УДК 523.44
К ВОПРОСУ ОБ АСТЕРОИДНОЙ ОПАСНОСТИ
© 2012 г. Т. М. Энеев, Р. З. Ахметшин, Г. Б. Ефимов
Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.07.2011 г.
Рассмотрена концепция системы космического патруля для обнаружения и каталогизации большинства небесных тел, представляющих опасность для Земли [1, 2]. Дается анализ схемы "оптического барьера", создаваемого телескопами космического патруля, формулируются требования к системе наблюдения, предложены схемы визирования области оптического барьера для надежного обнаружения небесных тел, сближающихся с Землей, и определения их орбит. Проведено сравнение возможности расстановки космических аппаратов патруля на орбите Земли с помощью электроракетного двигателя и традиционного химического двигателя.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема астероидной безопасности Земли уже достаточно давно привлекает внимание ученых и общества. Исследование следов катастроф космического происхождения на поверхности Земли и небесных тел, наблюдения астероидов, пролетающих вблизи Земли, примеры Тунгусского метеорита и других астрокатастроф в ХХ веке показывают серьезность астероидной опасности для земной цивилизации и необходимость разработки мер для ее предотвращения [1, 2]. В последние годы проблеме астероидной опасности (безопасности) уделяется повышенное внимание: собираются конференции (например, [3, 4]), выходят книги [3]. Широко освещается проблема астероида 99942 Апофис, опасно сближающегося с Землей в 2029 году [3, 4].
Исследования, посвященные астероидной опасности, охватывают несколько направлений. Сюда входит обнаружение астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ), чему посвящено несколько программ их оптического наблюдения наземными средствами, что позволило выявить значительное число тел, размерами порядка километра [3, 5]. Рассматриваются меры противодействия небесным пришельцам — изменения их орбит, разрушения на мелкие осколки, сгорающие в атмосфере и т.п. [3, 4, 6—7].
Для наблюдения и каталогизации АСЗ Т.М. Энеевым была предложена схема космического патруля — фиксирования астероидов с космических аппаратов (КА), расположенных на гелиоцентрической орбите Земли [1, 2]. В работе исследуются основные особенности этой схемы и ее характеристики. Выявлен ряд трудностей, возникающих при наблюдении АСЗ, предложены некоторые пути их преодоления. Проведено сравнение расстановки КА патруля на орбите Земли с помощью электроракетных двигателей "малой тяги" и химических двигателей.
1. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ ПАТРУЛЕЙ И АСТЕРОИДНАЯ ОПАСНОСТЬ
Для возможно полного выявления АСЗ Т.М. Энеевым в 2000 году была предложена концепция создания "оптического барьера" на гелиоцентрической орбите Земли (Т.М. Энеев. К вопросу об астероидной опасности // Материалы Рабочей группы РАН "Риск и безопасность", 29 ноября 2000 г., М.; см. также в [1, 2]). Имелось в виду, что система "оптического барьера", — космического патруля с помощью системы космических аппаратов для наблюдения АСЗ — позволила бы, в принципе, за время порядка 5—6 лет выявить и каталогизировать большинство небесных тел, представляющих опасность для Земли, размером от нескольких сот метров. Развивая концепцию "оптического барьера", в ИПМ им. М.В. Келдыша проводился анализ его схемы, режимов наблюдения и характеристик орбит АСЗ ([1, 2, 8—10] и др.). Наряду с этой системой были предложены и другие системы космического наблюдения опасных небесных тел [4, 11].
В проблеме астероидной опасности следует выделить в первую очередь задачу обнаружения и каталогизации потенциально опасных астероидов, как предваряющую другие ее задачи. Задача активного противодействия опасным астероидам в теоретическом плане рассматривается параллельно с задачей их обнаружения, но практически может быть эффективно решена лишь, когда будет более или менее ясна общая картина характера и типов астероидов, которые могут столкнуться с Землей за заданный промежуток времени.
Построим псевдоцилиндрическую поверхность, содержащую орбиту Земли с осью направленной перпендикулярно ее плоскости. Очевидно, что астероиды группы Аполлона и Атона в ходе своего орбитального движения будут периодически пересекать эту поверхность. Если бы удалось контролировать эту поверхность, путем наблюде-
Рис. 1. Космический патруль на орбите Земли, неподвижная и вращающаяся системы координат; точки пересечения АСЗ плоскости эклиптики и ОБ.
ния вдоль нее с помощью оптических средств, то пересекающие ее АСЗ за обозримый промежуток времени были бы зафиксированы. Такое наблюдение можно организовать с помощью системы космических аппаратов, размещенных на орбите Земли и оснащенных телескопами с хорошей разрешающей способностью. При этом, на каждом КА имеется телескоп, который обозревал бы круговую полосу на небесной сфере с шириной, соответствующей угловому диаметру поля зрения телескопа.
Разместим на орбите Земли N космических аппаратов на равных расстояниях L друг от друга (рис. 1). Примем, что "рабочее" пространство телескопа находится за пределами дальности LКР, где LКР < L/2. В таком случае окрестности земной орбиты будут обеспечены полным обзором телескопов системы КА, причем, обзор пространства вблизи КА (при расстояниях <^Р) будет обеспечен его соседями с разных сторон. Другими словами будет обеспечена своеобразная "взаимная поддержка" системы КА друг другом. АСЗ, двигающиеся достаточно далеко от КА, будут иметь сравнительно небольшую относительно КА угловую скорость движения на небесной сфере и за время оборота телескопа должны попасть в его поле зрения. Наблюдением с телескопов можно будет зафиксировать астероиды, пересекающие окрестности орбиты Земли.
2. ПОПУЛЯЦИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ, СБЛИЖАЮЩИХСЯ С ЗЕМЛЕЙ И ИХ ОРБИТЫ
Для построения системы выявления малых тел, сближающихся с Землей, важно иметь представление об их составе и параметрах их орбит. Подавляющее большинство этих тел составляют астероиды групп Амура, Аполлона, Атона и кометы группы Юпитера.
Орбиты астероидов группы Аполлона заходят внутрь орбиты Земли, их расстояния в перигелии q < 1 а.е., расстояния в афелии О ~ 2.2—5 а.е., как правило, лежат в пределах орбиты Юпитера. Астероиды группы Амура не достигают орбиты Земли, q > 1.03 а.е., однако некоторые из них могут приближаться к орбите Земли ближе, чем на 0.05 а.е., попадая тем самым в число "потенциально опасных" АСЗ. У астероидов группы Атона перигелий орбиты лежит глубоко внутри орбиты Земли, О может быть больше или меньше 1 а.е., большая полуось, т.е. 1/2(0 + q) < 1. а.е. Кометы группы Юпитера имеют, как правило, q ~ 0.8—2 а.е., О ~ 5—6 а.е. Долгопериодические кометы, с афелием за орбитой Юпитера, сравнительно немногочисленны, и мы их пока не рассматриваем.
В настоящее время проводится наблюдение приближающихся к орбите Земли метеоритов, астероидов и комет оптическими средствами с Земли. Так, программа Spaceguard предполагала выявить около 95% опасных астероидов с размерами ~1 км; цели этой программы считаются выполненными, продолжение наблюдения АСЗ будет выявлять небесные тела с меньшими размерами [4, 5].
В каталоге АСЗ ИПА РАН в С-Петербурге 2001 года [12] общее число их — 1366. Из них группе Амура принадлежат 611 АСЗ (~47%), группе Атона — 111 (~8%), и группе Аполлона — 644 (~45%). Каталог 2010 г. Смитсоновского института [13] дает увеличение числа АСЗ до 6400, не изменяя их отношение: группа Амура содержит 3153 тел (49.4%), группа Аполлона — 2662 (42%), и группа Атона — 551 (8.6%) тел; число ежегодно открываемых астероидов растет. Изменяется и оценка их общего количества: популяция тел с диаметром Б > 100 м оценивалось ранее в 70—160 тысяч, размерами Б > 1 км в ~1.5 тыс.; современные оценки увеличили эти числа вдвое — 320 тысяч при Б > 100 м, при Б > 1 км — порядка 3 тысяч; потенциально опасных АСЗ по данным [13] — 1046 тел.
Наибольшее число потенциально опасных АСЗ составляют астероиды группы Аполлона. Условия их наблюдения с КА патруля зависят от наклонения I их орбит, а также от скорости, с которой они пересекают окрестность орбиты Земли, а скорость, в свою очередь, — от расстояния О в афелии и q в перигелии. Распределение АСЗ группы Аполлона по величинам q и I по данным ИПА [12], собраны в табл. 1. Из нее видно, что АСЗ достаточно сильно различаются по характе-
ристикам орбит, и, следовательно, условия наблюдения их могут быть различны: так, наклонение I > 30° имеет 11.6%, а I > 15° - 38% АСЗ группы.
Другую часть опасных тел составляют АСЗ группы Атона. Их намного меньше, чем в группе Аполлона, поэтому при оценке астероидной опасности ими, как считалось в [1], можно пренебречь. Сейчас их число существенно увеличилось; малое число их, быть может, объясняться трудностью наблюдения с Земли.
Обнаружение в 2003 году астероида 99942 Апо-фис из группы Атона (е = 0.191, а = 0.922 а.е., I = = 3.331°, q = 0.746 а.е., 0 = 1.099 а.е.; Б ~ 300 м), тесно сближающегося с Землей в 2029 и 2036 годах, привлекло большое внимание. Наблюдение и детальные исследования орбиты Апофиса и ее эволюции при сближения с Землей дали новое освещение ряду аспектов астероидной опасности. Апофис из ближайших12 лет после открытия имеет 3-4 окна малой длительности для оптического наблюдения и уточнения орбиты, мало окон и для радиолокации. Подобные затруднения при наблюдении характерны и для других АСЗ этой группы.
Анализ эволюции орбиты Апофиса после сближения с Землей в 2029 году обнаружил, что пролет Земли на высоте ~40 тыс. км приводит к сильному изменению орбиты, периодичность сближений Апофиса с Землей уменьшается [14]. Из-за неточности знания орбиты Апофиса прогноз измененной орбиты дает ряд вариантов, возможно дробление астероида на части, каждая из которых может стать опасным телом со своей орбитой. Изучение возможности противодействия Апофису подчеркнуло, что для него требуется время и серьезные меры: необходимо уточнение орбиты, посылка зонда для встречи с астероидом, исследование его физических и механических свойств [3, 4]. Серьезность мер технического характера связана с масштабом противодействия и последствий в случае даже частичной их неудачи. Затра
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.