабах энергии.

Характер процессов, сопутствующих падению на Землю круглого астероида диаметром 10 км (то есть величиной с Эверест). Примем в качестве скорости астероида при падении 20 км/с. Зная плотность астероида, можно найти энергию столкновения по формуле

E = M·v2/2,

где

M = Pi·D3·ro/6 (4),

ro - плотность астероида,

m, v и D - его масса, скорость и диаметр.

Плотности космических тел могут варьироваться от 1500 кг/м3 для кометных ядер до 7000 кг/м3 для железных метеоритов. Астероиды имеют железокаменный состав (различный для разных групп). Можно принять в качестве плотности падающего тела. ro~5000 кг/м3. Тогда энергия столкновения составит E~5·1023 Дж. В тротиловом эквиваленте (при взрыве 1 кг тротила выделяется 4,2·106 Дж энергии) это составит ~1,2·108 Мт. Самая мощная из термоядерных бомб, испытанных человечеством, ~100 Мт, имела в миллион раз меньшую мощность.

Таблица

Энергетические масштабы природных явлений [16]

Явление	Земля получает от Солнца в год	Взрыв вулкана Тамбора в 1815 году	Все землетрясения в год	Самая мощная термоядерная бомба	Землетрясение (8,5)
Энергия	5,2·1024 Дж	>1023 Дж	1019 Дж	4·1017 Дж	1,5·1017 Дж

Следует иметь в виду также время, за которое энергия выделяется, и площадь зоны события. Землетрясения происходят на большой площади, и энергия выделяется за время порядка часов; разрушения при этом имеют умеренный характер и распределены равномерно. При взрывах бомб и падениях метеоритов локальные разрушения катастрофичны, но их масштаб быстро убывает по мере удаления от эпицентра. Из таблицы следует и другой вывод: несмотря на колоссальное количество выделяемой энергии, по масштабам падение даже крупных астероидов сравнимо с другим мощным природным явлением - вулканизмом. Взрыв вулкана Тамбора не был самым мощным даже в историческое время. А поскольку энергия астероида пропорциональна его массе (то есть кубу диаметра), то при падении тела диаметром 2,5 км выделилось бы меньше энергии, чем при взрыве Тамбора. Взрыв вулкана Кракатау был эквивалентен падению астероида диаметром 1,5 км. Влияние вулканов на климат всей планеты общепризнано, однако, неизвестно, чтобы крупные вулканические взрывы имели катастрофический характер (к сравнению воздействия на климат вулканических извержений и падения астероидов мы ещё вернёмся).

Тела с массой меньше 1 т практически полностью разрушаются при полёте через атмосферу, при этом наблюдается болид. Часто метеорит полностью теряет в атмосфере свою начальную скорость и при ударе имеет уже скорость свободного падения (~200 м/с), образуя углубление чуть больше своего диаметра. Однако для крупных метеоритов потеря скорости в атмосфере практически не играет роли, а сопутствующие сверхзвуковому пролёту явления теряются по сравнению с масштабом явлений, происходящих при столкновении астероида с поверхностью.

Образование взрывных метеоритных кратеров в слоистой мишени (см. приложение 5):

а) Начало проникновения ударника в мишень, сопровождающееся образованием сферической ударной волны, распространяющейся вниз;

б) развитие полусферической кратерной воронки, ударная волна оторвалась от контактной зоны ударника и мишени и сопровождается с тыловой части догоняющей волной разгрузки, разгруженное вещество обладает остаточной скоростью и растекается в стороны и вверх;

в) дальнейшее формирование кратерной переходной воронки, ударная волна затухает, днище кратера выстлано ударным расплавом, от кратера распространяется наружу сплошная завеса выбросов;

г) окончание стадии экскавации, рост воронки прекращается. Стадия модификации протекает по-разному для малых и больших кратеров.

В малых кратерах происходит соскальзывание в глубокую воронку несвязного материала стенок – ударного расплава и раздробленных пород. Перемешиваясь, они образуют импактную брекчию.

Для переходных воронок большого диаметра начинает играть роль гравитация – из-за гравитационной неустойчивости происходит выпучивание вверх днища кратера с образованием центрального поднятия.

Удар массивного астероида о горные породы приводит к возникновению давлений, при которых порода ведёт себя, как жидкость. По мере углубления астероида в мишень он увлекает за собой всё большие массы вещества. В месте удара вещество астероида и окружающие породы моментально плавятся и испаряются. В грунте и теле астероида возникают мощные ударные волны, которые раздвигают и выбрасывают вещество в стороны. Ударная волна в грунте движется впереди падающего тела несколько впереди него; ударные волны в астероиде сначала сжимают его, а затем, отразившись от тыловой поверхности, разрывают его на части. Развиваемое при этом давление (до 109 бар) достаточно для полного испарения астероида. Происходит мощный взрыв. Исследования показывают, что для крупных тел центр взрыва находится вблизи поверхности земли или чуть ниже, то есть десятикилометровый астероид углубляется на 5-6 км в мишень. При взрыве из образующ