Проект по теме: «Защита планеты Земля от астероидов»

Муниципальное АВТОНОМНОЕ ОбщеОбразовательное Учреждение

Муниципального Образования город Краснодар

ЛИЦЕЙ № 90 ИМЕНИ МИХАИЛА ЛЕРМОНТОВА

Проект по теме:

«Защита планеты Земля от астероидов»

Выполнил ученик 11 «В» класса:

Ковалев Ярослав

Руководители проекта:

Преподаватель физики Епифанова Т.Г.

Преподаватель обществознания Кобрина А.Д.

2022-2024 учебные годы

План:

1.Введение

• Проблематика и актуальность

• Причины почему эта проблема заинтересовала меня

• Цель

• Задачи

• Проблема

• Гипотеза

2.Исследовательская работа

1. Общая информация об астероидах

2. Что значит «опасный астероид»

3. Отражение угрозы

• Правительственные поручения

• Действующие программы

• Будущие программы

1. Принцип расчета вероятности падения

2. Что может изменить траекторию астероида

• Ядерное взрывное устройство

• Кинетический таран

• Астероидный гравитационный луч

• Ионный луч

• Использование сфокусированной солнечной энергии

• Электромагнитная катапульта

• Другие рассматриваемые способы

1. Угрозы, связанные со способами защиты

3.Практическая работа

• Алгоритм расчета параметров встречи астероида с Землей

• Расчет необходимой мощности взрыва для уничтожения астероида взрывом

• Бояться ли россияне угрозы из космоса

4. Литература

Введение

Проблематика и актуальность

Сообщения об астероидах, несущих гибель всему живому, появляются в СМИ едва ли не каждый день. Самую массовую за последние годы истерику вызвал Апофис — астероид размером с пирамиду Хеопса, названный в честь древнеегипетского бога хаоса. Апофис открыли в 2004 году в Национальной обсерватории Китт-Пик (Аризона, США) и заявили: высока вероятность, что в 2029 году он упадет на Землю. Потом, уточнив траекторию астероида, конец света отменили.

Петр Александров рассказывает о том, как зависит опасность астероидов от их размера: «Довольно много к нам прилетает пылинок, мы их вообще не видим — они сгорают в атмосфере, лишь чуть-чуть меняя ее состав. Тела диаметром от 0,1 до 50 см — это то, что мы называем падающими звездами, тоже сгорают. При диаметре от 0,5 до 30 м, скорее всего, поверхности Земли достигнет фрагмент, составляющий 1 % изначальной массы астероида. Таким был, по всей видимости, Челябинский метеорит (все, что упало на землю, классифицируется как метеорит.): атмосферу преодолело несколько сот килограммов. Астероиды диаметром от 30 м до 1 км представляют серьезную опасность».

Малых небесных тел рядом с Землей миллионы, в основном они сосредоточены в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Двигаются астероиды быстро — со средней скоростью 20 км/c. В этом рое неизбежны столкновения, смещающие орбиты астероидов. Если орбита астероида сближается или пересекается с орбитой Земли, возникает опасность. Крупные астероиды сталкивались с Землей, и весьма неудачно для обитателей нашей планеты. Чиксулуб — древний ударный кратер диаметром около 180 км, расположен частично на полуострове Юкатан, частично — на дне Мексиканского залива. Он образовался 65 млн лет назад: на Землю упал метеорит и, разрушив цепи биогеоценоза, вызвал гибель множества видов животных. Некоторые ученые связывают с той катастрофой вымирание динозавров. Удручающее впечатление производит и Аризонский кратер, возникший около 50 тыс. лет назад от падения 50-метрового метеорита. А сколько гигантских воронок заросло лесом? Сколько метеоритов упало в океан?

Цель: исследовать, насколько опасны астероиды для человечества.

Задачи:

Найти и изучить источники информации в интернете.

Рассмотреть ближайшие астероиды, представляющие опасность для Земли.

Изучить способы защиты от опасных астероидов.

Проблема: существует несколько способов защиты от астероидов, приближающихся к Земле. Какой из них самый эффективный.

Гипотеза: действительно ли астероиды представляют собой реальную опасность для Земли.

Исследовательская работа

1. Общая информация об астероидах

Астероиды — это небесные тела, имеющие неправильную форму и диаметр более 30 метров, так называемые малые планеты, движущиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам и отличающиеся от больших планет малыми размерами. Название «астероид» происходит от греческих слов «aster»-звезда и «eidos» - вид и означает «звездоподобный». Названы эти объекты были так потому, что даже в самые мощные телескопы они, в отличие от планет с хорошо различимым диском и даже деталями на нем, были видны лишь как маленькие блестящие точки. Астрономы образно называют их небесными «Картофелинами» или «Космическими лилипутами». Их разделяют на три группы: астероиды Главного пояса, околоземные и астероиды из этих двух групп, представляющие потенциальную опасность.

Главный пояс образуют астероиды, вращающиеся между орбитами Марса и Юпитера. Там находится примерно 90% всех объектов. Астероидов диаметром более 100 км насчитано 200 штук, а диаметром более 100 м — примерно 25 млн. Несмотря на большую численность объектов, суммарная масса Главного пояса — всего 4% от массы Луны и 0,06% массы Земли.

Половина этой массы приходится на 4 крупнейших объекта: карликовую планету Цереру (занимает треть общей массы), Весту, Палладу и Гигею. Околоземные астероиды делятся на 4 группы, в зависимости от соотношения их орбит с земной орбитой: Атоны, Аполлоны, Амуры и Атиры. Околоземных астероидов десятки тысяч. Третий по величине околоземный астероид и крупнейший, из пересекающих земную орбиту — Эрос. Перед названиями астероидов указываются цифры: (4) Веста, (253) Матильда, (2867) Штейн — они обозначают порядок открытия объекта.

1. Что значит «Опасный астероид»

Потенциально опасными объектами считаются астероиды, которые могут приближаться к Земле достаточно близко, на расстояние менее 7,5 млн километров (что составляет примерно 19,5 расстояний от Земли до Луны).

Как измеряется опасность столкновений.

Туринская шкала. Качественная оценка в сравнении — какие астероиды более опасны, какие менее.

Палермская шкала. Количественная оценка, вычисление опасности конкретного астероида.

Самый известный из потенциально опасных астероидов: (99942) Апофис, открытие которого одно время обсуждалось всюду. Его диаметр составляет 370 м, дата сближения с Землей на расстояние 38 000 км — 13 апреля 2029 года. Однако в списке потенциально опасных астероидов по Палермской школе он занимает лишь пятое место. На первом месте находится астероид под названием (29075) 1950 DA, диаметром 1300 метров. Он окажется в опасной близости с Землей предположительно в 2880 году.

Астероиды Главного пояса на данный момент опасность не представляют, но они могут пересечь орбиту Земли после столкновений с соседями либо в результате гравитационного влияния крупных объектов. Из околоземных астероидов внимание привлекает Эрос, аналогичный по величине тому, который, как предполагается, вызвал вымирание динозавров: он находится в орбитальном резонансе с Марсом, и планета изменяет его траекторию на более вероятную для соударения с Землей.

Прогнозы утешительны: на данный момент не известно ни одного астероида, который достоверно столкнется с Землей. С тех пор как NASA стало финансировать изучение астероидов, новые объекты открываются чуть ли не ежедневно, и по Туринской шкале, которая предусматривает градацию опасности по 10 баллам, большинство астероидов при открытии получают рейтинг 1 балл, а после наблюдений риск приравнивается и вовсе к 0 баллов. По Палермской шкале также нет астероидов с опасными показателями — есть только объекты, требующие наблюдения.

1. Отражение угрозы

Правительственные поручения

В 1992 году, в отчёте, подготовленном для агентства НАСА было рекомендовано организовать программу «Наблюдение за космической безопасностью» (англ. Spaceguard Survey) с целью поиска астероидов, пересекающих орбиту Земли, их проверки и дальнейшего наблюдения за ними. Ожидалось, что это наблюдение за 25 лет позволит выявить 90 % объектов размером больше километра. Через три года, в ещё одном отчёте НАСА рекомендовалось провести в течение десяти лет поисковые наблюдения, которые позволят выявить 60-70 % короткопериодных околоземных объектов размером больше километра, и ещё через пять лет достичь показателей в 90 %.

В 1998 году НАСА поставило задачу: к 2008 году обнаружить и каталогизировать 90 % всех околоземных объектов диаметром более километра, которые могут столкнуться с Землёй. Размер определён после исследований показавших, что падение объекта диаметром меньше километра повлечёт за собой значительный местный или региональный урон, но не вызовет всемирную катастрофу. Деятельность НАСА привела к тому, что началось финансирование ряда мероприятий по поискам околоземных объектов. Обнаружение в 2009 году околоземного объекта диаметром от двух до трёх километров показало, что ещё найдены далеко не все крупные объекты.

Член палаты представителей США от штата Калифорнии демократ Джордж Браун мл., в журнале «Air & Space Power Chronicles» поддержал проекты по защите планеты, заявив, что «если однажды в будущем будет заранее установлено, что Земле угрожает падение астероида, способного вызвать массовое вымирание, и его столкновение с нашей планетой будет предотвращено, данное событие станет одним из самых важных достижений за всю историю человечества».

Поскольку Браун посвятил делу защиты планеты многие годы своей жизни, закон палаты представителей США под номером H.R. 1022 был назван в его честь — The George E. Brown, Jr. Near-Earth Object Survey Act. Этот закон, предусматривавший финансирование программ наблюдений за околоземными объектами, был внесён республиканцем от штата Калифорния Дейной Рорабейкер.  В итоге он был включён в закон NASA Authorization Act, который был принят Конгессом 22 декабря 2005 года и подписан президентом. В результате этого в начале марта 2007 года в Конгрессе был представлен отчёт, озаглавленный как «Анализ альтернатив». Исследованием занимался отдел НАСА Program Analysis and Evaluation при поддержке консультантов из Aerospace Corporation, Исследовательского центра имени С. М. Лэнгли и SAIC.

Действующие программы

Центр малых планет каталогизирует орбиты астероидов и комет с 1947 года. Недавно одновременно с ним начали работать программы наблюдения, специализирующиеся на поисках околоземных объектов. Многие из них финансируются отделом НАСА Near Earth Object (NEO) в рамках программы «Наблюдение за космической безопасностью». Одной из самых известных программ является проект «LINEAR», заработавший в 1996 году. К 2004 году по проекту «LINEAR» обнаруживались десятки тысяч объектов ежегодно; на него приходилось 65 % всех новых обнаружений астероидов. В нём используется два метровых телескопа и один полуметровый, расположенные в штате Нью-Мексико.

Проект «Spacewatch» был организован в 1980 году Томом Герельсом и Робертом МакМиланом, сотрудником Лунной и планетарной лаборатории Аризонского университета; сейчас им руководит доктор МакМилан. В нём применяется 90-сантиметровый телескоп, расположенный в Аризонской национальной обсерватории Китт-Пик; он дооснащён оборудованием для автоматического наведения, съёмок и анализа околоземных объектов. Проект получил 180-сантиметровый телескоп для поиска околоземных объектов, а у старого 90-сантиметрового телескопа было повышено разрешение системы электронного захвата изображения; тем самым его поисковые возможности увеличились.

Другие программы, отслеживающие околоземные объекты: «Near-Earth Asteroid Tracking” (NEAT), «Поиск околоземных объектов в Обсерватории Лоуэлла», «Каталинский небесный обзор», Campo Imperatore Near-Earth Object Surve», «Japanese Spacegruard Association», «Азиаго-DLR астероидный обзор». Постройка телескопа в рамках проекта «Pan-STARRS» была завершена в 2010 году; в данный момент проект работает. «Наблюдение за космической безопасностью» — общее название всех этих слабо связанных между собой программ; НАСА финансирует некоторые вышеупомянутые проекты, чтобы выполнить поставленные требования Конгресса США по обнаружению к 2008 году 90 % всех околоземных объектов диаметром больше километра. В исследовании НАСА от 2003 года указывается, что для обнаружения к 2028 году 90 % всех околоземных астероидов диаметром 140 и больше метров потребуется 250—450 миллионов долларов.

«NEODyS» — это онлайновая база данных всех известных околоземных объектов.

Будущие программы

В рамках проекта «Orbite@Home» планируется обеспечить распределённую обработку данных для оптимизации поисковых стратегий. В настоящее время проект заморожен.

Ожидается, что строящийся в данный момент телескоп «Large Synoptic Survey», будет вести обширное высокоточное наблюдение.

Система «Asteroid Terrestrial-impact Last Alert», находящаяся в разработке, будет проводить частое сканирование неба с целью обнаружения объектов позднего этапа.

Обнаружение из космоса

9 ноября 2007 года подкомитет по космическому и воздушному пространству комитета по науке и технике Палаты представителей США провёл слушания о состоянии программы НАСА по наблюдению за околоземными объектами. Представители НАСА предложили использовать «Инфракрасный космический телескоп» (ИКТ).

ИКТ вёл наблюдения за пространством в инфракрасном диапазоне, в режиме большой чувствительности. В инфракрасном диапазоне можно обнаружить малозаметные астероиды c низким альбедо. Помимо основных научных задач, он использовался для обнаружения околоземных объектов. Считается, что ИКТ за один год может обнаружить 400 околоземных объектов (примерно 2 % от всего числа околоземных объектов, представляющих интерес).

«NEOSSat» — это малый спутник, запущенный в феврале 2013 года Канадским космическим агенством. Он ведёт обнаружение околоземных объектов из космоса.

1. Принцип расчета вероятности падения

При оценке вероятности столкновения естественных космических тел друг с другом или искусственных космических аппаратов с естественными телами важнейшую роль играет понятие плоскости цели. Плоскость цели — это плоскость, проходящая через центр планеты-мишени перпендикулярно к вектору невозмущенной скорости тела-снаряда относительно планеты-мишени. Когда астероид имеет тесное сближение с большой планетой, его гелиоцентрическая орбита начинает постепенно меняться под действием тяготения планеты. Внутри сферы действия планеты траектория астероида относительно планеты очень близка к гиперболе (рис. 7.1) (напомним, что сферой действия планеты называется область пространства, в которой отношение возмущающего ускорения, сообщаемого телу планетой, к ускорению, сообщаемому телу Солнцем, превосходит отношение возмущающего ускорения, сообщаемого телу Солнцем, к ускорению, сообщаемому телу планетой; приближенное значение радиуса сферы действия Земли равно 0,0062 а.е., или 930 000 км) Скорость астероида относительно Земли на входе в сферу действия на разности гелиоцентрических скоростей астероида и Земли. Это так называемая скорость тела относительно Земли на бесконечности (невозмущенная скорость тела относительно Земли). По направлению она близка к асимптоте гиперболы, описываемой телом в сфере действия планеты (рис. 7.1).

Обогнув Землю (как говорят, совершив гравитационный маневр), на выходе из сферы действия астероид имеет ту же самую по величине относительную скорость ὑ, но ее направление изменяется на угол ℸ. Гелиоцентрическая скорость тела на выходе из сферы действия в результате поворота вектора скорости также меняется.Из определения плоскости цели следует, что на (рис. 7.1) штриховая прямая, проведенная перпендикулярно асимптоте гиперболы через центр Земли, есть след от пересечения плоскости цели с плоскостью орбиты тела относительно Земли. Отрезок этой прямой от центра Земли до асимптоты обозначен как b. Его называют прицельным расстоянием.

Как видно из рисунка, прицельное расстояние по величине превышает минимальное расстояние от гиперболы до центра Земли q. Эти две величины связаны соотношением

где ὑ∞ есть параболическая скорость относительно Земли:

Здесь G — гравитационная постоянная, M⊕ — масса Земли, r⊕ — ее экваториальный радиус. Если в формулу (7.9) подставить q, равное r⊕, то b будет равно прицельному расстоянию, при котором траектория астероида коснется поверхности Земли. Соответствующее значение прицельного расстояния называется радиусом захвата. При меньших значениях прицельного расстояния астероид обязательно столкнется с Землей. В зависимости от соотношения ὑ и v∞ радиус захвата может существенно превышать геометрический радиус Земли. При решении вопроса о реальности столкновения следует в некоторых случаях использовать не радиус Земли, а ее радиус захвата. Рассмотрение процесса сближения космических тел с Землей облегчается при использовании специально выбранной системы координат. Столкновения могут иметь место только в малой окрестности минимального расстояния между орбитами. В этой окрестности орбиты Земли и тела могут рассматриваться как отрезки двух прямых, скрещивающихся в пространстве (в частном случае — пересекающихся). Кратчайшим расстоянием между ними является отрезок прямой, перпендикулярный к обеим скрещивающимся прямым.

При выборе системы координат ее начало помещают в центр Земли. Плоскость цели проводят через центр Земли перпендикулярно к вектору геоцентрической скорости астероида ὑ(. Отметим особо два момента. Первый момент: отрезок кратчайшего расстояния между двумя орбитами EA лежит в плоскости цели (рис. 7.2). Второй момент: в малой окрестности кратчайшего расстояния между орбитами, где орбиты могут рассматриваться как отрезки прямых, движение обоих тел происходит в параллельных плоскостях.

На (рис. 7.2) EE₁ — орбита Земли, AA₁ — орбита астероида, EA — отрезок кратчайшего расстояния между двумя орбитами; V — гелиоцентрическая скорость Земли в тот момент, когда она проходит через точку E, v — гелиоцентрическая скорость виртуального астероида, который проходит через точку A в тот момент, когда Земля оказывается в точке E. Астероид, соответствующий номинальному решению, проходит через точку A, проще говоря, раньше или позже того момента, когда Земля находится в точке E, но эти моменты времени не сильно отличаются друг от друга, иначе столкновение не происходит.

На рисунке показана также скорость виртуального астероида относительно Земли. Ось η системы координат направлена параллельно, ось ξ направлена по векторному произведению скорости Земли V на орт оси η. Из этого следует, что ось ξ направлена вдоль отрезка EA кратчайшего расстояния между орбитами. Ось ζ направлена так, чтобы она вместе с осями ξ и η образовывала правую систему координат. Угол θ на рисунке есть угол в плоскости η – ζ между направлением скорости Земли и осью η. Формулы перехода от системы координат x, y, z к системе ξ, η, ζ имеют вид

где x0, y0, z0 – координаты центра Земли. Направляющие косинусы осей ξ, η, ζ относительно x, y, z находятся из соотношений

В точке A орбита выбранного нами виртуального астероида пересекает плоскость цели. Будем вести отсчет времени от этого момента пересечения. Пусть выбранный астероид движется по орбите, соответствующей номинальному решению, но значение средней аномалии для него отлично от значения средней аномалии в номинальном решении. Расстояние EA, или координата ξ точки A, равны наименьшему возможному расстоянию орбиты от центра Земли. В момент пересечения плоскости цели координата ζ равна нулю. Но с течением времени координата ζ точки пересечения данного астероида с плоскостью цели не остается постоянной, поскольку начало системы координат движется вместе с Землей. По истечении промежутка времени Δt координата ζ точки, в которой некоторое время тому назад произошло пересечение астероида с плоскостью цели, будет равна

ζ = |V | sin θ Δt, (7.11)

где θ – угол между направлением гелиоцентрической скорости Земли и осью η. В отличие от координаты ζ координата ξ не меняется с течением времени, поскольку движение происходит в параллельных плоскостях. Если пересечение с плоскостью цели рассматривать на границе сферы действия планеты, то координата ξ равна прицельному расстоянию b (рис. 7.1). Если пересечение рассматривается внутри сферы действия планеты вблизи перигея гиперболы, то ξ равно минимальному расстоянию q от гиперболы до центра Земли.

Что может изменить траекторию астероида

Способы предотвращения столкновений требуют компромиссов в таких категориях как общее исполнение, затраты, эффективность и технологическая подготовленность. Предложены методы по изменению траектории астероида/кометы. Их можно разделить по различным критериям, таким как тип предотвращения столкновения (отклонение или фрагментация), по источнику энергии (кинетический, электромагнитный, гравитационный, солнечный/тепловой или ядерный) и по стратегии подхода (перехват, встреча или удалённая установка). Стратегии делятся на два класса: по разрушению и по задержке.

Стратегия разрушения заключается в том, что источник угрозы фрагментируется и его обломки измельчаются и расходятся так, что либо проходят мимо Земли, либо сгорают в её атмосфере.

Стратегии по предотвращению столкновения могут быть прямыми и непрямыми. При прямых методах, таких как атомная бомбардировка или кинетический таран, происходит физический перехват болида. Прямые способы могут потребовать меньше времени и средств. Такие методы могут сработать против недавно обнаруженных (и даже против заранее обнаруженных) твердотелых объектов, поддающихся смещению, но против слабо держащихся груд обломков они, вероятнее всего, окажутся неэффективными. В случае непрямых методов, к объекту посылается специальное устройство (гравитационный буксир, ракетные двигатели или электромагнитные катапульты). По его прибытии некоторое время тратится на изменение курса для следования рядом с объектом и на изменение пути следования астероида, чтобы он избежал столкновения с Землёй.

Многие околоземные объекты представляют собой летающую груду обломков, еле удерживаемую гравитацией. При попытке отклонения такого объекта, он может разрушиться, но не изменить значительно свою траекторию. При этом, любой обломок размером более 35 метров не сгорит в атмосфере и упадёт на Землю.

Стратегия задержки использует принцип того, что Земля и объект угрозы движутся по орбите. Столкновение происходит тогда, когда оба объекта в одно и то же время достигают одной точки в пространстве, или, если быть точнее, когда какой-либо участок поверхности Земли пересекает орбиту объекта при его пролёте. Так как диаметр Земли составляет примерно 12,750 километров, а скорость её движения 30 км/с, она проходит расстояние своего диаметра за 425 секунд (чуть больше семи минут). Задержка или ускорение прибытия объекта угрозы на данную величину может, в зависимости от геометрии столкновения, привести к предотвращению столкновения.

1. Что может изменить траекторию астероида

Ядерное взрывное устройство

Подрыв ядерного устройства над, на или под поверхностью астероида является потенциальным вариантом отражения угрозы. Оптимальная высота взрыва зависит от состава и размера объекта. В случае угрозы со стороны груды обломков, чтобы избежать их рассеивания, предлагается произвести радиационную имплозию, то есть подрыв над поверхностью. При взрыве высвободившаяся энергия в виде нейтронов и мягких рентгеновских излучений (которые не проникают сквозь вещество) превращается в тепло при достижении поверхности объекта. Тепло превращает вещество объекта в выброс и он сойдёт с траектории, следуя третьему закону Ньютона, выброс направится в одну сторону, а объект — в противоположную. Для устранения угрозы не требуется полное уничтожение объекта. Уменьшение массы объекта, в результате теплового выброса от подрыва ядерного устройства, и возникший от этого эффект реактивной тяги могут дать необходимый результат. Если объект представляет собой груду слабо держащихся обломков, то выходом может стать подрыв ряда ядерных устройств поблизости астероида, на таком расстоянии, чтобы не разбить его слабо держащиеся части. При условии, что радиационная имплозия будет совершена с достаточным запасом времени, высвободившейся энергии от ядерных взрывов будет достаточно, чтобы изменить траекторию полёта объекта и избежать столкновения. В НАСА пришли к выводу, что к 2020-м годам с помощью ядерной имплозии можно будет отразить околоземные объекты диаметром 100—500 метров, если их обнаружат за два года до падения на Землю, и объекты больших размеров, если их обнаружат за пять лет до падения.

В 2011 году Бонг Уи, глава исследовательского центра по отражению астероидной угрозы при университете штата Айова, исследовал стратегии действий по предотвращению астероидной угрозы при запасе во времени в год или около того. Он пришёл к выводу, что при требуемой энергии ядерный взрыв, вероятней всего, окажется единственным способом, благодаря которому можно будет отклонить достаточно большой астероид за такой короткий промежуток времени. В случае других методик отклонения астероида, таких как буксиры, гравитационные буксиры, солнечные парусники и электромагнитные катапульты, потребуется запас в 10-20 лет до падения. Концептуальная машина Уи, «Устройство гиперскоростного перехвата астероидов», совмещает в себе кинетический таран и ядерный взрыв. При таране образуется первоначальный кратер для последующего подземного ядерного взрыва. Данное решение эффективно преобразует энергию ядерного взрыва в отклоняющую силу движения астероида. В ещё одном предложенном плане, похожем на предыдущий, для образования кратера вместо кинетического тарана используется поверхностный ядерный взрыв. Образовавшийся кратер затем используется как ракетное сопло для направления энергии следующего ядерного взрыва.

В книге «Острова в космосе», вышедшей в 1964 году, указывается, что мощь ядерного взрыва, требуемая для отклонения астероидов в нескольких гипотетических сценариях развития, достижима. В 1967 году аспиранты из Массачусетского технологического университета, под руководством профессора Пола Сандорва, спроектировали систему, использующую ракеты-носители и ядерные взрывы, для отражения гипотетического падения на Землю астероида (1566) Икар шириной 1,4 километра, который каждые несколько лет приближается к нашей планете на расстояние Луны. Это исследование позже было опубликовано в рамках проекта «Икар», который послужил источником вдохновения для фильма «Метеор» 1979 года выпуска.

Использование ядерных взрывных устройств является вопросом международного масштаба: оно регулируется комитетом ООН по мирному использованию космического пространства. Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний от 1996 года формально запрещает использование ядерного оружия в космосе. Однако маловероятно, что ядерное взрывное устройство, запрограммированное на взрыв лишь при перехвате небесного объекта, несущего угрозу, с целью предотвращения падения этого объекта на Землю, будет считаться немирным использованием космического пространства, или что взрывное устройство, созданное для предотвращения угрозы жизни на Земле, попадёт в категорию оружия.

Кинетический таран

Ещё одно решение проблемы — отправка огромного объекта, вроде космического аппарата или даже другого околоземного объекта, в качестве тарана.

Когда астероид ещё находится далеко от Земли, одним из способов изменения его импульса может быть таран, осуществлённый космическим аппаратом.

В анализе способов по отклонению угрозы, проведённом в 2007 году НАСА, указывалось:

Неядерный кинетический таран является самым проработанным методом. Он может использоваться в случаях против небольших околоземных объектов, состоящих из твердого вещества.

Европейское космическое агентство уже сейчас ведёт предварительное исследование возможного космического полёта, в котором будет испытана эта технология. Программа, названная «Дон Кихот», представляет собой спроектированную миссию по отражению астероидной угрозы. Команда европейского агентства, Advanced Concepts Team, теоретически доказала, что отражение астероида (99942) Апофис может быть произведено путём отправки простого космического аппарата весом меньше тонны на таран с этим объектом. Во время исследования радиационной имплозии, один из ведущих исследователей утверждал, что стратегия кинетического тарана — более действенная, чем другие стратегии.

В ноябре 2021 года был произведён запуск аппарата НАСА DART для проверки тexники «кинeтичecкoгo удapa». Аппарат должен был изменить орбиту спутника астероида Дидим, что было успешно осуществлено в сентябре 2022 года.

Астероидный гравитационный буксир

Ещё одна альтернатива взрывам — медленное сдвигание астероида на протяжении определённого времени. Небольшая постоянная тяга накапливается и в достаточной мере отклоняет объект с предполагаемого курса следования. Эдвард Цзан Лу и Стэнли Глен Лав предложили использовать большой тяжёлый непилотируемый космический корабль, который должен парить над астероидом и стягивать его с помощью гравитации на безопасную орбиту. Корабль и астероид будут взаимно притягивать друг друга. Если корабль будет, к примеру, уравновешивать силу, действующую на астероид, посредством двигателей ионовой тяги, суммарное воздействие будет таковым, что астероид будет двигаться в сторону корабля, и тем самым, сходить с орбиты. Несмотря на то, что этот метод медлителен, он имеет преимущество: он работает вне зависимости от вещественного состава объекта и его угловой скорости. Астероиды, состоящие из груд обломков, тяжело или невозможно отразить посредством ядерного взрыва, а установка буксиров на быстро вращающиеся астероиды окажется сложной и малоэффективной.

В анализе способов по отклонению угрозы, проведённом в 2007 году НАСА, указывалось:

Буксировочные техники — самые дорогие, имеют самый низкий уровень технической готовности, а их возможности по отражению угрожающих объектов будут ограничиваться в случае, если не имеется запас времени на многие годы.

Ионный луч

Ещё один «бесконтактный» метод был недавно предложен учёными Ц. Бомбардели и Дж. Пелез из Технического университета Мадрида. В нём предлагается использовать ионную пушку с низкой дивергенцией, направленную на астероид с находящегося рядом корабля. Кинетическая энергия, передающаяся через доходящие до поверхности астероида ионы, как и в случае с гравитационным буксиром создаст слабую, но постоянную силу, способную отклонить астероид, и при этом будет использоваться более лёгкий корабль.

Использование сфокусированной солнечной энергии

Проект солнечного паруса, исследуемый агентством НАСА. Ширина парусника составит 500 метров.

Джей Мелош предлагает отклонять астероиды или кометы, фокусируя солнечную энергию на поверхности для создания тяги от образовавшегося в результате нагрева испарения вещества, или для усиления эффекта Ярковского. Солнечное излучение можно направлять на объект на протяжении месяцев и многих лет.

Этот способ потребует создания рядом с Землёй космической станции с системой гигантских и увеличивающих линз. После этого станцию нужно будет доставить к Солнцу.

Электромагнитная катапульта

Электромагнитная катапульта — это автоматическая система, располагающаяся на астероиде, выпускающая вещество, из которого он состоит, в космос. Тем самым он медленно сдвигается и теряет массу. Электромагнитная катапульта должна работать в качестве системы с низким удельным импульсом: использовать много топлива, но мало энергии.

Смысл заключается в том, что если использовать вещество астероида в качестве топлива, то количество топлива не так важно, как количество энергии, которая, вероятнее всего, будет ограничена.

Ещё один возможный способ — расположить электромагнитную катапульту на Луне, нацелив её на околоземный объект, с тем, чтобы воспользоваться орбитальной скоростью естественного спутника и его неограниченным запасом «каменных пуль».

Обыкновенные ракетные двигатели

Если на околоземном объекте установить обыкновенные ракетные двигатели, то они также будут давать постоянное отклонение, которое может привести к смене траектории полёта. Ракетный двигатель, способный создавать импульс в 106 N•s (то есть придавать ускорение в 1 км/с объекту массой в тонну), окажет относительно небольшое воздействие на относительно небольшой астероид, имеющий массу в миллион раз больше. Чепман, Дурда, и Голд в «белой книге» рассматривают попытки отклонения объекта с помощью существующих ракет, доставленных к астероиду.

Другие предложенные способы

• Использовать нестандартные двигатели, такие как электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом;

• Обернуть астероид отражающим пластиковым солнечным парусом, используя покрытую алюминием плёнку типа PET;

• «Покрасить» или посыпать объект диоксидом титана (белый цвет) или сажей (чёрный), с тем, чтобы вызвать эффект Ярковского и изменить его траекторию;

• Учёный-планетолог Юджин Шумейкер в 1996 году предложил выпускать облако пара на пути объекта для его осторожного замедления. Ник Забо в 1990 году нарисовал похожий замысел, «аэродинамическое торможение кометы»: комета или ледовая конструкция нацеливается на астероид, после чего ядерные взрывы испаряют лёд и формируется временная атмосфера на пути астероида;

• Прикрепить к астероиду тяжёлый балласт, чтобы с помощью смещения центра тяжести изменить его траекторию;

• Использовать лазерную абляцию;

• Использовать ударно-волновой излучатель;

1. Угрозы, связанные со способами защиты

Карл Саган в книге «Бледная синяя точка» высказывает свои опасения по поводу технологий отражения. Он считает, что любой метод по отклонению угрожающих Земле объектов может использоваться для отклонения неопасных объектов в сторону нашей планеты. Учитывая историю геноцидов, совершённых политическими лидерами, а также возможное сокрытие от большинства участвующих истинных целей проекта с помощью бюрократии, он полагает, что для Земли больший риск представляет столкновение, вызванное человеком, а не природой. Саган предложил разрабатывать технологии отражения только при наличии кризисной ситуации.

Однако анализ неопределённости, присущий отклонению с использованием ядерных зарядов, показывает, что защита планеты не подразумевает возможность нацеливания на неё околоземных объектов. Ядерного взрыва, который изменит скорость астероида на 10 м/с (плюс-минус 20 %) будет достаточно для смещения его орбиты. Однако если непредсказуемость изменения скорости будет больше нескольких процентов, нацелить астероид на конкретную цель окажется невозможным.

По мнению Рассела Швайкарта, метод гравитационной буксировки неоднозначен, поскольку во время изменения траектории астероида его вероятное место падения на Земле будет медленно сдвигаться на другие страны. Это означает, что угроза всей планете будет уменьшаться за счёт безопасности каких-то конкретных государств. По его мнению, выбор того, каким образом должен буксироваться астероид, будет сложным дипломатическим решением.

Практическая работа

Изучив предложенные современными ученными методы и способы защиты Земли от столкновения с другим космическим телом, для себя я выделил несколько таких, которые, на мой взгляд, являются самыми близкими к реальному использованию. Это такие как: ядерное взрывное устройство и использование сфокусированной солнечной энергии. Мое мнение подтверждается исследованиями Бонг Уи, которые уже были упомянуты в исследовательской части. Использование ядерного оружия это самый быстрый, дешевый и эффективный способ изменить траекторию астероида и его осколков, он позволяет устранить обнаруженную угрозу к течение нескольких месяцев. Использование солнечной энергии требует постройки огромных космических станций, которые будут фокусировать солнечный свет, необходимо подготовить персонал, обслуживающий станции, их использование потребует развития технологий обеспечивающих дальние космические перелеты за пределы орбит околоземных искусственных спутников и главным препятствием для изменения траектории движения космического тела, станет то, что минимальное время обнаружения угрозы должно составлять не менее 10 лет, с учетом того , что система уже введена в эксплуатацию. Рассмотри каждый из них.

Алгоритм расчета параметров встречи астероида с Землей

Параметры орбиты астероида, который может столкнуться с Землей, определяют из наблюдений на обсерваториях за несколько лет до этого момента.

Рассмотрим частный случай, когда орбита астероида находится в плоскости эклиптики и астероид движется навстречу Земле (тогда максимальная скорость встречи и максимальный ущерб Земле). Для проведения расчетов будем считать орбиту Земли круговой, а астероида эллиптической, описываемой двумя параметрами: большой полуосью а и эксцентриситетом е. При выборе расчетных значений эксцентриситета орбиты астероида е накладывается ограничение (исходя из условия пересечения астероидом орбиты Земли):

где r_з – радиус орбиты Земли, r_з = 150 млн км или 1 а.е. (астрономическая единица). Для удобства расчетов большую полуось орбиты астероида a будем задавать также в астрономических единицах. На рис. 1 приведена орбита астероида со следующими параметрами: а = 3,375 а.е., е = 0,856, которое удовлетворяет ограничению = 0,703.

При заданном значении большой полуоси a вычисляется период обращения астероида

где Тз – длительность тропического года Земли, Тз = 365,25 солнечных суток. Для а = 3,375 а.е., Та = 2264,6 сут.

Параметры орбиты астероида на прогнозируемый момент столкновения его с Землей (рис.1) определяются из равенства радиуса орбиты астероида rа радиусу орбиты Земли r

после преобразования получим

Из вышеприведенного равенства находим положение астероида относительно перигелия орбиты по истинной аномалии (угол φ₀):

φ₀ =α arccos[A0 ] – в градусах. (2)

На основании уравнений Кеплера для эллиптического движения небесных тел вычисляем на момент прогнозируемого столкновения (рис. 1):

• эксцентрическую аномалию (угол Е₀)

E0 = 2arctg[B0 ] – в градусах, (3)

• среднюю аномалию (угол М₀)

М0 = Е0 – K1 ·е·sin E0 – в градусах K = 57,32°.

Подставляя а = 3,375 а.е. и е = 0,856 в формулы, получим: φ = 96,56°, Е = 34,7°, М = 6,77° (4)

Чтобы перехватить астероид ракетой, необходимо стартовать заранее, более чем за один год от расчетного момента столкновения астероида с Землей. Земля находится на линии апсид в перигелии орбиты ракеты (в этом случае оптимизируются затраты импульса ракеты на ее разгон, так как приращение скорости ракеты складывается со скоростью движения Земли).

Проведем возврат Земли и астероида в прошлое (ретродвижение) на интервал времени (более чем за один год):

(5)

в котором Земля находится на линии апсид, а астероид в точке, для которой средняя анома- лия орбиты астероида:

(6)

ω = 0,9856 град/сут. – угловая скорость движения Земли по своей орбите.

Для полученных выше значений: φ = 96,56° и М = 6,77°. Вычислим: t = 463,22 сут., М = 80,407°. Если отодвинуть назад еще на один год, то получим еще одну точку старта: t_ст = 828,47 сут., М_ст=138,47°. Ретродвижение астероида организуем в виде циклического возрастания его истинной аномалии (угол φ_а) с шагом ∆φ [в градусах]

φ_а=φ₀ + φ₀₁ + n·∆ 2; (7)

на первом этапе расчета принимаем φ = 0, на втором этапе приравнивается

φ^n-1 = φ

Для каждого шага проведем расчет параметров движения астероида. Текущий радиус орбиты астероида

текущая траектория астероида в прямоугольной системе координат (выводится на монитор компьютера)

Xa = − ra · cos φa , Ya = ra · sin φ, (9)

эксцентрическая аномалия, в градусах:

(10)

средняя аномалия, в градусах:

M = E – K₁ ·е·sin E, (11)

текущий интервал времени от прогнозируемо- го момента столкновения астероида с Землей, в сутках:

(12)

Полученные пошаговые значения времени ретродвижения астероида tа используются для расчета положения Земли на ее орбите:

– в градусах, (13) ω_з=0,9856 град/сут.

Текущее положение Земли в прямоугольной системе координат (выводится на монитор компьютера):

(14)

Остановка цикла проводится при превышении значения М величины М_ст, где М_ст находится по (6).

На первом этапе Δφ=1⁰, после перехода текущего значения μ через М_cn осуществляется возврат к началу цикла (7) и предыдущему значению φ^n-1 , которое приравнивается φ_а^n-1 = φ₀₁ и далее повторяются циклы с новым шагом Δφ_i.

Траектория полета ракеты к точке перехвата выбирается из условия совпадения ее с плоскостью орбиты астероида и на момент старта Земля находится на линии апсид в перигелии орбиты астероида (рис. 2).

Выбор параметров орбиты ракеты возможен только методом последовательных приближений, до совпадения времени полета ракеты к точке перехвата астероида со временем движения астероида из точки старта к точке перехвата. Для этого введем цикл пошагового возрастания эксцентриситета орбиты ракеты

е_р = m·∆е + е_р0, е_р е, m= 1, 2, … (15)

Рис. 2. Выбор траектории полета

В начале полагаем е_p0 = 0, затем в конце цикла в него помещается последнее значение е_pп и цикл повторяется, но уже с другим (меньшим) значением шага ·∆е1 = 0,1·∆е, то есть е_р = е_р0 + m · ∆е₁. Такая схема повышает точность расчета.

Полученное значение эксцентриситета орбиты ракеты е_p используем для пошагового расчета орбиты ракеты а_р, Т_р:

, (16)

(17)

Из условия равенства радиусов орбит ракеты и астероида в точке перехвата находим истинную аномалию этой точки φ_р:

(18)

Длительность полета ракеты t_Р.П до точки перехвата находим из решения уравнения Кеплера, путем определения E_n^p,M_n^p:

E_n^p =2arctg[Д]- в градусах, (19)

- в градусах, (20)

, (21)

Положение точки перехвата на орбите астероида, вычисляемое по уравнению (18), позволяет определить углы M_p, E_p^a:

За время прилета ракеты t_Р.П в точку перехвата астероид сместится в сторону Земли, которое эквивалентно изменению средней аномалии астероида

В результате несовпадения времени прилета ракеты в точку перехвата с приходом астероида в эту точку возникает промах ракеты:

В процессе увеличения эксцентриситета орбиты ракеты значение промаха уменьшается, оставаясь положительным. При появлении отрицательного значения ∆М_Пр цикл счета останавливается, а предыдущее значение эксцентриситета орбиты ракеты приравнивается e_p^n-1 =e_p0 и цикл повторяется с уравнения (15) с новым значением шага Δe1 = 0,1⋅Δe до повторного перехода ∆М_Пр в отрицательную область. При этом величина промаха и параметры орбиты ракеты: е_p, а_p , φ_П запоминаются.

Построение траекторий движения ракеты, Земли и астероида в единой временной шкале, связанной с временем движения ракеты:

Движение ракеты от момента старта. Определение параметров орбиты

φ_p = l ⋅Δφ ≤ φ_i , (26) значения определяются по (18), цикл l = 1, 2, …

Определение времени движения:

Движение Земли:

Движение астероида к Земле из упрежденной точки, приведенной к моменту старта М_ст. Формируется обратная шкала времени движения астероида:

Расчёты траекторий проводятся для двух значений М_ст.

Исходные данные:

• По астероиду: а = 3,375 а.е., е = 0,856.

• По Земле: ТЗ = 365,25 сут., rЗ = 1 а.е., ωЗ = 0,9856 град/сут.

• Константы: K1 = 57,32.

Шаг итерации: Δφ = 1°, Δφ₁ = 0,1·Δφ,

Δе = 0,05, Δе₁ = 0,1·Δе.

Параметры орбит, приведённых на рис. 1, 2, следующие:

Расчет необходимой мощности взрыва для уничтожения астероида взрывом

Для расчета предельной прочности вещества воспользуемся формулой:

где σ – предельное напряжение, σ_max – максимальное напряжение которое будет прилагаться к материалу, n – коэффициент запаса прочности

Примем что некий астроид диаметром 1000м состоит целиком из железа, σ_железа= 1300Мпа, n_железа=1,4.

Подставив в формулу получим что σ_max = 928,571Мпа.

Так чтобы уничтожить астероид σ_max σ

1 Мпа = 101.97162 Tf/m²

Следовательно для уничтожения такого астероида необходим взрыв мощностью 95 килотонн.

Рассмотрим использование солнечной энергии

Ее использование предполагает расплавление вещества, из которого состоит астероид, соответственно для того чтобы защитить землю нам необходимо с помощью космической линзы или системы из нескольких направить на астероид сфокусированный солнечный луч.

R=500м, ∆t=273с

S_ас=2πR²

P_полн=S_асP_сл

Q_св=P_полн∆t

Q_ас=cm∆t+mʎ=сρV∆t+ρVʎ=4сρ∆tπR³/3+4 ρʎπR³/3= 1 895 534 266 666 667+111 259 620 000 000 000=113 155 154 266 666 677 Дж

Q_св=Q_ас

P_сл= Q_св/S_ас=113 155 154 266 666 677 /1 570 000 *273=196 760 236 399 999,9Вт

Таковы будут затраты мощности на то чтобы расплавить астероид, состоящий из железа и имеющий радиус 500м

Бояться ли россияне угрозы из космоса?

Рассматривая данную тему мне стало интересно бояться ли россияне угрозы из космоса, и чтобы ответить на этот вопрос я обратился за данными на сайт Всероссийского центра изучения общественного мнения (ВЦИОМ),который провел опрос и выяснил, как россияне оценивают вероятность падения метеорита на Землю и ощущают ли космическую угрозу (кометы, метеориты и др. объекты). Опрос проходил методом телефонного интервью, в нем приняли участие 1600 человек старше 18 лет.

45% опрошенных ответили, что знают о падении на территории России Тунгусского метеорита, 43% — об аналогичном происшествии с Челябинским метеоритом. О последнем наиболее проинформированы жители Уральского федерального округа, на территорию которого упал метеорит — 73%.

При этом большинство россиян — 63% — считают чем-то нереальным падение астероидов, комет и метеоритов на Землю. Такой сценарий считают возможным 31% населения, причем мужчины и женщины придерживаются сходного мнения. А вот возрастная структура ответов различается: падения космических объектов чаще считают возможными более молодые граждане (в группах 18-24 лет — 49%, 25-34 лет — 40%), а также активные потребители интернета (38%).

Также с возрастом заметно меняется представление россиян о возможности предотвратить разрушительные последствия падения метеоритов и других подобных катастроф. Такого мнения придерживается 49% россиян в возрасте 18-24 лет и 25% среди респондентов 60 лет и старше.

Кроме того, как показал опрос, на представления о возможности «подготовиться» к космическим угрозам влияют образование и предпочитаемые каналы информации: положительные ответы дали большинство людей с высшим образованием (52%) и представители интернет-аудитории (52%). Авторы исследования предполагают, что это может быть связано с тем, что молодые люди и активные интернет-пользователи чаще смотрят фильмы, играют в игры или читают книги про катастрофы со счастливым концом.

При этом участники опроса об угрозе из космоса довольно низко оценивают вероятность падения метеорита на Землю в 2023 году — на более чем на 3,37 балла из 10.

Литература

1. Шустов, Рыхлова: Астероидно-кометная опасность. Вчера, сегодня, завтра

2. В. Е. Чеботарев, В. И. Борисов: разработка алгоритма расчета траектории Перехвата ракетой астероида, опасного для Планеты земля.

3. Интернет ресурсы:

• ru.Wikipedia.org

• hi-news.ru

• journal-niss.ru