Можно ли сместить орбиту Земли? И главное, зачем это делать?
В новом китайском научно-фантастическом фильме «Блуждающая Земля», недавно выпущенном компанией Netflix, человечество, используя огромные двигатели, установленные по всей планете, предпринимает попытку изменить орбиту Земли, чтобы избежать ее уничтожения под воздействием гибнущего и расширяющегося Солнца, а также для предотвращения столкновения с Юпитером. Такой сценарий космического апокалипсиса однажды может на самом деле случиться. Примерно через 5 миллиардов лет у нашего Солнца закончится топливо для термоядерной реакции, оно расширится и, вероятнее всего, поглотит нашу планету. Конечно, еще раньше мы все погибнем от глобального повышения температуры, однако изменение орбиты Земли действительно может являться нужным решением избежать катастрофы, по крайней мере в теории.
Стоит ли заниматься смещением орбиты Земли?
Но как человечество сможет справиться с такой сверхсложной инженерной задачей? Инженер космических систем Маттео Чериотти из Университета Глазго поделился на страницах портала The Conversetion несколькими вариантами возможных сценариев.
Предположим, что наша задача состоит в том, чтобы сместить орбиту Земли, отдалив ее от Солнца примерно на половину расстояния от ее текущего расположения, примерно туда, где сейчас находится Марс. Ведущие космические агентства по всему миру уже давно рассматривают и даже прорабатывают идеи смещения малых небесных тел (астероидов) с их орбит, что в перспективе позволит защитить Землю от внешних ударов. Некоторые варианты предлагают весьма деструктивное решение: ядерный взрыв рядом с астероидом или на его поверхности; использование «кинетического импактора», роль которого, например, может сыграть космический аппарат, направленный на столкновение с объектом на высокой скорости для изменения его траектории. Но, что касается Земли, эти варианты, конечно же не подойдут из-за своей разрушительной природы.
В рамах других подходов предлагается увести астероиды с опасной траектории с помощью космических аппаратов, которые будут выполнять роль буксиров, либо же с помощью более крупных космических кораблей, которые за счет своей гравитации будут уводить опасный объект от Земли. С Землей, опять же, такое не прокатит, поскольку масса объектов будет совершенно несопоставима.
Электрические двигатели
Вы наверно увидитесь, но мы уже давно смещаем Землю со своей орбиты. Каждый раз, когда нашу планету покидает очередной зонд для изучения других миров Солнечной системы, несущая его ракета-носитель создает крошечный (в масштабах планеты конечно) импульс и воздействует им на Землю, толкая ее в противоположное ее движению направление. В качестве примера можно привести выстрел из оружия и создающуюся в результате него отдачу. К счастью для нас (но к несчастью для нашего «плана по смещению орбиты Земли») этот эффект для планеты практически незаметен.
Знаменитый носитель Falcon Heavy от SpaceX
В настоящий момент самой высокопроизводительной ракетой в мире является американская Falcon Heavy от компании SpaceX. Но нам потребуется около 300 квинтиллионов запусков этих носителей с полной нагрузкой, чтобы с помощью выше описанного метода отодвинуть орбиту Земли к Марсу. При этом масса материалов, необходимых для создания всех этих ракет будет эквивалентна 85 процентам массы самой планеты.
Использование электрических двигателей, в частности ионных, выпускающих поток заряженных частиц, за счет чего происходит ускорение, будет более эффективным способ придания ускорения массе. И если установить несколько таких двигателей с одной стороны нашей планеты, наша старушка-Земля действительно может отправиться в путешествие по Солнечной системе.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Правда, в этом случае потребуются двигатели по-настоящему исполинских размеров. Их нужно будет установить на высоте около 1000 километров над уровнем моря, за пределами земной атмосферы, но при этом надежно закрепить к поверхности планеты, чтобы можно было передавать ей толкающее усилие. Кроме того, даже с ионным лучом, выбрасывающимся со скорости 40 километров в секунду в нужном направлении, нам все еще нужно будет выбросить эквивалент 13 процентов массы Земли в виде ионных частиц, чтобы сдвинуть оставшиеся 87 процентов массы планеты.
Световой парус
Так как свет несет импульс, но не имеет массы, мы также может использовать для смещения планеты очень мощный продолжительный и сфокусированный луч света, например, лазера. В этом случае можно будет использовать энергию самого Солнца, никаким образом не используя массу самой Земли. Но даже при наличии невероятно мощной 100-гигаваттной лазерной установки, которую планируется задействовать в проекте Breakthrough Starshot, в рамках которого с помощью лазерного луча ученые хотят отправить маленький космический зонд к ближайшей к нашей системе звезде, нам потребуется три квинтиллиона лет продолжительного лазерного импульса для того, чтобы достигнуть нашей цели по изменению орбиты.
Космические проекты порой выглядят очень причудливо.
Солнечный свет можно отражать непосредственно от гигантского солнечного паруса, который будет находиться в космосе, но закреплен на Земле. В рамках прошлых исследований ученые выяснили, что для этого потребуется отражающий диск размером в 19 раз больше диаметра нашей планеты. Но и в этом случае для достижения результата придется ждать порядка одного миллиарда лет.
Межпланетный бильярд
Другим возможным вариантом увода Земли с ее текущей орбиты может стать хорошо известный метод обмена импульсами между двумя вращающимися телами для изменения их ускорения. Этот метод также известен как гравитационный маневр. Этот метод довольно часто применяется в рамках межпланетных исследовательских миссий. Например, космический аппарат «Розетта», посетивший комету 67P в 2014-2016 годах в рамках своего десятилетнего путешествия к объекту исследования использовал гравитационный маневр вокруг Земли дважды, в 2005 и в 2007 годах.
Как результат, гравитационное поле Земли каждый раз придавало повышенное ускорение «Розетте», что было бы невозможно добиться с использованием одних лишь двигателей самого аппарата. Земля в рамках этих гравитационных маневров тоже получала противоположный и равный импульс ускорения, однако, конечно же, это не имело никакого измеримого эффекта из-за массы самой планеты.
Орбиты в космическом пространстве.
А что если использовать тот же самый принцип, но с чем-то более массивным, чем космический аппарат? Например, те же астероиды безусловно могут изменять свои траектории под действием гравитации Земли. Да, разовое взаимное влияние на орбиту Земли будет незначительным, но ведь это действие можно повторять множество раз, чтобы в конечном итоге изменить положение орбиты нашей планеты.
Некоторые области нашей Солнечной системы довольно плотно «укомплектованы» множеством малых небесных тел, таких как астероиды и кометы, масса которых достаточно мала для того, чтобы притянуть их ближе к нашей планете с помощью соответствующих и вполне реалистичных в плане разработки технологий.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
При очень тщательном просчете траектории вполне возможно использовать так называемый метод «дельта-v-смещения», когда небольшое тело может быть смещено со своей орбиты в результате сильного сближения с Землей, что обеспечит гораздо больший импульс нашей планете. Все это, конечно, звучит очень круто, но ранее проводились исследования, которые установили, что в этом случае нам потребуется миллион таких близких пролетов астероидов, при этом каждый из них должен происходить в промежутке нескольких тысяч лет, в противном случае мы опоздаем к тому моменту, когда Солнце расширится настолько, что жизнь на Земле станет уже невозможной.
Выводы
Из всех описанных сегодня вариантов использование множества астероидов для гравитационного маневра кажется наиболее реалистичным. Однако в будущем использование света может стать более подходящей альтернативой, конечно, если мы научимся создавать гигантские космические структуры или сверхмощные лазерные системы. В любом случае эти технологии также могут пригодиться и для наших будущих космических исследований.
И все же, несмотря на теоретическую возможность и вероятность практической реализуемости в будущем, для нас, возможно, наиболее подходящим вариантом спасения станет переселение на другую планету, например, тот же Марс, который может пережить гибель нашего Солнца. В конце концов человечество уже давно на него засматривается в качестве потенциального второго дома для нашей цивилизации. А если еще и учесть, насколько сложно будет реализовать идею смещения орбиты Земли, колонизация Марса и возможность его терраформирования для придания планете более обитаемого внешнего вида может выглядеть не такой уж и сложной задачей.
Обсудить статью можно в нашем Telegram-чате.
Источник
БЕГСТВО ОТ УМИРАЮЩЕГО СОЛНЦА
ЖИЗНЕОПИСАНИЕ СОЛНЦА ЗА 12,4 МИЛЛИАРДА ЛЕТ
Нашу звезду — Солнце — относят к средним или даже малым по величине, ничем не выдающимся небесным телам. Эта звезда не прожила еще и половины срока, отведенного ей природой, — от рождения до смерти. Однако она уже израсходовала почти половину водорода, который в ядре светила превращается в гелий, высвобождая гигантскую энергию. Вместо 70,6 процента, какие первоначально составлял водород в массе солнечного вещества, теперь доля его упала до 36,3 процента.
Ежесекундно 600 тонн водорода превращаются в центральных областях Солнца в гелий. Происходит это при температуре не ниже 15 миллионов градусов. Примерно 4,3 тонны становится лучистой энергией, которая дает тепло и самому Солнцу, и всему его планетному семейству. Давление в центральных областях светила противостоит гравитационным силам тяжести его верхних слоев. Эта постоянная борьба ядра и периферии — а только в центре звезды благодаря высоким давлению и температуре возможны процессы слияния атомных ядер — с течением времени приносит победу центральным силам. Объем, в котором происходит ядерный синтез, постоянно расширяется. Поэтому неуклонно повышается светимость Солнца.
«Вскоре после того, как Солнце стало звездой, — заключают ученые, — его светимость составляла только 70 процентов от того, что оно излучает сегодня. В последующие 6,5 миллиарда лет светимость нашей звезды будет неуклонно расти прямо пропорционально времени».
Когда же в центре Солнца затухнут ядерные реакции синтеза, начнется новая схватка между центром и внешними слоями звезды. «Выгоревший» водород, пишут астрофизики, уступит внешнему давлению, центр сожмется. Но тогда повысится концентрация остатков еще не вступившего в ядерную реакцию водорода. Он разгорится «жарче», и центр снова расширится. В конце концов Солнце в возрасте 7,5 миллиарда лет «раздуется» и перейдет в стадию красного гиганта. Предполагается, что его диаметр превзойдет диаметр нынешнего Солнца в 160 раз. В таком состоянии светило проживет несколько миллионов лет. Оболочка этого шара будет относительно тонкой и нагретой лишь на 3000 градусов — отсюда и красный цвет звезды. Поверхностные слои сравнительно быстро рассеются. В центре же останется очень плотный шар, который станет еще разогреваться. При температуре 100 миллионов градусов ядерные реакции преодолеют новый порог: ядра гелия (полученные из водорода) начнут сливаться в ядра углерода. Гелий как топливо выделяет несоизмеримо больше энергии, чем сжигаемый водород.
Солнце из красного гиганта за короткое время перейдет в состояние белого карлика. По размерам оно станет меньше нынешнего Солнца в десяток раз, но по светимости — в 40-50 раз больше. В таком виде наше светило проживет, возможно, около 100 миллионов лет.
Но когда придут к концу запасы и водорода и гелия, повторится бурное расширение светила — оно снова станет красным гигантом. Зона горения гелия переместится ближе к периферии. Светило, в которое превратится Солнце, потеряет стабильность: начнутся отдельные вспышки, происходящие оттого, что в ядерную реакцию включатся не затронутые ранее остатки гелия. Светимость будет то резко возрастать, то падать — такое показывают наблюдения за другими звездами. В отдельных случаях светимость звезды возрастает более чем в 5000 раз. Обычно это последний яркий акт умирания малых и средних по размеру звезд. Потом начинает усиливаться «солнечный ветер», то есть разбегание частиц звездной оболочки. Пройдут тысячи лет — и от красного гиганта останется лишь маленькое горячее ядро.
Примерно 75 000 лет наше светило снова будет в стадии белого карлика, который излучает все слабее. Оставшаяся масса составит половину того, что Солнце имеет ныне, его диаметр уменьшится до 80 000 километров (вместо нынешних 1 391 980 километров), а плотность вещества достигнет двух миллионов тонн в каждом кубическом сантиметре. Вся история нашего ласкового, а порой и довольно жесткого Солнца, воспетого шаманами, жрецами, поэтами, займет 12,4 миллиарда лет.
МОЖНО ЛИ ОСТАТЬСЯ В СЕМЬЕ ПЛАНЕТ?
Все упомянутые события в Солнечной системе отдалены от нас трудно вообразимыми временными расстояниями. Но масштабы предстоящих катастроф таковы, что ученые уже сейчас задумываются над тем, как спасти человечество.
Конечно, можно предположить, что до наступления этого драматического времени люди переселятся на какую-нибудь из пригодных для жизни планет в Млечном Пути. Только вряд ли человечество с легкостью покинет колыбель своего разума и бросит на неотвратимую гибель Землю. Вот почему уже сейчас рождаются идеи, планы, как сохранить для человечества его родную планету.
Еще задолго до того, как раздувшееся Солнце опалит земной шар, начнутся резкие изменения климата, их не вынесет большая часть живых организмов. Наша планета окажется в положении своей соседки — Венеры, какой она нам ныне представляется: безжизненная, горячая пустыня (примерно 470 о С), над которой висит сплошной мощный облачный слой, состоящий преимущественно из углекислого газа. Область, где смогут существовать белковые тела, сильно отодвинется к периферии нашей планетной системы.
Если светимость Солнца увеличится более чем в полтора раза, на Марсе установятся температуры, близкие к нынешним земным. Люди могли бы найти там пристанище, но только временное: не исключено, что расширившаяся внешняя оболочка Солнца чуть позднее поглотит и Марс.
В лучшем положении окажутся луны крупных планет. Толстые ледяные панцири, сковывающие сейчас спутники Юпитера, растают и образуют океаны. А вода — одно из основных условий для жизни. Правда, мы еще не знаем, насколько велики и надежны эти водные запасы.
Во всяком случае, судя по данным, полученным с автоматической межпланетной станции «Галилей», есть основания считать, что спутники Юпитера — Европа и Каллисто — содержат под ледяной коркой воду.
Крупнейший спутник Сатурна — Титан — тоже может стать убежищем для жизни, хотя ныне там господствует холод: _180 о С. И атмосфера на Титане, состоящая сейчас из азота, образует вместе с различными углеводами плотные облака, которые поглощают 90 процентов солнечного излучения. Если убрать этот колпак, создающий непрозрачность атмосферы, то поверхность Титана получит в 17 раз больше солнечной энергии, чем сегодня. А если еще добавить действие парникового эффекта, то среднюю температуру Титана можно поднять на 80 градусов.
Этот спутник Сатурна ряд ученых рассматривают как природную лабораторию, где можно увидеть, изучить, понять, какими были условия на Земле в самое раннее время ее существования. Биохимический и строительный материал на Титане несомненно есть. По расчетам ученых, у человечества впереди еще около 500 миллионов лет, отпущенных природой на то, чтобы оживить это небесное тело, как раз к тому времени, когда Земле придет время умирать.
ПЛАНЕТУ МОЖНО ОТОДВИНУТЬ ОТ СВЕТИЛА
Разогрев и расширение внешней оболочки Солнца, вероятно, приведут к тому, что ближайшие к нему планеты (может быть, только один Меркурий) будут поглощены раскаленным веществом, а сфера, в которой сохранятся условия, пригодные для жизни, передвинется на значительно большее расстояние от светила.
Швейцарский физик Мечислав Таубе, предвидя подобное развитие событий, задумался, возможно ли всю нашу планету передвинуть на другую, более далекую от Солнца орбиту. И он еще в 1982 году просчитал возможность такого путешествия Земли. По его замыслу, вдоль экватора следует построить 240 башен 20-километровой высоты, на вершинах которых разместятся термоядерные реактивные двигатели. В момент, когда оси двигателей будут направлены на центр солнечного диска и совпадут с намеченной траекторией удаления от Солнца, двигатели включат, и реактивная сила начнет толкать планету прочь от светила. Столь большая высота для башен с двигателями нужна, чтобы струи уходили в космос, а не гасли в атмосфере, иначе планета не сдвинется с места.
Расчеты швейцарского физика показывают, что каждый двигатель должен развивать мощность 8,3 . 10 17 ватт. Эта энергия может быть получена за счет реакции превращения 2,4 тонны дейтерия в гелий. 15 000 тонн дейтерия сообщат планете движение, которое в течение одного миллиарда лет при непрерывной попеременной работе 240 двигателей позволит Земле достичь орбиты Юпитера и стать одним из его спутников. Но для такого путешествия надо превратить в реактивные струи восемь процентов массы всей нашей планеты, то есть много больше, чем весит вода в Мировом океане. Немалую часть вещества придется еще позаимствовать у одной из ближайших планет, например у Юпитера.
Однако и орбита Юпитера, на которой может по этому сверхфантастическому проекту оказаться Земля, все же не так далеко удалена от красного гиганта, чтобы Земля не испытывала там губительного воздействия его внешней оболочки. Правда, автор проекта полагает, что частичное испарение океанов Земли создаст облачность, способную отразить излишнее облучение.
Уходить от Солнца на еще большее расстояние, по подсчетам швейцарского астрофизика, нет смысла. Потому что в стадии красного гиганта Солнце пробудет всего несколько миллионов лет, а затем станет снова быстро сжиматься, превратится в белого карлика и начнет деградировать как источник энергии. И тогда Земле, чтобы получать достаточное количество тепла и света, понадобится орбита меньшая, чем сейчас у Меркурия. Но при таком приближении к светилу силы притяжения довольно скоро остановят вращение Земли вокруг ее оси. Планета будет повернута к Солнцу всегда одной стороной. Значит, жизнь на Земле быстро погибнет: на ночной стороне — от тьмы и холода, а на освещенной — от жары и губительного для всего живого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, идущего от белого карлика.
Таким образом, проект М. Таубе не дает долговременной перспективы.
Есть другая идея — создать искусственное Солнце вблизи нашей планеты. Источником энергии должны служить ядерные реакции. Топливо взять у Юпитера. Искусственное Солнце не будет светить во все стороны, как нынешнее, а только направленно — на Землю. Судя по предварительным расчетам, такое рукотворное светило способно поддерживать жизнь на планете в течение 100 миллиардов лет.
Английский ученый М. Фогг развивает эту идею несколько иначе. По его мнению, Юпитер уже в наше время стоит превратить в звезду, направленно дающую Земле энергию.
ИДЕЯ РЕКОНСТРУКЦИИ СОЛНЦА
Поскольку меньше половины одной миллиардной части солнечного излучения падает на Землю, а вся остальная невообразимо огромная масса энергии бесполезно рассеивается в космосе, ученые задумались: нельзя ли эту расточительность уменьшить и направить больше солнечной энергии на Землю, к нашей пользе. Может быть, когда-нибудь земляне поищут пути реконструирования Солнца в таком направлении, которое будет более удобно людям.
Д. Крайсвелл, руководитель института при университете в Хьюстоне (США), еще в 1985 году пришел к идее вообще сократить излучение Солнца до уровня, который бы вполне достаточно обеспечивал потребности Земли. Тогда, как показывают его расчеты, Солнце сможет в 2000 раз дольше жить и работать для нас. Данные Крайсвелла опираются на зависимость, существующую между светимостью звезды, ее массой и продолжительностью ее жизни. Физический смысл здесь простой: чем больше масса небесного тела, тем выше температура и давление в его недрах. Следовательно, ядерные реакции там идут энергичнее. Светимость звезды больше — значит, ее жизнь короче, потому что при высокой температуре ядерное топливо сгорает быстрее.
Ну а если мы хотим продлить жизнь светила? Надо каким-то образом снизить его вес, тогда светимость уменьшится, а жизнь продлится. Но каким образом облегчить вес такого огромного тела, как звезда?
Крайсвелл предлагает расположить на орбите вокруг Солнца множество ионных ускорителей, которые смогут действовать за счет его лучистой энергии. Потоки заряженных частиц, идущих от ускорителей, образуют около полюсов светила однородное постоянное магнитное поле. Оно будет захватывать частицы солнечной атмосферы и удалять их в космос. По выкладкам автора, в течение года они выбросят в пространство три миллиардных доли массы нашей звезды. Это соответствует примерно одной десятой процента массы Земли. За 300 миллионов лет Солнце потеряет восемь процентов своей нынешней массы. Оставшегося вещества хватит на поддержание ядерной реакции, которая раскаляет светило. Солнце, существенно уменьшившееся, будет способно многие миллиарды лет непрерывно посылать свет и тепло. Крейсвелл к тому же предлагает рационально использовать материал, отнятый у Солнца. Удаленные частицы можно будет сгруппировать в шары и получить (после того как они остынут) 12 космических островов, которые смогут дать пристанище колонистам.
Но и у этого фантастического проекта есть серьезные недостатки. Во-первых, если удалять солнечную материю только с поверхности, то изменится соотношение сил центра и периферии. Это грозит тем, что Солнце может внезапно раздуться в красного гиганта. И тогда трагическая судьба всего находящегося в окружении Солнца неизбежна. Во-вторых, небесная механика говорит: если Солнце потеряет 0,2-0,3 своей массы, то орбиты планет приблизятся к Солнцу. И тогда Земля, как нынешний Меркурий, утратит движение вокруг собственной оси, будет постоянно обращена к Солнцу одной стороной. Такая планета для жизни непригодна — об этом речь уже шла.
МОЖЕТ БЫТЬ,ПОМЕНЯТЬ СОЛНЦЕ?
Этот замысел выглядит еще фантастичнее: покинуть наше постаревшее Солнце и пристроиться к другой, более молодой звезде. Космос знает такие перемены хозяев, они случаются, когда две звезды, имеющие спутников, пролетают неподалеку друг от друга. В 1984 году астроном Д. Г. Хиллс из лаборатории в Нью-Мексико опубликовал результаты компьютерного моделирования подобной ситуации в космосе. Он убедился, что светило может потерять свою планету, если другая звезда пройдет на близком расстоянии от них. Астрономы наблюдали, как планета — спутник одной из звезд была увлечена тяготением проходящей мимо звезды. При таком захвате орбита спутника может остаться почти круговой, как у Земли. И это очень важное обстоятельство, потому что планета будет получать равномерный обогрев.
М. Фогг, которого мы уже упоминали, высказал в 1989 году несколько идей, как можно провести подобную грандиозную космическую рокировку в космосе. Если человечеству она понадобится в течение ближайших нескольких миллионов лет, то надо рассчитывать на звезды, лежащие в радиусе, не превышающем 100 световых лет. Всего в этом объеме обычно «живет» около 12 000 звезд, из них 300 по размеру подобны Солнцу и не имеют планетных систем, многие существенно моложе нашего светила.
Как заставить одну из них пролететь близко к нашей системе? Здесь могли бы пригодиться ускорители частиц, о которых говорит Д. Крайсвелл. Магнитные поля, созданные струями заряженных частиц, можно так варьировать, что удаляемая ими материя звезды будет давать отдачу в желаемом направлении и таким образом изменять траекторию полета небесного тела. Вычисления показывают, что за один миллион лет избранная людьми звезда сможет отклониться от прежнего курса на четыре градуса, а за срок в одиннадцать миллионов лет ее курс можно изменить на 34 градуса.
В заключение хочется привести слова великого физика Нильса Бора: «Прогнозы трудны, особенно когда они нацелены на отдаленное будущее». Трудны, но увлекательны, и поскольку у человечества в запасе есть еще примерно два миллиарда лет, за это время люди непременно что-либо придумают, может быть, попроще и понадежнее приведенных здесь гипотез.
Источник