Космические аппараты в солнечной системе

Рис.5.10 Основной пояс астероидов и орбиты планет Солнечной системы

Практически не изучены тела размером от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров. Такие астероиды и составляют главную угрозу при их падении на Землю.

Проблема астероидной опасности обусловлена наличием астероидов сближающихся с Землей, орбиты которых пересекают орбиту Земли. В настоящее время известно около 6200 АСЗ с диаметрами от 40 км до нескольких метров., которые проходят на расстоянии до 1,3 астрономических единиц от Земли.

Астероиды с перигелийными расстояниями, меньшими или равными 1.3

Астероидная опасность

а.е., принято называть астероидами, сближающимися с Землёй (АСЗ).

Потенциально опасными объектами (ПОО) считаются все астероиды, которые могут в обозримом будущем приблизиться к Земле на расстояние, меньшее или равное 0.05 а. е. и абсолютная звездная величина которых не превышает 22^m. Если принять среднее значение альбедо астероидов равным 0.13, то это условие означает, что астероид имеет размер около 150 метров. Эта классификация исходит из того, что тела меньшей величины в случае столкновения будут полностью разрушены в атмосфере Земли и серьёзного ущерба не причинят.

Для оценки опасности ПОО существуют несколько шкал. Наиболее известна Туринская шкала. В зависимости от орбиты, массы и скорости астероида ему присваивается балл — от 0 до 10. Астероиды (0 баллов) — последствия от столкновения: не имеют шансов встретиться с Землей.

Астероиды (10 баллов) — последствия от столкновения: число населяющих нашу планету видов должно сократиться на порядки. Встреча Земли с одним из этих астероидов может иметь такие последствия: - астероиды диаметром D<0.5 км производят местными разрушения поверхности Земли, - астероиды диаметры которых 0.5<D<2.0 км производят значительные разрушения регионального характера, - астероиды диаметром D>2 км могут произвести глобальную катастрофу с невосполнимыми последствиями. Судя по геологическим данным (разведано несколько сотен ударных кратеров), столкновения с крупными небесными телами в истории нашей планеты случалось неоднократно. Падением одного крупного метеорита некоторые ученые объясняют массовое исчезновение живых организмов (около 250 миллионов лет назад). Другой метеорит, привёл к вымиранию динозавров.

В солнечной системе перемещается огромное количество астероидов. Основная их масса (более 98 %) сосредоточена в главном поясе астероидов (проходит между орбитами Марса и Юпитера), занептунном поясе Койпера и облаке Оорта (его существование пока подтверждают только косвенные данные). Периодически некоторые объекты этих областей в результате столкновений с соседями и/или под воздействием гравитации более крупных объектов покидают привычные орбиты и могут направляться, например, к Земле. Существует также немало астероидов (образующих так называемую группу Аполлона), орбита которых пересекается с земной, и это создаёт потенциальную опасность столкновения. Нельзя исключить опасность и со стороны астероидов, чьи орбиты находятся внутри (группа Атона) или вне земной орбиты (группа Амура), но близки к последней.

По некоторым оценкам число неоткрытых астероидов сближающихся с Землей может достигать около 300 тысяч. Основное население Главного пояса ярких (крупных) астероидов хорошо изучено благодаря тому, что наземные оптические средства дают возможность регистрировать АСЗ с диаметром более 1 км, что позволяет их обнаружить на расстояниях менее 1 астрономической единицы (а.е.) как обьекты 20-й звездной величины.

Астероид 2009VA – диаметром около 7-метров, прошел на расстоянии около 14000 километров от Земли в ноябре 2009 года. Астероид 2010AL₃₀ —около 15 метров, прошел на расстоянии 130 тыс. км от Земли в январе 2010г. Интересен тем, что период его обращения по орбите почти равен одному году. Есть предположение, что этот объект является обломком искусственного спутника. Ближе всего к Земле находился небольшой астероид 2004FU₁₆₂ (диаметр около 6 метров) — прошел на расстоянии около 6500 км от Земли (март 2004 года).

Одним из наиболее опасных и известных АСЗ группы Атона является Апофис (открыт 19 июня 2004г, яркостью 19.7 звёзд.величин, первичные размеры~270м, масса 2.6×1010 кг), тесное сближение которого с Землёй ожидается в апреле 2029 году. В 2004 году Служба по контролю за околоземными объектами при NASA объявила о присвоении астероиду Апофис двух баллов (объект сблизится с Землей, но столкновение маловероятно) по Туринской шкале. Позже Апофису добавили ещё два балла (вероятность столкновения превышает один процент; в результате возможны локальные разрушения). Астероид 99942 Апофис будет пролетать на расстоянии порядка 30-34тыс. км. от Земли. Апофис - астероид с периодом обращения в 7 лет. Проблема в том, что если в 2029 году он попадет в так называемую "замочную скважину", гравитационную ловушку, которая по расчетам ученых сможет, так изменит траекторию движения Апофиса, что спустя 7 лет он попадет прямиком в нашу планету. С его скростью ~ 45000 км/ч и массой в примерно 50 миллионов тонн это равносильно взрыву многих тысяч атомных бомб, что приведет к глобальной катастрофе. Вероятность попадания, по разным источникам варьируется от 1:450 до 1:45000. Степень точности прогнозов невелика, слишком велики погрешности в расчетах; некоторые уточнения можно будет сделать лишь в 2013 году, и уже тогда будет обсуждаться вопрос о том, какие меры следует предпринять. Даже при самом неблагоприятном развитии событий, у землян останется достаточно времени для того, чтобы попытаться изменить траекторию этого опасного астероида: расчетная мощность взрыва при падении Апофиса составляет 506 Мегатонн (для сравнения Тунгусский метеорит оценивается в 3—10 Мт) и зависит от состава астероида, а также места и угла удара. В любом случае взрыв причинит огромные разрушения на тысячах квадратных километров, но не создаст долгосрочных глобальных эффектов, подобных «астероидной зиме». Согласно проведённому моделированию последствия падения Апофиса на Землю будут следующими (исходя из диаметра 390 метров (максимально возможный), плотности 3000 кг/м3, скорости входа в атмосферу 12,6 км/с): энергия столкновения с Землёй - 1717 мегатонн, высота разрушения - 49,5 км, диаметр окончательного кратера – около, 6 км

NASA планирует в 2014 году направить к астероиду КА, который проведет ряд экспериментов для уточнения параметров АСЗ. Один из самых экзотичных вариантов обезвреживания Апофиса предполагает, что Апофис следует завернуть в плёнку с высокой отражающей способностью. «Давление» Солнечного излучения на плёнку может изменить орбиту астероида.

Обеспечение эффективного контроля околоземного космического пространства является актуальной общепланетарной проблемой по ряду причин, из которых можно выделить следующие:

- увеличение объектов техногенного происхождения в околоземном пространстве и как следствие возрастание объема космического мусора;

- повышение уровня кометно-астероидной опасности по мере накопления материала о космических объектах естественного происхождения (астероиды, метеороиды, кометы и др.);

Одним из методов исключения или ослабления этой опасности (угрозы) является выявление АСЗ оптическими способами, определение параметров их перемещения со скоростями, которые находятся в интервале от 0°/мин (для обьектов, перемещающихся на далеких расстояниях от Земли) до примерно 0.°25/мин (для обьектов на сравнительно близких расстояниях). Также необходима отработка системы базисных триангуляционных наблюдений обьектов вблизи Земли; разработка системы комплексного изучения характеристик малых тел Солнечной системы вблизи Земли: их орбитальных и физических характеристик. По итогам наблюдений и комплексних исследований должен быть создан максимально полный каталог положений малых тел Солнечной системы и сближающихся с Землей потенциально опасных астероидов АСЗ, включающий также достоверную информацию о расстоянии до обьекта, пролетном расстоянии, альбедо, спектральном анализе, размере, орбитальных и физических характеристиках.

Астероидная опасность стоит в ряду важнейших глобальных проблем, которые неизбежно придется решать человечеству. Суть ее состоит в следующем. По оценкам специалистов существует около 2 тыс. АСЗ диаметром более 1 км и около 300 тыс. АСЗ диаметром более 100 м. Столкновение любого из них с Землей может привести к глобальной или, в лучшем случае, к региональной катастрофе с непредсказуемыми изменениями в экологии, гибели значительной части населения Земли и другим последствиям для земной цивилизации. Астрономы умеют моделировать, т. е. рассчитывать эволюцию орбиты любого из известных АСЗ на десятки и сотни лет вперед, чтобы вовремя предсказать возможное столкновение его с Землей. Однако проблема состоит в том, что к настоящему времени обнаружено и каталогизировано не более 10% АСЗ крупнее 1 км и менее 1% астероидов меньших размеров. Орбиты остальных АСЗ (т. е. подавляющего большинства объектов этой популяции) пока неизвестны и поэтому нет оснований быть уверенными в том, что столкновение с достаточно крупным, т. е., опасным АСЗ не может произойти в ближайшее время. Такие столкновения с глобальными последствиями происходили в прошлом

(КА в режиме пролета и посадки (встречи) – более 100 к телам СС, искл.Плутон)

NEAR – к Matilde и Eros (запуск в 1996г, в 2001 мягкая посадка);

CONTOUR – запуск в 2002 (в 2003 г. пролет кометы Encke);

STARDUST –запущен в 1999г, забор вещества кометы Вильда в 2004г и доставка его на Землю в 2006 году;

DEEP-IMPACT – запускв 2004 (в июле 2005 – «встреча» с кометой Tempel-1);

ROSETTA – ккомете Чурюмова/Герасименко (запуск в 2004, в 2011 мягкая посадка на комете Wirtanen, в 2014 встреча с кометой Ч/Г – 211 дней);

DAWN – к Церере и Весте (2007-2014), проект DAWN - запуск в 2007 году на орбиту малых планет Веста и Церера (2007-2015) с целью изучения происхождения и эволюции солнечной системы на ранних этапах.

Космический аппарат «NEAR-Shoemaker» (Near Earth Asteroid Rendezvous - Shoemaker) является одним из наиболее успешно осуществленных в США проектов космических миссий к астероидам. КА NEAR было присвоено имя Shoemaker в честь крупного американского ученого Юджина Шумейкера (1928–1997), который был не только одним из инициаторов данного проекта, но и внес большой вклад в понимание и разработку проблемы астероидной опасности. Он провел детальное изучение знаменитого Аризонского кратера (диаметр - 1200 м, глубина – 175 м, возраст - 49 тыс. лет) и доказал его ударное происхождение.

Основная цель проекта - всесторонние исследования одного из крупнейших астероидов, сближающихся с Землей, 433 Эроса. Он был открыт в 1898 году как первый из астероидов, орбита которого находится не в главном поясе астероидов, а заходит внутрь орбиты Марса и сближается с земной. Во время сближений он доступен для наземных наблюдений, из которых было известно, что астероид Эрос имеет средний размер около 20 км и очень вытянутую форму, что он относится к так называемым силикатным астероидам, вещество которых подобно лунному веществу. Это первый из астероидов, у которого были обнаружены периодические колебания блеска, связанные с вращением вокруг своей оси. Один оборот вокруг собственной оси Эрос делает всего за 5 час 16 мин, а полный оборот по орбите вокруг Солнца – за 1,76 года. Относительно большие размеры Эроса по сравнению с другими АСЗ и периодические сближения с Землей сделали его удобным для высокоточных позиционных наблюдений с целью уточнения так называемой астрономической единицы – меры расстояний в Солнечной системе, равной среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а. е.=149,6 млн. км).

Первая встреча с Эросом состоялась в декабре 1998 года. Тогда КА прошел на расстоянии 4100 км от астероида и получил около тысячи его изображений с разрешающей способностью порядка 500 метров. Это были первые изображения астероида, сближающегося с Землей, которые, в частности, показали, что Эрос имеет очень вытянутую форму и кратерированную поверхность (рис. 2). Однако основные исследования Эроса были запланированы на второе сближение аппарата с астероидом в начале 2000 года, при этом КА должен был выйти на околоастероидную орбиту и стать искусственным спутником Эроса.

Рис. 5.11 433 Эрос с расстояния около 4000 км

В результате серии маневров КА «NEAR-Shoemaker» 14 февраля 2000 года сначала был переведен на почти круговую и довольно высокую орбиту вокруг Эроса, а затем постепенно снижен на орбиту высотой 35-50 км от поверхности астероида. На этой орбите аппарат должен был находиться около года, чтобы в течение этого времени выполнить всю запланированную программу исследований. Можно представить себе, насколько сложной и тонкой была работа по выполнению маневров и снижению аппарата на заданную орбиту, если учесть очень вытянутую и неправильную форму астероида, его относительно малый размер и большую удаленность от Земли. Во время всех этих маневров Эрос и КА находились от Земли на расстоянии около 225 млн. километров, что в 1,5 раза дальше, чем расстояние от Земли до Солнца. Время распространения сигнала (команды) до аппарата и назад составляло почти 25 минут. Работа по управлению аппаратом в этот период и на всех других этапах миссии действительно стало историческим достижением американской и мировой космонавтики.

12 февраля 2001 г. по команде с Земли был запущен двигатель аппарата и выполнен критический маневр, который перевел КА с круговой орбиты на траекторию контролируемого спуска на поверхность Эроса. КА совершил посадку на поверхность астероида со скоростью 1,9 метров в секунду. Эрос находился на расстоянии 316 млн. километров от Земли, и подтверждения выполнения посылаемых с Земли команд приходилось ожидать почти 35 минут. Два бортовых прибора были включены для работы непосредственно на поверхности астероида и передачи на Землю ценнейшей информации. Один из них - это магнитометр, измерял степень намагниченности пород на поверхности Эроса, чтобы потом сравнить с намагниченностью метеоритов (имеющихся в земных лабораториях), которые считаются осколками астероидов. А второй – гамма-спектрометр, измерял элементный состав пород, т. е. содержание различных химических элементов в породах. Гамма-спектрометр работал на поверхности Эроса семь дней и получил весьма ценную информацию. Это первый гамма-эксперимент на поверхности астероида, и его результаты крайне важны с точки зрения определения состава вещества, поисков воды, отбора образцов с поверхности, картирования вещества поверхности для возможной добычи полезных ископаемых в будущем, изучения связей между метеоритами и астероидами и т.п.

В целом, после пяти лет напряженной работы в космосе, аппарат заслуженно «отдыхает» на поверхности Эроса. В месте посадки при полярной ночи температура поверхности снижается, примерно, до -150°С.

КА «Розетта» запущен ЕКА 2 марта 2004 года. Цель полёта — исследование кометы 67P/Чурюмова — Герасименко. Аппарат состоит из двух частей: собственно зонда «Розетта» (англ. Rosetta space probe) и спускаемого аппарата. Название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня — легендарного артефакта, с помощью которого учёные смогли расшифровать древнеегипетские иероглифы.

С помощью космического аппарата «Розетта» планируется узнать как выглядела солнечная система до того, как сформировались планеты. «Розетта» должна приблизиться к комете и запустить к ней спускаемый аппарат, который подойдёт к комете с относительной скоростью 1 м/с и при контакте с поверхностью выпустит два гарпуна, так как слабая гравитация кометы не способна удержать аппарат, и он может просто отскочить. После высадки аппарата на комкту, начнётся определение параметров ядра кометы; исследование химического состава; изучение изменения активности кометы со временем.

Планируемый ход миссии: Пролёт мимо Марса (февраль 2007); Встреча с астероидом Штейнс (5 сентября 2008); Встреча с астероидом Лютеция (10 июля 2010); Приближение к комете Чурюмова — Герасименко (январь — март 2014); Картографирование кометы (август 2014); Высадка спускаемого аппарата (ноябрь 2014); Полёт с кометой вокруг Солнца (ноябрь 2014 — декабрь 2015)