УДК 523.44+519.878
АСТРОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
© 2013 г. Б. М. Шустов, С. А. Нароенков, В. В. Емельяненко, А. С. Шугаров
Институт астрономии РАН, Москва Поступила в редакцию 01.04.2013 г.
Для решения стоящей при создании системы противодействия космическим угрозам (астероидно-кометной опасности и космическому мусору) первоочередной практической задачи массового обнаружения опасных небесных тел (ОНТ) необходимо иметь четкие технические требования на проектируемые (создаваемые) инструменты обнаружения. Для конкретизации таких требований (ограничений) проведены специально направленные астрономические исследования фундаментальных свойств ансамбля ОНТ. В работе приведены результаты этих исследований. В части астероидно-ко-метной опасности введены количественные ограничения на размер ОНТ (50 м), впервые предложены количественные определения угрожающих и столкновительных орбит ОНТ. Показано, что при времени упреждения 30 дней необходимо обнаруживать ОНТ на расстояниях около 1 а. е., что соответствует проницающей силе телескопа V~ 23™. Это означает необходимость создания специализированных широкоугольных, крупноапертурных телескопов. Для обнаружения и мониторинга объектов космического мусора и метеороидов в околоземном космическом пространстве при шкале времени порядка единиц суток эффективны более скоростные инструменты меньшей апертуры, но с большим полем зрения. Приведен пример проекта системы космического базирования, учитывающий обсуждаемые астрономические требования.
DOI: 10.7868/S0320930X1304021X
ВВЕДЕНИЕ
Челябинское событие 15 февраля является убедительной иллюстрацией угрозы столкновения малых тел Солнечной системы с Землей. Не все тела, могущие столкнуться с Землей, несут серьезную угрозу, а только достаточно крупные. Обычно их называют опасными небесными телами (ОНТ). Существуют уже общепринятые количественные определения некоторых классов ОНТ. Так, под объектами, сближающимися с Землей (ОСЗ), понимают астероиды (АСЗ) и кометы, чьи орбиты имеют перигелийное растояние q < <1.3 а. е. Из их числа выделяют потенциально опасные объекты (ПОО), под которыми понимают тела, чьи орбиты сближаются с орбитой Земли до минимального расстояния (MOID), не превышающего 7.5 млн. км. Основанием для того чтобы считать такие тела опасными, является то обстоятельство, что в таких пределах можно ожидать изменения расстояний между орбитами в обозримом будущем под влиянием планетных возмущений, а также то, что это — характерный масштаб области неопределенности орбиты малого тела (при прогнозировании примерно на сто лет вперед) вследствие неточного знания параметров движения тела в настоящую эпоху. К этому (динамическому) определению ПОО добавляют требо-
вание, чтобы абсолютная астероидная звездная величина Нтела не превосходила 22.0 (http://neo.jpl. nasa.gov/neo/groups.html). Для некоторой (средней для астероидов) величины альбедо 0.15 размер сферического тела, имеющего Н = 22, оценивается примерно в 140 м. Есть еще интуитивно понятное, но строгое определение, относящееся к орбитам ОНТ. Орбиту называют столкновительной, если тело, находящееся на такой орбите, неизбежно сталкивается с нашей планетой.
Мы полагаем, что в современных условиях этой классификации уже недостаточно, когда дело касается решения проблемы астероидно-ко-метной опасности (АКО), т.е. угрозы столкновения Земли с малыми телами Солнечной системы (астероидами и кометами) с причинением серьезного ущерба населению планеты вплоть до уничтожения человечества.
Как обсуждается в работе (Шустов и др., 2013), нижнюю границу размеров опасного, в смысле данного в предыдущем предложении определения АКО, небесного тела, разумно определить в 50 м (примерные размеры Тунгусского тела). Средняя оценка энергии, выделяющейся при столкновении такого тела с Землей, сравнима с энергией взрыва очень мощного термоядерного устройства. Крупные тела падают на Землю гораз-
✓ ч
/ \
Л -3°Б \
' 4 -.. \
Земля
Рис. 1. К определениям угрожающего (слева) и столкновительного (справа) опасного небесного тела (ОНТ). См. в тексте.
до реже. Для тел размером ~1 км частота столкновений оценивается как 1 раз примерно в миллион лет. Именно поэтому столкновения с телами размером 50—500 м, которые неоднократно происходили за время существования нашего биологического вида, составляют главное содержание АКО. В (Шустов и др., 2013) также отмечается, что небесное тело, взорвавшееся над Челябинском, не относится к классу опасных в смысле АКО, хотя при менее пологой траектории входа метеороида в атмосферу последствия взрыва могли быть гораздо более катастрофичными, чем они были.
Итак, мы предлагаем изменить определение ПОО в смысле изменения нижней границы размеров тела со 140 до 50 м. Кроме уточнения нижней границы размеров опасного тела мы вводим дополнительные определения динамических (точнее орбитальных) классов ОНТ. Предлагается называть ПОО (и, соответственно, его орбиту) угрожающими, если, с одной стороны, оценка его расстояния Б до центра Земли не превышает радиуса ЬБ лунной орбиты, а с другой, — зона рассеяния орбит, размер которой (радиус) определяется как 3стБ (стБ — среднеквадратичная ошибка определения величины Б), как минимум касается планеты Земля (ЯЕ — радиус Земли), т.е.
Б < ЬБ и Б - 3стБ < ЯЕ, (1)
и столкновительными, если выполняются условия
Б < ЯЕ и 3стБ < ЯЕ. (2)
Это определение не вполне строго соответствует неизбежности столкновения, так как вероятность столкновения для такого тела (орбиты) несколько меньше 50%. Но, конечно, все мероприятия по противодействию такому столкновению будут такими же, как и в случае 100% вероятности столкновения. На рис. 1 проиллюстрированы эти условия для определения угрожающего и столкнови-тельного тела.
Проблема АКО, будучи проблемой, изучаемой фундаментальной наукой, имеет также выраженный практический характер. Выделяют следующие основные составляющие проблемы АКО, требующие практического решения.
1. Проблема обнаружения (выявления) всех опасных тел.
2. Проблема определения степени угрозы (оценка рисков) и принятия решений.
3. Проблема противодействия и уменьшения ущерба.
Практическая проблема АКО требует создания механизма принятия конкретных решений по противодействию этой космической угрозе. Любой механизм принятия решений строится на вполне конкретных критериях, и они, эти критерии, должны быть четко прописаны и обоснованы. Выбор критериев зависит от решаемой задачи. Например, важным компонентом критерия интегрального характера, описывающего риск столкновения (см. проблему 2 в списке выше), можно считать количественные оценки, заложенные в Туринской или Палермской шкалах.
Первоочередной задачей из перечисленных выше является решение проблемы 1, т.е. проблемы обнаружения опасных небесных тел. Ситуация здесь очень острая. Достаточно сказать, что количество тел, сравнимых или превышающих по размерам Тунгусское тело и являющихся потенциально опасными в смысле определения ПОО, оценивается не менее чем в 200—300 тысяч, а открыто их пока не более 2%! Это, кстати, означает, что неожиданное появление опасных тел вблизи Земли — не исключение, а типичная ситуация и на принятие мер по противодействию и уменьшению ущерба может быть очень мало времени.
Для решения практической задачи выбора или создания наиболее эффективных инструментов и
методов обнаружения ОНТ весьма важно иметь ограничения не только на размер обнаруживаемого тела (и, возможно, фотометрические характеристики его поверхности), но и задать характерные времена задачи. Для оптимизации программы наблюдений важно также знать, какие области небесной сферы наиболее населены (на момент проведения наблюдений) опасными небесными телами. Для конкретизации подобных ограничений (требований) большое значение имеют специально направленные астрономические исследования. Ниже мы приводим результаты некоторых таких исследований, направленных на количественную конкретизацию астрономических ограничений, описывающих ансамбль ОНТ.
ГДЕ НА НЕБЕСНОЙ СФЕРЕ НУЖНО
ИСКАТЬ ОПАСНЫЕ НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА?
Задача обнаружения не может ставиться как задача полного выявления всех опасных тел. Это невозможно. Поэтому ставится задача массового (например, не менее 90%) выявления ОНТ По данным Центра малых планет (ЦМП) при Международном астрономическом союзе (http://cfa-www. harvard.edu/cfa/ps/mpc.html) подавляющее большинство ПОО составляют астероиды. На конец декабря 2012 г. количество потенциально опасных астероидов в "старом" определении этого термина (см. Введение) составило 1350, а если пользоваться новым определением ПОО, введенным выше в данной статье, то таких объектов насчитывается уже более 3300. К сожалению, как уже отмечалось, доля необнаруженных потенциально опасных астероидов размером от 50 м очень велика (~98%), и о свойствах распределений таких тел можно делать лишь некоторые предположения. В дальнейшем мы будем предполагать, что свойства пространственного распределения для этого "малоразмерного", еще практически неоткрытого, населения близки к относительно хорошо изученным свойствам распределений более крупных тел.
Рассмотрим пространственное распределение крупных астероидов. Конечно, более логичным было бы проводить рассмотрение ансамбля потенциально опасных крупных астероидов, но их число недостаточно (немногим более 100) для проведения статистического анализа. Поэтому мы рассматриваем более широкий класс объектов — астероиды, сближающиеся с Землей. Считается, что на данный момент открыты более 95% всех астероидов, сближающихся с орбитой Земли, с H< 18 (т.е. километровых и более размеров) (Committee to review.., 2010). Мы провели оценку параметров распределений АСЗ именно по данным для АСЗ с H < 18. Широтное и радиальное
распределение малых АСЗ, в отличие от долготного распределения, явно подвержено эффектам наблюдательной селекции. Поэтому использование орбитального распределения для всех обнаруженных АСЗ может привести к значительным ошибкам для исследуемых параметров (Емелья-ненко и др., 2011).
Для исследования характерист
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.