Co spada z nieba

24 maja 2012 minęło 80 lat od odkrycia - przez niemieckiego astronoma Karla Wilhelma Reinmutha - planetoidy Apollo, potencjalnie zagrażającej Ziemi.

Tekst z archiwum "Rzeczpospolitej"

Co jakiś czas głośno jest o nadciągających z głębi kosmosu zagrożeniach. Chodzi o duże planetoidy (zwane też asteroidami) i komety, które mogą uderzyć w Ziemię, powodując katastrofę już nie tylko w lokalnej, ale i w globalnej skali.

Według niektórych oszacowań (np. Chapmana i Morrisona z 1991 r. ) prawdopodobieństwo śmierci przeciętnego człowieka na skutek zderzenia planetoidy z Ziemią jest ponad trzykrotnie większe niż z powodu katastrofy samolotowej. Takie oszacowanie wynika z rzeczywiście kosmicznej skali skutków ewentualnej katastrofy, której raczej nikt by nie przeżył.

Przeciętna asteroida z grupy Apollo o średnicy 1 km poruszająca się po typowej orbicie niesie energię odpowiadającą detonacji 100 tys. jednomegatonowych bomb termojądrowych. W przestrzeni okołoziemskiej prawdopodobnie znajduje się około 2 tys. asteroid o średnicach większych niż jeden kilometr. Zdaniem astronautów, "najwyżej" tysiąc z nich może zderzyć się z Ziemią. Średnio raz na kilkadziesiąt lat zbliżają się do naszej planety na odległość mniejszą niż odległość Księżyca od Ziemi. Do zderzenia dochodzi jednak średnio raz na 100 tys. lat.

Komputerowa astrobalistyka

Prace teoretyczne na temat zderzeń z obiektami o wielkich prędkościach pojawiły się już pod koniec lat 30. Powstała w tym celu gałąź wiedzy zajmująca się zderzeniami ciał kosmicznych - astrobalistyka. Impulsem do jej dalszego rozwoju były technologie kosmiczne, gdzie kluczowa była problematyka osłon statków kosmicznych przed zderzeniami z cząstkami pyłu kosmicznego.

Skutki upadków mikrociał, czyli małych meteorytów, na Ziemię są łatwe do zbadania empirycznie, bez konieczności budowania modelu czy symulacji. Ze względu na duży stopień trudności rachunkowych przez długi czas trudno było jednak wyjaśnić przebieg procesów dynamicznych w przypadku zderzeń średnich i dużych rozmiarów planetoid z Ziemią. Przymiarki stanowiły proste teorie wybuchu modelowego, czy robione w latach 60. symulacje wrodzaju uderzenia kropli w powierzchnię cieczy.

Szansą na budowę bardziej realnego modelu zderzeń dała dopiero fizyka komputerowa. Prace nad odpowiednią metodą, która pozwoliłaby rozwiązać problem w pełnym matematycznym wymiarze prowadzono w latach 80. w Wojskowej Akademii Technicznej, przy okazji badań nad określonymi technologiami militarnymi. Zaowocowało to powstaniem metody numerycznej, tzw. punktów swobodnych.

Pozwala ona zbudować najbardziej prawdopodobny model zderzenia. Symulacja komputerowa dostarcza wszystkich niezbędnych informacji dotyczących charakterystyki zderzenia takich jak: kształt i prędkość frontu fali uderzeniowej, obszary najsilniejszych zniszczeń, charakter odkształceń powierzchni, a po przeprowadzeniu obliczeń, dokonanie prognoz katastrofalnych skutków takich zderzeń z Ziemią. - Stosując metodę punktów swobodnych można uzyskać symulację zderzenia z wielowarstwową Ziemią, zarówno małej planetoidy jak również obiektu o średnicy setek kilometrów. To ważne, gdyż dotychczas w literaturze przedstawiano wyłącznie symulacje w skali makro, na wycinku planety - mówił w 1996 roku twórca metody płk prof. Karol Jach.

W latach 1992-94 w ramach KBN-owskiego grantu, modelowaniem zderzeń obiektów kosmicznych z planetami grupy ziemskiej zajęły się trzy uczelnie: WAT, Politechnika i Uniwersytet Warszawski. - Oczacowaliśmy skutki zderzeń różnych rozmiarów planetoid ze wszystkimi planetami grupy ziemskiej biorąc pod uwagę właściwości każdej z nich. W przypadku Ziemi posłużyliśmy się 65-warstwowym modelem sporządzonym przez geofizyków -- mówił płk dr Maciej Mroczkowski z WAT, autor pierwszego w Polsce doktoratu na ten temat.

Katastrofę o skutkach globalnych może spowodować już planetoida o średnicy 1 km. Najbardziej interesujące pod względem wizualnym są jednak symulacje zderzeń ze znacznie większymi obiektami, gdyż dopiero wtedy (przy średnicy Ziemi, wynoszącej około 12 tys. km) , dobrze widać globalne skutki uderzenia. W przypadku uderzenia obiektu o średnicy 165 km fala uderzeniowa dojdzie na antypody w czasie 1200 sekund (20 minut) . Żeby uszkodzić jądro Ziemi, potrzebny jest obiekt wielkości Australii, o średnicy 1600 km. Po takim uderzeniu obraz Ziemi przypomina coś w rodzaju gigantycznej kijanki.

Co by było, gdyby. ..

Na Ziemi jest wiele dowodów na to, że jesteśmy zasypywani materią z kosmosu. Dobowy przyrost masy Ziemi od zderzeń z mikrociałami wynosi wiele tysięcy ton. Niewielkie meteoryty przysparzają Ziemi kilkaset kilogramów masy rocznie, mimo że gęsta atmosfera chroni nas przed upadkiem większości z nich (na skutek tarcia w czasie lotu przez atmosferę rozpadają się i odparowują) . Są też ślady po znacznie większych uderzeniach.

Dotychczas na powierzchni Ziemi zidentyfikowano około 130 kraterów meteorowych o średnicach do 200 km. Są obecne na wszystkich kontynentach, pod lodową pokrywą Antarktydy i na dnach oceanów.

Jednym z bardziej znanych jest krater arizoński, zwany też Kanionem Diablo, w północnej Arizonie. Jego średnica wynosi 1, 2 km, a głębokość 200 m. Powstał prawdopodobnie na skutek uderzenia małej planetoidy o średnicy około 60 mi masie od kilkuset tysięcy do kilku mln ton. Wyzwolona została wtedy energia porównywalna do wybuchu średniej wielkości bomby wodorowej. Jest to jeden z młodszych kraterów, gdyż powstał około 40--50 tys. lat temu. Dla porównania krater Sudbury w Kanadzie o średnicy 100 km i głębokości 3 km powstał około 1, 5 mld lat temu. Wytworzyła go planetoida, która spadła na Ziemię.

Znacznie bardziej interesujące są jednak katastrofy, które zdarzyły się w XX wieku. Najsławniejsza jest bez wątpienia tunguska, do której doszło 30 czerwca 1908 r. Najprawdopobniej spowodowała ją mała kometa (długo trwały spory dotyczące identyfikacji obiektu, niektóre hipotezy mówiły nawet o statku kosmicznym, w każdym razie są tylko ślady po katastrofie, ale brak materialnych dowodów) , o średnicy jądra około 100 m, która eksplodowała na wysokości 10 km, z energią tysiąckrotnie większą od bomby, która zniszczyła Hiroszimę. Wybuch nastąpił już w czasie lotu obiektu, zabijając renifery w promieniu 50 km, zapalając tajgę, a także ubrania na ludziach, którzy znaleźli się o 100 km od tego miejsca. Fala uderzeniowapowaliła syberyjski las na powierzchni ponad 2 tys. km kw. i dwukrotnie obiegła kulę ziemską (była rejestrowana jako skok ciśnienia w stacjach meteorologicznych) .

Amerykanie oszacowali, że gdyby obiekt tej wielkości spadł na wiejskie tereny Stanów Zjednoczonych, to mógłby zabić około 70 tys. osób, powodując szkody rzędu 4 mld dolarów. Katastrofa na terenach gęsto zaludnionych pociągnęłaby za sobą ponad 300 tys. ofiar śmiertelnych. Natomiast uderzenie w strefę sejsmiczną wzbudziłoby trzęsienie ziemi o sile 7, 5 w skali Richtera.

Uderzenie tzw. meteorytu tunguskiego jest przypadkiem zdarzającym się raz na 100 lat. Znacznie częściej dochodzi do upadku mniejszych ciał. W lutym 1947 r. w górach Sichote Aliń spadł "deszcz żelaznych meteorytów". Liczne ekspedycje uzbierały blisko 27 ton odłamków z obiektu, który wpadając wziemską atmosferę musiał ważyć około 70 ton. Największy z odłamków ważył ponad 1700 kg i wyrwał krater o średnicy 25 i głębokości 6 m.

Uderzenia obiektów o średnicy większej niż 100 mmają miejsce średnio co 5 tys. lat. Zdaniem astrofizyka Jacka Hillsa z Los Alamos National Laboratory, planetoida o średnicy 200 m, uderzając w środek Atlantyku spowodowałaby masywną falę wysokości 200 m, zarówno u wybrzeży Europy jak i Ameryki Północnej. Jego zdaniem uderzenie takiego kosmicznego pocisku starło z powierzchni ziemi legendarną Atlantydę.

Zagłada dinozaurów (65 mln lat temu) nastąpiła natomiast w wyniku uderzenia w Ziemię planetoidy o średnicy około 10 km, która wyzwoliła energię 100 mln megaton. Wywołało to silne wstrząsy tektoniczne, wylewy wulkaniczne oraz wzniecenie w atmosferę miliardów ton pyłu, które na długi czas odcięły planetę od dopływu światła słonecznego. Uderzenie takiego obiektu w ocean wyzwala falę wysokości 20 km, podczas gdy najwyższe notowane fale, powstałe w wyniku silnych trzęsień Ziemi mają nie więcej niż 50 m.

Uzbrojeni, ale bezbronni

23 marca 1989 r. w odległości mniejszej od 640 tys. km, w przestrzeni okołoziemskiej pojawiła się planetoida Apollo 1989 FC o średnicy między 200 a 800 mi prędkości około 73 km/ s, przecinając orbitę ziemską w punkcie, w którym Ziemia znalazła się 6 godzin później. Była to przedstawicielka jednej z trzech grup planetoid (Apollo, Atena, Amor) , które potencjalnie zagrażają Ziemi.

Znacznie większe emocje budzą jednak dwa inne obiekty. Pierwszy to planetoida Toutatis, która 8 grudnia 1992 r. minęła Ziemię w odległości 3, 6 mln km z prędkością geocentryczną 11, 2 km/ s. W rzeczywistości jest to para obiektów. Większy z nich ma średnicę 4 km, mniejszy około 2, 5 km. Szczególnie bliski przelot tej planetoidy nastąpił 29 września 2004 r. (nie trafiła - czytaj więcej). Drugim budzącym katastroficzne wizje obiektem jest kometa Swifta-Tuttle'a, która w 2126 roku minie Ziemię w odległości 23, 8 mln km z prędkością 58, 3 km/ s.