Чем чреват град из космоса

ЧЕМ ЧРЕВАТ ГРАД ИЗ КОСМОСА ? Обычный град человеку хорошо знаком . Ч аще всего он не представляет никакой опасности . Лишь очень крупные градины размером более 1 см могут нанести некоторый ущерб : пробить непрочную кровлю , повредить посевы , ранить животное или человека . Отличительная особенность града как явления в том , что о но сводится к одновременному действию громадного числа сравнительно мелких частиц при сравнительно высокой их концентрации . И там , где одна частица могла бы не вызвать никакого эффекта за счет малой вероятности попадания в уязвимое место (подобно не полно с тью разрушившемуся космическому аппарату , сходящему с орбиты вокруг Земли ), громадное число частиц воздействие наверняка окажет . В этом и проявляется эффект большого числа частиц для обычного града — ледяных частиц , образующихся в атмосфере при определенн ы х условиях . А что произойдет , если в атмосферу Земли или другой планеты попадет большое число мелких частиц , не обязательно ледяных , но со столь же высокой концентрацией , влетающих из космоса с большой скоростью ? Возможен ли космический град ? Прежде всег о возникает вопрос , может ли такое явление вообще иметь место . Влет отдельной частицы в атмосферу представляет собой , очевидно , факт вполне заурядный . Периодически Земля проходит через различные метеорные потоки (Леонид в ноябре , Персеид в августе , и д в октябре и др .). Если Земля оказывается в центральной части таких потоков , ночное небо озаряется вспышками тысяч метеоров . Это так называемые метеорные дожди . Однако и тогда концентрация влетающих частиц остается на много порядков меньше , чем в случае о бычного града . Мы же ставим вопрос именно о потоках частиц с высокой концентрацией , как у града . В естественных условиях такая высокая концентрация возникает при дроблении достаточно крупного метеороида , входящего в атмосферу , когда аэродинамическая нагру зка начинает превышать предел прочности тела . В зависимости от состава и прочностных свойств тело может развалиться при этом или на несколько крупных кусков , или на большое количество мелких . В последнем случае возникает поток частиц , напоминающий град . Н е исключена и другая ситуация , когда достаточно хрупкое космическое тело рассыпается на множество мелких осколков под воздействием гравитационных или электромагнитных сил еще до входа в плотные слои атмосферы [ 1 ]. Достаточно высокая концентрация мелких частиц бывает также вблизи ядра кометы . И если такое ядро прол етит рядом с планетой , в атмосферу может одновременно вторгнуться громадное число пылинок . Наконец , в последние годы люди осознали , что вероятность столкновения Земли с крупным космическим телом типа астероида или кометы вовсе не равна нулю . Это — так наз ы ваемая астероидная опасность [ 2 ]. Размышляя о том , как пред отвратить ее , некоторые авторы предлагают разрушить подлетающее космическое тело ядерным взрывом , т.е . по существу превратить его в конгломерат пыли , крупных и мелких осколков и газа , создав таким образом достаточно концентрированный поток частиц разных р а змеров . Считается , что столкновение планеты с таким газопылевым облаком менее опасно , чем с одним компактным телом . Как будет показано ниже , это , строго говоря , заблуждение . Во многих случаях опасность от этого только усугубится . Как раз данное обстоятель с тво и подвигло нас провести исследования взаимодействия громадного количества мелких частиц с планетной атмосферой [ 3 , 4 ], т.е . по существу выяснить , как поведет себя град , прилетающий из космоса , какую угрозу он в себе таит . В этом аспекте интересны именно интенсивные взаимодействия больших объемов мелких частиц (космической пыли ) с земной атмосферой , т.е . такие , когда концентрация влетающих частиц столь велика , что они взаимодействуют с атмосферным воздухом коллективным образом , а не индивидуально . Это примерно соответствует концентрации частиц обычных градин . Сразу стоит отметить важнейшее отличие космического града о т земного : скорость влета его частиц в атмосферу чрезвычайно высока . По законам небесной механики диапазон скоростей , с которыми тела могут влетать в земную атмосферу , заключен в пределах от 11.2 км /с до 70 км /с , т.е . от второй космической скорости для Зе м ли до максимальной относительной скорости тел , принадлежащих к Солнечной системе . Соответственно кинетическая энергия и воздействие такого града будут неизмеримо выше . Другое важное отличие в том , что сначала он попадает в очень разреженные слои атмосферы, но затем плотность атмосферы и , естественно , взаимодействие резко нарастают , т.е . налицо сильная зависимость всех характеристик града от высоты над поверхностью планеты . Возникают интересные вопросы . Сможет ли атмосфера защитить планету от такого града ? Как будет происходить взаимодействие громадного количества частиц с атмосферой ? Как оно будет зависеть от размеров и формы облака частиц , размеров и концентрации частиц в нем , плотности и состава их вещества , скорости влета в атмосферу ? До какой высоты бу д ут опускаться пылевые частицы ? Полностью они будут испаряться или сгорать в атмосфере , либо их остатки , затормозившись , выпадут на Землю ? Будут ли образовываться в атмосфере ударные волны , и какова будет их интенсивность и конфигурация ? Будут ли они возде й ствовать на земную поверхность ? Какие при этом будут возникать температуры ? Возможно ли и при каких условиях возникновение мощного светового излучения , действующего на поверхность Земли ? Каковы другие механизмы опасного воздействия на планету ? Явление гла зами математики Процессы , сопровождающие влет в атмосферу отдельной небольшой частицы или крупного тела , уже достаточно хорошо изучены — как теоретически , так и инструментально . А вот интенсивное взаимодействие влетающего из космоса облака мелких частиц с земной атмосферой до последнего времени не исследовалось . Поэтому об особенностях возникающих при этом физических процессов ничего не было известно . Рассматриваемое нами явление весьма сложное и носит гипотетический характер — реально наблюдать в природе его пока не приходилось , и в лабораторных условиях его не воспроизвести . Остается изучать его с помощью математического моделирования . Проанализировать совместное двухфазное движение космических частиц и атмосферного воздуха позволяет хорошо известная мод ель двух взаимно проникающих континуумов [ 5 ]. Один из них — газовая среда , характеризующаяся рядом параметров , и прежде всего — давлением . Второй — среда пылевых частиц , в которой собственное давление отсутствует . Предполагается , что частицы занимают очень малый объем по сравнению с объемом газа . Для частиц косми ч еской пыли это так и есть . В расчетах мы изменяли начальную объемную долю частиц a 0 в диапазоне от 10 -9 до 10 -3 . Что выбрать в качестве вещества частиц ? Учитывая распространенность ледяных тел в космосе , мы остановились на льде нормальной плотности , и в э том полная схожесть с обычным градом . Для сравнения производимых эффектов рассматривались также частицы из льда пониженной плотности и из железа . Возможны разнообразные формулировки возникающих задач , что связано с различными предположениями о геометрии т ечения . В общем случае к планете , обладающей атмосферой , подлетает облако мелких частиц произвольной формы и размера . С точки зрения расчета наиболее проста одномерная постановка задачи , когда единственная координатная переменная — это высота над поверхно стью Земли . Но более реалистично рассматривать эволюцию облака двумерной геометрии с осевой симметрией вокруг вектора скорости прилета . Ниже результаты приводятся именно для такого случая . Здесь частицы , подлетая к Земле по вертикали , первоначально заполн я ют сферический или другой осесимметричный объем . По мере опускания такого облака характеристики течения двухфазной системы начинают зависеть не только от времени и вертикальной координаты , но и от координаты поперечной — расстояния от оси падения . Схема подлета к планете облака мелких частиц (n 0 — скорость облака как целого ). П олучающаяся система уравнений решалась численно с помощью модификации повышенной точности известного конечно-разностного метода С.К.Годунова . Имеет смысл выделить два крайних случая взаимодействия : локальное , когда облако частиц ничтожно в масштабах плане т ы и воздействует лишь на ограниченную область атмосферы , и глобальное , когда размер облака сопоставим с диаметром планеты . Задачи о локальных взаимодействиях Поведение града “местного значения” анализировалось на примере взаимодействия с атмосферой Земли частиц , занимающих шар диаметром от 0.1 до 10 км . Качественные особенности течения таковы . При относительно большой концентрации частиц (например , при их начальной объемной доле a 0 =10 -4 ) самые интенсивные процессы взаимодействия протекают в головной част и облака . Там повышается давление , возрастает концентрация частиц , перед облаком образуется мощная ударная волна . В основной части облака взаимодействие вначале слабое : скорости частиц и атмосферного газа быстро выравниваются , что в дальнейшем способствуе т гораздо более глубокому их проникновению в атмосферу по сравнению со случаем влета одиночной частицы . Позднее облако приобретает весьма сложную конфигурацию , по существу распадаясь на отдельные фрагменты . Характерно , что в этом случае , как и в других , не происходит увеличения поперечного сечения облака в процессе взаимодействия . Испаряясь , частицы значительно теряют массу (на уровне 30 км остается около 3% от первоначальной ), а затем и полностью исчезают . Их пары , сохраняющие высокую скорость , проходят ещ е значительное расстояние , прежде чем на высоте H~20 км начинается их существенное торможение . После этого ударная волна продолжает свое движение свободно , как это бывает при взрыве в атмосфере . При ее подходе к земной поверхности избыточное давление соста в ит для приведенного на рисунке примера 0.1 атм , от чего в домах могут быть выбиты все стекла . Пространственная эволюция течения по мере опускания сферического облака в атмосфере . Изолинии давления воздуха p (атм , левые части рисунков ) и объемной доли частиц a/a 0 (правые части рисунков ) показаны в полуплоскости высота— радиальная ко ордината ввиду предполагаемой осевой симметрии течения . Даны картины динамики для плотного (с начальной концентрацией частиц a 0 =10 – 4 ) и разреженного (a 0 =10 – 7 ) облаков. Для малой концентрации частиц (например , при a 0 =10 -7 ) процесс взаимодействия сразу охва тывает весь объем влетающего облака . Головная ударная волна вначале не образуется . В пределах облака , а затем и с некоторым отставанием от него , образуется волна сжатия , которая постепенно усиливается , превращается в ударную волну (гораздо более слабую , ч е м в первом случае ), проходит через почти полностью испарившееся и затормозившееся облако частиц и вырывается вперед . Для влета сферических облаков космического града минимально опасные значения a0 можно оценить как a 0 =10 – 5 при R 0 =1 км и a 0 =10 – 7 при R 0 =10 км для скоростей порядка 20 — 30 км /с . Массы пылевых облаков составят в этих случаях около 4· 10 7 и 4· 10 8 кг , а кинетические энергии — около 1.8 — 4.1 Мт и 18 — 41 Мт . Если предположить , что такие облака образовались в результате разрушения сферических ледяных те л , то для радиусов этих тел получатся не такие уж большие значения — приблизительно 20 и 45 м . Глобальные взаимодействия . Что случилось с Марсом ? Поскольку при глобальных взаимодействиях облака частиц (считаем их осесимметричными ) сопоставимы по своим ра змерам с диаметром планеты , возмущениями будет охвачена вся атмосфера . Начнем со случая взаимодействия гигантского облака частиц с атмосферой Марса , и вот почему . Как известно , атмосфера Марса в настоящее время весьма разрежена : давление и плотность у пов ерхности планеты примерно в 100 раз меньше земных значений . Полеты космических аппаратов дают все больше информации в пользу того , что в далеком прошлом (2 — 4 млрд лет назад ) атмосфера там была гораздо более плотная , в какой-то степени напоминающая нынешню ю земную , но состоявшая в основном из углекислого газа . Существует эволюционный сценарий , который объясняет потерю Марсом атмосферы [ 6 ]. В предельно краткой и упрощенной форме он выглядит так . На раннем этапе эволюции Марса круговорот углекислого газа на планете поддерживался , с одной стороны , за счет растворения CO 2 в воде и образования карбонатных отложений , а с другой стороны — поставки CO 2 в атмосферу в результате интенсивной вулканической деятельности . Именно на Марсе обнаружены самые большие среди планет Солнечной системы потухшие вулканы . По мере затухания вулканической деятельности атмосфера становилась все более разреженной , парниковый эффект ослабевал , температура понижалась , и , наконец , атмосфера пришла к ее нынешнему состоянию . Данная теория не стала общепризнанной , поскольку она не лишена внутренних п р отиворечий и сталкивается с большими трудностями при объяснении некоторых фактов . В частности , есть свидетельства того , что перемена климата на Марсе произошла довольно быстро , а не в результате длительной и постепенной эволюции . Не обнаружены также пока и карбонатные отложения , которые должны были бы образовывать слой толщиной не менее 80 метров по всей поверхности Марса . А не мог ли Марс потерять плотную атмосферу в ходе некоторого катастрофического процесса космического масштаба ? Расчеты прямо показываю т реальность такого события . Речь идет о моделировании столкновения Марса с большим облаком мелких частиц , сопоставимым по своим размерам с планетой . Подобное облако могло образоваться поблизости от Марса в результате столкновения , например , двух крупных астероидов . В поясе астероидов , расположенном между орбитами Марса и Юпитера , таких тел и сейчас предостаточно , а в далеком прошлом их было еще больше , причем более крупных размеров (считается , что в этом поясе постоянно происходят процессы столкновения и дробления тел [ 7 ]). Не случайно автор книги [ 7 ], известный специалист в области физики метеоров и малых планет В.С.Г етман , называет этот пояс каменоломней Солнечной системы . Древняя атмосфера Марса представляется с помощью изотермической экспоненциальной модели . Давление и плотность принимаются совпадающими у поверхности с современными земными значениями , но в силу мен ьшей силы тяжести на Марсе медленнее меняющимися с высотой (характеристическая высота атмосферы на Марсе H* ~ 22 км по сравнению с H* ~ 7 км для Земли ). Планета берется в виде твердого шара марсианского радиуса R = 3400 км . Предполагается , что на нее нале тает облако частиц в виде цилиндрического слоя радиусом R 0 и высотой L 0 со скоростью n 0 , направленной вдоль оси цилиндра к центру планеты . Рассмотрим два набора исходных параметров . В обоих случаях R 0 = 1.1R (что больше радиуса Марса примерно на толщину е го атмосферы ). Начальный радиус каждой частицы равен 1 мм . В случае (а ) L 0 = =2R 0 , n 0 = 40 км /с (что попадает примерно в середину возможного диапазона относительных скоростей космических тел в Солнечной системе ), a 0 =10 – 4 ; во втором L 0 = R 0 , n 0 = 5 км /с (вт орая космическая скорость у поверхности Марса ), a 0 =10 – 5. Расчет начинается с высоты 400 км над поверхностью планеты . На двух рисунках представлены распределение давления (тоновая шкала ), плотности газа (изолинии с отмеченными значениями — в единицах невоз мущенной 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 набл ю дается сложное течение вокруг планеты с отражениями от оси симметрии (значения давления и плотности у поверхности постепенно выравниваются ). Модель столкнове ния 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 n 0 =40 км /с . В этом случае облако срывает бол ьшую 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 — на р ащивание 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 м омент 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 соотве т ствуют 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 возраст и . 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 п ородить 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 позвол и ли 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 необит аемой 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 , е с ли 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 объем н ой доли частиц a 0 =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 м ного 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 о дним 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 т ела 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 части ц (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 п роизойдет . 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 кратковременным и , 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 вопро су 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 невел и ка , 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 Земл и ? 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 по л учится 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. Противоастероидна я 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. О сновы 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.