THE MAGNETIC EFFECTS OF THE TUNGUSKA EVENTS IN 1908

Full Text

Введение. В течение нескольких минут после полуночи 30.06.1908 г. по гринвичскому времени Земля пересекла траекторию осколков разрушенного космического тела. Бόльшая часть этих осколков сгорела, ионизировалась, взорвалась высоко в атмосфере, вызвав ряд воздушных и наземных эффектов [1-3]. Самые сильные наземные эффекты проявились в хорошо известной и основательно исследованной местности в бассейне реки Подкаменная Тунгуска Красноярского края с координатами «эпицентра» 60°53' с. ш. и 101°53' в. д., где произошло наибольшее поражение растительности и местности. Поскольку эти события происходили недалеко от Иркутской магнитной обсерватории (~ 900 км), по сравнению с дистанциями до других обсерваторий, то в 1959 г. К. Г. Иванов провел тщательный осмотр магнитограмм, соответствующих этому событию [4]. В результате неожиданно обнаружилось геомагнитное явление, начавшееся через 2-3 минуты после взрыва и продолжавшееся 5-6 часов. Тогда ученые запросили магнитограммы за период 25 июня - 5 июля 1908 г. во всех обсерваториях мира, функционировавших в 1908 г. 18 обсерваторий любезно прислали копии магнитограмм этого периода. Их анализ показал отсутствие отчетливо выраженных необычных геомагнитных эффектов. Лишь на магнитограммах Свердловской (Екатеринбургской) обсерватории, находящейся на расстоянии ~2000 км от эпицентра, обнаружились небольшие особенности, которые можно отнести к последствиям тунгусских событий с большой натяжкой [5; 6]. Таким образом, возмущение геомагнитного поля носило локально-региональный характер. Для более точного выявления этого эффекта из наблюдавшихся изменений компонент магнитного поля исключили суточную вариацию, зависящую главным образом от Солнца. Получившиеся графики приведены на рис. 1. Напомним, что H-компонента характеризует горизонтальную составляющую вектора магнитного поля, Z-компонента - вертикальную, а D-компонента - восточную составляющую. Необычный эффект этих вариаций получил различные толкования, особенно по некоторой аналогии с геомагнитными эффектами, вызванными ядерными взрывами. Но при ядерных взрывах вызванные возмущения геомагнитного поля начинались с момента взрыва и продолжались максимум 2 часа. А при тунгусских событиях они начались через две с половиной минуты после взрыва и продолжались около 6 часов [7]. В научной литературе предложено несколько возможных механизмов, порождающих магнитный эффект при воздействии крупных космических тел на атмосферу Земли [4-21]. Большая часть из них не выдержала проверки в случае тунгусских событий, но несколько механизмов не потеряли своей актуальности: возмущение системы ионосферных токов [4-6; 19-21], образование дипольного момента в плазменном следе [11], магнитное возмущение, вызванное ударной волной [11; 16], магнитогидродинамический эффект плюма, распространившегося вдоль траектории космического тела [8; 9]. Конечно, эти механизмы могут вносить свой вклад в магнитный эффект взаимодействия космических тел с атмосферой Земли и приводить к возмущению геомагнитного поля в своих пространственно-временных масштабах. Но некоторые противоречия и плохо объясняемые количественные характеристики в случае тунгусских событий не дают оснований считать один из этих механизмов в качестве основного, порождающего наблюденные вариации магнитного поля. иркутский магнитограф 5 Рис. 1. Вариации геомагнитного поля, зафиксированные Иркутской обсерваторией (из статей К. Г. Иванова [4-6]): стрелки соответствуют амплитуде 10 γ = 10-4 эрстед = 0,00796 А/м Намагничивание частиц в магнитном поле Земли. Рассмотрим в качестве гипотезы другой магнитный эффект с простой физической основой. На сегодняшний день с большой достоверностью установлено наличие магнитных материалов в выпавших микрочастицах тунгусского космического тела [22-24]. Во время полета в атмосфере при абляции вещества с поверхности этого тела и его фрагментов срывались перегретые частицы, содержащие железо и его соединения. Отметим, что окислы железа, никеля, кобальта и их некоторые сплавы являются ферромагнетиками и обладают магнитными свойствами при температуре ниже своих точек Кюри [25]. В таблице приведены некоторые материалы и сплавы, обладающие такими свойствами, в порядке понижения их точек Кюри. Отметим одно важное свойство ферромагнетиков, называемое термонамагниченностью и активно используемое в палеомагнитных исследованиях [26]. Для этих исследований, как и для наших рассуждений, наиболее существенна остаточная термонамагниченность, которая образуется при остывании материала в геомагнитном поле с начальной температурой выше точки Кюри Θ. Рост намагниченности при снижении температуры Т < Θ идёт довольно интенсивно, но при достижении «блокирующей» температуры Tb рост резко замедляется и происходит «замораживание» приобретённой намагниченности. Термонамагниченность может в десятки и сотни раз превышать намагниченность, возникающую в том же поле при комнатной температуре. Для ее разрушения требуются магнитные поля, в десятки и сотни раз превышающие создавшее ее поле. Точки Кюри некоторых магнитных материалов Материал Точка Кюри, К Точка Кюри, ºС Co 1400 1127 Fe 1043 770 Fe2O3 948 675 FeO Fe2O3 858 585 NiO Fe2O3 858 585 CuO Fe2O3 728 455 MgO Fe2O3 713 440 Ni 627 354 MnO Fe2O3 573 300 Итак, в результате абляции и взрыва шло образование микрочастиц с содержанием железа, его окислов и сплавов. В результате снижения частиц в атмосфере железо и его сплавы частично могли окисляться, но вновь порождали ферромагнитные соединения. При остывании ниже точки Кюри эти частицы приобретали магнитный момент, направленный вдоль магнитной силовой линии Земли. Причем удельный магнитный момент может быть огромным у однодоменных частиц или вкраплений, насчитывающих несколько десятков тысяч молекул [25]. При отсутствии сильного ветра частицы с магнитным моментом после охлаждения ниже точки Кюри снижались уже под влиянием локального магнитного поля, преимущественно вдоль магнитных силовых линий. Напомним, что в соответствии с нашей гипотезой, изложенной в [27], направление проекции траектории полета главного фрагмента тунгусского тела на поверхность Земли проходило с запада на восток по азимуту ~ 276°. Теперь приведем фрагмент карты модуля остаточной намагниченности (рис. 2) из работы [28] в районе катастрофы. Зона I соответствует максимальному модулю остаточной намагниченности, в среднем равному 143,7 ∙ 10-6 эрстед = 0,01144 А/м. В зоне II средняя величин модуля остаточной намагниченности равна 101,3 ∙ 10-6 эрстед = 0,008061 А/м. В зоне III эта величина еще меньше: 94,7 ∙ 10-6 эрстед = = 0,007536 А/м. И наконец, самая большая зона IV соответствует образцам с остаточной намагниченностью 73,1 ∙ 10-6 эрстед = 0,005817 А/м. На рис. 2 нами проведена ось симметрии двух зон наиболее интенсивного модуля остаточной напряженности. Угол δ между ней и географической параллелью оказался равным 43°. В идеале эта ось является геометрическим местом математических ожиданий положения магнитных частиц, выпадающих с траектории движения тела вдоль магнитных силовых линий Земли. Объяснение, что частицы разнесены в этом направлении ветром после взрыва, не соответствует действительности. Установившаяся в это время погода была безветренной, что отмечали очевидцы этих событий [29; 30]. Рис. 2. Зоны вариации модуля остаточной намагниченности в районе тунгусской катастрофы из статьи А. П. Бояркиной и С. Д. Сидорас [28] В районе тунгусской катастрофы наклонение вектора напряженности магнитного поля Земли было таково, что магнитные силовые линии уходили в земную поверхность с углом ~ 77° [31; 32]. А по геомагнитной модели сайта [32] в июне 1908 г. магнитное склонение в районе эпицентра тунгусской катастрофы составляло ~ 6°, т. е. угол между северными направлениями географического меридиана и магнитной стрелки был равен 6° (в отсчете на восток, по часовой стрелке). Покажем, что в рамках этой простой гипотезы можно оценить угол наклона траектории тела. Для этого рассмотрим чертеж на рис. 3. Оси ОN, ОE и Оh направлены вдоль восточного, северного и вертикального направлений координат. Сплошная линия AO соответствует траектории космического тела, пунктирная линия BO является ее проекцией на горизонтальную плоскость. Нас интересует угол , обозначаемый через φ. Для простоты пренебрежем сферичностью поверхности Земли и рельефом местности. Пунктирная линия СO соответствует оси осаждения магнитных частиц. Итак, пусть частица, находящаяся в точке А, снижается вдоль силовой магнитной линии в точку С. Положим высоту равной , тогда длина отрезка в прямоугольном треугольнике равна Теперь рассмотрим треугольник BOC. Угол между прямой ВО и осью ОЕ равен 6°, а угол между прямой СО и этой осью равен 43°. Так что угол равен 37°. Направление линии ВС и оси ОN отличается на угол склонения 6°, поэтому угол равен 102°. Оставшийся угол равен 41°. По теореме синусов Отсюда bCAD tunguska 2.bmp Рис. 3. Геометрическое расположение траектории космического тела AO, его проекции BO и оси выпадения магнитных частиц CO Теперь рассмотрим прямоугольный треугольник АВС. Поскольку угол совпадает с углом наклонения, то он равен 77°. Поэтому откуда В итоге что соответствует углу Таким образом, на основании этой гипотезы космическое тело вошло в атмосферу Земли по траектории, близкой к вертикальной. Эта оценка находится в согласии с выводами статьи [33] о высоте взрыва тунгусского космического тела. Сопоставление аргументов и выводов с другими данными. Для опровержения влияния ветра в тропосфере на перенос частиц с магнитными свойствами рассмотрим рис. 4, демонстрирующий распределение другого металла - иридия. В рамках рассматриваемых температур после остывания частиц в воздухе иридий обладает парамагнитными, а не магнитными свойствами. Поэтому влияние магнитного поля на траекторию снижения частиц с его участием было ничтожным. В силу этого обстоятельства распределение иридия оказалось практически симметричным относительно проекции траектории космического тела. При наличии ветра это распределение было бы другим. tunguska rubtsov .png Рис. 4. Распределение иридия в почве, взятое из статьи В. К. Журавлева, Д. В. Демина [34]: здесь знак «-» соответствует уменьшению содержания иридия Теперь рассмотрим другой фрагмент карты из статьи [28] (рис. 5). На нем изображены три зоны, существенно различающиеся магнитной восприимчивостью материала почвы. Зона I соответствует максимальному среднему коэффициенту магнитной восприимчивости, равному 3,175 ∙ 10-4. В зоне II этот коэффициент равен 2,246 ∙ 10-4. И наконец, зона III соответствует среднему коэффициенту магнитной восприимчивости 1,125 ∙ 10-4. Сначала объясним источник различия между конфигурациями зон на рис. 4 и 5, порождаемых одним и тем же явлением. Главный источник коэффициента магнитной восприимчивости - малодоменные и особенно однодоменные частицы и вкрапления. С одной стороны, однодоменные частицы обладают огромной магнитной восприимчивостью порядка десятков и сотен тысяч. Поэтому микроскопическое содержание таких частиц в почве достаточно для получения осредненной по объему магнитной восприимчивости порядка 10-4. Вместе с тем, эти частицы и вкрапления в среднем соответствовали субмиллиметровым и микронным размерам. Время снижения таких частиц продолжительнее [35] по сравнению с более крупными частицами, несущими основную остаточную термонамагниченность. За счет однодоменных частиц шлейф носителей повышенной магнитной восприимчивости растянулся и расширился. Поскольку такие частицы разбрасывались вдоль всей траектории полета тела, то они и разносились с соответствующих высот. Принимая во внимание отсутствие ветра в тропосфере, мы вновь должны получить оценку связи высоты и траектории снижения частиц. Это достигается следующим образом. Проведем среднюю линию начального участка зоны I, соответствующего тропосферному участку траектории. Угол между ней и географической параллелью снова равен 43°, что подтверждает рассуждения и выводы предыдущего раздела. Рис. 5. Зоны вариации магнитной восприимчивости в районе тунгусской катастрофы из статьи А. П. Бояркиной и С. Д. Сидорас [28] Имея в виду оценку угла наклона траектории в 76°, мы приходим к выводу, что поворот зоны I на север продиктован выпадением этих частиц из стратосферы. Дело в том, что в отличие от спокойной тропосферы в тот день [29], в стратосфере был обычный сезонный ветер с главным направлением с юга на север. Так что положение поворота зоны I косвенно подтверждает близкую к вертикальной траекторию полета космического тела. Заключение. Итак, мы объяснили происхождение зарегистрированных магнитных эффектов термонамагниченностью микронных и субмикронных магнитных частиц и их вкраплений, состоящих из железа, его сплавов и окислов. Более того, учет силового взаимодействия таких частиц с магнитным полем Земли приводит к некоторой связи между траекторией основной части тунгусского космического тела и осями симметрии зон магнитной восприимчивости и остаточной напряженности магнитного поля района тунгусской катастрофы. В результате получена оценка наклона траектории тунгусского космического тела в 76°. Еще раз вернемся к направлению траектории полета именно тунгусского тела, а не других фрагментов, проявившихся в других районах восточной Сибири. С этой целью рассмотрим рис. 6, для объяснения которого в свое время и появился ветер определенного направления, «снесший микрочастицы в преобладающем направлении». Между тем, как отмечалось всеми наблюдателями, «стояла ясная и тихая погода» [30]. Вихрь, испытанный жителями непосредственно в эпицентре событий, носил кратковременный локальный характер и «был вызван метеоритом, а не обыкновенным ураганом» [29]. Поэтому рис. 6 подтверждает прилет тунгусского болида с запада от эпицентра, а не с востока. Проекция средней линии выпадения магнитных микрочастиц здесь тоже примерно на 43° повернута по часовой стрелке от западного направления, хотя и не настолько точно из-за смыва этих микрочастиц ближе к руслам или прямо в русла рек. А вот с восточной части от эпицентра такой концентрации магнитных частиц не наблюдается, хотя при подлете с восточной стороны в безветренную погоду они обязательно должны были появиться в результате абляции и просто выпадения на финальном участке траектории [35]. Эпицентр 4 Рис. 6. Распределение магнетитовых шариков в почве на основании работы О. А. Кировой, Н. И. Заславской [36]. Значки, соответствующие цифрам 1-3, отвечают следующей концентрации шариков в пробах: 1 - менее 5; 2 - от 5 до 10; 3 - более 10; область, помеченная цифрой 4, соответствует «эпицентру» Итак, объяснение магнитных эффектов находится в согласии с основными выводами статьи [28]. Например, обнаруженный эффект «старения» естественной остаточной намагниченности почвы, предшествующей событию 1908 г., может быть объяснен действием коллективного магнитного поля осаждающихся магнитных частиц. Другое дело, что ударная волна не имеет отношения к этому эффекту. Задержка проявления магнитного эффекта на две с половиной минуты после взрыва связана со временем остывания достаточного количества ферромагнитных частиц ниже точки Кюри. Теперь о локальности регистрации магнитных явлений. Для наблюдаемой напряженности H магнитного поля вдали от физического образования с магнитным моментом M справедлива формула [25; 31] (1) где - радиус-вектор, проведенный из места локализации магнитного образования в точку наблюдения; r - длина этого вектора; - скалярное произведение. Прямое расстояние (не по поверхности Земли) от «эпицентра» тунгусской катастрофы до Иркутской обсерватории составляет ~900 км. Колебания напряженности H магнитного поля в Иркутской обсерватории были в пределах ~67 γ, а ее отклонение от нормы достигало 50 γ. Тогда из формулы (1) следует, что амплитуда M (евклидова норма) магнитного момента M лежит в пределах от Hr3/2 до Hr3, где Н ~ 0,04 А/м - амплитуда колебания напряженности H; r = 9 ∙ 105 м. В итоге амплитуда М порождающего явления должна лежать между 1,5 ∙ 1016 и 3 ∙ 1016 А·м2. Поскольку удельный магнитный момент железа ~200 А·м2/кг, то для достижения такой амплитуды М потребовалось бы 7,5 ∙ 1010 т железа или других ферромагнетиков. С учетом незначительного содержания ферромагнетиков в распыленных материалах тунгусского космического тела эту цифру следует признать недостижимой. Поэтому источником колебания магнитного поля в Иркутске в соответствии с предлагаемой гипотезой вряд ли было магнитное образование в «эпицентре». Скорее всего, это было следствие термонамагниченности пылевого осаждения другого фрагмента (или фрагментов) куда меньшего размера, но взорвавшихся и распыленных существенно ближе к Иркутску. Последствия вторжения таких фрагментов в атмосферу действительно наблюдались очевидцами в поселках на север от Иркутска [30]. А что касается описанного эффекта термонамагниченности в «эпицентре», то, несмотря на возможную ничтожность вызванных им колебаний магнитного поля в Иркутске, остальные геометрические рассуждения об осаждении магнитных микрочастиц и вкраплений остаются справедливыми.

About the authors

V. V. Shaydurov

Institute of Computational Modelling SB RAS

Email: shaidurov04@mail.ru
50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

References

Supplementary files