Наша планета Земля обращается вокруг Солнца в разреженном рое космической пыли и крупных космических тел. По данным Википедии на поверхность Земли ежедневно выпадает 5–6 т метеоритов и, по разным оценкам и в разных местах земной орбиты, – от 300 до 20000 т метеоритной пыли. Следовательно, земная поверхность является как бы мишенью для космических ударов.

О реальности и количестве этих явлений в истории Солнечной системы свидетельствуют многочисленные кратеры на поверхности Луны и других космических тел с твёрдой поверхностью. Очевидно, столкновения космических тел в пределах Солнечной системы – продолжительный процесс, и он не ограничивается только ранней эпохой её существования.

Признание роли космических ударов в геологической истории Земли коренным образом меняет наше понимание процессов в геологии, биологии и, что особенно важно, в эволюции жизни на Земле.

Следует помнить о разнице тех явлений, которые возникают при ударах по поверхности разной природы. Обратимся сначала к сравнительно недавней грандиозной космической катастрофе – падению кометы Шумейкеров–Леви на Юпитер в июле 1994 г. При сближении с Юпитером комета мощными приливами со стороны планеты-гиганта была розорвана на 24 больших фрагмента.

От удара только одного из них (диаметр – 3–4 км, скорость столкновения – 64 км/c) выделилось количество энергии, как при взрыве 6 млн мегатонн тротила, в 750 раз больше всего ядерного арсенала на Земле, 400 млн бомб, сброшенных на Хиросиму.

Температура вспышки достигала 24 тыс. градусов, а облако газов и пыли при этом было выброшено на высоту 3000 км (половина земного радиуса!) над видимой поверхностью планеты. В местах удара тёмные пятна наблюдались несколько месяцев.

Другие результаты оставляет космический удар по твёрдой поверхности. На Луне (как и на других космических телах с твёрдой поверхностью и отсутствием атмосферы), мощный удар вызывает сильное лунотрясение, формирование кратера и выброс вещества на большие расстояния от места удара. А на Земле, окружённой неплотной атмосферой, сильные удары вызывают глобальные изменения, катастрофические для всего живого.

Для крупных метеоритов атмосфера Земли вызывает слабое торможение. Кроме этого действует эффект гравитационной фокусировки (притяжение к Земле), увеличивающий число и энергию ударов.

Луна, как ближайший космический сосед нашей планеты, занимающий с нею одну космическую нишу, должна иметь подобную ударную историю, а потому может служить аналогом при изучении прошлого Земли. Какая б не была природа «снарядов», столкновения их с Луной или Землёй происходит с близкими скоростями. Таким образом, лунную поверхность можно использовать для оценки частоты и силы ударов по поверхности Земли.

Таким образом, на Луне мы видим насыщенную кратерами поверхность лунных материков* (рис. 1). Возраст лунных материков – около 4,5 млрд лет.

Большинство кратеров тут сформировалось в раннюю эпоху, когда удары происходили часто и были существенно более мощными. Сами размеры лунных морей свидетельствуют о затоплении лавой бассейнов размерами 500 и 1000 км, которые образовались ударами метеороидов бóльших 50-ти км.

Но лунные материки неточно свидетельствуют о современной частоте ударов и не могут служить полигоном для изучения более «молодого» ударного прошлого на Луне. Действительно, лунные моря, охватывающие 16% лунной поверхности (около 5 млн кв. км), свидетельствуют об уменьшении со временем ударных событий на поверхности спутника.

По данным образцов, доставленных на Землю экспедицией Аполло, возраст лунных морей – 3,5 млрд лет. На поверхности лунных морей можно насчитать 5 кратеров диаметром 50 км и больше, т. е. один такой удар случался здесь примерно один раз на 700 млн лет. Если же учитывать меньшие кратеры размерами 25 км и более, то их на лунных морях насчитывается 29.

Эти результаты можно применить к Земле. Исходя из того, что площадь земного шара S = 4πR² ≈ 500 млн кв. км (R = 6400 км – радиус Земли) больше в 100 раз площади лунных морей, имеем: на поверхности Земли в течение 3,5 млрд лет случилось 500 столкновений, соответствующих по силе удара лунным кратерам диаметром 50 км и больше, и 2900 столкновений с Землёй, образовавших кратеры бóльшие по диаметру 25-и км (один удар в течение 1,2 млн лет.). Те же приближённые оценки позволяют получить: удары 10-километровых метеоритов и образование соответственно 100-километровых кратеров происходит на Земле один раз на 100 млн лет.

Ударные кратеры на Земле (рис. 2, 3) диаметром 20 км и более называются астроблемами Их обнаружено около 200. Это значительно меньше полученной выше приближённой оценки. Водная и воздушная эрозии, а также тектонические процессы (вулканы, сдвиги земной коры, движение материков) существенно изменили поверхность нашей планеты, так что в результате большинство из открытых кратеров проявляются только на космических снимках. Все они сильно разрушены эрозией и «замаскированы» осадочными породами. Они изменили не только внешний вид, но и координаты вследствие названых выше процессов.

Теория, лабораторное моделирование и проверка взрывами позволяют оценить последствия столкновения астероида или кометы с Землёй. Метеориты массой более 1000 т практически не задерживаются атмосферой Земли (рис. 4).

При ударе крупного метеорита энергия взрыва превосходит энергию взрывчатки такой же массы. Температура достигает 15 тыс. град., а давление превосходит 5 млн атмосфер. Вещество метеорита и соприкасающейся с ним поверхности Земли при ударе испаряется. Сила взрыва настолько мощная, что некоторые фрагменты при этом выбрасываются в космос. Так на Землю попали куски пород из Луны и Марса, десятки которых найдены в последние годы.

Большой силы удар может сорвать часть атмосферы, а удар в океане – вызвать катастрофические цунами. Атмосфера и океан стают причиной усиления экологической катастрофы и распространяют её влияние до глобальных масштабов.

Химические реакции, вызванные прохождением «снаряда» через атмосферу, вызывают глобальные кислотные дожди, а повсеместные пожары уничтожают бóльшую часть биомассы. Запыленность в воздухе усугубляется глобальным распространением пепла и дыма.

Самые тяжёлые последствия таких катастроф – в загрязнении воздушного пространства Земли. При ударе «снаряда» диаметром 1 км в воздух поднимается 10¹⁵ т породы, что равноценно взрыву десятков тысяч мегатонн тротила. Если только 1% этого количества попадает в верхние слои атмосферы (что соответствует расчётам), то поверхность Земли со временем покрывается слоем пыли толщиной несколько сантиметров.

На протяжении нескольких месяцев эта пыль остаётся в воздухе, а земная поверхность погружена в темноту. При ударе меньшего в 2 раза «снаряда» пыльное облако будет таким же по поглощению солнечного света, но не столь продолжительным.

Масса поднятой в воздух пыли вызывает глобальное снижение температуры, на планете резко похолодает. Температура на континентах снижается на 28 градусов, а в океанах – на 11 градусов (т. наз. «ядерная зима»). Вместе с дефицитом солнечного света это существенно вредит урожаям, и, как следствие, угрожает голодом в масштабах всей планеты. Это, в свою очередь, может сказаться на безопасности таких уязвимых структур, как государство, экономика и цивилизация вообще.

Имеются геологические свидетельства глобальных катастроф в истории нашей планеты. Известно пять случаев массового вымирания от 20 до 50 процентов всех видов живых организмов на Земле. Широко известна катастрофа 65 млн лет назад, когда на границе Мезозойской и Кайнозойской эр исчезли динозавры.

Не менее чем 10-ти километровый метеорит столкнулся тогда с Землёй на космической скорости. Обнаружен даже кратер этого столкновения с соответствующим возрастом и морфологическими (структурными) особенностями. Это кратер Чиксулуб диаметром 180 км на полуострове Юкатан в Мексике. Более половины его структуры находится под водами Мексиканского залива.

Расчёты показывают, что вызванное таким метеоритом цунами могло достигать высоты 500–1000 м. Это, а также существенное угнетение процессов фотосинтеза при отсутствии достаточной освещённости, стало катастрофой для земной биосферы: вымерло около 75% биологических видов и 90% всех живых организмов.

Веским аргументом в пользу реальности этой космической катастрофы стали обнаруженные во многих местах земного шара отложения иридия (металла, характерного для метеоритов, но редкого для земной коры), на границе Мезозой – Кайнозой, в 160 раз превосходящие его наличие в земной коре. По количеству рассеянного в глобальном масштабе иридия размер снаряда-астероида оценивается в 10 км, или это могла быть существенно бóльшая комета с таким же количеством иридия и соответственно скальной породы.

Ударная гипотеза вымирания динозавров основана, главным образом, на совпадении времени вымирания со временем образования кратера Чиксулуб. Её называют ещё гипотезой Альвареса по имени автора открытия обогащённой иридием границы Мезозой – Кайнозой американского учёного Л. Альвареса (1911–1988). Отметим также, что гипотеза, объясняющая причины загадочных массовых вымираний живых организмов падением метеоритов, не получила ещё всеобщего признания.

Из недавних космических катастроф привлекает внимание т. наз. «Тунгусское чудо» 30 июня 1908 року. Многие учёные считают, что это следствие взрыва в земной атмосфере небольшого кометного ядра. Мощность взрыва была эквивалентна тысячи атомных бомб.

Грохот взрыва было слышно на расстоянии 1200 км, в радиусе 500 км ударная волна выбила стёкла, а в радиусе 60 км был повален лес. Пожары и разрушения охватили 2 тыс. кв. км площади тайги. Настолько масштабная катастрофа в густонаселённом пункте могла бы разрушить такой большой город, как Нью-Йорк.

Расчёты показывют, что масса тела достигала миллиона тонн (радиус – около 200 м), а взрыв произошёл на высоте 7 километров вследствие внезапного разогрева при встрече на космической скорости с атмосферой Земли. Кстати, в ледовых отложениях Антарктиды, относящихся к 1908–1909 годам, обнаружено избыточное содержание иридия.

Тот факт, что на месте взрыва не удалось обнаружить ни одного метеорита значительных размеров, а только оплавленные каменные и металлические микроскопические шарики, свидетельствует о том, что взорвалось кометообразное тело с примесью пыли.

Какие же меры безопасности может предпринять человеческая цивилизация для защиты от ударов из космоса? Прежде всего, необходимо учесть все потенциально опасные астероиды. Условно такими считаются имеющие диаметр больше 100 м и приближающиеся к Земле ближе 7 млн км (18 расстояний к Луне). Согласно наблюдениям космического телескопа Wise, таковых обнаружено около 5 тыс. Пересекающих орбиту Земли или близко приближающихся к ней ныне насчитывается около 500 астероидов.

Среди них – крупный астероид Апофис (диаметр – около 300 м, масса – около 20 млн т), приближавшийся к Земле в 2013 году. Согласно расчётам, он вернётся к Земле 3 апреля 2029 г. и пройдёт мимо неё на расстоянии 38 тыс. км (в 10 раз ближе Луны!). Его столкновение с Землёй вызвало бы в 100 раз большие разрушения по сравнению с Тунгусской катастрофой.

Как считал ведущий украинский исследователь комет К.И. Чурюмов (1937–2016), освоение методов посадки космических аппаратов на астероиды (в т. ч. и на ядра комет) имеет большое значение для космической безопасности нашей цивилизации. Впервые этот вопрос остро возник в 60-х годах ХХ столетия, когда астероид Икарус (диаметром около 1 км) приближался к Земле. Он прошёл тогда на расстоянии около 6 млн км.

Было бы неправильно считать, что человечество совсем беззащитно перед метеоритной безопасностью. Современные боевые ракеты позволяют встретить метеорит на расстоянии от Земли и разрушить любое космическое тело диаметром до 1 км. Другая идея защиты Земли заключается в смещении астероида с опасной орбиты при помощи удара или взрыва на поверхности космического тела.

Для изменения орбиты опасного астероида группа американских учёных предложила ещё такой неожиданный метод влияния на орбиту, как покраска половины астероида светлой краской. Под влиянием солнечного излучения (температурный фактор, световое давление) должны меняться тепловые и отражательные свойства астероида, так чтобы повлиять должным образом на его орбиту.

Один из проектов космической защиты уже реализован в США. В 1995–2007 годах NASA (National Aeronautics and Space Administration) и Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory) завершили программу NEAT (Near Earth Asteroid Tracking). В свою очередь, преемником этой программы стала другая – «Космический караул», в рамках которой запланировано зарегистрировать 90% околоземных астероидов диаметром более 1км.

В заключение обратим внимание на то, что всё большее число специалистов разного профиля склоняются к мнению о существенном влиянии космических катастроф на процесс эволюции и возникновения новых биологических видов на Земле.

Освобождённое жизненное пространство обеспечивает условия для очередного беспрепятственного витка новых видов, увеличивая тем самым биологическое разнообразие биосферы. Без вызванного космическими ударами массового вымирания было бы существенно меньше возможностей для биологической эволюции жизни на планете. Воистину – нет худа без добра.

СЛОВАРИК

Астероид (от гр. αστεροειδης – звездоподобный) – большое космическое тело.
Астроблема (от гр. αστρον – звезда и προβλημα – проблема) – большой ударный кратер на поверхности Земли.
Глобальный (от лат. globus –шар) – охватывающий весь земной шар.
Эквивалентный (от лат. – aequivales – равноценный) – равнозначный, одинаковый.
Эрозия (от лат. erosio – разъедание) – разрушение поверхностных пород под действием воды и ветра.
Мегатонна (от гр. μεγας –огромный, миллион и тонна) – миллион тонн.
Метеорит (от гр. μετεωρος – той, що в повітрі) – космическое тело, которое падает на Землю.
Тектоника (от гр. τεκτονική –строение) – наука, изучающая строение и движение земной коры.
Тротил (от гр. τρι и толуол) – взрывчатое вещество.

Источники
Журнал «Sky and Telescope», (иллюстрации).

И.А. Дычко, кандидат физико-математических наук, г. Полтава

По теме: