Защита Земли от опасных космических объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В последние годы наряду с другими проблемами выживания человечества очень серьезно заявила о себе проблема кометно-астероидной опасности. Наблюдательные данные и теоретические оценки малых телах Солнечной системы, новые факты о катастрофических столкновениях в - все это произвело существенный сдвиг в восприятии научными кругами и общественностью той реальной опасности, которую представляют собой столкновения крупных космических тел с Землей. Все больше возрастает понимание того, что падения крупных космических тел на Землю играли очень важную роль в развитии жизни на Земле в прошлом и могут оказать решающее влияние на нее в будущем.

Цель работы - Анализ результатов по данной проблеме и создание возможного проекта по проблеме защиты Земли от опасных космических объектов.

Задачи работы:

- Аналитическое изучение литературы о структуре Солнечной системы и проблемах космических полётов к небесным телам;

- Исследование вариантов безопасности Земли от столкновения с астероидами;

- Авторский проект возможного проекта по безопасности Земли от космических объектов;

- Создания презентации по выбранной теме и теста по проблеме.

1. Астероидная опасность

1.1 История, открытие, исследование и характеристика астероидов

О том, что в Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера движутся многочисленные малые тела, было известно около 200 лет назад. И. Кеплер, наблюдая за Марсом пришёл к выводу, что совершенству Солнечной системы мешает непомерно большой пустой промежуток между орбитами Марса и Юпитера и решил, что там должна находиться планета. Ученые, исследующие Солнечную систему, искали планету, находящуюся между орбитами Марса и Юпитера. В1766 г мало известный профессор физики Иоганн Даниель Тициус впервые сформулировал найденный им правило планетных расстояний. В 1772 г. 25-летний немецкий астроном Иоганн Боде поместил формулировку правила Тициуса в своей книге "Руководство по изучению звездного неба". Боде предсказывал на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца существование не спутников Марса, а "большой планеты", которая должна совершать полный оборот вокруг Солнца за 4,5 года. Было сформулировано "Правило Тициуса-Боде". Постепенно это правило обрело популярность, и убедило многих астрономов в правильности поисков пятой планеты, чья орбита расположена между орбитами Марса и Юпитера.

Было создано специальное общество, которое занималось поисками этой планеты и называло себя "небесной полицией". Сообщество состояло из двадцати четырёх астрономов, каждому из которых надлежало исследовать один час зодиака для отыскания неизвестной планеты. В Палермо итальянский астроном директор обсерватории Джузеппе Пиацци уже много лет вел наблюдения положений звезд для составления звездного каталога. Работа близилась к концу. В первый вечер XIX в., 1 января 1801 г., Пиацци обнаружил в созвездии Близнецов слабую звездочку, с блеском около 7^m, которой почему-то не оказалось ни в его собственном каталоге, ни в каталоге Христиана Майера, имевшегося в распоряжении Пиацци. На следующий вечер оказалось, что звездочка имеет не те координаты, что накануне: она сместилась на 4' по прямому восхождению и на 3',5 по склонению. На третью ночь выяснилось, что ошибки нет и что звездочка медленно перемещается по небу. Шесть недель следил Пиацци за странной звездой. Но наблюдения прервала болезнь. Поправившись, Пиацци уже не смог найти её. Непрерывно перемещаясь, объект затерялся среди слабых звезд.

В это время 23-летний, еще никому не известный, Карл Фридрих Гаусс увлекся созданием методов обработки астрономических наблюдений. Он решил попытаться определить эллиптическую орбиту новой планеты по имеющимся данным. Для этого ему пришлось разработать новый метод, который прославил Гаусса и известен теперь в небесной механике как метод определения эллиптической орбиты по трем наблюдениям. Объединив результаты всех наблюдений с помощью созданного им же несколько раньше метода наименьших квадратов, Гаусс определил, что орбита объекта лежит между орбитами Марса и Юпитера и что большая полуось ее (2,8 а. е.) точно совпадает со значением, предсказанным законом Тициуса-Боде. Сомнений не осталось: это была искомая планета.

Пиацци назвал её Церерой, в честь богини - покровительницы острова Сицилия. Новая планета заняла, как будто, равноправное положение среди остальных, к радости астрономов, заполнив брешь между Марсом и Юпитером. Церера, как и остальные планеты, была холодной и светилась отраженным солнечным светом, но очень слабым. В Берлине Генрих Вильгельм Ольберс, немецкий врач и астроном, член Парижской Академии наук, член Лондонского королевского общества и руководитель Берлинской обсерваторией, внимательно следил за движением Цереры. 28 марта 1802 г. он неожиданно неподалеку от нее обнаружил еще одну, но более слабую планетку (около 9^m). Ольберс дал ей название Паллада, в честь Афины Паллады. Мало того, что Паллада двигалась тоже на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца, уже занятом Церерой, ее орбита к тому же сильно отклонялась от плоскости эклиптики (на 35°). Позднее была открыта Юнона, Веста. Несмотря на малые размеры, Церера, Паллада, Юнона и Веста стали включаться в общий список планет. Пиацци предложил именовать новые члены Солнечной системы планетоидами (т.е. планетоподобными), а Гершель - астероидами (звездоподобными).

1.2 Общая характеристика астероидов

На сегодня неизвестно точное количество астероидов. Вероятно число малых планет доступных наблюдению с Земли, около 100 000, а их общее число должно составить сотни миллионов. 98% всех астероидов находится между орбитами Марса и Юпитера на расстоянии от Солнца (2,6-3,6) а.е. и образуют так называемый первый пояс астероидов. Большинство из них близко к Земле и Солнцу почти не подлетают. Но есть и нарушители. Например, астероид Икар, подлетает к Солнцу на расстояние, 0,19 а.е. Имеются три группы астероидов, сближающихся с земной орбитой: группа Амура - астероиды, лишь приближающиеся к земной орбите с внешней стороны, группа Аполлона астероиды, небольшая часть орбиты которых лежит внутри орбиты Земли, и группа Атона - астероиды, большая часть орбиты которых лежит внутри земной. Около 2% астероидов не принадлежат к 1 поясу, они рассеяны по всей Солнечной системе. Большинство из них находится за орбитой Нептуна. Первое такое тело открыли в 1992 году. сейчас их известно более 300 - они получили название «пояса Койпера», по имени астронома, который впервые выдвинул гипотезу о его существовании ещё в 50 годах 20 века.

С Земли астероиды наблюдать очень трудно, т. к. в телескоп их диски не видны, и только с появлением космических аппаратов и орбитальных телескопов стал доступен внешний вид астероидов. Это тела неправильной формы покрытые кратерами. Многие астероиды очень малы, поэтому их сила тяжести ничтожна, она не в состоянии придавать им форму шара, поэтому большинство астероидов имеет неправильную форму, так же это подтверждается и тем, что их блеск очень быстро совпадает с ростом фазового угла. И только лишь самые крупные астероиды могут сохранять шарообразную форму, если им удастся избежать столкновения с немногочисленными телами таких же размеров. Столкновения с мелкими телами не могут существенно изменить форму астероида, результатами подобных столкновений являются многочисленные кратеры на поверхности всех астероидов. Все открытые до сих пор астероиды обладают прямым движением, то есть движутся вокруг Солнца в ту же сторону что и большие планеты. И поэтому почти все астероиды движутся в пределах тороидального кольца. Объём этого кольца составляет порядка 1,6 *10²⁶ кмі. Что касается состава астероидов, то он до сих пор плохо изучен. О веществе астероидов мы можем судить по обломкам, падающим на Землю в виде метеоритов, и по их спектрам. По спектрам выделяют следующие группы астероидов: силикатные -15%, металлические - 10 %, углистые -75%. 98%. процентов всех астероидов Солнечной системы находятся в главном поясе между орбитами Марса и Юпитера.

1.3 Астероиды вблизи Земли

Почти 3/4 века не подозревали, что не все астероиды движутся между орбитами Марса и Юпитера. Первый астероид вблизи Земли был открыт только 13 августа 1898. Это был 433 Эрос, первый астероид-малютка поперечником менее 25 км. В год его открытия он прошел на расстоянии 22 млн. км от Земли. Его орбита оказалась непохожа ни на одну до сих пор известную. Через несколько лет после Эроса, в 1904 г., был открыт астероид 588 Ахилл, движущийся по орбите больших размеров, далеко за пределами кольца астероидов, почти точно по орбите Юпитера. Все астероиды кольца находятся, если так можно выразиться, в безопасной зоне. Но и они все время испытывают возмущения со стороны планет. Самое сильное воздействие на них оказывает, конечно, Юпитер. Поэтому их орбиты непрерывно меняются. Если быть строгим, то нужно сказать, что путь астероида в пространстве представляет собой не эллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки, укладывающиеся радом друг с другом. Планеты возмущают, конечно, движение не только астероидов, но и друг друга. Но наибольшее возмущение испытывают астероиды. Астероиды отклоняются со своего пути то в одну, то в другую сторону. Чем дальше, тем больше становятся эти отклонения: ведь планеты непрерывно "тянут" астероид, каждая к себе, но сильнее всех Юпитер. Встреча Земли с объектом диаметром порядка 1 км может привести к катастрофическим последствиям. Такие астероиды делят на три группы, по мере сближения с земной орбитой: это группы Амура Атона и Апполона. Установлено, что около 160 космических тел, имеющих размеры порядка 1 км, в своём движении по траектории, пересекают орбиту Земли, а 125 из них уже называют «потенциально опасными». Поскольку, каждый год открывается одна-две сотни неизвестных ранее малых планет, то этот список будет расти. На сегодня известно, около 10 опасных астероидов, диаметром больше 5 км. Но учёные подсчитали, что подобные объекты могут сталкиваться с Землёй не чаще, чем раз в 20000000 лет. В 2004 году в обсерватории Китт-Пик в Аризоне был открыт астероид. Собственное название он получил 19 июля 2005. Назвали астероид в честь древнеегипетского бога Апопа (в греческом произношении - Апофиса), огромного змея, разрушителя, который живёт в темноте подземного мира и пытается уничтожить Солнце в течение его ночного перехода. Выбор такого названия не случаен, так как по традиции малые планеты называют именами греческих, римских и египетских богов. В результате сближения с Землёй в 2029 г. астероид изменит свою орбитальную классификацию, поэтому имя древнеегипетского бога, произнесённое на греческий манер, весьма символично.

Согласно последним расчетам, Апофис сближается с орбитой Земли и, возможно, 13 апреля 2029 года астероид пройдет между Землей и Луной всего на расстоянии 30-40 тысяч километров от нашей планеты. В ночном небе он будет заметен даже без бинокля и телескопа, но должен пролететь мимо. Однако, есть большая вероятность того, что, проходя мимо Земли, астероид попадет в, так называемую, "гравитационную ловушку" после чего траектория астероида может измениться. Вот тогда его шансы столкнуться с Землей будут очень велики. Гравитационная ловушка, а точнее - "точки Лагранжа" впервые были определены ещё в 1772 году французским математиком Ж.Л. Лагранжем. Он показал тогда, что одно из решений задачи трех тел, взаимно притягивающих друг друга, ведет к их устойчивому движению в вершинах равностороннего треугольника. Сам Лагранж отнесся к такой возможности как к математическому курьезу. Но в 1906 году был открыт астероид, который так и движется, имея в других вершинах треугольника Солнце и Юпитер. Со временем были обнаружены сотни аналогичных образований в окрестностях других планет, в том числе и в системе Солнце - Земля. После проведённых радарных наблюдений возможность столкновения в 2029 году была исключена. Однако, следующий визит «сумрачного гостя» в 2036 году грозит еще большими проблемами, потому что вероятность его столкновения с Землей достаточно велика. По Туринской шкале опасность в 2004 была оценена в 4, но вскоре её понизили до 0. Если раньше предполагалось, что вероятность столкновения объекта с Землей составляет 1:45000, то сейчас этот показатель снизился до 1:250000. Апофис не единичный случай. Потенциально опасных астероидов "великое множество". Но на данный момент вероятность столкновения с Землёй всех открытых астероидов ничтожно мала по сравнению с вероятностью того, что Апофис столкнётся с нашей планетой. Если Апофис действительно упадёт на Землю, то жизнь исчезнет с планеты Земля возможно навсегда. От человеческой цивилизации останутся только развалины. А от Апофиса останется лишь огромный кратер, который ещё долго будет свидетельствовать о той страшной трагедии, причиной которой стал Апофис.

1.4 Исследование вариантов «защиты» Земли от астероидной опасности

Для решения проблемы обеспечения комето-астероидной безопасности учёные предлагают разные варианты защиты Земли.

СПОСОБ № 1.

Предлагается изменить либо орбиту астероида, либо разрушить его атомным оружием. Но ни одна страна в мире пока не готова изменить Договор, согласно которому «Государства - участники Договора обязуются не выводить на орбиту вокруг Земли любые объекты с ядерным оружием или любыми другими видами оружия массового уничтожения, не устанавливать такое оружие на небесных телах и не размещать такое оружие в космическом пространстве каким-либо иным образом». Кроме того, точно неизвестны его состав, плотность. Поэтому невозможно рассчитать, куда полетят осколки.

СПОСОБ № 2: КОРАБЛЬ-БУКСИР.

В Европейском космическом агентстве предлагают посадить на астероид космический корабль. Плотно зацепившись за Апофис, он включит двигатели и заставит космическое тело изменить траекторию. Также сейчас корректируют орбиту МКС пристыкованные корабли. Двигатель, мощностью и размерами схожий с теми, что стоят на земных легковых автомобилях, работая на астероиде в течение года, смог бы перенести его на орбиту, заведомо безопасную для нас. Пока люди не умеют сажать аппараты на малые космические тела. Посадка американской станции на астероид Эрос в 2001 году была жесткой - она на большой скорости столкнулась с поверхностью. Нельзя назвать удачной посадку японского аппарата «Хиябуса» («Сокол») на астероид Итокава в 2005 году. Во время нескольких неудачных попыток «Сокол» повредил почти все свое оборудование, и научная программа была скомкана.

СПОСОБ № 3: СОЛНЕЧНЫЙ ПАРУС.

Заранее к Апофису можно будет запустить аппарат, который пристыкуется к астероиду и развернет на нем солнечный парус. Так называют светоотражающую полимерную пленку толщиной 7,5 микрона (примерно в десять раз тоньше человеческого волоса). Действует он аналогично корабельному. Только роль ветра выполняет солнечный свет. Его частицы - фотоны - ударяют в полимерную пленку, создается давление, и астероид получает дополнительную скорость или меняет направление. Но пока солнечный парус ни разу не испытывали в космосе.

СПОСОБ № 4: ИЗМЕНЯТЬ ОРБИТЫ АСТЕРОИДОВ, ИЗМЕНЯЯ ИХ АЛЬБЕДО.

Теоретически возможно отклонять небольшие, но опасные астероиды подальше от Земли, изменяя количество отражаемого ими солнечного света. Иные показатели теплоотдачи от космического тела, могут сказаться на параметрах его орбиты благодаря эффекту Ярковского. Этот эффект вызывается тем, что при испускании тепла от тела, имеющего неравномерную температуру, более нагретые места подвержены большей силе отдачи от теплового излучения, чем более холодные области. Ярковский заметил различия в импульсах подталкивают объект таким образом, что его орбита слегка смещается. Величина воздействия эффекта относительно мала, но она накапливается с течением времени. Форма астероида, вращение, состав и детали поверхности - все должно быть учтено, чтобы получить точные параметры орбиты определенного астероида. Идея же состоит в том, чтобы изменить поверхностные температуры угрожающего Земле астероида так, чтобы через десятилетия или столетия, его орбита сместилась подальше от нашей планеты.

СПОСОБ № 5: ИЗМЕНЕНИЕ АЛЬБЕДО АСТЕРОИДА.

Неожиданное решение проблемы астероидной опасности созрело в недрах Московского авиационного института. Преподаватели Ю. Чудецкий и И. Денисов стоят, по мнению многих, на пороге открытия мирового масштаба. Они предложили изменить траекторию движения космического объекта, покрасив его поверхность в другой цвет. Технически эта операция не представляет серьезных проблем. Изменится отражательная способность астероида, и он отклонится от своего пути на 1-2 градуса. К аналогичным результатам приведет и уменьшение массы объекта. Этого можно добиться, запустив вокруг странника облако мельчайших частиц, которые будут потихонечку бомбить "бедолагу". Уже сейчас, кто в шутку, а кто всерьез, называют на первый взгляд невинные придумки профессоров шагом на пути создания нового оружия массового уничтожения.

СПОСОБ № 6: КОСМИЧЕСКОЕ ОБЛАКО - ТОРМОЗ.

В основе проекта, выдвинутого российскими учёными, лежит использование для увода астероида с опасной орбиты его собственную кинетическую энергию. На пути движения астероида создается искусственное пылевое образование из малых частиц, которые будут сталкиваться с астероидом, в результате чего он может начать тормозиться, разрушаться и переходить на другую, более безопасную для Земли, орбиту. Это предложение выглядит вполне разумным, хотя на практике его довольно сложно осуществить. Ведь до сих пор не понятно из чего будет состоять данное облако, и как доставить его на орбиту Апофиса. Какова должна быть масса этого облака? Гораздо проще будет разместить на пути астероида некоторое количество небольших космических аппаратов, сравнительно небольшой массы. Они будут помещены на круговую орбиту у астероида, затем будут постепенно на него падать, взаимодействовать с его поверхностью, образуя кратеры с выбросом некоторой массы, пропорциональной кинетической энергии соударяющихся тел, таким образом, опасный объект будет тормозиться и «сходить» с орбиты (ПРИЛОЖЕНИЕ № 8).

2. Гравитационное воздействие

"На астероид можно воздействовать импульсно, то есть взрывом или ударом, а можно гравитационно, подведя к нему космический аппарат определенной массы. Аппарат своим гравитационным воздействием будет оттягивать "Апофис" в сторону от Земли", - К. Стихно инженер НПО. В основе предлагаемого нами проекта защиты Земли от опасных космических объектов лежит подробное рассмотрение именно этого способа.

По оценкам астрономов, астероид имеет неправильную вытянутую форму, его размеры по разным оценкам от 270 до 415 метров в диаметре, поэтому возьмём среднее значения его диаметра: (270 + 415): 2 = 342,5 м. Радиус астероида соответственно будет равен R =171,25 м.

Если принять радиус Апофиса, равный примерно R = 171,25м и предположить, что плотность астероида та же, что и у Земли, то его масса должна быть примерно в (6400/171,25)і = 5,2 * 10¹³ раз меньше Земли. Допустим, к астероиду запущен космический аппарат, конечная масса которого равна 10⁴ кг. Тогда можно сделать следующий расчёт, который позволит изменить орбиту астероида и сделать её более безопасной для Земли.

Космический аппарат (массой 10 т) сообщает астероиду ускорение, равное

g = f m/rІ ? 6, 67 * 10^-11*. 10 000/ 171, 25ІІ ? 2,274 *10^-8 (мм/сІ).

Проверка размерности: [((мі/кг*сІ) * кг): мІ] = [м/сІ]

За год скорость связки астероид-корабль изменится на величину:

х = g * t = 2,274 * 10^-8 * 365 * 24 * 3600 = 7,17 * 10^-1 м/с ? 0, 717 мм/с.

За три года можно будет достичь скорости 2,15 см/с.

За 10 лет - 0,717 мм/с * 10 = 7,17 мм/с.

И за это время, например 3 года, астероид сможет отклониться от своей первоначальной траектории на величину: h = хІ: 2 g, как это следует из закона сохранения энергии.

h = 2,15ІІ/2 * 2,274 * 10^-8 ? 1,02 * 10⁸ мм ? 1,02 * 10⁵ м.

Таким образом, сила притяжения космического аппарата постепенно увлечет астероид в сторону с его траектории. Тяга двигателей космического аппарата может реально изменить его орбиту и «отодвинуть» от опасной для Земли орбиты.

Делая эти предположения для расчета, мы не учитывали плотности астероида, сделали некоторые предположения относительно размеров астероида, исходя из имеющихся данных из Интернета. Если немного расширить рамки задачи, то вырисовываются интересные возможности. Известно, что многие космические тела состоят в основном из металлов (из сверхчистых железа и никеля) или из пород, которые геологи назвали бы ценной высокообогащенной рудой. Теоретически, такие астероиды, будучи переведенными на удобные орбиты, могли бы пойти на переплавку в космических домнах, благо даровой энергии Солнца в свободном пространстве достаточно. Правда, сейчас отливки космического металла по цене будут едва ли не платиновыми, но в будущем, с развитием космических транспортных систем, ситуация может измениться.

Конструкторы предполагают энергетически выгодными для старта одну из наиболее «удобных» с точки зрения баллистики дат: 14 апреля 2014 года, 6 октября 2018 года, 5 мая 2020 года и 17 апреля 2021 года. После 2021 года лететь будет уже поздно….

Заключение

Доказано, в любой момент, какой - либо астероид или комета может столкнуться с нашей планетой. Прежде чем решить, какой вариант окажется самым действенным в каждом конкретном случае, к опасному астероиду следует направить исследовательский посадочный зонд. Американцы предлагают послать к Апофису небольшой аппарат, заодно выполняющий и научную задачу. На борту он будет нести камеру, лазерный альтиметр, систему связи и, едва ли не главное, -- радиомаяк. По плану стартовать в космос Foresight мог бы в мае 2012 года на борту ракеты-носителя Minotaur IV и встреча с Апофисом состоялась бы в марте 2013-года, масса аппарата 1,5 тонны. После 10 дней предварительного изучения астероида аппарат начал бы медленно дрейфовать по орбите вокруг Апофиса. Такой облёт должен продолжаться 30 дней, во время которых Foresight выполнит множество снимков "камушка" в разных диапазонах спектра. Далее зонд уйдёт с круговой орбиты вокруг скалы и просто полетит рядом с ней по общей околосолнечной орбите, на расстоянии в 2 километра от астероида. Дистанцию эту аппарат должен непрерывно измерять лазером. Через 10 месяцев такого совместного полёта люди смогут с высокой точностью определить орбиту Апофиса, поскольку всё это время за самим зондом учёные легко проследят по радиомаяку.

Конкретные меры защиты будут определяться в зависимости от имеющегося запаса времени до столкновения и характеристик, как самого астероида, так и элементов его орбиты.

Проблема космической защиты может эффективно решаться только параллельно с изучением и освоение космоса. Чтобы применить тот или иной способ защиты, необходимо исследовать особенности движения малых тел Солнечной системы. Поэтому создана Всемирная служба космической безопасности.

Литература

астероид столкновение космический

1. Энциклопедия для детей. (Том 8). Астрономия. - М.: Мир энциклопедий, 2006 - 688 с.

2. Жаков А.М. Как управляют спутниками. - Лениздат, 1988.

3. Космос. Полная энциклопедия / Ил.Н. Красновой. - М.: Эксмо, 2007. - 248 с.

4. Марленский А.Д. Основы космонавтики. Факультативный курс. - М.: Просвещение, 1985.

5. Рябов Ю.А. Движение небесных тел. - М.: Наука, 1988.

6. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов / Пер. К Мишиной, А. Зыковой. - М.: Изд. Эксмо, 2006.

7. www. apophis. ru.

8. http: //www.astronaut.ru/bookcase/books/isz/text/06.htm.

Размещено на Allbest.ru