65 миллионов лет назад удар астероида вызвал 5-е великое массовое вымирание. Можем ли мы сегодня спасти Землю от подобного события?
Ключевые выводы
- Хотя существует множество экзистенциальных угроз для человеческой жизни на Земле, один маловероятный, но катастрофический сценарий включает серьезное столкновение с Землей астероида или кометы.
- Подобно тому, как нептичьи динозавры и примерно 70% всех видов были уничтожены массовым столкновением 65 миллионов лет назад, подобное столкновение может положить конец человечеству и многим, многим более.
- В фильме «Не смотри вверх» подчеркивается наша социальная и политическая неспособность действовать или заботиться, но возможности спасти Землю от такой угрозы находятся в пределах нашей досягаемости.
По мере того, как наша планета вращается вокруг Солнца, реликвии из древнего прошлого нашей Солнечной системы постоянно создают крошечные, почти незаметные гравитационные силы. Хотя мы обычно знаем о самых больших объектах - Солнце, планетах, лунах и крупнейших астероидах и объектах пояса Койпера - неудобная правда заключается в том, что существуют миллионы объектов, которые представляют собой экзистенциальную угрозу для большей части жизни на нашей планете.. Если достаточно мощное воздействие - от астероида, объекта пояса Койпера, объекта облака Оорта или даже межзвездного объекта - столкнется с Землей, это может привести к гибели не только всего нашего вида, но и более половины всех видов. на нашей планете.
65 миллионов лет назад около 70% всех видов на нашей планете вымерло, когда большой астероид шириной около 5 километров врезался в то, что сейчас известно как Мексиканский залив, образовав кратер Чиксулуб и стерев его с лица земли. всех нептичьих динозавров на планете. Как недавно было показано в фильме «Не смотри вверх», всегда возможно, что вдруг будет обнаружен новый объект, который окажется на пути прямого столкновения с Землей.
Если бы такое открытие было сделано, каков был бы наш ответ? Хотя вы можете подумать, что один и тот же ответ будет применяться независимо от конкретного сценария, оказывается, что лучший способ «спасти Землю» сильно зависит от типа угрозы, с которой мы сталкиваемся. Вот что вы должны знать, в том числе какие вопросы вы должны задать себе, если вам когда-нибудь придется спасать планету от неминуемой гибели.
Если большой астероид упадет на Землю, он может высвободить огромное количество энергии, что приведет к локальным или даже глобальным катастрофам. Удар, приведший к вымиранию динозавров, мог быть связан либо с 7-километровой кометой, либо с 10-километровым астероидом. Однако при изучении остальных доказательств единственным вариантом остается астероид.
Что делает удар потенциально опасным?
Есть множество факторов, влияющих на определение того, насколько опасным будет удар. Место удара может иметь большое значение, особенно для меньшего ударника: тот, который ударит по Северному полюсу, приведет к гораздо меньшим человеческим жертвам, чем тот, который ударит по Нью-Йорку. Тот, который входит под очень малым углом, касаясь атмосферы, потеряет значительное количество скорости и, следовательно, энергии до удара по сравнению с тем, который ударяет почти перпендикулярно поверхности Земли. Дополнительные факторы, такие как состав, плотность, размер и то, был ли он разрушен приливом или нет, также могут играть роль.
Но подавляющим фактором является просто энергия: старая добрая кинетическая энергия, или ½ массы ударника, умноженной на скорость (относительно Земли) в квадрате. Эта энергия, по большей части, будет передана Земле, вызывая такие эффекты, как:
- создание необычайно мощной взрывной волны,
- включая атмосферные, океанические и коровые толчки,
- с сопутствующими цунами, землетрясениями и, возможно, вулканической активностью,
- подбрасывает большое количество мусора, который эффективно блокирует Солнце по всей планете на несколько недель,
и многое другое. Если бы оно было таким же мощным, как столкновение, уничтожившее динозавров, - эквивалент миллиарда атомных бомб, взорвавшихся одновременно, - то последующая катастрофа была бы сравнима с той, через которую прошла наша планета во время предыдущего великого массового вымирания.
Анимация отображает расположение известных околоземных объектов (ОСЗ) в определенные моменты времени за последние 20 лет и заканчивается картой всех известных астероидов по состоянию на январь 2018 года. Чтобы точно знать орбитальные характеристики астероида (или любого объекта, сближающегося с Землей), его положение и скорость должны быть измерены во многих различных точках с течением времени.
Насколько «плохим» должно быть уничтожение человечества?
Вы должны понимать, что два компонента, определяющие энергию, массу и скорость потенциального ударника, тесно связаны с размером объекта и местом его происхождения. Астероиды, происходящие из пояса астероидов, имеют тенденцию двигаться относительно Земли относительно медленно: примерно 10-20 км/с или около того. Кометы из пояса Койпера или облака Оорта, как правило, движутся примерно в три раза быстрее, чем астероид аналогичной массы, когда он проходит мимо Земли, а межзвездные объекты, хотя и встречаются реже, могут двигаться в четыре-восемь раз быстрее, чем астероид.. Помните, поскольку энергия масштабируется как ~ квадрат скорости, это означает, что комета может быть всего на ~ 11% массивнее астероида, а межзвездный объект может быть всего ~ 2% массивнее и при этом иметь те же разрушительные последствия.
- Городские убийцы распространены; мы, кажется, сталкиваемся с одним из них каждые столетие или несколько столетий, с Тунгусским событием 1908 года и ударом, создавшим кратер Барринджера в Аризоне, которые являются двумя такими примерами. Эти события происходят от объектов диаметром ~ 10-100 метров или меньше и примерно такой же энергии, как одиночная атомная бомба, вызывая эквивалентный ущерб: в основном локализованный в области удара.
- Планеты-убийцы, вроде столкновения с кратером Чиксулуб, случаются редко: в среднем раз в несколько десятков миллионов лет. В миллиарды раз более энергичные, чем город-убийца, все они имеют размер более ~ 1 км. (Помните, объект, который в 10 раз больше другого в диаметре, будет иметь примерно в 1000 раз больший объем и более чем в 1000 раз большую массу.) Хотя убийцы планет встречаются редко, во многих смыслах они являются самыми опасными объектами из всех.
- Существует также промежуточный диапазон объектов, которые больше, чем городские убийцы, но не обязательно будут иметь катастрофические последствия, распространяющиеся на всю планету. Эти воздействия на региональном уровне могут иметь ущерб, распространяющийся на несколько стран или даже на несколько континентов, и могут вызывать океанические цунами, полностью уничтожающие прибрежные города. Обычно это происходит в масштабе десятков тысяч лет.
Категоризация этих различных классов воздействий была одним из основных достижений применения Туринской шкалы.
Кратер Барринджера, также известный как Метеоритный кратер, представляет собой впечатляющий кратер, расположенный в пустыне Аризоны, диаметром более мили. Хотя этот кратер образовался десятки тысяч лет назад, его образовал относительно небольшой ударный элемент диаметром менее 100 метров. Когда дело доходит до катастрофических последствий такого удара, наиболее важными факторами являются энергия и местоположение.
Три ключа к смягчению последствий
Если мы хотим адекватно защитить нашу планету от такой угрозы - в конце концов, совершенно очевидно, что у динозавров не было достаточной программы планетарной защиты - у нас есть три основных ключа адресовать. Они есть:
- максимизация времени от выявления опасности до воздействия,
- минимизация времени, необходимого для вмешательства: т. е. для достижения опасного объекта,
- и вмешиваться правильным образом, либо отклоняя объект так, чтобы не произошло столкновения, либо сводя к минимуму ущерб, причиняемый любым столкновением(ями), которое(ие) действительно происходит.
Это одно из тех дел, к которым мы обязательно должны подготовиться заранее. Если мы не создадим, не создадим, не используем и не будем поддерживать систему для идентификации этих объектов задолго до того, как угроза появится, никакие меры по ее устранению невозможны. Если мы не разработаем технологию для достижения и встречи с потенциально опасным объектом, быстро и по необходимой траектории, мы не будем готовы к неизбежному, и нам просто придется поглощать ущерб. И если мы заранее не подготовимся выбрать оптимальный путь, когда дело доходит до предотвращения катастрофического воздействия, мы рискуем столкнуться с той же судьбой, что и все наземные животные крупнее игуаны примерно 65 миллионов лет назад: вымирание.
Обсерватория Веры Рубин, в которой находится Большой синоптический обзорный телескоп, скоро начнет функционировать и станет лучшим инструментом человечества для идентификации и отслеживания орбит потенциально опасных объектов. Если мы сможем преодолеть препятствия, создаваемые мегасозвездиями спутников, мы сможем выиграть порядки времени для защиты планеты Земля от опасных столкновений.
Первый шаг во всем этом - идентификация. В идеальном мире у нас был бы специальный набор исследований для отслеживания и измерения всех объектов выше, скажем, ~ 10 метров размером, которые гравитационно связаны с нашей Солнечной системой, включая астероиды, объекты пояса Койпера и облако Оорта. Конечно, с этим связана огромная проблема: мы можем видеть только те объекты, которые достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в наши телескопы, а более мелкие и удаленные объекты увидеть труднее.
Насколько их труднее увидеть? Ответ удивляет большинство людей. Объект с половиной диаметра будет отражать только одну четверть света как другой, поскольку площадь поверхности пропорциональна радиусу объекта в квадрате. Но объект, который находится в два раза дальше другого, будет казаться ярким только на одну шестнадцатую! Почему это? Потому что свет распространяется подобно сфере. Если объект находится в два раза дальше, то он получает только четверть света по сравнению с более близким объектом. Затем этот свет должен вернуться от объекта к Земле, где, опять же, более дальний объект находится в два раза дальше, поэтому его видимая яркость еще больше уменьшается еще на одну четверть.
Кроме того, определение орбитальной траектории объекта требует многократных наблюдений за время, когда он значительно изменил свое положение. Для объекта, находящегося в поясе астероидов, может быть достаточно нескольких дней или недель, но для объекта, находящегося далеко в поясе Койпера, вам потребуются независимые наборы изображений за гораздо более длительные периоды времени - возможно, даже за несколько лет, - прежде чем вы сможете точно определить его орбита.
На этой покадровой анимированной фотографии показан астероид 3200 Фаэтон, отслеженный из Риги, Латвия, в 2017 году. Это родительское тело метеорного потока Геминиды: астероид всего 5,8 км в диаметре, примерно размером астероид, который катастрофически упал на Землю около 65 миллионов лет назад. Чем дальше от нас находится объект, тем больше нам нужно наблюдений в течение длительных периодов времени, чтобы определить его будущую траекторию.
Предполагая, что мы можем определить траекторию объекта, мы можем предсказать, когда именно он будет подвергаться риску (или, если не будет предпринято никаких вмешательств, когда он обязательно) столкнется с Землей. В этот момент следующим шагом будет запуск миссии по перехвату объекта как можно быстрее.
Это, однако, не обязательно означает простой запуск космического зонда по прямому курсу на столкновение с максимальной скоростью к интересующему нас объекту. На самом деле, сейчас мы даже не иметь активную технологию, способную достичь этой цели; нам пришлось бы планировать траекторию, которая использовала бы гравитационную поддержку других объектов, таких как другие планеты в нашей Солнечной системе, чтобы достичь цели, расположенной во внешней части Солнечной системы.
Более того, вы не обязательно должны двигаться очень быстро относительно объекта; вы можете захотеть совершить «мягкую посадку» на него, что потребует корректировки вашей скорости в соответствии со скоростью приближающейся опасности. Это нетривиальная проблема, и в истории Солнечной системы у нас было только контролируемое сближение и успешная мягкая посадка на два объекта с помощью миссий «Хаябуса» и «Хаябуса-2». Хотя ранее мы встречались с астероидами и кометами, включая комету Галлея, сближающийся с Землей астероид Эрос и комету 67P/Чурюмова-Герасименко, успешных посадок не было.
Комета 67P/Чурюмова-Герасименко многократно фотографировалась миссией ЕКА Rosetta, где наблюдались ее неправильная форма, летучая и выделяющая газ поверхность и кометная активность. Однако попытка приземления Филы потерпела неудачу; только две миссии когда-либо имели успешную мягкую посадку на комету или астероид.
И, наконец, если вы доберетесь туда именно с заданными вами параметрами, вам все равно придется принять надлежащее и, что более важно, достаточное вмешательство. На данном этапе важно признать, что не существует универсального вмешательства, подходящего для всех сценариев. Скорее, какое вмешательство мы должны предпринять, зависит от четырех основных факторов.
- Состав. Объект, богатый льдом, с низкой плотностью и покрытый летучими веществами, - это совершенно другой пример, чем твердое каменистое тело. С объектом, который держится как разрозненный скопление щебня, вроде сближающегося с Землей астероида Итокава, нужно обращаться гораздо деликатнее, чем с более прочно связанным объектом. Этот фактор нельзя игнорировать.
- Траектория. Массивный объект, движущийся с низкой скоростью, представляет собой совершенно иной сценарий, чем менее массивный объект, движущийся очень быстро. Даже если они могут иметь одинаковые импульсы друг у друга, энергия и путь к оптимальному изменению их орбит могут быть очень разными для них обоих. Кроме того, объект, который будет возмущаться планетой-гигантом, такой как Нептун или Юпитер, будет гораздо легче скорректировать по курсу, если мы сможем достичь его до этого взаимодействия, а не после него.
- Масса. Этот фактор сам по себе сообщает, насколько сложно изменить скорость потенциально опасного объекта. Само решение, которое работает для менее массивного объекта, может оказаться неприменимым для объекта с точно такой же траекторией, но с немного большей массой.
- Времени осталось. Это, опять же, жизненно необходимо. Если вам нужно изменить траекторию объекта примерно на 6000 километров (примерно радиус Земли), то, если вы доберетесь туда за год, вам нужно изменить его скорость всего на 19 см/с. Если вы доберетесь туда за месяц, вам нужно изменить его скорость на 2,3 метра в секунду. И если вы не доберетесь туда, пока до удара не останется 24 часа, вам нужно будет изменить его скорость на 70 м/с, или более 150 миль в час.
Схема миссии DART показывает падение на луну астероида (65803) Didymos. Наблюдения после удара с помощью наземных оптических телескопов и планетарного радара, в свою очередь, позволят измерить изменение орбиты спутника вокруг родительского тела.
Варианты спасения Земли
Итак, допустим, мы предприняли все эти шаги. Мы идентифицируем потенциально опасный объект до того, как он столкнется с нами, мы готовим и запускаем миссию на рандеву и (если необходимо) стыковку с объектом, после чего мы готовы вмешаться. Что нам делать?
Если вы смотрели фильм «Не смотри вверх», вы видели стратегию разделения объекта на более мелкие компоненты с идеей о том, что Земле легче пережить множество небольших ударов, чем одно большое один. Эта идея, к сожалению, просто глупа. Если вы столкнетесь с Землей со 100 маленькими массами с той же скоростью, а не с 1 большой массой с такой же скоростью, вы передадите одинаковое количество энергии Земле. Точно так же, как когда комета Шумейкера-Леви распалась и все ~2 дюжины ее компонентов столкнулись с Юпитером, уровень катастрофы остался бы неизменным; просто он будет более равномерно распределен по всему миру.
В следующий раз вы можете подумать о создании прямого кинетического ударного элемента, подобного недавней миссии НАСА DART. Если бы объект был достаточно твердым и имел бы достаточно малую массу, это был бы потенциальный вариант, поскольку небольшой импульс, переносимый космическим кораблем, мог бы, в принципе, изменить курс опасного объекта на достаточно большую величину, особенно если бы он прибыл достаточно рано, чтобы отвлечь его от Земли. Однако это было бы менее эффективно для объектов из кучи щебня и было бы практически неприменимым либо в короткие промежутки времени, либо для очень массивных объектов.
Ионный двигатель NEXIS, созданный в Лаборатории реактивного движения, является прототипом долговременного двигателя, который может перемещать объекты большой массы в течение очень длительного времени. Если бы у нас было достаточно времени, двигатель (или ряд двигателей), подобный этому, мог бы спасти Землю от потенциально опасного удара.
Если у вас есть роскошь времени, прикрепив к объекту пассивный двигатель, например, приводимый в действие ионами, вы сможете обеспечить плавный и продолжительный толчок. Если вы сможете добраться туда достаточно рано, этого медленного приложения импульса, особенно если мы можем контролировать его направление, может быть достаточно, чтобы медленно оттолкнуть опасность в сторону. Однако чем тяжелее масса и чем меньше у вас времени, тем больше двигателей вам потребуется.
И всегда есть вариант Брюса Уиллиса: ядерное устройство. Если у вас есть астероид из кучи щебня или объект, богатый летучими веществами, например комета, вы захотите взорвать ядерное устройство в космосе рядом с объектом, иначе вы просто пробьете в нем дыру. Взорвав его вдали от объекта, вы служите трем целям: сохраняете объект в целости как единое целое, изменяете его импульс в сторону, противоположную месту взрыва, и не наполняете опасность радиоактивными материалами, который затем вернется на Землю. Однако, если объект твердый и массивный, точное вмешательство становится более туманным; это зависит от связи энергии устройства с движением объекта.
Несмотря на то, что на нашем пути нет экзистенциальных угроз, о которых мы знаем, в течение следующего столетия существует объект, за которым стоит следить: комета Свифта-Туттля, родительское тело Персеид. Он больше, массивнее и быстрее, чем объект, создавший кратер Чиксулуб; если бы он ударил Землю, он передал бы примерно в 25-30 раз больше энергии, чем этот ударник. В 4479 году существует немалая вероятность того, что после гравитационного близкого прохождения Юпитера он действительно столкнется с Землей. Управление планетарной защиты НАСА назвало его «самым опасным объектом, известным человечеству».
Яркая звезда Альбирео, видная и красочная двойная звездная система, входящая в Летний треугольник, была сфотографирована 26 декабря 2019 года. В течение 10 экспозиций продолжительностью 150 секунд каждая группа спутников Starlink прошла через тот же участок неба. Хотя этот эффект полос имеет значительные последствия как для профессиональной, так и для любительской астрономии, наибольшие потери несет наука о защите планет.
Конечно, самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся сегодня, с научной точки зрения, связана с попыткой идентифицировать и отслеживать сами эти объекты. Из всех астрономических усилий, на которые влияет нынешний набор ярких, новых спутников, запускаемых для обеспечения высокоскоростного интернета с малой задержкой по всему миру, идентификация, отслеживание и определение орбит потенциально опасных объектов является единственной областью. исследований, которые терпят и понесут наибольшие потери. Мы буквально играем в азартную игру с самим нашим выживанием, допуская присутствие этих спутников, что еще больше подчеркивает необходимость быстрого глобального регулирования окружающей среды, окружающей Землю.
В идеале мы должны следить за небом с помощью больших широкоугольных телескопов, выискивая крошечные изменения в яркости и положении объектов Солнечной системы, чтобы определить уровень угрозы. Мы должны тестировать технологии при международном сотрудничестве и значительных глобальных инвестициях, чтобы смягчить различные вероятные сценарии. И мы можем даже захотеть рассмотреть космические обсерватории в L3: точке на орбите Земли, расположенной на обратной стороне Солнца, где находятся наиболее трудно идентифицируемые потенциально опасные объекты. Если бы мы предприняли эти меры, у нас было бы примерно десятилетие, чтобы подготовиться к любому потенциальному воздействию. Без них, а это то, где мы находимся сегодня, мы просто должны полагаться на то, что нам не повезет, чтобы обеспечить наше выживание.
Итан Сигел благодарит доктора Альмога Ялиневича из Университета Торонто за чрезвычайно полезную дискуссию о смягчении последствий и вмешательстве в случае сценария «Не смотри вверх» в отношении Земли.