В связи с недавним падением астероида на Юпитер снова начались разговоры на тему того, можно ли вообще сделать на современном уровне техники противоастероидную защиту Земли. Встречаются самые разные утверждения на этот счёт. Некоторые считают, что сделать с астероидом вообще ничего нельзя.
Разберёмся самостоятельно.
Апофис как эталон
Для примера возьмём объект с массой реального астероида Апофис, о котором мы уже говорили: это около 60 млн тонн. Его удар на минимально возможной скорости в 11.2 км/сек породил бы взрыв мощностью около 800 мегатонн. А на наиболее вероятной скорости порядка 20+ км/сек - вчетверо больше.
Что касается размера, то отвлечёмся от реального Апофиса и учтём, что астероиды бывают разного химического состава. Помимо силикатных ("каменных"), плотностью около 3 г/см3 (как Апофис), встречаются и металлические железоникелевые плотностью около 7.5 г/см3. В принципе, могут быть и менее плотные - частично или почти полностью ледяные. То есть это формально, конечно, уже не астероиды, а кометные ядра, но нам от этого не легче: по Земле они ударить вполне способны - достаточно вспомнить Тунгусский метеорит. Плотность таких объектов обычно оказывается ниже 2, а иногда - в исключительных случаях - даже ниже 1 г см/3 (когда камня практически нет, а в состав вещества входит не только водяной, но и аммиачный лёд).
Исходим из плотности силикатов в 3 г/см3, то есть 3 т/м3. Тогда объём силикатного астероида массой в 60 млн тонн составит 60 млн / 3 = 20 млн м3. По формуле сферы V = 4/3 * пи * R^3 ~ 4R^3, он будет иметь радиус R ~ (20 млн/4)^(1/3) ~ 170 м. Диаметр каменного астроида, таким образом, выходит 340 м.
Металлический аналог Апофиса: плотность - 7.5 т/м3, объём - 60 млн / 7.5 = 8 млн м3. Он будет иметь радиус R ~ (8 млн/4)^(1/3) ~ 125 м, диаметр - 250 м.
Кометное ядро: плотность - 1 т/м3, объём - 60 млн м3. Оно будет иметь радиус R ~ (60 млн/4)^(1/3) ~ 245 м, диаметр - 490 м.
Подобные различия, как мы увидим ниже, имеют большое значение.
Как отразить удар из космоса?
Существуют разные идеи по борьбе с астероидами. Но большинство из них подразумевают воздействие на очень ранней стадии - на расстояниях в миллионы километров от Земли, зачастую - за годы до столкновения. Однако вычисления орбиты астероидов во многом носят вероятностный характер: уж очень эти "камни"лёгкие и уж очень подвержены гравитационному воздействию не только со стороны больших планет, но и других малых тел.
Но тогда либо нам придётся тратить большие усилия на удаление от Земли кучи совершенно безопасных "камней", либо опираться в основном на стратегию, так сказать, "прямого сокрушения": очень сильного воздействия на опасный объект на уже малом - порядка орбиты Луны - его расстоянии до Земли. Но тогда вариантов у нас немного: достаточным энерговыделением для серьёзного воздействия обладают только термоядерные взрывные устройства.
Хорошо. Тогда предположим, что мы используем против астероида термоядерную боеголовку. Наиболее мощная из сконструированных людьми - "Кузькина Мать" тротиловым эквивалентом около 100 мегатонн*. Что будет, если мы используем именно её?
Идеальное вариант: центральный подрыв
Для начала подсчитаем теоретический идеальный вариант: взрыв в самом центре астероида, который при этом имеет шарообразную форму.
Тут всё ясно: стомегатонный взрыв разрушит его полностью - "разнесёт в щебёнку".
В самом деле. 1 кг тротилового эквивалента - 4.6 млн джоулей. 100 мегатонн - это, соответственно, 4.6 * 10^17 Дж. Или что-то около 5 кг эквивалентной массы.
Если бы вся эта энергия перешла бы в кинетическую форму - то есть пошла бы на разброс обломков астероида - то 60 млн тонн его вещества разогнались бы до скорости, заведомо сильно превосходящей вторую космическую на столь крохотном объекте, она составляет там в лучшем случае метры в секунду (сколько именно - зависит от плотности и, соответственно, размера астероида).
Какую скорость обрели бы обломки астероида? Рассчитаем по формуле кинетической энергии: Екин = (mv^2)/2. Чтобы не путаться в особо больших числах, посчитаем, сколько энергии придётся на 1 кг массы астероида:
4.6 * 10^17 / 6 * 10^10 ~ 7.7 * 10^6 Дж/кг
Если 7.7 * 10^6 = V^2 / 2, то V = (7.7 * 10^6 * 2)^0.5 ~ 4 * 10^3 м/сек.
То есть обломки - если бы вся энергия взрыва перешла в кинетическую форму - разлетались бы от центра со скоростью порядка 4 км/сек. Даже если считать, что только десятая часть энергии пойдёт на это, то всё равно скорость разлёта фрагментов перевалила бы за 1 км/сек.
Здесь у нас есть два момента, которые нужно обязательно учитывать.
С одной стороны, жара стомегатонного взрыва всё же не хватит для того, чтобы полностью испарить вещество астероида (скажем, при железоникелевом составе и массе Апофиса энергии надо больше в несколько раз). Но даже если бы и хватало: тепловая энергия всё равно распределилась бы неравномерно, часть вещества была бы превращена в плазму и оказалась сильно перегрета, но остальное всего лишь превратилось бы в обломки.
Обломки будут сохранять общее направление движения - в сторону Земли, хотя расширяющееся облако газа будет разносить их в стороны всё с теми же скоростями - сотен метров или первых километров в секунду. Но в результате вместо "снаряда" по Земле может ударить "шрапнель". Далеко не факт, что это улучшит ситуацию.
С другой стороны - всё зависит от расстояния, на котором произойдёт подрыв. Земля движется по орбите со скоростью 30 км/сек. Диаметр Земли - 12756 км. Делим второе число на первое - и получаем, что Земля сместится на расстояние своего диаметра всего лишь за 12756 / 30 ~ 425 секунд. Это значит, что если скорость астероида - или основной части его обломков - изменится всего на 1 км/сек, то он/они могут промахнуться мимо Земли, если подрыв произойдёт на расстоянии больше всего лишь... 10 тысяч километров!
Но вот только часть обломков будет не замедлена, а ускорена, часть снесёт в сторону - и они всё равно попадут в Землю. Но если подрыв происходит относительно далеко, где-нибудь на расстоянии орбиты Луны, то разлёт обломков - исходя из скорости в 1 км/сек - составит более 40 тысяч километров. То есть в Землю попадёт только 2-3 % из них. Также учтём, что фрагменты размером менее 15 метров в принципе не долетят до поверхности Земли, а сгорят в атмосфере. То есть сам по себе подрыв астероида на большом расстоянии выглядит довольно рационально.
С третьей же стороны... Взрыв порядка полутора гигатонн в безлюдном регионе может принести меньше проблем, чем пара десяток "челябинских метеоритов" (взрыв около полумегатонны) и пары-тройки "тунгусских метеоритов" (10-15 мегатонн), выпавшие на Землю бессистемно. Уж только по статистике некоторые из них поразят относительно густонаселённые районы... А может, и нет: смотря сколько их будет.
Реалистичный вариант: поверхностный взрыв
Но это всё пустые рассуждения - просто потому, что у нас нет возможности сходу "забурить" боеголовку в центр астероида. Взрыв придётся проводить на поверхности - или даже над ней.
Это означает, что очень значительная часть энергии взрыва и вовсе рассеется в пространстве без толку. В космосе нет атмосферы, то есть нет никакой ударной волны. Гореть веществу астероида - даже если бы оно могло - тоже не в чем. То есть ядерный взрыв - это просто сверхмощная вспышка, выделение энергии в виде электромагнитного излучения. Некоторый вклад внесут высокоэнергетические ионы, в которые превратятся элементы конструкции боеголовки, но самый незначительный.
Единственный шанс - подрыв непосредственно на поверхности астероида. Однако нужен чрезвычайно точный расчёт: миллисекунда промедления - и боеголовку "размажет" по поверхности "камня" безо всякой детонации. При этом поверхностный взрыв тоже не идеален: минимум половина его энергия будет потеряна в виде излучения...
Впрочем, детонация боеголовки на уровне поверхности астероида, несмотря на то, что сама термоядерная реакция идёт лишь ничтожные доли секунды, всё же протекает не мгновенно. А вот астероид движется со скоростью в десятки километров в секунду. В итоге к моменту, как разлёт продуктов реакции составит десятки метров, на те же десятки метров боеголовка - вернее, теперь уже очаг термоядерного взрыва - погрузится в вещество астероида.
По сути это означает, что взрыв происходит не совсем поверхностный, а слегка заглублённый. А, учитывая размер астероида - первые сотни метров - заглублённый довольно сильно (особенно в случае с металлическим астероидом, который при той же массе по размеру намного меньше). И основная часть энергии всё же пойдёт на разрушение цели.
Произойдёт примерно то же самое, что и в описанном выше идеальном варианте, однако основная часть вещества астероида будет не просто бессистемно разбросана по сторонам, а именно "заторможена". Не очень сильно, но заметно: на эти самые единицы километров в секунду. Минимум - сотни метров в секунду.
То есть этот вариант - не центрального подрыва, а лобового удара, даже лучше! Получается, что основная часть массы пролетит мимо, а остальным можно пренебречь! Так ведь?
Так, да не совсем. Многое зависит от вещества, слагающего астероид.
Металлический объект - идеальный вариант: вероятность его фрагментации при таком поверхностном взрыве не очень велика. Переднюю часть расплавит и испарит, по закону сохранения импульса часть вещества, выброшенная вперёд, приведёт к торможению остального. Плюс непосредственное воздействие взрыва, тоже тормозящее... Практически наверняка подрыв астероида массы Апофиса на уровне даже не орбиты Луны, а 50-100 тысяч км от Земли, гарантирует промах - а число мелких обломков окажется невелико.
Каменный астероид - плохой вариант: он может развалиться на много кусков, к том числе довольно крупных. Вот тут надо смотреть, точно ли "картечный выстрел" предпочтительнее "попадания снаряда". Помогло бы наличие второй линии обороны, отслеживающей наиболее крупные уцелевшие фрагменты.
Ледяное кометное ядро... Совсем плохо. Оно совершенно точно развалится от удара, вещество частично испарится, его обломки, источая пар (и, как следствие, непредсказуемо меняя скорость), разлетятся в разные стороны - и мы получим множество попаданий в Землю. Причём вся "шрапнель" до поверхности Земли не долетит, но взрывы в атмосфере будут очень мощными. Как и в случае с ядерными взрывами, воздушная детонация наносит больший ущерб, чем наземная.
Кометное ядро: особый подход
Впрочем, у льда есть свои плюсы. Он всё же плавится довольно легко. Возможно, именно в этом случае практичным был бы подрыв боеголовки перед попаданием. Энергия взрыва в безвоздушном пространстве выделится в форме вспышки. От того, что она не преобразована в форму ударной волны, меньше эта энергия не стала. Ледяная поверхность поглотит лучистую энергию - и, нагревшись, частично испарится. То есть часть массы астероида будет потеряна.
Допустим, у нас чисто ледяной объект. Если на испарение его вещества пойдёт даже 1% от энергии взрыва, то это составит 4.6 * 10^15 Джоулей. Удельная теплота возгонки льда - 2834 кДж/кг, округлим до 3 МДж/кг. То есть испарится 4.6 * 10^15 / 3 * 10^6 ~ 1.5 * 10^9 кг, то есть 1.5 млн тонн. А это - 2.5% от массы объекта.
Нагретый пар будет растекаться в стороны со скоростью порядка 1 км/сек. Фактически это будет эквивалентно тому, как если бы ледяной астероид обрёл что-то вроде ракетного двигателя. По закону сохранения импульса, оставшаяся ледяная глыба замедлится примерно на 1/40 той же величины, то есть примерно на 25 м/сек (без особой точности, так как пар будет идти не только в сторону Земли; но мы и скорость его точно не знаем, так что это не принципиально).
С одной стороны, это очень мало: место столкновения с Землёй при подрыве на уровне лунной орбиты сместится всего на несколько сотен километров. С другой же, ниоткуда не следует, что Земле грозит соударение под прямым углом: возможно, и этого хватит (да и 1% пошедшей на испарение энергии мы взяли наугад - "с запасом"). А если воздействовать несколько раз или на большем расстоянии, то можно и вовсе скорректировать орбиту кометного ядра так, что оно перестанет представлять опасность. Самое главное - при таком "мягком" воздействии оно, скорее всего, целостности не потеряет.
А если астероид окажется больше Апофиса?
То, что не внутренний подрыв с гарантированным разрушением, а именно удар "спереди" с торможением основной массы вещества - оптимальная тактика, становится очевидным, если рассмотреть вариант с астероидом значительно массивнее Апофиса.
Допустим, у нас "камень" километрового диаметра. Это подразумевает массу в 1.5 трлн тонн. Но взрыв в центре такого астероида всё равно его гарантированно разрушает: осколки разлетаются со скоростью не километры в секунду, а сотни метров, но общий результат тот же. Однако "шрапнели" из в десятки более массивного снаряда получается гораздо больше, она в среднем крупнее и ложится намного более "кучно".
А вот при "тормозящем" ударе всё остаётся без изменений: основная масса вещества замедляется (хотя и не настолько сильно), а испарённое вещество просто рассеивается в пространстве. Ну да, для гарантии нужно бить на большем расстоянии, но дистанции лунной орбиты вполне достаточно.
И это при том, что километровые астероиды встречаются намного реже и все ближайшие хорошо известны: трудно представить себе неожиданное появление "камня" такого размера.
Метки: #космос , #Солнечная система , #астероиды , #падение астероида , #катастрофы , #астероид апофис , #наука и техника , #технологии , #атомная энергия , #взрывы
"Материальная часть": что мы уже имеем или легко можем иметь?
Ну и как нам это осуществить?
Чтобы поразить астероид на уровне лунной орбиты, надо, чтобы ракета с "кузькиной матерью" (КМ) стартовала бы с Земли со скоростью не меньше 2-й космической, иначе просто не дойдёт туда. Таких ракет - способных вывести на уровень лунной орбиты 27 т полезной нагрузки (примерная масса 100-мегатонной боеголовки) сейчас нет**, но в принципе создать их ничего не мешает.
Но, возможно, потребуется и дополнительное ускорение. В целом, при достаточно точном прицеле не имеет значения, какова будет скорость самой КМ на момент столкновения с астероидом. Но в наших интересах, чтобы до цели она дошла с возможно большей скоростью: так будет больше времени на обнаружение опасности.
Скажем, если мы обнаруживаем астероид на втрое большем, чем Луна, расстоянии, то из расчёта скорости цели в 20 км/сек ракета должна идти хотя бы со скоростью 10 км/сек. Впрочем, всё упирается именно в возможности системы обнаружения астероидной опасности.
Всё это в целом выглядит сложным, но не так, чтоб нереалистичным.
Для сравнения: РН "Энергия" доставляла 105 т на низкую околоземную орбиту. 18 т - на геостационарную (около 36 тысяч км, то есть почти десятая часть расстояния до Луны). Ну, а ещё меньший - закинула бы и ещё дальше. А в самом мощном варианте она должна была и 175 т на низкую орбиту выводить. Так что построить ракету, способную выводить груз в 27 т на расстояние лунной орбиту по любому направлению вполне реально***.
Вот система слежения, способная обнаружить объект в несколько сотен метров на огромном расстоянии, да и вычислительные мощности, учитывающие всё происходящее в реальном времени - это другое дело. Если по "силовой" части проблема выглядит вполне разрешимой, то вот именно по информационной... Ну, скажем так, потребует действительно больших вложений.
Сноски:
* "Кузькина Мать" как обозначение сверхмощной термоядерной бомбы обязано своим появлением Н. С. Хрущёву:
Название «Кузькина мать» появилось под впечатлением высказывания Н. С. Хрущева вице-президенту США Ричарду Никсону: «В нашем распоряжении имеются средства, которые будут иметь для вас тяжелые последствия. Мы вам покажем кузькину мать!»
** Для отечественного подводного беспилотника "Посейдон" в одном из вариантов предполагается в качестве ударной части именно стомегатонная боеголовка. То есть современный ВПК по меньшей мере готов к производству чего-то подобного.
*** Вот только доставить к лунной орбите 27 т груза не смогла бы и "Энергия". Значит, нужны два запуска и перестыковка на орбите - а это дополнительные потери времени.
PS: Но ключевым моментом во всей системе противоастероидной обороны является информационная составляющая. Самое главное - вовремя узнать, что и откуда летит. Даже если возможности отразить удар нет, наличие информации о месте падения позволяет существенно сократить ущерб.
Пример: судя по всему, реальный Апофис - не шар диаметром 300+ метров, как прежде считалось, а продолговатое тело 100+ на 400+ метров. Скорее всего - это контактно-двойной объект, то есть два астероида, "лежащих" друг на друге. Ну вот представим себе, что мы наносим по нему удар, не разобравшись, что к чему.
Может получиться так, что один из двух этих "комов снеговика" разлетится вдребезги, а второй, почти не пострадав, продолжит движение. А может произойти и слишком ранний или слишком поздний подрыв, который не окажет на объект вообще никакого существенного воздействия...
Система наблюдения важнее любых ракет с боеголовками. Но и ракеты тоже нужны.
См. также
