IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

За последние столетия на нашу планету падало множество метеоритов, но серьезно задуматься над ущербом падения метеоритов и защиты от их вторжения заставил известный всему миру метеорит «Челябинск», который нанёс огромный ущерб не только материальным объектам, но и большому количеству людей. Размер челябинского метеорита составил всего 20 метров, в результате его падения был причинен ущерб более 7000 зданиям и сооружениям, кроме того, пострадало около 1500 человек [1]. При этом до входа в атмосферу небесное тело не было обнаружено станциями слежения и телескопами.

Это событие дало понять, что метеориты - это серьезная угроза, перед которой человечество пока что бессильно, и они требуют более тщательного и детального изучения.

Общее количество высвободившейся энергии вследствие падения этого метеорита по оценкам НАСА составило около 440 килотонн в тротиловом эквиваленте, что в 20 раз мощнее бомбы, сброшенной на Нагасаки. Научный журнал Geophysical Research Letters , со ссылкой на результаты, полученные после анализа учёными французского Комиссариата атомной энергии данных сенсорных станций, увеличил эту оценку до 460 килотонн в тротиловом эквиваленте (самый высокий показатель за всё время наблюдений за ядерными испытаниями), и заявил, что ударная волна дважды обогнула Землю. На высоте от 30 до 50 км метеорное тело распалось, отдельные фрагменты достигли земли, выпав метеоритным дождём [ссылка]. В случае, если бы этого не произошло и на Землю упал весь метеорит целиком, последствия были бы катастрофические, принимая во внимание плотность населения и материальных объектов на территории его падения. Последние исследования показывают, в будущем частота падения метеоритов будет увеличиваться. В частности, по словам астронома Джудит Рис из Техасского университета, астероид 2012 ТС4 упадет на Землю в октябре 2017 года и с вероятностью в 100% нанесет непоправимый урон территориям, где произойдет его столкновение с поверхностью планеты. Ширина небесного тела составляет 40 метров и при столкновении с поверхностью Земли оно вызовет разрушительные последствия превышающие разрушения меньшего по размеру метеорита Челябинска [1].

В связи с этим возникает комплекс проблем, требующих безотлагательного решения:

1. Разработка мер по предвидению падений метеоритов, что позволит принять превентивные меры по минимизации ущерба от подобных чрезвычайных ситуаций;

2. Разработка мер по возможной защите и отражению космических угроз;

3. Создание специальных международных фондов по финансированию научных исследований в области предвидения падений метеоритов и отражения космических угроз;

4. Разработка методики оценки ущерба от падения метеоритов с учетом специфики таких происшествий.

Учитывая сложность и многоплановость этих проблем, более подробно рассмотрим вопрос о возможной защите и отражении космических угроз.

Защита от астероидов и метеоритов предполагает изменение траектории околоземных объектов для предотвращения вероятного катастрофического события. Но, чтобы подготовить и осуществить план по предотвращению столкновения, астероид, в большинстве случаев, должен быть обнаружен за несколько лет до падения. Падение объектов размером в десятки километров может причинить общемировой ущерб, вплоть до гибели человечества. Столкновение десятикилометрового астероида с Землей оценивается как событие уровня массового вымирания: оно с большой вероятностью нанесет непоправимый вред биосфере. Небольшие объекты диаметром сотни метров, в зависимости от скорости, наносят значительные разрушения.

Перед разработкой и принятием эффективного плана действий также необходимо выяснить вещественный состав объекта. По мнению ученых, с такой задачей вполне способны справиться космические аппараты типа «Дип Импакт». Дип Импакт - космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения кометы Темпеля 1. Аппарат впервые в истории сбросил на комету зонд, который протаранил её поверхность и сфотографировал её с близкого расстояния. Для этого космический аппарат содержал две секции:

- отстреливаемое ударное устройство «Smart Impactor» («импактор»), задача которого врезаться в комету и собрать материала для изучения ее вещественного состава;

- устройство «Flyby» («Облёт»), который снимал комету с безопасного расстояния во время удара [3].

Для обнаружения околоземных объектов используется ряд действующих программ. Например, Центр малых планет каталогизирует орбиты астероидов и комет с 1947 года. Центр малых планет - это официальная организация, которая при содействии Международного астрономического союза собирает и систематизирует данные наблюдений малых тел Солнечной системы и комет, вычисляет их орбиты и публикует эту информацию.

Недавно одновременно с ним начали работать программы наблюдения, специализирующиеся на поисках околоземных объектов. Многие из них финансируются отделом НАСА Near Earth Object (NEO) в рамках программы «Наблюдение за космической безопасностью». Одной из самых известных программ является проект «LINEAR», заработавший в 1996 году. К 2004 году по данному проекту уже были обнаружены десятки тысяч объектов ежегодно, что составило 65 % всех новых обнаружений астероидов [2].

Следует отметить, что технологии поиска околоземных объектов постоянно совершенствуются и развиваются; появляются всё новые программы, благодаря которым расширяются возможности организации обширных и высокоточных наблюдений. Например, в настоящее время разрабатывается система «Asteroid Terrestrial-impact Last Alert», которая будет проводить частое сканирование неба для обнаружения объектов позднего этапа.

В случае обнаружения прямой угрозы столкновения небесных тел с землей встает задача поиска и реализации способов предотвращения этого столкновения. Разработка способов предотвращения столкновений требуют сбалансированности таких параметров, как затраты, эффективность и технологическая подготовленность.

В настоящее время учеными предложены методы по изменению траектории астероида/кометы. Их можно классифицировать по различным критериям:

- по типу предотвращения столкновения - отклонение или фрагментация;

- по источнику энергии - кинетический, электромагнитный, гравитационный, солнечный/тепловой или ядерный;

- по стратегии подхода - перехват, встреча или удаленная установка.

В целом стратегии предотвращения столкновения метеоритов с Землей делятся на два основных класса: стратегия разрушения метеорита и стратегия его задержки.

Стратегия разрушения заключается в том, что источник угрозы фрагментируется и его обломки измельчаются и расходятся так, что либо проходят мимо Земли, либо сгорают в её атмосфере. При этом стратегии разрушения могут быть прямыми и непрямыми.

При прямых методах, таких как атомная бомбардировка или кинетический таран, происходит физический перехват болида (метеор яркостью не менее −4^m) [4]. Преимущество прямых способов состоит в том, что они требуют меньше времени и средств. Такие методы могут сработать против недавно обнаруженных (и даже против заранее обнаруженных) твердотелых объектов, поддающихся смещению. Но применительно к слабо держащимся грудам обломков они, скорее всего, окажутся неэффективными.

При использовании непрямых методов, к разрушаемому объекту посылается специальное устройство. По его прибытии некоторое время тратится на изменение курса для следования рядом с объектом и на изменение пути следования астероида, чтобы он избежал столкновения с Землей. Многие околоземные объекты представляют собой летающую груду обломков, еле удерживаемую гравитацией. При попытке отклонения такого объекта, он может разрушиться, но не изменить значительно свою траекторию. При этом, любой обломок размером более 35 метров не сгорит в атмосфере и упадет на Землю.

Стратегия задержки исходит из принципа, что Земля и объект угрозы движутся по своим орбитам. Столкновение происходит тогда, когда какой-либо участок поверхности Земли пересекает орбиту объекта при его пролёте. Соответственно, задержка или ускорение прибытия объекта угрозы с помощью специальных способов позволит предотвратить его столкновение с Землей.

К настоящему времени в качестве наиболее перспективных и действенных способов предотвращения столкновений небесных тел с Землей считают: ядерное взрывное устройство, кинетический таран, астероидный гравитационный буксир, ионный луч.

Подрыв ядерного устройства над, над или под поверхностью астероида является потенциальным вариантом отражения угрозы. Оптимальная высота взрыва зависит от состава и размера объекта. В случае угрозы со стороны груды обломков, чтобы избежать их рассеивания, предлагается произвести радиационную имплозию, то есть подрыв над поверхностью. При взрыве высвободившаяся энергия в виде нейтронов и мягких рентгеновских излучений (которые не проникают сквозь вещество) превращается в тепло при достижении поверхности объекта. Тепло превращает вещество объекта в выброс и он сойдет с траектории, следуя третьему закону Ньютона, выброс направится в одну сторону, а объект — в противоположную. При этом для устранения угрозы не требуется полное уничтожение объекта. При условии, что радиационная имплозия будет совершена с достаточным запасом времени, высвободившейся энергии от ядерных взрывов будет достаточно, чтобы изменить траекторию полета объекта и избежать столкновения. В НАСА пришли к выводу, что к 2020-м годам с помощью ядерной имплозии можно будет отразить околоземные объекты диаметром 100—500 метров, если их обнаружат за два года до падения на Землю, и объекты больших размеров, если их обнаружат за пять лет до падения []. По мнению ученых, радиационная имплозия (ядерные взрывы) в 10-100 раз более действенна, чем неядерные альтернативы. Другие техники, в которых производится поверхностный или глубинный ядерный взрыв, могут быть более эффективными, но существует риск разрушения околоземного объекта на обломки, падение которых может иметь большие риски.

Кинетический таран - это огромный объект в виде космического аппарата или даже другого околоземного объекта, который используется в качестве тарана небесного тела, которое приближается к Земле. В случае, когда астероид находится еще достаточно далеко от Земли, целесообразно использовать космический аппарат. При сравнительном анализе способов по отклонению угрозы, проведенном в 2007 году НАСА, отмечалось, что неядерный кинетический таран является наиболее проработанным методом. Он может использоваться против небольших околоземных объектов, состоящих из твердого вещества.

Астероидный гравитационный буксир предполагаетмедленное сдвигание астероида на протяжении определенного времени. Небольшая постоянная тяга накапливается и в достаточной мере отклоняет объект с предполагаемого курса следования. Эдвард Цзан Лу и Стэнли Глен Лав предложили использовать большой тяжелый непилотируемый космический корабль, который должен парить над астероидом и стягивать его с помощью гравитации на безопасную орбиту. Корабль и астероид будут взаимно притягивать друг друга. Если корабль будет, к примеру, уравновешивать силу, действующую на астероид, посредством двигателей ионовой тяги, суммарное воздействие будет таковым, что астероид будет двигаться в сторону корабля, и тем самым, сходить с орбиты. Несмотря на то, что этот метод медлителен, он имеет важное преимущество - работает вне зависимости от вещественного состава объекта и его угловой скорости. Астероиды, состоящие из груд обломков, тяжело или невозможно отразить посредством ядерного взрыва, а установка буксиров на быстро вращающиеся астероиды окажется сложной и малоэффективной. В анализе способов по отклонению угрозы, проведенном в 2007 году НАСА, указывалось: буксировочные техники — самые дорогие, имеют самый низкий уровень технической готовности, а их возможности по отражению угрожающих объектов будут ограничиваться в случае, если не имеется запас времени на многие годы.

Ионный луч как «бесконтактный» метод предотвращения падения метеоритов был недавно предложен учеными Ц. Бомбардели и Дж. Пелез из Технического университета Мадрид. В нём предлагается использовать ионную пушку с низкой дивергенцией, направленную на астероид с находящегося рядом корабля. Кинетическая энергия, передающаяся через доходящие до поверхности астероида ионы, как и в случае с гравитационным буксиром создаст слабую, но постоянную силу, способную отклонить астероид, и при этом будет использоваться более легкий корабль.

Таким образом, высокая вероятность падения метеоритов и огромный ущерб, связанный с этим, требуют не только разработки методов по предотвращению таких чрезвычайных ситуаций, но их практического использования.

Использованные источники:

1.Гигантский астероид столкнется с Землей в 2017 году.Новости. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nation-news.ru/84052 Дата обращения: 09.10.16.

2. Научный журнал Geophysical Research Letters

3. Портал НАСА.Таблица риска.[Электронный ресурс] Режим доступа: http://neo.jpl.nasa.gov/risk/ Дата обращения: 09.10.16.

4.Википедия.[Электронный ресурс] Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Дата обращения: 09.10.16.

Код для цитирования: Скопировать