Система противоастероидной
обороны
В СМИ началась очередная волна апокалиптических астероидных угроз и обсуждения
борьбы с ними, в которой тонут слабые голоса астрономов о малой вероятности
встречи астероида с Землёй. Вероятность встречи с крупным метеоритом действительно
мала, но совершенствование телескопов позволило оценить «населённость»
астероидного пояса и понять, что по паре-тройке таких встреч в столетие
всё-таки происходит (астрономы обнаружили в Солнечной системе около 33
тысяч ранее неизвестных астероидов, а также 20 новых комет).
Рис.1. Астероиды
Большинство астероидов
вращается вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера в «Главном поясе
астероидов», который сосредоточен на расстоянии 2,7 а.е. от Солнца. Два
«облака» ледяных астероидов, находящихся на орбите Юпитера под углом 60°
впереди и позади Юпитера, называются «Юпитерианскими троянами», а два аналогичных
объекта на орбите Марса, называются «Марсианскими троянами». Астероиды
главного пояса могут изменять свою орбиту в результате столкновения с другими
астероидами или кометами. Небольшие астероидные фрагменты (метеороиды)
сталкиваются с Землей каждый день (достигшие поверхности Земли – метеориты).
Хотя большинство астероидов главного пояса имеет размеры небольших камней,
16 из них имеют диаметр не менее 240 км, а Веста, крупнейший из астероидов,
имеет диаметр около 570 км.
Сейчас на
поверхности Земли выявлено 160 кратеров, возникших от столкновения с космическими
телами за последние 2 млрд. лет (более древние уже разрушились). Несколько
слов о самых примечательных:
50
тысяч лет назад, кратер Берринджера (Аризона), окружность 1230 м – метеорит
диаметром 50 м – самый первый кратер от падения метеорита, обнаруженный
на Земле;
35 млн. лет назад, кратер бухты Чесапик (Мэриленд), окружность 85 км –
метеорит диаметром 2-3 км;
37,5 млн. лет назад, кратер Попигай (Сибирь), окружность 100 км – метеорит
диаметром 5 км – кратер усыпан промышленными алмазами, которые возникли
в результате воздействия на графит чудовищных давлений в момент удара (возможно,
попигайский и чесапикский метеориты – осколки одного и того же крупного
астероида);
65 млн. лет назад, Чикксулубский бассейн (Юкатан), окружность 175 км –
метеорит диаметром 10 км (до недавнего времени этот метеорит считали причиной
гибели динозавров, сейчас так не считают);
1,85 млрд. лет назад, кратер Садбери (Онтарио), окружность 248 км – метеорит
диаметром 10 км – по периметру кратера найдены крупнейшие в мире залежи
никелевой и медной руды;
2 млрд. лет назад, купол Вредефорт (Южная Африка), окружность 378
км – от падения метеорита диаметром 10 км. Самый древний и (на момент катастрофы)
самый крупный из подобных кратеров на Земле.
Разумеется,
каждое такое падение имело глобальные последствия (землетрясения, цунами,
пыль в атмосфере). СМИ такие события привычно гиперболизируют, грозя истреблением
жизни на Земле, хотя за миллиарды лет этого не произошло. К тому же, гребни
этих СМИшных волн как-то уж слишком хорошо коррелируют с очередным пиком
гонки вооружений, поэтому нельзя исключить заказной характер публикаций,
но и нельзя сбрасывать со счетов и Сихотэ-Алинский метеорит, и, наконец,
Чебаркуль. Вот только в крайности не надо бросаться...
Рис. 2. Реконструкция орбиты «Челябинска»
(так назвали Чебаркульский метеорит)
Сейчас где-то
по аналогичной орбите летит Апофис и ещё несколько подобных «камешков»,
рассчитать орбиты которых пока не могут даже суперкомпьютеры. «Сбить
их с пути истинного» (то есть без встречи с Землёй) могут и Марс,
и Венера, да и Юпитер может «руку приложить».
Поэтому СМИшная шумиха, хотя и сильно преувеличенная, всё-таки имеет под
собой реальные основы.
Апофис был
открыт в 2004 году и сразу привлёк к себе внимание. По первым расчётам,
вероятность столкновения этого метероида с Землей в 2029 году составляла
0,027. Позже, однако, выяснилось, что 13 апреля 2029 года Апофис пройдет
на расстоянии 30-40 тысяч километров от Земли. После этого сближения траектория
небесного тела изменится таким образом, что в 2036 году произойдет повторное
сближение с нашей планетой.
Ещё одно «рандеву»
с Апофисом состоится в 2068 году, вероятность столкновения с Землей во
время которого – примерно 3 миллионных. Дальнейшее уточнение траектории
скорее всего приведёт к уменьшению этой вероятности. Диаметр Апофиса составляет
около 350 метров. Его падение, по разным подсчетам, будет эквивалентно
взрыву мощностью около 500 мегатонн ТНТ. Последствием падения будут цунами,
землетрясения, однако никаких долгосрочных эффектов (подобно ядерной зиме)
не ожидается – для этого Апофис слишком мал.
Что же предлагается
для защиты? По сути, вариантов всего два:
1. Направить
навстречу опасному «камешку» ракету
(или стаю ракет) с термоядерными зарядами и, взорвав их на его поверхности,
либо раздробить его, либо изменить скорость, чтобы он пролетел мимо (иногда
ещё предлагают запустить навстречу
«болванку»).
2. Облучить
лазерами для достижения тех же целей.
Оба способа
имеют один общий недостаток – непредсказуемый
результат: какой именно импульс получит «камешек» заранее предсказать
нельзя – и форма у них у всех неправильная,
и куда мы попадём относительно центра его тяжести тоже большой вопрос.
Да и пример Сихотэ-Алиня, расколотого атмосферой, тоже не впечатляет.
Рис. 3. Фрагмент
Сихотэ-Алинского метеорита массой 1745 кг
Сихотэ-Алинский метеорит – железный метеорит, разрушившийся при входе
в атмосферу и выпавший в виде метеоритного дождя. Общая масса осколков
оценивается в 60 – 100 тонн. Собрано более 3500 фрагментов общей массой
27 тонн. Крупнейший целый фрагмент имеет массу 1745 кг. Другие – 1000,
700, 500, 450, 350 кг и меньше. Он раздробился в атмосфере и выпал
железным дождём на площади 35 кв. км. Отдельные части метеорита рассеялись
по тайге на площади в виде эллипса с большою осью длиной около 10 км. В
головной части эллипса рассеяния, площадью около 1 кв. км, получившей название
кратерного поля, было обнаружено 106 кратеров и воронок диаметром от 1
до 28 м, причём глубина самой большой воронки достигала 6 м.
На конференции по изучению Луны и планет (Lunar and Planetary Science Conference),
проходившей в Хьюстоне, прозвучало, что взрывание астероидов может оказаться
неэффективным. Согласно полученным при моделировании данным, если взрыв
будет недостаточной силы, то куски астероида соберутся обратно под воздействием
сил гравитации в течение нескольких часов наподобие того, как показано
на рисунке 4. Дело в том, что при слабом взрыве фрагменты астероида будут
удаляться друг от друга слишком медленно, и гравитационное воздействие
успеет их «поймать».
Рис. 4. Сборка фрагментов астероида после взрыва. Изображение
авторов исследования
В настоящее время не разработано достаточно эффективных методов уничтожения
опасных для Земли метеороидов. Время
от времени различные исследовательские коллективы предлагают разные способы,
однако их действенность не проверяется на практике. Совсем недавно в Великобритании
предложили ещё один способ изменения траектории метеороидов
– схему гравитационного буксира. Буксир будет представлять собой аппарат,
массой около 10 тонн, который будет сближаться с опасными астероидами и
своим гравитационным полем «возмущать»
их траекторию движения, отводя от Земли. Вот только неясно, кто кого больше
«возмутит».
К тому же есть и ещё одна «заковыка». Старшее поколение помнит серию
популярных книг Перельмана («Занимательная
физика», «Занимательная астрономия»
и тому подобное), в которых ставились некоторые не тривиальные вопросы.
В частности, там был такой (в моём пересказе): «По
одной орбите друг за другом летят два космических корабля и космонавт второго
хочет перебросить на первый корабль некий небольшой предмет. В какую сторону
его нужно бросать?». Перельман убедительно показывает, что бросать
предмет нужно назад по отношению к направлению полёта.
Дело в том,
что даже небольшое увеличение скорости предмета при броске вперёд переведёт
предмет на более высокую, следовательно, более длинную орбиту, он неизбежно
отстанет, а следующее сближение произойдёт либо много оборотов спустя,
либо вообще не произойдёт никогда. Бросок же назад переведёт предмет на
более низкую и короткую орбиту и, спустя оборот, первый космонавт будет
догонять предмет и сможет его поймать (спецсачком!).
Так вот, результаты
импульсного торможения метеороида, даже предотвратив ближайшую его встречу
с Землёй, уменьшат эксцентриситет его орбиты, она станет более близкой
к земной и эпизодическая угроза превратится в периодическую. Спустя какое-то
время мы будем вынуждены снова его тормозить и так будет достаточно долго.
Метеороид нужно разгонять так, чтобы его орбита охватывала земную снаружи,
а на это ни первый, ни второй способы не способны. Взрыв сбоку вызовет
колебания, что ещё хуже.
Хорошо
было бы длительное контролируемое разгоняющее воздействие, но непрерывных
лазеров нужной мощности пока нет. Однако оказывается, что в таких лазерах
и нужды нет. В «Виртуальном мире» № 1 2014 г. уже был предложен
способ воздействия на метеороид для изменения его траектории, не требующий
ни самих лазеров, ни затрат энергии на их работу. Способ основан на применении
солнечного паруса с управляемым вектором тяги («Виртуальный
мир» № 2 2012 г.). Для создания системы противоастероидной обороны
необходимо в точках Лагранжа системы Земля-Луна 3, 4, 5 расположить по
такому парусу и в нужное время сосредотачивать концентрированное парусами
солнечное излучение на опасном объекте.
Рис. 5. Схема работы СПАО по Апофису
Солнечный парус
радиусом 50 м может сконцентрировать в своём луче до 12 МВт солнечного
излучения (в том числе, до 5 МВт тепловой компоненты). То есть на поверхность
опасного «камешка» будет ежесекундно
попадать от 3-х парусов до 15 МДж тепла, создавая локальный
«хвост»
паров материала метеороида. Конечно, «хвост»
будет расходящимся, но он будет исходить с облучаемой поверхности и поэтому
сможет создать необходимый импульс. По рисункам 2 и 5 видно, что метеороид
длительное время догоняет Землю, постепенно сближаясь с ней, и всё это
время доступен для облучения. Время воздействия может достигать нескольких
месяцев, при этом метеороид будет получать около 4*1013
Дж в месяц (эквивалент ~10 килотонн ТНТ). Но в отличие от взрыва ядерного
заряда вся эта энергия достанется поверхности метеороида, нагревая и испаряя
верхний слой.
Рис. 6. Схема элемента СПАО
Конечно, конструкцию
паруса придётся изменить – парусу для управления тягой достаточно полусферы,
а элемент СПАО должен покрывать как можно более полно весь телесный угол
(например, как на рис. 6). При надлежащем качестве концентрирующего и ориентирующего
зеркал (отражательной способности и отводе тепла) размеры паруса могут
быть и больше. А самое главное – в течение всего времени облучения по реакции
метеороида можно проводить корректировку воздействия, меняя точки наведения
лучей, следовательно, меняя точку приложения реакции «хвоста»!
Более того, облучая пролетевший мимо метеороид вдогонку, можно перевести
его на непересекающуюся с земной орбиту и сделать его безопасным в дальнейшем.
В оглавление