научная статья по теме О ДЛИНЕ ДУГИ НАБЛЮДЕНИЙ МАЛОГО ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, ДОСТАТОЧНОЙ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЕГО КАК ОПАСНОГО Космические исследования

Текст научной статьи на тему «О ДЛИНЕ ДУГИ НАБЛЮДЕНИЙ МАЛОГО ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, ДОСТАТОЧНОЙ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЕГО КАК ОПАСНОГО»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 5, с. 372-379

УДК 523.44

О ДЛИНЕ ДУГИ НАБЛЮДЕНИИ МАЛОГО ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ, ДОСТАТОЧНОЙ ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЕГО КАК

ОПАСНОГО

© 2013 г. С. А. Нароенков, Б. М. Шустов, В. В. Емельяненко

Институт астрономии РАН, г. Москва snaroenkov@inasan.ru Поступила в редакцию 02.10.2012 г.

В данной работе проведен анализ точностей определения орбит, рассчитанных по коротким дугам наблюдений. При этом ставилось условие, что длина дуги и/или распределение наблюдений по дуге должны обеспечить уверенную классификацию орбиты малых небесных тел, позволяющую выделить потенциально-опасное тело, и в том числе и угрожающие столкновением.

DOI: 10.7868/S0023420613050087

1. ВВЕДЕНИЕ

Важную роль при решении проблемы астеро-идно-кометной опасности (АКО) играет исследование движения опасных объектов, т.е. астероидов и комет размерами, превышающими 50—100 м, и имеющими существенную вероятность столкновения с Землей. Согласно общепринятому определению (см., например, [http://neo.jpl.nasa.gov]) объектами, сближающимися с Землей (ОСЗ), называются астероиды и кометы, у которых перигелийное расстояние меньше чем 1.3 а.е. Среди ОСЗ выделяют отдельный класс объектов, так называемые потенциально-опасные объекты (ПОО). Потенциально-опасными объектами называют астероиды и кометы, для которых расстояние между двумя ближайшими точками орбит объекта и Земли (MOID — Minimum orbit intersection distance) не превышает 0.05 а.е. Временной интервал, на котором рассматриваются сближения, обычно ограничивают 100 годами. По данным Центра малых планет (ЦМП) (http://cfa-www.harvard.edu/cfa/ps/mpc.html) по состоянию на 1 мая 2012 г. всего было обнаружено — 8953 ОСЗ (подавляющее большинство обнаружены с помощью наблюдательных средств США и координируемой США сети), в т.ч. 91 комета и 8862 астероида в т.ч. 1304 потенциально опасных астероидов.

Понятно, что первоочередной задачей для решения проблемы астероидно-кометной опасности является выявление (обнаружение) всех (обычно применяют более реалистичное требование — не менее 90%) опасных тел Солнечной системы. В современной трактовке задача обнаружения должна рассматриваться именно как задача оперативного (т.е. быстрого) и массового

(исчерпывающе полного) выявления опасных тел (размером 50—100 м и более). Последующие регулярные наблюдения таких объектов (мониторинг) должны обеспечить уточнение их орбит и максимально полное исследование физических свойств. Тем самым появляется возможность как можно раньше предсказать столкновение, и дать необходимую информацию для того, чтобы человечество могло заблаговременно принять соответствующие меры.

Пожалуй, главным вопросом является вопрос о полноте обнаружения. Оцениваемое количество ПОО размером более 100 м составляет до нескольких десятков тысяч, а более 50 м — до нескольких сотен тысяч объектов [1, 2]. Эта оценка довольно неопределенна, но в любом случае она примерно на два порядка превышает количество известных ПОО. Столь высокая степень нашей неосведомленности о конкретных телах, которые могут представлять для Земли определенную угрозу, объясняет, почему так часто в СМИ появляются ажиотажные сообщения о неожиданном открытии некоего небесного тела, угрожающего скорым столкновением с Землей. И именно неожиданность появления опасных тел объясняет, почему до сих пор при рассмотрении способов противодействия столкновениям наиболее часто рассматривается вариант применения средств уничтожения (т.е. ракетно-ядерных и других оружейных средств). Понятно, что в случае появления серьезной и близкой (во времени) угрозы применяются чрезвычайные средства.

Для дальнейшего рассмотрения полезно ввести понятие угрожающего тела. В астрономической практике строгого определения угрожающего тела нет. В данной работе мы вводим такой

критерий в приближении нормального распределения расстояний до Земли, определенных из наблюдений. Последнее предположение, конечно, является лишь приближенным (хотя бы потому, что расстояние является неотрицательной величиной). Но в этой статье мы придерживаемся этого предположения, откладывая оценки его погрешности для дальнейшей работы. Это, в частности, позволяет нам использовать в формулировках известное правило "трех сигм". Мы называем тело угрожающим, 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 т.е.

Б < ЬБ и |Б - 3стБ| < Яъ,

(1)

где ЯЕ — радиус Земли. Введем также понятие тела на столкновительной траектории (столкнови-тельного тела). Будем называть угрожающее тело столкновительным, если выполняются условия

Б < ЯЕ и 3стБ < ЯЕ. (2)

Для угрожающего тела характерна не только относительно высокая вероятность столкновения, но и то обстоятельство, что время, оставшееся от обнаружения до возможного столкновения может оказаться слишком малым, что не позволяет применить технологии увода, т.е. заблаговременного изменения орбиты (см. обсуждения технологий предотвращения столкновений в [3]).

Для построения эффективной системы обнаружения опасных тел необходимо выполнение ряда требований. Система (средства обнаружения + + программно-аналитический аппарат) должны обеспечивать заблаговременную и надежную оценку риска столкновения (см. подробнее в [2, 4]). В случае выявления угрожающего тела необходимо иметь время, достаточное для принятия соответствующих мер противодействия. Такое время — время упреждения определяется техническими возможностями системы противодействия. Типичная современная оценка минимального времени упреждения — 1 месяц [5].

В [6] обсуждается главное требование, предъявляемое к любой системе обнаружения опасных тел, > у где ?и, — подлетное время, т.е. время, прошедшее от обнаружения опасного тела до момента его возможного столкновения с Землей. Нужно также затратить некоторое время А?н с момента ^ первого наблюдения тела, для того чтобы определить его орбиту с точностью, позволяющей классифицировать тело, как потенциально-опасное, угрожающее, или столкновительное. Поэтому мы вводим следующее требование к системе обнаружения: первое наблюдение малого тела

должно быть проведено не позднее чем за 1н — дней, где

1н = Iу + Ан, (3)

Конечно, по завершении получения наблюдательных данных необходимо некоторое время для расчета орбиты, но на практике оно пренебрежимо мало по сравнению с А^. Ясно, что чем больше А?н, тем раньше, и обычно, тем на больших расстояниях до небесного тела, нужно начать наблюдения, направленные на обнаружение небесного тела. Большое расстояние означает меньший блеск тела и соответственно ставит более жесткие требования на размер (проницающую силу) инструмента обнаружения.

В работе [6] А?н было выбрано равным 5 дням. Конечно, это была всего лишь оценка "на вскидку". На самом деле А1н — функция многих величин, описывающих орбиту, режимы наблюдения, принятые методики расчета орбит и потенциальных сближений с Землей и т.д. Значения А?н могут варьироваться в широких пределах. Конечно, для построения оптимальной системы обнаружения необходимо найти минимальное значение А?н, позволяющее гарантированно решить задачу классификации обнаруженного небесного тела как опасного объекта для любого типа орбит.

С целью поиска такого минимального значения А?н в данной работе проведен анализ точностей определения орбит, рассчитанных по коротким дугам наблюдений. При этом ставилось условие, что длина дуги и/или распределение наблюдений по дуге должны обеспечить уверенную классификацию орбиты малых небесных тел, позволяющую выделить потенциально-опасный объект, и в том числе угрожающие тела.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной работе нами были поставлены следующие конкретные задачи:

1. Определить минимальную длину А^ дуги, обеспечивающую определение параметров орбиты обнаруженного тела с точностью, достаточной для его классификации. Анализ необходимо выполнить для типов орбит, характерных для ОСЗ, т.е. для орбит астероидного и кометного (с большим эксцентриситетом) типа.

2. Выяснить как наиболее оптимально построить программу наблюдений на дуге А?н (учитывая параметры обзоров: количество наблюдений, интервал между наблюдениями и т.д.)

Для решения первой задачи можно было сгенерировать орбиты модельных тел, но для наглядности были выбраны 3 реальных небесных тела — 2 астероида (1999JT6 и 2007СА19) и одна комета

Орбитальные параметры выбранных небесных тел

Объект 1 (1999 JT6) Объект 2 (2007 CA19) Объект 3 (109P/Swift-Tutle)

Большая полуось (а.е.), а 2.1374799 2.7874091 26.0920731

Эксцентриситет, е 0.5774627 0.8261935 0.9632257

Наклон (град), 1 9.5440086 9.622198 113.4538

Аргумент перигелия (град), ю 39.016967 97.6189198 152.98217

Долгота восх. узла (град), О 78.9161502 174.804797 139.38119

Средняя аномалия (град), М 349.0 349.5967 0.107298

(Эпоха - 55900 MJD) (Эпоха - 55630 MJD) (Эпоха - 54320 MJD)

Расстояние до Земли, а.е., Я 0.004096 0.000163 0.000419

(109Р/5'ШЙ1-Ти1|1е). Орбиты этих объектов существенно отличаются значением эксцентриситета. Для удобства моделирования движения данных тел было изменено значение средней аномалии, чтобы моменты наибольшего сближения были как можно ближе к сегодняшнему дню. В таблице представлены орбитальные параметры выбранных небесных тел.

Для каждого объекта выполнялся численный эксперимент, проиллюстрированный на рис. 1. На номинальной орбите, определяемой элементами из таблицы, в качестве опорного момента времени выбирался момент наибольшего сближения с Землей (соответствует точке 0). Затем на этой орбите выбирались положения номинальных точек (Т1, Т2, Т3 ...), распределенных на некотором интервале времени А?н (от 2 суток более), причем конец этого интервала отстоял от момента наибольшего сближения с Землей (точки 0) на 30 дней. Для каждой номинальной точки были вычислены эфемеридные значения прямого восхождения а и склонения 5. За местоположение наблюдателя были взяты координаты геоцент

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.

Показать целиком