17. Развитие взрыва в плазмоиде и "болиде"

Физика взрыва крупных метеоритных тел (суперболидов) в атмосфере Земли вызывает повышенный интерес у теоретиков. При взрыве Челябинского "болида" оптическое излучение было ярче –17 звездной величины. Согласно данным спутниковой системы наблюдения НАСА (опубликовали 1.03.2013 г.), энергия излучения составила E₀ = 3,75⋅10¹⁴ Дж. При этом высвобожденная энергия предположительно составила 100–500 кт в тротиловом эквиваленте [26, 28, 33]. Плотность потока излучения вблизи эпицентра взрыва близка к 9000 Вт/м². Она более чем на порядок превышала плотность потока света от Солнца (~ 500 Вт/м²). Господствующая гипотеза о разрушении небесного тела в атмосфере сводится к следующему. Из-за давления набегающего потока и высоких температур каменное тело начинает дробиться и разрушаться уже на больших высотах. Набегающий поток уносит отделяющиеся частицы, формируя дымно-пылевой след болида. При определенной плотности воздуха термические напряжения начинают превышать предел прочности летящих осколков. Происходит «концевой тепловой взрыв метеороида» [50]. Часть осколков мелких размеров испаряется в раскаленном газовом (плазменном) облаке, окружающем рой летящих фрагментов. Обычно это случается на высотах около 20–30 км.

Световые кривые Челябинского болида, полученные в работах разных авторов, не соответствуют утверждению о характере импульсного разрушения метеорита. Несмотря на некоторые различия в световых кривых в [26, рис. 8] и [128, рис. 1, 2], для них характерен постепенный рост и быстрый спад яркости. Световая яркость увеличивается за 4 секунды и удерживает максимум в течение одной секунды, после чего уменьшается. В работе [128] утверждают, что максимум вспышки обычно сдвинут к земной поверхности, т. е. более низким высотам. В работе [64] допускают, что перед вспышкой вещество суперболида переходит в плазменное состояние, после чего оно взрывается. Предположим, что излучение и взрыв происходили с участием плазмы. Возникновение искрового разряда и формирование искровых каналов в настоящее время объясняют в рамках теории стримера и электрического пробоя газов. Согласно этой теории из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, образуются стримеры, светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизованные атомы и свободные электроны. Взаимодействие стримеров приводит к появлению «лидера», он прокладывает путь для основного разряда. Лидер перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, который характеризуется возрастанием силы тока и выделяющейся в канале энергии. Общепринятый сценарий зарождения молниевого разряда включает три этапа[129]:

1) возрастание крупномасштабных полей в облаке;

2) появление локальных областей сильных электрических полей в облаке с повышенной фоновой ионизацией;

3) распространение через области сильного поля электрического тока, достаточного для формирования горячего, полностью ионизованного канала лидера молнии.

Эксперименты [130] показали, что скорость плазмы катодного факела (ν) слабо зависит от приложенного напряжения, практически не меняется во времени и составляет: ~30 км/с для Αl, ~20 км/с для W, Мо и Сu, ~ 10 км/с для Рb. Видна тенденция: скорость плазмы увеличивается с уменьшением атомной массы химических элементов. Молнию в атмосфере можно рассматривать как электрический пробой между зарядами плазмоида и "болида". Электрический пробой и дуговой разряд возникают при критическом расстоянии между вытянутыми навстречу полярными поверхностями. Концепция стримера в молнии рассматривается как волна ионизации, сформированная на первой стадии этих процессов. После создания проводящего канала по всему телу плазмы распространяется ток, вызывая интенсивное свечение. Эта стадия характеризуется высокой скоростью распространения тока вплоть до 100 км/с [98], т. е. порядка дрейфовой скорости электронов в воздухе при рассматриваемых электрических полях.

Большинство плазменных явлений, наблюдаемых в экспериментах, объясняют с помощью модели, подобной той, что используется в гидродинамике. Типичная для плазмы плотность составляет 10¹² электрон-ионных пар в 1 см³ [93. С. 61]. В теории пренебрегают отличиями отдельных частиц и рассматривают движение элементов только объема жидкости. В гидродинамическом приближении считается, что плазма состоит из двух или более взаимопроникающих жидкостей, каждая из которых соответствует определенному сорту частиц. Ионная и электронная компоненты взаимодействуют друг с другом даже в отсутствие столкновений через генерируемые ими поля Е и В. Поляризация единицы объема вещества (Р) равна сумме всех отдельных моментов электрических диполей (р_i). Полярные заряды частиц образуют внутреннее поле плазмоида. Вектор напряженности (Е_р) этого поля направлен встречно внешнему полю и ослабляет его. Поляризация диэлектрика приводит к возникновению в нем связанного заряда.

Идея взрыва плазменных структур не нова. В монографии [18] рассматривают плазменную модель Тунгусского "болида" солнечного происхождения. Авторы гелиофизической гипотезы предположили, что Солнце может выбрасывать плазмоиды размеров порядка километра. Такие объекты могли бы объяснить причину детонации некоторых болидов, не оставляющих материальных следов, подобно Чулымскому болиду, взорвавшемуся 26 февраля 1984 года над Томской областью. Известны и другие подобные примеры. Гипотеза снимает парадокс отсутствия вещества в районе падения метеорита, но существование такого класса космических тел астрономами не установлено. Неочевидно и количество выделенной энергии крупного плазменного тела, движущегося с космической скоростью и незамеченного в атмосфере до последних минут.

В нашем распоряжении минимум инструментальных данных, для определения параметров ионной плазмы, взрыв которой привел к масштабным разрушениям. По результатам полевых исследований [131] установили контур избыточных давлений, нанесли на карту Челябинской области. На протяжении всего периода фрагментации и взрыва тел, отделившихся от метеороида, максимальные разрушения от УВ должны были происходить вдоль линии проекции траектории "болида" [131]. Контур избыточных давлений, наложенный на карту, не вполне соответствуют данному утверждению. Максимальное выделение энергии взрыва происходило не только вдоль линии траектории тела, но и перпендикулярно к ней. Населенные пункты, где происходила поломка стекол, оконных проемов и стеклопакетов, нанесены на карту и показаны в [57, 131]. Ударные волны, сопровождавшие взрывной процесс, преимущественно распространялась по разные стороны от траектории "болида". Область разрушений соответствуют положению телу взрыва перпендикулярно линии траектории "болида". Разрушения вдоль проекции траектории простираются на расстояние b = 60 км. Наиболее удаленные расположились с двух сторон от линии проекции траектории: с северной стороны – l₁ = 80 км, с южной стороны – l₂ = 70 км. Пункты, в которых люди ощущали тепло, получили ожоги кожи и сетчатки глаз, или сообщали о запахе гари, располагаются в окрестности линии идущей с северо-востока по азимуту А ≈ 190° через область максимальных разрушений [53]. Данные наблюдений согласуются с протяженной стороной зоны разрушений, перпендикулярной к траектории "болида". Координаты источника акустических волн при взрыве метеороида: φ = 54,84° с. ш., λ = 61,29° в. д. [34].

Стационарное состояние плазмы, которое мы будем обсуждать, может существовать лишь при наличии непрерывно действующего источника ионизации. Им может быть электрический разряд в газе (газоразрядная плазма), происходящий в постоянном электрическом поле (обычный газовый разряд, дуга и т. д.) или в высокочастотном поле (индукционные катушки, запитанные током высокой частоты электроды и т. д.). В случае образования масштабных плазменных структур, действуют оба фактора. С позиций моделирования события, плазменное тело располагалось с двух сторон от точки вспышки по азимуту А = 193,32°. Карта разрушений [57, 131] свидетельствуют о том, что к моменту взрыва ионный кластер имел продолжение от эпицентра в юго–западном и северо-восточном направлениях. Приблизительное местоположение источника сейсмических колебаний: φ = 55,15° с. ш., λ = 61,41° в. д. [34, рис 6]. Центр акустического источника смещен на 2,6 км к востоку и 33,4 км на север от эпицентра, что более адекватно соответствует расположению плазмоида в пространстве. Угол магнитного наклонения и магнитного склонения в эпицентре взрыва, определенные на 15.02.2013 г. с помощью калькулятора магнитного поля, составляют: I = 72,347°, d = 13,320°. Протяженная сторона разрушений располагалась по азимуту А = 13°, с которой плазмоид приближался к земле. Часть плазменного тела, которая взорвалась, располагалась под крутым углом к поверхности земли. Оба плазменных тела (протяженное и малое) находились в "слепой" зоне и не наблюдались радаром (одно – по вертикали, второе – по горизонтали).

В работах [57, 131] констатируют наличие аномалии в расположении эллипсоида разрушений, но не объясняют, почему область разрушений размером 60 км × 150 км простирается перпендикулярно проекции траектории космического тела. Многочисленный коллектив авторов [57] из иностранных и российских специалистов не акцентирует обозначенную проблему. Непонятна дезориентирующая формулировка в [131]: «Форма поврежденной области согласуется с тем фактом, что энергия метеорита выделялась не в одной точке, а вдоль значительного участка траектории». Реплика не объясняет ни причины выделения энергии на протяженном участке вдоль траектории, ни выбора воздушной волной предпочтительного направления перпендикулярно следу. Складывается впечатление, что исследователи явления предпочитают умалчивать о моментах, которые не согласуются с предложенной ими же моделью разрушения.

Ионосфера – плазменная оболочка Земли, состоит из электрически нейтральной плазмы, в которой число отрицательно заряженных и положительно заряженных частиц в единице объема примерно равны. Самая верхняя и самая плотная область повышенной электронной концентрации получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли. На высотах 200–400 км расположен главный максимум плотности частиц ионосферной плазмы N ≈ 10⁵–10⁶ см⁻³ [132]. Отрицательные и положительные ионные компоненты плазмы двигаться независимо не могут из-за возникающих электрических полей. С учетом электрического заряда Земли можно допустить, что в ионном слое F₂ положительные заряды расположены ближе к поверхности земли, отрицательные – в удаленном слое.

Ионосферные наблюдения на сети станций вертикального зондирования (ВЗ) показывали 15.02.2013 г. наличие в слое максимума электронной концентрации в ионосфере крупномасштабных волнообразных возмущений. По мнению ученых, от взрыва Челябинского метеороида создаются возмущения, обусловленные внутренней гравитационной волной [27]. Профиль суточных вариаций вертикального распределения электронной концентрации в период времени с 00:00 до 02:47 UTC 15.02.2013 г. показывал снижение действующей высоты ионосферных слоев на трех станциях вертикального зондирования (Свердловск, Москва, Ростов) [133, рис. 3]. В период времени с 00:00 до 03:20 UTC (за три часа до взрыва) на станции «Свердловск» высота ионного слоя (h_m) F₂ опустилась с 270 до 200 км [133, рис. 3а]. Вариация высоты слоя F₂–(h_m) F₂ происходили со смещением во времени, но синхронно на всех рассматриваемых станциях.

Станции вертикального зондирования зарегистрировали поведение, которое соответствует прогибу ионного слоя. По нашему мнению, 15.02.2013 г. плазмоид располагался над местом взрыва (I = 72,347°, d = 13,320°). Под действием высокой разности потенциалов и сил взаимодействий полей Земли с электрическими зарядами плазменной структуры, последняя перемещается вдоль силовой линии. Плазменное образование приближаются к земной поверхности в той же полусфере, в которой их закачивают. "Столб " из положительных зарядов плазмоида, опускается к поверхности земли. Когда плазмоид проходит сквозь ионные слои, он взаимодействует с ними. Вначале в Свердловске с 00:00 до 00:12 UTC высота слоя F₂ резко поднялась с 300 до 330 км [133, рис. 5]. Верхний ионный слой F₂ (из отрицательных зарядов) притягивается электростатическими силами к центру положительных зарядов плазменного образования. Верхняя поверхность ионного слоя притягивается к плазмоиду, образуя выпуклую поверхность. Затем, следуют за центром притяжения, заряды ионного слоя опускаются в направлении земли. Поверхность ионного слоя прогибается. К моменту взрыва высота возмущений снизилась до высоты h₀ ≈ 220 км. Заряды, расположенные на нижней стороне слоя F₂ (положительные), они отталкиваются одноименными зарядами плазмоида. Прогиб усиливается в направлении поверхности земли. Внутри ионного слоя действуют механические напряжения от растягивающих и сжимающих упругих деформаций силовых линий. Структуры ионных слоев, сжатые или растянутые по вертикали и горизонтали, стремятся занять стационарное положение после разрушения плазменной структуры. Массы, формирующие слои, проходят по инерции мимо точек своего равновесия. В ионных слоях атмосферы возникают волнообразные затухающие процессы, которые излучают электромагнитные волны. Длительность флуктуаций геомагнитного поля и колебаний зависит от диссипации и величины запасенной упругой энергии в ионных слоях.

В предложенной модели на передней половине плазмоида (по ходу движения) расположен центр притяжения положительных зарядов. Центр отрицательных зарядов – на дальней половине. Граница переднего фронта плазмоида в 03:20:32 UT располагалась на высоте взрыва (h_взр ≈ 20 км). Ранее была указана высота центра притяжения положительных зарядов плазмоида (h₀ ≈ 220 км). Рассматривая модель, будем исходить из подобия размеров и объемов полярных половин поверхностей плазмоида. Для ориентировочных расчетов можно не учитывать кривизну силовых линий. Предположим, что силовые линии прямолинейны и центр положительных зарядов расположен в средине половины плазменной структуры. Определим высотную отметку простирания положительно заряженной половины поверхности:

H_пол = 220 + 200 = 420 км.

Положительные и отрицательные заряды в плазме – уравновешены. Будем исходить из симметрии размеров и объемов полярных поверхностей. Длина отрицательно заряженныой половины плазмоида:

H_отр = 420 – 20 = 400 км.