Астероидная угроза цивилизации

В истории Земли не раз случались катастрофы, вызванные падением крупных астероидов. С подобными событиями связаны массовые вымирания живых организмов. Успеет ли наша цивилизация найти способы борьбы с этой угрозой до того, как случится очередной катаклизм?

По-настоящему человечество осознало астероидную опасность в 1989 г., когда 300-метровый астероид Асклепий (4581 Asclepius) прошел на расстоянии около 700 тыс. км от нашей планеты — через ту область пространства, где она находилась всего шестью часами ранее. Если бы этот объект немного «поторопился», мы бы вполне могли пережить (или не пережить) очередную глобальную катастрофу…

В начале 2000 г. министр науки Великобритании лорд Сейнсбери (David John Sainsbury) объявил о создании целевой группы по потенциально опасным объектам (ПОО), сближающимся с Землей. Этой группе следовало внести предложения британскому правительству, касающиеся международной кооперации по вопросам ПОО, определить характер опасности, возможные риски и наметить дальнейшие действия. Целевая группа под председательством доктора Гарри Эткинсона, сэра Криспина Тикелла и профессора Дэвида Уильямса (Harry Atkinson, Crispin Tickell, David Williams) представила свой доклад Генеральному директору Британского национального космического центра в августе 2000 г. Этот доклад до сих пор остается наиболее актуальным трудом на тему астероидной опасности, затрагивающим также характер возможных последствий столкновений астероидов и комет с Землей.

Что такое астероидная опасность

По состоянию на начало 2000 г. было известно около 800 астероидов, сближающихся с Землей. Их принято подразделять на три группы: те их них, орбиты которых пересекают земную, относят к семействам Аполлона и Атона (первые имеют периоды обращения больше года, вторые — меньше), а остальные, подходящие к земной орбите с «внешней» стороны, образуют семейство Амура. Все они являются потенциально опасными и теоретически рано или поздно, изменив свою траекторию под действием эффектов, описанных ниже, могут столкнуться с нашей планетой.

Оценки числа объектов различных размеров, сближающихся с Землей, могут быть сделаны либо путем прямых наблюдений с помощью наземных телескопов, либо исходя из подсчетов числа и размеров кратеров на Луне, планетах и спутниках планет Солнечной системы. Кометы могут увеличить число опасных объектов на несколько процентов. По состоянию на 2000 г. речь шла примерно о тысяче астероидов поперечником более километра и около 100 тыс. — размером более 100 м. Эти цифры за последующие 15 лет изменились не слишком существенно (естественно, в большую сторону).

Среди комет самыми опасными считаются долгопериодические — возвращающиеся к Солнцу каждые 200 и более лет. Их появления зачастую невозможно предсказать, а орбиты не удается вычислить с требуемой точностью. Комета может причинить намного больше вреда, чем астероид аналогичной массы, по той причине, что средняя скорость столкновения с Землей кометного ядра примерно вдвое больше, а значит, его кинетическая энергия (пропорциональная квадрату скорости) и соответственно разрушительная сила удара возрастет вчетверо.

Приведенные цифры рисуют картину в целом, давая слабое представление о конкретных событиях, связанных с конкретными астероидами. Следует уточнить само понятие потенциально опасного объекта. Дело в том, что орбиту малого тела Солнечной системы нельзя рассчитать с высокой точностью на большом интервале времени. Одной из главных причин этого являются возмущения, вызываемые гравитацией больших планет, а также негравитационные силы, отклоняющие астероид от пути, «предписанного» небесной механикой. Например, на вращающееся тело, освещаемое Солнцем, действуют трудно поддающиеся учету силы, связанные с испусканием квантов электромагнитного излучения (главным образом теплового) его неравномерно нагретой поверхностью. Эти силы невелики по величине, однако они вполне способны уводить объект с расчетной орбиты. В честь русского инженера Ивана Ярковского, впервые описавшего это явление в конце XIX века, такой механизм воздействия был назван эффектом Ярковского. Именно он является основным источником неопределенностей при расчетах вероятностей столкновения опасных астероидов с Землей.

В настоящее время десятки телескопов ведут непрерывный мониторинг неба в поисках новых потенциально опасных объектов. Недавно запущенная европейская космическая обсерватория Gaia способна следить примерно за 250 тыс. астероидов, имеющих блеск вплоть до 20-й звездной величины. Однако с достаточной уверенностью можно сказать, что современная техника позволяет обнаруживать, изучать и предсказывать поведение реально опасных объектов не более чем в 50% случаев.

Картины глобальных катастроф

Основными эффектами воздействия малых тел Солнечной системы на Землю при столкновениях с ней являются взрывные волны, океанические цунами, выбросы больших количеств твердого вещества в атмосферу, химические реакции атмосферных газов под воздействием высоких температур, а также инициированная столкновениями сейсмическая и вулканическая активность. Масштаб и последствия проявлений указанных факторов сильно зависят от размера потенциально опасного объекта. В процессе столкновения из-за высоких температур в ударной волне начинаются химические изменения. Может происходить окисление азота кислородом с образованием различных окислов азота, которые становятся источником кислотных дождей и разрушают озоновый слой, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения Солнца.

В воздух поднимается огромное количество раскаленных частиц грунта, способных воспламенять любой горючий материал. Последующие пожары будут генерировать сажу и ядовитые пиротоксины (в первую очередь угарный газ). Твердые частицы могут оставаться в атмосфере на протяжении нескольких месяцев или — при особо мощных воздействиях — нескольких лет. Большое количество таких частиц приводит к ослаблению солнечного света, достигающего поверхности Земли. Наступает глобальное похолодание — так называемый феномен «ядерной зимы».

Мы и поныне можем наблюдать следы минувших катастроф на Земле, планетах и спутниках планет Солнечной системы. 86-километровый лунный кратер Тихо с его знаменитой лучевой системой, сформированной из обломков, выброшенных при падении 10-километрового тела, и озера Клируотер (Clearwater Lakes) в Канаде диаметром 22 и 32 км — безмолвные свидетели подобных катастрофических событий. Канадские озера представляют собой следы столкновения двойного астероида с Землей 260 млн лет назад. Теоретические расчеты показывают, что более крупный кратер является результатом падения объекта размером около 1,7 км. Столкновение привело к масштабным разрушениям на участке суши размером с Францию, глобальным изменениям климата, многолетней «ядерной зиме», разрушению озонового слоя и уничтожению почти всех развитых форм жизни на планете.

Однако и сама Земля содержит в своих недрах не меньший разрушительный потенциал. Только в Тихоокеанском огненном кольце известно 526 вулканов. Более трехсот из них извергались в исторические времена. Грандиозность вулканических явлений поражает воображение. Извержение вулкана Кракатау в Зондском проливе (Индонезия) в августе 1883 г. сопровождалось выбросами кусков раскаленной лавы на высоту до 50 км. Унесенный ветром вулканический пепел покрыл 2% территории земного шара. Самое мощное извержение вулкана Тамбора на индонезийском острове Сумбава в апреле 1815 г. выбросило в воздух около 100 кубических километров пепла. Выделившаяся энергия превысила 20 гигатонн (тысяч мегатонн) в тротиловом эквиваленте.

Одиночные вулканические извержения серьезной опасности для жизни на нашей планете не представляют. Однако трудно вообразить, что произойдет, если одновременно проснутся сотни вулканов. Столкновение Земли с большим астероидом может послужить спусковым механизмом, пробуждающим такую гиперактивность. Извержение сразу десятка вулканов, по мощности сравнимых с Кракатау, способно нанести непоправимый ущерб биосфере Земли. Не говоря уже о том, что существует намного более серьезная опасность пробуждения супервулканов6 — малочисленных и малоизученных, но от этого не менее смертельных…

Падение крупного астероида также может вызвать массовые землетрясения. В земной коре за счет движения тектонических плит постепенно накапливаются упругие напряжения. Когда они достигают предела прочности горных пород, возникает разрыв. Накопившаяся энергия высвобождается, упругие волны достигают поверхности Земли. Часто такие события провоцируются внешними возмущениями — например, сизигийными приливами, когда приливное воздействие Солнца и Луны взаимно дополняется (поэтому большинство землетрясений происходит вблизи новолуний и полнолуний). Но причиной сдвига может стать и сильный удар. Таким образом, столкновение Земли с небесным телом способно вызвать глобальную катастрофу, которая может нанести серьезный ущерб обитателям нашей планеты. Масштабы бедствий зависят от размера и относительной скорости потенциально опасного объекта: десятикилометровый астероид, приближающийся к нам со скоростью 20-25 км/с, в состоянии привести к уничтожению всех высших форм жизни, возвращая Землю к временам, когда на ней только начали зарождаться живые организмы.

Расчет вероятностей столкновений

Дальнейшие расчеты базируются на данных проекта Near Earth Objects Program (NASA), содержащих сведения о 540 опасных астероидах, в том числе об их размерах и моментах будущих сближений на протяжении следующей сотни лет. Они позволяют оценить вероятность опасных столкновений Земли с объектами, приводящими к глобальным катастрофам, которые ограничивают сроки существования разумных форм жизни на нашей планете. В общем эти сроки укладываются в пределы 50-100 тыс. лет.

Ранее отмечалось, что выполнить точный расчет орбиты конкретного астероида на большом промежутке времени не представляется возможным по причинам, во-первых, сложности учета гравитационных возмущений со стороны планет Солнечной системы (а также карликовых планет и наиболее массивных астероидов), а во-вторых, из-за непредсказуемой динамики активности Солнца на этом промежутке времени, с одной стороны, вызывающей изменения величины эффекта Ярковского, с другой — влияющей на характер и плотность межпланетной среды. Последние два фактора, в общем, неизвестны и по-разному действуют на различные астероиды. Таким образом, вычисление точных орбит потенциально опасных объектов, а следовательно, и моментов столкновений с ними становится невозможным.

Для вычисления вероятности столкновения используется техника так называемых «виртуальных астероидов», моделирующих влияние притяжения планет на их номинальную траекторию. Орбиты этого роя, достигающего 100 тыс. и более объектов, интегрируются численно по времени вплоть до сближения с Землей на расстояние, сравнимое с ее радиусом. Вероятность столкновения для реального астероида определяется как доля виртуальных астероидов, претерпевших «столкновения», относительно их общего количества.

Расчет вероятности хотя бы одного столкновения при наличии группы независимых астероидов является сложной математической задачей. Здесь приводятся лишь результаты таких расчетов. Их сущность демонстрируется на примере одного астероида. Предположим, что опасный объект с вероятностью столкновения 5∙10 в -6 степени приближается к Земле каждые два года. Легко понять, что должно произойти 1/(5∙10 в -6 степени) = 2∙105 — 200 тыс. сближений, чтобы гарантированно произошло одно столкновение. Умножая эту величину на периодичность сближений (два года), получим 400 тыс. лет. Это так называемая оценка времени ожидания столкновения.

Среди 540 опасных астероидов 17 имеют размеры больше 300 м, 13 — больше 400 м, 9 — больше 500 м и два — больше километра. В группе объектов поперечником свыше 500 м вероятность столкновения с Землей колеблется от 10 в -10 степени до 10 в -6 степени. Астероиды размером свыше 400 м способны вызвать при падении катастрофу планетарного масштаба. Энергия их столкновений эквивалентна энергии взрыва порядка 2 гигатонн тротила. Для группы астероидов размером больше 400 м, в которую, как уже было сказано, входит 13 объектов, согласно данным проекта Near Earth Objects Program, вероятность того, что произойдет одно столкновение, равна 3,3∙10 в -3 степени. Она относится к временному интервалу в 181 год (с 2018 до 2199 г.). Отсюда можно заключить, что интервал времени для реального столкновения составит 181/3,3∙10 в -3 степени = 55 тыс. лет.

Для группы астероидов размером больше 500 м этот показатель равен 1,15∙10 в -6 степени на временном интервале 98 лет. Реальное столкновение с ними, таким образом, произойдет на протяжении 85 млн лет.

Заключение

Как отмечают авторы проекта Near Earth Objects Program, долговременная экстраполяция орбит и неопределенности, вызванные планетными возмущениями, серьезно влияют на точность определения вероятностей столкновения — вплоть до порядка величин. Можно полагать, что приведенные выше интервалы времени для реализации реального столкновения тоже определяются с такой же точностью. Однако в любом случае эти интервалы можно рассматривать как время жизни высокоразвитых цивилизаций, отведенное для них природой.

Наиболее опасный астероид, имеющий обозначение 29075 (1950 DA), принадлежит к семейству Аполлона. Он пересекает орбиту Земли раз в 2,21 года. Опасное сближение прогнозируется на 2880 г. Рассчитанная вероятность столкновения равна 5∙10 в -5 степени. Формально оно может реализоваться на протяжении следующих 17 млн лет. Однако, как было сказано выше, одиночная оценка вероятности делается с точностью до порядка.

Поперечник астероида оценивается в 1,3 км, масса — в 2 млрд тонн, скорость столкновения достигнет 18 км/с, выделившаяся энергия будет эквивалентна взрыву 75 гигатонн тротила. Последствия такого столкновения фатальны для цивилизации из-за глобальных разрушений, глубоких и долговременных изменений условий окружающей среды, а также связанных с ними нарушений экологических систем.

Даже очень грубые оценки, приведенные здесь, позволяют заключить, что глобальные катастрофы, вызванные падениями астероидов, происходили на Земле многократно — возможно, десятки раз за всю историю планеты. После них она долго «приходила в себя», однако по прошествии миллионов лет земная жизнь снова расцветала. В конце концов, она эволюционировала до уровня появления разума… который, будем надеяться, в ближайшую сотню лет найдет надежный метод устранения «космических угроз» и сумеет им противостоять.

Постскриптум: «Великое молчание»

«Великое молчание Вселенной», также именуемое «парадоксом Ферми», остается камнем преткновения в проблеме внеземных цивилизаций. Парадокс состоит в том, что мы не наблюдаем технологических признаков их существования — несмотря на то, что возможное количество таких цивилизаций только в нашей Галактике оценивается десятками миллиардов. В качестве одной из причин, объясняющих парадокс Ферми, называется ограниченный срок существования разумных видов, не позволяющий им выходить на уровень межпланетных контактов. И одним из таких «ограничителей» может быть астероидная опасность.

К настоящему времени астрономам известно несколько десятков звезд, окруженных пылевыми дисками, которые можно считать приближенными аналогами или предшественниками пояса астероидов в Солнечной системе. Большинство этих звезд достаточно молоды, то есть их планетные системы находятся на стадии формирования, но вряд ли, учитывая универсальный характер планетообразования, при этом будет исчерпан весь материал дисков. Считается также, что вещества, необходимые для возникновения жизни — вода и органические соединения — попали на Землю при падениях комет и астероидов. Таким образом, то, чему жизнь обязана своим появлением, позже становится для нее серьезной угрозой. Можно предположить, что ограниченное время жизни цивилизаций, определяемое астероидной опасностью, является универсальным законом Вселенной. Во всяком случае, детальное изучение звезд, одновременно обладающих планетами и поясами более мелких тел (которые легко обнаруживаются по их инфракрасному излучению), уже заявлено в качестве важного пункта научных программ астрономических инструментов следующего поколения — как наземных, так и космических.