Доклад: Чем чреват град из космоса
На двух рисунках представлены распределение давления (тоновая шкала), плотности газа (изолинии с отмеченными значениями — в единицах невозмущенной плотности атмосферы у поверхности планеты) и поле скоростей газов (стрелки). Левый рисунок дает картину в момент времени t = 600 с после начала вторжения для первого случая. Максимальная скорость в показанной области достигает почти 30 км/c, что в шесть раз больше второй космической. Поэтому разлетающийся газ уже не сможет вернуться к планете и покинет ее навсегда. Распределение плотности показывает, что унос массы атмосферы в основном происходит в направлении движения пылевого облака, т.е. облако как бы срывает атмосферу с планеты и выталкивает ее в космос. Масса оставшейся части атмосферы (не первоначальной, а в смеси с парами частиц) по отношению к начальной массе атмосферы Марса составляет по расчету 0.33. На более поздних стадиях процесса наблюдается сложное течение вокруг планеты с отражениями от оси симметрии (значения давления и плотности у поверхности постепенно выравниваются).
Модель столкновения большого облака мелких частиц с Марсом. На левом рисунке показаны распределения давления, плотности, а также поле скоростей газа около Марса через 600 с после вторжения облака (на высоте 400 км) при скорости n0 =40 км/с. В этом случае облако срывает большую часть атмосферы планеты. На правом рисунке — характеристики атмосферы через 3000 с после вторжения облака вдвое меньшего объема, в 10 раз менее плотного и с начальной скоростью 5.3 км/с. Здесь окончательный результат столкновения противоположный — наращивание на 15% массы атмосферы Марса. Расчеты проводились для осесимметричной картины течения; x — координата вдоль вектора начальной скорости облака, r — расстояние от оси симметрии.
Рисунок справа соответствует второму случаю и дает картину течения в момент времени t = 3000 с. Обращаем внимание, что стрелки, изображающие поле скоростей, для обоих рисунков даны в разных масштабах (во втором случае стрелки той же длины соответствуют примерно в шесть раз меньшей скорости, чем в первом). Здесь максимальные скорости в газе (5.3 км/c) лишь немного превосходят вторую космическую скорость, а распределение плотности таково, что уносится незначительная масса газа, поэтому атмосфера не теряет, а наращивает свою массу на 15% за счет паров частиц. Оба рисунка соответствуют примерно одной и той же стадии процесса. Здесь показаны картины течений после воздействия ударной волны на всю поверхность планеты.
Итак, в результате взаимодействия с пылевым облаком масса атмосферы может как существенно уменьшиться, так и возрасти.
В принципе, можно поставить следующую обратную задачу: найти такие параметры налетающего облака частиц, при которых будет уноситься заданная часть массы исходной атмосферы. Иначе говоря, зная нынешние характеристики марсианской атмосферы и предполагая, что в далеком прошлом у поверхности они были, например, как у Земли, можно определить (хотя, конечно, и неоднозначно) параметры облака, встреча с которым вызвала предполагаемую потерю марсианской атмосферы. А затем и оценить, какие процессы и тела могли породить такого “похитителя” атмосферы.
Возникает естественный вопрос: может ли такая катастрофа произойти с Землей?
Очевидно, взаимодействие космического облака частиц с атмосферой Земли имеет принципиально такой же характер, как и для Марса. Различие — только в других значениях параметров: размеров планеты, силы тяжести, второй космической скорости. Земля больше Марса и потерять атмосферу в результате подобного катастрофического процесса ей труднее, но такая возможность не исключена. Наши расчеты позволили установить, от столкновения с каким пылевым облаком это может случиться.
Правда, подробное исследование взаимодействия с атмосферой облаков частиц, которые могут унести в космос значительную часть атмосферы, для Земли не столь актуально, как для необитаемой планеты. Воздействие ударной волны и потоков излучения на земную поверхность будет заведомо губительно для жизни на Земле и при существенно меньшей энергии налетающего облака, когда об уносе значительной части атмосферы можно еще не говорить. Так, если размер облака сравним с диаметром Земли, то уже при небольших скоростях влета (скажем, со второй космической скоростью 11.2 км/с) ударная волна станет опасной даже для самого разреженного града — при наименьшем из рассмотренных значений начальной объемной доли частиц a0 =10–9 . Такой град, будь он локальным, вообще не создал бы для Земли никакой угрозы.
Нужна предельная осторожность!
Как уже упоминалось, существует важный практический аспект проблемы. В последнее время в научной и популярной литературе много говорится об опасности столкновения с Землей достаточно крупного космического тела — астероида или кометы. Обсуждаются различные способы предотвращения такого столкновения, в том числе — путем дробления тела на множество мелких осколков. Однако такой вариант спасения Земли нужно очень тщательной проработать — ведь в этом случае планета столкнется с большим потоком мелких частиц. А космический град, как мы показали, чреват не менее катастрофическими последствиями для жизни на Земле, чем столкновение с одним компактным телом. Тут требуется предельная осторожность, так как катастрофа может из локальной превратиться в глобальную. Работа в данном направлении поможет установить границы такой опасности, но уже ясно: устранять угрозу столкновения космического тела с Землей лучше путем изменения траектории его полета, а не разрушения.
Наши расчеты подтвердили, что в результате столкновения с большим пылевым облаком планета может лишиться своей атмосферы. При некоторых исходных параметрах налетающего облака частиц (в частности, при меньших скоростях) возможна и обратная ситуация, когда атмосфера существенно вырастет в своих объеме и массе. Но при этом, естественно, может радикальным образом измениться ее состав.
Остается надеяться, что с Землей этого никогда не произойдет. В то же время, имеет смысл повнимательнее вглядеться в окружающее нас космическое пространство. Возможно, где-то подобные взаимодействия иногда все же случаются. Мы установили, что они должны сопровождаться еще и мощными, хотя и кратковременными, световыми вспышками, которые можно зарегистрировать современной аппаратурой даже на межзвездных расстояниях. Обнаружение в космосе таких процессов дало бы много новой интересной информации.
И последнее. Сейчас между Россией и США идет дискуссия по вопросу разработки систем противоракетной обороны. Разрушение ядерных ракет в космосе, конечно, не создаст потоков частиц, способных воздействовать на Землю посредством ударной волны или светового излучения, поскольку у образовавшихся обломков и скорость невелика, и суммарная масса мала. Но здесь появляется третий, новый фактор опасности. Именно — распыление радиоактивного вещества в ближайшем космосе. Как поведут себя радиоактивные частицы? Сколько их выпадет на Землю? Как они распределятся по поверхности Земли? Каково и на каких площадях будет радиоактивное заражение? Все это вопросы, которые требуют тщательного анализа. Не исключено, что в результате “успешного” отражения ракетной атаки вся планета накроется радиоактивным облаком. И тогда вместо локального получится даже более опасное глобальное воздействие на планету, как и в случае разрушения подлетающего к Земле астероида.
Литература
1. Millman P.M. // Naturwissenschaften. 1979. V.66. P.134—139.
2. Алимов Р.В., Дмитриев Е.В. Противоастероидная защита Земли // Природа. 1995. №6. С.94—101.
3. Плотников П.В., Шуршалов Л.В. // Астрон. вестн. 1997. Т.31. №1. С.72—81.
4. Шуршалов Л.В., Плотников П.В. // Тр. Мат. ин-та им.В.А.Стеклова. 1998. Т.223. С.255—263.
5. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М., 1978.
6. Pollack J.B., Kasting J.F., Richardson S.M., Poliakoff K. // Icarus. 1987. V.71. №2. P.203—224.
7. Гетман В.С. Внуки Солнца. Астероиды. Кометы. Метеорные тела. М., 1989.