Угроза космических объектов планете Земля

Многопрофильная инженерная олимпиада
«Будущее России»
(заключительный тур)
Тема работы:
Угроза космических объектов планете Земля
Выполнил:
Ученик 7 «Б» класса
МБУСОШ №70 г. о. Тольятти
Карпачёва Дениса Олеговича
Учитель физики:
Конанчук Наталья Александровна
Тольятти 2015
I.
ВВЕДЕНИЕ.
В последние годы наряду с многочисленными проблемами выживания
человечества очень серьезно заявила о себе проблема кометно - астероидной
опасности. Наблюдения и теоретические оценки небесных тел Солнечной
системы, новые факты о катастрофических столкновениях – все это произвело
существенный сдвиг в восприятии научными кругами 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:
Проанализировать результаты по данной проблеме и исследовать способы
предотвращения этой опасности.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
1)Познакомиться с потенциально опасными космическими объектами.
2)Найти факты, свидетельствующие о разрушительном действии небесных тел
на Землю,
3)Изучить реальную угрозу космических тел нашей планете,
4)Исследовать варианты предотвращения столкновений космических тел с
Землёй.
Потенциально опасный объект.
Потенциально опасный объект (ПОО) — космический объект, астероид,
комета или метеорит, с орбитой, допускающей приближение к Земле на
потенциально опасное расстояние, и имеющий достаточно большие размеры,
чтобы столкновение вызвало ущерб.
Объект считается потенциально опасным, если он пересекает орбиту Земли
на расстоянии менее 0,05 a.e. (примерно 19,5 расстояний от Земли до Луны), и
его диаметр превышает 100—150 метров. Объекты таких размеров достаточно
крупны, чтобы вызвать беспрецедентные разрушения на суше, либо
огромное цунами в случае падения в океан. События таких масштабов
происходят примерно раз в 10 000 лет. На основе информации, полученной с
космического телескопа WISE, ученые оценивают наличие 4700 ± 1500
потенциально опасных объектов с диаметром более 100 метров. К 2012 году от
20 до 30 % этих объектов были обнаружены. Астероиды диаметром более 35
метров также могут представлять значительную угрозу — например, в случае
падения на город.
Астероид - это небесное тело, которое движется по орбите вокруг Солнца,
обычно между Марсом и Юпитером. Астероиды также называют космическим
мусором или фрагментами, оставшимися при формировании Солнечной
системы.
Из-за столкновений некоторые астероиды выбрасывает из главного пояса, и
они оказываются на траектории, которая пересекает орбиту Земли.
Крупные астероиды называются планетодиды, а объекты меньше 30 метров метеороиды.
- тело космического происхождения, упавшее на поверхность
крупного небесного объекта.
- небольшое небесное тело, имеющее туманный вид, обращающееся
вокруг Солнца по коническому сечению с весьма растянутой орбитой.
2 Разрушительное действие небесных тел.
Тунгусский метеорит.
Тунгусский метеорит - гипотетическое тело, которое, предположительно,
послужило причиной воздушного взрыва, произошедшего в районе
реки Подкаменной Тунгуски 17 (30) июня 1908 года в 7 часов 14,5 минут по
местному времени.Мощность взрыва оценивается в 40—50 мегатонн, что
соответствует энергии самой мощной из взорванных водородной бомбы.
Около семи часов утра над территорией бассейна Енисея с юго-востока на
северо-запад пролетел большой огненный шар. Полёт закончился взрывом на
высоте 7—10 км над незаселённым районом тайги. Взрывная волна была
зафиксирована обсерваториями по всему миру, в том числе в Западном
полушарии.
Установлено, что взрыв произошёл в воздухе на некоторой высоте (по
разным оценкам, 5—15 км) и вряд ли был точечным, поэтому можно говорить
лишь о проекции координат особой точки, называемой эпицентром.
Взрыв на Тунгуске был слышен за 800 км от
эпицентра, взрывной волной был повален лес на
площади 2000 км², в радиусе 200 км были выбиты
стёкла некоторых домов;
После взрыва началась магнитная буря,
продолжавшаяся 5 часов;
Необычные атмосферные световые эффекты,
предшествовавшие взрыву, достигли максимума 1
июля, после чего пошли на спад.
Существуют семьдесят семь гипотез о падении
Тунгусского метеорита, которые сотрудник
Комитета по метеоритам АН СССР И. Зоткин
опубликовал в 1970 году в журнале «Природа». При этом он классифицировал
гипотезы по следующим типам: геофизические, метеоритные, техногенные,
связанные с антивеществом, синтетические и религиозные.
Челябинский метеорит.
Падение метеорита Челябинск— столкновение с земной поверхностью
фрагментов небольшого астероида, разрушившегося в результате торможения в
атмосфере Земли 15 февраля 2013 года примерно в 9 часов 20 минут по
местному времени. Суперболид взорвался в окрестностях Челябинска на
высоте 15—25 км.
По расчётам НАСА, астероид диаметром
около 17 метров и массой порядка 10 тыс.
тонн вошёл в атмосферу Земли на скорости
около 18 км/с. Судя по продолжительности
атмосферного полёта, вход в атмосферу
произошёл под очень острым углом. Спустя
примерно 32,5 сек после этого небесное тело разрушилось. Разрушение
представляло собой серию событий, сопровождавшихся распространением
ударных волн. Общее количество высвободившейся энергии по оценкам НАСА
составило около 440 килотонн в тротиловом эквиваленте.
Всего пострадало 1613 человек, большинство от выбитых стёкол. Были
госпитализированы по разным данным от 40 до 112 человек; двое
пострадавших были помещены в реанимационные отделения. Ударная волна
также повредила здания. Материальный ущерб бюджетной сфере и населению
составил 490 миллионов рублей.
По мнению кандидата географических наук Сергея Захарова, полёт
метеорного тела над Челябинской областью сопровождался тремя взрывами
разной мощности (первый взрыв был самым мощным). Взрывы сопровождала
яркая вспышка, которая длилась около пяти секунд и взрывная волна дошедшая
до поверхности Земли с задержкой порядка минуты (именно она вызвала
основные разрушения). Ориентировочная температура взрыва — более 2500
градусов.
Исследовательская часть.
1) Космические тела, реально угрожающие Земле.
Комета Свифта – Таттла.
Комета Свифта-Таттла - короткопериодическая комета с периодом 135 лет.
Была открыта независимо друг от друга астрономами Льюисом Свифтом 16
июля 1862 года и Хорасом Таттлом 19 июля 1862 года.
Комета родилась в облаке Оорта на
краю Солнечной системы, далеко за
орбитой Плутона.Комета является
родоначальницей метеорного потока Персеид.
Комета Свифта-Туттля считается большой
кометой – ее ядро имеет 26 км (16 миль) в
поперечнике. (То есть более чем в два раза больше размера предполагаемого
объекта, падение которого привело к гибели динозавров.) Куски космического
мусора, выбрасываемые из кометы Свифта-Туттля и взаимодействующие с
нашей атмосферы, создают популярный метеорный поток персеиды. Этот
ежегодный метеорный поток происходит каждый август и достигает свой пик в
середине месяца. Джованни Скиапарелли был первым, кто понял, что
источником персеид является эта комета.
При приближении кометы к Солнцу ледовые глыбы, газ, пыль испаряются, в
результате чего иногда образуются впечатляющие хвосты.
Ожидается, что комета Свифта — Таттла пролетит вблизи Земли на
расстоянии 0,15 а. е. (22,900,000 km; 14,200,000 mi) в 2126 году.
Около 15 сентября 4479 ожидается сближение кометы с землей на 0.03–
0.05 а.е. - вероятность столкновения 0.0001%.
Астероид Апофис.
(лат Apophis) — астероид, сближающийся с Землёй, открытый в 2004
году в обсерватории Китт-Пик в Аризоне. Предварительное название
получил 19 июля 2005. После январского прохождения астероида мимо Земли в
2013 году специалисты лаборатории реактивного движения NASA заявили, что
возможность столкновения с Землёй в 2029 году исключена, а в 2036 году —
чрезвычайно маловероятна.
Астероид назван в честь древнеегипетского
бога Апопа — огромного змея, разрушителя,
который живёт в темноте подземного мира и
пытается уничтожить Солнце (Ра) в течение
его ночного перехода. Выбор такого названия
не случаен, так как по традиции малые планеты называют именами греческих,
римских и египетских богов. Открывшие астероид учёные Д. Толен и Р. Такер
предположительно назвали его в честь отрицательного персонажа из сериала
«Звёздные врата SG-1» Апофиса, также взятого из древнеегипетской
мифологии. В результате сближения с Землёй в 2029 г. астероид Апофис
изменит свою орбитальную классификацию.
Новые данные об астероиде Апофисе получены при помощи
космической обсерватории «Гершель». По уточнённым данным, он составляет
325 ± 15 метров. 20-процентный рост диаметра даёт более чем 70-процентный
рост объёма и (при условии гомогенности) массы небесного тела. Апофис
отражает только 23 % падающего на его поверхность света.
Согласно предложениям учёных, для уточнения траектории, состава и массы
астероида необходимо отправить к нему автоматическую межпланетную
станцию (АМС), которая произведёт необходимые исследования и установит на
нём радиомаяк для прецизионного измерения изменений его координат во
времени, что позволит более точно вычислить элементы орбиты,
гравитационные возмущения орбиты со стороны других планет, и, тем самым,
лучше спрогнозировать вероятность столкновения с Землёй.
Астероид UR116.
Астероид UR116 – опасный астероид диаметром 370 метров, обнаруженный
Российской сетью роботов-телескопов «Мастер» на расстоянии в 17.8 млн км
(это 46 расстояний до Луны) 27 октября 2014 года.
Объект UR116 принадлежит к
астероидам из группы Аполлона.
Практически все они наблюдаются в
области между орбитами Венеры и
Юпитера. Аполлоны большую часть
времени находятся за пределами земной
орбиты, но пересекают её в наиболее удалённых от Солнца участках.
По имеющимся данным непосредственной угрозы 2014 UR116 сейчас не
представляет, однако если он упадёт на Землю в будущем, последствия
будут самыми катастрофичными. Если UR116 упадет на Землю, взрыв будет в
тысячу раз сильнее, чем при падении знаменитого Челябинского метеорита,
говорят астрофизики. Падение астероида в крупный водоем вызовет сильные
цунами, которые снесут прибрежные города. Если на пути 2014 UR116 будет
атомная электростанция, катастрофы не избежать.
По данным новосибирских ученых, сроки
столкновения пока неизвестны, но в ближайшие
два года этого не произойдет. К тому же орбиты
астероидов постоянно подвержены влиянию
планет.
Как сообщил руководитель пресс-службы
Сибирской государственной геодезической академии Александр
Минаков:«орбита 2014 UR116 испытывает сильное влияние Земли, Венеры и
Марса, и эти три планеты постоянно её поправляют. Таким образом, сейчас
можно назвать один срок столкновения, а когда астероид пролетит мимо Марса,
траектория его движения может измениться».
2). Способы защиты от астероидов.
Защита от астероидов включает в себя ряд методов, с помощью которых
можно изменить траекторию околоземных объектов и предотвратить вероятное
катастрофическоеимпактное событие. Падение достаточно большого астероида
или другого околоземного объекта вызовет цунами, огненные смерчи размером
с континент, или импактную зиму (в стратосферу поднимется огромное
количество пыли, которое закроет солнце), — или даже несколько
апокалиптических событий одновременно. Шестьдесят пять миллионов лет
назад Земля столкнулась с объектом диаметром около десяти километров, в
результате чего образовался кратер Чиксулуб, и произошло Мел-палеогеновое
вымирания, предположительно ставшее причиной вымирания динозавров.
Отражение угрозы: Чтобы подготовить и осуществить план по
предотвращению столкновения, астероид, в большинстве случаев, должен быть
обнаружен за несколько лет до падения. Предполагается, что для того чтобы
успешно отразить объект, имеющий прямую траекторию столкновения,
потребуется скорость изменения, равная 3,5/t × 10−2ms−1 (где t — количество
лет до потенциального столкновения). Кроме того, при определенных условиях
требуются гораздо меньшие скорости изменения. К примеру,
астероид Апофис пролетит рядом с Землей в 2029 году и вернется на
траекторию столкновения в 2035 или 2036 году. Потенциальное столкновение
можно предотвратить за несколько лет до пролёта: для этого потребуется
скорость изменения 10−6ms−1.
Падение объектов размером в десятки километров может причинить
общемировой ущерб, вплоть до гибели человечества. Столкновение
десятикилометрового астероида с Землей оценивается как событие
уровня массового вымирания: оно с большой вероятностью нанесет
непоправимый вред биосфере. Небольшие объекты диаметром сотни метров, в
зависимости от скорости, наносят значительные разрушения. Меньшая угроза
исходит от комет, залетающих во внутреннюю часть Солнечной системы.
Ядерное взрывное устройство.
Подрыв ядерного устройства над, на или под поверхностью астероида
является потенциальным вариантом отражения угрозы. Оптимальная высота
взрыва зависит от состава и размера объекта. В случае угрозы со стороны груды
обломков, чтобы избежать их рассеивания, предлагается
произвести радиационную имплозию, то есть подрыв над поверхностью. При
взрыве высвободившаяся энергия в виде нейтронов и мягких рентгеновских
излучений (которые не проникают сквозь вещество) превращается в тепло при
достижении поверхности объекта. Тепло превращает вещество объекта в
выброс и он сойдет с траектории, следуя третьему закону Ньютона, выброс
направится в одну сторону, а объект — в противоположную.
Для устранения угрозы не требуется полное уничтожение объекта.
Уменьшение массы объекта, в результате теплового выброса от подрыва
ядерного устройства, и возникший от этого эффект реактивной тяги могут дать
необходимый результат. Если объект представляет собой груду слабо
держащихся обломков, то выходом может стать подрыв ряда ядерных
устройств поблизости астероида, на таком расстоянии, чтобы не разбить его
слабо держащиеся части.
При условии, что радиационная имплозия будет совершена с достаточным
запасом времени, высвободившейся силы от ядерных взрывов будет
достаточно, чтобы изменить траекторию полета объекта и избежать
столкновения. В НАСА пришли к выводу, что к 2020 годам с помощью ядерной
имплозии можно будет отразить околоземные объекты диаметром 100—500
метров, если их обнаружат за два года до падения на Землю, и объекты
больших размеров, если их обнаружат за пять лет до падения.
В анализе способов по отклонению угрозы, проведенном в 2007 году НАСА,
указывалось:
По оценкам, радиационная имплозия (ядерные взрывы) в 10-100 раз более
действенна, чем неядерные альтернативы, проанализированные в этом
исследовании. Другие техники, в которых производится поверхностный или
глубинный ядерный взрыв, могут быть более эффективными, но существует
риск разрушения околоземного объекта на обломки, падение которых может
иметь большие риски.
В 2011 году Бонг Уи, глава исследовательского центра по отражению
астероидной угрозы при университете штата Айова, исследовал стратегии
действий по предотвращению астероидной угрозы при запасе во времени в год
или около того. Он пришел к выводу, что при требуемой энергии ядерный
взрыв, вероятней всего, окажется единственным способом, благодаря которому
можно будет отклонить достаточно большой астероид за такой короткий
промежуток времени. В случае других методик отклонения астероида, таких
как буксиры, гравитационные буксиры, солнечные парусники и
электромагнитные катапульты, потребуется запас в 10-20 лет до падения.
Концептуальная машина Уи, «Устройство гиперскоростного перехвата
астероидов», совмещает в себе кинетический таран и ядерный взрыв. При
таране образуется первоначальный кратер для последующего подземного
ядерного взрыва. Данное решение эффективно
преобразует энергиюядерного взрыва в отклоняющую силу движения
астероида. В ещё одном предложенном плане, похожем на предыдущий, для
образования кратера вместо кинетического тарана используется поверхностный
ядерный взрыв. Образовавшийся кратер затем используется как
ракетное сопло для направления энергии следующего ядерного взрыва.
В книге «Острова в космосе», вышедшей в 1964 году, указывается, что мощь
ядерного взрыва, требуемая для отклонения астероидов в нескольких
гипотетических сценариях развития, достижима. В 1967 году аспиранты
из Массачусетского технологического университета, под руководством
профессора Пола Сандорва, спроектировали систему, использующую ракетыносителии ядерные взрывы, для отражения гипотетического падения на Землю
астероида (1566) Икар шириной 1,4 километра, который каждые несколько лет
приближается к нашей планете на расстояние Луны.
Кинетический таран.
Еще одно решение проблемы – отправка огромного объекта,
вроде космического аппарата или даже другого околоземного объекта, в
качестве тарана.
Когда астероид еще находится далеко от Земли, одним из способов
изменения его импульса может быть таран, осуществленный космическим
аппаратом.
В анализе способов по отклонению угрозы, проведенном в 2007 году НАСА,
указывалось:
Неядерный кинетический таран является самым проработанным методом. Он
может использоваться в случаях против небольших околоземных объектов,
состоящих из твердого вещества.
Европейское космическое агентство уже сейчас ведет предварительное
исследование возможного космического полета, в котором будет испытана эта
технология. Программа, названная «Don Quijote», представляет собой
спроектированную миссию по отражению астероидной угрозы. Команда
европейского агентства, Advanced Concepts Team, теоретически доказала, что
отражение астероида (99942) Апофис может быть произведено путем отправки
простого космического аппарата весом меньше тонны на таран с этим
объектом. Во время исследования радиационной имплозии, один из ведущих
исследователей утверждал, что стратегия кинетического тарана — более
действенная, чем другие стратегии.
Астероидный гравитационный буксир.
Ещё одна альтернатива взрывам — медленное сдвигание астероида на
протяжении определенного времени. Небольшая постоянная тяга накапливается
и в достаточной мере отклоняет объект с предполагаемого курса
следования. Эдвард Цзан Лу и Стэнли Глен Лав предложили использовать
большой тяжелый непилотируемый космический корабль, который должен
парить над астероидом и стягивать его с помощью гравитации на безопасную
орбиту. Корабль и астероид будут взаимно притягивать друг друга. Если
корабль будет, к примеру, уравновешивать силу, действующую на астероид,
посредством двигателей ионовой тяги, суммарное воздействие будет таковым,
что астероид будет двигаться в сторону корабля, и тем самым, сходить с
орбиты. Несмотря на то, что этот метод медлителен, он имеет преимущество:
он работает в независимости от вещественного состава объекта и его угловой
скорости. Астероиды, состоящие из груд обломков, тяжело или невозможно
отразить посредством ядерного взрыва, а установка буксиров на быстро
вращающиеся астероиды окажется сложной и малоэффективной.
В анализе способов по отклонению угрозы, проведенном в 2007 году НАСА,
указывалось:
Буксировочные техники — самые дорогие, имеют самый низкий уровень
технической готовности, а их возможности по отражению угрожающих
объектов будут ограничиваться в случае, если не имеется запас времени на
многие годы.
По словам Рассела Швайкарта, метод гравитационной буксировки
неоднозначен, поскольку изменение траектории астероида его вероятное место
падения на Земле будет медленно сдвигаться на другие территории. Это
означает, что угроза всей планете будет уменьшаться за счет безопасности
каких-то конкретных государств. По его мнению, выбор того, каким образом
должен буксироваться астероид, будет сложным дипломатическим решением.
Заключение.
Программы, которые определяют место нахождения опасных космических
объектов, позволяют с помощью некоторых способов защиты предотвратить
их падение на Землю. Но основная угроза для человечества в разжигании
вражды и применения ядерного вооружения.
Литература.
Астрономия 11 класс, Б.А.Воронцов-Вельяминов, Е.К.Страут, Издательство
Дрофа 2013 г.
Физика комет, Л.С.Марочник, Издательство Дрофа 2007 г.
Метеориты, Б.Ю.Левин, Издательство Просвещение 2006 г.
https://ru.wikipedia.org/wiki/109P/%D1%E2%E8%F4%F2%E0_%97_%D2%F3%
F2%F2%EB%FF
https://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%F0%E8%E7%EE%ED%F1%EA%E8%E9_%
EA%F0%E0%F2%E5%F0
https://ru.wikipedia.org/wiki/Падение_метеорита_Челябинск
https://ru.wikipedia.org/wiki/Защита_от_астероидов
https://ru.wikipedia.org/wiki/2013_TV135
https://ru.wikipedia.org/wiki/(99942)_%C0%EF%EE%F4%E8%F1
http://planeta.moy.su/blog/otkrytyj_uchenymi_opasnyj_asteroid_proletit_vsego_v_
7_tys_km_nad_zemlej/2013-10-25-67049