|
На главную costroma.k156.ru |
Е. Шиховцев
Через миллиард лет Солнце, претерпевая в ходе своей термоядерной эволюции небольшой, но верный разогрев, станет отпускать в пространство примерно на 10% больше энергии, чем сейчас. По расчётам учёных, этого окажется достаточно, чтобы на Земле испарились все океаны, моря и реки, и жизнь в привычных нам декорациях (и даже в непривычных, с поправкой на миллиард лет будущей эволюции) завершилась бы.
А ещё в планетной зоне Солнечной системы летает порядка нескольких миллионов астероидов, и около 1% из них могут за миллиард лет приблизиться к Земле, а то и ударить в неё. Есть и триллионы комет в дальних зонах Солнечной системы, и за миллиард лет часть из них тоже может скользнуть рядом или ударить по нашей планете.
Но не спешите восклицать: «Как страшно жить!» Минус на минус в математике даёт плюс, и в астрономии, как мы сейчас с облегчением увидим, тоже.
Чтобы сохранить поток солнечной энергии в теперешних рамках, нужно отодвигаться от Солнца по мере его разогрева (а в более отдалённом будущем, через 4–5 млрд. лет, когда Солнце станет остывать, превращаясь в белый карлик, надо будет, наоборот, приближаться к нему). Если излучение вырастает на 10%, то радиус орбиты надо увеличить на 5%*.
_______
* Нас волнует не вообще мощность излучения, а удельное количество, в Ваттах на кв. м. Для расчёта этой величины делят мощность излучения на площадь сферы. Мы говорим о Земле, значит, имеется в виду сфера того же радиуса, что и радиус земной орбиты, 150 млн. км. Площадь сферы пропорциональна квадрату её радиуса. Поделив 110% мощности на (105%)2 радиуса, получим величину, весьма близкую к единице, чего нам и желательно добиться: чтобы удельная мощность излучения (её называют солнечной постоянной) не менялась. Хотя яркость, цвет и видимый размер Солнца на земном небосводе при этом меняться будут. Но это отдельная тема.
Легко сказать, сдвинуть на 5% с орбиты планету массой 6 триллионов триллионов кг, несущуюся вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек! Я попробовал вариант с солнечными парусами, но, увы, их размер нужен был бы порядка миллиона км, чтобы за миллиард лет придать Земле нужное центробежное ускорение. Такую снасть не принайтуешь к планете с размерами в сто раз меньше. Земля и так есть солнечный парус, ведь она испытывает отталкивание от Солнца за счёт отражения трети падающего излучения. Вот только сила этого отталкивания равна... одной десятитриллионной (~10–13) от силы гравитационного притяжения Земли к Солнцу. Всё равно как если бы Земля была бы соразмерно легче на пару сотен кубических километров породы (т. е. соскребла бы с себя 0,4 мм) или отстояла от Солнца на 1,5 см дальше.
Тогда я задумался о гравитационной праще. Точнее, о миллионах пращей, – астероидов и комет. Если такое тело, проходя вблизи Земли, тормозится, то Земля ускоряется. Механизм точного расчёта эффекта гравитационной пращи требует не очень простой математики*, но суть его можно попробовать описать и без формул. Если мы помещаем нуль координат на Солнце, то всякое малое космическое тело, проходя вблизи Земли, немножко обменивается с ней скоростью. Земля (точнее, её гравитационное поле) тут играет роль пращи, а проходящий мимо небесный странник – роль камня, хотя и название эффекта и образы пращи и камня не совсем удачны. Камень из пращи всегда вылетает с укорением, а в случае системы Солнце – Земля – астероид (или комета) результат (хоть для Земли, хоть для астероида или кометы) может быть с любым знаком, то есть в половине случаев это ускорение, а в половине – замедление.
_______
* Вы можете найти нужные формулы и поясняющие рисунки, пройдя, например, по ссылкам, приводимым в Википедии в статье «Гравитационный манёвр», а лучше – в её английском аналоге «Gravity assist».
Что конкретно произойдёт с Землёй, ускорение или торможение, и насколько сильное, зависит от того, с какой скоростью, под каким углом и на какое минимальное расстояние сближается с нами астероид или комета, но эти факторы, влияют на итог, скажем так, не критично. Траектория подлёта определяет знак процесса: обычно, если тело летит более или менее «навстречу» полёту Земли вокруг Солнца, то Земля своей гравитацией даст ему, так сказать, верченый удар, ускорит его движение (чаще всего в 2–3 раза), а сама за счёт этого замедлит движение по cолнечной орбите и немного просядет ближе к Солнцу. Если же тело более или менее «нагоняет» Землю в её орбитальном движении, то всё будет наоборот: тело замедлится, а Земля ускорится и отодвинется от Солнца. Скорость подлёта тела и, опять же, конкретные параметры орбиты подлёта (угол пересечения с орбитой Земли и расстояние наибольшего сближения) влияют на величину ускорения/замедления: чем скорость больше, а траектории параллельнее, тем больше будет эффект. Но эти факторы, за редкими исключениями, изменяют величину эффекта тоже не более чем в 2–3 раза. А вот от массы тела величина эффекта зависит практически линейно, и это решающий фактор. Если мы хотим сдвинуть земную орбиту на 5% (неважно, расширить или заузить), то нам нужно, чтобы с Землёй за миллиард лет провзаимодействовали небесные странники суммарной массой порядка 5% массы Земли (это если каждое взаимодействие происходит при самых оптимальных значениях орбит и скоростей подлёта). Если же более реалистично исходить из того, что орбиты и скорости не всегда будут идеальны, то, скажем, нам понадобится суммарная масса порядка 10–20% земной.
Откуда будущие земляне-космонавигаторы могли бы получить такую массу? Разведанная масса астероидов главного пояса, вращающихся между Марсом и Юпитером, этак на три порядка меньше. Подрасти-то она, я не сомневаюсь, подрастёт по мере прогресса астрономических наблюдений и физических расчётов, однако не на три же порядка! За Нептуном лежит пояс Эджуорта-Койпера, где объектов побольше и скорости их на подлёте к Земле будут тоже больше (это простое следствие законов гравитации: чем дальше от Солнца вытянут эллипс орбиты небесного тела, тем больше будет его скорость на подлёте к планетной зоне Солнечной системы: представьте себе для наглядности, что это тело «падает» к Солнцу под воздействием силы притяжения). Большая скорость – это очень важный фактор. Если мы ждём, что проходящее тело нас ускорит, то оно должно нас нагонять, двигаться быстрее, чем Земля по орбите, то есть быстрее 30 км/сек, а это встретишь в наших краях нечасто. Главный пояс астероидов, как правило, таких спринтеров не поставляет. Суммарная масса объектов пояса Эджуорта-Койпера примерно решила бы задачу удлинения орбиты Земли на 5%, но организационной работы такое поголовное рекрутирование потребовало бы немеряно. К счастью, Солнечная система на поясе Эджуорта-Койпера не кончается. На внешних границах Солнечной системы, в облаке Оорта, объектов уже не миллионы, а триллионы, и их совокупная масса в сотни, а то и в тысячи раз превышает массу Земли (а скорости их в районе Земли будут, соответственно, ещё выше, что повышает эффективность гравитационной пращи).
За миллиард лет очень большое число всех этих наших дальних родственников и сами по себе нанесут визиты в наши края, а при наличии желания будущие хозяева Земли смогут, конечно же, наладить и дополнительную целевую их транспортировку на старт терра-орбитальных гравитационных манёвров. К тому же маленькие тела – это хорошо возобновляемый ресурс. Да, ускоряя Землю, они сами теряют скорость и «проваливаются» ближе к Солнцу (законы сохранения никто не отменял!). Но, во-первых, сейчас львиная доля из них летает дальше Марса, так что определённый запас для падений у них есть. А во-вторых, приблизившееся к Солнцу тело можно без особых затрат возвратить, если оснастить его хотя бы тем же солнечным парусом и подождать достаточно долго (а запас времени в миллиард лет – это достаточно долго). Например, астероид поперечником 100 м, оснащённый солнечным парусом такого же размера, упавший, скажем, к орбите Меркурия, возвратится на орбиту Земли через полмиллиарда лет*. Если оставлять «отработавшие» тела на орбитах ниже орбиты Земли, они в ходе распухания Солнца в красного гиганта испарятся в его разрежённых, но горячих плазменных объятьях. А это расточительство, потому что, как уже было сказано, они нам понадобятся позже для торможения Земли, чтобы приблизить её к Солнцу на стадии превращения последнего в белый карлик.
_______
* Приближённо срок путешествия от орбиты радиуса R1 (млн. км) до орбиты радиуса R2 (млн. км) для астероида поперечником L (км) и плотностью ок. 3 г/см3 за счёт тяги солнечного паруса такого же характерного размера L равен:
t (млн. лет) ≈ 0,6•L2,5•(R22,5 – R12,5).
Движок на солнечном парусе хорош только для мелких тел, размерами не более сотни-другой метров. Более крупные тела потребуют для своего возврата на далёкие орбиты иных решений. Например, сложными гравитационными манёврами, задействуя крупные планеты, можно восстанавливать дальность орбит и довольно массивных тел. Такого рода управление нами уже осваивается на практике (неоднократные манёвры Вояджеров тому прекрасный – и уже исторический! – пример).
В общем, на всякий случай нам надо относиться к каждому небесному телу, а особенно к таким благодетелям, как Апофис (или кто там сейчас на вершине тревожного списка), крайне бережливо (не взрывать их хотя бы!). Чем ближе расположена точка наибольшего сближения странника с Землёй, тем, с одной стороны, опаснее, но, с другой стороны, тем сильнее его праща нас ускорит. И все те двигательные средства, которые уже предложены и будут ещё изобретены для отвода потенциально опасных астероидов и комет (солнечные и электрические паруса, двигатели малой тяги и т. д.), нужно будет задействовать для привода буквально всего, что шевелится, к нам. Привода желательно на грани фола, почти чиркая по атмосфере, но, конечно, не врезаясь в Землю. Хотя тут нужны уже конкретные расчёты в каждом случае. Иногда, может быть, выиграв в толчке один раз, мы настолько низко уроним тело-пращу, что вторично оно нам уже не послужит. А в ближних окрестностях необходимой нам массы явно недостаёт, и если мы хотим рачительно ею распорядиться, желательно возвращать камни, а не просто разбрасывать их. Идеальная схема скорее похожа не на пращу, а на бумеранг. Речь идёт о миллиардах гравитационных манёвров. Это грандиозная планомерная работа на все десять миллионов веков, с темпом порядка одного события в несколько месяцев.
Трудно рассуждать о технике и экономике далёкого, фантастически далёкого будущего. То ли делать ставку на повторное использование гравитационных бумерангов? То ли не возиться с их возвратом, а найти путь к более дальним, но и более богатым и качественным ресурсам? То ли реализовать некую иерархическую схему: сперва целенаправленно укрупнить небесные тела путём регулируемых аккуратных слипаний, и уже этим малочисленным, но высокоэффективным ресурсом дирижировать? То ли...???
Честно говоря, я практически не сомневаюсь, что попал пальцем в небо. Не может быть так, чтобы в 10.000.000-м веке, после того, как род Homo Sapiens сменят не один и не два раза неведомые эволюционные преемники, технологии строились бы на том, что теоретически было предложено в начале 20-го века, а практически может быть реализовано где-нибудь в 21–22 веках*. Написал я это сугубо ради политкорректности**. Все поголовно (и я, грешный, на этом сайте) видят в астероидах и кометах в основном угрозу, расписывают последствия прошлых и возможных будущих ударов, астероидных зим и т. п. Вот и показалось моральным долгом написать страничку о светлой стороне их силы. Давайте любить их, а уж наши немыслимо далёкие потомки, поверьте, легко разберутся с такой мелочью, как туда-сюда подвигать орбиты каких нужно планет. Если им это вообще будет нужно.
_______
* И вообще, отнюдь не все проблемы выживания биосферы Земли в ходе эволюции Солнца предложенная схема решает. Можно путём миллиардов маленьких толчков за миллиард лет отдвинуть Землю от Солнца; можно аналогично потом отбуксировать её к белому карлику. Но совершенно нереально будет футболить Землю туда-сюда по орбите на неизбежной стадии пульсаций красного гиганта. Это вспышки продолжительностью порядка нескольких веков, случающиеся с периодичностью порядка раз в десятки тысяч лет. Амплитуда излучаемой мощности меняется при пульсациях весьма значительно. Комариными толчками мы не успеем сместить Землю на значительные расстояния за столь краткие сроки как десятки тысяч лет, а тем более века. Разве что в праще задействовать через какую-то систему иерархических передаточных воздействий Венеру, Марс или что-то похожее, слепленное из мелкого стройматериала. Фактически, перекроить всю ближнюю к нам (а возможно, и дальнюю) планетную группу Солнечной системы. Но, скорее всего, тут нужны будут какие-то совершенно иные подходы.
** И ещё немножко из науч-поповского посыла: рассказать кое-что о гравитационной праще в развитие того, что раньше уже писалось.
15 ноября 2016