КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 3, с. 229-233
УДК 523.44
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ
ОБЪЕКТОВ
© 2012 г. С. А. Нароенков, Б. М. Шустов
Институт астрономии РАН, г.Москва snaroenkov@inasan.ru Поступила в редакцию 25.08.2011 г.
В работе исследованы скорости сближения потенциально-опасных объектов (астероидов и комет) с Землей. Показано, что для подавляющего большинства объектов скорость сближения не превышает 40 км/с. Обсуждается приемлемость этой оценки к проектированию и созданию инструментов для обнаружения опасных небесных тел.
1. ВВЕДЕНИЕ
Важную роль при решении проблемы астеро-идно-кометной опасности (АКО) играет исследование движения опасных объектов, имеющих тесные сближения с Землей. Понятие "опасный" связано с понятием "риск". Оценка уровня угрозы (риска) — весьма важная составляющая проблемы АКО, поскольку с одной стороны недооценка риска может привести к тяжелейшим последствиям глобального масштаба, а переоценка — к колоссальным напрасным материальным и социальным потерям. Требуется весьма взвешенный научный подход и здесь ответственность науки перед обществом очень высока.
Можно выделить понятия усредненного риска и риска конкретного столкновения [1]. Усредненная степень угрозы рассчитывается на большой интервал времени и характеризует фоновую угрозу. Согласно [2] усредненное по большому периоду времени число жертв катастроф, вызванных столкновениями с космическими телами, может достигать тысячи человек в год. Это не так уж много. Стоит, например, вспомнить, что в России на дорогах в результате ДТП ежегодно погибает до 30 тысяч человек! Природные катастрофы (цунами землетрясения, оползни и т.д.) также уносят десятки тысяч жизней жителей Земли в год. Но такое усреднение нельзя считать приемлемой с практической точки зрения методикой определения степени конкретной опасности. Что касается расчета степени угрозы в случае конкретного события, то риск определяется в первом приближении произведением вероятности столкновения и тяжести возможных последствий (в качестве количественной оценки тяжести возможных последствий обычно используют кинетическую энергию импактора).
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). Принято называть потенциально-опасными объектами 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. Отметим, что это определение характеризует одну составляющую риска, а именно — вероятность столкновения.
В определении ПОО (см. на том же сайте) введено также дополнительное условие: абсолютная астероидная звездная величина H для ПОО должна быть не более 22. Это означает, что объект должен быть достаточно крупным (широко используется усредненная оценка размера тела с Н = 22— 140 м). Отметим, что это максимальное значение Н было введено в силу ограничений наблюдательных средств, а не из-за того, что тела меньшего размера не представляют угрозы.
Даже для таких, относительно крупных тел массовое обнаружение и их последующее изучение — пока еще нерешенная задача. Она становится еще сложнее, если учесть, что согласно современным представлениям опасными нужно считать все тела размером более примерно 50 метров (это близко к характерной оценке размера Тунгусского тела). Эта величина (критический размер) весьма важна, так как определяет оценку общего числа опасных тел, и конечно влияет на выбор стратегии построения средств обнаружения.
Другая составляющая, определяющая кинетическую энергию опасного тела — скорость его сближения Vc с Землей. Под скоростью сближения мы понимаем скорость тела относительно Земли на расстоянии 0.05 а.е. на той ветви орбиты тела, на которой расстояние между телом и Зем-
230
НАРОЕНКОВ, ШУСТОВ
лей уменьшается. Значения скоростей сближения ПОО и Земли лежат в диапазоне от 0 до 72 км/с. При последующем входе в сферу гравитационного влияния Земли, тело может приобретает добавочную скорость, но эта добавка в скорости не превышает 11.2 км/с для ПОО, скорость сближения которых с Землей близка к нулевой, и менее 1 км/с для самых "быстрых" ПОО. В любом случае эта "добавка" приобретается лишь на последнем этапе движения тела перед столкновением и в постановке задачи об обнаружении может не учитываться.
Скорость сближения опасного тела с Землей определяет т.н. подлетное время п т.е. время, прошедшее от обнаружения опасного тела до момента его возможного столкновения с Землей. На практике необходимо иметь необходимое время для принятия соответствующих мер противодействия. Такое время, время упреждения у задается возможностями человечества. В любом случае главное требование, предъявляемое к любой системе обнаружения опасных тел > у Задаваемое значение у конечно, определяется техническими возможностями системы противодействия. Типичная современная оценка времени упреждения — 1 месяц.
Нужно также иметь некоторое время с момента обнаружения тела, для того чтобы определить его орбиту с точностью, позволяющей предварительно классифицировать тело, например, как потенциально-опасное. Как показывает практика определения орбит для этой предварительной классификации достаточно иметь наблюдения тела на дуге в несколько градусов. Поэтому мы вводим следующее требование к системе обнаружения: первое наблюдение малого тела должно быть проведено не позднее чем за ^ — дней, где 1н = +5 суток. Таким образом ^ = 35 суток, и это требование в сочетании с скоростью сближения определяет оценку расстояния (Б = Кс?н), на котором нужно обнаружить объект. Разумеется, эта оценка приближенна, поскольку за период порядка месяца скорость тела относительно Земли может меняться довольно существенно. Для очень вытянутых орбит расстояние, проходимое телом за период может быть существенно меньше Б, если тело приближается из внешних областей Солнечной системы, и, соответственно, больше Б, если тело приближается со стороны Солнца. Естественно, что звездная величина обнаруживаемого тела данного размера зависит от Б, а проницающая сила инструмента обнаружения (телескопа) должна обеспечивать возможность обнаружения тела такой звездной величины. Проницающая сила телескопа определяет его основные конструктивные характеристики и, соответственно его стоимость.
Таким образом, этот простой анализ показывает насколько важна правильная оценка скорости сближения для рационального подхода к созданию (системы) обнаружения опасных тел. Понятно, что чем выше скорость сближения Ус, тем больше должно быть расстояние Б, и при проектировании системы обнаружения к ней предъявляются более жесткие требования. С практической точки зрения нужно определить некоторое значение максимальной скорости сближения Кстах и строить систему обнаружения, задаваясь этим значением. Отметим, что теоретически возможное значение Ус тах известно, оно составляет 72 км/с, но из практических соображений целесообразнее строить систему обнаружения, исходя не из этого значения предела скорости сближения, а из реального (более низкого) значения предела.
В данной работе с целью поиска такого приемлемого предела проведен анализ распределения скоростей сближения для объектов, сближающихся с орбитой Землей. Конечно, облик системы обнаружения опасных объектов определяется и другими обстоятельствами. Например, распределение направлений, с которых можно ожидать приближение опасных объектов оказывается заметно неоднородным по эклиптической долготе [3]. Но все же скорость сближения является одним из наиболее существенных факторов.
2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО-ОПАСНЫХ АСТЕРОИДОВ ПРИ СБЛИЖЕНИИ С ОРБИТОЙ ЗЕМЛИ
Мы построили распределение скоростей сближения потенциально-опасных астероидов с целью выявить его характеристики, важные для принятия практических решений по созданию системы обнаружения опасных тел. Исходные данные для наших исследований содержатся в каталоге астероидов и комет, представленном на сайте НАСА [http://ssd.jpl.nasa.gov]. Потенциально-опасные астероиды и кометы представляют два различных динамических класса, у которых существенно отличаются скоростные характеристики. Поэтому рационально рассматривать оба класса раздельно. Мы рассмотрели орбиты 3262 астероидов и 81 кометы, сближающихся с орбитой Земли, по данным на начало 2011 года. Количество потенциально-опасных астероидов, взятое нами, отличается от приводимого на указанном сайте NASA в большую сторону, поскольку мы не ограничивались только относительно крупными телами (H < 22), а брали в рассмотрение все тела с MOID < = 0.05, так как нас интересует весь набор орбит, которые находятся на близком расстоянии от земной орбиты. Далее мы будем подразумевать под ПОО всю эту выборку малых тел.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
231
300
в о
идо
о р
тер
с а о
тво
с е ч и л
о Ко
200
100
II
10 15 20 25 30 Скорость сближения, км/с
35
40
Рис. 1
Для того чтобы оценить скорости сближений используем формулы невозмущенного движения для задачи двух тел. Изменяя значение средней аномалии для малого тела и Земли определим точки на орбите Земли, в которых расстояние между орбитами меньше или равно 0.05 а.е. Имея координаты такой точки определим относительные скорости сближения малого тела с орбитой Земли.
На рис. 1 показано распределений скоростей сближения 3262-х потенциально-опасных астероидов с орбитой Земли. Как видно из рис. 1 видно, скорости сближения известных потенциально-опасных астероидов с орбитой Земли находятся в границах от 1 до 40 км/с. Большая часть астероидов (95%) сближается с орбитой Земли на скоростях до 25 км/с. Отсутствуют сближения на высоких скоростях (более 40 км/с), характерные для объектов с большими значения большой полуоси и эксцентриситета, например комет (см. раздел 3).
На рис. 2 показано распределения скоростей сближения для 188 крупных астероидов (Н
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.