Уильям Нейпьер. Опасность комет и астероидов

Мой новый сайт, на котром есть вся информация по рискам вымирания человечества:
http://www.humanextinction.ru/

Уильям Нейпьер. Опасность комет и астероидов
 William Napier. Hazards from comets and asteroids
Опубликовано: Global Catastrophic Risks,
Edited by Nick Bostrom и Milan M. Cirkovic
OXPORD UNIVERSITY PRESS, 2008

Перевод:  А.В. Турчин
 avturchin@mail.ru
STRUCTURE OF THE GLOBAL CATASTROPHE Risks of human extinction in the XXI century
http://www.scribd.com/doc/6250354/

полный текст с таблицей здесь: http://www.scribd.com/doc/9726345/-

Риски существуют повсюду. Даже на небесах разыгрываются риски.
Уилсон Харрис, «Карнавал». (1985)

1. Нечто вроде огромной горы

Первый Ангел вострубил, и сделались град и огонь, смешанные с кровью, и пали на землю; и третья часть дерев сгорела, и вся трава зеленая сгорела.
Второй Ангел вострубил, и как бы большая гора, пылающая огнем, низверглась в море; и третья часть моря сделалась кровью,
и умерла третья часть одушевленных тварей, живущих в море, и третья часть судов погибла.
Третий ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод.
Имя сей звезде "полынь"; и третья часть вод сделалась полынью, и многие из людей умерли от вод, потому что они стали горьки.
Четвертый Ангел вострубил, и поражена была третья часть солнца и третья часть луны и третья часть звезд, так что затмилась третья часть их, и третья часть дня не светла была -- так, как и ночи.
И видел я и слышал одного Ангела, летящего посреди неба и говорящего громким голосом: горе, горе, горе живущим на земле от остальных трубных голосов трех Ангелов, которые будут трубить!
Пятый Ангел вострубил, и я увидел звезду, падшую с неба на землю, и дан был ей ключ от кладязя бездны.
Она отворила кладязь бездны, и вышел дым из кладязя, как дым из большой печи; и помрачилось солнце и воздух от дыма из кладязя.

Откровение Иоанна Богослова.



Откровения Иоанна Богослова были написаны около 100 г. н.э. , но являются частью гораздо более ранней литературы «звёздных войн», происходящих от самых ранних образцов письменности и основанных на дописьменной устной традиции. Типичными темами в этих сказаниях являются взрывы, ураганные ветры, вырванные с корнем леса, цунами, и катаклизмические наводнения, связанные с пылающими разрядами грома с неба, потемневшее солнце, огромная комета с красным хвостом и то, что выглядит похожим на метеоритный шторм. Даже не зная о падении Тунгусского метеорита в 20 веке, который уничтожил 2000 кв. км. тайги в 1908, классические учёные прошлого давно считали подобные истории описаниями космических столкновений. Миф был средством связи, передававшим астрономическую и космологическую информацию через поколения, и есть соблазн рассматривать сказания о космической катастрофе – которые существуют по всему миру – как доисторические свидетельства небесного катаклизма, однократного или повторяющегося, локального или глобального. В любом случае, это весьма спорная область, и только качественные предположения могут быть сделаны, и любые унифицирующие гипотезы – это только фантазии в духе Великовского. (Великовский – нечто вроде Фоменко от геологии, предполагал активное влияние забытых катастроф на развитие человечества – прим. пер.)
Крупнейшее землетрясение или цунами может унести 100 000 жизней; крупное столкновение может забрать в 1000 или 10 000 раз больше жизней, и привести к внезапному торможению цивилизации. Оценивая опасность блуждающих небесных тел в нашем небесном окружении, мы хотим оценить ее правильно! Для этого мы должны покинуть область мифа и перейти в область науки. Три количественных направления исследований – это исследование кратеров, поиски с помощью телескопов и динамический анализ. Каждый из них направляет свет на свой аспект проблемы.

2.Как часто по нам бьют?

2.1 Импактные кратеры.

Число известных кратеров на поверхности Земли существенно выросло за последние десятилетия. Помимо того, улучшившиеся технологии датировки позволили установить возраст многих из них. К концу 2004 года было известно около 170 импактных структур на поверхности Земли. Из них только 40 пригодны для статистического анализа: они имеют диаметр более 3 км и возраст менее 250 млн. лет, и были датированы с точностью, лучшей, чем 10 млн. лет. Большинство из этих 40 датировано с точностью лучшей, чем 5 млн. лет, и около половины – лучше, чем 1 млн. лет. Это небольшая база данных, но ее всё же достаточно, чтобы искать в ней тенденции, периодичности, импактные эпизоды и тому подобное.
Распределение по возрастам показано на рис. 1. Во-первых, из данных следует, что по мере углубление в прошлое частота импактных событий уменьшается. Это может быть только иллюзией, по причине накапливающегося перекрытия кратеров отложениями или эрозии. Если все кратеры, скажем, менее 10 млн. лет возрастом уже были найдены – маловероятное предположение – из этих данных следует, что только 40% импактных кратеров, сформировавшихся 100 млн. лет назад, было обнаружено, и только 10% из тех, что сформировались 200 млн. лет назад.
Тщательное исследование рис.1 создаёт впечатление, что некоторые кратеры сгруппированы во времени, и статистическое исследование это подтверждает. (Napier, 2006). Все крупнейшие кратеры находятся в пределах этих эпизодов бомбардировки: средний диаметр кратеров в пределах эпизодов составляет 50 км, а за пределами – 20 км. История бомбардировки, таким образом, не является историей случайных столкновений. Скорее, она имеет характер «импактных эпох», в течение которых Земля интенсивно бомбардировалась, прерываемых относительно спокойными периодами.
Третья особенность данных по кратерам не очевидна на первый взгляд, но может быть обнаружена при детальном анализе: это слабая периодичность. Сильные случайные всплески также присутствуют, что делает невозможным определить, какое именно из периодических решений является верным, а какие являются гармониками. (рис. 1) Единственное, что мы можем сделать – это сказать, что в течение последних 250 млн. лет эпизоды образования кратеров повторялись через интервалы 24, 30, 36 или 42 млн. лет, с включением нескольких случайных эпизодов сравнимой силы. Отношение пиковых уровней к минимальным остаётся неопределённым, но может быть в пределах от 2:1 до 5:1.
 
Время, млн. Лет
                    50             100             150             200              250

Рис. 1. Распределение возраста 40 кратеров более 3 км. в диаметре с возрастом менее 250 млн. лет, известных с точностью лучшей, чем 10 млн. лет. Прямоугольное окно шириной в 8 млн. лет соответствует примерно средней неопределённости в возрастах, следующей из данных, и гладкая кривая показывает общую тенденцию. Впечатление, что столкновения происходят в течение определённых эпизодов бомбардировки подтверждается детальным статистическим анализом (Napier 2005).

Из этого следует, что подсчёт кратеров на древних поверхностях имеет ограниченную пользу для выведения современной частоты столкновений. Следы кратеров на Луне, в частности, использовались для того, чтобы вывести, что импакты, дающие 100 км земной кратер (способный привести к массовому вымиранию) случаются раз в 27 млн. лет. (Neukum and Ivanov, 1994). Однако поверхность Луны является древней и флюктуации в частоте столкновений не могут быть определены с разрешением лучшим, чем миллиард лет. Рис 1. показывает, что нынешняя частота столкновений может быть в несколько раз выше, чем оценки, основанные на лунных данных, и также есть данные, что подобная согласованная структура сохраняется и при более высоком временном разрешении (Steel et al., 1990).
Одной из убедительных причин эпизодов бомбардировки является столкновение и распад астероидов в главном поясе астероидов, и последующее затем выпадение их осколков на орбиты, пересекающие орбиту Земли. Этот процесс может привести к флюктуациям частоты образования кратеров на Земле на масштабе времени 0.1-1 млн. лет, в случае фрагментов размером в 1 км. (Menichella et al., 1996). Однако крупнейшие кратеры требуют разрушения соответственно больших астероидов, а такие распады слишком нечасты (в 10-100 раз), чтобы обеспечить всплески бомбардировки, ведущие к массовыми вымираниям. (Napier, 2006).
Возможно, всплески связаны с дисбалансом кометного облака Оорта. Это – огромный резервуар из примерно 100 миллиардов долгопериодичных комет, образующих грубо говоря сферический рой, обращающийся вокруг Солнца на расстоянии 50 000 астрономических единиц, на четверти расстояния до ближайшей звезды. Приток долго-периодичных комет из облака Оорта в основном связан с возмущающими воздействиями галактических приливов на их орбиты. Эти приливы циклически изменяются в силу осцилляций Солнца относительно плоскости Галактики, и была предсказана  периодичность притока долгопериодичных комет порядка 35-42 млн. лет (Clube and Napier, 1996; Matese et al., 1995). Солнце прошло плоскость галактики 3 или 4 млн. лет назад, и поскольку время выпадения долгопериодичных комет составляет 2 или 3 млн. лет, мы должны быть близки к пику эпизода бомбардировки. Это приятным образом согласуется с данным по кратерам. (рис.1) В соответствии с этим крупнейшими импакторами являются скорее всего кометы, а не астероиды, и их нынешняя частота столкновений, скорее всего, выше, чем средняя в прошлом.
Грубо говоря, мы можем считать, что космический импактор создаёт кратер примерно в 20 раз превышающий его размер. С учётом космических скоростей – примерно 20 км/сек для астероидов и 55 км/сек для комет – энергии, пошедшие на создание крупнейших земных кратеров эквивалентны взрыву 100 миллионов мегатонн ТНТ, или примерно 10 атомным бомбам типа Хиросимской на каждый квадратный километр земной поверхности. (McCrea, 1981). Эта огромная энергия выделится за долю секунды и распространится по земному шару примерно в течение часа.
Оценки, основанные на средней частоте образования кратеров, показывают, что, в долгосрочной перспективе, 1 км.  импактор падает в среднем раз в полмиллиона лет или около того. И снова, учитывая неопределённость в методах обнаружения кратеров и определения числа околоземных астероидов (NEO), мы получаем общую неопределённость на пол порядка. В результате, нельзя исключить частоту таких столкновений как 1 раз на 100 000 лет на основании данных кратеров.
На суб-километровой шкале болидов частота образования кратеров не связана столь строго с нынешней частотой выпадения. Земная атмосфера работает как барьер, который разрушает тела много меньшие, чем 100 или 200 метров в диаметре. На безвоздушных спутниках, таких как Луна и галилеевы спутники, ситуация является неясной, так как популяция малых кратеров в большинстве своём состоит из вторичных импактов, образующихся в результате падения обломков поверхности, выбитых большим импактором. (Bierhaus et al., 2005).  На этом масштабе – важном для оценки рисков цунами - мы должны или производить оценку, производя экстраполяцию на основании распределения более крупных кратеров, или обратится к результатам наблюдения неба с помощью телескопов.

2.2. Поиск околоземных объектов.

До 1970-х  было известно только несколько объектов, пересекающих орбиту Земли. Эта тема не представляла особого интереса для большинства астрономов, чьи телескопы были (и есть) нацелены в основном в сторону звёзд и галактик. Однако благодаря пионерской работе Helin and Shoemaker (1979), которые искали пересекающие земную орбиту тела с помощью маленького, широкоугольного телескопа на горе Паломар, стало ясно, что действительно существует реальная опасность импактов.  Это стало ясно также и в связи с тем, что стало обнаруживаться всё большее число земных импактных кратеров. В 1990-х были запущены серьёзные программы наблюдений, и малые небесные тела на опасных орбитах, пересекающих земную, стали обнаруживаться в значительных количествах.
Частота открытия пересекающих земную орбиту тел была значительна, и это число выросло с 350 в 1995 до 3400 декадой позже – из которых более 800 считаются телами более чем километрового диаметра. Большинство из этих малых тел имеет орбитальные периоды в несколько лет. Общепринятая точка зрения состоит в том, что популяция околоземных астероидов более чем километрового диаметра составляет порядка 1100. Если это так, это означает частоту импактов порядка одно такое тело в 500 000 лет. Есть существенная разница между астероидами, падение которых будет иметь только региональные последствия, и теми, которые приведут к глобальным последствиям, и к гибели цивилизации, и граница между этими двумя классами астероидов как раз проходит в районе диаметров в 1-2 километра! Но есть одно возражение: экстремально тёмные объекты могут оставаться необнаруженными и не войти в списки глобальных опасностей. Популяции объектов размером до километра почти не изучена; однако представители этого класса могут создавать опасные цунами и приводить к кратковременным похолоданиям в ближайшей исторической перспективе.


2.3. Динамический анализ.

Популяция известных околоземных астероидов является короткоживущей, со средним временем жизни около 2 млн. лет. Без замены она начнёт быстро убывать, поскольку большинство NEO падают на Солнце. Эта короткоживущая популяция должна, таким образом, подпитываться из некоторого источника. Есть два источника пополнения – астероиды и кометы, и поступления из обоих источников являются неравномерными. 
Комета – это конгломерат льда и пыли, который, когда приближается к Солнцу на расстояние орбиты Марса, может вырастить один или несколько хвостов, длинной десятки и сотни миллионов километров. Этот хвост исчезнет, когда исчерпаются летучие вещества, составляющие комету. Есть несколько документированных наблюдений комет, чья активность прекратилась, и в результате осталось тёмное, инертное тело, выглядящее, как астероид. Убедительно предположение о том, что накопление пыли на поверхности в конце концов может заслонить и изолировать нижележащий лёд от солнечного нагрева. Равным образом, многие кометы распались на части или полностью рассеялись. Типичный орбитальный период кометы, пришедший из облака Оорта, составляет несколько миллионов лет. В недавние годы были обнаружены другие большие кометные резервуары на окраинах нашей планетной системы, и они вероятно, пополняют популяцию околоземных комет. В своей активной форме долгопериодичные кометы могут составлять только 1 процент от общей угрозы столкновений. Одна из 100, однако, пертурбируются планетами гигантами и переходят на орбиты типа как у кометы Галлея (высокоэксцентричные орбиты с периодами менее 200 лет), однако одна такая комета имеет тысячу шансов ударить по Земле, до того, как она упадёт на Солнце или вылетит за пределы Солнечной системы. Это делает их значительным риском, который, кроме того, трудно устранить по причине высоких скоростей полёта комет и малого времени предупреждения.
Здесь, однако, есть парадокс: мы их не видим! Зная частоту, с которой яркие кометы прибывают из облака Оорта, и долю из них тех, которые захватываются в группу Галлея, оказывается что должно быть порядка 3000 активных комет диаметром более 5 км или коло того на таких орбитах. Однако только пара десятков их наблюдается.
Может так оказаться, что после первого или второго пролёта через внутреннюю часть планетной системы, активные кометы просто становятся спящими, превращаясь в тёмные, астероидно-подобные тела (Emel'yanenko and Bailey, 1998). Опасность, которую представляют эти невидимые спящие тела, может быть сравнима с опасностью наблюдаемых околоземных астероидов, в соответствии с другими исследованиями, которые подобным же образом пришли к выводу, что активные и спящие кометы вместе «составляют значительную, и возможно доминирующую долю околоземных импакторов километровых размеров» (Rickman et al., 2001; see also Nurmi et al., 2001). Проблема состоит в том, что даже очень тёмных комет должно было быть открыто к настоящему моменту около 400, - однако их известно только 25 (они образуют группу Дамоклоидов.) Из этого следует отражающая способность поверхности в 0.04 в сравнении с поверхностями известных спящих комет.
Другая возможность состоит в том, что кометы из группы Галлеи целиком разрушаются, полностью превращаясь в пыль после одного или двух проходов в перигелии. (Levison et al., 2002). Эта гипотеза была принята командой отслеживания околоземных объектов в НАСА (Stokes et al., 2003) и является основой для их заявления, что, как активные, так и спящие кометы, составляют не более чем 1% от угрозы столкновения. Однако эта гипотеза тоже имеет проблемы (Napier et al., 2004; Rickman; 2005). Например, для того, чтобы процесс работал, около 99% от новых комет типа Галлеи должны распадаться таким образом. Однако такая полная и быстрая дезинтеграция не является, судя по всему, нормальной судьбой комет: почти все сильнейшие ежегодные метеорные дожди имеют в качестве источника либо активную комету или большое спящее тело, предположительно, умершего родителя. (Table 11.1).
Можно поставить под сомнение принятую нами отражательную способность в 0.04 для спящих комет, вычисленную на основании наблюдаемых поверхностных свойств активных комет. Пролёт космического аппарата мимо кометы Боррели обнаружил присутствие тёмных пятен с отражающей способностью 0.008 (Nelson et al., 2004): если бы все поверхности кометы темнели бы до такой степени, когда они становились неактивными, то тогда парадокс был бы решён. Стандартная теория излучения показывает, что комета, которая становится полностью неактивной, теряет все свои замёрзшие летучие вещества на поверхности и оставляет структуру в виде «птичьего гнезда» на поверхности, действительно может иметь очень малую отражающую способность (Napier et al., 2004).
Но если это и есть решение парадокса затемнения, то тогда существует значительная популяция высокоскоростных опасных объектов, которые невозможно открыть, потому что они слишком тёмные и 99% времени своего существования проводят за пределами орбиты Марса

 
Около 25 Дамоклоидов известно на момент написания этой статьи. Их средний радиус – 8 км., что означало бы силу удара в 60 миллионов мегатонн, при средней скорости импакта 58 км/сек. Отражающая способность 6 Дамоклоидов была измерена к настоящему дню, и они являются одними из самых тёмных объектов Солнечной системы. В целом, чем более комето-подобна орбита астероида, тем более тёмной оказывается его поверхность.  (Fernandez et al., 2005).                                          
Существуют ли во множестве маленькие, тёмные Дамоклоиды, например, 1 км диаметром – является неизвестным: они по существу неоткрываемы с помощью существующих исследовательских программ. Степень связанного с ними риска остаётся неизвестной: она может быть пренебрежимо мала, а может вдвое превышать оценки риска, основанные на числе наблюдаемых объектов.
Подсчёт кратеров также не даёт достаточно информации, поскольку даже самые молодые поверхности – такие, как у ледяного спутника Юпитера Европы – являются более древними, чем эпизод кометной бомбардировки, и не сильно ограничивают современную интенсивность импактов. Наилучшие шансы на обнаружение таких объектов даёт наблюдение их теплового излучения около перигелия, с использованием инфракрасного оборудования на земле (Rivkin et al., 2005) или на спутниках.
В отношение опасных объектов, движущихся по короткопериодичным орбитам, пересекающим земную, угроза будет известна за десятилетия и столетия до столкновения. В отношении кометы будет только несколько месяцев после предупреждения об ударе.  В случае тёмного Дамоклоида предупреждения не будет вообще.

3. Эффекты столкновения.

Падение Тунгусского метеорита 30 июня 1908 года на центральном сибирском плато было взрывом в воздухе с энергией от 10 до 30 мегатонн, что соответствует очень мощной водородной бомбе. Этот взрыв уничтожил примерно 2000 кв. км леса, вырвав с корнем деревья и положив кронами в одну сторону. Такие эффекты являются локальными по своим последствиям (если только их не перепутают со взрывом водородной бомбы в период кризиса). Оценки их повторяемости составляют от 200 до 2000 лет.
При взрывах силой 10 000 мегатонн – сравнимые по энергии с полномасштабной ядерной войной – площадь разрушений составляет около 100 000 кв.км. (табл. 2) Осколки вылетевших стёкл в городских районах приведут к значительным ранениям далеко за пределами этой области. Поднимающийся огненный шар от такого импакта может привести к серьёзным ожогам и интенсивным возгораниям далеко за пределами этой области, в то время как землетрясения экстремальной силы распространится на расстояние сотни километров от места падения. Тоже существует неопределённость в оценке частоты таких импактов, и оценки состоят от одного события в 10 000 лет (наиболее типичная оценка) до 100 000 лет.


Табл.2 Возможные эффекты импакта.

Megatons 10,000 1 million 100 million
Размер импактора
500 m 1-2 km 10 km

Масштаб
Региональный

Разрушающий цивилизацию

Приводящий к вымиранию вида
На земле Пожары, взрыв, и землетрясение на расстояниях 250-1000 км.
Разрушительный взрыв, землетрясение и возможно, пожары на площади целого континента
Глобальное возгорание и разрушительное землетрясение



На море Неопределён Мегацунами по краям океана
Опустошение берегов океанов, вместо городов – заиленное побережье; окисление океанов




В воздухе Солнце затмевается
Возможно, нечто подобное событиям 536 года н.э.
Коллапс сельского хозяйства, рост озоновых дыр, кислотные дожди, небо затемнено на несколько лет; Коллапс экологии на земле и воде, кислотные дожди, исчезновение озонового слоя, небо становится чёрным на много лет. sea



Климат Возможно кратковременное охлаждение
Глобальное потепление, за которым следует резкое похолодание.
Глобальное потепление, за которым следует космическая зима.



Примечание: все приведённые краткие описание являются весьма неопределёнными, и подробнее обсуждаются в тексте. Временные рамки остаются открытыми для обсуждения, но время повторения в 1 мегатонну в год является разумным эмпирическим правилом с точностью в полпорядка.

 Существуют разногласия относительно вероятных эффектов импакта в океан в этом энергетическом диапазоне. Большое цунами, вызванное землетрясением, несёт энергию порядка 5 мегатонн, и даже малоэффективная передача энергия от импакта в 10 000 мегатонн  в энергию волны явно имеет шансы создать огромное цунами. Однако огромные волны, создаваемые водяным кратером, могут быть настолько крутыми, что они распадаются в открытом океане. Если, как следует из некоторых анализов, они создают цунами высотой в несколько метров на берегах океана, то тогда ущерб от цунами по периметру океана скорее всего будет крупнейшей угрозой от таких небольших, относительно обычных импактов. Импакт в 10 000 мегатонн в Тихом океане приведёт, согласно самым пессимистическим отчётам, к возникновению волн высотой 4-7 метров по всему побережью океана, что приведёт к потере миллионов жизней (более 100 миллионов человек живёт на высоте менее 20 метров над уровнем моря и в на расстоянии 2 км от океана.) Согласно другим исследованиям, энергия волн рассеивается относительно безопасно до того, как они достигают удалённых берегов. Если пессимистические исследования верны, океанские импакты могут давать наибольший вклад, в смысле потери жизней, на этом уровне, за счёт суммарного действия частоты импактов и силы затопления прибрежных земель результатирующим цунами. То есть следует менее опасаться гигантской волны в духе Голливудского фильма, чем более частных волн высотой в несколько метров, которые проникнут за береговую черту на несколько километров. Однако с точки зрения вымирания вида такие маленькие импакты не представляют собой риска.
Импакты, чья сила имеет характер глобальной катастрофы, вероятно, начинаются с 1-2 миллионов мегатонн ТНТ эквивалента (Chapman and Morrison, 1994), что соответствует падению тел порядка километра в диаметре. Хотя прямое излучение от поднимающегося огненного шара, достигающего высоты в 100 км, ограничено радиусом в 1000 км из-за кривизны Земли, баллистическая энергия выбросит раскалённый пепел поверх атмосферы, в результате чего он распространится глобально. Солнечный свет прекратит поступать, и пищевые цепочки обрушатся.  Время выпадение мелкодисперсной пыли составляет годы, и коммерческое сельское хозяйство в этот период будет невозможно (Engvild, 2003). В отсутствии солнечного света континентальные температуры резко упадут, и тепло будет перемещаться от более тёплых океанов в более прохладные массивы земли, приводя к жёстким, обмораживающим ветрам, дующим с моря на землю всё время, что дисбаланс будет сохраняться.
При более высоких энергиях океанские импакты приводят к волнам, сравнимых по своим размерам с теми, что возникают при подводных землетрясениях, и в этом случае передача энергии на глобальные расстояния выглядит более вероятной, подобно тому, как приливный вал в устье реки может привести к катастрофическим затоплениям земли.
Начиная с энергий в 10 миллионов мегатонн и выше, мы приближаемся к тем уровням, при которых происходит вымирание видов по причине мгновенных и продолжительных последствий. Импакт такой силы наверняка истребит человечество и наверняка оставит следы в развитии эволюционного древа, которые смогут обнаружить будущие разумные существа. В региональном масштабе атмосфера может быть просто сдута в космос. Дождь из примерно 10 миллионов валунов размеров в метр и более, обрушится по крайней мере на целый континент, если верны  аналогии с марсианскими импактными кратерами (McEwen et al., 2005). Значительными глобальными эффектами будут всемирные лесные пожары, вызванные падением раскалённой пыли, отравление атмосферы и океанов диоксинами, кислотными дождями, сульфатами и тяжёлыми металлами; глобальное потепление в результате выбросов воды и углекислоты, следующее за ним через несколько лет глобальное похолодание  в результате резкого снижения поступления солнечного света, и всё это будет происходить в глубокой темноте. Процесс выпадения пыли может продолжаться от года до десятилетия с катастрофическими последствиями для наземных и морских пищевых цепочек (Alvarez et al., 1980; Napier and Clube 1979; Toon et al. 1990). При таких высоких энергиях могут иметь место множественные бомбардировки в течение нескольких сот тысяч лет, и дополнительный ущерб возможен в результате образования пыли от больших дезинтегрирующихся комет. Однако этот аспект опасности менее понятен, и его временные масштабы носят скорее геологический, а не социальный характер.

4. Роль пыли.

Столкновения астероидов в главном поясе астероидов могут привести к всплеску выпадения пыли на Землю (Parkin, 1985), и высказывались предположения о том, что это вызовет климатические и биологические последствия (Kortenkamp and Dermott, 1998).
Отложения на морском дне свидетельствуют о том, что выпадения пыли длительностью 1,5 млн. лет имели место 8 и 36 млн. лет назад. (Farley et al, 2006). Последнее событие совпадает по времени с известным распадом большого астероида в главном поясе, но прирост пыли был умеренным. Источник пылевого ливня 36 млн. лет назад неясен: ни одного распада астероида, который мог бы отвечать за этот эпизод бомбардировки, в главном поясе не обнаружено.
Короткие эпизоды (тысячелетия, а не миллионы лет) выпадения космической пыли должны случаться и на некотором уровне играть роль в модификации земного климата. Наиболее массивными объектами, входящими в окрестности Земли, являются редкие гигантские кометы, 100-200 км в диаметре, приходящие с интервалом раз в 100 000 лет в эпизоды бомбардировки. Если такое тело перейдёт на короткопериодичную орбиту, пересекающую Земную, такое тело распадётся под действием солнечного света и создаст массу пыли, эквивалентную массе пыли, которую бы создал одновременный распад 10 000 комет Галлея. Это может увеличить ежегодный приток кометного вещества в атмосферу Земли с текущей величины в 40 000 тонн в год до миллиона тонн в год на период в несколько тысячелетий. Метеороиды, сгорая в атмосфере, превратятся в смог, состоящий из частиц микронных размеров (Klekociuk et al., 2005), которые являются эффективными поглотителями солнечного света и время выпадения которых составляет примерно 3-10 лет. Атмосферная дезинтеграция влетающих метеороидов в микронного размера аэрозоли приведёт к значительному снижению количества солнечного света, достигающего поверхности Земли. Климатические эффекты выглядят неизбежными. (Clube et al 1996; Hoyle and Wickramasinghe, 1978; Napier, 2001). Таким образом, массовое вымирание не обязано быть связано с внезапным крупным событием: множественные бомбардировки и серии резких похолоданий также являются резонными астрономическими причинами для массового вымирания.
«Ископаемые» остатки последней большой кометы всё ещё могут быть обнаружены во внутреннем межпланетном окружении: уже давно признано, что предок кометы Энке и связанного с ней метеоритного потока Тауриды, был таким телом  (Whipple, 1967).  Из реконструкции исходных орбит (Steel and Asher, 1998)  следует, что исходная комета была по крайней мере 10 км диаметром, и могла придти к концу своего активного периода примерно 10 000 лет назад, и проявляла значительную активность 5 000 лет назад. Имея орбитальный период 3.3 ± 0.2 лет, эта комета должна была быть ярким объектом небосклоне в эпоху неолита.
Орбитальная прецессия приводит к тому, что с интервалами 2500 лет Земля подвержена близким сближениям и ежегодным метеоритными штормам с интенсивностью, которая превосходит всё, что мы можем наблюдать сейчас. То есть здесь мы можем найти научные подтверждения мифом о небесном апокалипсисе! Предок Тауридов сам тоже может быть осколком гораздо большего космического тела: зодиакальное облако, - диск межпланетной пыли, который включает в себя Тауриды, на два порядка слишком массивен, чем должен быть в соответствии с известными источника его пополнения (Hughes, 1996). Из этого следует недавнее вторжение объекта в 2000 раз более массивного, чем комета Галлея, что соответствует комете диаметром 150 км. (Hughes, 1996).
Возникает вопрос, представляет ли материал из этого комплекса глобальный риск, значительно превосходящий фоновый уровень. То, что в нём по-прежнему есть много вещества, установлено на основании случайных наблюдений метеоритных роёв, на основании средневековых записей и сейсмически обнаруженных импактов на Луне (Табл.1). В течение периода 1971-1975 годов, когда действовали лунные сейсмографы, были обнаружены мощные рои булыжников, длиною в несколько дней, совпадающие с максимумами метеоритных потоков B Тауридов, Персеидов, Леонидов, и Геминидов. Но также близко (см. табл. 1) к пику этих ежегодных ливней находится импакт Тунгусского метеорита (30 июня), импакт мегатонного класса в 1930 году в амазонском лесу (13 августа) и столь же энергетичный импакт в Британской Гвиане в 1935 году (11 декабря 1935 года). Было бы слишком натянутым утверждение о том, что это наложение является всего лишь случайным совпадением. Вопрос о том, могут ли метеороиды, скажем, 1000 мегатонного класса концентрироваться внутри метеоритных ливней в значительных количествах, остаётся открытым. Существование этого космического материала привело к предположению, что быстрые короткие периоды иным образом необъяснимых охлаждений, происходящие с характерным временем раз в несколько тысячелетий, могут быть связаны с со столкновениями с суб-километровыми метеороидами в пределах комплекса Тауридов. Наиболее недавнее событие такого рода случилось в 536-545 гг. н. э. Данные по кольцам деревьев показывают на внезапное климатическую перемену глобального масштаба, сопровождаемую периодом сухой мглы протяжённостью 12-18 месяцев. Никаких типичных следов вулканической активности не обнаружено в кернах льда за этот период. Это событие – и похожее, имевшее место в 2345 году до н.э. – по предположению Baillie (1994, 1999) – вероятно, было связано с импактом кометы. Эта ситуация была промоделирована Rigby et al. (2004), и в этой модели испарившийся кометный материал выбрасывается в виде плюма поверх атмосферы в виде маленьких конденсирующихся частиц. Они обнаружили, что комета радиусом 300 метров может ослабить солнечный свет на 4 %, что, как они считают, соответствует как историческим свидетельствам и внезапному глобальному похолоданию. Эффекты этой космической зимы могут быть обобщены как гибель урожая и последующий голод. Этот эффект сильнее всего ощутится в третьем мире, но охлаждение более года длиной скажется и в развитых странах (Engvild, 2003).

5. Наземная проверка?

Пока что не достигнут ясный консенсус об относительной важности чёрных спящих комет в сравнении с каменными астероидами в общей частоте столкновений. Точно также, в отсутствии исследований суб-километровых объектов, нельзя быть уверенными относительно современного уровня угрозы, представляемого объектами этого размерного класса. Были попытки исправить систематически ошибки наблюдения, связанные с открытием наиболее тёмных объектов, но фактически, по определению, такие корректировки являются наиболее неопределёнными именно тогда, когда они более всего нужны.
Такие модели использовались для предположений, что импакты 10-мегатонного класса и более сильные случаются на Земле раз в 2000-3000 лет (Stuart and Binzel, 2004), однако Тунгусский импакт имел место только 100 лет назад. Точно также импакты с энергией в 1000 мегатонн предсказываются раз в 60 000 лет (Morbidelli et al., 2002), и тем не менее, в течение двух лет после этого предсказания был обнаружен 1000 мегатонный астероид, который пройдёт на расстоянии 6 земных радиусов в 2029 год. Точно также, оценка частоты столкновения Земли с активными кометами в 7 км диаметром оценивается иногда как 1 раз в 3 миллиарда лет, и тем не менее низкоактивная комета такого размера IRAS-Araki-Alcock прошла на расстоянии 750 радиусов Земли в 1983 году, что более согласуется с частотой импактов в 200 раз большей. Hughes (2003) исследовал распределение близких пролётов известных NEO, пролетающих мимо Земли, использовав для своих исследований все известные сближения в 2002 году. Он обнаружил, что импакты класса Тунгуски должны случаться раз в 300 лет, а для 1000-мегатонного класса разброс сроков составляет 500-5000 лет. Эта «наземная проверка» основана на небольшом количестве недавних сближений, но показывает, что всё ещё имеется значительная неопределённость в оценках частоты импактов (Asher et al., 2005).
Окончательная «наземная проверка» должна быть, конечно, найдена на земле. Courty et al. (2005), в серии детальных седименталогических исследований обнаружили свидетельства широкого распространения горячих, мелкодисперсных выбросов по всей тропической Африке, Ближнему Востоку и Западной Азии, которые она датирует 2600-2300 до н.э. и связывает резкими изменениями природной среды в этот период. Abbott et al. (2005), исследовавшие керны льда из Западной Антарктиды, получили множество данных, которые они нашли согласующимися с импактным выбросом из 24 километрового кратера Mahuika на южном шельфе Новой Зеландии. Эти последние аномалии датируются около 1443 года н.э.,  и большой импакт в столь недавнее время кажется очень маловероятным, поскольку его эффекты должны были бы повсеместно ощущаться; с другой стороны, депозиты мегацунами высотой 130 метров в Jervis Bay в Австралии датируются 1450±50 годом нашей эры. Эти направления исследований являются довольно новыми, и всё ещё должны быть повергнуты тщательному критическому анализу; и если они его выдержат, может быть сделан вывод о том, что мы живём в период высокого риска.

6. Неопределённости

Умножая малую вероятность импакта на его значительные последствия, можно обнаружить, что уровень угрозы, приходящийся на одного человека, сравним с уровнями риска воздушных путешествий и тому подобного. Но в отличие от этих обычных рисков, угроза импакта не имеет верхнего предела: большой импакт может уничтожить Землю. Эффекты космического запыления гораздо менее понятны и изучены, в них отсутствует драма большого, испепеляющего события, и их трудно исследовать; однако из этого не следует, что в смысле частоты и последствий они имеют меньшее значение.
Хотя концепция Земли, как планеты, непрерывно подвергающейся бомбардировке из космоса, не нова, только в последние 20 лет она стала чем-то вроде мейнстрима, и в ней остаются количественные расхождения и области разногласий. Мы не знаем, куда девается основная масса вещества, которая входит в группу комет Галлея из облака Оорта, и вполне возможно, что значительное количество неостановимых чёрных тел пропущено в наблюдениях. Крайне трудно картографировать популяцию таких комет-невидимок, поскольку эти тела находятся на орбитах с высоким эксцентриситетом и большую часть времени проводят за орбитой Марса. Также весьма неопределённа роль остатков большой, короткопериодичной кометы, которая была активной всего только 5000 лет назад. Эти остатки содержат скопления материи, которые Земля встречает с разной периодичностью – от ежегодной до тысячелетней; невозможно определить, исходя из доступных данных, включают ли в себя эти остатки достаточно крупные тела, чтобы они могли представлять значительную опасность цунами, или краткосрочного глобального похолодания.
Однако, прогресс в этой области был впечатляюще быстрым с 1970-х годов и, без сомнения, продолжится дальше. Нет сомнений, что по мере картографирования межпланетных тел субкилометрового диаметра многие из этих неопределённостей уменьшатся или исчезнут.

Предложения для дальнейшего чтения:


Baillie, M.G.L. (1999). Exodus to Arthur (London: Batsford).
Обсуждение на популярном уровне дендрологических свидетельств в пользу импактов в недавнем историческом и геологическом прошлом.

Clube, S.V.M. and Napier, W.M. (1990). The Cosmic Winter (Oxford: Basil BlackwellLtd.).
Популярное введение в теорию когерентного катастрофизма, действительно «наихудший случай» с точки зрения этого сборника статей.

Gehrels, T. (ed.) (1994). Hazards Due to Comets and Asteroids (Tucson: University ofArizona Press).
Наиболее общее введение в импактную угрозу к настоящему времени. Хотя и немного устаревшая, эта книга остаётся наилучшей стартовой точкой для исследования проблем, обсуждаемых в этой статье.

Kneevic, Z. and Milani, A. (eds.) (2005). Dynamics of Populations of Planetary Systems, Proc. IAU colloq. 197 (Cambridge: Cambridge University Press).
Недавний обзор динамики популяции импакторов.


References
Abbott, D., Biscaye, P., Cole-Dai, J., and Breger, D. (2005). Evidence from an ice coreof a large impact circa 1443 AD. EOS Trans. AGU, 86, 52, Fall Meet. Suppl., AbstractPP31C-O5.
Alvarez, L.W., Alvarez, W., Asaro, F., and Michel, H.V. (1980). Extraterrestrial causefor the Cretaceous-Tertiary extinction. Science, 208, 1095-1108.
Asher, D.J., Bailey, M.E., Emel'yanenko, V., and Napier, W.M. (2005). Earth in thecosmic shooting gallery. The Observatory, 125, 319-322. 236
Baillie, M.G.L. (1994). Dendrochronology raises questions about the nature of the a.d.536 dust-veil event. Holocene, 4, 212-217.
Baillie, M.G.L (1999). Exodus to Arthur (London: Batsford).
Bierhaus, E.B., Chapman, C.R., and Merline, W.J. (2005). Secondary craters on Europa and implications for crater surfaces. Nature, 437, 1125-1127.
Chapman, С and Morrison, D. (1994). Impacts on the Earth by asteroids and Comets.Assessing the hazard. Nature, 367, 33-39.
Clube, S.V.M., Hoyle, F., Napier, W.M., and Wickramasinghe, N.C. (1996).
Giant comets, evolution and civilisation. Astrophys. Space Sci., 245, 43-60.
Clube,   S.V.M. and Napier,   W.M.  (1996).   Galactic dark matter and terrestrial periodicities. Quarterly J. Royal Astron. Soc, 37, 617-642.
Courty, M.-A., etal. (2005). Sequels on humans, lands and climate of the 4-kyr ВР impact across the Near East. Presented at European Geosciences Union, Symposium. CL18, Vienna, Austria.
Emel'yanenko, V.V. and Bailey, M.E. (1998). Capture of Halley-type comets from the near-parabolic flux. MNRAS, 298, 212-222.
Engvild, K.C. (2003). A review of the risks of sudden global cooling and its effects on agriculture. Agric. Forest Meteorol., 115, 127-137.
Farley, K.A., Vokrouhlicky, D., Bottke, W.F., and Nesvorny, D. (2006). A late Miocene dust shower from the break-up of an asteroid in the main belt. Nature, 439, 295-297.
Fernandez, Y.R., Jewitt, D.C., and Sheppard, S.S. (2005). Albedos of asteroids in Comet-like orbits. Astrophys. J., 130, 308-318.
Helin, E.F. and Shoemaker, E.M. (1979). Palomar planet-crossing asteroid survey, 1973-1978. Icarus, 40, 321-328.
Hoyle,   F. and Wickramasinghe,   N.C. (1978).   Comets,  ice ages,  and ecological catastrophes. Astrophys. Space Sci., 53, 523-526.
Hughes, D.W. (1996). The size, mass and evolution of the Solar System dust cloud. Quarterly J. Royal Astron Soc, 37, 593-604.
Hughes, D.W. (2003). The approximate ratios between the diameters of terrestrial impact craters and the causative incident asteroids. MNRAS, 338, 999-1003.
Klekociuk,   A.R.,   Brown,   P.G.,   Pack,   D.W.,   Revelle,   D.O.,   Edwards,   W.N., Spalding, R.E., Tagliaferri, E., Yoo, B.B., and Zagevi, J. (2005). Meteoritic dust from the atmospheric disintegration of a large meteoroid. Nature, 436, 1132-1135.
Kortenkamp, S.J. and Dermott, S.F.A. (1998). A 100,000-year periodicity in the accretion rate of interplanetary dust. Science, 280, 874-876.
Levison, H.F. et al. (2002). The mass disruption of Oort cloud comets. Science, 296, 2212-2215. Matese, J.J. et al. (1995). Periodic modulation of the Oort cloud comet flux by the adiabatically changing tide. Icarus, 116, 255-268.
McCrea, W.H. (1981). Long time-scale fluctuations in the evolution of the Earth. Proc. Royal Soc. London, A375, 1-41.
McEwen, A.S., Preblich, B.S., Turke, E.P., Artemieva, N.A., Golombek, M.P., Hurst, M., Kirk, R.L., Burr, D.M., and Christensen, P.R. (2005). The rayed crater Zunil and interpretations of small impact craters on Mars. Icarus, 176, 351-381.
Menichella, M., Paolicci, P., and Farinella, P. (1996). The main belt as a source of near-Earth asteroids. Earth, Moon, Planets, 72, 133-149.
Morbidelli, A., Jedicke, R., Bottke, W.F., Michel, P., and Tedesco, E.F. (2002). From magnitudes to diameters: the albedo distribution of near Earth objects and the Earth collision hazard. Icarus, 158, 329-342.
Napier, W.M. (2001). Temporal variation of the zodiacal dust cloud. MNRAS, 321, 463. Napier, W.M. (2006). Evidence for cometary bombardment episodes. MNRAS, 366(3), 977-982.
Napier, W.M. and Clube, S.V.M. (1979). A theory of terrestrial catastrophism. Nature,
282, 455-459.
Napier, W.M., Wickramasinghe, J.T., and Wickramasinghe, N.C. (2004). Extreme albedo comets and the impact hazard. MNRAS, 355, 191-195.
Nelson, R.M., Soderblom, L.A., and Hapke, B.W. (2004). Are the circular, dark features on Comet Borrelly's surface albedo variations or pits? Icarus, 167, 37-44.
Neukum, G. and Ivanov, B.A. (1994). Crater size distributions and impact probabilities on Earth from lunar, terrestrial-planet, and asteroid cratering data. In Gehrels, T. (ed.), Hazards Due to Comets and Asteroids, p. 359 (Tucson: University of Arizona Press).
Nurmi, P., Valtonen, M.J., and Zheng, J.Q. (2001). Periodic variation of Oort Cloud flux and cometary impacts on the Earth and Jupiter. MNRAS, 327, 1367-1376.
Parkin, D.W. (1985). Cosmic spherules, asteroidal collisions and the possibility of detecting changes in the solar constant. Geophys. J., 83, 683-698.
Rickman, H. (2005). Transport of comets to the inner solar system. In Knesevic, Z. and Milani, A. (eds.), Dynamics of Populations of Planetary Systems, Proc. IAU colloq. no. 197.
Rickman, H., et al. (2001). The cometary contribution to planetary impact rates. In Marov, M. and Rickman, H. (eds.), Collisional Processes in the Solar System (Kluwer).
Rigby, E., Symonds, M., and Ward-Thompson, D. (2004). A comet impact in AD 536?Astron. Geophys., 45, 23-26.
Rivkin, A.S., Binzel, R.P., and Bus, S.J. (2005). Constraining near-Earth object albedos using neo-infrared spectroscopy. Icarus, 175, 175-180.
Steel, D.I., Asher, D.J., Napier, W.M., and Clube, S.V.M. (1990). Are impacts correlated in time? In Gehrels, T. (ed.), Hazards Due to Comets and Asteroids, p. 463 (Tucson: University of Arizona).
Steel, D.I., Asher, D.J. 1998: On the possible relation between the Tunguska bolide & comet encke, in: planetary & space science, 46, pp 205-211.
Stokes, G.H. et. al. (2003). Report of the Near-Earth Object Science Definition Team. NASA, http://neo.jpl.nasa.gov/neo/neoreport030825.pdf
Stuart, J.S. and Binzel, R.P. (2004). NEO impact risk overrated? Tunguska events once every 2000-3000 years? Icarus, 170, 295-311.
Toon, O.B. et al. (1990). Environmental perturbations caused by asteroid impacts. In Gehrels, T. (ed.), Hazards Due to Comets and Asteroids, p. 791 (Tucson: University of Arizona).
Whipple, F.L. (1967). The Zodiacal Light and the Interplanetary Medium. NASASP-150, p. 409, Washington, DC.


Рецензии