Часть 4. глобальные риски, связанные с природными катастрофами

Владислав Пустынский.Последствия падения на Землю крупных астероидов

email: [email protected]

URL: http://www.aai.ee/~vladislav

Характер угрозы

В последнее время тема столкновения нашей планеты с крупными небесными телами стала довольно широко обсуждаться как в научных кругах, так и в средствах массовой информации. Во многом это связано с появлением на экранах сразу двух фильмов-катастроф ("Armageddon" и "Deep Impact"). Поскольку и представленным на экране событиям, и популярным сообщения в прессе явно недостаёт точности, то я решил произвести самостоятельное исследование вопроса на основе сообщений в литературе и публикаций в Интернете.

Проблема распадается на две части: последствие самого столкновения и способы его прогнозирования и предотвращения.

Основную опасность в глобальном масштабе представляют астероиды с радиусом больше 1 км. Столкновение с меньшими по размеру телами может вызывать значительные локальные разрушения (вспомним Тунгусское явление), но не приводит к глобальным последствиям. Чем больше астероид, тем меньше вероятность столкновения его с Землёй. Частоту падения на нашу планету астероидов разных размеров иллюстрирует Таблица 1: [1, 2, 3]

Таблица 1. Вероятность падения на Землю астероидов разных размеров

Диаметр астероида	Частота падения
10 м	4 года
100 м	1000 лет
1 км	250 тыс. лет
10 км	70 млн. лет
100 км	Раз в несколько млрд. лет

Числа в таблице приблизительные, поскольку оценки разных авторов расходятся в пределах половины порядка. Основания для расчётов самые разные – количество ударных кратеров на Земле и других планетах, частота пролёта крупных тел мимо Земли и др. Простейшую оценку можно сделать самостоятельно. По сообщениям прессы, каждый год регистрируется 2-3 пролёта на расстоянии (0,5-3) млн. км от Земли тел диаметром (100-1000) м (любопытно отметить, что часто пролёт обнаруживается уже после максимального сближения тела с Землёй). Пренебрегая при грубом подсчёте гравитационным привлечением со стороны Земли и считая столкновения случайными, мы можем определить частоту столкновения с телами указанного размера. Для этого умножим поперечное сечение мишени (Земли), равное 4·Pi·(6400 км)2, на частоту пролёта астероида в расчёте на 1 км2 – она составляет приблизительно ~3/(4·Pi·1,7 млн. км)2. Обратная величина от вычисленного значения и будет равна количеству лет, проходящему в среднем между двумя столкновениями. Мы получим цифру ~25 тыс. лет (на самом деле несколько меньше, если учесть ещё влияние земной гравитации и то, что некоторые пролёты остались незамеченными). Это вполне согласуется с данными Таблицы 1.

Как видно из Таблицы 1, столкновения с крупными астероидами происходят довольно редко, в сравнении с длительностью истории человечества. Тем не менее, редкость явления не означает периодичности; поэтому, учитывая случаянный характер явления, нельзя исключить столкновения в любой момент времени – разве что вероятность такого столкновения достаточно мала, по отношению к вероятности других угрожающих отдельному человеку катастроф (природные катаклизмы, аварии и т.д.). Однако из Таблицы 1 следует и другой вывод: в геологическом и даже в биологическом масштабе времени столкновения не так уж редки. За всю историю Земли на неё упало несколько тысяч астероидов диаметром около 1 км и десятки тел диаметром более 10 км. Как известно, жизнь на Земле существует гораздо дольше. Хотя делается множество предположений о катастрофическом воздействии столкновений на биосферу, ни одно из них ещё не получило убедительного доказательства. Достаточно упомянуть, что далеко не все специалисты согласны с гипотезой о вымирании динозавров вследствие столкновения Земли с крупным астероидом 65 тыс. лет назад. У противников этой идеи (к ним относятся немало палеонтологов) имеется много обоснованных возражений. Они указывают на то, что вымирание происходило постепенно (миллионы лет) и затронуло лишь некоторые биологические виды, в то время как другие не пострадали заметно на разделе эпох. Глобальная катастрофа неизбежно затронула бы все виды. Кроме того, в биологической истории нашей планеты неоднократно случалось исчезновение со сцены целого ряда видов, однако специалистам не удаётся уверенно связать эти явления с какой-либо катастрофой.

Таким образом, на основе исторических данных мы можем сделать оптимистичный вывод: столкновения с астероидами не ведут к глобальным вымираниям.

Какие космические тела могут угрожать столкновением с Землёй в ближайшее время? Это, во-первых, астероиды, а во-вторых, кометы.

Диаметры астероидов варьируются от нескольких метров до сотен километров. К сожалению, к настоящему моменту открыта лишь малая часть астероидов. Тела размером порядка 10 км и меньше с трудом поддаются обнаружению и могут остаться незамеченными вплоть до самого момента столкновения. Список неоткрытых ещё тел большего диаметра вряд ли можно считать значительным, поскольку число крупных астероидов существенно меньше числа мелких. Видимо, потенциально опасных астероидов (то есть в принципе могущих столкнуться с Землёй в течение времени порядка миллионов лет), чей диаметр превышал бы 100 км, практически нет. Скорости, с которыми происходят столкновения с астероидами, могут составлять от ~5 км/с до ~50 км/с, в зависимости от параметров их орбит. Исследователи сходятся на том, что средней скоростью столкновения следует полагать ~(15-25) км/с.

Столкновения с кометами ещё менее предсказуемы, поскольку большинство комет прилетают во внутренние области Солнечной системы как бы из "ниоткуда", то есть из очень удалённых от Солнца районов. Они остаются незамеченными до тех пор, пока не приблизятся к Солнцу достаточно близко. С момента обнаружения до прохода кометы через перигелий (и до возможного столкновения) проходит не более нескольких лет; затем комета удаляется и снова исчезает в глубинах космоса. Таким образом, остаётся совсем мало времени, чтобы предпринять необходимые меры и предотвратить столкновение (хотя приближение крупной кометы не может остаться незамеченным, в отличие от астероида). Скорости сближения с Землёй у комет значительно больше, чем у астероидов (это связано с сильной вытянутостью их орбит, и Земля оказывается вблизи точки наибольшего сближения кометы с Солнцем, где её скорость максимальна). Скорость при столкновении может достигать ~70 км/с. При этом размеры крупных комет не уступают размерам средних астероидов ~(5-50) км (их плотность однако меньше плотности астероидов). Но именно из-за большой скорости и сравнительной редкости пролёта комет через внутренние области Солнечной сисемы их столкновения с нашей планетой маловероятны.

О предупреждении столкновения можно сказать следующее. По состоянию на сегодняшний день не существует системы, которая гарантировала бы обнаружение угрожающего объекта до столкновения с ним. Таким образом, столкновение может произойти неожиданно, до того, как будут предприняты какие-нибудь меры (для его предотвращения или хотя бы снижения предстоящего ущерба). Построение такой системы предупреждения находится только в стадии разработки и сопряжено со значительными техническими сложностями. Если же говорить именно о предотвращении столкновения, то cложность многократно возрастает. По грубым оценкам, чтобы успеть предпринять необходимые меры (послать космический зонд для разрушения или отклонения астероида), требуется обнаружить астероид приблизительно за десять лет до момента столкновения. Около пяти лет ушло бы на подготовку миссии (очевидно, один или несколько автоматичесих зондов с мощным термоядерным устройством, которое должно быть взорвано на или под поверхностью небесного тела), полёт занял бы несколько лет, и, наконец, само воздействие на астероид должно быть оказано за несколько месяцев до прогнозируемого столкновения, чтобы параметры орбиты космического тела изменились бы настолько, что увели бы его с траектории удара. Не следует забывать, что взрываемое устройство должно обладать большой мощностью, а следовательно, и весом. Мощность и вес устройства сильно зависят от того промежутка времени до столкновения, за который оно приведено в действие. Если это время велико (несколько лет), даже сравнительно слабое воздействие на астероид (и, соответственно, малое изменение его орбиты) будет достаточно, чтобы избегнуть столкновения. Если время до удара мало, необходимая мощность (и вес) заряда многократно возрастает, а это чрезвычайно усложняет задачу миссии. Таким образом, для эффективного воздействия на астероид важно заметить его с большим упреждением. Если в запасе имеется даже пять лет, столкновение практически неизбежно. Тем не менее, и в этом случае можно успеть эвакуировать район, где произойдёт столкновение, поскольку координаты удара поддаются достаточно точному расчёту.

В заключение вводной части необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные публикации в прессе, по состоянию на сегодняшний день ни один из известных космических объектов не угрожает столкновению с Землёй в ближайшие десятилетия. Сообщения об угрозе столкновения в 2024 или 2028 году не имеют под собой серьёзного обоснования, так как, согласно уточнённым расчётам орбиты, объект, о котором идёт речь, разойдётся с нашей планетой на значительном расстоянии. Разумеется, это не относится к неоткрытым ещё объектам, появление которых в окрестностях Земли непредсказуемо.

Далее мы подробнее рассмотрим явления, происходящие при столкновении, и возможные последствия.

Этапы столкновения

Столкновение с крупным астероидом – одно из самых масштабных явлений для нашей планеты. Оно очевидно, оказало бы влияние на все без исключения оболочки Земли – литосферу, атмосферу, океан и, разумеется, на биосферу. К сожалению, мне не удалось найти в литературе сценария, который охватывал бы все аспекты такого столкновения. Однако, имеются теории, описывающие процесс образования ударных кратеров; влияние же столкновения на атмосферу и климат (наиболее важное с точки зрения воздействия на биосферу планеты) сходно со сценариями ядерной войны и крупнейшими вулканическими изверженими, также приводящими к выбросу в атмосферу большого количества пыли (аэрозоля). Конечно, масштабы явлений в определяющей степени зависят от энергии столкновения (то есть в первую очередь от размеров и скорости астероида). Обнаружено однако, что при рассмотрении мощных взрывных процессов (начиная от ядерных взрывов с тротиловым эквивалентом несколько килотонн и до падения самых крупных астероидов) применим принцип подобия. Согласно этому принципу, картина происходящих явлений сохраняет свои общие черты во всех масштабах энергии. [2]

Рассмотрим, для определённости, характер процессов, сопутствующих падению на Землю круглого астероида диаметром 10 км (то есть величиной с Эверест); примем в качестве скорости астероида при падении 20 км/с. Зная плотность астероида, нетрудно найти энергию столкновения по формуле E=M·v2/2, где M=Pi·D3·ro/6, ro – плотность астероида, m, v и D – его масса, скорость и диаметр. Плотности космических тел могут варьироваться от 1500 кг/м3 для кометных ядер до 7000 кг/м3 для железных метеоритов. Астероиды имеют железо-каменный состав (различный для разных групп). Можно принять в качестве плотности падающего тела. ro~5000 кг/м3. Тогда энергия столкновения составит E~5·1023 Дж. В тротиловом эквиваленте (при взрыве 1 кг тротила выделяется 4,2·106 Дж энергии) это составит ~1,2·108 Мт. Самая мощная из термоядерных бомб, испытанных человечеством, ~100 Мт, имела в миллион раз меньшую мощность. Для сравнения масштабов, в Таблице 2 приведены энергии других природных явлений.

Таблица 2. Энергетические масштабы природных явлений

Явление	Энергия
Земля получает от Солнца в год	5,2·1024 Дж
Взрыв вулкана Тамбора в 1815 году [2, 3]	>1023 Дж
Все землятрясения в год	1019Дж
Самая мощная термоядерная бомба	4*1017Дж
Землетрясение 8,5 баллов [3]	1,5·1017Дж

При анализе Таблицы 2 следует иметь ввиду также время, за которое энергия выделяется, и площадь зоны события. Землетрясения происходят на большой площади и энергия выделяется за время порядка часов; разрушения при этом имеют умеренный характер и распределены равномерно. При взрывах бомб и падениях метеоритов локальные разрушения катастрофичны, но их масштаб быстро убывает по мере удаления от эпицентра. Из Таблицы 2 следует и другой вывод: несмотря на колоссальное количество выделяемой энергии, по масштабам падение даже крупных астероидов сравнимо с другим мощным природным явлением – вулканизмом. Взрыв вулкана Тамбора не был самым мощным даже в историческое время. А поскольку энергия астероида пропорциональна его массе (то есть кубу диаметра), то при падении тела диаметром 2,5 км выделилось бы меньше энергии, чем при взрыве Тамбора. Взрыв вулкана Кракатау был эквивалентен падению астероида диаметром 1,5 км. Влияние вулканов на климат всей планеты общепризнано, однако неизвестно, чтобы крупные вулканические взрывы имели катастрофический характер (к сравнению воздействия на климат вулканических извержений и падения астероидов мы ещё вернёмся).