О службе прогнозирования районов и последствий падения небесных тел

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 4(6) 2015/16

Виталий А. Дерюгин (Vitaliy A. Deryugin), ведущий специалист НПО имени С. А. Лавочкина

Анатолий В. Зайцев (Anatoly V. Zaitsev), генеральный директор НП «Центр планетарной защиты»

Валерий И. Ларионов (Valery I. Larionov), первый заместитель генерального директора ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций»

Николай А. Махутов (Nikolay A. Makhutov, председатель Рабочей группы при Президенте РАН по анализу риска и проблем безопасности

Александр А. Таранов (Alexander A. Taranov), начальник Отделения общей безопасности и защиты населения Институт безопасного развития атомной энергетики РАН

Виктор А. Шор (Viktor A. Shor), ведущий научный сотрудник Институт прикладной астрономии РАН

 Оно также показало, что в мире  отсутствуют достаточно эффективные средства, гарантирующие обнаружение небольших по размеру, но несущих реальную угрозу Земле небесных тел; а также отсутствуют средства своевременного оповещения о надвигающейся угрозе. Стало ясно, что при нынешней высокой плотности населения и насыщенности Земли потенциально опасными техногенными объектами (атомные, химические и другие), падение даже небольшого небесного тела может привести к серьёзным человеческим жертвам, а также материальному и экологическому ущербу.

Поскольку подобные события могут произойти в любой момент, то было бы непростительной беспечностью не предпринять мер защиты от этой угрозы. Наиболее эффективной из них является создание Системы планетарной защиты (СПЗ), которая должна иметь международный статус. Однако, поскольку такая Система ещё не создана, то необходимо предпринять комплекс мер по минимизации ущерба от возможных космических катастроф. Важнейшими задачами при этом становятся научный анализ вероятностей и рисков, а также минимизация ущерба от возможных падений опасных небесных тел (ОНТ). Для смягчения последствий от таких падений необходимо заблаговременно определить место, время и энергию взрыва, а также его поражающие факторы и их последствия для населения и территорий. С этой целью должна быть создана Служба оперативного прогнозирования районов и последствий падений ОНТ .

В последующем она станет вспомогательным (резервным) компонентом СПЗ для подстраховки основных средств СПЗ в случаях:

– угрозы падения на Землю крупных фрагментов (декаметрового масштаба) разрушенного вблизи Земли объекта;

– малого резерва времени до столкновения объекта с Землёй, не позволяющего использовать основные средства СПЗ для его перехвата.

Принципы построения Службы прогнозирования

По заданию МЧС России нами проведена разработка принципов построения такой Службы. Важнейшим элементом этой Службы является программно-аппаратный комплекс (ПАК), объединяющий ряд программ, позволяющих моделировать сценарии катастроф, связанных с астероидной и кометной опасностью. Демонстрационный макет этого ПАК  обеспечивает (рисунок 1):

– прогнозирование движения потенциально опасных тел;

– определение условий входа небесных тел в атмосферу Земли и их характеристик;

– расчёт движения в атмосфере и места падения (взрыва);

– оценку мощности взрыва в атмосфере, на поверхности и водной акватории;

– оценку ожидаемых последствий от взрывов для наземной инфраструктуры и биосферы.

С помощью ПАК прогноз движения потенциально опасных тел осуществляется на протяжении только нескольких оборотов вокруг Солнца, поскольку он предназначен, главным образом, для оперативной работы. При этом орбита тела определяется по совокупности имеющихся наблюдений с оценкой точности вычисленных элементов орбиты, а размеры тела оцениваются по фотометрическим данным. Далее осуществляется прогноз движения потенциально опасного тела методом численного интегрирования уравнений движения с учётом всех значимых возмущений. При каждом сближении тела с Землёй вычисляется вероятность столкновения с учётом неопределённости орбиты тела, найденной из наблюдений. В случае появления объекта, который должен столкнуться с Землёй, вычисляются начальные условия входа тела в её атмосферу – его физические характеристики, координаты, скорость и углы входа, а также их погрешности.

После этого осуществляется моделирование движения ОНТ в атмосфере для определения координат и характеристик рассеивания точек взрыва. Для оценки параметров движения ОНТ и определения размеров эллипсов рассеивания точек взрыва проводится многократный расчёт траектории ОНТ с использованием метода Монте-Карло. При этом в качестве исходных данных для каждого варианта принимаются псевдослучайные величины в пределах установленных допусков. В результате этих расчётов определяются математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение для каждого из интересующих нас параметров (координат, высоты, скорости, времени и так далее), что даёт возможность определить наиболее вероятное место, время и высоту взрыва, также пределы их возможных отклонений.

Следует отметить, что, в зависимости от физических и траекторных параметров ОНТ, он может как достигнуть поверхности Земли, так и взорваться в её атмосфере. Во втором случае выделение энергии происходит не мгновенно, а растянуто во времени (пролонгированный взрыв). Поэтому, в данном случае, высота взрыва определяется для условного точечного эквивалентного взрыва, эффекты воздействия ударной волны от которого соответствуют пролонгированному взрыву. Для этого используется методика, изложенная в работе .

На основе полученных результатов осуществляется оценка последствий взрыва для населения и территорий. Для этой цели применяются математические модели и программные средства на базе ГИС-технологий. Это позволяет реализовать системный подход к оценке последствий падений небесных тел в зависимости от их параметров, географических условий местности, уровней её урбанизации и техногенной инфраструктуры. Для этого осуществляется сопряжение моделей воздействия и законов поражения (разрушения/повреждения). Использование данного методического подхода позволяет оценить последствия взрыва ОНТ для населения и территорий. На основе прогнозируемой информации о возможных последствиях этих падений можно заблаговременно провести мероприятия по снижению рисков для населения. Также это позволяет моделировать возможные сценарии космических катастроф.

Поскольку астероидно-кометная опасность относится к тем немногим природным факторам, которые можно заранее обнаружить, использование разработанного ПАК даёт возможность службам Министерства по чрезвычайным ситуациям предпринять комплекс мер по минимизации ущерба. К ним относится эвакуация населения, материальных и культурных ценностей, а также опасных материалов и объектов из ожидаемого района падения ОНТ, при условии, разумеется, его заблаговременного обнаружения и достаточно точного определения его места падения.

Осуществление этих мероприятий возможно только при широкой международной кооперации. Представляется, что целесообразно было бы создать два региональных сегмента международной Службы прогнозирования – Евразийскую и Американскую с соответствующими Центрами прогнозирования. В её состав должны входить: Космический сегмент наблюдения, наземные оптические и радиолокационные средства, региональные Центры прогнозирования и каналы связи между всеми компонентами Службы. После создания предлагаемой Службы она станет важным компонентом будущей Системы планетарной защиты.

Рисунок 1. Стадии прогнозирования падений небесных тел

Результаты моделирования падения гипотетического астероида

Заключительный участок движения ОНТ в атмосфере, как отмечалось выше, может завершиться взрывом над поверхностью Земли (по аналогии с Тунгусским взрывом), на её поверхности или на водной акватории. Он будет сопровождаться широким спектром поражающих факторов, как то: ударная волна, тепловое излучение, сейсмические эффекты, изменение рельефа, образование цунами и другое. В демонстрационной модели ПАК используются модели двух основных поражающих факторов – ударная волна и сейсмика.

Ниже представлены результаты количественных оценок уязвимости и возможного ущерба для наземной инфраструктуры и биосферы Земли от поражающих факторов в результате падения гипотетического астероида, полученные в итоге тестового моделирования с помощью разработанной демонстрационной модели ПАК.

В качестве примера приведём оценки последствий падения гипотетического астероида, который мог упасть на территории Московского региона. Параметры этого гипотетического астероида:

Диаметр 250 метров.

Плотность 3000 кг/м3

Скорость 14.861 км/с

Угол встречи 45º

Результаты расчётов показали, что радиус сейсмического поля с интенсивностью от 10 до 6 баллов составит около 200 км (рисунок 2). При этом потери людей от воздействия воздушной ударной волны будут на 3-4 порядка меньше, чем потери людей от сейсмического эффекта удара.

Рисунок 2. Сейсмическое поле после удара астероида на территории Московского региона

На основе результатов моделирования наиболее значимых поражающих факторов от взрыва проведена оценка возможных последствий – размера поражённой территории, масштабов разрушений и людских потерь. Результаты оценки возможных последствий для рассматриваемого случая падения астероида приведены на рисунке 3. На нём представлены данные о степени разрушений населённых пунктов на различных расстояниях от точки удара астероида.

Рисунок 3. Последствия падения астероида на территории Московского региона

В таблице 1 представлены результаты расчёта последствий удара астероида, содержащие основные показатели, характеризующие тяжесть поражения людей и нанесённый им ущерб, – структуру поражения населения, включающую безвозвратные, санитарные и общие потери. Санитарные поражения людей также разделяют по степени тяжести: лёгкие, тяжёлые, крайне тяжёлые.

Таблица 1. Результаты расчёта последствий удара астероида

Полученные данные являются основой для подготовки и принятия управленческих решений по подготовке и проведению эвакуационных мероприятий, а также проведению спасательных операций и ликвидации последствий ЧС, вызываемых падениями ОНТ. В частности, могут быть определена требуемая численность спасателей, медицинского персонала, личного состава аварийно-технических команд, инженерной техники, а также показатели жизнеобеспечения. Так, например, в рассматриваемом случае для проведения спасательных работ потребуется задействовать свыше 500 тысяч человек (таблица 2).

Таблица 2. Потребные ресурсы для проведения спасательных работ

Для ликвидации последствий катастрофы потребуется около 16000 единиц тяжёлой техники, 14000 единиц пожарной и 11000 единиц автомобильной техники, а также множество другой инженерной техники.

Поскольку число лишившихся жилья может составить свыше 3 миллионов человек, потребуются около 400 000 палаток в летнее время и около 800 000 в зимнее, а также примерно 800 000 отопительных приборов и 25 000 полевых кухонь. Кроме того, потребность в основных продуктах питания и воде составит несколько тысяч тонн в сутки.

Приведённые количественные оценки масштабов катастрофы и потребных ресурсов для её ликвидации, конечно, впечатляют. Очевидно, что обеспечение проведения столь масштабной спасательной операции лежит за пределами возможностей одного государства. И это при том, что нами было рассмотрено падение не самого крупного гипотетического астероида. Но даже падения и более мелких объектов могут привести к весьма серьёзным последствиям.

Приведённые результаты моделирования возможных последствий падений ОНТ и оценки потребных сил и средств, необходимых для проведения спасательных операций и ликвидации последствий ЧС, вызываемых этими падениями, показывают серьёзность астероидно-кометной опасности и обусловливают необходимость разработки мер по её предотвращению.

Заключение

1. Неожиданное падение Челябинского метеорита показало, что у человечества нет ни эффективных средств надёжного обнаружения опасных небесных тел, ни тем более средств защиты от них. И это при том, что современные технологии позволяют создать средства для обнаружения и защиты от подобных объектов.

2. Результаты моделирования возможных последствий от падений небесных тел показали, что падение даже относительно небольшого объекта на густонаселённой территории может привести к таким тяжёлым последствиям, ликвидировать которые будет невозможно усилиями отдельного государства, а небольшие государства могут быть просто сметены с лица Земли.

3. Только непростительной беспечностью можно объяснить то, что, при наличии всех необходимых технологий, до сих пор не предпринято конкретных шагов по созданию Системы планетарной защиты от столь грозной опасности, угрожающей самому существованию человечества.

4. Поскольку очевидно, что Система планетарной защиты должна создаваться усилиями всего человечества, то для осуществления практических шагов по её созданию необходимо решение лидеров, по крайней мере, ведущих государств мира.

Литература

1.       Medvedev Yu. D., Sveshnikov M. L., Sokolsky A. G., Timoshkova E. I., Chernetenko Yu. A., Chernykh N. S., Shor V. A.. (1996) Asteroid-Comet Hazard. (Ed. A. G. Sokolsky), St.Petersburg, ITA RAS. 1996. 244 pp

2.       Bashilov A. S., Volk I. P., Gofin M. Ja., Zaitsev A. V., Konyukhov S. N., Pobedonostsev К. А., Slyunyaev N. N. (2010). Possible Approaches to Implementation of “Citadel-1” International Planetary Defense System Project. In “Space for Security and Prosperity on the Peoples. Editors: J.-M. Contant and V. A. Menshikov. M.: A.A. Maksimov Space Systems Research Institute. 2010. pp. 154-163

3.       N. A. Makhutov, V. A. Puchkov, D. Reznikov, A. A, Taranov, A. V. Zaitsev. About Measures on Minimization of Damage from Collisions with Asteroids and Nuclei of Comets. “Protecting the Earth against collisions with asteroids and comet nuclei”. Proceeding of the International Conference «Asteroid-Comet Hazard-2009». A. Finkelstein, W. Huebner, V. Shor (Eds). St.-Petersburg, Nauka, Russia. 2010. – p.376-380.

4.       V. V. Shuvalov – Multi-dimensional hydrodynamic code SOVA for interfacial flows: Application to thermal layer effect. Shock Waves, 9, 1999.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Protecting Earth from cosmic disasters
 журнал ROOM № 4(6) 2015/16