UnitConv

Удар астероида

Выберите размер, материал, скорость и угол — и почувствуйте энергию в джоулях и мегатоннах ТНТ.

Выберите размер, материал, скорость и угол. Первое слово за атмосферой: небольшие непрочные тела взрываются в небе, крупные или прочные пробивают её насквозь, — а затем энергия превращается в огненный шар, ударную волну и кратер. Все числа получены по опубликованным уравнениям Earth Impact Effects Program.

Ваш астероид
Разрушается на высоте ⁦54 км⁩, но рой обломков всё равно бьёт в землю со скоростью ⁦16,1 км/с⁩Сложный кратер: диаметр ⁦4,9 км⁩, глубина ⁦640 м⁩
Состав

Мелкие цифры — плотность в кг/м³.

11 км/с — минимально возможная скорость (вторая космическая для Земли); 72 км/с — лобовая встреча с кометой на ретроградной орбите.

Отсчитывается от горизонта: 90° — отвесно вниз. Самый вероятный угол — 45°.

Место падения
Энергия (тротиловый эквивалент)
1 460 Мт ТНТ
6,1×10¹⁸ Дж · ≈ ⁦98 000⁩ × Хиросима · у земли остаётся ⁦1 320 Мт ТНТ⁩
Конечный кратер
4,9 км
Сложный кратер · глубина ⁦640 м⁩
Радиус огненного шара
3,5 км
Его тепловое излучение показано на карте
Землетрясение (магнитуда)
M 6,7
Такая энергия выделяется примерно раз в ⁦32 000⁩ лет

Зоны поражения в истинном масштабе

Нажмите или проведите по карте — или двигайте ползунок, — чтобы узнать последствия на любом расстоянии.

50 км100 км150 км53 кмЭпицентр50 км
  • Кратер 2,4 км
  • Огненный шар 3,5 км
  • Возгорание одежды 28 км
  • Ожоги III степени 42 км
  • Ожоги II степени 54 км
  • 20 psi · разрушены бетонные здания 24 км
  • 5 psi · рушится большинство домов 48 км
  • 1 psi · вылетают стёкла 130 км

На расстоянии ⁦53 км⁩ от эпицентра

  • Жар вызывает ожоги II степени
  • Ударная волна выбивает стёкла
Пиковое избыточное давление
28 кПа
Пиковая скорость ветра
60 м/с
Тепловое излучение
860 кДж/м²
Слой выбросов
1,6 см

Разрез кратера (истинный масштаб 1:1)

Бурдж-ХалифаD = 4,9 кмd = 640 м

Дно сложного кратера испытывает отскок: плоское дно, террасированные стенки, центральная горка (форма схематична; диаметр и глубина — по модели). В истинном масштабе большие кратеры поразительно мелкие.

Размер в масштабе

300 мЭйфелева башня330 м

Последствия в зависимости от расстояния

РасстояниеПиковое избыточное давлениеПиковая скорость ветраТепловое излучениеСлой выбросовЧто происходит
5 км4,1 МПа1 600 м/с110 МДж/м²19 м
Жар воспламеняет одежду
Ударная волна разрушает железобетонные здания
10 км870 кПа700 м/с26 МДж/м²2,4 м
Жар воспламеняет одежду
Ударная волна разрушает железобетонные здания
20 км190 кПа280 м/с6,5 МДж/м²30 см
Жар воспламеняет одежду
Ударная волна разрушает железобетонные здания
50 км32 кПа66 м/с980 кДж/м²1,9 см
Жар вызывает ожоги II степени
Ударная волна выбивает стёкла
100 км10 кПа22 м/с190 кДж/м²2,4 мм
Ударная волна выбивает стёкла

Ударная волна: аппроксимация Collins et al. (2005) по данным испытаний мощностью 1 кт (Glasstone & Dolan 1977), масштабированная по кубическому корню из энергии. Тепло: 0,3 % энергии переходит в излучение; пороги ожогов и воспламенения растут как E^(1/6). Выбросы: толщина слоя, который выпадает на данном расстоянии.

Как устроена модель

Кинетическая энергия астероида E = (π/12) ρ L³ v², где ρ — плотность, L — диаметр, v — скорость. Одна мегатонна в тротиловом эквиваленте — это 4,184 × 10¹⁵ джоулей.

При спуске воздух давит на лобовую часть тела с давлением около ρ_air v². Как только оно превышает прочность тела, тело разрушается; облако обломков сплющивается, как блин, и если до встречи с землёй оно успевает расшириться в семь раз по сравнению с исходной шириной, вся энергия выделяется разом — в виде воздушного взрыва. Именно так взорвались Челябинский метеорит и Тунгусское тело, не оставив кратеров.

Если тело достигает земли, π-масштабирование даёт переходный кратер, вырытый в первые секунды. Его стенки оползают, образуя конечную чашу на 25 % шире (простой кратер), а начиная примерно с 3,2 км обрушиваются в широкий мелкий сложный кратер с центральной горкой.

При скорости выше примерно 15 км/с удар испаряет породу, образуя огненный шар, жар которого обжигает на расстоянии. Следом идёт ударная волна, а земля сотрясается с магнитудой M = 0.67 log₁₀E − 5.87 (E в джоулях).

Использованные уравнения

  • E = (π/12) ρᵢ L³ v² Collins et al. 2005, eq. 1
  • Yᵢ = 10^(2.107 + 0.0624 √ρᵢ) Collins et al. 2005, § entry
  • z_b = z* − 2H ln[1 + (l/2H) √(f_p² − 1)], f_p = 7 Collins et al. 2005, eq. 18
  • D_tc = 1.161 (ρᵢ/ρ_t)^⅓ L^0.78 vᵢ^0.44 g^−0.22 sin^⅓θ Collins et al. 2005, eq. 21
  • D_fr = 1.25 D_tc | D_fr = 1.17 D_tc^1.13 / D_c^0.13 Collins et al. 2005, eq. 22, 27
  • R_f = 0.002 E^⅓, φ = f η E / (2π r²), η = 3×10⁻³ Collins et al. 2005, § thermal
  • p = (p_x r_x / 4r₁)(1 + 3 (r_x/r₁)^1.3), r₁ = r / E_kt^⅓ Collins et al. 2005, § air blast
  • M = 0.67 log₁₀E − 5.87 Collins et al. 2005, § seismic
  • t_e = D_tc⁴ / (112 r³) Collins et al. 2005, § ejecta

Реальные удары: модель и наблюдения

Каждый пример подставляет в модель наилучшие оценки размера, материала, скорости и угла для события. В столбце «Наблюдения» — то, что реально наблюдали или реконструировали: сравните их и увидите, насколько близко подходит простая модель.

Событие Входные данные Модель Наблюдения Источник
Челябинск (2013) 19 м · Плотная порода · 19 км/с · 18°
465 кт ТНТ
воздушный взрыв на высоте ⁦33 км⁩
440–500 кт ТНТ
воздушный взрыв на высоте ⁦≈ 30 км⁩
Brown et al. 2013, Nature 503, 238; Popova et al. 2013, Science 342, 1069
Тунгуска (1908) 60 м · Плотная порода · 16 км/с · 35°
10,4 Мт ТНТ
воздушный взрыв на высоте ⁦7,8 км⁩
3–15 Мт ТНТ
воздушный взрыв на высоте ⁦5–10 км⁩
Boslough & Crawford 2008, Int. J. Impact Eng. 35, 1441
Аризонский кратер
≈ 50 ka
40 м · Железо · 18 км/с · 45°
10,4 Мт ТНТ
кратер ⁦1,2 км⁩
кратер ⁦≈ 1,2 км⁩
Melosh & Collins 2005, Nature 434, 157
Чиксулуб
66 Ma
12 км · Плотная порода · 20 км/с · 60°
1,3×10⁸ Мт ТНТ
кратер ⁦150 км⁩
кратер ⁦≈ 180 км⁩
Hildebrand et al. 1991, Geology 19, 867; Collins et al. 2020, Nat. Commun. 11, 1480

Насколько точны эти числа?

  • Размер, плотность, скорость и угол реального ударника редко известны точнее, чем с погрешностью в десятки процентов, — а энергия растёт как куб размера и квадрат скорости.
  • Формулы для кратера, ударной волны и тепла — аппроксимации экспериментов, данных ядерных испытаний и расчётов: они верны с точностью до нескольких раз, а не до последней цифры. Например, наш пример «Чиксулуб» даёт кратер около 150 км против наблюдаемых примерно 180 км.
  • Модель «блина» для разрушения намеренно проста; более новые модели фрагментации дают несколько иные высоты взрыва. Тепловое излучение воздушных взрывов и цунами не моделируются. Пороги разрушений вроде «5 psi обрушивают большинство домов» взяты из испытаний ядерного оружия и зависят от того, как построены здания.
  • Очень малые или медленные тела тормозятся до нескольких км/с и меньше и оставляют небольшие ямы; уравнение кратера (гравитационный режим) их переоценивает.

Вопросы и ответы

Сколько энергии выделил астероид, погубивший динозавров?

Примерно 10²³–10²⁴ джоулей — порядка 100 миллионов мегатонн ТНТ, миллиарды хиросимских бомб. Тело поперечником около 10–15 км ударило в районе Чиксулуба (Мексика) 66 миллионов лет назад со скоростью около 20 км/с и оставило кратер шириной около 180 км.

Почему Челябинский метеорит и Тунгусское тело не оставили кратеров?

Оба были каменными телами поперечником в десятки метров. Давление воздуха разрушило их высоко в атмосфере — Челябинский примерно на высоте 30 км, Тунгусский — около 5–10 км, — поэтому их энергия выделилась в виде воздушного взрыва. Тунгусский взрыв повалил около 2000 км² сибирской тайги.

Как часто случаются такие удары?

По Collins et al. (2005), средний интервал составляет около 109 × E^0.78 лет, где E — в мегатоннах: примерно раз в 60 лет для воздушного взрыва масштаба Челябинского (0,5 Мт), раз в 600–700 лет для 10 Мт и порядка раза в 100 миллионов лет для удара масштаба Чиксулуба.

Что значит «5 psi»?

Избыточное давление показывает, насколько ударная волна поднимает давление воздуха выше нормального (101 кПа ≈ 14,7 psi). 1 psi (6,9 кПа) выбивает стёкла, 5 psi (34 кПа) обрушивает большинство домов, 20 psi (138 кПа) разрушает железобетонные здания. Эти пороги взяты из обследований разрушений при ядерных испытаниях (Glasstone & Dolan 1977).

Источники

  1. Collins, G. S., Melosh, H. J. & Marcus, R. A. (2005). Earth Impact Effects Program. Meteoritics & Planetary Science 40, 817–840.
  2. Earth Impact Effects Program (Imperial College London / Purdue University)
  3. Glasstone, S. & Dolan, P. J. (1977). The Effects of Nuclear Weapons, 3rd ed. U.S. DoD/DoE.
  4. Rumpf, C. M., Lewis, H. G. & Atkinson, P. M. (2017). Population vulnerability models for asteroid impact risk assessment. Meteoritics & Planetary Science 52, 1082–1102.
  5. Brown, P. G. et al. (2013). A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk… Nature 503, 238–241.
  6. Popova, O. P. et al. (2013). Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization. Science 342, 1069–1073.
  7. Boslough, M. B. E. & Crawford, D. A. (2008). Low-altitude airbursts and the impact threat. Int. J. Impact Engineering 35, 1441–1448.
  8. Melosh, H. J. & Collins, G. S. (2005). Meteor Crater formed by low-velocity impact. Nature 434, 157.
  9. Hildebrand, A. R. et al. (1991). Chicxulub Crater… Geology 19, 867–871.
  10. Collins, G. S. et al. (2020). A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact. Nature Communications 11, 1480.

Встроить этот инструмент

Бесплатно встройте этот инструмент на свой сайт. Включена ссылка с указанием авторства.