Кратко — система раннего предупреждения, набор инженерных мер и оценка эффективности сценариев вмешательства для метеороидов $10-100$ м (на примере Челябинска 2013).
1) Система раннего предупреждения (слой за слоем)
- Дальнее обнаружение: космический инфракрасный телескоп (L1/L2 или венускающее), наземные широкопольные обзорные телескопы (панорама + ночной видимый/инфракрасный).
- Трекинг и уточнение орбиты: быстрое многократное наблюдение, астрометрия, радиометрия; автоматическое вычисление вероятности столкновения (impact probability) и графиков возможных неисправностей (impact corridor).
- Характеризация: спектроскопия/радиолокация для оценки состава, плотности, прочности (важно для высоты разрушения).
- Сеть датчиков вторичного подтверждения: оптические все-небо камеры, радары, спутниковая наблюдение, инфразвуковые и сейсмические сети для фиксации входа в атмосферу.
- Центр принятия решений и оповещения: международный/национальный координационный центр (как PDCO), заранее проработанные протоколы оповещения граждан, служб и предприятий.
2) Инженерные методы снижения риска (по времени до возможного входа)
- Долгосрочно (годы): кинетический импактор, гравитационный трактор, серия небольших импактов (медленное изменение орбиты).
- Среднесрочно (месяцы): экстренный кинетический импактор (при возможности запустить и стыковать), стэнд-офф ядерный взрыв (удар по летящему телу/его разогрев и фрагментация) — политически и технич. спорно.
- Короткосрочно (дни–часы): эвакуация/убежища, предупреждение населения, закрытие стекол и укрепление инфраструктуры.
- Всегда: укрепление критической инфраструктуры, стандарты по защите от ударных волн и летящих обломков, автоматические системы оповещения.
3) Расчёт кинетической энергии для тела диаметра $20$ м:
- радиус $r=10$ м, объём сферы $V=\frac{4}{3}\pi r^3$ ⇒ $V=\frac{4}{3}\pi \cdot 10^3\approx 4188.79{\mathrm{m}}^3$.
- плотность $\rho =3000kg/{\mathrm{m}}^3$ ⇒ масса $m=\rho V$:
$$m=3000\cdot \frac{4}{3}\pi \cdot 10^3\approx 1.2566\times 10^7\mathrm{kg}.$$ - скорость $v=17km/s=17000m/s$. Кинетическая энергия
$$E=\frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}\cdot 1.2566\times 10^7\cdot (17000{)}^2\approx 1.82\times 10^{15}\mathrm{J}.$$ - В тротиловом эквиваленте (1 мегатон $=4.184\times 10^{15}\mathrm{J}$):
$$E\approx 0.43\mathrm{Mt}\mathrm{TNT}.$$ (Энергия схожа с оценками Челябинска — порядка $0.3-0.6$ мегатонн в зависимости от фрагментации и высоты взрыва.)
4) Оценка последствий и радиусов повреждений (приблизительно)
- Если тело разрушается в атмосфере (высота взрыва $20-40$ км): крупномасштабных кратерных последствий нет; ударная волна может ломать стекла и наносить ранения от осколков в радиусах десятков километров; тяжелые структурные повреждения локализованы (несколько км).
- Если добирается до поверхности (редко для плотного каменного тела 20 м): локальный кратер, сильные разрушения в радиусах единиц км, осколки/пожары ближе к эпицентру.
Примерные радиусы (очень ориентировочно и зависят от высоты взрыва): для взрыва $\sim 0.4$ Mt
- сильные повреждения зданий ($\gtrsim 5$ psi): $\sim$ a few km;
- стекла и лёгкие ранения ($\sim 1$ psi): $\sim 10-30$ km;
- неприятные эффекты ударной волны (шум, мелкие повреждения): до $50-100$ km в отдельных направлениях при благоприятной атмосфере.
5) Эффективность сценариев вмешательства (оценка по времени предупреждения)
- Предупреждение годы: лучшая опция — дефлекция (кинетический импактор или гравитационный трактор). Нужная дельта‑v растёт обратно пропорционально времени: при $T$ до столкновения требуемая по порядку величина
$$\Delta v\sim \frac{R_{\oplus }}{T}$$ Пример: смещать место перетечения на $R_{\oplus }\approx 6.37\times 10^6\mathrm{m}$: при $T=1$ год ($3.15\times 10^7\mathrm{s}$) нужно $\Delta v\sim 0.20m/s$; при $T=1$ месяц — $\sim 2.5m/s$; при $T=1$ неделя — $\sim 10m/s$. Для $m\approx 1.26\times 10^7\mathrm{kg}$ это соответствует импульсу $m\Delta v$ — легко достижимо кинетическим импактором умеренной массы (с учётом эффекта выброса масс $\beta$). Итого: при годах — дефлекция высокоэффективна.
- Предупреждение месяцы–недели: кинетический импактор — возможен, но срочные запуски и точное стыковочное наведение требуются; ядерный стэнд-офф — высокоэффективен для срочного исправления орбиты, но политически и экологически спорен.
- Предупреждение дни–часы: физически дефлекция малореализуема; основной метод — гражданская защита: эвакуация и укрытие. Эффективность эвакуации зависит от сужения эллипса вероятного попадания (impact corridor). При хорошо локализованной цели эвакуация населения в радиусе риска (несколько десятков км для воздушного взрыва) предотвращает большинство травм. При малоинформативном прогнозе — эвакуации больших масс менее практичны.
- Нулевое/мало предупреждения (часы): укрытие в прочных помещениях, удаление от окон, временные убежища — лучший доступный способ уменьшить травмы от стекол и осколков (как в Челябинске).
6) Практические рекомендации (коротко)
- Инвестировать в космический инфракрасный наблюдатель для раннего обнаружения тел $<100$ м.
- Создать и отрепетировать международные процедуры: классификация угрозы, градация ответных мер, протоколы для пуска миссий дефлекции.
- Для национального уровня: планы эвакуации и убежищ, стандарты по защите стекол и коммуникаций, автоматические системы оповещения.
- Технологическая подготовка: готовые к запуску кинетические импакторы малой массы, отработанные ядерные опции на уровне политических решений на случай крайней необходимости, испытания гравитационного трактора и моделирование фрагментации в атмосфере.
Вывод: для метеороидов $10-100$ м ключ — раннее обнаружение. При годах–месяцах до столкновения дефлекция (кинетический импактор/гравитационный трактор) — реалистична и эффективна; при неделях–часах — основной инструмент — эвакуация и гражданская защита; для тел ~20 м (пример расчёта выше) ожидаемая энергия ~$1.8\times 10^{15}\mathrm{J}$ (~0.43 Mt), т.е. риск крупного воздушного взрыва с зоной повреждений в десятках км — планировать предупреждение/укрытие и при возможности стремиться к дефлекции при любом доступном времени.