Космонавтика

Движение в солнечной системе

Солнечная система - величайшее творение природы. В ней зародилась жизнь, возник разум и развилась цивилизация. Она состоит из девяти больших планет - Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона и более шестидесяти их спутников, среди которых наиболее известны Луна, Фобос и Деймос. Между орбитами Марса и Юпитера вращаются астероиды; 160 тыс. из них имеют вычисленные орбиты. За пределами вращения Нептуна находятся транснептуновые малые планеты. По сильно вытянутым орбитам вокруг Солнца движутся кометы, чьи хвосты по мере приближения к светилу делают их одними из наиболее ярких и впечатляющих объектов на земном небосводе...

dvizhenie-v-solnechnoj-sisteme
Положения малых планет в проекции на плоскость эклиптики. Латинскими буквами V, E, M и J обозначены положения Венеры, Земли, Марса и Юпитера в заданный момент времени.

В отличие от больших планет, известных людям с глубокой древности, малые обнаружены сравнительно недавно, чуть более 200 лет назад. Первая из них - Церера - открыта директором астрономической обсерватории Дж. Пиацци в Палермо (Сицилия) в ночь с 31 декабря 1800 г. на 1 января 1801 г. Затем немец Г. Ольберс обнаружил еще две малые планеты - Палладу (1802 г.) и Весту (1807 г.), а его соотечественник К. Хардинг - Юнону (1804 г.), чьи орбиты также располагались между Марсом и Юпитером. Общая масса этих четырех космических тел составляет около 60% общей массы всех малых планет, не превышающей 0,05% массы Земли. По предложению англичанина, основоположника звездной астрономии, иностранного почетного члена Петербургской АН У. Гершеля (1738 - 1822) вновь обнаруживаемые малые планеты стали называться астероидами, или "звездоподобными", поскольку в телескопы нельзя было различить диски, характерные для больших планет.

Большие полуоси малых планет, выявленные в течение почти 100 лет, лежали между орбитами Марса и Юпитера в диапазоне (2,1 - 3,5) а.е.*, образуя в Солнечной системе "главный пояс астероидов". По современным наблюдениям около 98% всех открытых из них располагаются в этой области.

Благодаря усилиям сотен наблюдателей и целенаправленной работе специальных астрономических служб, количество занумерованных планет постоянно росло, а точность, с которой становились известными элементы их орбит, непрерывно увеличивалась. В настоящее время в каталоге Центра малых планет (Массачусетс, США) накоплено свыше 11 млн. наблюдений более чем 160 тыс. индивидуальных объектов, из которых свыше 73 тыс. получили постоянные номера, а более 10,5 тыс. имеют собственные имена.

Близко к внутреннему краю главного пояса астероидов, но уже на заметном расстоянии от него, находятся малые планеты группы Венгрии (названы в честь первого открытого в 1898 г. объекта в этой группе). В настоящее время к ним относятся свыше 600 занумерованных астероидов; большие полуоси их сосредоточены около значения 1,93 а.е.

Структура главного пояса определяется гравитационными возмущениями со стороны больших планет (прежде всего Юпитера), и в распределении перигелиев орбит отчетливо видна концентрация их в направлении на перигелий Юпитера. В распределении больших полуосей орбит астероидов и связанных с ними периодов обращения вокруг Солнца имеет место феномен, трудно объяснимый с точки зрения классической небесной механики - в далекой от Юпитера зоне пояса практически отсутствуют "резонансные астероиды", у которых периоды обращения вокруг светила Р а соизмеримы с периодом обращения Юпитера Р ю . Области с Р а : Р ю = 1:3, 2:5, 3:7, 1:2, 3:5 носят название "люков Кирквуда" (по имени американского астронома Дж. Кирквуда).

Совершенно иная картина в ближней к Юпитеру зоне пояса. В ней сохранились только резонансные астероиды, все остальные были выброшены гравитационным взаимодействием с Юпитером. В соизмеримости 2:3 движутся малые планеты группы Гильды со значением большой полуоси около 3,96 а.е. Они совершают три оборота вокруг Солнца, пока Юпитер успевает сделать два. Далее, на среднем расстоянии от светила, равном 5,2 а.е., в соизмеримости 1:1 находятся астероиды "троянцы" и "греки", первым из которых открыт Ахиллес в 1908 г. Одна группа из них движется на 60° впереди Юпитера, другая - на 60° позади.

Астероиды с перигелийными расстояниями, меньшими 1,3 а.е., называются сближающимися с Землей (АСЗ). В1898 г. был обнаружен Эрос, первая малая планета, обращавшаяся вокруг Солнца на среднем расстоянии, меньшем чем Марс. Она могла подходить к орбите Земли на расстояние в 0,14 а.е., т.е. значительно ближе, чем все известные в то время небесные тела.

АСЗ принято разделять на три типа, названных по имени самого характерного их представителя: типа Амура приближаются к Земле извне, но не заходят внутрь ее орбиты; типа Аполлона, которые в окрестности перигелия могут проникать внутрь орбиты нашей планеты; типа Атона, в основном находящиеся внутри орбиты Земли и только в окрестности максимального удаления от светила выходящие за ее пределы. Астероиды первого типа составляют порядка 25% всех АСЗ, Аполлона - 66, Атона - около нескольких процентов от общего числа.

Астероидов размерами более 1 км, сближающихся с Землей, насчитывается около 1000. Наибольший Ганимед - 41 км, Эрос - 20, Бетулия и Ивар - 8 км. Среди этой популяции выделяются потенциально опасные, чьи орбиты ныне сближаются с Землей до расстояний, меньших 0,05 а.е., их звездная величина меньше 22 m , что соответствует диаметру более 150 м. Они составляют приблизительно пятую часть АСЗ.

Орбиты большинства последних периодически пересекаются с орбитами Марса, Земли, других планет. В таком случае возникает реальная угроза столкновения или тесного сближения астероида с большой планетой. Однако наиболее вероятным результатом станет преобразование орбиты малого тела. Поэтому чаще всего подобные хаотические блуждания между большими планетами заканчиваются их выпадением на Юпитер или на Солнце, а также выбросом за пределы Солнечной системы.

dvizhenie-v-solnechnoj-sisteme
"Люки Кирквуда", соответствующие резонансам с Юпитером.

Особое влияние на поведение малых тел в главном поясе оказывают резонансы. Они, как говорилось выше, создают либо "люки Кирквуда", либо порождают "островки безопасности", где и концентрируются. Небесная механика связывает появление первых с наличием хаотических зон в окрестности соизмеримостей средних движений астероидов с Юпитером. Например, как показал американский астроном Дж. Уиздом при исследовании резонанса 1:3 (а = 2,5 а.е.), астероиды, попадающие в зону хаоса, испытывают нерегулярные колебания величины эксцентриситета (е), амплитуда которых может достигать 0,4 на временах от десятков до сотен тысяч лет. В результате за счет уменьшения перигелийного расстояния q = a(l-e) астероид способен пересекать орбиту Марса. Под влиянием возмущений, испытываемых в этом случае, он может перемещаться из одной зоны хаоса в другую, в результате чего возможно сближение с Землей, Венерой или даже выпадение на Солнце.

Итак, сегодня достаточно хорошо изучены механизмы транспортировки астероидного вещества из главного пояса к Солнцу, Земле и другим большим планетам. Наиболее правдоподобен из них - "эффект Ярковского". Его суточная составляющая связана с вращением АСЗ вокруг оси, благодаря чему вечерняя половина тела оказывается более нагретой нежели утренняя. А сезонная составляющая - с орбитальным движением астероида, в результате чего неравномерно нагреваются летняя и зимняя половины того же тела. Эти механизмы позволяют транспортировать их размерами до 20 км в области резонансов, откуда они могут перебрасываться к планетам земной группы.

В последние годы специалисты постоянно обращают внимание на астероидную опасность. Представление о том, что наша Земля является уязвимой космической мишенью, приобретает все большее распространение не только среди астрономов, но и у широкой публики. В средствах массовой информации появляется множество сообщений об этих телах размерами от нескольких десятков метров до километров, пролетающих мимо нашей планеты на расстояниях, сравнимых с орбитой Луны, даются прогнозы о вероятных их столкновениях в предстоящие десятилетия и столетия.

Нужно отметить: некоторые основания для таких сообщений действительно существуют. Так, в 1937 г. на расстоянии 750 тыс. км от Земли пролетел астероид Гермес диаметром 1,5 км, в 1991 г. в 165 тыс. км -1991 ВА, в 1993 г. в 150 тыс. км - 1993 КА 2 , а в 1994 г. в 112 тыс. км - 1994 XM 1 . В мае 1996 г. астероид 19% JA 1 размером 300 м прошел на расстоянии всего около 447 тыс. км, т.е. ненамного дальше орбиты Луны, при этом он был открыт всего за 4 дня до наибольшего сближения с нашей планетой. Ранее, в конце марта 1989 г., малое тело, получившее номер 1989 FC и имевшее аналогичный размер, пересекло орбиту Земли за 6 ч до того, как она пришла в ту же точку. Для понимания последствий возможного столкновения 300-метрового астероида с нашей планетой отметим: выделяемая энергия при таком ударе имеет тротиловый эквивалент в 3000 Мт. По порядку величины это соответствует 200 тыс. одновременно взорвавшихся ядерных бомб, наподобие сброшенной США на Хиросиму.

Для правильного восприятия рассматриваемых прогнозов в обозримом времени надо иметь в виду следующее: встреча Земли с космическими телами в поперечнике в 50 м и более представляет собой крайне редкое явление, происходящее один раз в несколько сотен и более лет. События же, связанные с попаданием объектов в сотни и тысячи метров, случаются еще реже. Тем не менее они неоднократно происходили и несомненно ожидают нас в будущем. Сейчас на Земле известно несколько сотен кратеров (астроблем- "звездных ран") с диаметрами от 10 м до 200 км и возрастом от нескольких до 2 млрд. лет, образовавшихся при встрече астероидов и комет с материками. Наибольшие из них - Садбери (Канада) диаметром 200 км (1,85 млрд. лет назад), а также Чиксулуб (Мексика) - 180 км и Попигай (Россия) - 100 км, появившиеся 65 и 35 млн. лет назад соответственно. А кратеры размерами менее 10 км достигают возраста до 100 тыс. лет. Так, с 80-х годов XIX в. наиболее известен Берринджер (штат Аризона, США) диаметром 1240 м и глубиной 170 м. Он возник 50 тыс. лет назад при ударе железоникелевого астероида размером 60 м со скоростью 20 км/с и энергией 10 - 20 Мт.

Словом, наша планета находится в потоке космических тел, сталкивающихся с ней и оказывающих на нее взрывоподобное действие. При этом средняя вероятность попадания одного из них размером более 10 км составляет 5 ? 10 - 9 год -1 , размером в 10 м встречаются в среднем один раз в 100 лет, а в 1 м - несколько раз в год.

Малые тела от нескольких сотен метров до 1,5 км при проходе сквозь земную атмосферу практически не разрушаются. Но они ведут к региональным катастрофам, которые могут вызывать разрушения на площадях в миллионы квадратных километров и даже в масштабах континента. Астероиды же свыше 1,5 км, несущие энергию более 2 ? 10 5 Мт, порождают глобальные последствия. Самые впечатляющие из них связаны с падением тел размерами свыше 5 - 10 км. Они падают на Землю раз в 25 - 200 млн. лет. Физическое следствие этого события - выброс гигантского количества вещества и насыщение атмосферы нашей планеты пылью, приводящее к резкому понижению температуры от нескольких до 10°С (нечто похожее может случиться при ядерном взрыве мощностью 10 5 - 10 6 Мг, о чем, кстати, предупреждали некоторые ученые - так называемая "ядерная зима"). Масштаб такого явления окажется настолько значительным, что способен привести к массовому вымиранию живых организмов на Земле.

dvizhenie-v-solnechnoj-sisteme
Радиус зоны разрушений в зависимости от начального радиуса и скорости (V) столкновения железных астероидов (Hills, Goda, 1992), км/с:

1-V = 11,2; 2-V = 15,0;

3-V = 20,0; 4 -V = 22,0;

5-М = 25,0; 6-М = 30,0.

Весьма вероятно, что именно подобный механизм, физическим свидетелем которого остался упомянутый выше кратер Чиксулуб, привел к исчезновению динозавров на рубеже мезозойской и кайнозойской эр. По-видимому, нечто похожее было и тогда, когда погибли практически все морские организмы из-за временного похолодания климата, ибо с этим событием достаточно надежно коррелирует образование кратера Попигай - он возник при падении астероида размером 5 км со скоростью порядка 25 км/с.

Вместе с тем надо иметь в виду, что к значительным разрушениям на Земле приводят столкновения с ней и меньших космических тел. Особенно серьезными последствиями тогда чревато их падение в Мировой океан, занимающий 70% поверхности планеты. Например, при ударе астероида в 150 м, движущегося со скоростью 20 км/с, одно океана на глубине 600 м высота волны превысит 1 км и даже на расстоянии 300 км от места падения она сохранится порядка 10 м.

Сейчас специалисты ежемесячно открывают десятки новых АСЗ, среди которых есть и потенциально опасные. Однако первоначальные их орбиты, рассчитанные по наблюдениям в течение короткого промежутка времени, весьма ненадежны - в итоге совместимым оказывается целый пучок орбит. Именно этим объясняется тот факт, что все сообщения о возможных столкновениях тел с Землей в ближайшие годы или десятилетия довольно быстро пересматривались по мере того, как накапливались новые наблюдения. По этой причине Международный астрономический союз (MAC), созданный в 1919 г., рекомендует ученым воздерживаться от публикаций сообщений в любой форме о возможных столкновениях нашей планеты с астероидами и кометами, пока эксперты и официальные представители данной организации тщательно не рассмотрят поступающую информацию.

Однако проблематика астероидной опасности, как одна из научных и прежде всего астрономических задач, приобретает огромное значение и привлекает все большее внимание научной мировой общественности. Так, в США, Великобритании и Японии разработаны широкомасштабные долговременные соответствующие национальные программы, поддерживаемые различными государственными службами. В частности, поставлена задача к 2008 г. открыть и определить орбиты не менее 90% АСЗ размером более 1 км, потенциально грозящих нам глобальной катастрофой.

Заметно расширяются средства наблюдения астероидов, которые в настоящее время помимо классических включают фотометрические, поляриметрические, радиометрические и радиолокационные исследования, собирающие сведения о минералогическом составе и физических свойствах астероидов и т.д. Все это позволяет получить более надежное представление о динамике космических тел, их составе и дать оценку вероятности возможного столкновения с нашей планетой.

Для научной оценки подобной угрозы в 2002 г. введена непрерывная Палермская шкала. Согласно ей сейчас наибольшую угрозу представляет астероид 29075 (предварительное обозначение - 1950 DA) диаметром 1,1 км. Он необычайно тесно сблизится с Землей 16 марта 2880 г., а в оставшемся интервале времени (877 лет) подвергнется влиянию различных негравитационных сил (среди них наиболее существенные - "эффект Ярковского" и световое давление), но их поведение пока рассчитать невозможно из-за отсутствия надежных и достаточно полных сведений о физических характеристиках данного тела. В зависимости от действия этих сил вероятность столкновения по Палермской шкале оценивается в промежутке от 0 до 1/300 (последнее значение следует рассматривать как очень большое). Однако у человечества достаточно времени, чтобы отвести эту угрозу даже в случае самого неблагоприятного развития событий.

* Астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца; 1 а.е. = 149,6 млн. км.


Член-корреспондент РАН А. М. ФИНКЕЛЬШТЕЙН, директор Института прикладной астрономии РАН, доктор физико-математических наук В. А. ШОР, ведущий научный сотрудник того же института

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD