Проблема астероидно-кометной опасности, т. е. угрозы столкновения Земли с малыми телами Солнечной системы, осознается в наши дни как комплексная глобальная проблема, стоящая перед человечеством. В этой коллективной монографии впервые обобщены данные по всем аспектам проблемы. Рассмотрены современные представления о свойствах малых тел Солнечной системы и эволюции их ансамбля, проблемы обнаружения и мониторинга малых тел. Обсуждаются вопросы оценки уровня угрозы и возможных последствий падения тел на Землю, способы защиты и уменьшения ущерба, а также пути развития внутрироссийского и международного сотрудничества по этой глобальной проблеме.
Книга рассчитана на широкий круг читателей. Научные работники, преподаватели, аспиранты и студенты различных специальностей, включая, прежде всего, астрономию, физику, науки о Земле, технические специалисты из сферы космической деятельности и, конечно, читатели, интересующиеся наукой, найдут для себя много интересного.
Предисловие
В кругу наук астрономия занимает особое место. С одной стороны — это точная наука, в которой, по представлениям неспециалистов, исследования проводятся с высочайшей «астрономической» точностью. (Это, конечно, не всегда так. Например, в астрофизике и особенно в космологии серьезным достижением может иногда считаться оценка некоторого важного исследуемого фактора с точностью до порядка величины!) С другой стороны, астрономия — наука, имеющая ярко выраженный мировоззренческий характер. Список извечных проблем, уже сама постановка которых отличает вид homo sapiens от всего остального живого мира, включает вопросы, ответы на которые призвана дать (хотя бы частично) именно астрономия. Этот список включает представления, которые легли в основу множества религий и философий, и стали неисчерпаемым источником творческих идей для людей искусства и науки: происхождение и пути развития окружающего нас Большого Мира (т. е. Вселенной), происхождение жизни, множественность обитаемых миров, судьба нашей цивилизации и др. Астрономы, как и любые ученые, занимающиеся фундаментальной наукой, должны, конечно, прежде всего добывать новые знания о Вселенной, но на них лежит также обязанность перед обществом нести эти знания людям, причем в доступной форме. Природа, в том числе и природа человеческая, «не терпит пустоты», и если астрономы и другие ученые уклонятся от их долга постоянно бороться за высокий уровень человеческой культуры, шарлатанство обязательно заполнит этот вакуум. Поэтому даже в наш век узкой специализации, неизбежной при столь гигантском объеме накопленных и получаемых знаний, профессиональный ученый (астрономов это касается в первую очередь) не должен замыкаться в узком круге своих исследований, но обязан быть достаточно подготовленным по широкому кругу этих самых извечных проблем. Проблема астероидно-кометной опасности (АКО) из их числа.
В настоящее время тема АКО стала «модной» не только в Голливуде. Многие средства массовой информации заполнены материалами о близкой всемирной катастрофе из-за падения кометы или астероида (при этом часто ссылаются на сведения, якобы получаемые от астрономов). В мире науки внимание к проблеме АКО еще более заметно. На рубеже XX и XXI веков началась серьезная переоценка возможности столкновения Земли с малыми телами Солнечной системы. Эта проблема, которая долгое время была предметом изучения узкого круга специалистов, осознается в наши дни гораздо более широко (включая правительства ряда стран и ООН) как комплексная глобальная проблема, стоящая перед человечеством. (Под глобальными проблемами человечества сегодня понимают всеобщие, имеющие планетарный масштаб угрозы и противоречия в жизни общества, в том числе существовавшие частично или в неявном виде и ранее, и проявившиеся на современном этапе развития земной цивилизации в ходе процессов деятельности людей, а также в результате получения человечеством новых знаний [Шойгу и др., 1997].) Глобальных проблем, стоящих перед человечеством, много, и проблема АКО, несомненно, входит в их число.
Причина такой переоценки состоит в том, что на рубеже веков накопилась некоторая критическая масса фундаментальных знаний о населенности Солнечной системы малыми телами, о динамической и физической эволюции этого населения. Прорыв в этой области фундаментальных знаний происходит благодаря появлению новых наблюдательных технологий, проведению специальных программ наблюдений, осуществлению космических проектов по исследованиям малых тел Солнечной системы. Задачей фундаментальной науки здесь является получение новых знаний по проблеме АКО. Новые знания — это не только данные, получаемые в результате работ по обнаружению и выявлению свойств огромного числа декаметровых и гектометровых объектов в околоземном пространстве. Это и такие фундаментальные аспекты, как выявление причин возникновения резервуара тел с орбитами, сближающимися с орбитой Земли, и источников его постоянного пополнения, это и имеющая вполне практический интерес методика получения обоснованных оценок степени угрозы в каждом конкретном случае и т. д.
Отличия катастроф, обусловленных столкновениями малых тел с Землей, от других природных катастроф состоят в том, что, во-первых, не существует верхнего предела энергии, привносимой сталкивающимся с Землей телом. В принципе, под угрозой находится само существование жизни на Земле. Во-вторых, в отличие от многих природных катастроф, падение на Землю космического тела можно заранее предсказать и при наличии соответствующих технологий предупредить.
По теме АКО проводятся специальные конференции (по большей части международные), опубликованы тысячи научных статей и довольно много книг. В отечественной литературе можно отметить лишь несколько книг. Первая книга по теме — «Астероидно-кометная опасность», СПб.: ИТА РАН, ред. А. Г. Сокольский, 1996. Отличная популярная книга — «Угроза с неба: рок или случайность?» (М.: Космоинформ, ред. А. А. Боярчук, А. М. Микиша,
Глава 1
Что такое астероидно-кометная опасность?
1.1. Понятие астероидно-кометной опасности (АКО)
Современный мир подвержен многим опасностям природного и техногенного характера. Среди них — угроза падения небесных тел, точнее малых тел Солнечной системы, на Землю. Эти тела принято подразделять, в зависимости от размера и свойств, на межпланетную пыль, метеороиды, астероиды и кометы. Главный параметр, по которому проводится классификация, — размер тела. Характерные размеры для тел различных классов приведены на рис. 1.1 (см. вклейку).
Неопределенность используемых в научной литературе значений границ между некоторыми классами довольно велика. В последнее время к этому списку добавляют планеты-карлики, но эти тела, вообще говоря, не относятся к малым телам (см. раздел 2.1) и, кроме того, не имеют возможности столкнуться с Землей за оставшееся время жизни Солнечной системы. Это время ограничено как астрофизическими, так и небесно-механическими процессами. Согласно теории эволюции звезд, центральное тело Солнечной системы — Солнце не претерпит изменений еще в течение примерно 7 млрд лет. Затем Солнце превратится в огромную звезду — красный гигант, который поглотит все внутренние планеты. С другой стороны, Солнечная система устойчива в динамическом отношении на протяжении, по крайней мере, примерно 5 млрд лет для Земли и всех больших внешних планет [Холшевников, Кузнецов, 2007].
Сближаться с Землей при своем движении в пространстве и падать на Землю могут любые малые тела. Конечно, выпадение космической пыли, т. е. частиц от субмикронного до субмиллиметрового размера, не составляет для
Земли какой-либо реальной угрозы и вообще не оказывает сколько-нибудь значительного воздействия на нашу планету. Несмотря на часто появляющиеся в СМИ сообщения о том, что наша планета «раздувается и тяжелеет», прирост ее массы за счет выпадения вещества из космоса в настоящую эпоху ничтожен. Оценки притока метеорного вещества лежат в пределах 10–300 тыс. тонн в год (за миллион лет радиус Земли увеличивается в среднем всего лишь примерно на 1 мм!). Более крупные тела (метеороиды) проявляют себя при столкновении с Землей как сгорающие в атмосфере метеоры и болиды. Размеры таких тел, как правило, не превышают нескольких метров. Некоторые метеороиды долетают до поверхности Земли (на Земле их находят в виде метеоритов). Долетит или не долетит тело до поверхности Земли — зависит от многих параметров: размеров, состава, скорости, формы и структуры тела. Наиболее устойчивы к разрушению при пролете в атмосфере железные метеороиды. Значительная часть метеороидов, по-видимому, представляет собой довольно рыхлые тела, образующиеся в результате распада кометных ядер. Происшедший распад ядра кометы Швассмана — Вахмана 3 весной 2006 г. (астрономы различных обсерваторий насчитали свыше 60 новых фрагментов ядра кометы) стал наблюдаемым свидетельством того, что в образовавшемся метеорном рое содержатся тела размерами до нескольких сотен метров. Наличие крупных тел в метеорных и болидных потоках впервые выявлено в наблюдениях, начатых в ИНАСАН в начале 1990-х гг. (см. главу 5).
Существует распространенное мнение, что угроза, обусловленная падением метеоритов на Землю, малозначительна для людей, т. е. для вполне конкретных жителей Земли. Действительно, непосредственное попадание метеорита в человека — явление крайне редкое и при рассмотрении риска может практически не учитываться. Статистические оценки ущерба от падения метеоритов на Землю не очень точны, но в любом случае этот ущерб незначителен по сравнению с другими, куда более весомыми факторами риска. Стоит, например, вспомнить, что в России на дорогах в результате ДТП ежегодно погибает не менее 30 тыс. человек!
1.2. Астрономический аспект проблемы АКО
Вопрос об оценках значимости астероидно-кометной опасности связан, в первую очередь, с нашим знанием о населенности Солнечной системы малыми телами, особенно теми, что могут столкнуться с Землей. Такие знания дает астрономия. Человечество уже накопило огромный объем информации о малых телах. В главе 2 представлены общие сведения о малых телах, об их месте в эволюции Солнечной системы, о различиях, сходствах и взаимосвязях между ними. Поскольку Главный пояс астероидов, Транснептуновый пояс и облако Оорта считаются основными источниками объектов, поступающих в околоземное пространство, в этой главе мы уделим им особое внимание. Большой вклад в исследование проблемы АКО вносят свидетельства столкновений малых тел с планетами.
В последующих главах (главах 3–5) представлены более глубокие сведения о каждом классе малых тел. Основная часть этих знаний была получена методами наблюдательной астрономии.
Перед наблюдательной астрономией в плане изучения проблемы АКО стоят несколько задач. Прежде всего, необходимо выявить все достаточно крупные астероиды и кометы, определить их орбиты, а также регулярно пополнять каталог новыми объектами и их высокоточными орбитами. Это даст возможность своевременно определить, какие из небесных тел могут стать опасными космическими объектами, и оценить вероятность их столкновения или тесного сближения с Землей. Регулярные наблюдения таких объектов обеспечат уточнение их орбит и продление прогноза. Тем самым, появляется возможность предсказать столкновение достаточно крупного тела с Землей за много лет, что даст человечеству возможность заблаговременно принять соответствующие меры. Конечно, задачу выявить «все» такие тела не следует понимать в буквальном смысле. «Все» такие тела обнаружить невозможно, и можно говорить лишь о некоторой оценке. Например, в американском проекте Spaceguard Survey («Космическая стража») поставлена задача — «выявить не менее 90 % астероидов крупнее 1 км». Здесь под 90 % также понимается некоторая оценка.
Еще одно замечание относится к определению «достаточно крупные». Это определение следует относить к телам, представляющим в смысле АКО наибольшую угрозу. Если суммировать детальную информацию о частоте падения и ущербе от падения тел данного размера, представленную в главах 8 и 9, то можно сказать, что на шкале времени существования человечества (∼ 10
Поиск движущихся по столкновительным траекториям опасных объектов — задача огромной сложности. Решение этой задачи потребует организации патрулирования всего неба, но при этом с поверхности Земли принципиально не удастся обнаружить те тела, которые движутся со стороны Солнца и не видны на ярком фоне дневного неба. Кроме того, большое значение имеет погодный фактор. Поэтому наиболее полное решение проблемы обнаружения большинства потенциально опасных небесных тел может быть получено лишь с привлечением специальных космических средств наблюдения. В главе 6 подробно рассматриваются существующие и проектируемые средства наблюдений как наземного, так и космического базирования.
1.3. Геофизический аспект
Столкновения небесного тела с Землей — это целый комплекс процессов. Сначала небесное тело встречается с атмосферой Земли, которая оказывает существенное воздействие на тело, вызывая его торможение, нагрев и разрушение. Науку, занимающуюся изучением метеорных потоков, прохождения в атмосфере Земли метеороидов, определенная часть которых не сгорает в земной атмосфере, а падает на земную поверхность в виде «небесных камней» (метеоритов), иногда называют метеорной астрономией, хотя часть этих вопросов — предмет изучения методами других наук: геофизики, в том числе физики атмосферы, и др.
Небесные тела, имеющие малые размеры, полностью сгорают в атмосфере и не оказывают никакого воздействия на поверхность Земли. Тела большего размера способны пройти сквозь атмосферу и достичь поверхности с космическими скоростями. При падении на сушу образуется кратер и генерируются сейсмические волны. При падении на водную поверхность могут образовываться цунами.
В процессе прохождения атмосферы Земли небесное тело размером менее 10 м потеряет свою скорость и при падении на поверхность будет способно причинить ущерб лишь на площади, соизмеримой со своим размером, — поразить человека, животное, автомобиль или здание. Небесные тела большего размера — начиная с диаметра 50 м — способны причинить значительно более серьезный ущерб. Они могут или «взорваться» в нижних слоях атмосферы, как Тунгусское тело, или, достигнув поверхности, образовать кратер и произвести разрушения на площади в тысячи квадратных километров. Энергия таких взрывов и ударов эквивалентна взрыву водородной бомбы мощностью более 10 Мт. Катастрофу такого рода можно назвать
локальной
. Небесное тело диаметром от нескольких сотен метров до 1,5 км при падении на Землю проходит сквозь все слои атмосферы, практически не потеряв скорости, и врезается в поверхность (суши или океана) с огромной энергией. Последствия такого удара подобны крупнейшим землетрясениям, «взрывам» вулканов или «ограниченной ядерной войне». На суше при этом образуются ударные кратеры. В океане при таком падении, кроме кратера на дне, образуются грандиозные волны — цунами. Разрушения и пожары могут охватить миллионы квадратных километров (вплоть до целого материка). Катастрофу такого рода можно назвать
Начиная с некоторого порогового значения эквивалентной мощности, которое оценивается величиной 2 10
В табл. 1.1 сведены оценки частоты и результатов столкновений малых тел.
1.4. Немного истории
Процессы столкновения малых тел с другими телами Солнечной системы, точнее их последствия (например, ударные кратеры на Луне и на Земле) изучались уже на протяжении столетий. Однако целенаправленное изучение небесных объектов, способных сближаться с Землей или даже сталкиваться с ней — сравнительно молодая отрасль астрономии. Это обусловлено тем, что, как уже отмечалось, осознание проблемы АКО как одной из глобальных проблем, угрожающих цивилизации, произошло всего лишь около 20 лет тому назад.
О существовании комет, способных проникать внутрь земной орбиты, было известно давно. Но правильному представлению о возможных последствиях столкновений Земли с кометами мешали господствовавшие представления о кометах как о роях пыли и газа. Как правило, считалось, что при сближении (столкновении с кометой) могут произойти массовые отравления жителей Земли. Только в 50-х гг. XX в. была предложена ледяная модель кометного ядра, состоящего из замерзших газов и вмороженных в лед частиц твердого вещества. Другими телами, которые в принципе могли угрожать Земле, считались астероиды.
Еще 80 лет назад полагали, что все орбиты астероидов находятся в пределах так называемого Главного пояса астероидов, т. е. между орбитами Марса и Юпитера. Однако в 1932 г. был открыт первый астероид, орбита которого имела перигелийное расстояние меньше среднего радиуса орбиты Земли, т. е. в принципе его орбита допускала возможность сближения астероида с Землей. Этот астероид вскоре был «утерян» и вновь открыт в 1973 г. Он получил номер 1862 и имя Аполлон. В 1936 г. на расстоянии 2 млн км от Земли пролетел астероид Адонис, а в 1937 г. астероид Гермес пролетел на расстоянии 750 тыс. км от Земли. Гермес — двойной астероид с диаметром компонентов почти 1,5 км, был открыт всего за 3 месяца до его максимального сближения с Землей. После пролета Гермеса астрономы начали осознавать научную проблему астероидной опасности.
К 70-м гг. XX в. на разных обсерваториях был открыт первый десяток тел, орбиты которых либо лежат внутри орбиты Земли, либо подходят близко к ней. В 1973 г. в Паломарской обсерватории (США) был начат целенаправленный поиск тел, сближающихся с Землей. Наблюдения в основном проводились с 46-см фотографической камерой Шмидта. В течение года выполнялось до 2000 фотографий отдельных участков неба, на которых обнаруживалось в среднем свыше десяти астероидов с быстрым движением, свидетельствующем об их принадлежности к астероидам, сближающимся с Землей (АСЗ).
С 80-х гг. XX в. в астрономии стала использоваться другая, более прогрессивная техника наблюдений, сменившая фотографию. Это микроэлектронные приемники излучения (ПЗС-матрицы, т. е. приборы с зарядовой связью). Первые опыты по использованию ПЗС-приемников для слежения за малыми планетами и поиска неизвестных объектов были начаты Т. Герелсом в 1983 г. в обсерватории Стьюарда Аризонского университета (Китт Пик, США). В течение последующего десятилетия группа Герелса с помощью 91-см телескопа Spacewatch обнаружила около половины всех открытых за этот период АСЗ. К настоящему времени астрономические наблюдения с помощью ПЗС-камер уже полностью вытеснили фотографию при наблюдении малых тел.
1.5. Современное состояние исследований по проблеме АКО
Что же нам известно о современном уровне угрозы? Прежде всего дадим некоторые определения. Под
объектами, сближающимися с Землей
(ОСЗ), понимают астероиды и кометы, орбиты которых имеют перигелийные расстояния q < 1,3 а.е. Среди них выделяют
потенциально опасные объекты
(ПОО), под которыми понимают тела, чьи орбиты в настоящую эпоху сближаются с орбитой Земли до минимального расстояния, не превышающего 0,05 а.е. (7,5 млн км). Основанием для того, чтобы считать тела на орбитах,
проходящих от Земли на расстояниях до 20 радиусов лунной орбиты, потенциально опасными, является то обстоятельство, что в таких пределах можно ожидать изменения расстояний между орбитами в обозримом будущем (на протяжении столетия) под влиянием планетных возмущений, а также в связи с ошибками определения элементов орбит. При весомой вероятности встречи астероида с Землей он считается
угрожающим
. К угрожающим можно условно отнести АСЗ, пролетающие мимо Земли на расстояниях, меньших среднего радиуса лунной орбиты.
Число известных ОСЗ и ПОО быстро растет. По данным НАСА на 1 июня 2010 г. было зарегистрировано 7083 объектов, сближающихся с Землей, в т. ч. 6998 астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), и 85 комет. Из них потенциально опасных объектов — 1125. Из этого числа 145 ПОО имеют размер более 1 км.
Понятно, что столкновения с астероидами рассматриваются как более частые события. Только около 0,4 % тесных (до 0,2 а.е.) сближений известных объектов с Землей приходятся на периодические кометы. Шесть из двенадцати известных прошедших сближений активных комет с Землей до 0,102 а.е. приходились на периодические кометы (см. приложение 2). Поэтому доля тесных сближений активных комет с Землей (среди сближений всех тел) составляет около 1 %. Однако число неактивных («потухших») комет может быть значительно больше, чем активных. Неактивные кометы по своим наблюдаемым свойствам могут почти не отличаться от астероидов, так что к приведенной выше статистике нужно относиться, имея в виду это обстоятельство.
