Как образуется кратер

Размер, радиус R Кратера, который образуется при сверхзвуковом столкновении метеорита с поверхностью, можно приближенно установить из подсчёта того, на что расходуется энергия метеорита : E = mv? /2 . Скорость ( V ) вхождения метеорита в атмосферу Земли немного превышает вторую космическую скорость 11,2 км/с, затем она снижается от торможения в атмосфере (поэтому в дальнейших оценках будем считать скорость столкновения метеорита с земной поверхностью равной 10 км/с). Энергия метеорита ( Е ) зависит, таким образом, в основном от его массы ( M ), которая может изменяться в очень широких пределах Эта энергия тратится, во-первых, на разрушение, дробление и минеральные изменения горных пород в объеме кратера и на разрушение(вплоть до испарения) самого метеорита, Сразу нужно отметить, что при сверхзвуковом ударе размер кратера окажется значительно большим, чем размер самого метеорита, поэтому затраты энергии будут связаны с образованием кратера, а не с изменением самого метеорита. Во-вторых, часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию выбрасываемых из кратера горных пород. В-третьих, есть еще расход на энергию звуковых волн, уходящих в глубь Земли и в атмосферу. Есть, наконец, тепловая энергия, т. е. энергия, уходящая на нагревание, а при мощных взрывах - на частичное плавление и даже испарение горных пород. Однако учитывать её как независимое слагаемое при подсчёте баланса первичной энергии было бы неверным.

Ведь вся (практически вся) энергия метеорита уходит в конечном счёте именно на нагревание горных пород, пройдя перед этим через другие механические формы. Оговорка «практически» связана с изменением в результате столкновения с метеоритом скорости движения всей Земли и скорости её вращения. Они ничтожны даже при столкновении Земли с большим астероидом Расход энергии Е 1 на разрушение пород пропорционален объёму кратера. Будем считать объём равным примерно R . На что следует его умножить, чтобы получить работу разрушения? Энергия разрушения есть объём, умноженный на предел прочности горных пород ? m , то есть Е 1 ? ? mR? . При оценках размеров кратеров будем считать ? m Равным пределу прочности осадочных пород ? m =10000000 Н/м? . В качестве порядка величины плотности примем: R =3 x 10 ? кг/см? . Второй возможный расход энергии Е 2 идёт на выброс горных пород из кратера.

Перемещение большей части массы при образовании кратера происходит на расстоянии порядка его радиуса R. Для такого перемещения масс в поле тяжести начальная скорость разлёта U 0 Должна по порядку величины быть равной U 0 ? ? gR . Полная масса выброшенных из кратера пород есть Mk = r R? . Поэтому затраты на кинетическую энергию горных пород, или, другими словами, затраты на выброс, есть E 2 ? M K x U? о ? R g ( R? ) ? Энергетические расходы на звуковые волны E 3 Всегда бывают малы по сравнению с E 1 и E 2. Физическая причина этого состоит в том, что при любом сверхзвуковом столкновении сначала возникает ударная волна. Что это такое? Это сильное сжатие, перепад плотности, распространяющееся в материалах со скоростью, большей скорости звука и тем большей, чем сильнее это сжатие. Именно ударная волна на своём пути производит все описанные явления: и разрушения, и ускорение вещества. Интересно, что даже при наклонном падении метеорита образуется почти симметричный кратер-все кратеры одного размера схожи между собой. Это происходит потому, что ударная волна распространяется от точки удара практически одинаково, независимо от его направления. Только тогда, когда основная энергия ударной волны окажется израсходованной, когда сжатие в волне станет слабым, а скорость - равной скорости звука, она переходит в обычную акустическую, звуковую волну.

Волна является ударной примерно в объёме кратера, а звук убегает с малым затуханием на большие расстояния (по всей планете) Итак, главные первичные энергетические затраты есть Е 1 и Е 2. Теперь напишем приближённое уравнение энергетического баланса при падении метеорита. Оно позволит определить порядок величины радиуса кратера: Е » ? mR? + r g ( R? ) ? . Два слагаемых уравнения по-разному зависят от радиуса кратера R . Поэтому при малых энергиях для малых кратеров главным оказывается первый член, а для больших - второй. Кратеры первого типа называют ПРОЧНОСТНЫМИ, а второго - ГРАВИТАЦИОННЫМИ. Критическим радиусом разделяющим те и другие, будет R 0 = 3 x 10 ? м , а масса метеорита, образующего кратер критического радиуса, по порядку величины есть M O = 3000000 кг. Падение таких и больших метеоритов - достаточно редкое событие, но поскольку след его остается на земной поверхности на времена геологических масштабов, то общее число обнаруженных на сегодня гравитационных кратеров около ста Теперь рассмотрим, как разогреваются горные породы при образовании кратеров. Надо иметь в виду, что этот разогрев происходит крайне неравномерно, и мы сможем оценить лишь среднее повышение температуры. Вся начальная энергия метеорита Е В конечном счете переходит в тепловую энергию. Без учета частичного плавления и испарения горных пород, она равна Е=Ет = с r R? D T. Здесь С Приблизительно равно 1000дж/кг/К . есть характерная величина теплоёмкости горных пород, а D T - Среднее возрастание температуры горных пород. Для не слишком больших метеоритов средний нагрев по объему кратера, как можно отметить, не зависит от массы и энергии метеорита.

Он равен всего D T =3К . Поскольку средний разогрев так мал, то ясно, что доля расплавленного и тем более испаренного вещества окажется ничтожной при образовании любых малых кратеров При падении метеоритов с размерами, большими критического R 0, температура разогрева горных пород растет пропорционально радиусу кратера: D T = gR / c. Доля расплавленного материала растет с ростом R . Когда средний разогрев достигает характерной температуры размягчения горных пород Т=300К , это доля станет подавляющей. Явление массового проплавления происходит при образовании кратеров с размерами, превышающими 30 км на земной поверхности Соответственно, масса метеорита для образования кратера с массовым выплавлением пород по порядку величины должна превышать 30000 кг. Такие кратеры - следы редчайших событий. Их размытые следы сохраняются в течение почти всей геологической истории Земли, однако на всей планете пока обнаружено только несколько кратеров с радиусом, большим 30 км Начиная примерно с этого размера, формула R ~ E? Становится неприменимой, поскольку учёт теплоты плавления делает более сложным баланс энергий метеорита. Кратеры с массовым размягчением пород и внешне выглядит иначе. С ростом размера становится всё более заметной новая особенность - застывшие концентрические волны. Уже у кратеров с радиусом более 1 км есть отчётливое поднятие, а отпечатки катастрофических столкновений с радиусами большими 30 км, имеют 3-4 гребня и впадины. Отчётливо видны не размытые эрозией и не скрытые осадочными породами многокольцевые структуры гигантских кратеров на Луне На нашей планете кратеров намного меньше, чем на Луне.

При дрейфе континентальных плит поверхность Земли довольно быстро обновляется, а подвижные атмосфера и океан размывают очертания кратеров. Лишь с помощью контрастных фотографий из космоса удалось обнаружить около сотни сильно искаженных временем кольцевых структур диаметром до сотни километров. Оказалось, например, что г. Калуга расположена в древнем кратере диаметром 15 км. Несколько менее уверенно можно утверждать космическое происхождение формации диаметром 440 км на восточном берегу Гудзонова залива (её половина видна на географической карте в очертаниях побережья)