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]

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 образующегося кратера выбрасывается вещество метеорита и окружающие раздробленные горные породы. Ударная волна в грунте распространяется, теряя энергию и разрушая породы. При достижении предела разрушения рост кратера прекращается. Достигнув границы раздела сред с разными прочностными свойствами, ударная волна отражается и приподнимает породы в центре образовавшегося кратера - так возникают центральные поднятия, наблюдаемые во многих лунных цирках. Дно кратера состоит из разрушенных и частично переплавленных пород (брекчий). К ним добавляются выброшенные из кратера и падающие обратно обломки, заполняющие цирк.

Приблизительно можно указать размеры образовавшейся структуры. Поскольку кратер образуется в результате взрывного процесса, он имеет приблизительно круглую форму, независимо от угла падения астероида. Лишь при малых углах (до >30° от горизонта) возможна некоторая вытянутость кратера. Объём структуры значительно превышает размеры упавшего астероида. Для крупных кратеров установлено следующее приблизительное соотношение между его диаметром и энергией образовавшего кратер астероида: E~D4, где E - энергия астероида, D - диаметр кратера. Диаметр кратера, образованного 10-километровым астероидом, составит 70-100 км. Начальная глубина кратера составляет обычно 1/4-1/10 от его диаметра, то есть в нашем случае 15-20 км. Заполнение обломками несколько уменьшит эту величину. Граница раздробления пород может достигнуть глубины 70 км.

Удаление с поверхности такого количества породы (приводящее к уменьшению давления на глубинные слои) и захождение зоны раздробления в верхнюю мантию может вызвать возникновение вулканических явлений на дне образовавшегося кратера. Объём испарившегося вещества, вероятно, превысит 1000 км3; объём расплавленной породы будет в 10, а раздробленной - в 10000 раз превысит эту цифру (энергетические подсчеты подтверждают указанные оценки). Таким образом, в атмосферу будет выброшено несколько тысяч кубических километров расплавленной и разрушенной породы.