Б.М. Шустов, Л.В. Рыхлова

Проблема астероидно-кометной опасности в XXI веке стала актуальной темой научных конференций,  регулярно рассматривается в ООН, правительствами и парламентами ведущих стран мира, влиятельными неправительственными организациями. Естественно, что ведущие страны, прежде всего США, вкладывают всё более серьёзные средства в разработку методов обнаружения и мониторинга объектов, сближающихся с Землёй, и в поиск способов противодействия угрозе столкновений таких тел с нашей планетой.

Столкновения Земли с малыми телами происходили всегда. На ранних стадиях интенсивные столкновения  привели к росту массы протопланет – сгустков в протосолнечной системе – и появлению в результате роста одного из сгустков нашей планеты. Интенсивность столкновений в более близкие к нам эпохи существенно снизилась, но всё-таки не стала  пренебрежимо малой. В геологической истории сохранилось много свидетельств падения на Землю крупных и очень крупных (размером более 1 км) тел. Такие события приводят к выделению колоссальной энергии. В результате на поверхности планеты образуются кратеры, диаметр которых в 15–20 раз превышает размеры упавшего тела. На Земле – на суше и  дне океана – обнаружены около 200 кратеров – следов подобных катастроф.  Диаметр некоторых кратеров более 200 км. Кратер Чиксулуб в Мексике (диаметр 180 км) образовался 65 млн. лет назад при падении 10-километрового тела. Считается,  что это событие послужило причиной вымирания более 80% всех видов живых существ, в том числе полного вымирания динозавров, и ознаменовало переход от мелового периода мезозойской эры к третичному периоду кайнозоя.

Конечно, большая часть космических тел, сталкивающихся с Землёй, падает в моря и океаны. К настоящему времени обнаружено не более 20 кратеров, возникших при падении тел в море. Причина малочисленности подводных кратеров связана как с относительной молодостью морского дна, так и с его малой исследованностью. Большая часть некогда образовавшихся ударных кратеров – и на суше, и на морском дне – исчезла вследствие различных эрозийных процессов. На поверхности Луны и других планет, спутников планет и астероидов, где интенсивность этих процессов мала, наблюдаются многочисленные ударные кратеры, которые можно рассматривать как историческую летопись последствий столкновений в далёком и не очень далёком прошлом.

Падение относительно крупных тел на планеты Солнечной системы – процесс, далёкий от завершения, о чём свидетельствуют падение в 1994 г. кометы Шумейкера–Леви 9 на Юпитер и, конечно, Тунгусская катастрофа. Она случилась 30 июня 1908 г. в труднодоступном и весьма малонаселённом районе Сибири, но стала серьёзным предупреждением для жителей всей планеты. Мощный взрыв на высоте около 6–8 км привёл к вывалу леса (примерно 80 млн. деревьев) на  территории более 2 тыс. км². Как было показано позднее, энергия взрыва составила 15 мегатонн  в тринитротолуоловом эквиваленте. Лишь спустя почти 20 лет к месту взрыва были организованы профессиональные экспедиции во главе с Л.А. Куликом. Изучение этого феномена убедило большинство исследователей в том, что   Земля столкнулась с небольшой кометой, состоявшей в основном изо льдов. Именно поэтому пока не удалось отыскать остатки Тунгусского тела.  Часто используемое название "Тунгусский метеорит" некорректно, поскольку метеорит, по определению, – это сохранившийся остаток небесного тела,  а в случае Тунгусского события остатки не найдены. Более удачно называть Тунгусское тело "метеороидом".  Тунгусский метеороид мог быть и каменным. Согласно численным экспериментам, при типичных прочностях каменных метеоритов и аэродинамических нагрузках в сотни атмосфер дробление метеороида могло быть настолько эффективным, что он фрагментировал на мелкие осколки, которые подверглись при движении в земной атмосфере полной абляции [1].

Особенность современной  оценки этого события 100-летней давности состоит в том, что, по-видимому, при падении на сушу именно тела размером 50–100 м (200 м при падении в океан) представляют наибольшую угрозу на шкале существования человечества, то есть 100–300 тыс. лет. Для оценки такой угрозы нужно определить разрушительный эффект от падения тела и частоту столкновений. Разрушительный эффект столкновения зависит от ряда факторов: размера тела, скорости относительно Земли, угла падения, минералогического состава, места падения (океан, суша) и т.д. Относительно мелкие тела (несколько десятков метров в диаметре) обычно полностью или частично разрушаются в атмосфере. Но образующаяся при этом взрывная волна способна вызывать серьезные локальные разрушения (последствия примерно такие же, как и при взрыве мощной термоядерной бомбы). Падения тел размером в сотни метров приводит уже к региональным катастрофам, охватывающим площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров. Наконец, если размеры тела превышают несколько километров, последствия  столкновения будут носить характер глобальной катастрофы. При этом уже не имеет большого значения, в каком именно месте земной поверхности произойдёт столкновение. В результате первичного удара и последующей каскадной бомбардировки возникнет "букет" катастрофических последствий –  ураганы, пожары, землетрясения, мощнейшие цунами, грязевые и кислотные ливни,  кратковременный, но очень сильный (сотни градусов) перегрев атмосферы и т.д. Подобное столкновение приведёт к длительному (многие месяцы)  нарушению климата всей планеты (эффект “ядерной зимы”). Жертвами подобной катастрофы может оказаться большая часть населения Земли. Тела размером более 10 км способны безвозвратно погубить человеческую цивилизацию (Табл. 1). Однако такие события весьма редки. Статистика уже открытых астероидов подтвердила и дополнила ранее сделанный на основе подсчёта числа кратеров в разных районах Луны вывод о том, что частота падения на Землю космических тел сильно зависит от их размеров. Так, падения тел размером от 1.5 км и более случаются в среднем раз в 1 млн. лет. Региональные катастрофы разных масштабов, вызываемые падениями космических тел размером в сотни метров,  происходят в среднем раз в несколько десятков – сотен тысяч лет.

Таблица 1. Частота и результаты столкновений малых тел с Землей.

Таблица 2. Сводка результатов обнаружения опасных астероидов на конец 2009 года.

Степень нашей осведомлённости о конкретных телах, которые могут представлять для Земли определённую угрозу, представлена в таблице 2.

Подчеркнём однако, что наши знания о потенциально опасных объектах не дают гарантии, что завтра, через год, через десятилетие не будет обнаружен объект,  намного более опасный, чем уже известные.  Более того, в силу ограниченности современных  наблюдательных возможностей  опасные  тела открываются практически по счастливой случайности. 

Показательный пример – открытие астероида Апофис. Обнаруженный в 2004 г. потенциально опасный объект 2004 MN4=(99942) Apophis диаметром 200–350 м в 2029 г. пройдёт, согласно результатам многочисленных расчётов,   на расстоянии  36.1–39.2 тыс. км от Земли. В 2036 г. он имеет ненулевую вероятность столкнуться с Землёй. Самое интересное – существование так называемой зоны резонансного возврата (в англоязычной литературе используется более образный термин "keyhole" – "замочная скважина"). Размер такой зоны менее 1 км. Если Апофис пролетит именно в "замочную скважину" (вероятность события оценивается примерно в 2 ´ 10-5), то в 2036 г. он гарантированно столкнётся с Землёй (Рис. 2).

Очевидно, что прежде всего необходимо совершенствовать средства и методы наблюдений опасных тел. В США уже действуют несколько специализированных служб  и  ежегодно финансируются работы по обнаружению, каталогизации, определению физических характеристик потенциально опасных объектов. Постоянно ведётся изучение и способов предотвращения или уменьшения масштабов угрозы таких столкновений. Значительная часть информации об исследованиях по проблеме, связанная с развитием военных технологий, освещается в открытой печати неполно. Из международных проектов по обнаружению объектов, сближающихся с Землёй, достойны  упоминания проекты Японии, стран Евросоюза и Австралии.

Вклад российских обсерваторий, к сожалению, пока невелик. Он в первую очередь выражается в проведении исследований физических свойств астероидов, что весьма важно для планирования возможных методов противодействия столкновению, а также в слежении за уже открытыми объектами и изучении источников их пополнения. Регулярные наблюдения астероидов, сближающихся с Землёй, в настоящее время проводятся только в Пулковской обсерватории на автоматизированном телескопе  диаметром 32 см. Программы наблюдений астероидов, сближающихся с Землёй, выполняются и в других обсерваториях. Отметим работу сотрудников Казанского университета на телескопе РТТ-150, установленном в Турции. Помимо позиционных измерений астероидов, сближающихся с Землёй, выполняется программа определения массы избранных астероидов динамическим  методом. Эпизодические программы наблюдений осуществляются в Институте солнечно-земной физики СО РАН и в Специальной астрофизической обсерватории РАН.

В течение последних 15 лет сотрудники Института астрономии РАН ведут  регулярные наблюдения (на инструментах Звенигородской обсерватории, Симеизской обсерватории – ныне филиал Крымской астрофизической обсерватории, Терскольской обсерватории) избранных метеорных потоков с целью обнаружения тел размером в несколько десятков метров. То, что такие тела существуют, было установлено в 1995 г. Это открытие внесло существенные изменения в наши представления о степени угрозы столкновений с малыми телами.

Радарные наблюдения отдельных объектов, сближающихся с Землёй,  выполняются в основном на радиотелескопах в  Голдстоуне и Аресибо (США). Ежегодно наблюдаются 15–20 объектов. Такие наблюдения исключительно важны для уточнения орбит объектов, определения их формы, вращения и других физических характеристик. В России и Украине осуществлён первый эксперимент по радарным и интерферометрическим  наблюдениям астероидов.

Обработка всей поступающей информации о наблюдённых положениях объектов, присвоение им предварительных обозначений, идентификация, определение предварительных орбит и их последующее уточнение ведётся под контролем Центра малых планет.

Центр публикует также информацию об объектах, которые нуждаются в дополнительных наблюдениях для подтверждения их открытия, уточнения орбит и других характеристик. Прогнозирование движения потенциально опасных объектов, поиск их тесных сближений с Землёй и получение оценки вероятности столкновений на протяжении ближайших десятилетий осуществляется в настоящее время регулярно в Лаборатории реактивного движения США и в Пизанском университете (Италия).  В ряде исследовательских центров России (Санкт-Петербургском государственном университете, Томском государственном университете, Институте прикладной математики РАН и др.) – проводятся исследования особенностей движения потенциально опасных небесных тел. В Институте прикладной астрономии РАН кроме этих работ в кооперации с ЦМП ведется работа по развитию и поддержанию банка данных о малых телах Солнечной системы.

В наши дни задача обнаружения потенциально опасных объектов стоит на другом, по сравнению с 1998 г.,  уровне. В США подготовлена  программа "Космический патруль-2". В её рамках планируется в течение 15 лет выявить практически все потенциально опасные объекты размером более 140 м. Для решения этой задачи необходимо создание мощной международной наблюдательной сети и, конечно, Россия должна занять в ней своё место.

В мире уже построено довольно много крупных астрономических телескопов, но они, к сожалению, не приспособлены к решению поисковых задач. Оптимальные параметры наземных телескопов,  предназначенных для обнаружения сближающихся с Землёй объектов размером до 140 м, таковы:

• поле зрения не менее нескольких (желательно десяти) квадратных градусов;
• проницающая способность не хуже 22 звёздной величины при экспозициях не более нескольких десятков секунд, то есть требуемый диаметр  апертуры телескопа должен быть не менее 1–2 м.
• количество ясных ночей с хорошим качеством изображения не менее 50% в году;
• мощное компьютерное оборудование и математическое обеспечение для получения оперативной информации о новых объектах в течение ночи и окончательной обработки её до начала следующей ночи;
• оперативная связь с другими обсерваториями.

За рубежом скоро войдут в строй несколько специализированных, т.е. спроектированных и работающих по тематике астероидно-кометной опасности инструментов. На Гавайях завершается строительство телескопов серии Pan-STARRS. Это четыре телескопа с апертурой 1.8 м. Поле зрения каждого телескопа 3°, ПЗС-приёмник имеет огромные размеры –  1.4 млрд. пикселей. За 60 секунд достигается 24 звёздная величина. В режиме обзорного поиска   телескопы  способны покрыть всю доступную площадь неба трижды в течение месяца. Первый телескоп этой серии уже работает.

Планируется создание ещё более мощных инструментов для работ по проблеме астероидно-кометной опасности. Отметим проект 4.2-метрового телескопа ДКТ (The Discovery Channel Telescope) Ловелловской обсерватории. Его оптическая система допускает переключение от ультраширокого поля зрения в первичном фокусе, используемого при обзорах неба, к длиннофокусной системе, предназначенной для астрофизических исследований. В первичном фокусе поле зрение телескопа в 16 раз превышает площадь полной Луны. Ожидается, что телескоп вступит в строй в 2010 г.

Ещё более крупный 8-метровый телескоп класса LSST (The Large Synoptic Survey Telescope) предназначен для выполнения обзоров неба. Его уникальная оптическая система способна каждые 15 секунд осматривать участок неба, в 50 раз превышающий по площади полную Луну, c регистрацией объектов до 24.5 звёздной величины. Цифровая камера телескопа будет иметь 3´10⁹ пикселей, а полный объём информации, получаемый в течение одной ночи, будет эквивалентен 7000 DVD-дисков (эти диски ёмкостью 4.7 Гбайт известны практически каждому, поскольку на них распространяются фильмы, музыка и т.д.). Предполагается, что система вступит в строй в 2012 г. Телескоп планируется установить в Чили. Данные, полученные на этом телескопе, предполагается сделать общедоступными.

В будущем, конечно, системы обнаружения и мониторинга потенциально опасных объектов будут устанавливаться и на космических аппаратах. Работа космических телескопов не зависит от погоды, а главное, они могут проводить наблюдения в зонах, недоступных в данное время для наземных инструментов, то есть достаточно близко к направлению на Солнце. Это области особо повышенного риска неожиданного появления на уходящей ветви (как правило, сильно вытянутой) орбиты небольших, но весьма опасных  комет.

Определения физических и химических характеристик объектов, сближающихся с Землёй, также весьма важны. Нужно знать свойства тел, которые могут столкнуться с Землёй, чтобы постараться найти наилучший способ предотвращения столкновения или уменьшения ущерба. Такие исследования проводятся наземными методами (спектрофотометрия астероидов как в оптическом, так и в радиодиапазоне) и, конечно, космическими. За последнее десятилетие в мире успешно осуществлено более 10 космических миссий, предназначенных для изучения малых тел Солнечной системы. Исследования астероидов и комет in situ в Федеральной космической программе России на период 2006–2015 гг. пока не предусмотрены. Но есть специальный проект изучения малого тела Фобос – спутника Марса. Одна из целей проекта – доставка на Землю образцов грунта (0.1 кг) Фобоса. Во время этой миссии впервые в отечественной практике будут отрабатываться методы навигации в слабых гравитационных полях малых тел и методы посадки на такие тела.

Космические аппараты, направляемые к объектам, которые сближаются с Землёй, и особенно к потенциально опасным, могут выполнять мероприятия по предотвращению угрозы столкновения. Разработка и создание методов и средств  активного противодействия падению космических тел на Землю ведутся с тех пор, как была осознана реальность астероидно-кометной опасности, то есть уже более 10 лет. Выбор метода существенным образом зависит от размеров опасного тела и времени упреждения (время, остающееся до столкновения). Если время упреждения велико (несколько десятилетий), то, по современным представлениям,  наиболее целесообразен увод тела с орбиты столкновения одним из следующих способов:

• ударно-кинетическое воздействие массивного тела, выведенного в космос и сталкивающегося с астероидом;
• гравитационное воздействие (гравитационный тягач);
• получение импульса увода с помощью поверхностного или близкого термоядерного взрыва;
• использование малой реактивной тяги, создаваемой, например, электрореактивной двигательной установкой.

Из перечисленных методов пояснения требует только набирающий популярность метод гравитационного увода. На околоастероидную орбиту выводится космический аппарат (гравитационный тягач), двигателями малой тяги которого создаётся  импульс, уводящий астероид с орбиты. Для этого  направление струй должно быть выбрано так, чтобы они не были нацелены на тело астероида (Рис. 3). Преимущество использования гравитационного тягача состоит в том, что нет необходимости точного учёта особенностей формы (рельефа) астероида, в отличие от других методов увода объекта с орбиты. Разрабатываются, конечно, и другие способы отклонения, но общее достоинство перечисленных выше в том, что они вполне реализуемы уже на современном уровне техники.

В соответствии с решением Совета РАН по космосу, в НПО им. С.А.  Лавочкина совместно с Институтом астрономии РАН и другими академическими институтами разрабатывается проект полёта к астероиду Апофис. Основная цель – изучение астероида и выведение на астероидоцентричную орбиту  радиомаяка, что позволит использовать для наблюдения наземные радиотелескопы и на порядки повысить точность определения орбиты астероида. Обсуждается и возможность применения метода гравитационного тягача. Если на расстоянии от центра Апофиса 0.25 км, включить двигатель малой  тяги  всего лишь на несколько часов, то его орбиту можно изменить таким образом, чтобы она не прошла через зону резонансного возврата.

При малом времени упреждения и небольшой массе тела можно добиться  его дробления  на части, не представляющие угрозы, например, с помощью  инерционных механических  рассекателей. В случае большой массы тела для его дробления потребуется уже ядерный  взрыв. Использование указанных методов требует серьёзной предварительной проработки. Такая проработка ведется во «Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики имени академика Е. И. Забабахина». Возможные средства доставки рассматриваются экспертами «Государственного ракетного центра имени академика В.П. Макеева».  Следует отметить, что пока что остаётся очень большая неопределённость в результатах воздействия на достаточно крупные угрожающие тела.

Специфика проблемы  активного противодействия астероидно-кометной опасности состоит в том, что она не может решаться одной страной или группой стран. Эта затрагивающая интересы всех стран международная проблема может быть решена лишь при наличии международного соглашения в отношении предпринимаемых действий. Особенно чувствительным вопросом является применение ядерных взрывов как инструмента противодействия. Сегодня на вывод ядерного оружия в космос существует запрет, но в некоторых ситуациях без этого инструмента при современном уровне технологий обойтись нельзя.

В феврале 2007 г. при Совете РАН по космосу организована Экспертная рабочая группа по проблеме астероидно-кометной опасности [3]. В неё вошли представители РАН, Роскосмоса, МЧС, Росатома, МО и других заинтересованных ведомств и организаций.  Одной из основных  задач группы стала разработка проекта Федеральной целевой научно-технической программы "Астероидно-кометная безопасность России". В проекте планируется комплексный подход к решению проблемы астероидно-кометной опасности, при котором в качестве основных задач рассматриваются как фундаментальные, так и прикладные.

Главным научно-техническим приоритетом является создание национальной службы обнаружения и мониторинга опасных небесных тел и повышения ее эффективности за счет интеграции в международную систему. Участие Россиии в этой работе необходимо еще и потому, что в наше время лучше иметь независимые источники информации, чтобы в случае необходимости выработать собственное мнение для принятия решения.

Главным результатом, который должен служить основанием для приняития решения о мерах уменьшения возможного ущерба, должна быть надежная оценка риска для каждого конкретного ожидаемого события. Для этого необходима координация и поддержка работ по определению и уточнению физичесих характеристик опасных небесных тел.

Многоплановость проблемы АКО требует создания единого информационного центра и соответствующей распределенной системы сбора данных. Наполнение Информационного центра данными наблюдений должно происходить не только с помощью средств наземного, но также и  космического базирования. Присущие наземным средствам наблюдения недостатки (напрмер, зависимость от погодных условий, невозможность обнаружения опасных объектов со стороны Солнца и др.) позволяют считать, что полноценнаясистема обнаружения опасных небесных тел невозможна без космической ссоставляющей.

Предупреждать стихийные явления и техногенные катастрофы на основемониторинга, ослабллять разрушительные последствия и быть ним готовыми – экономически более выгодно, чем реагировать на их последствия. Об этом говорит мировая практика. Предотвращение катастрофических последствий любых стихийных бедствий в настоящее время основывается почти поностью на систему раннего обнаружения.

Система раннего обнаружения опасных небесных тел уже создана в США. Россия не должна оставаться в стороне от решения этой глобальной общечеловеческой проблемы.

1. Светцов В.В. Тунгусская катастрофа 30 июня 1908 г. // Катастрофические воздействия космических тел. / Ред. Адушкин В.В., Немчинов И.В. М: ИКЦ "Академкнига",  2005. С. 167.
2. У.Ф. Хюбнер, Л.Н. Джонсон, Д.С. Бойс и др. Широкомасштабная программа защиты от потенциально опасных объектов //  Астрономический  вестник,  2009, т. 43, №4, сс. 348 -356.

Авторы работают в Институте астрономии РАН. ШУСТОВ Борис Михайлович – член-корреспондент РАН, директор института. РЫХЛОВА Лидия Васильевна – доктор физико-математических наук, заведующая отделом.