Катастрофы в природе: удар из космоса. Факты, причины, гипотезы, последствия

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил разбег галактик, что подтвердило справедливость гипотезы Большого Взрыва бельгийца Жоржа Леметра (Georges Henri Joseph Еdouard Lema?tre, 1927) и русского учёного Александра Фридмана (1922). Фридман показал, что Вселенная не может быть статической и за несколько лет до открытия Хаббла, в точности предсказал его результат. Это кардинально изменило научное понимание Вселенной и доказало существование других галактик помимо Млечного Пути.

Эдвин Хаббл автор эмпирического Закона Красного смещения для галактик (Закон Хаббла), который, если интерпретировать красное смещение как меру скорости удаления, согласуется с решениями уравнений общей теории относительности Эйнштейна для гомогенных изотропных расширяющихся пространств. Его исследование стало первым подтверждением теории Большого Взрыва. Наблюдаемые скорости далёких галактик, взятые вместе с космологическим принципом, показали – Вселенная расширяется, что согласуется с моделью Фридмана-Леметра построенной на основе Общей теории относительности Эйнштейна.

Открытие факта расширяющейся Вселенной изменило существовавшие представления о природе формировавшееся на протяжении тысяч лет. Как и в случае с геоцентрической моделью Солнечной системы Птолемея, Земля оказалась не её центром, а всего лишь одним из фрагментов космоса. Это сделало возможным объяснить многие загадки столетиями не дававшим покоя людям, но поставило ещё больше вопросов об устройстве мирозданья.

Одними из них является существование чёрных дыр, гипотетических тёмной материи и энергии. В 2013 году по данным наблюдений космической обсерватории «Planck» Европейского космического агентства (ESA), определено, что общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9% из обычной – барионной материи, на 26,8% из тёмной материи и на 68,3% из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1% состоит из тёмной материи и тёмной энергии.

В 2017 году международная группа исследователей опубликовала фрагмент первой карты распределения тёмной материи (Dark Energy Survey, DES) в доступной современным средствам наблюдений части Вселенной. Она показывает волокна из тёмной материи усеянные галактиками, а также провалы между ними. Для построения карты использовались данные полученные с помощью цифровой фотокамеры разрешением 570 мегапикселей установленной на телескопе «V?ctor M. Blanco» обсерватории Черро Толедо в чилийских Андах.

«Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время – так называемый Большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в ещё более ранние времена и происходили какие-либо события, они всё равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла». Стивен Хокинг «Краткая история времени», 1987 год.

Вплоть до середины прошлого века не было понимания процессов формирующих звёздные системы, а знания о строении планет и происходящих на их поверхности процессах просто отсутствовали. Особый вклад в теорию образования Солнечной системы внёс советский учёный Виктор Сафронов.

Согласно его модели (1969) период формирования Земли составил около ста миллионов лет. При этом её центральная область образовалась относительно холодной, а нагретые до температуры плавления слои были сосредоточены в её верхней части. Это поставило вопрос об инструментальном изучении объектов в Солнечной системе, поскольку другой возможности взять образцы вещества ядра Земли просто невозможно.

Одним из учёных внесших значительный вклад в программы по изучению космического пространства стал американец Карл Саган. Он занимался исследованиями Венеры, Марса и спутника Сатурна – Титана. Саган первым обратил внимание на схожесть процессов превративших Венеру в раскалённую планету и потеплением на Земле из-за парникового эффекта. Он был не только учёным, но и популяризатором астрономических исследований и космических полётов.

До полётов автоматических космических станций все знания об объектах Солнечной системы основывалось на наблюдениях с земной поверхности. И сегодня они вносят основной вклад в изучение Вселенной, но самые лучшие астрофические инструменты не способны различать даже крупные детали рельефа и тем более наблюдать протекающие в атмосфере и на поверхности других планет процессы.

«Космос – это всё, что есть, что когда-либо было и когда-нибудь будет. Одно созерцание Космоса потрясает: дрожь бежит по спине, перехватывает горло, и появляется чувство, слабое, как смутное воспоминание, будто падаешь с высоты. Мы сознаём, что прикасаемся к величайшей из тайн». Карл Саган «Космос», 1980 год.

К примеру, если бы некто находящийся на расстоянии в сто световых лет от Солнечной системы задался бы целью её исследования современными земными инструментами, то обнаружил бы только Венеру и Землю. Он не смог бы понять, как они устроены или, что происходит на их поверхности.

До полётов зондов на Луну, Марс и Венеру ничего не было известно об их веществе, строении поверхности и происходящих на ней под ней процессов. Более того все современные знания о веществе Луны основываются на изучении около 350 килограммов грунта добытых миссиями NASA по программе «Apollo», нескольких сотен граммов доставленных советскими аппаратами и изучении попавших на Землю лунных метеоритов. Сопоставимо с масштабом исследуемых объектов всего этого крайне мало для составления целостной картины о них.

Ясно одно, происходящие на поверхности и в атмосфере других планет процессы во многом не схожи с теми, что наблюдаются в земных условиях. Попытки проведения аналогий между ними чаще всего малоинформативны, а новое знание можно приобрести только организацией новых космических миссий. Важно и то, что многое из уже обнаруженного десятилетиями не находят научного объяснения, а оно необходимо для снижения рисков внеземных экспедиций.

Тем не менее, уже первое проникновение в ближний космос принесло ценный научный материал и привело к возникновению новой науки – планетологии. Хотя этот термин введён в оборот ещё в 1896 году французским геологом Станиславом Менье опубликовавшего книгу «Сравнительная геология или геология небесных тел», по сути это то, чем сегодня занимаются учёные в космосе.

Планетология это конвергенция инструментальных средств и методологии астрономии, геологии, геофизики, информатики, кибернетики, математики, химии и многих других. Для изучения протекающих на поверхности других планет процессов был востребован опыт и знания вполне земных специалистов – геоморфологов, гляциологов, картографов, метеорологов, биологов и других.

Оказалось, что в развитии тектонических структур планет земной группы есть схожие элементы. Точно установлено, что все они имеют ядро, мантию и кору. В коре этих планет имеются системы разломов, и обнаружены трещины растяжения, приведшие к образованию на Венере, Земле и Марсе рифтовых структур. На Меркурии, как и на Земле, установлены структуры сжатия. И только на Земле выделяются мощные сдвиги, складчатые пояса и пологие надвиги – шарьяжи.

Здесь важно отметить, что по отношению почти ко всем астрономическим телам Солнечной системы пока идёт процесс накопления основных сведений и очень редко удаётся зафиксировать динамические явления на их поверхности. Это происходит из-за того что нет достаточных технических и финансовых возможностей вести непрерывную съёмку с их орбиты. Тем более одного и того же участка поверхности.

В отсутствие возможности проводить непосредственные наблюдения и измерения на поверхности космических тел основным способом изучения их строения становится картографирование с использованием цифровой фотографии. В свою очередь, данные косвенных методов, таких как гравиметрия, магнитометрия, спектральный анализ и других позволяют сформировать общее представление о строении и особенностях вещественного состава внеземных объектов. При этом по детальности и информативности всё, что известно о других планетах многократно уступает знаниям о Земле и происходящих на ней физико-химических процессах.

Каждое проникновение человека в космос приводит к открытиям. Не стали исключением миссии зондов к окраинам Солнечной системы. Начиная с первых американских межпланетных станций «Pioneer 10» (1972) и «Pioneer 11» (1973) и продолжающихся уже несколько десятков лет миссий NASA «Voyager 1» и «Voyager 2» (1977). На них установлены золотые пластины с посланиями инопланетным цивилизациям, с которыми гипотетически они могут встретиться. Возможно, это произойдёт когда на Земле исчезнет современная цивилизация, как и сегодня уже нет большинства тех, кто создал эти зонды.

20 августа 1977 года начата космическая миссия NASA «Voyager». Её основной целью было исследование Сатурна и Юпитера. Зонды готовили к встрече с суровой средой планет-гигантов и в них заложили повышенную надёжность позволившую аппаратам «Voyager» проработать в восемь раз дольше ожидаемых пяти лет. На 2017 год зонд «Voyager 1» более пяти лет находился в межзвёздном пространстве – за пределами Солнечной системы.

Космические зонды впервые передали на Землю качественные снимки Сатурна и Юпитера, их спутников и вид из космоса на Землю и Солнце. Зонд «Voyager 2» первым посетил окрестности всех четырёх газовых планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Зонд «Voyager 1» первым достиг границ гелиосферы – одного из условных пределов Солнечной системы.

«Никто из нас не думал, когда мы запускали аппараты сорок лет назад, что они будут работать так долго и продолжать свои пионерские исследования. Самые интересные вещи, которые они найдут в следующие пять лет, скорее всего, то о чём мы пока даже не имеем представления». Эд Стоун, руководитель проекта «Voyager», 2017 год.

В 2016 году запущенный по программе NASA «New Horizons» (2003) зонд «Jupiter Polar Orbiter» (Juno, 2011) стал вторым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту Юпитера после зонда NASA «Galileo» (1995—2003). По этой программе зонд «New Horizons» (2006) исследовал Плутон (2015), а до этого он проводил наблюдения Юпитера и его спутников (2007).

Если благодаря этой миссии будет установлено наличие твёрдого ядра у Юпитера, то это принесёт новое замечательное знание о планетах-гигантах. О сложности и масштабности миссии говорит то, что для выхода на орбиту Юпитера зонду «Juno» понадобилось пять лет, за которые он проделал путь в три миллиарда километров.

Разработанные для исследования Земли научные методы и оборудование используются для изучения других космических тел. Астрономы и планетологи стали неогеографами, а занимающиеся географией специалисты используют компьютерные и космические технологии для наблюдения за земной поверхностью. Благодаря прогрессу космических технологий стало реальным возникновение новых научных направлений, но уже применительно к объектам исследований – астероидографии, лунографии, марсографии, плутонографии и т. д.

С развитием представлений о Земле стало понятно, что происходящие в Солнечной системе явления играют важную роль в эволюции её биосферы. Это связано в первую очередь с астероидной – кометной теорией образования воды на планете, занесением на неё жизни и, что самое актуальное на сегодняшний день – возможного столкновения Земли с крупным астероидом.

Соотношение размеров самых крупных объектов обнаруженных в Главном поясе астероидов, от крупнейшего (4) Vesta диаметром 525 км до относительно небольшого астероида (2867) Steins в 6,8 км.

Собранные данные о прошлом, обнаруженные на земной поверхности ударные кратеры, астрономические наблюдения и математические расчеты указывают на потенциальную угрозу со стороны малых космических тел (NEO) существованию цивилизации и жизни на Земле. В начале 1980-х годов их изучение стало не просто научной задачей, а жизненно необходимой для решения проблемой.

Под околоземным объектом (Near-Earth Object, NEO) понимается любое небольшое тело в Солнечной системе, орбита которого проходит рядом с земной, пересекает её или способно приблизится к ней в будущем. Объект в Солнечной системе является NEOs, если его ближайший подход к Солнцу (перигелий) менее 1,3 астрономической единицы (ua). На 2017 год обнаружено более четырнадцати тысяч околоземных астероидов (Near-Earth Asteroid, NEA), более ста околоземных комет (Near-Earth Comets, NEC) и множество метеороидов. Их падение на земную поверхность способно вызвать крупный ущерб, вплоть до уничтожения жизни на Земле.

В 2016 году NASA образовало «Planetary Defense Coordination Office» (Координационное бюро по планетарной защите) для отслеживания NEOs диаметром более 30—50 метров и принятия мер для предотвращения катастрофических последствий от столкновения Земли с ними. Европейский союз, США и некоторые другие страны приступили к изучению и обнаружению околоземных объектов.

В 1998 году NASA получило мандат Конгресса США на обнаружение всех NEOs размерами одного километра и более. В 2006 году было констатировано, что около 20% подобных объектов ещё не обнаружено. В 2011 году благодаря проекту NEOWISE заявлено, что найдено 93% NEAs размерами более одного километра и предстоит определить ещё около семидесяти.

На июнь 2017 года обнаружено 875 NEAs величиной в один километр и более, из которых 158 признаются потенциально опасными. Отметим, катастрофические последствия могут быть вызваны и объектами меньшего размера в зависимости от места падения (на сушу или океан, вблизи крупного населенного пункта, на атомную электростанцию и т.д.), а глобальную катастрофу на Земле способен вызвать всего один пропущенный крупный астероид.

Ещё недавно казалось, что исследования сейсмичности Луны представляют только научный интерес, однако планы организовать на этой планете обитаемые станции перевели их в разряд практически важных. Им могут угрожать удары метеоритов и лунотрясения. Только с 1972 по 1977 год было зарегистрировано несколько лунотрясений с магнитудами около 5,5 по шкале Рихтера.

Орбиты известных потенциально опасных астероидов (голубой цвет) размером более 140 метров на расстоянии до 7,6 млн. км от Земли (2013) и подразделение их на группы в зависимости расположения орбит относительно Солнца.

В Солнечной системе существуют две основные области с наибольшим количеством малых тела. Это пояс астероидов между Марсом и Юпитером и за орбитой Нептуна, где располагаются транснептуновые объекты. Есть и другие скопления малых тел – семейства, планетные квазиспутники и троянцы, околоземные астероиды, кентавры, дамоклоиды, а также перемещающиеся в Солнечной системе кометы, метеороиды и космическая пыль. С момента обнаружения астероидов им присваивались, как и планетам, символы, но оказалось их так много, что в 1851 году немецкий астроном Иоганн Энке предложил использовать перед названием астероида порядковый номер в круглых скобках, например – (4) Vesta.

Самые лютые морозы и высокие температуры на Земле не идут в сравнение с холодом на поверхности Луны или Марса, раскалёнными пустынями Меркурия или вулканическими плато Венеры. Так, на неосвещённой стороне лунного экватора температура составляет днём +116 градусов Цельсия, а в ночное время падает до -173 градусов.

На Меркурии температура меняется от +430 градусов до -180 градусов Цельсия. На Марсе из-за разряженной атмосферы перепады температуры столь же значительны, достигая в зиму -125 градусов, а в летнее время в среднем до +20 градусов по Цельсию. На марсианском экваторе дневная температура может достигать +27 градусов, то уже к утру падать до -50 градусов Цельсия. Зимой здесь выпадает снег, но не из воды, а из замершего углекислого газа.

Сам по себе факт огромного диапазона изменений температуры достаточный повод чтобы считать возможным протекание различных динамических процессов на поверхности других космических тел. В этой связи необходим ответ на ряд вопросов. Какими процессами формируется их рельеф? Подобны ли они тем, что происходят на Земле? Какова мощность и скорость их протекания?

Важное отличие космических объектов от земных условий это наличие или отсутствие воды и её роль в формировании их поверхности. Водяной лёд обнаруживается почти повсеместно в Солнечной системе. Его скопления найдены на Луне, Меркурии и Марсе. На спутниках Юпитера обнаружены огромные запасы воды, а Европа покрыта многокилометровым слоем льда.

Вода есть на Ганимеде и Каллисто, а одну из лун Сатурна – Энцелад полностью покрывает ледяной панцирь, из которого с огромной скоростью вырываются струи водяного пара на высоту в сотни километров. Данные наблюдений говорят о наличии воды на Нептуне, Плутоне, Сатурне, Уране и Юпитере. Спутники Плутона и Урана скорей всего также обладают водными ресурсами.

На всех этих космических телах также как и на Земле действует гравитация. Она определяет форму, особенности внутреннего строения и характер протекающих на их поверхности процессов и явлений.

Отличие Земли от всех других планет заключается в возможности существования воды на поверхности сразу в трех фазах – газообразной, жидкой и твердой. Это один из признаков, которым руководствуются при оценке возможности жизни подобной земной на других космических телах – зоны обитаемости или «Златовласки». Находясь вблизи точки плавления, вода играет огромную роль в образовании земного рельефа. С другими космическими телами это не так.

Название обитаемой зоны «Зона Златовласки» (Goldilocks Zone) проистекает из названия английской сказки «Goldilocks and the Three Bears» (Три медведя) где Златовласка пыталась воспользоваться несколькими наборами из трёх однородных предметов. Каждый раз один из предметов оказывался неподходящим ей – то слишком большим, твёрдым или горячим, другой – слишком маленьким, мягким и холодным, но третий набор удовлетворил её полностью. Для того чтобы оказаться в обитаемой зоне, планета не должна находиться слишком далеко от звезды, ни слишком близко к ней, что бы вода могла находиться в жидком состоянии, а атмосфера быть благоприятной для кислородной формы жизни.

Планеты Солнечной системы подразделяются на две группы. Первая, это планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Для них характерны относительно небольшие размеры, малое количество спутников и твёрдое состояние. В основном они состоят из силикатов и железа. Остальные, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун это планеты-гиганты. Они не похожи на Землю и, в основном, образованы из газообразного водорода и гелия. О происходящих на них процессах почти ничего не известно.

Даже по отношению к Земле находящаяся на её орбите группировка из почти двух тысяч спутников не в состоянии вести непрерывный мониторинг её поверхности. Имеющиеся видеоролики о Солнце и других планетах смонтированы из множества разнесённых между собой на значительные временные интервалы фотоскринов. Также необходимо отметить, что большинство спутников не предназначены для научных исследований, и только немногие из них оснащены оборудованием для научных работ.

Казалось бы, что астрономические наблюдения с Земли способны решить проблему, однако это не так. Несмотря на высокую чувствительность и возможность непрерывной фиксации наблюдаемых явлений телескопы различного назначения не позволяют добиться достаточной пространственно-временной детальности для наблюдения протекающих на поверхности космических объектов процессов и явлений.

Несмотря на красочные и уникальные фотографии американского телескопа «Hubble» далёких галактик он не способен рассмотреть небольшие объекты на лунной поверхности типа советского Лунохода. Поэтому фотографий или видеозаписей динамических процессов, включая падение даже крупных астероидов, на космических телах практически нет или об этом судят по оставшимся после них следам на поверхности.

Важно и то, что в ходе космических миссий собирается огромный объём данных. Для его изучения и анализа нужны время, средства и компетентные специалисты обладающими обширными знаниями в области астрономии, геофизики, геологии, неогеографии, физики и др. Они должны владеть информационными технологиями, навыками математической обработки больших данных и многим другим. Поэтому сообщения о совершённых открытиях появляются спустя годы после завершения космических миссий.

Вопрос ещё в том насколько подобные исследования востребованы обществом. Полёты на МКС стали рутиной, мягкая посадка «Philae» на комету Чурюмова-Герасименко только на несколько часов перебила по популярности интернет-повседневность и т. п. Тем не менее, несмотря на всю сложность внеземных исследований, изучение небесных тел имеет принципиальное значение для понимания геологических процессов происходивших на Земле и её будущей судьбы.