Текст книги "Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты"

Расчеты также показали, что многие осколки от этого столкновения вылетели за пределы пояса астероидов, а некоторые оказались в окрестностях Земли. Исследователи пришли к выводу, что из-за этого примерно в течение 100 миллионов лет после такого столкновения на нашей планете должно было наблюдаться усиление бомбардировки. Но изучение лунных и земных кратеров уже показало, что так и есть: в это время количество ударов увеличилось в 2–4 раза. В этот период произошел и удар, образовавший Чикшулуб. Хотя это не доказывает, что ударившее тело принадлежит к семейству Баптистины, существует еще одно подтверждение выдвинутой идеи.

Спектральный анализ астероидов семейства Баптистины показывает, что они состоят из необычного типа внеземного материала, в котором много углерода; метеориты такого состава в земных коллекциях встречаются относительно редко. Однако выпавший слой на мел-палеогеновой границе содержит уникальный химический маркер, характерный для этого богатого углеродом семейства. Таким образом, подходит и время, и состав. Кажется весьма вероятным, что астероидный «ливень», порожденный разрушением Баптистины, был источником тела, упавшего у берегов Мексики; астрономы, которые выполнили эту работу, оценивают эту вероятность не менее, чем в 90 процентов[24]24
  К сожалению, все не так однозначно. Уже в следующем 2008 году оказалось, что состав Баптистины не схож с породами на мел-палеогеновой границе, а в 2011 году данные инфракрасного космического телескопа WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) резко изменили предполагаемую дату столкновения в поясе астероидов, породившего семейство Баптистины. Теперь оценка этого времени – 80 миллионов лет назад. В этом случае семейство Баптистины приходится вычеркнуть из списка потенциальных виновников гибели динозавров: за полтора десятка миллионов лет (Чикшулуб образовался 66 миллионов лет назад) астероид не мог добраться до нашей планеты. – Прим. пер.


[Закрыть]. Они также пришли к выводу, что из семейства Баптистины исходят около 20 процентов крупных астероидов, которые в настоящее время находятся поблизости от Земли.

Эта история не только определяет происхождение предполагаемого убийцы динозавров, но и ставит важный вопрос: насколько вероятно, что другие астероиды полетят в сторону нашей планеты и столкнутся с ней с такими же катастрофическими последствиями? Чтобы верно оценить степень такой угрозы, нужно определить частоту столкновений для объектов разных размеров. Для этого астрономы следят за объектами, проходящими поблизости от Земли (обычно их называют околоземными объектами), а также используют данные о кратерах Земли и Луны. К счастью, эти данные четко показывают, что вероятность удара такой мощи практически равна нулю, и всем нам можно вздохнуть с облегчением. Однако такие анализы обычно предполагают приблизительно постоянную частоту бомбардировки, а если на Землю обрушится астероидный «ливень», при котором камней будет больше, – ситуация изменится. Является ли дождь Баптистины уникальным, или в прошлом были и другие промежутки времени, когда частота ударов была существенно выше долгосрочного среднего значения?

Данные геологической летописи показывают, что были времена, когда Земля подвергалась усиленной метеоритной бомбардировке. Особенно выделяется один интервал, который примерно датируется временем 470 миллионов назад, что соответствует ордовикскому периоду. В каком-то смысле это открытие еще более удивительно, чем изучение астероидов семейства Баптистины. Эта история началась в середине 1990-х, когда Биргер Шмитц из Гетеборгского университета с коллегами обнаружили в одном шведском известняковом карьере многочисленные ископаемые метеориты. Это практически неслыханно: начнем с того, что метеориты – редкая вещь, и большинство людей видело их только в музее. Шансы найти в древнем известняке хотя бы один метеорит малы, а ученые первоначально нашли примерно 7,5 килограмма таких космических камней. Все они оказались невелики (размером примерно несколько сантиметров) и сильно изъедены, однако было ясно, что это метеориты. Поскольку метеориты встречаются только в ограниченном интервале слоев известняка, Шмитц с коллегами пришли к выводу, что они должны были упасть менее, чем за два миллиона лет. Ученые назвали этот карьер местом «с одной из самых больших плотностей метеоритов в мире».

С момента первоначальной находки в шведских карьерах было обнаружено еще множество ископаемых метеоритов, при этом всем породам примерно 470 миллионов лет. Большинство их принадлежит к L-хондритам (буква L означает низкое содержание железа). Важная характеристика L-хондритов – наличие серьезных ударных воздействий, которые, как полагают, вызваны сильным столкновением, разрушившим родительский астероид. Исследования L-хондритов показывают, что это столкновение также произошло близко к 470 миллионам лет назад. Такое совпадение по времени и увеличение количества метеоритов, о котором свидетельствуют находки в шведских карьерах, заставляют предположить, что после столкновения был небольшой промежуток времени, когда Землю поливал дождь L-хондритов[25]25
  Впоследствии Шмитц выдвинул гипотезу, что большое количество космической пыли, попавшей в атмосферу при прохождении через осколки погибшего астероида, вызвало короткий ледниковый период в середине ордовикского периода, который, в свою очередь привел к увеличению биологического разнообразия на планете (так называемый «великий всплеск биоразнообразия в ордовике»). – Прим. пер.


[Закрыть].

Но есть ли какие-нибудь другие подтверждения? Ответ однозначный: да. Проследив орбиты в прошлое с помощью компьютерного моделирования, как и для семейства Баптистины, исследователи обнаружили, что так называемое семейство Гефьён, вероятно, образовалось в результате распада одного объекта примерно 500 миллионов лет назад. Спектральный анализ показывает, что астероиды этого семейства сходны по составу с L-хондритами, а компьютерное моделирование говорит, что вскоре после столкновения, создавшего семейство Гефьён, Землю должно было засыпать метеоритами, падавшими в 10–100 раз чаще обычного, и некоторые из падающих тел оказывались достаточно велики, чтобы создавать кратеры диаметром в километр и больше. Несмотря на плохую сохранность кратеров этого возраста, нашлось более десятка таких (все больше полутора километров в диаметре), которые датируются интервалом 450–500 миллионов лет назад. Для промежутка времени в 50 миллионов лет это значительное количество, и такой факт подтверждает вывод, что в то время Земля испытывала повышенную плотность бомбардировок.

На рисунке 7 показано общее мнение о рисках опасности ударов, основанное на изучении кратеров и околоземных объектов. Данные показывают, что удар такой силы, который связан с мел-палеогеновой границей, происходит в среднем раз в 150 миллионов лет или около того. Однако более мелкие тела падают чаще. Тела размером с Тунгусский объект сталкиваются с нашей планетой примерно раз в тысячу лет, а астероиды размером с многоэтажный дом (несущиеся на сверхзвуковой скорости) – примерно раз в столетие. Подобно Тунгусскому метеороиду, такие объекты, видимо, взорвутся раньше, чем соприкоснутся с поверхностью, однако это все равно нанесет серьезный ущерб населенным регионам. Стоит помнить, что такие прогнозы основаны на средних значениях, и, хотя вероятность мала, вполне возможно, что новый Тунгусский феномен произойдет завтра или на следующей неделе, а не через тысячу лет. Статистика может вводить в заблуждение, особенно в случае редких событий.

Рисунок 7. Частота столкновений с Землей в зависимости от размеров астероида на основании наблюдений околоземных объектов и земных кратеров (по данным Chapman 2004). Обратите, что на обеих осях используется логарифмическая шкала.

Хотя количественное определение рисков и составление прогнозов – дело важное, в каком-то смысле главное – определить конкретные опасности. Эта логика побудила Конгресс США в 1998 году поручить НАСА составить каталог потенциальных угроз, исходящих из космоса, а позднее, в 2005 году, дать агентству конкретное задание: обнаруживать к 2020 году 90 % всех околоземных объектов размером 140 метров или больше. Свои программы по оцениванию опасностей и изучению методов их ослабления составили также правительство Великобритании и Организация Объединенных Наций. К середине 2010-х годов в список внесли свыше 7000 околоземных объектов (за последнее время ежегодно в список добавляется от 400 до 500 новых тел). Около 800 этих астероидов имеют диаметр больше километра и потенциально могут уничтожить нашу цивилизацию. Однако по современным прогнозам ни один из них не столкнется с Землей. В данный момент в таблице риска столкновений, составленной НАСА, всего лишь один астероид размером в 110 метров находится в категории «нуждается в тщательном наблюдении»; это значит, что он может подойти близко к Земле в течение следующих ста лет (такой временной масштаб используется при изучении потенциальных угроз от околоземных объектов)[26]26
  Все такие данные быстро устаревают: их обновляют при уточнении параметров орбиты астероида. Сейчас астероидом с наибольшей кумулятивной вероятностью столкновения с Землей в таблице рисков системы наблюдения Sentry является 2010 RF₁₂, у которого эта вероятность равна 4,7 %, а дата максимального риска столкновения – 5 сентября 2095 года. Оцениваемый диаметр астероида – 7 метров. – Прим. пер.


[Закрыть].

Статистические данные по околоземным объектам выглядят обнадеживающе, однако это не повод успокаиваться. Каждый раз телескопы могут наблюдать только небольшие кусочки неба, и многие астероиды – особенно маленькие, но все же потенциально опасные – остаются незамеченными (я упомянул только астероиды, но опасность представляют и кометы; впрочем, на 7 тысяч с лишним околоземных объектов приходятся всего 84 кометы).

При обнаружении нового околоземного объекта установлены четкие процедуры определения его потенциальной опасности. Любой, кто заметит такой объект, может сообщить о своих открытиях в Центр малых планет (ЦМП) в Смитсоновской астрофизической обсерватории в Кембридже (штат Массачусетс). Центр, работающий под эгидой Международного астрономического союза, проверяет и регулярно публикует информацию об идентифицированных околоземных объектах. Две отдельные группы берут данные Центра, вычисляют с помощью компьютерных программ орбиты всех околоземных объектов на следующее столетие и оценивают вероятность столкновения. Сайты этих групп регулярно обновляются, и, если у вас есть паранойя по поводу удара астероида, вы можете заглядывать туда, чтобы узнать последние данные – это Программа околоземных объектов в Лаборатории реактивного движения в Пасадене (штат Калифорния) и Сайт динамики околоземных объектов [NEODyS], которым управляют совместно университеты Пизы (Италия) и Вальядолида (Испания).

Эффективность этих программ показали события октября 2007 года, когда один астроном, работавший рядом с Тусоном (штат Аризона), обнаружил очень маленький объект (размером в несколько метров) и сообщил о нем в Центр малых планет. Первоначальные расчеты показали, что объект столкнется с Землей, и ЦМП немедленно уведомил НАСА и астрономическое сообщество. В течение часа Программа околоземных объектов спрогнозировала, что астероид войдет в атмосферу Земли над Суданом утром следующего дня – всего через двадцать часов после обнаружения. НАСА уведомило различные государственные организации США и выпустило пресс-релиз. Прогноз оказался верным. Метеорит вошел в атмосферу планеты в предсказанное время и взорвался примерно в 40 километрах над поверхностью. Взрыв зафиксировали спутники; его также заметил пилот коммерческой авиакомпании, которого предупредили о приближающемся теле.

Суданский метеорит – не какое-то редкое событие: ежегодно с Землей сталкиваются несколько объектов такого размера. Беспрецедентным было то, что его заметили до удара. Как только о нем стало известно, астрономы всего мира бросились к телескопам и стали вести наблюдения. Их данные потекли в ЦМП и использовались при уточнении траектории астероида в реальном времени. Точная информация о месте событий позволила калифорнийскому астроному Питеру Дженнискенсу вылететь в Судан после удара и быстро найти в пустыне уцелевшие части космического тела. Используя данные слежения от ЦМП, он и группа студентов из университета Хартума прочесали область, где по расчетам должен был упасть метеорит, и нашли массу фрагментов. Это был первый случай, когда на Земле собрали образцы метеорита, обнаруженного еще в космосе. Последующие экспедиции в тот же район довели общее количество найденных обломков до нескольких сотен.

Улучшение отслеживания околоземных объектов означает, что они попадают в заголовки прессы. В марте 2004 года астрономы объявили (а СМИ должным образом рассказали), что скоро произойдет рекордно близкий пролет: через несколько дней астероид размером в 30 метров пройдет мимо Земли на расстоянии всего 42 тысячи километров. Расстояние кажется большим, но в космических масштабах оно ничтожно – лишь чуть-чуть больше, чем окружность нашей планеты и гораздо меньше, чем расстояние до Луны. В реальности близкие пролеты астероидов такого размера происходят регулярно – минимум раз в несколько лет. 2 марта 2009 года другое тело такого же размера прошло мимо нас на примерно вдвое большем расстоянии, чем астероид 2004 года. Такие «маленькие» объекты обычно обнаруживают только при приближении к Земле (если вообще обнаруживают).

Однако позже в 2004 году появились сообщения о гораздо более серьезной угрозе. На основании наблюдений астрономы оценили, что с вероятностью почти 3 % в 2029 году с Землей столкнется довольно крупный астероид, размер которого составляет от 200 до 340 метров – то есть гораздо больше, чем у Тунгусского метеороида. Астероид 99942, получивший название Апофис, попал во все заголовки СМИ. Однако внимание прессы быстро сошло на нет, когда дополнительный анализ показал, что вероятность столкновения оказалась намного ниже, чем давали первоначальные расчеты.

Эта история показывает, как трудно предсказать столкновения с Землей. Хотя мы склонны считать ее очень большой, на самом деле это крошечная мишень в «космическом тире». Обычно крупные околоземные объекты обнаруживают на больших расстояниях (десятки миллионов километров), и их движение фиксируется в течение короткого промежутка времени. Поэтому траекторию движения тела приходится рассчитывать на основании очень небольшого фрагмента орбиты, и даже незначительные погрешности в измерениях – параметров орбиты, массы астероида, параметров его вращения, гравитационного притяжения планет и других астероидов поблизости, а также прочих факторов – могут существенно изменить вычисленное положение астероида через 10, 20 или 100 лет. Кроме того, на орбиту астероида может влиять солнечное излучение, что очень трудно спрогнозировать.

Первые наблюдения в телескоп показали, что Апофис со значительной вероятностью столкнется с Землей в несчастливую пятницу, тринадцатого (13 апреля 2029 года). Однако при прохождении Апофиса в 2014 году элементы орбиты уточнили с помощью радарных наблюдений, и погрешность значительно уменьшилась. Теперь можно уверенно сказать, что астероид не столкнется с нашей планетой. Однако он пройдет весьма близко: минимальное расстояние до астероида будет около 30 тысяч километров, так что если вы случайно окажетесь в нужном месте 13 апреля 2029 года, то сможете увидеть его даже без телескопа.

Поскольку наши возможности обнаруживать околоземные объекты превосходят способности точно вычислять параметры орбиты, то ложных тревог такого рода будет все больше. Но что если новые наблюдения подтвердят пересечение курса Апофиса и орбиты Земли? Можно ли тут что-нибудь сделать? После того, как такую опасность всерьез осознали, проблемой занялась небольшая группа ученых и инженеров. Насколько известно, первое исследование этого вопроса проводили студенты Массачусетского технологического института (МТИ) в 1967 году. Перед ними поставили задачу: не допустить столкновения реального астероида Икар (диаметром примерно один километр) и Земли, если бы им угрожало столкновение (на самом деле это не так, хотя Икар регулярно сближается с Солнцем – отсюда и его название). Студенты предложили для проекта «Икар» решение с помощью грубой силы: отправить к астероиду шесть ракет с ядерными зарядами и взорвать его.

Хотя ядерное оружие по-прежнему входит в арсенал средств, которые можно использовать для отклонения астероидов с их пути, по мере расширения наших знаний об этих космических телах инженеры стали разрабатывать и более тонкие подходы. Если нам грозит столкновение, фактически есть всего два варианта: уничтожить угрожающее тело или отклонить его. Если времени много, то отклонение – гораздо более удачный вариант. Например, если у нас есть десять лет, то достаточно изменить скорость астероида на пару сантиметров в секунду, чтобы вместо столкновения получился промах. Такое изменение – крохотная часть скорости большинства астероидов относительно Земли, которая доходит до 25–27 километров в секунду.

Большие астероиды труднее и отклонять, и разрушать, однако и здесь отклонение предпочтительнее: траектории фрагментов после взрыва невозможно предсказать хоть с какой-то точностью, и после взрыва крупного астероида Землю могут в конечном итоге осыпать его осколки – меньшие по размеру, но все же опасные. Существуют предложения разделить астероид на достаточно мелкие фрагменты, которые не будут представлять опасности для планеты, даже если они до нее долетят, однако эти схемы (пока) не отличаются реальностью. Они включают гигантские «формочки для печенья», которые будут буквально разделять астероид на мелкие кусочки, или «пожирателей», которые будут преобразовывать объект в пыль.

Однако отклонение астероида посредством изменения его траектории кажется более перспективным решением. Изучались разные варианты, включая взрыв на поверхности тела или в космосе рядом с ним, которые придают объекту кратковременный импульс, меняя орбиту, но не разрушают его. В принципе простое столкновение космического аппарата (или нескольких аппаратов) с астероидом даст тот же результат – хотя это сработает только для небольших объектов. Даже крупный космический корабль не окажет никакого воздействия на астероид размером с тот, что образовал кратер Чикшулуб и привел к вымиранию динозавров – это космический эквивалент мухи, врезавшейся в ветровое стекло автомобиля. По этой причине гораздо привлекательнее выглядит использование какой-нибудь слабой, но долговременной силы. К астероиду можно прикрепить какую-нибудь двигательную установку или покрыть поверхность материалом, который будет поглощать или отражать солнечный свет, используя в качестве движущей силы солнечную энергию. Схема привлекает своей простотой, однако ситуация осложняется тем, что все известные околоземные объекты быстро вращаются. Чтобы толкать астероид в конкретном направлении, закрепленную двигательную установку придется периодически включать и выключать по мере вращения объекта. Влияние покрытия поверхности пришлось бы рассчитывать крайне тщательно – нужно знать, когда различные части поверхности будут оказываться на солнце и в тени.

Когда люди впервые обратились к проблеме предотвращения столкновения с астероидом, предполагалось, что эти тела будут напоминать упавшие на Землю метеориты: сплошные каменные или металлические объекты. Эта идея подкреплялась кажущимся сходством между обычными типами метеоритов и астероидов. Однако недавние наблюдения показывают, что даже при сходном минеральном составе разница может быть существенной: многие астероиды представляют собой не отдельные твердые глыбы, а слабо связанные «груды камней». Многие из них оказались парными объектами. И то, и другое усложняет задачу по отклонению потенциально опасной космической угрозы. Становится ясно, что требуется детально знать физические свойства объекта.

Осознание этого факта привело к повышению важности изучения астероидов во всем мире. В результате мы уже добились потрясающих достижений – двух успешных посадок на околоземные объекты. Первая попытка относится к 1996 году, когда НАСА запустило миссию к астероиду Эрос, который был открыт европейскими астрономами еще в 1898 году и с тех пор активно изучался наземными наблюдателями. Насколько сложны такие проекты, иллюстрирует допустимый размер окна запуска: орбита астероида такова, что существовало всего 12 подходящих дней, и в каждом для успешного запуска годилась всего примерно одна минута. Однако после нескольких проблем, заставивших инженеров понервничать, 12 февраля 2001 года межпланетная станция NEAR Shoemaker[27]27
  Названа в честь упомянутого ранее геолога Юджина Шумейкера. NEAR означает Near Earth Asteroid Rendezvous – “Встреча с околоземным астероидом”. – Прим. пер.


[Закрыть] благополучно произвела посадку на Эросе.

Эрос – небольшой вытянутый объект размером 34 километра в длину, который совершает оборот вокруг своей оси каждые пять часов. Целый год перед посадкой аппарат был искусственным спутником Эроса, проводя измерения и фотографируя его испещренную кратерами и усеянную валунами поверхность (рисунок 8). Эрос относится к плотным каменным астероидам, и посадка космического аппарата на его поверхность прошла идеально. Ученые и инженеры на Земле были в полном восторге: посадка была бонусом, изначально не включенным в план миссии. Посадочный модуль посылал сигналы с поверхности астероида в течение двух недель.

Рисунок 8. Два изображения Эроса. Левая часть составлена из снимков, сделанных космическим аппаратом НАСА NEAR Shoemaker 30 ноября 2000 года, когда он был на орбите вокруг астероида. Показанный размер малой планеты составляет примерно 34 километра. Справа – один из последних снимков аппарата, сделанных 12 февраля 2001 года с высоты 250 метров, когда аппарат спускался на поверхность. Охват примерно 13 метров. (Фото любезно предоставлены НАСА и Лабораторией ракетного движения).

Вторую миссию на астероид отправило Японское агентство аэрокосмических исследований. Космический аппарат «Хаябуса» (по-японски «сокол») имел еще более амбициозную задачу – вернуться на Землю с веществом астероида. Хотя «Хаябуса» по пути столкнулся с различными техническими проблемами, он успешно приземлился (ненадолго) на маленьком вытянутом астероиде Итокава (около полукилометра в длину), причем дважды. Затем он полетел обратно к Земле и 13 июня 2010 года вошел в атмосферу, сбросил теплозащитную капсулу с веществом астероида, которая приземлилась в Австралии, а сам сгорел в атмосфере. На следующий день капсулу нашли и переправили в Японию. Через неделю ученые начали раскрывать контейнер для образцов и в ноябре 2010 года объявили, что с помощью электронного микроскопа нашли примерно 1500 микрозерен в одной из капсул «Хаябусы». Анализ подтвердил, что большинство этих частиц – действительно с поверхности Итокавы. Доставка на Землю вещества с крохотного астероида – одно из самых впечатляющих достижений в истории освоения космоса.

«Хаябуса» отправил на Землю целый поток сведений об Итокаве, в том числе фотографии, показывающие, что это бугристый объект неправильной формы с гигантскими валунами на поверхности. Он обладает низкой плотностью и почти наверняка представляет собой астероид типа «груда камней», то есть является рыхлым агломератом фрагментов. Контраст между двумя единственными околоземными объектами, которые мы посещали[28]28
  Как отмечалось в предисловии, с тех пор аппараты посетили еще два околоземных астероида (Рюгу и Бенну); кроме того, «Филы» (спускаемый аппарат межпланетной станции «Розетта») сел на ядро короткопериодической кометы Чурюмова – Герасименко в 2014 году. – Прим. пер.


[Закрыть], подчеркивает, что необходимо как можно больше знать о том астероиде, который представляет потенциальную опасность столкновения, прежде чем пытаться отклонить или уничтожить его: для тела, похожего на Итокаву, понадобится другой подход, нежели для астероида, сходного с Эросом. Однако все предложенные до сих пор методы как минимум требовали, чтобы космический аппарат добрался до искомой цели, и мы продемонстрировали, что можем это сделать. Хотя вероятность катастрофы в ближайшем будущем невелика, приятно знать, что при заблаговременном предупреждении и надлежащем планировании эту конкретную опасность, вероятно, можно предотвратить.