Взаимодействия астероидов с Землей и планетами Солнечной системы

Наибольшую опасность для земного сообщества в планетарном масштабе создают астероиды. Так, по астероиду {комете) Хирон в настоящее время имеется достаточно фактов, свидетельствующих о том, что Хирон на самом деле является гигантской кометой с головкой диаметром около 200 км в поперечнике.

Астероид был открыт в 1977 г. американским астрономом Ч. Ковал и зарегистрирован под № 2060. Он имеет вытянутую эллиптическую орбиту (эксцентриситет е = 0,379), среднюю полуось 13,70 а.е. Период обращения около Солнца 50,7 года. В перигелии Хирон приближается к Солнцу на расстояние 8,51 а.е., а в афелии удаляется от него на 18,90 а.е. Наклон орбиты к эклиптике его небольшой, всего 6,9°.

Год спустя после открытия (в 1978 г.) Хирон вдруг начал проявлять аномальное увеличение блеска — явный признак кометной активности.

Летероиды (или «малые тела») были найдены после расчета орбиты Фаэтона, который начали искать, но нашли первый пояс астероидов между Марсом и Юпитером. Их незаслуженно называют (с 1853 г.) «малыми планетами», хотя они фактически являются космическим мусором. В отличие от планет, которые находятся в постоянном развитии, эти объекты деградируют (разрушаются) и обречены на гибель. Типичное фотоизображение астероида приведено на рис. 1.45.

Рис. 1.45. Типичное фотоизображение астероида Солнечной системы

Каталогизацией и упорядочением названий астероидов с 25 июля 1919 г. занимается Международный астрономический союз (MAC). Каждый объект при открытии заносится в каталог, получает условный код (предварительное обозначение), содержащий номер года, в который он был открыт. С этого момента объект пристально изучается. Данные результаты пересылаются в США в Международный планетный центр (МПЦ). После определения орбиты объекта ему присваивается постоянный порядковый номер в специальном каталоге и он публикуется в ежемесячных «Циркулярах МПЦ». Астероиды, которым присвоен номер, затем получают и имя, которое предлагает первооткрыватель. Также имя регистрируется МПЦ и публикуется в «Циркулярах МПЦ». Называться астероид может именем известного человека (ученого, артиста и т.д.), но не современного политика или военного начальника (это возможно только через 100 лет после его смерти). Согласно закону имя астероида не может изменяться.

За 200 последних лет открыто (найдено) около 100 тыс. астероидов. В табл. 1.13 приведены типы астероидов (Ален, 1977; Боярчук, 1999 и др.).

Таблица 1.13

Типы астероидов

По составу астероиды бывают железные, каменные и ледяные. Отражательная способность астероида равна примерно 15%. По своим физическим и оптическим характеристикам астероиды делятся на семь основных групп.

Самые распространенные типы астероидов — С, S и М. В главном поясе астероидов (между Марсом и Юпитером) соотношение этих типов составляет 7:5:1. А для сближающихся с Землей астероидов их пропорция составляет 3:7:1. С Землей сближаются и астероиды типа Q.

Размеры и форма астероидов, известных на сегодня, колеблются от нескольких метров до тысячи километров (см. рис. 1.45). Все астероиды имеют неправильную форму и не имеют ни атмосферы, ни магнитосферы, ни свечения. Некоторые астероиды имеют около себя «спутники» в виде нескольких малых астероидов. Предполагают, что их возраст около 100 млн лет, но, скорее всего, он гораздо больше.

Скорость движения астероидов при входе в атмосферу Земли составляет до 30 км/с (всегда превышает 11,2 км/с — вторую космическую скорость для Земли), а конечная скорость столкновения с Землей в среднем равняется 20 км/с, суммарная скорость может доходить до 70 км/с (так как наша Земля движется в космосе по своей орбите со скоростью 30 км/с, а небесное тело может иметь скорость произвольного направления до 40 км/с). При изменении скорости ветров в атмосфере Земли скорость и место падения астероида могут меняться. Так, обработка многолетних наблюдений показала, что средняя скорость ветров в метеорной зоне (на высоте 80—100 км от Земли) зависит от фазы цикла солнечной активности (СА): на широте 38,5° во время максимума СА преобладающая скорость ветра почти вдвое больше, чем во время минимума СА.

По поводу образования астероидов (и комет) выдвигается множество гипотез. Одна из них принадлежит астроному Оорту и говорит о том, что за Плутоном имеется некое облако (Облако Оорта), из которого и вылетают кометы (и астероиды).

Гипотеза автора Л.В. Константиновской— кометы и астероиды образовались в результате взрыва планеты Фаэтон, когда она в процессе эволюции переходила в звездное состояние. В это время Фаэтон сбросил свои верхние оболочки (состоящие из верхнего слоя — льда и нижнего слоя — каменного) и стал звездой. Верхняя ледяная оболочка превратилась в кометное вещество, а нижняя — в астероиды. То же происходило при «взрывах» двух других звезд Солнечной системы — Прозерпины и Милиусы.

Орбитальные траектории движений астероидов разнообразны. Траектории движения астероида Торо и известных комет приведены на рис. 1.46.

Астероиды по принадлежности можно поделить на две основные группы:

• • главного (первого) пояса астероидов — между Марсом и Юпитером;
• • блуждающие астероиды.

Кроме этих двух групп, внутри Солнечной системы открываются новые устойчивые орбиты астероидов, например:

• • между Солнцем и Меркурием (0,09—0,21 а.е.);
• • между Землей и Марсом (1,08—1,28 а.е.).

Эти орбиты открыли английские ученые Эванс и Табачик (Оксфордский университет) в 1999 г. По мнению ученых, там могут существовать новые пояса астероидов.

Также между Юпитером и Нептуном существует семейство из шести малых тел Солнечной системы, названных Кентаврами.

Главный (первый) пояс астероидов Солнечной системы находится между Марсом и Юпитером на расстоянии в среднем около 2,8 а.е. от Солнца. К 2001 г. в нем открыто 123 284 астероида. Диаметр их — от сотен метров до сотен километров.

Рис. 1.46. Траектории астероида Торо (а); комет Гидальго, Галлея, Хирона, Шумейкеров—Леви-9 (б)

Ежегодно открываются примерно по 10 новых астероидов. Предполагают существование еще нескольких сотен тысяч. Первый и самый крупный астероид пояса был открыт 1 января 1801 г. итальянским ученым Дж. Пиацци. Он назвал его Церера (астрономический знак — «серп»). Затем были открыты и следующие (табл. 1.14).

Таблица 1.14

Первые открытые астероиды главного пояса

Каждый астероид также имеет свой класс светимости (альбедо). В табл. 1.15 приводятся самые крупные астероиды диаметром свыше 250 км, где:

• • С — темные, с примесью углерода и ферросиликатов. Они являются родительскими телами многих углистых метеоритов. Альбедо менее 0,065;
• • S — красноватый спектр, содержащий чистый металл и металлические ионы в силикатной решетке (оливин и/или пироксен) с альбедо 0,07—0,23;
• • М — похож на класс S. Присутствует свободный металл в значительных количествах. Альбедо 0,07—0,23;
• • U — неклассифицируемые.

Таблица 1.15

Самые крупные астероиды первого пояса

Предполагают, что астероиды могут иметь слабое магнитное поле. Типы орбит сближающихся с Землей астероидов приведены на рис. 1.47.

Период обращения отдельных астероидов колеблется от 3 до 9 лет (в сутки это 6,67—20 мин). Астероиды движутся беспорядочно и с различной скоростью. Период собственного вращения (вокруг своей оси) в среднем составляет 7 ч.

К астероидам главного пояса, сближающимся с Землей (ЛСЗ) (рис. 1.48), относятся астероиды, сближающиеся с Солнцем на расстоянии менее 1,3 а.е. и подходящие к Земле на расстояние менее 0,3—0,1 а.е. Потенциально опасные — с расстоянием до Земли менее 0,05 а.е.

Рис. 1.47. Типы орбит астероидов, сближающихся с Землей

Рис. 1.48. Траектория движения астероида № 3753 вокруг Солнца

Первый астероид, проходящий вблизи Земли, был открыт 13 августа 1898 г. Густавом Витт (Германия). Это был Эрос, его диаметр равен 25—30 км. Среднее его расстояние до Солнца равно 1,46 а.е. В перигее он приближается к Солнцу на расстояние в 1,13 а.е. (до Земли это 0,13 а.е.), в апогее удаляется от Солнца до 1,78 а.е. (до Земли 0,78 а.е.).

Следующий астероид, ближайший к Земле, был открыт в 1911 г. (Альберт). Его открыл венский астроном Иоганн Пализа. В перигее астероид приближался к Солнцу на расстояние в 19 а.е. (до Земли 0,19 а.е.), а удалялся на 4,0 а.е. (до Земли 3 а.е.). Затем были открыты Алинда (1918), Ганимед (1924), Икар (1929), Амур (1932), Аполлон

(1932), «1954 ХА» (1954). Апполон был открыт в 1932 г., но затем его «потеряли» и обнаружили повторно только в 1973 г. Он получил номер 1862 и имя Аполлон. Орбита Аполлона заходит за орбиту Земли и в перигее проходит между Землей и Венерой. Орбита Икара (1929) имеет эксцентриситет 0,83: в перигее он приближается к Солнцу на расстояние 0,19 а.е., а в апогее — 1,97 а.е. Астероид «1954 ХА» лежит в плоскости эклиптики; в перигее он сближается с Солнцем до 0,51 а.е., а в апогее удаляется на 1,05 а.е. Но после 1949 г. этот астероид потеряли из виду.

В 1936 г. мимо Земли пролетел астероид Адонис, а в 1937 г. — астероид Гермес. В настоящее время известно около 500 астероидов главного пояса, орбиты которых позволяют им приблизиться к Земле. Для 200 астероидов орбиты просчитаны до 2020 г. В этом списке Икар, Гефест, Адонис, Аполлон, Эрос, Метида, Тоутатис. Последний (Тоутатис) подходит к Земле на очень близкое расстояние (до 0,0033 а.е.). Все они имеют вытянутую эллиптическую орбиту, 15—17% из них парные, 75% из них имеют размер менее 3 км. Размер самого большого (Ганимеда) составляет 38—40 км. Из них сферу Хилла (сферу «захвата» Земли) пересекают 50 астероидов.

Интересны также астероиды пояса Казимирчак-Полонской — пояс астероидов и комет между Ураном и Нептуном.

Отдельную группу составляют астероиды пояса Койпера — пояс астероидов (плутино) и комет, располагается за Нептуном на расстоянии от Солнца в области от 39,5—100 до 200—1300 а.е. Самый дальний объект (Quavar или 2000 CR105) удален от Солнца на расстояние в 1300 а.е.

Летероид Торо открыт в 1948 г., а в 1972 г. было обнаружено, что Земля, Венера и Торо по «пятизвездочной» орбите очень интересно гармонируют между собой — за пять оборотов Торо вокруг Солнца Земля делает восемь оборотов, а Венера — 13 (пропорция 13:8:5, что примерно равно «золотому сечению»). Перигей орбиты Торо располагается между орбитами Венеры и Земли, а афелий — между Марсом и Юпитером. Торо движется в обратном направлении движению планет Солнечной системы.

Летероид М 3753, недавно обнаруженный около Земли странный «спутник», который вращается около Земли и одновременно около Солнца по странной, но постоянной орбите. Траектория его движения вокруг Солнца приведена на рис. 1.48.

Подковообразная траектория астероида находится в плоскости, которая наклонена к плоскости эклиптики под углом.

Максимальное сближение его с Землей, равное 45 млн км, происходило последний раз осенью 1997 г. Предполагают, что 2500 лет тому назад он пересекал орбиту Марса, а через 6000 лет пересечет орбиту Венеры. Он может упасть на нее или перейти на другую орбиту

Размеры известных астероидов, пересекающих орбиту Земли, находятся в пределах от 6 м до 40 км. В табл. 1.16 представлены данные на 2001 г. по астероидам, проходящим от Земли на расстоянии до 0,05 а.е.

Таблица 1.16

Прохождение астероидов около Земли с 2009 по 2051 гг.

В табл. 1.17 представлены уточненные данные (на 2003 г.) по периоду с 2009 по 2020 г.

Общее количество астероидов с диаметром более 1 км и пересекающих орбиту Земли оценивается разными авторами от 1500 до 2000 единиц. Расчеты показывают, что в ближайшие 100 лет столкновения с ближайшими блуждающими астероидами (для которых просчитаны орбиты) не предвидится. Что же касается остальных неизвестных, то их падение на Землю предвидеть пока трудно.

Французский математик и физик Ж. Луи Лагранж (1736—1813) рассчитал два устойчивых треугольника № 1 и № 2 около Земли на орбите Луны (рис. 1.49).

Ученый пришел к заключению, что при некоторых условиях космические тела, связанные силами тяготения, могут образовывать в пространстве равносторонний треугольник, обладающий необычными свойствами.

Опасные пролеты астероидов вблизи Земли

Рис. 1.49. Треугольники Лагранжа у Земли

Диаметр пылевых облаков огромен и составляет примерно объем Земли. Масса же невелика и равна примерно 20 тыс. т. Плотность незначительна. Вращаясь вокруг общего центра масс (в нашем случае — Земли), эти три тела (пылевое облако № 1, Луна и пылевое облако № 2) в то же время остаются в вершинах равностороннего треугольника (в «точках равновесия»). Этот треугольник претерпевает некоторые изменения, а именно — «пульсацию» сторон.

Учеными было высказано предположение, что в этих точках действуют необычные гравитационные ловушки, захватывающие космические частицы. Если в точки равновесия попадают какие-либо мелкие космические объекты (частицы, пылинки), то они включаются в эти треугольники. По мере заполнения этой ловушки частицами процесс «захвата» должен ускоряться.

На компьютерных экспериментах было доказано, что около Земли есть очень устойчивая орбита на расстоянии около 0,103 а.е., которая могла бы быть прибежищем для пояса астероидов или для второго спутника Земли.

В 1906 г. около Юпитера были открыты две группы астероидов. Каждая группа этих скоплений имеет около двух десятков небольших астероидов диаметром около 150 км и расположена в вершине равностороннего треугольника, в двух других вершинах которого находятся Юпитер и Солнце. Стороны равны 5,2 а.е.

Группы вращаются по орбите этой планеты с тем же периодом, что и Юпитер (около 5 мин в сутки). Одна группа движется на 60° впереди Юпитера («Греки»), а вторая — на 60° сзади («Защитники Трои»), образуя с планетой два равносторонних треугольника («треугольники Лагранжа») (рис. 1.50).

Рис. 1.50. Треугольник Лагранжа Юпитера

В качестве астероидных поясов можно представить и кольца Сатурна. Сатурн имеет около себя несколько колец и выступает как гигантский космический синхрофазотрон. Он разгоняет ионы различных газов до скоростей, близких к космическим, и бомбардирует ими пространство Солнечной системы. 10 июня 1999 г. группа немецких, американских и русских ученых обнаружила около Ганимеда (спутника Юпитера) пылевое облако. Концентрация пыли в кольце мала — 1 пылинка на 800 м³.

Подобные случаи колец и треугольников около планет и спутников наводят на мысль о гравитационной закономерности подобных явлений и у других космических объектов — все звезды, планеты, спутники должны иметь около себя кольца (или пояса). Эти пояса не редкость, а, скорее всего, закономерность.