Параметры ударного сжатия графита на начальных стадиях формирования Попигайской астроблемы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Для изучения гипотезы о метеоритном происхождении месторождения импактных алмазов, расположенного в бассейне реки Попигай, проведено численное моделирование процесса высокоскоростного удара массивного астероида с поверхностью Земли. В двумерной осесимметричной постановке моделируется нормальное соударение хондритного астероида со слоистой структурой земного грунта со скоростью 25 км/с. Слой природного углерода располагается в приповерхностной зоне нагружаемой области. Расчеты проведены с использованием многомерной параллельной реализации метода конечно-размерных частиц в ячейке. Для описания свойств материала метеорита и грунта используются модели уравнений состояния хондрита, кварца и углерода. Получены термодинамические параметры ударного сжатия материалов грунта на начальных стадиях процессов нагружения и кратерообразования.

Полный текст

Крупнейшие в мире месторождения импактных алмазов “Скальное”/”Ударное”, расположенные в районе Попигайского ударного кратера, вероятно, возникли в результате концентрированного ударного воздействия от падения крупного астероида на поверхность Земли около 36 млн лет назад [1]. В результате удара большие скопления природного углерода подверглись быстрому нагреву и сжатию до экстремальных температур и давлений и, как следствие, фазовому превращению графит-алмаз [2, 3]. В настоящей работе проведено теоретическое исследование методами вычислительной газовой динамики процесса высокоскоростного удара массивного астероида по слоистой структуре земного грунта, для определения значений термодинамических параметров происходящего при этом процесса ударного сжатия углерода, сконцентрированного в приповерхностных слоях.

В двумерной осесимметричной постановке моделируется удар пористого хондритного микрометеорита (D = 7 км, ρ0 = 3 г/см3, V0 = 25 км/с) по поверхности Земли, представленной в виде последовательности слоев углерода и кварца. Мощность углеродосодержащего слоя в районе Попигайского кратера оценивается толщиной от 1 до 1.3 км. В расчете начальные толщины слоев составляют 1.2, 12 и 50 км, с начальными плотностями вещества ρ0 = 1.3, 2.6 и 2.8 г/см3 соответственно. На рис. 1 схематично показана постановка эксперимента.

 

Рис. 1. Постановка задачи.

 

В настоящей работе для моделирования течения многокомпонентной многофазной сжимаемой среды используется численный метод конечно-размерных частиц в ячейке [4]. Метод относится к лагранжево-эйлеровым методам. Изначально “частичная” природа метода оставляет возможность точного отслеживания положения и ориентации контактных и свободных границ в произвольных комбинациях и позволяет в любой момент времени точно сопоставить каждому конкретному элементу среды используемую компоненту / фазу / тело / модель. Практически отсутствуют проблемы расчета “смешанных” и “схлопывающихся” расчетных ячеек, которые присущи чисто эйлеровым методам. Метод успешно использовался для решения задач физики экстремальных состояний, моделирования высокоскоростного пробивания металлических преград [4], космических импактных экспериментов DeepImpact, LСROSS, APOPHIS, задач по генерации экстремальных состояний в металлах интенсивными ионными и протонными пучками. Для описания поведения материалов метеорита и грунта используются широкодиапазонные уравнения состояния [4].

На начальных стадиях процесса внедрения метеорита в грунт давления во фронте головной ударной волны достигают значения 240 ГПа. За первую секунду метеорит проникает на глубину 22 км, диаметр воронки при этом составляет 16 км. Материал ударника разогревается до температуры T = 110 кК.

На рис. 2 представлено расчетное поле распределения плотности в материале метеорита и грунта при t = 10 с. К этому моменту фронт ударной волны уходит вглубь на глубину 50 км, контактная граница ударника углубляется до 42 км, диаметр воронки составляет 38 км. При этом максимальное давление во фронте волны спадает до 0.9 ГПа.

 

Рис. 2. Результаты расчета. Поле распределение плотности в момент времени 10 с.

 

Со снижением давления сжатия происходит замедление процесса углубления кратера, после чего моделируемая стадия сжатия заканчивается. Далее на стадии экскавации происходит модификация воронки с обрушением стенок кратера.

Таким образом, проведено теоретическое исследование газодинамики начальных этапов процесса удара метеорита по поверхности Земли методами численного моделирования в двумерной постановке. Получены значения газодинамических параметров ударного сжатия и результирующие параметры образовавшегося кратера.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 21-72-20023).

×

Об авторах

В. В. Ким

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

С. И. Мартыненко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

А. В. Острик

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

К. В. Хищенко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru
Россия, Черноголовка, Московская обл.

И. В. Ломоносов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: kim@ficp.ac.ru

член-корреспондент РАН

Россия, Черноголовка, Московская обл.

Список литературы

  1. Щербаков И.А. Некоторые приоритетные результаты, полученные в области физики в 2019 году (из отчетного доклада академика-секретаря ОФН РАН) // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2020. Т. 492. № 1. С. 4–53.
  2. Масайтис В.Л. Там, где алмазы. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2016. 384 с. ISBN 978-5-93761-241-0
  3. Hazards due to comets and asteroids. Ed. T. Gehrels. Univ. of Arizona Press. 1996. 1300 p.
  4. Fortov V.E., Kim V.V., Lomonosov I.V., Matveichev A.V., Ostrik A.V. Numerical modeling of hypervelocity impacts // Int. J. Impact Eng. 2006. V. 33 (1–12). P. 244.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Постановка задачи.

Скачать (99KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты расчета. Поле распределение плотности в момент времени 10 с.

Скачать (381KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».