«Земля и Вселенная» 2003 №2, с. 17-27

Обеспечение устойчивого развития человечества в третьем тысячелетии потребует проведения комплекса мероприятий в сферах новых технологий, экономики, экологии. При этом существенно возрастет роль надежного прогнозирования для предотвращения крупных аварий и катастроф природного и техногенного характера, что заставит более эффективно учитывать влияние космогеофизических факторов на процессы, происходящие на Земле. Важнейшими из таких факторов являются солнечные вспышки, столкновения с Землей астероидов и комет, геологические катаклизмы (Ю.Д. Медведев и др. "Астероидно-кометная опасность", под редакцией А.Г. Сокольского, С.-Пб., ИТА, МИПАО, 1996; "Угроза с неба: рок или случайность? Опасность столкновения Земли с астероидами, кометами и метеороидами", под общей редакцией академика А.А. Боярчука. М., "Космоинформ", 1999). Автор статьи, много лет работающий в области космонавтики, предлагает проект "Цитадель" - систему защиты Земли от малых небесных тел.

Следы падения фрагментов кометы Шумейкеров-Леви-9 на Юпитер. Слева внизу для сравнения показана Земля. Коллаж из снимков в инфракрасном и видимом спектрах. Фото NASA.

РЕАЛЬНОСТЬ АСТЕРОИДНО-КОМЕТНОИ УГРОЗЫ

Возможность падения на Землю относительно больших астероидов и комет в последнее время серьезно рассматривается среди множества других опасностей, угрожающих существованию человечества. Осознанию степени опасности способствовали, в частности, наблюдения в 1994 г. катастрофических явлений при падении фрагментов кометы Шумейкеров-Леви-9 на Юпитер (Земля и Вселенная, 1994, №2; 1995, №4; 1996, № 1), а также последствия подобных столкновений с Землей в прошлом.

Одной из наиболее значительных в истории Земли катастроф считается падение космического объекта диаметром около 10 км примерно 65 млн. лет назад, что привело к гибели практически всего живого на Земле, в том числе тогдашних хозяев планеты - динозавров (Земля и Вселенная, 1999, № 3; 2000, № 5; 2001, № 6). Как полагают некоторые исследователи, эта катастрофа изменила ход эволюции на нашей планете и создала предпосылки для появления человека на Земле. Однако никого не утешит мысль, что в результате подобного космического события на Земле через много миллионов лет, может быть, появятся более совершенные создания, чем мы.

Следы прошлых столкновений с астероидами и кометами - ударные кратеры - обнаружены на всех телах Солнечной системы, обладающих твердой поверхностью. На Марсе, например, согласно гипотезе A.M. Портнова (Земля и Вселенная, 1998, № 5), в свое время были вода, кислород и, может быть, жизнь. Но астероидная бомбардировка уничтожила биосферу, а возможно, и цивилизацию Марса.

О колоссальной силе удара крупного небесного тела о поверхность Марса свидетельствует кольцевая структура Эллада около Южного полюса диаметром примерно 1500 км. При этом было спровоцировано извержение четырех гигантских вулканов на противоположной стороне Марса, крупнейший из которых Олимп имеет высоту около 27 км и диаметр почти 600 км. Видимо, тогда Марс и превратился в безжизненную пустыню.

Зоны разрушений при падении на Землю малых небесных тел. Рисунок автора.

Рассмотрим данные, полученные при изучении ударных кратеров на Земле и других небесных телах, а также при компьютерном моделировании процессов соударения. Они показывают, что энергия, выделившаяся при столкновении с Землей астероида диаметром 50-100 м, будет подобна взрыву термоядерного заряда мощностью в несколько десятков мегатонн тротилового эквивалента. Такой энергией обладали самая мощная термоядерная бомба и взрыв при падении Тунгусского метеорита. Аналогичный взрыв способен разрушить, например, Москву или Нью-Йорк.

Диаграмма падений различных небесных тел на Землю в XX в. Рисунок автора.

Столкновение Земли с объектом диаметром менее 1 км вызовет региональную катастрофу, при которой могут быть уничтожены целые государства. При падении небесного тела диаметром более 1 км произойдет глобальная катастрофа, сравнимая по последствиям с "ядерной зимой" в результате ядерной войны, что приведет к гибели практически всей биосферы нашей планеты. Приведенные цифры следует рассматривать как ориентировочные, отражающие качественный характер описываемых процессов.

Количество крупных астероидов (диаметром более 1 км), движущихся по траекториям, пересекающим орбиту Земли, относительно невелико, поэтому столкновения с Землей редки, в среднем один раз в сотни тысяч или десятки миллионов лет. Астероидов размером 50-100 м, пересекающих орбиту Земли, - около 2 миллионов. И такие объекты сталкиваются с Землей значительно чаще.

В 1972 г. произошло событие, которое могло вызвать значительно более тяжкие последствия, чем известные падения небесных тел (на Тунгуске, в Бразилии и на Сихотэ-Алине). Только по счастливой случайности на территорию США или Канады не упал астероид диаметром около 80 м, который вошел в атмосферу Земли над американским штатом Юта со скоростью 15 км/с. Однако траектория входа в атмосферу оказалась очень пологой. Пролетев около 1500 км над Землей, он вылетел за пределы атмосферы и ушел в космическое пространство. Мощность взрыва объекта, если бы он достиг поверхности нашей планеты, была бы не меньше мощности Тунгусского взрыва - по разным оценкам, от 10 до 100 Мт. При этом площадь разрушений составила бы около 2000 км².

Столкновения с астероидами размером от нескольких до десятков метров происходят в среднем каждые 10 лет. Российские и американские космические системы предупреждения о ракетном нападении ежегодно регистрируют около десятка достаточно крупных объектов, которые взрываются на высоте несколько десятков километров над поверхностью Земли. В 1975-92 гг. в США зарегистрировали 126 подобных взрывов, мощность некоторых достигала 1 Мт.

Плотность населения Земли увеличивается, возрастает и количество потенциально опасных техногенных объектов (ядерные энергетические установки, химические комбинаты, склады боеприпасов). Разрушение любого подобного объекта при падении даже небольшого небесного тела может привести не только к огромным человеческим жертвам и материальному ущербу, но и стать "спусковым крючком" для развития регионального или глобального экологического кризиса.

Во избежание подобных катаклизмов необходима Система планетарной защиты (СПЗ) от астероидов и комет. Планетарной - потому что система будет защищать как Землю, так и в перспективе другие объекты Солнечной системы, в первую очередь Луну. Падение крупных астероидов на Луну опасно не только для будущих лунных поселений. Возможны, например, падение крупных осколков на Землю, засорение околоземного космического пространства и разрушение космических аппаратов.

Современный уровень технологического развития России и других ведущих стран мира позволяет приступить к осуществлению этого проекта. В Советском Союзе были созданы и прошли натурную отработку практически все базовые компоненты СПЗ или их прототипы. К ним относятся образцы ракетно-космической техники, ядерного оружия, средства связи, навигации, управления, многие из которых разрабатывались в военных целях. Сейчас представляется уникальная возможность их применения для защиты человечества от небесных тел.

Поскольку обнаружена лишь ничтожная часть потенциально опасных объектов, то столкновения можно ожидать в любой момент. Было бы непростительной беспечностью не оказать противодействие космической опасности, имея реальные средства защиты.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СПЗ

Для эффективной защиты Земли, а в будущем и других небесных тел СПЗ должна включать три основных взаимосвязанных подразделения: наземно-космическую службу наблюдения; наземно-космическую службу перехвата; наземный комплекс управления. Многие их базовые компоненты (средства наблюдения за космическим пространством, ракеты-носители, космические аппараты, космодромы) уже имеются в России и ряде других стран. Чтобы наблюдать за небесными телами, существуют наземные и космические средства, в том числе наземные телескопы, космические обсерватории, работающие в различных диапазонах с апертурой от десятков сантиметров до 2.4 м. Опыт, полученный при создании этих КА и управлении ими, а также приеме и обработке информации, может быть использован в разработке космических систем обнаружения и слежения за астероидами и кометами.

В ряде стран имеются ракетно-космические средства и ядерные устройства, на основе которых может быть разработана система перехвата угрожающих объектов. Ведущие космические державы обладают ракетами-носителями, позволяющими выводить на межпланетные траектории полезные нагрузки массой от нескольких сотен килограммов до десятков тонн. Некоторые космические аппараты могут послужить базой для создания КА-разведчиков и КА-перехватчиков.

Таким образом, при строительстве СПЗ будет использоваться практически весь потенциал ракетно-космической отрасли - от РН и КА до наземной инфраструктуры, включая системы связи и управления, поисково-спасательные службы, необходимые на случай аварий при запусках КА с ядерными зарядами. Многие перечисленные выше средства есть в США, Западной Европе, Японии и Китае. Однако только Россия обладает всем необходимым для создания СПЗ.

В частности, ни одна из зарубежных стран не создала носителя, аналогичного РН "Зенит" по уникальным срокам подготовки и частоте запусков. России принадлежит и ряд других технологий, не имеющих аналогов в мире. Впрочем, в силу различных причин, главным образом экономических, уже в ближайшее время они могут быть утеряны. Технологии, особенно важные для обеспечения прогресса и безопасности мирового сообщества, целесообразно было бы объявить его достоянием.

ПОСТРОЕНИЕ СПЗ "ЦИТАДЕЛЬ"

Очевидно, что держать в постоянной готовности систему защиты от крупных астероидов и комет нереально. В то же время организация защиты от небольших объектов (от десятков до сотен метров) крайне необходима. Для этого должен быть создан эшелон краткосрочного (оперативного) реагирования СПЗ "Цитадель". В случае необходимости можно будет сформировать эшелон долгосрочного реагирования для противодействия более крупным небесным телам, мобилизовав потенциал государств, обладающих ракетно-космическими и ядерными средствами. Прогресс в методах и средствах контроля космического пространства и создание на их базе специализированных средств позволит уже в ближайшем будущем выявлять потенциально опасные астероиды размером от нескольких сотен метров за много лет до их возможного столкновения с Землей.

Выделим важнейшие принципы, на которых должна строиться СПЗ. В ее основе - постоянно действующий эшелон краткосрочного (оперативного) реагирования и служба глобального контроля космического пространства. Служба контроля космического пространства включает наземные и космические средства, объединенные в глобальную международную сеть. Служба перехвата небесных тел имеет наземное базирование и содержит несколько региональных сегментов, создаваемых на базе ракетно-космических и ядерных средств России, США и ряда других стран. Для создания СПЗ надо разработать план экстренного реагирования.

В состав эшелона оперативного реагирования должны войти: международная наземно-космическая служба наблюдения околоземного космического пространства; всемирная сеть астрономических, радиолокационных и космических средств наблюдения; национальные (региональные) наземно-космические службы разведки и перехвата; национальные (региональные) Центры планетарной защиты.

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПЛАНЕТАРНОЙ ЗАЩИТЫ

Рассмотрим основные компоненты российского (регионального) эшелона оперативного реагирования СПЗ "Цитадель" и схему их взаимодействия. После обнаружения потенциально опасного небесного тела к наблюдению подключатся средства наземного и космического базирования, в зоны видимости которых этот объект будет попадать. На основе получаемой информации в Центре планетарной защиты оценивают степень опасности (место и время предполагаемого падения) и разрабатывают комплекс мер по ее предотвращению. После согласования плана мероприятий на межправительственном уровне запускают два КА-разведчика с помощью РН "Зенит" или "Днепр" и, по крайней мере, два КА-перехватчика (РН "Зенит" или "Протон").

Результаты наблюдений при пролете КА-разведчиков вблизи небесного тела позволят уточнить его траекторию, размеры, массу и другие характеристики. На основе этих данных институты РАН разработают его инженерную модель и уточнят траекторию, что обеспечит точность наведения КА-перехватчиков. При подрыве зарядов небесное тело отклонится от траектории, направленной к Земле, или разрушится.

В качестве штатных компонентов в состав эшелона защиты СПЗ будут входить только КА-наблюдатели с телескопами на борту, а также КА-разведчики и КА-перехватчики с ядерными, кинетическими или другими средствами воздействия.

Схема российского регионального эшелона оперативного реагирования СПЗ "Цитадель". Рисунок автора. Космическая система наблюдения за околоземным пространством. Рисунок автора.

СЛУЖБА ОБНАРУЖЕНИЯ

Рассмотрим более подробно схемы построения и функционирования основных компонентов оперативных средств. Очевидно, что требования к схеме построения и поисковым возможностям космического сегмента наблюдения околоземного космоса будут в значительной мере зависеть от оперативности запуска и мощности имеющихся ракетно-космических средств перехвата. На базе уже существующих средств выведения можно перехватывать опасные тела при подлетном времени (двое-трое суток и больше).

Возможным вариантом системы наблюдения является проект "Конус", который предусматривает размещение, по крайней мере, одного КА с телескопом на гелиоцентрической орбите, совпадающей с земной, в 10-15 млн. км от Земли. Если зона наблюдения будет иметь угловые размеры около 60°, то подлежащая контролю площадь небесной сферы уменьшится почти на порядок по сравнению с наземными наблюдениями. Такое размещение КА-наблюдателя позволит регистрировать астероиды, приближающиеся со стороны Солнца, которые наблюдать с Земли вообще невозможно.

С помощью оптико-электронных средств наблюдения сканирование рассматриваемой зоны может осуществляться с интервалом в несколько часов, достаточным для оперативного оповещения об опасности. Наблюдения в ИК- и УФ-диапазонах спектра значительно расширят информацию о наблюдаемых объектах. Для контроля "мертвой зоны", возникающей при засветке Землей и Луной, можно будет использовать наземные средства или КА с телескопом, работающий на околоземной орбите. Эти же средства помогут обнаружить опасные тела в метеорных потоках. Уточняться траекторные и другие характеристики будут радиолокационными средствами с применением методов радиоинтерферометрии.

Базовыми для построения системы "Конус" могут стать созданные в НПО им. С.А. Лавочкина и прошедшие натурную отработку спутники типа "Око", "Аркон" и перспективные астрофизические космические обсерватории "Спектр" (Земля и Вселенная, 1997, №2; 1999, №2; 2000, №4), а также КА, разработанные в других организациях и странах.

СЛУЖБА ПЕРЕХВАТА

При формировании концепции перехвата можно использовать ряд схемных, технических и организационных решений, полученных при разработке и осуществлении экспедиции АМС "Вега" к комете Галлея. Например, можно прибегнуть к опыту навигационного обеспечения полета станций. Известно, что для обеспечения максимального сближения с кометой в условиях неопределенности ее эфемерид была принята двухступенчатая схема сближения АМС с ней. В марте 1986 г. на расстоянии около 10 тыс. км от кометы Галлея прошли АМС "Вега-1 и -2" (Земля и Вселенная, 1986, №№ 3, 5). В процессе сближения уточнены координаты ядра кометы и скорректирована траектория АМС "Джотто". Это позволило осуществить пролет на возможно минимальном расстоянии от ядра. Подобная схема, предусматривающая использование КА-разведчика, обеспечивает точное наведение КА-перехватчика на цель.

Не более чем через 12 ч после обнаружения опасного небесного тела с учетом ожидания "окна запуска" стартуют два КА-разведчика и КА-перехватчик, а еще через 12 ч - второй КА-перехватчик. При скорости тела около 50 км/с встреча с КА-разведчиком произойдет примерно на удалении 950 тыс. км, а с КА-перехватчиком - 180-270 тыс. км от Земли. Поскольку орбиты большинства астероидов наклонены к плоскости эклиптики, то их перехват, ввиду ограниченных энергетических возможностей современных РН, будет осуществляться не далее грависферы Земли (радиусом около 1 млн. км).

Схема работы службы перехвата опасных для Земли малых космических тел. Рисунок автора.

При запуске перехватчика с помощью РН "Зенит" масса доставляемого к астероиду ядерного устройства может составить около 1.5 т. Заряд мощностью не менее 1.5 Мт разрушит каменный астероид поперечником в сотни метров. Если же осуществить стыковку на околоземной орбите нескольких блоков, то размеры разрушаемого объекта будут значительно увеличены.

За некоторое время до столкновения от перехватчика должны отделиться два КА-рекогносцировщика для наблюдения с безопасного расстояния за результатами воздействия. Очевидно, что при формировании схемы оперативного перехвата необходимо руководствоваться "критерием минимального ущерба", учитывающим множество факторов, таких, например, как нежелательность взрывов в магнитосфере Земли, возможность поражения осколками объектов на Земле и в космосе.

Перехват крупных астероидов и комет на значительном удалении от Земли будет осуществляться эшелоном долгосрочного реагирования. Для того чтобы отразить эту космическую угрозу, потребуется привлечение в первую очередь государств, обладающих ракетно-космическими и ядерными средствами (Россия, США, Западная Европа, Китай, Япония, Индия). При этом надо разработать в рамках международного проекта "Синтез" унифицированные КА-наблюдатели, -разведчики, -перехватчики и -рекогносцировщики, используя лучшие достижения мировой космонавтики. Их отработку можно будет провести в международных космических экспедициях, например к малым телам Солнечной системы.

Способы воздействия на малые небесные тела космических средств защиты Земли. Рисунок автора.

Следует отметить, что для эффективной работы эшелона важное значение имеет обнаружение опасных небесных тел за много лет до возможного столкновения с Землей. Причем нет необходимости непрерывно наблюдать всю небесную сферу. Достаточно постоянно контролировать ограниченную торовую область пространства вдоль орбиты Земли сечением в несколько миллионов километров (проект "Тор"). Видимую с Земли часть торовой области можно будет наблюдать наземными средствами или с борта околоземных КА, а невидимую - с помощью КА, расположенных, например, в районах орбиты Земли (в 90° относительно направления Солнце-Земля) или на других орбитах. Таким образом, учитывая высокую устойчивость астероидных орбит, это позволит примерно за 10 лет обнаружить практически все потенциально опасные небесные тела размером в сотни метров.

Схема международной наземно-космической службы наблюдения "Тор". КА-наблюдатели определяют параметры движения опасного астероида и передают информацию на приемные пункты службы. Рисунок автора.

Проект "Тор" можно будет объединить с проектами изучения нашего светила: "ГЕКАТА", "Система", "SPINS" и таким образом совместить поиск опасных небесных тел с наблюдениями невидимой с Земли стороны Солнца для прогнозирования его активности. Кроме того, телескопы для обнаружения небесных тел можно установить на некоторых АМС. Для заблаговременного обнаружения комет потребуется осуществлять обзор небесной сферы (поделенной на зоны наблюдения между астрономическими обсерваториями земного шара) с интервалами от нескольких недель до нескольких месяцев с помощью службы наблюдения за космосом "Сфера". Ее основу в ближайшее время будут составлять наземные средства, обладающие высокой проницающей способностью.

Следует отметить, что возможности человечества по отражению угрозы из космоса ограничены. Не исключена ситуация, при которой избежать глобальной катастрофы не удастся. В этом случае единственная, пожалуй, альтернатива всеобщей гибели - спасение небольшой колонии землян на лунной базе. К многочисленным доводам в пользу развития космических программ, и в том числе колонизации Луны, добавим еще один - необходимость иметь в резерве "Ковчег-2", подобие Ноева.

Предварительные исследования позволяют сделать заключение о возможности ввода в строй СПЗ "Цитадель" уже в ближайшие 5-7 лет, конечно, при надлежащем финансировании. Создание и эксплуатация СПЗ поставят перед человечеством множество неординарных проблем, причем не только научно-технических, но и организационных, политических, этических, юридических, правовых, экологических. Тем не менее реальность их решения не вызывает сомнений. Для этого потребуется объединить ресурсы всех стран и усилия широкого круга специалистов не только естественнонаучного, но и гуманитарного профиля.

Следовательно, обеспечение безопасности нашей планеты - своеобразный тест на способность решения человечеством глобальных проблем. Предлагаемая СПЗ "Цитадель" может стать первым глобальным проектом третьего тысячелетия и защитить нас от космической угрозы.