Астероиды-убийцы и защита от них

Астероиды это космические тела Солнечной системы, выделенные в особую группу из-за своих орбит и размеров. Значительная часть астероидов находится в главном поясе между орбитами Марса и Юпитера на расстояниях 2,2 – 3,2 астрономических единиц (а.е.). Основная масса астероидов обращается на окраинах Солнечной системы, в так называемом поясе Койпера, на расстояниях 30 – 50 а.е.

И в главном поясе, и в поясе Койпера содержатся астероиды самых разных размеров и форм. Самые маленькие имеют размеры десятки метров, самые большие, такие как Церера и Паллада, достигают 950 и 550 км соответственно. Столь большой разброс в размерах астероидов связан с особенностями их образования на ранней стадии формирования Солнечной системы.

Принято считать, что астероиды сформировались приблизительно 4,5 миллиарда лет назад из планетезималей (того же строительного материала из которого образовались все планеты Солнечной системы). Особую роль в их эволюции  сыграл Юпитер. Сильное гравитационное поле Юпитера перестроило орбиты праастероидов  и вызвало частые столкновения между ними. Из-за дробления и действия гравитации Юпитера эти малые небесные тела так не смогли сформироваться в единое космическое тело. Они продолжили существование в виде космического мусора, оставшегося после завершения грандиозной стройки мироздания под названием «Солнечная система».

В силу ряда причин астероиды время от времени сближаются с Землей и сталкиваются с ней. В зависимости от траекторных и габаритных характеристик астероидов эти столкновения могут носить разрушительный характер. Чтобы лучше понять опасность встречи Земли даже с рядовым по размерам астероидом проведем простые оценки. Предположим, что астероид размером в 100 м из хондрита и относительной скоростью 25 км/с приближается к Земле. Кинетическая энергия такого астероида составляет ≈ 2ˑ10¹⁸ Дж. При столкновении с Землей она вся перейдет в энергию взрыва, эквивалентную взрыву термоядерной бомбы мощностью в 480 МГт (480 миллионов тонн тротила). Нетрудно представить последствия такого взрыва, сопоставляя его с страшными разрушениями, произведенными атомными бомбами в Хиросиме и Нагасаки мощностью всего лишь в 40 Кт.

Астероид в 100 метров был выбран нами в качестве репера только потому, что используя его данные легко оценить энергию столкновения произвольного астероида с Землей. Для этого достаточно умножить 480 МГт на куб отношения характерных размеров произвольного астроида в метрах к 100 метрам. Конечно, полученная оценка будет справедлива только для астероидов, движущихся с относительной скоростью 25 км/с. Для других скоростей полученное число надо умножить на отношение квадратов скоростей.

Чаще всего к Земле подлетают астероиды сравнительно небольших размеров, однако и их взрывы в атмосфере и на поверхности Земли производят очень сильные разрушительные эффекты. В памяти людей еще живы события, связанные с падением астероида в районе реки Тунгуска в 1908 году. В результате взрыва этого астероида на высоте более 10 км были повалены и обожжены деревья на площади более 2000 км² и выбиты стекла в домах в радиусе 300 километров от эпицентра. По оценкам специалистов размеры Тунгусского астероида составляли около 60 метров, а мощность взрыва около 40 МГт.

Совсем недавно в 2013 году над Челябинском взорвался астероид, значительно уступавший по габаритам Тунгусскому. По оценкам специалистов он имел размер 18 м и вошел в атмосферу со скоростью около 19 км/c. Мощность взрыва этого астероида на высоте 40 км составляла 300 – 500 Кт. В результате того, что взрыв произошел на большой высоте, от него пострадало всего лишь 1615 человек, причем летальных исходов не было.

Гораздо трагичнее сложилась судьба людей, оказавшихся в зоне взрыва астероида в окрестностях библейского города Содома. По древним преданиям города Содом и Гоморра были испепелены ужасным небесным огнем в наказание за прегрешения, в частности, за распутство. Долгое время ученые обходили вниманием библейский феномен. Когда же они заинтересовались им серьезно, то пришли к выводу, что приблизительно в 1650 году до новой эры над Содомом произошел взрыв ледяного астероида размером 50 м и мощностью около 40 МГт. В пользу такого вывода говорят археологические и химико-минералогические исследования, проведенные в Телль-эль-Хаммаме (Иордания), где предположительно находились города Содом и Гоморра. При раскопках в Телль-эль-Хаммаме были найдены образцы оплавленной керамики и крошечные диамониды. Эти материалы по заключению ученых могли образоваться только в результате мощной световой вспышки, аналогичной той, что происходят при ядерном взрыве. Источником такой вспышки как раз и мог быть астероид, взорвавшийся над Содомом и Гоморрой. Помимо уничтожения названных городов сильная ударная волна взрыв предположительно  разрушила стены еще одного библейского города — Иерихона.

Гораздо более впечатляющие свидетельства катастрофических столкновений астероидов с Землей хранит не человеческая память, а поверхность Земли. Одним из таких свидетельств является кратер в штате Аризона (США). Этот кратер остался после поверхностного взрыва астероида, происшедшего 50000 лет назад. После взрыва на поверхности Земли образовалась воронка диаметром 1,2 км и глубиной 230 м. По оценкам специалистов перед взрывом Аризонский астероид двигался со скоростью 45 – 60 тысяч километров в час, имел массу 300000 т и размер 50 м.

Размеры воронки в Аризоне, конечно, впечатляют, но она не сопоставима по размеру с кратерами, произведенными взрывами по-настоящему больших астероидов. Примерами таких кратеров являются  гигантские воронки, обнаруженные в Юкатане (Мексика) и Вредерфорде (ЮАР). Диаметр первой из них составляет 180 км, диаметр второй – 300 км. Кратер в Юкатане образован астероидом с размерами около 10 км, врезавшимся в Землю 65 миллионов лет назад, кратер в Вредерфорде астероидом с размерами 10 – 15 км, взорвавшимся 2 миллиарда лет назад. С падением первого астероида связывают гибель динозавров в Меловом периоде, с падением второго связывают глобальные геофизические и биологические изменения, происшедшее в Протерозойскую эру.  

Возникает естественный вопрос – почему при падении десятикилометровых астероидов происходит столь страшные глобальные последствия, ведь размеры таких астероидов не сопоставимы с размерами Земли. Ответ на этот вопрос прост – все объясняется большим импульсом и кинетической энергией астероидов, порождаемых их высокой скоростью. Именно эти параметры определяют механику столкновения астероида с Землей и сопровождающие их эффекты. А такими являются:

1. Мгновенное превращение запасенной в астероиде кинетической энергии в тепловую энергию взрыва.
2. Формирование огненных смерчей на больших территориях, сравнимых с континентами, в случае десятикилометровых астероидов.   
3. Выброс большого количества мелкой пыли (в случае десятикилометровых астероидов речь идет о триллионах тонн) на большие высоты.
4. Формирование сильных и сверхсильных ударных волн в коре Земли.
5. Образование гигантских цунами в случае падения астероида в океан.

Перечисленные эффекты не только вызывают катастрофические пертурбации в атмосфере и на суше, но и провоцируют проявление ряда кратковременных и долговременных последствий. При падении десятикилометровых астероидов на больших территориях возникают сильные землетрясения и масштабные извержения вулканов. Они сопровождаются выбросом в атмосферу огромного количества  ядовитых веществ: сероводорода, серного и сернистого газов, углекислого и угарного газов, сероводорода, оксидов азота, метана и других. Все эти газы, перемешавшись с воздухом, создадут не пригодную для дыхания животных газовую среду. Смешиваясь с водой, они образуют соляный концентрат уже убийственный для растений.

Еще один убийственный  эффект падения больших астероидов связан с развитием «астероидной» зимы. Причиной такой зимы может быть сильная запыленность земной атмосферы, резко уменьшающая поток солнечного света, способного достигнуть поверхности Земли. Оценки показывают, что глобальное падение температуры на Земном шаре может составить более 20 градусов при падении десятикилометрового астероида.

Итак, имеется убедительный доказательный материал, который показывает, что падения астероидов представляют большую опасность не только для значительных по площади обжитых территорий, но и для всего человечества и всей земной жизни в целом. Также имеется достаточно обоснованный статистический материал, который позволяет оценить  вероятность столкновения Земли с астероидами разных размеров. В таблице 1 приведены данные по размерам астероидов, их количеству, периодичности появления и возможных последствий с0толкновения с Землей, взятые из статьи «Астероидная угроза» Фесенковского астрофизического института:

Размер	Оценка количества	Периодичность	Возможные последствия столкновения
30 м	3 млн.	150 лет	Взрыв в атмосфере; образование небольшого кратера; разрушение зданий и некоторое количество раненых и/или погибших
100 м	50 тысяч	10000 лет	Кратер диаметром 1-2 км; локальные разрушения; большое количество погибших и раненых
300 м	7000	70000 лет	Кратер в несколько км диаметром; катастрофа регионального/национального уровня; миллионы погибших
1 км	1000	500000 лет	Глобальные эффекты; частичное уничтожение человеческой цивилизации
10 км	3	100 млн. лет	Конец человеческой цивилизации

Как видно из таблицы 1 всегда имеется определенная вероятность того, что Земля может подвергнуться бомбардировке астероида угрожающих размеров. По этой причине уже более 30 лет в разных странах существуют астрономические службы и сообщества, занятые отслеживанием опасных астероидов. Задача эта не простая. Из-за сравнительно малых размеров (по сравнению с планетами и планетоидами) астероиды очень сложно наблюдать с помощью телескопов. Из-за этого, в частности, не был заранее обнаружен Челябинский астероид. С занесенными в астрономические каталоги астероидами также есть проблемы. Из-за влияния гравитационного поля Юпитера они могут менять параметры своих траекторий и появляться в зонах наблюдения в другое время и в другом месте. И, конечно, самые большие трудности связаны с обнаружением астероидов, прилетающих из пояса Койпера. Нередко такие астероиды оказываются по-настоящему новыми, не пролетавшими ранее в окрестностях орбиты Земли. Таким образом, есть некоторая вероятность того, что какой-то астероид пролетит на угрожающе близком расстоянии от Земли. Будет хорошо, если такое рандеву завершится безопасно. В противном случае необходимо точно просчитать его траекторию и возможное место падения и предупредить людей об ожидающих их опасностях.  Раннее предупреждение об астероидной угрозе, естественно, значительно снизит потенциальный ущерб от взрыва астероида, но не отвратит сам факт столкновения астероида с Землей.

Подобный подход, за не имением других средств, оправдан только в случае астероидов с размерами меньшими 30 метров, подобных челябинскому. Он совершенно не годится для астероидов, чьи размеры значительно превышают 30 м. В этом случае необходимы другие решения, связанные с активной защитой: изменением траектории астероида или его разрушением. Такие решения в принципе достижимы, но не просты в реализации. Рассмотрим вначале решение, связанное с корректировкой траектории с помощью работы ракетных двигателей, установленных на астероиде. В этом случае основная проблема связана со значительными затратами топлива необходимого для увода астероида на безопасное отклонение. Нетрудно получить простую формулу, связывающую отклонение и затраты топлива для прямолинейного движения астероида (подобное предположение справедливо только для небольших расстояний по сравнению с межпланетными). Она имеет следующий вид:

где М – масса топлива, ρ, l и v – удельная плотность материала, характерный размер и скорость астероида, d – безопасное расстояние в момент наибольшего сближения астероида с Землей, L – расстояние от Земли до астероида в момент работы ракетного двигателя. Подставляя в формулу значения параметров: ρ = 4,0ˑ10 ³ кг/м³ , l = 30 м, v = 25000 м/с, d = 30ˑ10⁶ м и L =10⁹ м, получим М = 25000 т.

Понятно, что доставить такое количество химического топлива на расстояние L = 1.0 млн. км практически невозможно. Ситуацию значительно облегчает выбор L = 10 млн. км или L = 100 млн. км. В этом случае понадобятся запасы топлива в 2500 т и 250 т, однако перехват астероидов придется осуществлять с помощью орбитальных перехватчиков, вращающихся вокруг Солнца на значительном удалении от Земли. С учетом сложностей создания таких перехватчиков и доставки к ним топлива идея ракетной корректировки траекторий астероидов с размерами 30 метров представляется трудно разрешимой.

Теперь рассмотрим кинетический метод коррекции траектории астероида. Он состоит в следующем. К астероиду подлетает достаточно массивный космический аппарат и за счет столкновения передает ему значительный поперечный импульс, делающий траекторию астероида безопасной. Для нахождения массы такого кинетического ударника также можно воспользоваться формулой (1), но только теперь в знаменателе будет стаять не скорость истечения реактивной струи, а скорость космического тарана. Взяв эту скорость равной 20 км/с, а остальные величины теми же, что в предыдущем расчете, найдем массу космического тарана, требуемую на отклонение астероида на 30000 км. Она составит более 3500 т. Это значительно меньше 25000 т, но тоже достаточно много, чтобы без проблем ускорить данную массу до скорости в 20 км/с. С технической стороны это даже более сложно, чем доставка 25000 т топлива на расстояние в 1,0 млн. километров. Таким образом, и реактивный, и кинетический способы изменения траектории астероида остаются возможными, но труднореализуемыми способами предотвращения астероидной угрозы. Для астероидов больших размеров, например 100 м, оба способа становятся практически невозможными, даже в случае резкого снижения минимального расстояния сближения астероидов с Землей d. Что само по себе чревато непредвиденными последствиями из-за трудностей точного прогнозирования траектории движения астероида вблизи Земли.

Из сказанного выше следует только одно – для предотвращения падения на Землю астероидов с размерами большими 30 м следует использовать более эффективные технологии. Такими технологиями могут быть ядерные взрывы. Как показывают результаты наземных испытаний атомных и термоядерных бомб, ядерные взрывы сопровождаются следующими эффектами:

• Образуются большие воронки (подобные астероидным) в эпицентре взрыва.
• Происходят мощные реактивные выбросы вещества из зоны взрыва.
• Возникают сверхсильные ударные импульсы внутри твердых пород.
• Возникают масштабные разрушения твердых пород в зоне взрыва.

В качестве иллюстрации приведем данные по воронке диаметром 200 м и глубиной 40 м, образованной термоядерным мощностью в 3 МГт. Как видно из приведенных чисел, взрыва ядерной боеголовки мощностью в 3 МГт достаточно не только для гарантированного уничтожения стометровых, но и разрушения трехсотметровых астероидов. С учетом того, что радиусы воронок ядерных взрывов пропорциональны корню кубическому из их мощности, нетрудно оценить мощность взрыва, требуемую для разрушения астероида с размерами в один километр. Она составляет несколько сотен мегатонн. При взрыве такой мощности астероид с большой вероятностью распадется на менее крупные фрагменты. Часть фрагментов при этом получит дополнительный поперечный импульс, который уведет их от Земли. Другая часть будет нуждаться в дополнительном подрыве и корректировке траекторий.   

При ядерном подрыве помимо разрушения астероида происходит передача ему значительного по величине импульса отдачи за счет выброса большой массы грунта из воронок. По сути дела ядерный взрыв выступает в роли импульсного ракетного двигателя большой силы тяги. Как показывают оценки, импульс отдачи способен изменить траекторию километровых астероидов, сделав их безопасными. Главная трудность при ядерных подрывах километровых астероидов связана с дозированием мощности взрыва.  Необходимо воздействовать на астероид так, чтобы он не распался на фрагменты и получил максимально возможный импульс отдачи. Для того, чтобы такой подрыв стал возможен нужно хорошо изучить внутреннюю структуру и упругие свойства имеющихся в руках ученых астероидов, чтобы стало возможным достаточно точное моделирование эффектов ядерных подрывов километровых астероидов.    

С учетом сказанного в случае возникновения реальной опасности от падения большого астероида могут быть использованы два сценария устранения астероидной угрозы с помощью ядерных взрывов. В первом сценарии большой астероид первоначально подрывается с образованием нескольких более мелких фрагментов. Образовавшиеся фрагменты, в свою очередь, подвергаются ядерному подрыву до той поры, пока их осколки перестанут грозить небесным Апокалипсисом человечеству. Во втором сценарии мощность ядерных взрывов подбирается так, чтобы астероид не разрушался, а немного менял свою траекторию. С помощью последовательности таких дозированных взрывов астероид выводится на безопасную траекторию, сохраняя большую часть свой массы.

Подведем краткий итог. Количественные оценки показывают, что из трех возможных способов предотвращения астероидной опасности, связанной с падением астероидов размером в 100 и более метров, единственным надежным способом защиты является ядерные взрывы большой мощности. В распоряжении ученых и военных уже сейчас имеются необходимые технологи  для осуществления таких взрывов в далеком космосе. С созданием ядерных боезапасов требуемой мощности также не должно быть особых проблем. Советский Союз еще в 1961 году произвел экспериментальный взрыв на Новой Земле термоядерной бомбы мощностью 50 МГт, получившей название «Царь-бомба». Этот взрыв показал, что нет принципиальных ограничений в создании мощных бомб с тротиловым эквивалентом более 100  МГт. Основная трудность в использовании в космосе бомб такой мощности будет связана с точной доставкой их к объекту поражения. Для этого понадобятся надежные ракеты-носители и точные данные о траекториях движения астероидов.

Для получения точных данных обо всех потенциально опасных астероидах уже сейчас действуют прецизионные оптические системы их обнаружения и сопровождения. С 1947 года в США действует Центр малых планет, который каталогизирует орбиты астероидов и комет. В рамках центра выполняется проект LINEAR, использующий два двухметровых и один полуметровый телескоп в штате Нью-Мексико. Эти телескопы позволяют обнаруживать десятки тысяч объектов ежегодно. Помимо названного проекта имеется также ряд других проектов и программ отслеживания околоземных объектов. В настоящее время строится «Large Synoptic Survey» — широкоугольный рефлектор-телескоп в Чили для обширных высокоточных наблюдений. Разрабатывается система «Asteroid Terrestrial-impact Last Alert», которая будет проводить частое сканирование неба с целью обнаружения объектов позднего этапа. Большие надежды ученые связывают с использованием космических инфракрасных телескопов с большой чувствительностью, которые позволят выявлять астероиды с небольшим альбедо. Таким образом, в настоящее время в разных странах, включая Россию, проводятся масштабные исследования и наблюдения по выявлению и каталогизации опасных астероидов. Это дает основания верить, что будущая всемирная сеть наблюдений за астероидами не проморгает появление критически опасного астероида и вовремя уведомит службы, ответственные за астероидную безопасность человечества.

В заключение рассмотрим пример того, как астероиды можно использовать в задачах изучения и освоения космического пространства на больших расстояниях от солнца.  Речь идет о создании на астероидах, прилетающих из пояса Койпера, долговременных и больших по объему космических станций (КС), способных вести в автоматизированном режиме оптические и радиофизические наблюдения за объектами, расположенными на окраинах Солнечной системы, а также возле ближайших звезд. Эти станции должны быть оснащены источниками энергии, способными обеспечивать функционирование КС в течение сотен лет, в течение которых астероиды совершают один оборот вокруг Солнца. Большие возможности для столь длительного существования астероидных станций дают запасы метана, аммиака и воды, содержащиеся в них. Вполне реально создание роботизированных производств энергии и органики, необходимой для длительного существования астероидных КС.