Астероидная опасность: суть и состояние проблемы (стр. 1 )

АСТЕРОИДНАЯ ОПАСНОСТЬ: СУТЬ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Eсли однажды астероид столкнется с Землей, уничтожив при этом не только человеческий род, но и миллионы других видов живых существ, а мы, имея возможность предотвратить катастрофу, не сделаем этого из-за отсутствия решимости, неправильных приоритетов, неверной оценки риска или несовершенного планирования, то пренебрежение нашим даром разумного предвидения и ответственности за собственную жизнь и все живое на Земле явится величайшим актом самоотречения во всей человеческой истории.

(Из Меморандума Американского института аэронавтики и астронавтики, окт. 1990 г.)

1. ВВЕДЕНИЕ

Наряду с другими проблемами выживания человечества в современную эпоху в последние годы очень серьезно заявила о себе проблема астероидно-кометной опасности. Накопление и осмысление новых наблюдательных данных и теоретических оценок о малых телах Солнечной системы, обнаружение следов все большего числа космических катастроф на земной поверхности, новые факты о катастрофических столкновениях в Солнечной системе в настоящее время - все это произвело существенный сдвиг в восприятии научными кругами и общественностью той реальной опасности, которую представляют собой столкновения крупных космических тел с Землей. Все больше возрастает понимание того, что падения крупных космических тел на Землю играли очень важную роль в развитии жизни на Земле в прошлом и могут оказать решающее влияние на нее в будущем. Важнейшая роль в этом процессе принадлежит популяции астероидов, находящихся на нестабильных орбитах с перигелийными расстояниями, не превышающими q = 1.3 а. е. (а. е. - астрономическая единица, используется для измерения расстояний в Солнечной системе, она равна среднему расстоянию Земли от Солнца 149,6 млн. км).

Как известно, кроме астероидов главного пояса, орбиты которых находятся между орбитами Марса и Юпитера, существует популяция астероидов, обращающихся вокруг Солнца по довольно вытянутым и нестабильным орбитам, которые сближаются с орбитой Земли и могут ее пересекать. К настоящему времени обнаружено свыше 7750 астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ). Это астероиды так называемых групп Амура, Аполлона и Атона, физические свойства которых почти не отличаются от астероидов главного пояса соответствующих размеров (более подробно см. статью на стр. ……). Они имеют в основном такой же минералогический состав, такие же в среднем оптические свойства поверхностей, форму, вращение, как и астероиды главного пояса. Основные отличия - это их орбиты и относительно малые размеры. Крупнейший из них, астероид 1036 Ганимед, имеет диаметр около 40 км, еще два АСЗ (433 Эрос и 3552 Дон Кихот) поперечником 15-20 км, однако эти три крупнейшие АСЗ относится к астероидам группы Амура, которые только приближаются, но не пересекают орбиту Земли. Среди же астероидов, пересекающих орбиту Земли (объекты групп Аполлона и Атона, q £ 1,017 а. е.), крупнейшим является 1866 Сизиф диаметром около 9 км.

В последние два десятилетия эти объекты Солнечной системы стали предметом особого интереса. С точки зрения фундаментальной науки, такие вопросы, как происхождение АСЗ, механизмы их перевода на орбиты, сближающиеся с земной, время жизни на этих орбитах, связь с другими малыми телами Солнечной системы (кометами и метеоритами) и пр., представляются очень важными для решения основной проблемы изучения ближнего космоса - проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы. С другой стороны, изучение этих объектов в последние годы приобретает также очень важное прикладное значение. АСЗ все больше рассматриваются как потенциальные источники металла и другого минерального сырья (Fe, Ni, Mg, Al, Si, H2O, N, C, O и др.) в околоземном космическом пространстве. Значительная часть АСЗ содержит летучие вещества (водород, азот, углерод) в концентрациях в 100 раз более высоких, чем лунное вещество. Как показывают данные радарных наблюдений [6], среди АСЗ имеются объекты чисто металлические. Косвенным подтверждением тому является, например, Сихотэ-Алинский метеорит (94% Fe и 6% Ni), упавший в Уссурийской тайге в 1947 году. Общий вес его по оценкам специалистов составил около 100 тонн (собрано примерно 30 тонн). Примерно пятая часть АСЗ является энергетически более достижимой для космических аппаратов, чем Луна. Есть проекты разработки АСЗ с целью использования их полезных ископаемых для осуществления космических миссий. По-видимому, перспективу начала разработки минеральных ресурсов АСЗ высокоразвитыми странами (США, Япония, Западная Европа) можно связывать с первой половиной XXI века. И, наконец, резкое возрастание в последнее время интереса к изучению АСЗ связано прежде всего с проблемой астероидной опасности. Эта опасность существует на протяжении всей истории человечества, однако осознание ее реальности в полной мере происходит только в настоящее время.

2. ОБЩЕЕ ЧИСЛО АСЗ. ВЕРОЯТНОСТЬ И ЧАСТОТА СТОЛКНОВЕНИЙ С ЗЕМЛЕЙ

Популяция АСЗ может быть аппроксимирована степенным законом

N(>D км) = k D-b

с параметрами b=1.95 и k=1090 [4], который отражает общее возрастание числа астероидов N с уменьшением их размера. Если диаметр астероида D выразить в километрах, то параметр k дает число объектов размером D³1 км. С учетом погрешности аппроксимации число объектов АСЗ-популяции размерами 1 км и более оценивается равным 1090±180, что неплохо согласуется с предыдущей оценкой других авторов (960±120). Рис.1 содержит оценки общего числа астероидов N(D), сближающихся с Землей, в зависимости от их размеров (см. линейную пунктирную зависимость, шкала слева) [3]. Согласно этим данным, существует около 103 АСЗ диаметром 1 и более км и около 200–300 тысяч, диаметры которых превышают 100 м. Сплошная линия на этом графике, отклоняющаяся от линейной зависимости к N~104, показывает число обнаруженных и каталогизированных к настоящему времени АСЗ. Таким образом, разность между этими двумя зависимостями дает число астероидов для данного значения диаметра, которые существуют, но еще не обнаружены. Из графика хорошо видно, что крупнейшие астероиды диаметром вплоть до 1 км обнаружены почти все (обе кривые совпадают). В то же время нетрудно оценить, что доля обнаруженных АСЗ-объектов диаметров в 100 м составляет всего около 3%. А столкновение с Землей каждого из них и им подобных объектов (десятки и сотни метров в поперечнике) - это реальная опасность для человечества.

Астрономы умеют рассчитывать эволюцию орбиты любого из известных АСЗ на десятки, сотни и более лет вперед для того, чтобы вовремя предсказать возможное столкновение его с Землей. И это делается для каждого вновь открытого АСЗ. Однако проблема состоит в том, что к настоящему времени обнаружены и каталогизированы еще даже не все АСЗ крупнее 1 км и, тем более, астероиды меньших размеров. А это значит, что нет оснований быть уверенными в том, что столкновение с достаточно крупным, то есть, опасным объектом не может произойти в ближайшее время. Вот в этом, собственно, и состоит суть проблемы «Астероидная опасность». Цель этой статьи – не запугать читателя, а показать, что есть на самом деле, то есть, существующую реальность. Забегая несколько вперед, хочется подчеркнуть, что ситуация совсем не безнадежная и совсем не такая, как была 15-20 лет назад, а существенно лучше, причем улучшается с каждым днем. Но об этом немного ниже.

Вероятность столкновения с Землей любого из АСЗ-объектов размером в десятки метров и крупнее пренебрежимо мала. Однако в силу большого их числа частота столкновений достигает конечной величины. На рис. 1 частота столкновений в зависимости от размера АСЗ (т. е., средний интервал в годах между столкновениями) указана на шкале справа. Это примерно одно столкновение за миллион лет для астероидов диаметром 1 км и одно - за сто лет для астероидов, имеющих диаметры порядка 30 м. Частота столкновения тел, подобных Тунгусскому (около 60 м в диаметре), составляет 1/500, то есть одно столкновение за пятьсот лет. На этом рисунке указана также энергия падающего тела, рассчитанная в мегатоннах ТНТ (1 Мт = 4,2×1022 эрг) для плотности каменных метеоритов (3,5 г/см3) и средней скорости столкновений 20 км/с (верхняя шкала).

Как показывают оценки, поток коротко - и долгопериодических комет, которые могут сталкиваться с Землей, в сумме составляет не более 1-2% от популяции АСЗ. Таким образом, вклад кометных ядер в проблему астероидно-кометной опасности из-за их относительно малой численности и малой плотности их вещества (средняя плотность ~0.5 г/см3) можно считать незначительным.

3. ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ. СТЕПЕНЬ РИСКА

Расчеты и результаты испытаний ядерного оружия показали [5], что минимальная масса астероида, способного вызвать глобальные катастрофические изменения климата, фауны и флоры на Земле, составляет несколько десятков миллиардов тонн (~5´1010 тонн), что соответствует пороговому диаметру такого астероида Dmin = 1-2 км. Столкновение Земли с такой массой приведет к взрыву, тротиловый эквивалент которого составляет 1 млн Мт (50 млн. "Хиросим"). Выброс вещества из кратера примерно в 1000 раз превысит объем падающего тела, что может вызвать эффект "ядерной зимы": пыль и сажа, поднятые в атмосферу, поглотят солнечное излучение, в результате чего резко снизится температура на поверхности Земли, произойдут глобальные изменения в экологии, что может привести к гибели значительной части урожая и населения Земли в течение нескольких месяцев или лет. Глобальная катастрофа особенно страшна тем, что ни одна нация или правительство не будут в состоянии оказать помощь другим странам, поскольку бедствие охватит всю планету. Человеческая цивилизация в том виде, которого она достигла за несколько тысяч лет своего развития, может прекратить свое существование.

Тела размером в сотни метров (не кометной природы) преодолевают земную атмосферу без особой фрагментации. Основная энергия выделяется при ударе о твердую или жидкую поверхность Земли. Диаметр образующегося кратера превышает размер падающего тела в 15-20 раз, а площадь зоны поражения S как при атмосферном взрыве, так и на поверхности, выраженная в гектарах, может быть оценена по формуле [2]: