Катастрофы в природе: удар из космоса

Предисловие

«Да, конечно, человек создал технику, чего не создал ни динозавр мезозойской эры, ни махайродус эры кайнозойской. Однако при всех достижениях XX века каждый из нас несёт внутри себя природу, которая составляет содержание жизни, как индивидуальной, так и видовой. И никто из людей, при прочих равных условиях, не откажется от того, чтобы дышать и есть, избегать гибели и охранять свое потомство». Лев Гумилёв «Этногенез и биосфера Земли», 1989 год

В 2015 году американская орбитальная обсерватория «Hubble» сделала уникальные фотографии процесса образования планетарной туманности NGC 6565. На размещённых NASA в Интернет снимках показана звезда в стадии предсмертной агонии. Некогда она была схожа с Солнцем, но исчерпав запасы водородного горючего, превратилась в белого карлика. Через восемь миллиардов лет схожая участь ждёт и Солнце.

Задолго до того, как в 1912 году немецкий учёный Альфред Вегенер (Alfred Lothar Wegener) высказал гипотезу континентального дрейфа, палеонтологи уже принимали идею связи между разделёнными океанами массивами суши — на это указывало распространение по миру схожих окаменелостей и пород. Только к концу 1960-х годов было доказано, что из-за тектонического процесса лик планеты непрерывно меняется. За миллионы лет отдельные участки суши трансформируется в суперконтиненты, которые в свою очередь разбиваются на отдельные материки, а затем снова объединяются.

Благодаря спутниковому мониторингу и компьютерному моделированию выяснено, что спустя пятьдесят миллионов лет от настоящего момента из-за слияния Африки и Европы возникнет новый континент. Океаны изменят свой вид, а Антарктида вплотную приблизится к Южной Америке. Лик Земли ещё больше изменится через 150 миллионов лет, и только отчасти можно будет угадать очертания современных материков. Спустя 250 миллионов лет из остатков современных материков образуется суперконтинент Панагея Ультима и это произойдет задолго до того как планета остынет и исчезнет на ней жизнь.

Звёздные циклы несопоставимы с периодом жизни на Земле и тем более со временем существования Homo sapiens — человека разумного. Варианты его появления противоречивы и всё дальше отодвигаются в неизвестное прошлое но, по крайней мере, один из них связан со столкновением Земли с крупным астероидом 65 миллионов лет назад. Последовавшее за ним Великое массовое вымирание господствующих на планете рептилий дало шанс млекопитающим стать доминирующим видом.

Бесчисленные вызовы природы сопровождали становление человечества, многие поколения сменили друг друга, пока уровень научных знаний не достиг общего понимания места Земли на полотне Вселенной. В середине прошлого века они позволили человеку выйти в космос, высадится на Луну и взглянуть на Землю с окраин Солнечной системы.

С каждым проникновением в космос обнаруживаются неизвестные процессы и явления, для которых опыт изучения геологического развития Земли недостаточен. Оказалось, что в околоземном пространстве, на окраинах Солнечной системы в условиях низких температур и мощных гравитационных полей протекает полная коллизий жизнь всевозможных космических образований, указывающая на то, что представление о стабильном состоянии Солнечной системы в текущий момент ошибочно.

Её формирование далёко от завершения и заданный гравитационным коллапсом межзвёздной молекулярной туманности почти 4,6 миллиарда лет назад процесс продолжается до сих пор. Это приводит к тому, что бесчисленное множество космических тел перемещается внутри Солнечной системы, падает на планеты и их спутники, теряет массу и скорость, соударяется и меняют свои траектории не просто в геологическом масштабе времён, а непрерывно, сейчас и в каждый текущий момент времени.

Фрагменты этих процессов удаётся обнаружить астрономическими наблюдениями с земной поверхности, многое о них рассказали миссии космических аппаратов к Меркурию, Венере, Марсу, газовым планетам-гигантам и их спутникам. Сопоставление полученных данных с тем, что некогда происходило на Земле, привело к важному выводу — с ней может столкнуться крупное космическое тело, вероятность этого достаточно высока и со временем увеличивается.

В отличие от прежних времён, когда человек был не столь всесилен как сегодня, что можно противопоставить этой слепой и беспощадной угрозе? Человечество разобщено, а подпитываемая кинематографическими фентези вера в его несокрушимую мощь просто неверна. Способное уничтожить жизнь на планете атомное оружие хорошо для запугивания себе подобных. Скорее всего, оно будет бессильно перед небольшим обломком скалы перемещающегося в околоземном пространстве с огромной скоростью.

Узкий круг учёных исследующих космическое пространство несопоставим с армадой специалистов разрабатывающих всё новые и новые виды вооружений или гаджетов для общества потребления. Поможет ли это в противостоянии со ставшей абсолютной реальностью угрозе?

Благодаря накопленным знаниям о Солнечной системе и имеющиеся технические возможности позволяют при удачном расположении космических тел получать общие сведения о них. Тем не менее, вопрос защиты от астероидов начинает переходить из научных гипотез и предположений в практическую плоскость.

Относительно небольшое финансирование получают проекты по изучению астероидных тел. Создаются системы слежения за ними и автоматического определения их опасности. На ближайшие десятилетия запланировано несколько миссий космических агентств Европейского союза, Китая, США и Японии к астероидам и кометам.

Предвидеть со стопроцентной точностью катастрофический удар по Земле человечество пока не в состоянии, как и создать вовремя средства для его предотвращения. Там где нет предвидения, отчасти помогает выжить удача, но полагаться на неё в XXI веке всё равно, что ничего не делать.

Эта книга продолжает научно-популярную серию «Катастрофы в природе» включающую рассказы о землетрясениях (2016, 2017), вулканах (2016), гравитационных перемещениях вещества на Земле (2016) и водной стихии (2017). Книга будет полезна всем тем, кто интересуется исследованиями в области наук о Земле и космического пространства.

Батыр Каррыев

Доктор физико-математических наук, 2017 год

E-mail: mweb2016@mail.ru

https://sites.google.com/site/2017sibis

Неография Солнечной системы

«Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки». Стивен Хокинг «Краткая история времени», 1987 год

Мимолётный взгляд на звёздное небо рождает ощущение неподвижности и безжизненности космического пространства. Однако это не так. Движение Земли не требует доказательств — из-за него происходит смена дня и ночи, а полный оборот вокруг своей оси планета совершает за 23 часа 56 минут 4 секунды. На экваторе линейная скорость вращения составляет 1674,365 км/час, а обращение Земли вокруг Солнца происходит за один год или 365,26 солнечных суток.

О том, каких скоростей может достигать движение космических тел относительно друг друга достаточно упомянуть о падении в середине 2016 года кометы из семейства Крейца на Солнце. Скорость её сближения со светилом превысила два миллиона километров в час. Иными словами эта испарившаяся в солнечной короне масса льда и космической пыли могла бы пересечь диск Земли за 22 секунды, а Солнца за 37 минут.

В свою очередь Солнечная система со скоростью 828000 км/час смещается относительно центра галактики Млечный Путь, совершая полный оборот вокруг неё за 230 миллионов лет. Помимо этого сама наша галактика перемещается относительно других галактик. С начала времён трансформация и движение это неотъемлемое свойство известной части Вселенной.

Звёздное небо помогает заглянуть в прошлое, оно же предоставляет возможность узнать судьбу Солнечной системы и будущее Земли. Эта история записана в рельефе космических тел, примерно также как старые граммофонные пластики сохранили музыку и голоса ныне ушедших в вечность людей.

Изучение других планет способствует пониманию эволюции Земли, и того как сформировалось её внутреннее строение, поскольку совершить межпланетное путешествие на другие планеты Солнечной системы оказалось легче, чем проникнуть в мантию или земное ядро. Практически невозможно произвести непосредственные изучение земного вещества на глубинах в сотни и тысячи километров. Изучение остатков протопланет — астероидов и метеороидов предоставляет эту возможность, и узнать, как и из какого вещества образовалась Земля более 4,5 миллиардов лет назад.

Солнечная система образована звездой и вращающимся вокруг неё восьмью планетами с более 63-мя спутниками (2017), несколькими десятками комет, огромным количеством астероидов и множеством метеороидов. Все космические тела движутся по своим траекториям вокруг Солнца. Четыре ближайшие к Солнцу планеты определены как планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля и Марс в основном состоящих из силикатов и металлов. Более удалённые от звезды образования называются газовыми планетами-гигантами. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В Солнечной системе обнаружены четыре карликовые планеты: Плутон, Эрида, Макемаке, Хаумеа, а в целом, вероятно, их значительно больше.

На геологической шкале времени жизнь на Земле возникла почти одновременно с её образованием — на разогретой непрерывно бомбардируемой астероидами поверхности. Это ставит вопрос, как и почему это произошло? Ответ на него даст разгадку тайны возникновения жизни во Вселенной и возможности существования разумных существ на других планетах.

Начало изучения космических объектов можно отнести к размышлениям древнегреческого учёного Демокрита Абдерского и его гениальной концепции множественности миров. Только спустя сотни лет одним из первых внимание на строение поверхности иных, чем Земля космических тел, обратил итальянский учёный Галилео Галилей.

«Существует безграничное множество миров, различающихся по размеру и в некоторых из них нет ни Солнца, ни Луны, в то время как в других их больше, чем у нас и они больше по размеру. Промежутки между мирами не созданы равными, здесь они больше, там меньше, некоторые из них растут, другие процветают, третьи распадаются, здесь они рождаются, там умирают, уничтожаются при столкновении друг с другом. И некоторые из миров голые, без животных и растений, покрытые водой». Высказывание Демокрита Абдерского (по Святому Ипполиту Римскому, около 170—235 гг.).

В 1610 году Галилей опубликовал работу «Звёздный вестник, открывающий великие и в высшей степени удивительные зрелища». В ней он отметил: «Поверхность Луны не вполне гладкая, лишённая каких-либо неровностей и идеально шарообразная, как полагает одна философская школа. Напротив эта поверхность очень неправильная, испещрённая ямами и поднятиями, в точности, как и поверхность Земли, которая повсюду испещрена высокими горами и глубокими долинами».

В 1609 году в книге «Новая астрономия» немецкий учёный Иоганн Кеплер сформулировал основные положения о движении вокруг Солнца планет, а в книге «Гармония мира» (1618) привёл расчёт их вращения вокруг светила — три Закона Кеплера. Тем самым был предложен научный подход к определению количественных параметров перемещения космических объектов вокруг Солнца.

Планета это вращающееся по орбите вокруг звезды или её остатков небесное тело, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции, сумевшее очистить окрестности своей орбиты от более мелких скоплений протовещества (планетезималей).

Открытые Кеплером закономерности с высокой точностью объяснили обнаруженную ранее неравномерность движений планет. Он ввёл строгие понятия об их орбитах, термины «спутник» (Narratio de Iovis Satellitibus, 1611), «инерция» и др. Уравнение Кеплера используется и сегодня в астрономии для определения положения небесных тел.

С появлением точных наук удалось разгадать тайну формирования Солнечной системы. Их краеугольным камнем стало учение Исаака Ньютона о всемирном тяготении, согласно которому сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств.

Сформулированные Ньютоном законы классической механики позволили объяснить происходящие в недрах Земли, её атмосфере и гидросфере динамические процессы. Таких как приливы и отливы в океанах, прецессию земной оси, особенности движения Луны, сжатие Юпитера, орбиты его спутников и многие другие.

Новый этап в понимании Вселенной и места в нём Солнечной системы связан с Альбертом Эйнштейном. Он внёс важный вклад в теоретическую физику, создание новых физических концепций, построению теории гравитации взамен ньютоновской. Работы Эйнштейна заложили не только основы квантовой теории, но и образуют фундамент физики XXI века.

Спутник или луна это небесное тело, обращающееся по определённой траектории — орбите вокруг другого объекта в космическом пространстве под действием гравитации. У спутников могут быть свои луны. С выводом космических аппаратов в космос появилось понятие искусственного спутника (ИСЗ). В 1957 году 4 октября СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли. В 2009 году 10 февраля впервые в космосе столкнулись два ИСЗ — российский «Космос-2251» и американский «Iridium 33».

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил разбег галактик, что подтвердило справедливость гипотезы Большого Взрыва бельгийца Жоржа Леметра (Georges Henri Joseph Édouard Lemaître, 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 «Víctor 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.