Дельфис

Известно, что при падении на Землю космического тела размером до 10 метров оно либо теряет свою начальную скорость и полностью сгорает в атмосфере, либо выпадает в виде небольших камней — метеоритов. Небесные тела размером до 100 метров уже могут принести значительный ущерб, либо взрываясь в нижних слоях атмосферы, подобно Тунгусскому метеориту (метеориту — согласно лишь одной из многочисленных версий причины катастрофы), либо образуя ударный кратер, что приводит к местным разрушениям на площади в сотни квадратных километров. Но такие события возможны только раз в сто лет.

При столкновениях с Землёй тел размером от нескольких сот метров до 1,5 км сами они, практически не разрушаясь, с огромной скоростью врезаются в поверхность, будучи способны принести огромные бедствия целому материку или вызвать грандиозные цунами в океане. Вероятность подобных событий составляет один раз в 10 тысяч лет. Глобальную катастрофу, имеющую трагические последствия для всей Земли в виде изменения климата, может вызвать падение небесного тела свыше 1,5 км в диаметре, однако, такие явления очень редки — возможно, раз в несколько сотен тысяч лет. Катастрофы, приводящие к смене геологических эпох и вызывающие смену видового состава флоры и фауны на Земле (типа вымирания динозавров), происходят раз в несколько десятков миллионов лет.

На поверхности Земли сохранились кратеры ударного происхождения до 200 км в диаметре. Геологическая история Земли сберегла следы нескольких десятков столкновений нашей планеты с телами километрового размера. Причём датировка этих падений однозначно совпадает с началом известных геологических периодов².

Астрономы, определив из наблюдений параметры движения и размер подлетающего тела, могут предсказать последствия столкновения его с Землёй. Поэтому основной задачей является обнаружение приближающихся к ней тел, а затем либо разрушение, либо отклонение их с опасных траекторий встречи с планетой.

Околоземные астероиды

Среди огромного количества вновь открытых околоземных астероидов (малых планет) один из них сразу привлёк к себе внимание астрономов. В рамках программы наблюдения подобных объектов — LINEAR (The Lincoln Laboratory Near Earth Asteroid Research project — Лаборатория пo исследованию околоземных астероидов им. Линкольна), проводимой Массачусетским технологическим институтом, в 1999 г. был открыт астероид, получивший обозначение 1999 AN 10. Во- первых, он оказался довольно крупным — около километра в диаметре. Во-вторых, минимальное расстояние, на котором астероид пролетит вблизи Земли, очень мало. Астероид сразу причислили к потенциально опасным, за коими должны вестись постоянные наблюдения, — опасным для Земли в течение нескольких ближайших столетий. Он движется по сильно вытянутой орбите с эксцентриситетом³  0,56, большой полуосью, равной 1,46 астрономических единиц⁴, достаточно крутым наклоном к плоскости эклиптики — 40°. Минимальное расстояние его орбиты от Солнца в перигелии составляет 0,64 а.е., а в афелии тело удаляется на 2,28 а.е. Так что его орбита пересекает орбиту Земли.

После сбора всех данных астрономы вычислили, что 7 августа 2027 г. астероид приблизится к Земле минимум на 380 тыс. км [1], что практически соответствует расстоянию от Земли до Луны (384 тыс. км) и может показаться значительной величиной, по человеческим меркам. Однако эта малая планета подойдёт к Земле ближе, чем любые другие известные астероиды, которые появятся неподалёку от нас в обозримом будущем. Хотя вероятность столкновения данного тела с Землёй в 2027 г. можно исключить, но некоторая неопределённость в вычислениях всё же существует, и астероид может оказаться ближе Луны.

Первым потенциально опасным для Земли объектом был открытый в 1932 г. астероид Аполлон, орбита которого пересекает орбиту Земли, потом Адонис, обнаруженный в 1936 г. в 2 млн. км от Земли, и Гермес. Последний открыт в 1937 г. при близком прохождении в 750 тыс. км и затем — потерян. Это тело, размером около километра, с тех пор ни разу не наблюдалось и потому является одним из самых опасных. Большая часть всех потенциально опасных объектов была выявлена после 1991 г., когда начался регулярный обзор неба с помощью непрерывных наземных (автономных) систем наблюдений. Пять астероидов за последнее десятилетие прошли на расстоянии, ближе Луны. Но все они оказались небольшого размера (6—10 м). Самые близкие прохождения астероидов около Земли на расстоянии, меньшем 1,5 млн. км, приведены в таблице 1.

Шесть астероидов, открытых в 2001 г., тоже оказались в списке потенциально опасных объектов. Один из них, 2001 ВА16, размером около 30 м, пролетел 15 января 2001 г. ближе Луны — на расстоянии почти 300 тыс.км, а другой астероид, 2001 ЕС, хотя и приблизился к Земле 26 февраля всего на 1,46 млн. км, но был очень крупным — почти 900 м в диаметре.

С практической точки зрения, для нас важна именно вероятность столкновения с Землёй в ближайшие несколько столетий. Для того, чтобы объект считался потенциально опасным, необходимо одновременное выполнение двух условий. Во-первых, он должен иметь орбиту, близкую к орбите Земли в настоящее время и в ряде последующих столетий. Во-вторых, объект должен обладать достаточно большой абсолютной величиной яркости, что указывало бы на его значительные размеры. О числовых величинах, определяющих эти критерии, ещё спорят, но по-видимому, объект будет считаться потенциально опасным для Земли, если он приблизится на расстояние ближе 7,5 млн.км (5% расстояния от Солнца). Кроме того, тело должно быть достаточно крупным, иначе оно сгорит в атмосфере, не причинив особого вреда. Таким образом, если объект ярче 22 абсолютной величины, что соответствует телам больше 200 м в диаметре, то он уже является потенциально опасным для нас. Падение его на Землю способно принести неисчислимые беды — изменить уровень океана, вызвать разрушительные цунами, создать большую запылённость атмосферы.

Когда орбита астероида вычисляется по наблюдениям многих лет, вероятность сближения с Землёй определяется достаточно точно. Но даже если объект наблюдается всего лишь несколько дней, то минимальное расстояние между орбитами определяется довольно хорошо, даже когда действительное положение тела на орбите совершенно неизвестно. Во многих случаях минимальное расстояние между орбитами остаётся неизменным в течение ряда столетий. Некоторое изменение в этой величине происходит, главным образом, для астероидов с периодом порядка четырёх лет, то есть составляющим треть от периода обращения Юпитера вокруг Солнца.

В XXI веке из числа наблюдаемых малых планет, которые ближе 1,5 млн.км, окажется ещё 15 астероидов (табл. 2).

Видно, что кроме давно известных астероидов, за которыми ведутся постоянные наблюдения, а именно — Хатор, Нерей и Тутатис, остальные открыты в последние пять лет, то есть все объекты являются новыми. Значит список может существенно пополниться в ближайшие годы, ведь автономные службы наблюдений ведут постоянный обзор неба и ежегодно открывают до 500 космических тел. Напомним, что здесь указаны астероиды, приближающиеся к Земле на расстояние менее 1,5 млн.км, а в список потенциально опасных астероидов входят объекты, приближающиеся к Земле на расстояние ближе 7,5 млн.км. К октябрю 2001 г. известны 330 потенциально опасных астероидов.

В 1992 г. весь мир следил за движением астероида Тутатис диаметром 4 км, который прошёл вблизи Земли на расстоянии 3,6 млн.км. При следующем своём сближении с Землёй 29 сентября 2004 г. его расстояние от нас будет минимальным — всего 1,5 млн.км.

Откуда же появились астероиды в окрестности Земли? С 1802 г., когда был открыта первая малая планета — Церера, в течение столетия обнаружены астероиды, принадлежащие главному астероидному поясу, расположенному между орбитами Марса и Юпитера. Однако сейчас известно о существовании большой категории объектов, орбиты которых сближаются с Землёй, — так называемых околоземных астероидов. Первый из них был открыт около 100 лет назад. Это Эрос, один из самых крупных и хорошо наблюдаемых околоземных астероидов, который действительно имеет шанс столкнуться с Землёй в ближайший миллион лет. Размер, масса, период вращения, а также элементы его орбиты теперь определены вполне точно благодаря американскому космическому аппарату NEAR (Near Earth Asteroid Rendezvous), впервые вышедшему на орбиту вокруг астероида. Эрос оказался вытянутым телом неправильной формы с размерами 33x13x13 км. Большая полуось его орбиты равна 1,46 а.е., эксцентриситет 0,22, наклон составляет почти 11° к плоскости эклиптики. Притяжение астероида очень мало, но достаточно, чтобы удержать космический аппарат на орбите. Первая орбита космического аппарата NEAR вокруг Эроса находилась на расстоянии 200 км от его поверхности, потом аппарат перешёл на более низкую — 100 км от поверхности, а затем — 50 км. Это позволило изучить поверхность астероида, обнаружить на нём несколько значительных кратеров . Как и предполагалось, Эрос не имеет атмосферы и, по-видимому, на нём нет и воды. Дневная температура на его поверхности составляет 100°С, а ночная -150°С. Это каменный астероид так называемого S-типа, доминирующего в популяции внутреннего астероидного пояса. Вещество Эроса сложено в основном из силикатов (пироксенов и оливинов), смешанных с никелем и железом. 14 февраля 2001 г. впервые осуществлена посадка космического аппарата NEAR на астероид — Эрос (и это накануне дня св. Валентина — дня влюблённых, первого в новом веке и тысячелетии! — Ред.).

Для любого из 1536 астероидов, которые классифицируются как околоземные астероиды, существует вероятность столкновения с Землёй в интервале 100 млн. лет, если только не произойдёт их столкновения с Солнцем или они не будут выброшены гравитационным воздействием из Солнечной системы. Кроме потенциально опасных, почти все они не представляют проблем для Земли на протяжении десятков тысяч лет.

Перед астрономами стоит задача наблюдения за известными околоземными астероидами, уточнения их орбит и вероятности столкновения с Землёй, организации систематического поиска и обнаружения новых объектов в окрестности Земли с целью предотвращения соударения с космическим телом.

Первая программа поиска близких к нам объектов была инициирована в 1973 г. Э.Хелин и Ю.Шумейкером и использовала широкоугольную камеру телескопа Паломарской обсерватории в Калифорнии. Другую программу «Космическая стража» (Spacewatch) возглавил Т.Герелс в Аризонском университете. Одна из программ NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking) создана NASA совместно с вооружёнными силами США для поиска на небе околоземных астероидов и комет на 1,2-метровом телескопе на Гавайях.

С теоретической точки зрения изучение динамики околоземных астероидов, а также тел, пересекающих другие планетные орбиты, является наиболее трудной задачей небесной механики. Возможность соударения с планетой ведёт к появлению неопределённости в уравнениях движения, так что не могут быть применены обычные теории, в которых вековая эволюция орбит па значительных промежутках времени рассматривается с помощью осреднённых уравнений. В динамике астероидов важную роль играют резонансы, а именно, резонансы средних движений, возникающие от соизмеримости периодов обращения астероидов и Юпитера вокруг Солнца, и так называемые вековые резонансы. Последние являются резонансами между скоростью прецессии орбиты астероида и скоростью прецессии орбиты планеты-гиганта (главным образом, Юпитера и Сатурна)⁵. Основной вековой резонанс действует таким образом, что эксцентриситет орбиты начинает быстро увеличиваться до очень значительных величии, и тело может либо упасть на Солнце, либо быть выброшено на гиперболическую орбиту. Некоторые астероиды, элементы которых близки к вековому резонансу, связанному с движением перигелия (ближайшей к Солнцу точки) Сатурна, легко вовлекаются в этот резонанс, провоцируя переход материала из астероидного пояса к Земле. Это один из источников, поддерживающий популяцию околоземных астероидов.

Резонансы средних движений астероидов главного пояса с Юпитером, такие как 3:1, 5:2, 4:1, часто ведут к столь значительным изменениям эксцентриситета, что астероид пересекает орбиту Марса. Часть из них уходит на более далёкие орбиты, но другая часть как раз и пополняет околоземное семейство астероидов.

Ещё одним фактором, определяющим динамику орбит астероидов, является возможность их взаимных столкновений, в результате чего их фрагменты нередко выбрасываются на траектории, пересекающие орбиты больших планет и подходящие близко к орбите Земли, и, в частности, конусообразное перемещение оси орбиты

Близкие прохождения комет

Кроме астероидов, потенциально опасными объектами для Земли являются кометы. Среди короткопериодических комет с периодом обращения вокруг Солнца, меньшим 200 лет, такими являются те, чьи орбиты в ближайшей от Солнца точке пересекают орбиту Земли. К настоящему времени их насчитывается 43. Это кометы семейства Юпитера, имеющие перигелийное расстояние меньше 1 а.е., а также кометы на орбитах типа кометы Галлея. Так, орбиты комет Темпля-Тутля и Биелы наиболее близко подходят к орбите Земли — на минимальные расстояния в 45 и 210 тыс.км, но сами они оказывались на значительно больших минимальных расстояниях от Земли — 3,4 и 5,5 млн.км. Ближе всех к нам подошла комета Лексела в 1770 г. Расстояние между нею и Землёй составило примерно 2,25 млн.км. Наиболее достоверные появления близких комет до 1700 г. и все сближения комет с Землёй с 1700 г., когда начались регулярные наблюдения, приведены в таблице 3, где указаны данные о 20 кометах, приблизившихся к нам на расстояние менее 15 млн.км.

Общее количество комет, пересекающих орбиту Земли, с диаметром ядра свыше километра, оценивается в 8—10 тысяч. Они могут представить основную опасность столкновения с Землёй.

Практически возможно предсказать поведение известных астероидов и короткопериодических комет, а также организовать наблюдение за появлением опасных астероидов вблизи Земли. Но совершенно непредсказуемым является появление новых комет на почти параболических орбитах, которые приходят с периферии Солнечной системы или из межзвёздного пространства. Они могут появиться с любого направления и подойти к Земле с гораздо большей скоростью, чем астероиды, принадлежащие Солнечной системе. Таким неожиданным было появление кометы Хиякутаки, которая в 1996 г. подошла к Земле по почти параболической орбите на очень близкое расстояние — примерно 15 млн.км. Она вошла в список 20 комет, приблизившихся к нам на минимальное расстояние. Если бы большая комета Хейла-Боппа 1997 г. подошла на такое же расстояние, то она выглядела бы размером с Луну.

Количество долгопериодических и почти параболических комет, впервые появляющихся в окрестностях внутренних планет Солнечной системы, очень велико. В среднем ежегодно бывает одна комета с диаметром ядра свыше 15 км и с перигелием внутри орбиты Земли. Поэтому кометы представляют собой наибольшую опасность для нас из-за их больших размеров и скоростей.

Необычный компаньон Земли

Земля не является одинокой в своём движении по орбите вокруг Солнца. Это было обнаружено в 1986 г. Близкий к Земле астероид (3753) Круинья (1986 ТО) является необычным компаньоном нашей планеты. Он движется на орбите Земли, то приближаясь к ней, то удаляясь, но избегая столкновения (в моменты сближений находится глубоко под орбитой Земли). Астероид уникален, во- первых, потому, что его орбита, рассматриваемая во вращающейся вместе с Землёй системе координат. является хомутообразной. Подобное поведение показывают только коорбитальные спутники Сатурна, то есть движущиеся почти на одной орбите. Во-вторых, лишь одна малая планета в резонансе 1:1 с Землёй имеет подобное поведение (этот резонанс означает, что период обращения астероида вокруг Солнца равен периоду обращения Земли — примерно одному году).

Астероид был открыт Д.Уолдроном и др. в 1986 г. По предложению первооткрывателей, он получил название Круинья, что произносится как «Croo-een-уа» — по имени кельтского племени, которое пришло на Британские острова в 800 или 500 гг. до н.э. с европейского континента и известно как пикты (picts). Сведений о размерах и физических свойствах астероида очень мало. Абсолютная звёздная величина в видимой области спектра равна 15,1, но альбедо (отражательная способность) неизвестно. Размеры тела можно установить, используя типичные альбедо для астероидов: если Круинья является каменным астероидом S-типа, состоящим из силикатов, то его альбедо равно 0,1—0,2, и тогда диаметр астероида равен 3 км; если Круинья принадлежит к астероидам С-типа, состоящим из карбонатов, то альбедо равно 0,05, что соответствует диаметру в 6 км. Хотя это сравнительно небольшой объект среди астероидов, но он крупнее, чем типичные околоземные объекты.

Астероид был идентифицирован с объектом 1983 г., и его орбита (в рамках задачи двух тел, если Солнце — малая планета) получена также Д.Уолдроном. Тем не менее, данная орбита плохо описывает поведение астероида, и при длительном прогнозе движения необходимо принимать в расчёт и влияние Земли. Более точно она описывается «хомутообразным» взаимодействием трёх тел — Солнца, Земли и астероида.

Хомутообразные орбиты называются так по их форме в относительной системе координат, которая вращается вместе с сопутствующей планетой. Такая особенность движения в задаче трёх тел была известна давно — с начала XX века, но примерно до середины прошлого века её изучению уделялось недостаточно внимания.

Ещё в XVIII веке Ж.Лагранж (1736-1813) нашёл частные решения ограниченной задачи трёх тел, когда одно тело имеет пренебрежимо малую массу по сравнению с двумя другими. Согласно этим решениям, три тела, взаимно притягивающиеся по закону Ньютона, при определённых условиях могут всё время оставаться в вершинах движущегося равнобедренного треугольника. Малое тело описывает некоторую кривую вокруг одной из вершин треугольника (точки либрации), оставаясь на 60° впереди или позади планеты на её орбите. Так, на орбите Юпитера находятся две большие группы астероидов — «троянцы». Одна группа движется на орбитах вблизи точки либрации L4, на 60° опережая гиганта, а другая — вблизи точки либрации L5, на 60° отставая от него.

Хомутообразные орбиты относятся к такому же типу троянских орбит: в них тело осциллирует около точек Лагранжа (L4 или L5). И троянские, и хомутообразные орбиты являются резонансными в соотношении 1:1 к сопровождающей планете, однако, хомутообразная орбита, если рассматривать её во вращающейся плоскости, охватывает все три точки либрации — L3, L4 и L5 (точка либрации L3 представляет собой ещё одно частное решение задачи трёх тел и находится на линии, проходящей через два больших тела).

Вообще тела в резонансе 1:1 не являются исключениями в Солнечной системе. Так, Юпитер имеет 1084 троянца. Марс — 5 троянцев в точке L5, одна комета либрирует в резонансе 1:1 с Юпитером, существует кольцеобразное сгущение межпланетной пыли, проходящее через точку либрации Земля-Луна, — облака Кордылевского⁶ Тем не менее, никакое из этих тел не показывает хомутообразного поведения. Подобное движение существует лишь у малых спутников Сатурна — Януса и Эпиметея, движущихся почти на одной орбите в системе Сатурна.

Несмотря на то, что задача трёх тел уже достаточно изучена, использовать её при исследовании движения рассматриваемого астероида затруднительно. Применение традиционного метода возмущений осложняется тем, что ни эксцентриситет, ни наклон орбиты астероида к эклиптике не являются малыми величинами. Кроме того, на эволюцию орбиты астероида влияют и другие планеты, в особенности, Венера, Марс и Юпитер. Поэтому для описания изменения орбиты численные методы стали более предпочтительны, нежели аналитические

Гелиоцентрические орбитальные элементы астероида — большая полуось, эксцентриситет, наклон к эклиптике (на эпоху 245000,5) — впервые были получены Э.Боуэллом [2]: а = 0,99775 а.е., е = 0,5148, i = 19°,8.

^{Рис. 1. Орбиты Земли, Марса, Юпитера и астероида Круинья (в гелиоцентрической системе координат, в проекции на плоскость эклиптики). Заштрихованная область представляет собой часть орбиты, находящуюся ниже плоскости эклиптики, Ω — восходящий узел орбиты астероида}

Хотя астероид имеет большую полуось, близкую к земной, но другие характеристики орбиты сильно отличаются, и поэтому назвать его коорбитальным, то есть движущимся на той же орбите, что и Земля, затруднительно. Кроме того, орбита астероида пересекает орбиты Венеры и Марса (рис.1).

Если рассматривать поведение астероида во вращающейся вместе с Землёй системе координат, где Земля является неподвижной, то за один год астероид описывает траекторию, имеющую форму фасоли, пересекая орбиты Венеры и Марса (рис.2). Из-за того, что период обращения астероида вокруг Солнца немного меньше одного года (Т = 0,99667 года), за один год астероид смещается относительно Земли примерно на градус, всё дальше и дальше отходя от нас, и его траектория описывает спираль около орбиты Земли (рис.3). Через 385 лет астероид приблизится к нам уже с другой стороны. Здесь происходит «скачок» большой полуоси: каждый переход большой полуоси через значение 1 а.е. производит поворот движения астероида — изменяется направление его движения от сближения с Землёй к удалению от неё (рис.4). Полный цикл хомутообразной орбиты заканчивается через 770 лет⁷. Предыдущие два поворота движения, а следовательно, и сближения астероида с Землёй, состоялись в 1515 и 1900 гг., следующие произойдут в 2285 и 2670 гг. В 1900 г. Круинья подошла к Земле на расстояние, равное примерно 15 млн.км.

Динамическая связь астероида с Землёй становится очевидной, если рассмотреть эволюцию его большой полуоси. Она изменяется от 0,998 до 1,002 а.е. в течение 385 лет. Именно эта осцилляция большой полуоси орбиты астероида около большой полуоси орбиты Земли указывает на резонанс 1:1 средних движений с Землёй.

^{Рис. 2. Орбита астероида Круинья за один год (в системе координат, жёстко связанной с Землёй)}

Численное интегрирование задачи с учётом влияния всех планет, кроме Плутона, показало, что более тесного сближения астероида с Землёй не происходит. Наклон орбиты Круиньи по отношению к орбите нашей планеты настолько значителен, что астероид не приближается к нам на расстояние, меньшее примерно сорока расстояний до Луны. В ближайшем будущем он не подойдёт ближе этого утроенного расстояния.

Если текущее поведение астероида можно охарактеризовать хомутообразным, в рамках задачи трёх тел — астероида, Земли и Солнца, то долговременное его поведение сильно зависит от влияния других планет. Численное интегрирование показало неустойчивость его большой полуоси [3]. Нынешний размер орбиты соответствует лишь интервалу времён от — 500 лет до, по крайней мере, 5000 лет. Все остальные элементы имеют значительные долгопериодические возмущения (хотя вариации периода либрации хомутообразной орбиты сравнительно малы). Проведённые расчёты говорят о сближении астероида с Венерой в 9000 г. (по некоторым оценкам, в 8000 г. — Ред.). В прошлом астероид прошёл вблизи Марса — около 11 000 лет назад (по некоторым оценкам, 2500 л.н. — Ред.). Влияние Юпитера сказывается на прецессии узлов орбиты (смещении точек пересечения орбит астероида и Земли. — Ред.), а это и могло стать причиной, по которой астероид попал на хомутообразную орбиту. В отдалённом будущем возмущения от Юпитера способны вызвать переход астероида с неё на аналогичную и тоже в резонансе 1:1 с Землёй.

^{Рис. 3. Спиралевидное поведение Круиньи на хомутообразной орбите (в системе координат, связанной с Землёй)}

Заключение

Поскольку среди астероидов, сближающихся с Землёй, имеется лишь небольшое количество тел с диаметром свыше 5 км, то основная часть ударных кратеров на Земле образована, по-видимому, столкновениями именно с кометами. Непосредственную угрозу может представлять столкновение только с ядром кометы, прохождение же Земли через её хвост считается неопасным из- за его огромной разрежённости (так случилось в 1910 г. при сближении с кометой Галлея. — Ред.). Однако известны кометы с диаметром ядра до нескольких сотен километров. Характерное время до столкновения с Землёй потенциально опасной кометы из семейства Юпитера составляет около 770 млн. лет, для комет типа кометы Галлея — несколько миллиардов лет. Но ежегодно появляется хотя бы одна «новая» комета с диаметром ядра свыше 15 км и с орбитой, пересекающей щей орбиту Земли. Так как пути миграции комет через Солнечную систему могут быть произвольными, то кометы надо рассматривать как весьма опасные космические объекты⁸.

^{Рис. 4. Хомутообразная орбита астероида Круинья за 770 лет (в системе координат, жёстко связанной с Землёй)}

Предполагается, что уже к 2010 г. все крупные околоземные астероиды будут обнаружены и занесены в специальные каталоги. Ни один из числа известных астероидов не приблизится к Земле в XXI столетии на опасное расстояние. Основную угрозу будут представлять мини-астероиды от 30 до 500 метров в диаметре, так как популяция этих тел непрерывно пополняется.