Можно ли защититься ядерным взрывом от километрового астероида?

Помните голливудский блокбастер под названием «Армагеддон», в котором доблестные американские буровики (!) запросто сбивают ядерным зарядом астероид «размером с Техас» за 4 часа до его подлета к Земле. Трое российских ученых рассчитали, как подобная операция могла бы выглядеть на самом деле в отношении астероида реальных размеров.

Как противно все знать!

«Армагеддон»

Так и хочется начать эту статью следующей фразой: как-то раз заспорили три астрофизика за бутылкой хорошего коньяка, можно ли сшибить километровый астероид ядерным взрывом. Возможно, кто-то из них перед этим посмотрел фильм «Армагеддон», который настолько славен невежеством своих создателей, что в NASA его используют в качестве теста для своих сотрудников, предлагая найти в нем как можно больше ляпов, коих всего там насчитали 168.

Вот один из них: астероид «размером с Техас» должен иметь диаметр порядка 500 км, тем не менее его удалось расколоть на две половинки с помощью ядерного заряда, помещенного в скважину глубиной целых 250 м, что в 2000 раз меньше его поперечного размера. Причем за 4 часа обе эти половинки разлетелись таким образом, что не задели Землю, то есть пролетели как минимум 6500 км (диаметр нашей планеты), а это значит, что им была придана скорость сверхзвукового лайнера – 1600 км/ч. Несложные расчеты показывают, что для этого необходима энергия, эквивалентная взрыву мощностью 100 млрд мегатонн, что приблизительно в 50 000 раз превышает совокупную мощность всех современных ядерных арсеналов на Земле.

С мужеством американцев в фильме «Армагеддон» может сравниться лишь их идиотизм.

Ну а можно ли отразить «атаку» астероида размером, скажем, с Бирюлево? Этим вопросом задались три астрофизика из Калининграда. Их расчет был опубликован в статье «Ядерная защита от километровых астероидов» во вполне солидном журнале «Космические исследования». Но подкупает он каким-то неформальным духом. Так и видишь, как три увлеченных человека горячо спорят за столиком в ресторане и что-то яростно высчитывают на салфетках, словно в советском фильме «про физиков». А наутро получилась статья в солидный журнал.

Расчеты провели три ученых из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта. Из них наиболее известен профессор Михаил Никитин, который помимо 150 научных работ написал научно-популярный опус «Слово в защиту машины времени в жанре сайенс фикшен», где утверждал, что планетарную переработку древесины в залежи угля в Палеозое организовали люди будущего. Его соавторами выступают два молодых ученых: руководитель университетского астрономического сообщества Алексей Байгашов и младший научный сотрудник Александр Тепляков.

Любопытно, что профессор Никитин помимо научных трудов написал книгу «Анекдоты от Мишеля». О чувстве юмора ее автора судить не беремся, а вот остроумие, проявленное при выборе темы для статьи, предлагаем оценить нашим читателям. Тема весьма актуальная. Иммануил Кант был бы доволен.

Для подтверждения этого начнем с того, чего в статье нет. По данным Центра малых планет Международного астрономического союза в Солнечной системе насчитывается более 1,2 млн астероидов. И число обнаруженных объектов постоянно растет. Только за последний месяц в каталог внесено 181 новая малая планета. Пока что среди них не найдено объектов, которые угрожают столкновением с Землей, но кто знает, что еще может вынырнуть из глубин космоса.

Поэтому в России, к примеру, создается система обеспечения безопасности космической деятельности в околоземном космическом пространстве «Млечный путь», которая будет следить не только за космическим мусором, но и за астероидами и кометами, а в Закон о космической деятельности РФ еще в 2015 году было введено положение о том, что Роскосмос отвечает за организацию наблюдений и предупреждения о столкновениях не только с объектами космического мусора, но и с астероидами.

Согласно опубликованным ранее исследованиям, с помощью ядерного устройства мощностью 1 Мт можно разбить на более мелкие фрагменты астероид диаметром 200 м. Что, впрочем, тоже не сказать, что вполне безопасно. Все зависит от того, какой величины получатся обломки. К примеру, Тунгусский метеорит имел диаметр всего 60 м, но зона вызванных им разрушений накрывает всю Москву. А от метеорита диаметром 300 м пострадала бы половина Московской области.

Однако куда большую угрозу несут небесные тела километрового диаметра. Разумеется, вероятность их столкновение с Землей крайне мала, но такие случаи в ее многомиллиардной истории бывали.

За последние 500 млн лет наша планета пережила около пятисот столкновений с крупными внеземными объектами, в среднем по одному в миллион лет. Число достоверно установленных крупных ударных кратеров превысило 200 (в том числе 20 из них – на территории России), и ежегодно выявляется от 2 до 5 новых образований. Размеры метеоритных кратеров различны и колеблются от 10 метров до сотен километров.

К примеру, в 1978 г. при проведении геофизических исследований на дне Мексиканского залива были обнаружены остатки кратера диаметром 180 км и первоначальной глубиной 18-20 км. Кратер образовался в результате падения астероида диаметром около 10 км. Это произошло 66,5 млн лет назад, что совпадает по времени с вымиранием динозавров.

Еще больший размер имеет кратер Вредефорт в ЮАР – 300 км. Но его возраст около 2 млрд лет, и кто от него пострадал, науке неизвестно. Зато кратер Земли Уилкса диаметром 500 км в Антарктиде датируется возрастом в 250 млн лет, что совпадает по времени с пермским вымиранием – крупнейшим вымиранием в истории Земли, которое привело к исчезновению 96 % всех морских видов и 73 % наземных видов позвоночных. В общем, сколь ни редкое это событие, но последствия его таковы, что хочется быть готовым к его предотвращению уже сегодня, когда человечество овладело ядерной энергией и вышло в космос. Но возможно ли это на данном этапе нашего развития?

Этим вопросом и задались трое ученых Балтийского федерального университета: можно ли справиться с помощью ядерного заряда с астероидом радиусом 1 км? Ученые справедливо посчитали, что фрагментация такого объекта проблемы не решит, поскольку предсказать траекторию разлета этих фрагментов после ядерного взрыва невозможно, а встреча Земли с роем обломков диаметром в десятки и сотни метров тоже ничего хорошего не обещает.

Наилучшим выходом была бы коррекция орбиты астероида целиком. В качестве критерия безопасного пролета ученые выбрали расстояние в 50 000 км от Земли. Итак, какой мощности нужно взрывное устройство, чтобы на 50 000 км сдвинуть орбиту условного каменного астероида шарообразной формы радиусом 1 км?

Для модельных расчетов были приняты орбитальные параметры, совпадающие с параметрами астероида Таутатис, который одно время рассматривался как потенциально опасный. Он движется по вытянутой орбите с наименьшим расстоянием от Солнца (перигелием) 140 млн км и наибольшим (афелием) – 620 млн. Для сравнения: Земля кружится по орбите с перигелием 147 млн км и афелием 152 млн км, то есть два этих объекта теоретически могут пересечься. Причем с относительной скоростью 30 км/с.

В расчете принималось следующая модель воздействия на траекторию астероида: ядерное устройство подрывалось на глубине около 10 м, что все равно считается поверхностным взрывом, в результате чего часть вещества выбрасывалось в космос, создавая реактивный импульс, меняющий орбиту астероида. Как пишут авторы статьи, для таких оценок ими была выбрана простейшая модель ядерного взрыва, в которой одновременно происходят процессы испарения и ионизации вещества астероида и разогрева образовавшейся плазмы за счет энергии синтеза ядер. При таком подходе можно грубо оценить массу образовавшейся плазмы и результирующий импульс, переданный ей.

По оценкам авторов исследования, взрыв мощностью 1 Мт придаст астероиду импульс прядка 400 млрд (4 х 1011) кгм/c. Казалось бы, огромная цифра! Однако кинетический импульс астероида равен 10 000 000 млрд (1018) кгм/c. Разница более чем на шесть порядков. Как утверждают авторы, ситуацию не сильно меняют и ядерные устройства мощностью в 1000 Мт. Все равно импульс получается слишком маленьким, чтобы заметно поменять орбиту такого небесного тела.

Но на большом расстоянии даже маленькое отклонение может привести к тому, что астероид в конце концов достаточно отклонится от первоначальной траектории, чтобы избежать столкновения с Землей. Это указывает на необходимость перехвата таких астероидов на значительных расстояниях от Земли. Таким образом, речь идет о подрыве мощных ядерных устройств на расстояниях десятки и сотни миллионов километров от Земли.

Рис. 1. На этом графике показана зависимость отклонения ∆r траектории астероида в момент максимального сближения с Землей (в предположении, что исходная траектория пересекается с орбитой Земли) от мощности ядерного заряда, перехватившего астероид на расстоянии 10 млн км (зеленые линии) и 200 млн км (красные линии) от Земли. Сплошная линия показывает эффект от взрыва, импульс которого совпадает с направлением движения астероида, пунктир – «тормозной» взрыв в противоход астероиду и точечный пунктир – врыв с импульсом, перпендикулярным траектории астероида.

Как видно на рис. 1, для отклонения на 50 000 км траектории астероида при перехвате на расстоянии 10 млн км не хватит и 1000 Мт. Перевод астероида на сравнительно безопасные траектории, проходящие на расстояниях больших 50 000 км от центра Земли, возможен только при использовании ядерных взрывов мощностью больше 200 Мт и подрыва их на расстояниях порядка 200 млн км от места встречи с Землей. Напомним, что среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 150 млн км, а самое мощное термоядерное устройство, в истории человечества – это знаменитая советская царь-бомба АН602, имевшая номинальную мощность 101,5 Мт, но испытанная в 1961 г. в варианте на 58,6 Мт. Она весила 26,5 т. Такую массу даже на околоземную орбиту вывести непросто, не говоря об отправке ее за 200 млн км.

Рис. 2. График показывает связь между мощностью заряда и расстоянием до точки подрыва для отклонения траектории астероида на 10 000 км (зеленые линии) и 50 000 км (красные линии) при разной взаимной ориентации импульса взрыва и направления движения астероида.

Не менее показателен в этом плане график на рис. 2. Стоит отметить одну интересную особенность полученных расчетов: сильную зависимость эффектов коррекции орбиты астероидов от направленности импульса ядерного взрыва по отношению к скорости движения астероида. На расстояниях до 200 млн км более эффективным является подрыв в случае сонаправленности импульсов астероида и ядерного взрыва.

Однако это еще не все проблемы. Поскольку для коррекции орбиты придется применять очень мощные ядерные взрывы, то возникает вопрос о том, не развалится ли такой астероид от подобного толчка. По оценке калининградских ученых, астероид с диаметром 2 км может фрагментироваться уже при поверхностном ядерном взрыве мощностью всего в 100 Мт.

Отсюда делается вывод: перевод километровых астероидов на безопасные траектории с сохранением их целостности при использовании поверхностных ядерных взрывов на расстояниях меньших 100 млн км, скорее всего, невозможен. Необходимые для этого мощности в тысячи мегатонн должны приводить к гарантированной фрагментации астероидов. Это делает задачу коррекции траекторий километровых астероидов с помощью ядерных взрывов труднодостижимой из-за сложностей предсказания траекторий образовавшихся фрагментов.

Кстати говоря, реальный Таутатис имеет радиус 2 км. Масса такого астероида и его кинетический импульс почти на порядок превосходят соответствующие параметры астероида с радиусом 1 км, поэтому мощность зарядов для коррекции его орбиты также увеличится практически в 10 раз. Что уж говорить об астероидах диаметром 10 км, вроде того, что убил динозавров, а тем более об объектах «размером с Техас». Пока наука здесь, к сожалению, бессильна.