О концепции терраформирования на современном этапе реализации проекта создания автономных планетных поселений

Details
Подробности
Категория: Концепты
Опубликовано 14.05.2011 23:54
Автор: Мушаилов Б.Р.
Хиты: 3164

Б.Р. Мушаилов
(Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга (ГАИШ)
при МГУ им. М.В. Ломоносова)

1. Введение

Долгопериодическая эволюция процессов, происходящих на Земле, в том числе и в биосфере, неразрывно связана с Солнечной системой [1]. Одним из катастрофических факторов подобного влияния является космическая угроза – кометно-астероидная опасность.

В настоящее время на Земле обнаружено около 180 астроблем - следов кратеров ударных космических тел. Максимальная глубина кратеров достигает половины толщины земной коры ~ 20 км. Диаметр кратеров в первом приближении на порядок больше "ударника"- среднего диаметра астероида.

Среди импактных структур, выявленных на территории России, выделяются: Попигайская (диаметр кратера D≈100 км, возраст T ≈35 млн. лет), Пучеж-Катункская (D≈80 км, T≈180 млн. лет), Карская (D≈70 км, T ≈70 млн. лет). Однако число астроблем невелико для того, чтобы корректно выявить закономерности в "предпочтительности" их распределений.

Геохимические и палеонтологические данные свидетельствуют о том, что примерно 65 млн. лет назад небесное тело размером 10-15 км столкнулось с Землей в северной части полуострова Юкатан (Мексика). При этом образовался кратер диаметром в 180 км. В результате значительно изменилась флора и фауна на Земле.

Вымирание отдельных биологических видов, а также массовое появление кратеров на Земле в среднем происходило с одной и той же периодичностью примерно в 30 млн. лет. Причиной подобных событий могли быть интенсивные бомбардировки поверхности Земли кометными ливнями, а периодичность связана с повторяющимися с интервалом около 30 млн. лет прохождениями Солнца через галактическую плоскость. Массивные облака пыли и газа, сосредоточенные в плоскости Галактики, должны приводить к сильным возмущениям кометного банка, вызывая появление кометных ливней [2].

За время существования Солнечной системы (~4,5 млрд. лет) произошло около десяти кометных “бомбардировок”, вызванных прохождениями звёзд через внутренний кометный банк Хиллса. Бомбардировка Земли кометами происходила не непрерывно, а относительно короткими порциями. Длительность каждой такой бомбардировки в среднем в 1000 раз короче, чем промежуток времени между ними. С этими "кометными ливнями" (по некоторым оценкам во время такого ливня на Землю может выпадать до 200 кометных ядер!) может быть связано вымирание некоторых биологических видов и массовое возникновение кратеров на Земле (значительное уменьшение прозрачности земной атмосферы за счёт "кометной бомбардировки" может приводить к вымиранию сначала простейших, а затем более сложных видов, в частности, динозавров).

Последствия для биосферы от столкновений с Землей кометных ядер могут в большей степени оказаться катастрофическими, нежели столкновения с сопоставимыми по размерам астероидами, из-за интенсивного рассеивания кометного вещества.

Падение на Землю небесных тел (астероидов или комет) с диаметрами d≥5 км способно вызвать катастрофу глобального масштаба (характерное время T выпадения на Землю подобных объектов T=20÷30 млн. лет), а при 0,5<d<1 км (T=10÷100 тыс. лет) - разрушения регионального масштаба. Небесные объекты меньших размеров могут вызвать локальные повреждения на поверхности Земли. При этом масштабы повреждений (поражений) существенно зависят от степени заселенности местности, в которой произойдет падение небесного тела.

За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (примерно удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Ныне знаменитый 300-метровый астероид Апофис, 13 апреля 2029 года промчался примерно в 40 тысячах километров от нашей планеты.

Общее число малых планет, размеры которых превышают 1 км, составляет порядка 1 млн. Часть тел, мигрировавших к Земле из различных областей Солнечной системы, в дальнейшем пополняло семейство астероидов, орбиты которых почти целиком находятся внутри орбиты Земли (а некоторые орбиты - внутри орбиты Венеры). Число подобных объектов может быть велико. Эти объекты опасны тем, что приближаются к Земле со стороны Солнца, и их появление трудно прогнозировать.

Ежегодно с Землей сталкиваются в среднем 2 железных или каменных тела массой более 100 т. Мелкие же астероидные осколки (глыбы метровых размеров, камни и пылевые частицы, включая и кометного происхождения) непрерывно падают на Землю ежегодно в виде десятков тысяч тонн космического вещества.

Вероятность столкновения кометы с Землей за время жизни одного поколения (примерно 70 лет) оценивается как 6 шансов из 10 миллионов. В Сибири в бассейне реки Подкаменной Тунгуски 30 июня 1908 г. упало небесное тело, именуемое теперь "Тунгусским феноменом". В настоящее время существуют весомые основания считать, что это небесное тело было осколком ядра кометы Энке.

За последнее столетие кроме Тунгусского явления (1908 г.) наблюдалось падение на Землю крупного метеорита в Бразилии (в 1930 г.) и Сихотэ-алинского метеорита (1947 г.). Для большинства обнаруженных на поверхности Земли метеоритов не удается определить точные моменты их падения. Крупнейший из известных метеоритов упал в Аризоне (США) примерно 50 тыс. лет назад. Возраст каменных метеоритов различных групп колеблется от 0,1 до 300 млн. лет. Древний возраст (несколько сотен млн. лет) обнаруживаемых на Земле железных метеоритов может быть связан с их большей прочностью и с тем, что образовавшиеся при столкновении железные осколки до их выпадения на Землю почти не дробились.

Реальной оценкой энергии Тунгусского феномена является величина ≈6 Мт (E=2,5.1023 эрг), мощность взрыва бразильского метеорита составила 1 Мт (взрыв водородной бомбы с тротиловым эквивалентом в 1 Мт), а энергия Сихотэ-алинского метеорита оценивается в ≈20 кт (8.1020 эрг). Энергия соударения с Землей Аризонского метеорита эквивалента ≈250 Мт. Энергия Тунгусского феномена эквивалентна землетрясению с магнитудой M=7,7, а для Аризонского метеорита M=8,8.

Энергия сильнейшего землетрясения (M=12) составляет примерно 6,3.1029 эрг (15.106 Мт), поэтому энергия соударения порядка 1030 эрг (что соответствует астероиду диаметром d ≈8 км) должна приводить к катастрофе глобального масштаба с нарушением земной коры. При этом размер кратера, образующегося на поверхности Земли, составит величину около D=100 км.

При падении космического тела (астероида) диаметром около 10 км в океан глубиной 4-5 км возникнет "водяной" вал высотой порядка глубины океана на расстоянии около 25 км от места удара (при скорости падения тела в 20÷30 км/с). При диаметре космического тела в 2 км высота вала на тех же расстояниях составит уже примерно 1 км. В случае падения метеорита диаметром всего ≈200 м в область океана со средней глубиной ≈0,6 км (средняя глубина Балтийского моря) должна образоваться волна с начальной амплитудой около 500 м.

При распространении волны от места удара (места падения тела) амплитуда волны затухает примерно обратно пропорционально её радиусу, но оставаясь существенной на больших расстояниях. Так, для тела диаметром 2 км высота волны составляет примерно 10 м на расстоянии до 2 тыс. км от места падения.

Мировому сообществу реальная опасность для человечества будущих неминуемых столкновений Земли с объектами космического происхождения была наглядно продемонстрирована в июле 1994 года при падении фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер. Для Земли подобное столкновение означало бы конец существования человеческой цивилизации.

Таким образом, кометно-астероидная опасность представляет собой реальную угрозу для значительного числа биологических видов организмов, находящихся на Земле.

В настоящее время, ввиду отсутствия необходимой информации о распространённости различных объектов в Солнечной системе (особенно небесных тел размерами десятки и сотни метров, которые могут представлять опасность при их падении на Землю), а также неэффективности ныне обсуждаемых методов отклонения объектов, падение которых на Землю способно вызвать глобальную катастрофу (ударное воздействие, доставка на поверхность объекта ракетных двигателей большой и малой тяги, использование солнечных парусов и т.п.), проблема столкновений небесных тел с Землей представляет реальную опасность.

Кроме непосредственно космической угрозы опасность для существования и развития человечества представляют также и последствия деятельности самого человечества: глобальная катастрофа, вызванная применением оружия массового поражения, истощение природных ресурсов планеты, необратимые экологические и климатические изменения, эпидемии мирового масштаба и т.п.

Следовательно, необходимы конструктивные действия по превентивной разработке мер, направленных на сохранение человечества в случае наступления катастрофических последствий на поверхности Земли. К их числу относится развертывание комплексных проектных работ по созданию и опытной эксплуатации автономных планетных поселений (АПП) с базовыми вариантами размещения на больших глубинах Земли, под горными массивами и на донной поверхности морей и мирового океана, а также и с размещением на иных планетах Солнечной системы, а в более отдалённой перспективе - и в других звёздных системах.


2. Выбор планет для терраформирования

АП подземного (или подводного) базирования должны быть структурированы в виде ветвящихся квазиавтономных поселений с постепенным заглублением, вне горных массивов вплоть до половины земной коры (а для подводного базирования – на порядок меньше), а параметры “среды обитания” для Homo sapiens должны иметь существенно ограниченный диапазон допустимых значений, поскольку адаптационные возможности жителей АП весьма ограничены1) [1, 3].

Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км², при этом площадь поверхности суши равна ~150 млн. км², а площадь, занятая морскими водами и мировым океаном — 360 млн. км². До настоящего времени практически не освоена Антарктика, морские и океанические глубины, что сдерживается не столько не адаптированностью окружающей среды, сколько отсутствием доступных источников энергии и материалов. При нынешней технологии произвести массовый перенос производства энергии и материалов в космос значительно более затратное мероприятие, чем сделать то же самое в Антарктике или на морском дне. В то же время, солнечные электростанции, космические фабрики, развёрнутые в космосе, не связаны с возможными нестабильными процессами, происходящими на поверхности Земли.


1) Даже колонизация многих тропических стран не удалась по причине высокой смертности колонистов из-за тропических болезней, и от таких колоний часто оставались лишь потомки колонистов, смешавшихся с местными жителями. Существенное изменение биологической природы человека с целью его адаптирования к широкому диапазону внешних условий противоречит статусу земной цивилизации.


Реальное освоение внеземного пространства значительно изменит психологию будущих поколений землян-первопоселенцев, чему, хотя и весьма отдалённо, свидетельствовало, в своё время, “открытие Америки” и заселение её территорий, которое оказало значительное воздействие на ход развития всей цивилизации, но и оно не может идти ни в какое сравнение с тем преобразованием, которое несёт с собой заселение и терраформирование (создание адаптированной среды обитания) иных планет.

Потенциально пригодные к долговременному заселению вне Земли планеты можно разделить на две основные группы: планеты земного типа, которые пригодны к немедленному заселению, и планеты, эволюция которых в обозримом будущем может пройти через земную стадию среды обитания. Никакие глобальные преобразования на планетах, отличных от указанных видов, принципиально не приемлемы для земной цивилизации в обозримой перспективе [1], вопреки многочисленным сентенциям, приводимым в работах различных авторов [4].

В Солнечной системе, при нынешних расположениях орбит, нет ни одной планеты, кроме Земли, указанных типов (Венера лишь для поселений отдалённого будущего ~ через 500 и более млн. лет может быть пригодной для терраформирования).

Учитывая многочисленность звёздных систем в нашей Галактике, существование планет земного типа весьма вероятно, хотя современные инструментальные данные всё ещё не позволяют обнаруживать подобные планеты даже у относительно близких к Солнцу звёзд. Несмотря на имеющиеся в настоящее время (январь 2011 г.) публикации об обнаружении более 550 кандидатов в экзопланеты с массами, превышающими массу Земли, большинство из них является лишь кандидатами в экзопланеты, ввиду ненадёжности получаемых результатов.

Теоретически, наряду с планетами, создание автономных поселений возможно и на спутниках планет. В Солнечной системе с целью создания долговременных АП в обозримой перспективе ни один из спутников планет не представляет интереса. В то же время, для кратковременных поселений (экспедиций) наиболее предпочтительной является база подлунного базирования.

На современном этапе развития земной цивилизации возможность для проведения терраформирований на других планетах отсутствует. Приоритетной задачей развития современных технологий в данном контексте является существенное повышение управляемых скоростей межпланетных перелётов (в настоящее время для межпланетных перелётов в Солнечной системе используются поля тяготения «попутных» планет). Ввиду высокой степени радиоактивного загрязнения продуктами выброса двигателей, разрабатываемые ядерные ракетные двигатели не являются перспективными1), а ионные двигатели, обеспечивающие ионизацию газа и его разгон электростатическим полем, в настоящее время нуждаются в значительном увеличении мощности. Для достижения и колонизации экзопланет требуется создание двигателей, основанных на иных принципах.


3. Основные приоритеты

Таким образом, согласно разделу 2, в настоящее время в рамках исследований по терраформированию в проблеме АП наиболее целесообразной является:

* разработка и апробация наземных и подземных (подводных) прототипов АП (полигонов) на основе комплексного моделирования и пилотной апробации созданных конфигураций, включая исследование геофизической обстановки, конструктивное разворачивание "жилой линзы", управление её устойчивостью, отработку нештатных ситуаций, апробацию перспективных агротехнологий и т.п.;

1) Термоядерная реакция, осуществляемая путём синтеза дейтерия 2Н и трития 3Н, с выделением гелия 4Не сопровождается выделением, так называемых быстрых нейтронов, создающих значительное количество радиоактивных отходов. В отличие от этого синтез дейтерия и гелия-3 (3He) не производит радиоактивных продуктов: наряду с гелием 4Не образуется протон с энергией 14,7 МэВ. Запасы гелия-3, в отличие от Земли, имеются в значительном количестве на Луне.

* регенерация и реабилитация ущербных грунтов, территорий (неэффективных земель) и недр, реабилитация убывающих поселений. Комплексные геофизические прогнозные исследования с целью построения физико-геологических моделей глубинного строения земной коры, на основе которых осуществляется прогноз геофизической среды и полезных ресурсов для АП подземного базирования;

* конверсия и тиражирование в интересах социально-экономического развития и инфраструктуры регионов наукоёмких технологий, разработок, вырабатываемых на стадии реализации данного этапа исследований. Разработка и развитие систем наземной инфраструктуры орбитальных солнечных электростанций (в т.ч. геосинхронного базирования). Участие в апробации и развитии систем инструментального мониторинга за состоянием среды, параметрами инфраструктуры;

* комплексная разработка механизма устойчивого функционирования, создание и обустройство терра-среды обитания АП с учётом формирования типового состава грунтов, климат - формирования, формирования замкнутой среды обитания, агротехнологии, поиска производственного сырья, жизненно значимых ресурсов и т.п.


4. Вспомогательное терраформирование

Промежуточным этапом между планетной станцией и полноценным АП, может быть создание локальной искусственной биосферы (плацдарма) в виде протяжённых оранжерей - городов [5], позволяющих обеспечивать приемлемые условия существования на первых этапах построения АП (см. рис. 1). Крупнейший в мире оранжерейный комплекс в настоящее время построен в Англии (проект Эдем). Он занимает 2,2 га, достигая 55 м в высоту.


Рис. 1. Оранжереи проекта «Эдем». Вид изнутри. Биосфера 2 в Аризоне (США).


В условиях Венеры или подобной ей планеты с плотной атмосферой возможен вариант создания гигантского поселения купольного типа, превращённого в аэростат, так как земной воздух весит легче, чем венерианская атмосфера, состоящая преимущественно из углекислого газа. Учитывая лёгкость конструкции поселений купольного типа, будет существовать опасность их разгерметизации при различных нештатных ситуациях. Следовательно, подобные временные поселения будут нуждаться в дублирующих системах. С учётом развития современных технологий концепция локальной искусственной биосферы вполне реалистична.


5. Заключение

Кометно-астероидная опасность является неотъемлемым фактором, сопровождающим эволюцию Земли и представляющим катастрофическую опасность для биологических организмов, находящихся на Земле. Всё возрастающая заселённость планеты, наряду с наличием техногенных производств в области химической, оборонной и атомной промышленности, обуславливает рост вероятности глобальной космической катастрофы для Земли. При современной инструментальной базе и военно-космических технологиях проблема катастрофических последствий от столкновений небесных тел с Землей представляет реальную опасность.

Кроме непосредственно космической угрозы опасность для существования и развития человечества представляют также и последствия антропогенной деятельности самого человечества, вызванные необратимыми экологическими и климатическими изменения в биосфере, возможным применением оружия массового поражения и т.п.

Уже в настоящее время необходимы конструктивные действия по превентивной разработке мер, направленных на сохранение человечества в случае наступления катастрофических последствий на поверхности Земли, а именно, развертывание комплексных проектных работ по созданию и опытной эксплуатации автономных планетных поселений (АП) с базовыми вариантами размещения на больших глубинах Земли, под горными массивами и на донной поверхности морей и мирового океана, а также и с размещением вне Земли (на планете Венера), а в более отдалённой перспективе - и в других звёздных системах.

На основании фундаментальных принципов самоорганизации автономные поселения подземного базирования должны быть структурированы в виде ветвящихся квазиавтономных поселений с постепенным заглублением до половины земной коры. С целью существенного уменьшения глубины залегания АП, их целесообразно располагать под горными массивами. Поскольку адаптационные возможности жителей АП весьма ограничены, параметры “среды обитания” для землян в виду их эволюционного статуса должны иметь существенно ограниченный диапазон допустимых значений.

В Солнечной системе, при нынешних расположениях орбит, нет ни одной планеты, кроме Земли, удовлетворяющей фундаментальным эволюционным критериям, для построения в обозримой перспективе АП. На современном этапе развития земной цивилизации освоение экзопланет, существование которых до настоящего времени пока ещё даже надёжно не установлено, невозможно, в том числе по причине отсутствия ракетно-космических двигателей, необходимых для их достижения в разумные сроки.

Гипотетически создание автономных поселений возможно не только на планетах, но и на их спутниках. Создание долговременных АП ни на одном из спутников планет в Солнечной системе в обозримой перспективе не представляется возможным. В то же время, для кратковременных экспедиций наиболее предпочтительной является база подлунного базирования.

В настоящее время в рамках исследований по терраформированию в проблеме АП наиболее целесообразной является комплексная разработка и апробация наземных и подземных (подводных) прототипов АП (полигонов).

На первых этапах построения автономных поселений целесообразным может быть создание плацдарма в виде протяжённых оранжерей - городов (локальной искусственной биосферы), обеспечивающих приемлемые условия для временного существования.


Литература

1. Мушаилов Б.Р. О фундаментальных принципах планетонавтики. Статья в этом же сборнике.

2. Мушаилов Б.Р. О проблеме кометно - астероидной опасности http://www.astronet.ru/db/msg/1220319

3. Мушаилов Б.Р. Инвариантность восприятия времени и самоорганизация. Статья в этом же сборнике.

4. Martyn J. Fogg Terraforming: Engineering Planetary Environments // SAE International. Warrendale, PA. 1995; Золотухин В. А. Колонизация космоса: проблемы и перспективы. Изд.-во Тюменского государственного университета. 2003.

5. The Eden Project, Cornwall, UK: Top garden & eco tourist attraction. Eden Project http://www.edenproject.com/index.php