http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=31b7d0b9-dba2-4012-92a4-671568254543&print=1© 2024 Российская академия наук
Оказывается, звездное небо несет смертельную угрозу. Человечество ищет пути борьбы с врагом поистине космических масштабов
Когда 15 февраля над Челябинском взорвался метеорит (собственно метеоритами называют космические тела, достигшие Земли), после нескольких часов распространения слухов и конспирологических версий стало ясно, что просто надо лучше учить астрономию: произошло заурядное космическое явление. Однако оно могло оборвать тысячи жизней, взорвись метеорит десятью километрами ниже, где атмосфера заметно плотнее. Актуальным стал вопрос: как в следующий раз предвидеть падение метеорита, способного взорвать целый город.
Сначала челябинцы увидели яркий болид — так называются ярко светящиеся метеориты, — за которым тянулся дымный след. Красоту редкого зрелища нарушила сильная ударная волна, выбившая стекла в домах и разрушившая крышу завода. Между тем на Челябинск упал метеорит не только с обычным для космических тел составом — железисто-каменный, но и скромных размеров — по разным источникам, от 10 до 20 м. Метеорит вошел в атмосферу со скоростью 20–30 км/с под относительно небольшим углом к горизонту, поэтому неудивительно, что поверхности он не достиг и взорвался на высоте 20–30 км. При массе около 10 тыс. тонн кинетическая энергия болида достигла 100–500 килотонн тротилового эквивалента. Часто для сравнения упоминают, что мощность ядерной бомбы, взорванной над Хиросимой, составляла 20 килотонн, однако следует помнить, что указываемая для метеорита энергия частично расходуется на трение об атмосферу еще до взрыва. Что касается разброса оценок, то максимальные цифры называет NASA, у наших астронавтов они более скромные. Член-корреспондент РАН Борис Шустов, директор Института астрономии РАН, объясняет расхождение оценок малым количеством данных о метеорите. Астероиды такого размера в принципе маловероятно заметить, к тому же, разъясняет NASA, дополнительную сложность представляло то, что этот двигался к Земле со стороны Солнца и имел низкую отражающую способность, альбедо, поэтому современные технологические возможности не позволили бы с Земли обнаружить его раньше чем за пару часов до появления. Впрочем, данные еще можно уточнить — вход челябинского, или, как его еще называют чебаркульского, метеорита в атмосферу засек европейский спутник Meteosat-10.
Что касается потенциального урона Челябинску, то взрыв на приличной высоте распределил выброс энергии по бо́льшей площади. Если бы угол вхождения был не таким пологим, то «камень с неба» — таков дословный перевод названия этого космического тела — мог бы взорваться непосредственно над домами и нанести больший ущерб, но на меньшей площади: ударная волна была бы сильнее, плюс могло добавиться тепловое воздействие. Борис Шустов, однако, предостерегает от поспешных оценок альтернативных сценариев, объясняя, что необходимо учитывать много факторов. Например, влажный воздух поглотил бы существенную часть выделенной энергии. А если бы метеорит достиг Земли, то Челябинск избежал бы воздушного удара, но на него пришелся бы сейсмический толчок.
В целом метеориты размером с чебаркульский прилетают на Землю достаточно часто и обычно проходят незамеченными, так как вероятность их падения над населенными пунктами мала — можно сказать, что Челябинску не повезло. Впрочем, нельзя недооценивать астероидно-кометную опасность: Тунгусский метеорит, взорвись он над Москвой, разрушил бы ее в границах современной МКАД.
Жесткие встречи
Бомбардировке астероидами и кометами подвергаются все планеты и спутники Солнечной системы, кратеры от столкновений обнаружены даже на Венере, обладающей плотной атмосферой, а также на самих астероидах. При вхождении в атмосферу Земли космические тела имеют скорость от 11 до 72 км/с. Такой диапазон обусловлен тем, что подтвержденных случаев прилета в Солнечную систему космических тел из-за ее пределов не зарегистрировано. А притянутая к Земле из самой удаленной точки нашей системы комета относительно Солнца разовьет скорость не больше 42 км/с. В зависимости от того, будет ли Земля со своей орбитальной скоростью в 30 км/с двигаться навстречу или по движению космического тела, с учетом гравитационного взаимодействия мы и получаем обозначенный интервал скоростей. Но крайние показатели интервала редки, средняя скорость падения метеорита — 20 км/с.
Так как плоскость вращения многих астероидов не совпадает с плоскостью вращения Земли, падения метеоритов происходят во всех широтах, включая полярные области.
На первом рубеже обороны Земли небесные тела встречает атмосфера. Пылинки в ней «застревают» и плавно осаживаются. Мелкие метеориты сгорают. Объекты размером порядка 10 м могут достичь Земли или взорваться вблизи ее поверхности. При входе в атмосферу с вышеуказанными скоростями метеорит действует как поршень в закрытом шприце, собирая воздух, который находится по его траектории. Так как космическое тело движется со сверхзвуковой скоростью, молекулы атмосферного газа просто не успевают уйти из-под его давления. Сжимаемый воздух сильно нагревается, а когда его масса становится равной массе метеорита, кинетическая энергия переходит в тепловую. Проще говоря, происходит взрыв — космическое тело частично или полностью испаряется. Оставшиеся фрагменты могут продолжить путь к Земле — скорее всего, прорубь на озере Чебаркуль была образована каким-нибудь десятисантиметровым осколком. Рассыпанные вокруг нее мелкие камушки имели типичную для метеоритов хондритную структуру — на срезе видны хонды, зерна застывшего расплава размером около 1 мм.
Высота, на которой произойдет взрыв, зависит от размера, угла вхождения в атмосферу и состава космического тела. С размером понятно — чем больше тело, тем оно, как правило, тяжелее и тем труднее его остановить атмосфере. Если говорить про угол, то при пологом вхождении метеориту приходится преодолевать больший слой атмосферы, а значит, повышается вероятность того, что он успеет взорваться до столкновения с поверхностью земли — как и произошло над Челябинском. С составом метеорита еще проще: ледяные кометы имеют плотность около 1 г/см3, каменные тела — 2–3 г/см3, железные метеориты — до 5 г/см3. Пропорционально плотности возрастает масса метеорита, а значит, и масса воздуха, при «собирании» которой «камень с неба» взорвется. Кроме того, железные метеориты эффективнее перераспределяют тепло, меньше происходит локальных перегревов, которые также чреваты дефектами и трещинами. Больше всего шансов достичь поверхности Земли у железо-каменных и железных «камней». Так, один из наиболее известных — аризонский кратер диаметром 1240 м и глубиной 170 м был образован ударом железного метеорита размером примерно 60 м. В то время как сравнимый по параметрам (точные характеристики установить затруднительно) Тунгусский метеорит взорвался в атмосфере.
Разобраться с риском
Если в США активно проводится поиск внеземных объектов, то во многих других странах, в том числе в России, работы в этом направлении фрагментарны. Как часто падают метеориты? Мало кто знает, например, что 11 февраля 2013 года яркий болид упал в Башкирии. А через несколько часов после челябинского метеорита рядом с Землей пролетел более крупный, 45-метровый, астероид 2012 DA 14. Это небесное тело давно отслеживали, так как оно должно было пройти очень близко к Земле. Минимальное сближение составило менее 30 тыс. км — ближе, чем летают геостационарные спутники, а в 2094 году астероид вернется и может приблизиться к Земле еще сильнее. Мы не знаем, принадлежат ли эти метеориты к одному потоку, но пока такая возможность считается маловероятной — слишком разные траектории. Рассчитать траекторию астероидов можно только приблизительно, прикинув вероятность столкновения с Землей, — для известных небесных тел она мала. Прогнозируемое прохождение астероида Apophis диаметром 325 м в пятницу 13 апреля 2029 года в 30 тыс. км от Земли показывает, что не так уж редко значительные по размеру космические тела проносятся рядом с нашей планетой. Но самым наглядным напоминанием о космической угрозе стало падение метеорита в Челябинске.
Падение метеоритов, подобных российскому, — штука обычная. Они могут прилетать каждый год, другое дело, что вероятность их взрыва над населенным пунктом невелика: эти небесные тела, конечно, могут упасть практически в любом месте Земли (или сгореть в атмосфере), но города занимают лишь одну тысячную поверхности Земли. Обычно просто нет свидетелей таких пришельцев, к тому же часто они сгорают еще в атмосфере. Более крупные «небесные камни», такие как 2012 DA 14, врезаются в Землю в среднем раз в 250 лет и могут привести к полному разрушению крупного мегаполиса и локальной экологической катастрофе — примерно таким, видимо, был Тунгусский метеорит. Падение километрового метеорита происходит не чаще раза в миллион лет, но это событие способно вызвать всемирную катастрофу. Если же космическое тело будет размером более 10 км, то оно может погубить всю нашу цивилизацию. К счастью, такие события происходят раз в 100 млн лет.
Найти и уничтожить
Борис Шустов предупреждает, что для борьбы с астероидно-кометной опасностью необходимы не только средства обнаружения и уничтожения (отклонения) небесных тел, но и научная работа. Современные вычислительные мощности суперкомпьютеров позволяют детально описать процессы взаимодействия астероидов как с сушей, так и с водной поверхностью Земли. Борис Шустов считает, что надо заранее рассчитать возможные факторы поражения от космических тел разных размеров и скоростей с тем, чтобы при обнаружении нового объекта можно было сразу выбрать наиболее выгодную стратегию. Например, если речь идет об астероидах размером до 50 м, наиболее эффективными будут эвакуационные мероприятия в месте предполагаемого падения.
Более практическими задачами являются обнаружение и отведение или уничтожение метеоритов. Объектами, сближающимися с Землей, считаются астероиды и кометы, подходящие к Солнцу ближе чем на 1,3 а. е. (195 млн км). В результате наблюдений вычисляются их орбиты, и потенциально опасными считаются те, которые превышают в размере 140 м и подходят к Земле ближе 7,5 млн км. Они представляют существенную опасность для людей, но за время их приближения — 30–35 дней — можно подготовить и нацелить ракету с ядерной боеголовкой. По словам Шустова, пока это единственный способ попытаться отклонить объект, угрожающий столкновением с Землей. Хотя он и не надежен, ООН готова разрешить вывод ядерного оружия на орбиту, если это будет нашим последним шансом (сейчас размещение атомных ракет на орбите запрещено).
Но прежде чем разрабатывать «противометеоритное» оружие, источники опасности надо обнаружить. Радары дают достаточно детализированную картинку объектов с известными координатами, но, когда приходится искать в широком секторе неба, дальность обнаружения составляет для них 3–5 тыс. км. Современные оптические телескопы «видят» тела размером 150 м на расстоянии 7,5 млн км, они имеют узкие углы обзора, а значит, ими придется очень долго обшаривать всю небесную сферу, чтобы обнаружить несущие угрозу объекты, ведь неизвестно, откуда они появятся. Сегодня известны орбиты 1340 потенциально опасных астероидов и около 70 комет. По Туринской шкале, показывающей опасность для человечества данного космического тела, они имеют 0 или 1 балл из 10 — то есть столкновение с ними маловероятно. Исходя из размеров и количества известных метеоритов, можно сделать вывод, что человечество не выявило еще около 20% небесных тел размером более 1 км — тех самых, что могут вызвать глобальную катастрофу. К тому же предполагается, что не открыты от 5 тыс. до 10 тыс. (!) астероидов размером более 140 м и 98% (или 100 тыс. штук) объектов размером более 50 м. Каждое из этих тел при встрече с Землей будет иметь энергию как минимум на порядок больше, чем чебаркульский метеорит.
Для обнаружения 90% (этот показатель считается приемлемым по соотношению затраты—выявленный риск) потенциально опасных метеоритов требуются широкоугольные телескопы с хорошим разрешением. Если в пользовательских фотоаппаратах матрицы имеют детализацию 10–20 млн пикселов, то система Pan-STARRS на Гавайях — 1,4 млрд пикселов. В России система с подобающей оптикой и механикой только одна, но нужно еще закупить соответствующую матрицу, а это не только финансовый вопрос: поскольку такая электроника может использоваться в системах военного назначения, приобрести ее непросто.
Еще более эффективное средство обнаружения астероидов — инфракрасные телескопы: астероиды обычно имеют низкую отражающую способность, а поглощаемый свет излучают как раз в ИК-диапазоне. На Земле такие телескопы применять невозможно, так как атмосферные шумы «забьют» сигналы от астероидов. А вот на орбите они будут эффективны. Сейчас в США проектируются оптический и ИК-телескопы размером 2 и 1 м соответственно, их планируется запустить на орбиту Венеры, чтобы не пропустить астероиды, летящие со стороны Солнца. Приборы будут развернуты к Земле, светило не сможет «слепить» их датчики, а у ученых окажется достаточно времени просчитать траекторию астероидов, летящих от орбиты Венеры к Земле.
Обнаруженные астероиды и кометы можно будет мониторить через обычные телескопы, тут главное — распределить объекты между учеными (и, возможно, астрономами-любителями) разных стран. Для астероидов с известными координатами возможно и радарное наблюдение, которое позволяет точнее спрогнозировать траекторию космического тела.
Если говорить собственно об устранении угрозы, то здесь все пока в зачаточном состоянии. Хотя мы и упоминали о ядерных ракетах, но нет опыта их доставки на малые тела Солнечной системы. К тому же последствия взрыва трудно просчитать: нет гарантии, что получившиеся обломки нанесут меньший ущерб, чем один крупный метеорит. Что касается разговоров о ПВО, то следящие системы не предназначены для наблюдения за целями, влетающими в атмосферу со скоростями, в 20 раз превышающими скорость звука, к тому же взрыв неядерной ракеты не окажет практически никакого влияния на 10 000-тонный метеорит.
Возможно, более эффективными окажутся технологии по уводу астероидов с опасной траектории, но они требуют заблаговременного обнаружения угрозы и достаточно долгого воздействия. Самые простые методы предусматривают воздействие на астероиды тягой или даже силой тяжести ракеты. Применяя ее долгое время, можно рассчитывать на небольшое изменение траектории, которое за следующие десятки тысяч километров достаточно далеко отведет астероид от Земли. Другое предложение — поставить «заплатку» на метеорит: она будет его нагревать, и тепловое излучение с одной из его сторон будет сильнее, чем с другой, «отдача» от теплового излучения немного, но достаточно изменит траекторию — это эффект Ярковского. Можно, наоборот, установить отражающую «заплатку», и тогда сдвигать астероид будет солнечное излучение. Еще один вариант — сбивать астероиды и кометы с пути к Земле мелкими кометами. Но, пожалуй, самая красивая идея — прикрепить к астероиду солнечный парус, чтобы его унесло в сторону от нашей планеты.
Ученым предстоит разработать и средства доставки на астероид вышеперечисленных средств: так, проектируемая российская ракета «Ангара» может доставить 500 кг полезного груза лишь до 66% известных потенциально опасных астероидов.
Цена вопроса
В любом случае цена защиты от астероидов окажется высока. Некоторые технологии, такие как ИК-телескопы, нам просто не продадут, а сеть оптических наземных телескопов завотделения Института астрономии РАН Лидия Рыхлова, например, оценила в 58 млрд рублей, которые, по ее мнению, правительству надо выделить в течение десяти лет под программу по поиску и наблюдению за метеоритами, несущими угрозу России. Масштаб названной суммы сразу вызвал разговоры об оправданности затрат. Так, астрофизик Сергей Попов, ведущий научный сотрудник Астрономического института имени Штернберга, считает, что наблюдение за астероидами размером менее 100 м в рамках каких-то отдельных, не ставящих других научных задач, программ смысла не имеет, потому что глобальной опасности они не несут. Отдельная же программа по их обнаружению задолго до столкновения (и тем более по их уничтожению) потребует несоразмерных задаче трат. Технологии воздействия на крупные астероиды во многом уже разработаны благодаря исследованию тел Солнечной системы, их и надо развивать. А обнаружение и слежение нужно всегда вписывать в рамки научных программ. «В идеале, — говорит ученый, — данные по таким астероидам и кометам должны быть побочным продуктом работы научной системы. Я сторонник международного — чтобы не дублировать — мониторинга неба с научными целями. Такая система будет давать и данные по мелким астероидам».
Борис Шустов считает, что Лидии Рыхловой не следовало называть точную сумму, но просит подождать с критикой, пока не будет разработан подробный план планируемых приобретений. А для кооперации со странами, мониторящими космическое пространство, уверен Шустов, России стоит предложить им адекватную поддержку.