Обратная связь
gordon0030@yandex.ru
Александр Гордон
 
  2003/Сентябрь
 
  Архив выпусков | Участники
 

Астероидная опасность

  № 297 Дата выхода в эфир 22.09.2003 Хронометраж 45:27
 
С Стенограмма эфира

Как часто на Землю падали астероиды, способные коренным образом изменить ход жизни на Земле? Умное человечество — способно ли оно сегодня противостоять незваному космическому пришельцу? Об астероидной опасности и проектах противодействия, космических патрулях и оптическом барьере — астрофизики Георгий Ефимов и Леонид Латышев.

Участники:

Ефимов Георгий Борисович
 — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН

Латышев Леонид Алексеевич — доктор технических наук, профессор Московского Авиационного института

Обзор темы

Из статьи A. M. Микиши, М. А. Смирнова «Земные катастрофы, вызванные падением небесных тел (Вестник РАН. 1999. Т.69. № 4):

В статье дан анализ проблем, связанных с падением на Землю небесных тел. В частности, описываются сущность явления, воздействие на Землю опасных космических объектов в региональном и глобальном масштабах. Рассматриваются некоторые способы предотвращения возможных катастроф подобного рода.

В Солнечной системе, помимо планет, имеется большое количество так называемых малых тел. К ним относятся астероиды (малые планеты), кометы, метеороиды и межпланетная пыль. Самые первые и, естественно, самые крупные астероиды были открыты 200 лет назад с помощью простейшего телескопа (астероид № 1 Церера обнаружен в ночь на 1 января 1801 г.). Интерес к этим небесным телам рос по мере усовершенствования техники наблюдения. Наблюдательные средства, используемые в конце XX столетия, позволили обнаружить несколько десятков тысяч малых планет. Практически все они расположены между орбитами Марса и Юпитера в главном поясе астероидов. Составлен каталог, включивший примерно 8 тыс. астероидов с хорошо известными орбитами; есть еще около 12 тыс. малых планет, чьи орбиты определены неуверенно, так как они наблюдались для этого недостаточное время. Строго доказано, что из всего изобилия астероидов примерно 500 имеют орбиты, пересекающие или опасно приближающиеся к орбите Земли. Полное же возможное число таких «опасных» объектов оценивается в несколько тысяч.

Кометы известны с глубокой древности. Эти небесные тела, которые по мере приближения к Солнцу становятся все ярче и приобретают длинные (тоже очень яркие) хвосты, появляются довольно редко, а главное — внезапно. За всю историю человечества отмечено около 2 тыс. появлений комет. Почти для половины из них нет точных сведений о положениях и моментах времени наблюдений, поэтому ничего определенного об их орбитах сказать нельзя. Большинство комет движется хаотично в результате эпизодических сближений с большими планетами. Перемещаясь по разнообразным и вытянутым орбитам вокруг Солнца, они также могут подходить близко к планетам, а порой и сталкиваться с ними. В 1993 г. комета Шумейкера-Леви-9, открытая за год до этого, упала на Юпитер. Фиксируют астрономы падение комет и на Солнце.

Исследования, выполненные в последние годы, свидетельствуют о существовании такой же многочисленной, как и главный пояс астероидов, популяции объектов во внешних частях Солнечной системы. Источниками появлений комет (как короткопериодических, так и долгопериодических) считаются скопления материи вне и на периферии нашей планетной системы — «Облако Оорта» и «пояс Койпера». Последний, находящихся за орбитой Нептуна, по-видимому, можно рассматривать как аналог главного пояса астероидов.

Добавим ко всему сказанному, что Земля ежегодно в своем движении по орбите пересекает десятки метеорных потоков (роев), которые состоят из тел разного размера и состава, перемещающихся в пространстве Солнечной системы. Таких мелких объектов ежегодно выпадает на Землю несколько сотен тонн.

Камни, падающие с неба. С мелкими космическими телами Земля встречается постоянно. Эти встречи правильнее назвать столкновениями, ведь наша планета движется по орбите со скоростью около 30 км/с, и небесное тело тоже летит к Земле по своей орбите со скоростью того же порядка. Если тело невелико, то, врезаясь в верхние слои земной атмосферы, оно окутывается слоем раскаленной плазмы и полностью испаряется. Такие частички в науке называют метеорами, а в народе «падающими звездами». Метеор неожиданно вспыхивает и прочерчивает в ночном небе быстро гаснущий след. Иногда случаются «метеорные дожди» — массовое появление метеоров при встрече Земли с метеорными роями, или потоками. Хорошо известен рой Персеид, наблюдающийся в области созвездия Персея. Связанные с ним «звездопады» отмечаются ежегодно в ночи, близкие к 12 августа. А каждые 33 года в середине ноября на Землю «проливается» метеорный дождь Леониды, наблюдаемый в области созвездия Льва. Последний раз это событие произошло 16–18 ноября 1998 г.

Совсем иначе выглядит встреча Земли с более крупным телом. Оно испаряется только частично, проникает в нижние слои атмосферы, иногда распадается на части или взрывается, и, потеряв скорость, падает на земную поверхность. Такое тело в полете называют болидом, а то, что долетело до поверхности, — метеоритом.

Примерно 92,8% падающих на Землю метеоритов — каменные, 5,7% — железные, а остальные 1,5% — железно-каменные. Каменные метеориты труднее обнаружить, поскольку они нередко не отличаются от камней земного происхождения. Среди найденных метеоритов их намного меньше, чем железных. Чаще всего метеориты находят, когда они пробивают крыши домов или оранжерей, их попадания в людей чрезвычайно редки.

Большинство людей, в том числе и многие ученые, считают, что сильного материального ущерба и жертв в результате падения метеоритов не отмечалось. Тем не менее, согласно исследованию планетолога Д. Льюиса, падения метеоритов повлекли за собой тысячи смертей за время писаной истории человечества. Им проанализированы 123 зафиксированных случая смертей и ранений, а также повреждения зданий, вызванных падениями метеоритов за последние 200 лет.

Исторические хроники и летописи зафиксировали ряд случаев падения метеоритов, приведших к гибели и травмированию людей (таблица). Следует иметь в виду, что упомянутые в таблице события (особенно число погибших людей) тем более правдоподобны, чем ближе они к настоящему времени.

Самый крупный из наблюдавшихся при падении метеоритов упал 12 февраля 1947 г. на Дальнем Востоке в отрогах хребта Сихотэ-Алинь. Метеорит еще в воздухе распался и выпал в виде «дождя» на площади в 3 км². Ученые нашли более 3500 его обломков. По составу метеорит оказался железным. Самая крупная его часть имела массу 1745 кг, а общая масса найденного материала составила 27 т.

Среди найденных метеоритов самый большой — Западная Гоба, обнаруженный в Юго-Западной Африке. Его масса 60 т. Он продолжает лежать на месте падения. Известно еще несколько метеоритов с массой более 10 т. Имеются сведения, что в африканской пустыне Адрар (Алжир) находится огромный метеорит, масса которого около 100 тыс. т, но его никогда не видели ученые, хотя образец, доставленный в Европу, показывает, что это, несомненно, железный метеорит.

30 июня 1908 г. космическое тело взорвалось на высоте около 8 км в безлюдной тайге у реки Подкаменная Тунгуска, притока Енисея. Энергия взрыва, по современным оценкам, превысила энергию взрыва 1000 атомных бомб, подобных той, что была сброшена на Хиросиму. Существует мнение, что метеорит был ядром кометы и состоял преимущественно из водяного льда. На расстоянии несколько десятков километров от эпицентра Тунгусского взрыва ударной волной были повалены деревья, причем все они лежали вершинами прочь от места взрыва.
Таблица ущерба, нанесённого падением крупных метеоритов
Падения метеоритов, подобные Тунгусскому, происходили и прежде, например, около 800 лет назад на острове Южном (Новая Зеландия). Здесь выявлены следы взрыва и пожара, уничтожившего несколько десятков квадратных километров леса. Если подобное событие случится над крупным городом, то число жертв может достичь сотен тысяч, а материальный ущерб составит сотни миллиардов долларов. Поскольку численность населения Земли растет и все большие ее районы осваиваются, вероятность падения крупного метеорита в населенной области увеличивается.

Вход метеороида в атмосферу. Процесс входа метеороидов в атмосферу довольно хорошо изучен. Сначала эти тела вступают во взаимодействие с очень разреженной верхней атмосферой, где мелкие частицы размером до 100 мкм полностью сгорают. Более крупные достигают плотных слоев атмосферы. Перед летящим метеороидом образуется ударная волна, и атмосферные газы между ее фронтом и поверхностью небесного тела сильно сжимаются и нагреваются. Ударные волны от падающих на поверхность Земли с большой скоростью крупных метеороидов могут вызвать серьезные разрушения.

Метеориты, достигшие земной поверхности, редко представляют собой единое целое, что и неудивительно, так как аэродинамические напряжения превышают прочность метеороидов. Только самые прочные железные или каменные метеориты могут достичь поверхности Земли, имея высокую скорость и не будучи разрушенными аэродинамическими силами. Результатом их удара о Землю будет поле рассеяния кратеров. Начиная с некоторого размера метеороида, его фрагменты заполняют весь эллипс рассеяния обломков, и возникает только один кратер при почти одновременном ударе о поверхность множества обломков. На Земле такое происходит, когда масса метеороида превышает 100 т.

После того, как метеороид прошел через атмосферу и столкнулся с поверхностью, развиваются процессы, подобные тем, что наблюдаются при взрыве ядерной бомбы. Если скорость объекта достаточно велика (более 15 км/с), то происходит сильное испарение вещества и метеороида, и поверхностных слоев Земли. При расширении пара от точки удара формируется ударная волна. Над местом падения образуется классическое грибовидное облако, которое может захватывать пыль и обломки, поднимать их на большую высоту. Если сила удара превышает некоторый порог, султан горячего пара способен «прорвать» атмосферу Земли и выйти в космическое пространство.

Такой «прорыв» наблюдается, когда размер султана горячего пара существенно превосходит характерную высоту атмосферы (8,5 км при нормальных условиях). Предполагается, что с этим процессом связан выброс тектитов — стекловидных шариков затвердевшего расплава — за пределы земной атмосферы. Многие поля рассеяния тектитов простираются на тысячи километров, что трудно объяснить чем-либо иным, кроме продолжительного баллистического полета их за пределами земной атмосферы.

Численное моделирование показало, что для начала «прорыва» в атмосфере должна выделиться энергия, эквивалентная энергии взрыва 150 Мт тротила. Расчеты также свидетельствуют что такой «прорыв» возможен при образовании кратера диаметром более 20 км. Это соответствует падению астероида размером 0,5–1 км. Напомним, что мощность самого большого из известных наземного ядерного взрыва, проведенного в 1961 г. в Советском Союзе, составляла 60 Мт, или 2,5 · 1017 Дж энергии, выделившейся в атмосфере.

Характерная высота атмосферы. Попадание космических тел при их столкновении с Землей в океан, а не на сушу — более вероятное событие в силу большей площади поверхности океана на планете. При столкновениях с крупными телами (размером несколько километров и более), оказывающих глобальное воздействие на Землю, последствия их попадания на сушу и в океан близки по масштабам. Падение малых тел в океан должно приводить к меньшим последствиям, чем падение их на сушу. Удары тел промежуточных размеров (100 м и более) могут нанести больший ущерб, если они падают в океан, а не на сушу. Причиной тому — волны цунами, которые будут формироваться в океане. Распространяясь по поверхности воды со слабым затуханием, они обрушатся на побережье на значительном его протяжении.

Астроблемы и биотические кризисы. Согласно геологическим и астрономическим данным, Земля в течение сотен миллионов лет бомбардировалась достаточно интенсивным потоком космического вещества — астероидами, кометами и метеороидами. В настоящее время на ее поверхности известно свыше 230 больших ударных кратеров — их называют астроблемами («звездные раны»). Крупнейшие из них имеют диаметр до 200 км. Далеко не вся земная поверхность обследована, поэтому даже на суше могут быть открыты новые кратеры и астроблемы. Возраст определен всего лишь для 37 кратеров, диаметр которых больше 20 км.

Каждой геологической эре, периоду, эпохе соответствует свой тип биосферы. Смена видового состава на рубеже эр, периодов и эпох происходила в силу изменения природных условий на Земле. Но столкновения с крупными небесными телами также могли быть причиной изменений видового состава биоты.

На протяжении фанерозоя (возраст менее 570 млн лет) происходили неоднократные массовые вымирания биоты — биотические кризисы — и оледенения значительной части земной поверхности, причем оледенения наступали в периоды не только холодного глобального климата, но и глобальных потеплений. Считается, что биотические кризисы вызываются как геологическими изменениями на Земле, так и ее столкновениями с астероидами или кометами.

За последние 250 млн лет начало почти всех геологических периодов и эпох связано с одновременным появлением на Земле ударных кратеров диаметром более 20 км. Такой кратер образуется при падении астероида диаметром 1,5 км со скоростью около 20 км/с. Подобное столкновение ведет к гибели значительной части биоты. Падение даже в 10 раз меньшего небесного тела способно вызвать серьезные локальные и даже глобальные (через воздействие на климат) последствия, нанести значительный ущерб сельскому хозяйству во всем мире. Многие границы геологических периодов отмечены не одним, а несколькими столкновениями нашей планеты с крупными небесными телами, что наводит на мысль о «ливнях» космических ударов по Земле в эти временные интервалы, длительность которых 1–3 млн лет. Следует также учитывать, что поверхность океанов, составляющая почти 70% земной поверхности, не сохранила следов ударов, поэтому число ударных воздействий на самом деле могло быть гораздо больше.

При падении на Землю метеоритов происходит не только образование кратера со всеми сопутствующими последствиями — землетрясения, разрушения взрывной ударной волной, изменения ландшафта, но и выброс вещества в атмосферу. Масса этих выбросов во много раз превышает массу упавшего тела. Если его размер достаточно велик, то могут создаться условия, когда выбросы вещества в атмосферу приобретут глобальный характер. Математический анализ выбросов в атмосферу и их последствий показал, что, когда превышается определенный порог, возможно глобальное изменение климата.

Заметим, что впервые подобные расчеты проводились для анализа последствий ядерной войны, и тогда эффект глобального изменения климата получил название «ядерная зима». Из анализа экспериментов, осуществляемых в ходе испытаний ядерного оружия, следует, что взрыв с эквивалентной энергией 105—106 Мт должен повлечь за собой образование такого большого количества пыли в атмосфере, что это вызовет понижение средней температуры на 10 °С и более на значительной части суши. К аналогичным последствиям приводит и столкновение Земли с астероидами и кометами, если их размеры превышают 1–2 км, а скорости не менее 20 км/с.

Наиболее изучено массовое вымирание биоты на рубеже мезозоя-кайнозоя, то есть 65 млн лет назад. Тогда погибло почти две трети всех видов живых организмов, населявших Землю, полностью вымерли динозавры. С этим же моментом в геологический истории Земли связан слой отложений, характеризующийся повышенной концентрацией элемента иридия.

Еще в середине 50-х годов была высказана гипотеза, согласно которой иридий был привнесен на Землю вспышкой сверхновой звезды в окрестностях Солнца. Жесткая радиация после вспышки сверхновой, достигнув Земли, могла привести к массовому вымиранию биоты. Лауреат Нобелевской премии по физике Л. Альварес с коллегами вычислил расстояние до сверхновой, взрыв которой мог быть причиной образования слоя иридия в отложениях рубежа мел-палеоген. Оказалось, что это расстояние должно было составлять всего 0,3 пс (1 пс = 30,86 · 1012 км), что свидетельствовало бы об исключительности события.

Современные знания о феномене сверхновой не позволяют говорить о вспышке звезды на таком близком расстоянии от Солнца. А так как слоев с повышенным содержанием иридия несколько в земной истории, то сверхновые звезды явно не имеют к ним отношения. Поэтому Альварес отказался от гипотезы о сверхновых как источниках аномального содержания иридия и выдвинул другую гипотезу, связавшую и образование иридиевого слоя, и вымирание динозавров с одной общей причиной: падением на Землю крупного астероида или ядра кометы. Основанием для этого предположения послужил следующий факт: содержание иридия в метеоритах почти в 1000 раз больше, чем в земной коре.

При таком столкновении должен был образоваться кратер диаметром около 200 км. Физическое и климатическое воздействие подобного удара достаточно для объяснения полного вымирания наземных животных, масса тела которых больше 10 кг, и половины всех биологических видов живых существ. Вероятно; след этого события сохранился на полуострове Юкатан в Мексике — кратер Чиксулуб. Его диаметр 180 км, возраст 64,98 ± 0,04 млн лет.

Малые тела в окрестностях Земли. Мы сделали попытку перевести непредсказуемые соударения малых тел с Землей из класса случайных явлений в класс теоретически прогнозируемых. С этой целью оценили распределение по массам или размерам всех типов малых тел Солнечной системы; способных столкнуться с нашей планетой. Для различных орбит были вычислены характерные времена существования объектов до их столкновения с Землей и средние скорости роста таких столкновений. График показывает, что удары с энергией от 1 до 10 Мт (в данный интервал попадает знаменитый Тунгусский метеорит) могут случаться несколько чаще, чем один раз в 100 лет. Удары с энергией порядка 106 Мт (они способны ввергнуть Землю в глобальную катастрофу типа «ядерной зимы») в среднем можно ожидать один раз в несколько сотен тысяч лет. А катастрофы, приводящие к смене геологических эпох и сопровождающей ее смене биоты (типа вымирания динозавров), происходят в среднем один раз в несколько десятков миллионов лет. Эти временные оценки дают представление о вероятности ожидаемых событий на большом интервале времени.

Известны два существенно различающихся типа небесных тел, соударяющихся с Землей — рыхлые кометообразные и каменные (или железно-каменные) астероидные. Если энергия соударения меньше 1–2 Мт, кометные тела взрываются в верхних слоях атмосферы, не долетая до земной поверхности. При таких энергиях опасность для Земли представляют только каменные и железно-каменные метеориты. Во время пролета сквозь атмосферу Земли они теряют значительную часть своей энергии и часто разрушаются на сравнительно небольшие фрагменты, как было в случае падения Сихотэ-Алиньского железного метеорита в 1947 г.

При энергии соударения 3–20 Мт основной вклад в общий поток «опасных» тел дают кометы. До земной поверхности они тоже не долетают, но их взрывы происходят в нижних слоях атмосферы, вызывая разрушительные последствия на Земле. Подобные тела часто входят в состав метеорных и болидных потоков, что приводит к неравномерному (но предсказуемому) их падению на поверхность Земли. Примером может служить, по мнению большинства, ученых, взрыв Тунгусского метеорита, имевшего непосредственное отношение к метеорному потоку в Таурид.

Когда энергия соударения превышает 20 Мт (вплоть до 106 Мт), оба компонента — астероидный и кометный — вносят примерно равный вклад в общий поток падающих на Землю тел. При более высоких энергиях соударения кометная составляющая начинает резко возрастать, поскольку нет крупных астероидов, орбиты которых пересекают земную. Среди представляющих опасность комет в случае, если энергия соударений относительно мала, преобладают короткопериодические, но чем выше энергия соударения, тем большую опасность несут долго периодические и так называемые новые кометы. При высоких энергиях соударений практически все опасные объекты — это ядра долгопериодических комет (в том числе угасших).

Вероятнее всего, что космогенпые катастрофы, ожидающие Землю в ближайшем будущем, по своим масштабам будут сходны с Тунгусским взрывом 1908 г. Поэтому необходимо углубленное изучение фундаментальных основ кометной космогонии и постановка соответствующих наблюдательных программ. Если в ходе астрономических наблюдений популяцию астероидов можно каталогизировать полностью, то популяции комет и крупных метеороидов не подлежат окончательной каталогизации, так как их численность непрерывно пополняется. Следует проводить также непосредственное контактное исследование комет, астероидов и других малых тел. Все это позволит непредсказуемые соударения малых тел с Землей сделать наблюдательно и теоретически предсказуемыми и предвычислимыми.

Можно ли предотвратить космическую катастрофу? Частота падения на Землю небесных тел большого размера сравнительно невелика. Но при каждом падении астероида разрушений и жертв может быть существенно больше, чем при других природных и техногенных катастрофах. Потенциальное количество жертв в такой катастрофе существенно зависит от размера небесного тела. Возможность погибнуть в результате его падения на Землю не столь уж мала: она близка к возможности погибнуть в авиакатастрофе и несколько ниже возможности стать жертвой убийцы. Но если человек в состоянии с помощью личных мер безопасности снизить риск гибели в авиакатастрофе и убийства (не летать на самолетах и не общаться с бандитами, криминальными бизнесменами, политиками), то перед астероидной опасностью он, как и все человечество, в настоящее время беззащитен.

Задача астрономов состоит прежде всего в том, чтобы выявить «опасный» астероид, а затем на основе достаточного количества наблюдений вычислить его точную орбиту. Для сравнительно крупных астероидов (не менее 1 км в диаметре) может быть составлен полный каталог всех потенциально опасных объектов. Вычисление орбит позволяет прогнозировать их движение на интервале, по крайней мере, в несколько десятилетий. Астероиды меньшего размера (несколько сотен метров в диаметре) видимы только в достаточно близких окрестностях Земли. При этом объект, который должен столкнуться с нашей планетой, может быть обнаружен за несколько недель (или даже дней) до своего падения.

Переходя к объектам декаметрового размера (именно таким был Тунгусский метеорит!), следует сказать, что время подлета их к Земле после обнаружения исчисляется десятками часов. Заметим, что долгопериодические кометы, ядра которых имеют размер в десятки километров, появляются во внутренних частях Солнечной системы внезапно. Так, в 1996 г. комета Хиакутаки была открыта всего за два месяца до ее прохождения вблизи Земли.

Систематические открытия астероидов, сближающихся с Землей, были начаты в конце 70-х годов в США на 46-сантиметровом телескопе Шмидта в обсерватории Маунт Паломар. В середине 80-х годов начал работать 91-сантиметровый телескоп «Спейсвотч» в обсерватории университета Аризоны. С середины 90-х годов в мире действует еще несколько телескопов, в том числе «Спейсвотч П.» с зеркалом диаметром 1,8 м и две камеры Шмидта, оснащенные большими составными ПЗС-матрицами, во Франции и Австралии. К сожалению, на территории России такие наблюдения не ведутся.

Все эти наблюдательные системы позволяют обнаруживать астероиды и кометы вблизи Земли, но, как правило, при их пролете по траектории, исключающей столкновение с нашей планетой. «Опасные» же траектории представляют дополнительные трудности как при наблюдении самих объектов, так и особенно при математическом описании их движения. В 1995 г. в России было доказано, что можно обнаруживать метеороиды метрового и декаметрового размера не только во время их пролета сквозь земную атмосферу, но и задолго до подлета к Земле. Специальные наблюдения таких объектов проводятся с 1995 г. сотрудниками Института астрономии РАН на 1-метровом телескопе в Крыму (Симеиз) и на 60-сантиметровом телескопе в Звенигороде (Московская область). Начато также создание методики определения орбит и прогноза движения этих объектов.

Если достигнута уверенность в том, что столкновение небесного тела с Землей, причем с катастрофическими последствиями, неизбежно, тотчас встает вопрос: можно ли предотвратить надвигающуюся катастрофу? Вряд ли сейчас мы в состоянии ответить на него достаточно категорически. Суть понятия «предотвратить» заключается в том, что после обнаружения объекта и получения уверенного прогноза о его столкновении с Землей необходимо или изменить его траекторию (орбиту) таким образом, чтобы он прошел мимо нашей планеты, или уничтожить (разрушить на мелкие фрагменты).

Астероид, способный вызвать на Земле глобальную катастрофу, должен иметь диаметр более 1 км, поэтому дать прогноз его движения и организовать систематическое слежение за ним можно за несколько лет или даже десятилетий до предполагаемой катастрофы. Для предотвращения столкновения такого тела с Землей достаточно изменить его скорость на несколько сантиметров в секунду (при скорости движения по орбите в десятки километров в секунду). В момент придания астероиду корректирующего импульса ни в коем случае нельзя допустить его дробления, так как крупнейшие осколки будут также представлять опасность при столкновении с Землей. Это означает, что коррекция орбиты астероида должна быть осуществлена после детального изучения свойств его поверхности и вещества.

Наши расчеты показали, что для астероида диаметром 1 км максимально допустимый корректирующий импульс составляет 13,7 см/с, что соответствует энергии воздействия зарядом порядка 1 кт при отклонении астероида ядерным взрывом. Такое воздействие должно быть совершено не позднее, чем за 1,6 года до прогнозируемого момента столкновения объекта с Землей. Отвести с «опасной» траектории астероид диаметром 1–2 км можно не только ядерным взрывом, но и с помощью других средств, например, путем концентрирования зеркалом солнечной энергии на поверхности астероида и создания тяги его испаряющимся веществом. Скорректировать движение малой планеты размером около 10 км можно, только осуществив ядерный взрыв вблизи ее поверхности, но таких объектов, как мы знаем, мало, их орбиты хорошо известны и не проходят вблизи земной.

Ядра комет на траекториях столкновения с Землей могут быть обнаружены лишь за несколько месяцев до удара о Землю. Вещество кометных ядер более рыхлое, чем астероидов. Поэтому корректирующий импульс, при котором ядро кометы не разрушится, но сойдет с «опасной» траектории движения к Земле, должен быть значительно меньше, чем в случае астероида. За считанные месяцы изменить траекторию ядра кометы взрывом на достаточную величину не удастся, а значит, остается единственная возможность: разрушение ядра на мелкие фрагменты, которые полностью сгорят в атмосфере Земли. По расчетам, добиться этого можно, если осуществить последовательный подрыв вблизи объекта нескольких мощных ядерных зарядов.

Астероиды, метеороиды и ядра комет меньшего размера (менее 300–500 м в диаметре), способные вызвать на Земле локальную катастрофу, как правило, удается обнаруживать только на подлете к Земле. Вопрос об их отклонении от «опасной» траектории полета даже не может ставиться — не хватит времени для упреждения. Однако эти объекты могут быть разбиты на мелкие осколки, не представляющие опасности при падении на Землю, с помощью модернизированных баллистических межконтинентальных ракет. В качестве альтернативы ядерной боеголовки рассматривается возможность разрушения небесного тела с помощью баллистического удара неядерной головной части ракеты, выполненной в виде разворачивающейся решетки.

Таким образом, человечество уже располагает технологиями для создания системы защиты и противодействия астероидно-кометно-метеороидной опасности. Эти технологии позволяют обнаруживать и исследовать объекты, представляющие опасность для Земли, а также отклонять их от «опасной» траектории движения к Земле или разрушать. Организацию системы защиты нашей планеты от опасных космических объектов можно считать закономерным этапом развития земной цивилизации.

Из статьи Т. М. Энеева, Р. З. Ахметшина, Г. Б. Ефимова «К вопросу об астероидной опасности»:

В статье рассмотрена концепция системы космических патрулей для выявления небесных тел, представляющих астероидную опасность для Земли. Система КА-патрулей позволяет за 5–6 лет провести каталогизацию небесных тел с диаметром d ≥ 100 метров, сближающихся с Землей. Известные программы наблюдения подобных тел с Земли предполагают каталогизировать к 2010 году 95% тел с d ≥ 1 км. Поэтому система космической каталогизации может быть следующим шагом по выявлению опасных тел. Концепция использует знания о происхождении большинства опасных тел и об их орбитах, основанные на исследовании эволюции этих орбит. Дается предварительный анализ «оптического барьера», создаваемого системой космических патрулей. Показано, что расстановка КА-патрулей на орбите Земли может быть выполнена с помощью КА с ЭРД проектируемого в рамках программы Фобос-Грунт.

Среди исследований посвященных вопросам астероидной опасности и безопасности можно выделить несколько направлений. Прежде всего, — наблюдения опасных тел, сближающихся с Землей, выявление их. В настоящее время имеется несколько национальных программ оптического наблюдения небесных тел, сближающихся с Землей. В течение ближайшего десятилетия с их помощью предполагается выявить большую часть таких тел, размерами около километра и более. Ряд исследований и проектов разрабатывают меры противодействия небесным пришельцам — изменения их орбит, разрушения на мелкие осколки, сгорающие в атмосфере и т. п. Рассматриваются способы и методы противодействия с применением различных способов, космической техники. Однако указанные программы наблюдения, выявления опасных небесных тел далеко не полны — особенно, по размерам этих тел, выявляемых с помощью оптических наблюдений с Земли. Ведь Тунгусский метеорит имел, по оценкам, размеры около 50–70 метров, в то время как оптические наблюдения с Земли позволяют выявлять тела с размерами порядка одного километра.

Для выявления опасных небесных тел размерами менее километра предлагается концепция создания «оптического барьера» на орбите Земли с помощью системы космических аппаратов-патрулей. Система КА-патрулей позволяет за 5–6 лет провести каталогизацию большого числа небесных тел с диаметром d і 100 метров, сближающихся с Землей. Прогресс техники наблюдения позволит, вероятно, в будущем в рамках той же системы довести размеры выявляемых опасных тел до нескольких десятков метров. Поэтому система космической каталогизации может быть следующим шагом по выявлению опасных тел после известных программ оптического наблюдения их с Земли. Концепция использует знания о происхождении большинства опасных тел и об их орбитах, основанные на исследовании эволюции этих орбит. Проводится предварительный анализ характеристик «оптического барьера» для некоторых распространенных типов орбит опасных тел. Даны оценки требований к космической технике для создания оптического барьера. Рассмотрены возможности базового КА с электроракетными двигателями (ЭРД), разрабатываемого в рамках проекта «Фобос-Грунт» для расстановки КА-патрулей на орбите Земли.

Концепция системы космических патрулей в связи с проблемой астероидной опасности. В разноплановой проблеме астероидной опасности выделим в первую очередь задачу обнаружения и каталогизации потенциально опасных астероидов, как предваряющую другие ее задачи, логически вытекающие из постановки проблемы. Действительно, например, задача активного противодействия опасным астероидам практически может быть эффективно решена, лишь когда будет более или менее ясна общая картина характера и типов астероидов, которые могут столкнуться с Землей. Ясно, что для противодействия столкновению с астероидами с размерами порядка ста метров и порядка километра должны быть разработаны разные средства.

Сосредоточим свое первоочередное внимание на задаче обнаружения и каталогизации опасных астероидов; возможно ли за обозримый промежуток времени (например, несколько лет) составить каталог опасных астероидов с размерами порядка ста метров и более? Каковы должны быть приемлемые в настоящее время адекватные технические средства?

Обратимся к возможным техническим средствам, которые потенциально пригодны для решения задачи каталогизации тел, пересекающих орбиту Земли. Построим псевдоцилиндрическую поверхность, содержащую орбиту Земли с осью направленной перпендикулярно ее плоскости. Очевидно, что астероиды группы Аполлона в ходе своего орбитального движения будут периодически пересекать эту поверхность. Если бы удалось контролировать эту поверхность, путем наблюдения вдоль нее с помощью оптических средств, то пересекающие ее астероиды за обозримый промежуток времени были бы зафиксированы. Такое наблюдение можно организовать с помощью системы космических аппаратов, размещенных на орбите Земли и оснащенных телескопами с хорошей разрешающей способностью. При этом, на каждом космическом аппарате (КА) достаточно иметь один или два телескопа, которые, вращаясь относительно оси, направленной на Солнце обозревали бы за определенный и относительно малый промежуток времени полосу на небесной сфере с шириной, соответствующей полю зрения телескопа.

При наличии на борту КА телескопа с разрешающей способностью в 22 звездных величины окажется возможным зафиксировать все астероиды размером от 100 метров и более, пересекающие окрестности орбиты Земли. Здесь, конечно, возникнут большие трудности, связанные с необходимостью неоднократной идентификации астероидов на фоне большого числа звезд. Однако, при наличии достаточно емкой оперативной памяти бортовой ЭВМ эти трудности окажутся вполне преодолимы.

Такова в общих, и, пока довольно грубых чертах, одна из возможных схем патрулирования окрестностей земной околосолнечной орбиты. Несомненно, что параметры этой схемы должны быть тщательно проанализированы и обсчитаны, прежде, чем будет сделано окончательное заключение о ее практичности и надежности.

Представляется, что в качестве базовой техники могут быть использованы уже существующие или находящиеся в стадии разработки те или иные ее образцы. Например, в качестве ракеты, выводящей патрульный КА на промежуточную околоземную орбиту, может быть использован носитель среднего класса типа «Союз». Дальнейший перевод на около солнечную земную орбиту патрульного КА может быть осуществлен с помощью аппарата, разрабатываемого в рамках проекта «Фобос-Грунт», снабженного электроракетными двигателями малой тяги (ЭРД). Этот же аппарат может поддерживать функционирование патрульного КА на околосолнечной земной орбите. Подобный путь решения проблемы может оказаться экономически более целесообразным по сравнению с другими возможными вариантами.

Происхождение популяции небесных тел, сближающихся с Землей и характеристики их орбит. Для построения системы выявления малых небесных тел, сближающихся с Землей, важно иметь представление об их составе и параметрах их орбит. Подавляющее большинство этих тел составляют астероиды групп Амура, Аполлона и Атона и кометы группы Юпитера.

Происхождение семейства малых тел, попадающих в окрестность орбиты Земли, может быть прояснено благодаря модели образования Солнечной системы, разработанной в 70-х годах в ИПМ им. Келдыша. Согласно этой модели, формирование планет происходило не из твердых, а из газо-пылевых планетозималей, достаточно долго сохранявшихся в таком состоянии за счет конвекции и подогрева от распада короткоживущих изотопов, входивших в состав первоначального газо-пылевого облака. В дальней части Солнечной системы процесс образования планет мог не успеть завершиться ко времени истощения короткоживущих изотопов. Вместо планет в этой области мог образоваться занептунный пояс астероидов.

На основании указанной модели в 1980 году было высказано предположение о существовании объектов занептунного пояса. Тогда же на телескопе в Зеленчуке было получено изображение одного из таких объектов. Но из-за плохих условий наблюдения, и ограниченности его времени, это наблюдение не было уверенно подтверждено (второе изображение было на границе погрешности) и не было опубликовано. С тех пор число объектов занептунного пояса превысило несколько сот. Изменение их орбит за счет возмущения от планет гигантов приводило к их столкновениям, причем осколки их ядер порождали протоастероиды, а осколки ледяных оболочек стали прародителями комет. В процессе возмущения большими планетами часть этих тел постепенно перемещались внутрь орбиты Юпитера и превратились в кометы и астероиды, приближающиеся к Земле. Другая часть могла получить сильно вытянутые орбиты, вплоть до орбит ухода из пределов солнечной системы.

Идеи о миграционном происхождении близких к Земле малых тел высказывались еще в 60-е годы Андерсом и Эпиком. В те же годы Е.И. Казимирчак-Полонская дала объяснение механизма миграции комет из далеких областей за Нептуном на их современные орбиты. Планеты гиганты благодаря своему гравитационному полю изменяют первоначальные орбиты объектов трансуранового (или занептунного) пояса, делая их сильно эллиптическими. Пересекая орбиты планет гигантов (или приближаясь к ним), эти тела подвергаются очередному возмущению — либо с дальнейшей эволюцией орбиты во внутрь Солнечной системы, либо за ее пределы. Таким образом, они как бы передаются от одной большой планеты к другой и приходят в конце этого пути в область планет земной. Афелий их конечных орбит должен, как правило, находиться внутри орбиты Юпитера. В противном случае комета вступает в гравитационное взаимодействие с Юпитером (тем более что в районе афелия она находится значительное время). Процесс миграции малых тел с помощью планет-гигантов ярко демонстрируют недавно открытые многочисленные внешние спутники Юпитера, Сатурна и Урана, временно захваченные на спутниковые орбиты — с большим удалением от центрального тела, разнообразными по положению орбитами, прямыми и обратными движением по ним, как правило, неустойчивым.

Подобным образом происходит миграция и других типов тел, например астероидов групп Амура и Аполлона. Этим объясняются особенности их орбит — с перигелием в области планет земной группы и афелием внутри орбиты Юпитера — и относительная редкость малых тел с сильно вытянутыми орбитами, типа долгопериодических комет. На дальнейшую эволюцию орбит астероидов этих групп влияют и планеты земной группы. Эволюция малых тел из пределов пояса Эджвуда-Койпера в настоящее время активно изучается многими авторами.

Исследования показывают, что уход отдельных тел из окрестности орбиты Земли восполняется приходом новых тел, однако, обновление состава околоземных тел — медленный процесс. Время существования малого тела на орбите, сближающейся с орбитой Земли, оценивается в 10–100 млн лет. Поэтому состав популяции объектов с орбитами, пересекающимися с орбитой Земли, можно считать постоянным на интересующем нас промежутке времени порядка ста лет. Общее число тел с диаметром более 100 м оценивается в настоящее время в 70–160 тысяч, а астероидов с размерами около 1 км и более — примерно в 1,5 тысячи.

В настоящее время проводится наблюдение приближающихся к орбите Земли метеоритов, астероидов и комет оптическими средствами с Земли. На такое наблюдение нацелен ряд американских и международных программ: программы Spaceguard (Космическая стража), PCAS (специально для наблюдения астероидов, сближающихся с Землей), а также ряд других американских программ, англо-австралийская AANEAS и франко-германская ODAS программы. Эти программы ставят своей задачей обнаружить к 2010 году 95% опасных астероидов диаметром более километра и часть более мелких. Программы эти успешно работают, находят в среднем по 5 астероидов в месяц. Уже найдено около 500 астероидов, сближающихся с Землей. Однако все эти программы не выявляют все АСЗ, даже диаметром і 1 км, в то время как катастрофические последствия могут быть результатом падения тела с диаметром 100 м и даже существенно меньшего.

Предлагаемая в настоящей работе схема оптического барьера снижает размер фиксируемых объектов (с 1 км до ~100 м), и тем самым, дает возможность обнаруживать большие числа АСЗ. Если программы наземных наблюдений считать первым этапом каталогизации АСЗ, то проект создания системы космических патрулей по схеме оптического барьера может явиться вторым этапом каталогизации АСЗ. Знания, полученные на наземном этапе каталогизации опасных объектов, послужили бы для отладки работы космической системы на втором этапе каталогизации.

Библиография

Авдуевский В. С., Аким Э. Л., Кремнев Р. С., Куликов С. Д., Маров М. Я., Пичхадзе К. М., Попов Г. А., Энеев Т. М. Космический проект «Фобос-Грунт»: основные характеристики и стратегия развития // Космонавтика и ракетостроение. 2000. Т.19

Алексеев А. С., Ведерников Ю. А., Лаврентьев М. М. Обзор проектов систем противодействия столкновениям астероидов с Землей // Большая Медведица. 2002. № 1

Астероидно-кометная опасность / Под ред. А. Г. Сокольского. СПб., 1996

Угроза с неба: рок или случайность? / Под ред. А. А. Боярчука. М., 1999

Ивашкин В. В., Зайцев А. В. Анализ возможности изменения орбиты сближающегося с Землей астероида ударным воздействием космического аппарата // Космические исследования. 1999. Т. 31. № 4

Микиша А. М., Смирнов М. А. Земные катастрофы, вызванные падением небесных тел // Вестник РАН. 1999. Т. 69. № 4; Большая Медведица. 2002. № 1

Черных Н. С. Возможности обнаружения АСЗ средствами наземной астрономии // Большая Медведица. 2002. № 1

Энеев T. M. О возможной структуре внешних (занептунных) областей Солнечной системы // Письма в Астрон. журнал. 1980. Т. 6. № 5

Энеев T. M., Koзлов Н. Н. Модель аккумуляционного процесса формирования планетных систем // Астрон. вестник. 1981. Т. 15. № 2–3

Энеев Т. М. К вопросу об астероидной опасности / Материалы заседания Рабочей группы РАН «Риск и безопасность». М., 2000; Компьютерные инструменты в образовании. 2003. № 3

Eneev T., Akhmetshin R., Efimov G., Zaslavsky G. Space Patrol System / 17-th Int. Symposium «Space Flight Dynamics». Moscow, 2003. 16–20 of June

Ipatov S. I. Migration of trans-Neptunian objects to the Earth // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 1999. V.73. № 1–4

Тема № 297

Эфир 22.09.2003

Хронометраж 45:27


НТВwww.ntv.ru
 
© ОАО «Телекомпания НТВ». Все права защищены.
Создание сайта «НТВ-Дизайн».


Сайт управляется системой uCoz