Potencjalnie niebezpieczne asteroidy. Implikacje dla bezpieczeństwa

Typologia potencjalnie niebezpiecznych obiektów

W domenie kosmicznej znajdują się bliskie obiekty Ziemi (ang.Near Earth Objects – NEO). Utożsamiane są głównie z bliskimi kometami Ziemi (ang.Near Earth Comets – NEC) i bliskimi asteroidami Ziemi (ang.Near Earth Asteroids – NEA). Potrzeba rozgraniczenia tych dwóch rodzajów ciał niebieskich wynika z ich fizycznych charakterystyk. Tak przyjęte nazewnictwo wskazuje na ich obecność w przestrzeni pozaziemskiej, która nie zagraża bezpieczeństwu planety lub rozmieszczonych wokół niej technologii kosmicznych. 

Jednak wśród NEO występują potencjalnie niebezpieczne obiekty (ang.Potentially Hazardous Objects – PHO). Analogicznie do akronimów NEC i NEA w ramach NEO, w podziale PHO wyróżnia się potencjalnie niebezpieczne komety (ang.Potentially Hazardous Comet – PHC) oraz potencjalnie niebezpieczne asteroidy (ang.Potentially Hazardous Asteroid – PHA).

Komety wyróżniają się relatywnie niewielkimi rozmiarami w porównaniu do planet Układu Słonecznego. Ich specyficzną cechą jest zdolność do wytwarzania komy wokół jądra kometarnego wskutek zbliżania się do środowiska gwiazdy. Koma stanowi mieszankę gazu oraz pyłu uwalnianego z powierzchni komety. 

To właśnie ona sprzyja powstaniu charakterystycznego warkocza pod wpływem oddziaływania promieniowania i wiatru słonecznego. Zdarzają się sytuacje, w których szacowana trajektoria lotu komety przechodzi przez orbitę ziemską lub w niedalekiej odległości od niej. Generuje to ryzyko wystąpienia kolizji wywołującej monumentalne konsekwencje nie tylko dla aktywów kosmicznych, ale również godzące w bezpieczeństwo planety.

Z kolei asteroidy, zamiennie nazywane planetoidami, są ciałami niebieskimi niesklasyfikowanymi do żadnej kategorii. Zazwyczaj ich pochodzenie jest ugruntowane w formowaniu się skupisk materii w okresie kształtowania się współcześnie znanego Układu Słonecznego. Stanowią je skalne albo lodowe obiekty o niewielkich rozmiarach, najczęściej o średnicy od kilkudziesięciu metrów do kilku kilometrów, tworzące gromady. 

Najliczniejszy pas asteroidów znajduje się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Badania oraz obserwacje prowadzone nad tymi obiektami dowiodły, że na ich powierzchni znajdują się odkształcenia świadczące o możliwych kolizjach.

PHA jako szczególny przypadek bliskich asteroidów Ziemi

Z perspektywy bezpieczeństwa kosmicznego potencjalnie niebezpieczne asteroidy generują większe zagrożenia dla aktywów rozmieszczonych w przestrzeni kosmicznej oraz Ziemi niż potencjalnie niebezpieczne komety. Najczęściej występują one w bardzo licznych gromadach tworząc pasy asteroidów. Wciągnięte w pole grawitacyjne planety mogą znaleźć się na kursie kolizyjnym z infrastrukturą kosmiczną lub samą Ziemią. Bezpośrednie uderzenie asteroidy w jej powierzchnię spowodowałoby ogromne zniszczenia skutkujące powstawaniem kraterów uderzeniowych.

Współczesne obserwacje naukowe skoncentrowane wokół obiektów typu PHA są prowadzone głównie przez sondy kosmiczne. Dowiodły one, że asteroidy o średnicy 100 metrów oraz większej, które mogą zbliżyć się do Ziemi na odległość mniejszą niż 7,5 miliona kilometrów stanowią dla niej zagrożenie. 

Obecnie w przestrzeni kosmicznej znajduje się ponad dwa tysiące potencjalnie niebezpiecznych asteroidów. Na ten moment żadna z nich nie stwarza niebezpieczeństwa dla aktywów kosmicznych oraz Ziemi. Najnowsze dane na ten temat pochodzą z 2023 roku.

Rodzaje i podziały potencjalnie niebezpiecznych asteroidów

Charakterystyczną cechą wszystkich asteroidów, również typu PHA, jest ich nieregularny i niepowtarzalny kształt. Co więcej, znajdują się one w różnych odległościach od Ziemi. Ze względu na potrzebę nie tylko obserwacji, ale także katalogowania tego rodzaju naturalnych obiektów kosmicznych podlegają one klasyfikacji. Wyróżnia się cztery podstawowe grupy potencjalnie niebezpiecznych asteroidów, takie jak:

1. Asteroidy grupy Atiry – zaliczają się do niej bardzo bliskie planetoidy Ziemi. Zakwalifikowanie ich do tej grupy jest uwarunkowane występującymi odległościami. W tym przypadku obiekty posiadają aphelia bliższe Słońcu niż najmniejsza odległość Ziemi od Słońca. Oznacza to, że wynosi ona mniej niż jedną jednostkę astronomiczną \[j.a.\]. 

Jednocześnie powoduje, że asteroidy są zlokalizowane najbliżej Ziemi i przemieszczają się po wewnętrznej stronie jej orbity. Biorąc pod uwagę to rozmieszczenie oraz zaciemnienie wywoływane przez planetę, planetoidy z grupy Atiry odbijają bardzo mało światła i są obiektami niezwykle trudnymi do obserwacji z powierzchni Ziemi. Zdarzają się sytuacje, w których są widoczne jedynie w ciągu dnia.

2. Asteroidy grupy Ateny – stanowią drugi typ bardzo bliskich planetoidów Ziemi. Podobnie jak w przypadku obiektów z grupy Atiry ich odległość od planety wynosi mniej niż jedną jednostkę astronomiczną. Jednak większość asteroid z grupy Ateny nie przemieszcza się po wewnętrznej stronie ziemskiej orbity. Stanowią je wyłącznie pojedyncze wyjątki. Znany jest przykład obiektu z grupy Ateny, co do którego przypuszczano, że może się znaleźć na kursie kolizyjnym z Ziemią. Dokonanie bardziej precyzyjnych obliczeń dotyczących orbity planetoidy pozwoliło wykluczyć to zagrożenie.

3. Asteroidy grupy Apolla – są to bliskie planetoidy Ziemi. Wyróżniają się one zupełnie odmienną charakterystyką w porównaniu do grupy Atiry oraz grupy Ateny. Obiekty zaliczone do grupy Apolla przecinają nie tylko orbitę Ziemi, stanowiąc dla niej potencjalne zagrożenie. Trajektoria ich przemieszczania się może spowodować zagrożenie także dla innych planet wewnętrznych Układu Słonecznego, w tym dla Merkurego i Wenus.

4. Asteroidy grupy Amora – zaliczają się do grupy bliskich planetoid Ziemi. Spośród wszystkich grup są one najbardziej oddalone od naszej rodzimej planety. Określa się, że ich peryhelia wykraczają nieznacznie poza orbitę ziemską i przyjmują wartości powyżej jednej jednostki astronomicznej. Co ważne, żaden z tych naturalnych obiektów nie jest obecnie zagrożeniem dla Ziemi, ponieważ nie przecina jej orbity. Natomiast odnotowano przypadki przekroczenia orbity Marsa przez asteroidy grupy Amora.

Konsekwencje kolizji PHA z infrastrukturą kosmiczną

Wystąpienie kolizji obiektu typu PHA z infrastrukturą kosmiczną należy do wydarzeń cechujących się podwyższonym ryzykiem. Istnieje większe prawdopodobieństwo, że przemieszczająca się w sposób niekontrolowany potencjalnie niebezpieczna asteroida napotka technologię kosmiczną (np. satelitę, sondę, teleskop) operującą na niskiej orbicie okołoziemskiej (ang.Low Earth Orbit – LEO) lub bardzo niskiej orbicie okołoziemskiej (ang.Very Low Earth Orbit – VLEO). Wówczas może zostać zainicjowany szereg różnorodnych zagrożeń. Do najpoważniejszych z nich należą:

1. Uszkodzenie obiektów kosmicznych – rozpatrywane w kontekście chwilowego braku możliwości korzystania z funkcjonalności aktywów kosmicznych. Może zaliczać się do nich zakłócenie lub czasowa utrata dwustronnej łączności z satelitami oraz zdolność jej ponownego przywrócenia. Uszkodzenie trzeba uwzględnić również w przypadku kolizji, która nie spowodowała wstrzymania pracy technologii kosmicznej, ale mogła uszkodzić nieznacznie konstrukcję techniczną.

2. Zniszczenie obiektów kosmicznych – rozważane w aspekcie całkowitego i nieodwracalnego uszkodzenia infrastruktury technicznej bez opcji zdalnego przywrócenia jej komponentów do funkcjonowania. Zniszczenie występuje w chwili, gdy satelita znajdzie się na trajektorii lotu asteroidy, a następnie dojdzie do kinetycznego zderzenia. Elementy pozostające w przestrzeni kosmicznej wskutek takiego zjawiska sprzyjają powstawaniu nowych źródeł śmieci kosmicznych.

3. Zagrożenia dla załogowych misji kosmicznych – dotyczą wywołania sytuacji niebezpiecznej w dwóch rodzajach przypadkach. Po pierwsze, podczas transportu astronautów do przestrzeni pozaziemskiej. Istnieje ryzyko, że startujący z powierzchni Ziemi wahadłowiec może zostać strącony przez obiekt typu PHA. Skutkiem wystąpienia takiego zdarzenia byłaby nie tylko natychmiastowa śmierć załogi, ale także zniszczenie statku kosmicznego. 

Po drugie, potencjalnie niebezpieczne asteroidy stanowią zagrożenie dla zespołu specjalistów przebywających w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ang.International Space Station – ISS). W momencie kolizji uszkodzeniu mogą ulec zarówno zewnętrzne panele wchodzące w skład konstrukcji technicznej ISS jak i wywołać sytuacje niebezpieczne dla załogi stacji.

4. Zagrożenia dla bezzałogowych misji kosmicznych – odnoszą się do szeroko pojmowanego katalogu zdarzeń, w trakcie których doszłoby do uszkodzenia lub zniszczenia technologii podczas realizacji misji kosmicznej. W tym miejscu warto uwzględnić operacje polegające na wynoszeniu obiektów do przestrzeni pozaziemskiej przez bezzałogowe statki kosmiczne. Analogicznie, kolizja z potencjalnie niebezpieczną asteroidą mogłaby wystąpić w trakcie ściągania danego satelity w celu sprowadzenia go na Ziemię. Wówczas istnieje ryzyko nie tylko uszkodzenia, ale również utraty obiektu kosmicznego i statku kosmicznego.

Konsekwencje kolizji PHA z powierzchnią Ziemi

Wystąpienie kolizji potencjalnie niebezpiecznej asteroidy z Ziemią charakteryzuje się niższym prawdopodobieństwem zaistnienia niż zderzenie PHA z infrastrukturą kosmiczną rozmieszczoną w przestrzeni pozaziemskiej. Asteroida musi znajdować się na bezpośrednim kursie kolizyjnym z planetą, by zagrożenie tego rodzaju było realne. 

Co więcej, PHA nie jest w stanie wywołać tak katastrofalnych skutków jak w przypadku zderzenia z aktywami lub statkami kosmicznymi. Jednak generuje szereg niebezpiecznych sytuacji, których nie należy ignorować. Do kluczowych zagrożeń zaliczają się:

1. Zniszczenie środowiska naturalnego – nawiązuje do bezpośredniego uderzenia potencjalnie niebezpiecznej asteroidy o powierzchnię Ziemi. Określa się, że tego rodzaju obiekt naturalny o średnicy powyżej kilometra byłby w stanie wywołać katastrofalne skutki. Przede wszystkim spowodowałoby gwałtowny wyrzut pyłu kosmicznego do atmosfery ziemskiej. 

W konsekwencji nastąpiłaby ciemność i nieprzepuszczalność promieniowania słonecznego. Wstrząs wywołany poprzez kolizję mógłby sprzyjać uszkodzeniu istniejących kontynentalnych i oceanicznych płyt tektonicznych oraz ich rozłamowi na mniejsze obszary. Skutkowałoby to wystąpieniem procesu inicjującego przekształcenie współczesnych kontynentów i oceanów do nowych form.

 Z sejsmicznego punktu widzenia uderzenie planetoidy byłoby w stanie przyczynić się do wystąpienia trzęsień ziemi, nadaktywności wulkanicznej doprowadzającego do wybuchów, a także powstania tsunami. Kolizja asteroidy z Ziemią prawdopodobnie nie doprowadziłaby do zniszczenia planety, lecz z pewnością przyczyniłaby się do zakończenia obecnie znanego nam świata.

W 2020 roku nastąpiła aktualizacja bazy danych Earth Impact Database (EID). Zawiera ona listę potwierdzonych kolizji, podczas których potencjalnie niebezpieczna asteroida zderzyła się z powierzchnią Ziemi. Gromadzone informacje posiadają charakter międzynarodowy i są dedykowane archiwizowaniu danych na temat powstawania struktur uderzeniowych na całym świecie. 

Od czasu ostatniej aktualizacji w bazie znajduje się 190 potwierdzonych incydentów, które spowodowały powstanie odkształceń na Ziemi. Earth Impact Database została powołana w 1955 roku przez Dominion Observatory w Ottawie. Od 2001 roku jest utrzymywana jako źródło informacji non–profit w Centrum Nauk Planetarnych i Kosmicznych na Uniwersytecie w Nowym Brunszwiku w Kanadzie.

2. Zainicjowanie wystąpienia zmian klimatycznych – dotyczy wyrzutu pyłu kosmicznego znajdującego się na powierzchni asteroidy w momencie uderzenia o powierzchnię Ziemi. Oprócz zaciemnienia, w atmosferze powstałaby gęsta zawiesina pyłu, który prawdopodobnie utrzymywałby się w niej przez wiele lat. 

Przełożyłoby się to na gwałtowne ochłodzenie klimatu poprzez niemożność przenikania promieniowania słonecznego i jego docierania do powierzchni planety. W efekcie, życie na Ziemi zaczęłoby stopniowo zanikać. Ponadto pierwiastki zawarte w pyle byłyby w stanie wpłynąć na całkowitą transformację składu chemicznego atmosfery.

3. Zagrożenie dla życia cywilizacji oraz mienia – odnosi się do strat ludzkich powstałych podczas kolizji z potencjalnie niebezpiecznym asteroidą. Omówione powyżej konsekwencje zderzenia z tego rodzaju naturalnym obiektem kosmicznym są zdolne do wywołania szeregu niebezpiecznych zjawisk, które mogłyby doprowadzić do zagłady większości cywilizacji ludzkiej. Istnieją przesłanki, by sądzić, że na Ziemi wyewoluowałyby formy życia, będące w stanie dostosować się do funkcjonowania w realiach nowego, przekształconego środowiska naturalnego.

Kinetyczne metody niszczenia potencjalnie niebezpiecznych asteroidów

Pomimo że prognozy zderzenia z asteroidą cechują się zazwyczaj niskim prawdopodobieństwem wystąpienia nie można ich w zupełności wyeliminować. Niestety współcześnie nie są znane żadne środki i rozwiązania, które byłyby w stanie utrzymać naturalny obiekt kosmiczny w bezpiecznej odległości od Ziemi bez konieczności wprowadzenia działań polegających na bezpośredniej ingerencji.

Technologią posiadającą ogromny potencjał w rozwoju środków dedykowanych zapobieganiu zderzeniom z asteroidami w sytuacji ich kursu kolizyjnego jest jeden z obronnych projektów NASA. Nadano mu roboczą nazwę „Test Przekierowania Podwójnej Asteroidy” (ang.Double Asteroid Redirection Test – DART). 

Jego zasadniczym celem było przetestowanie zdolności do obrony planetarnej przed potencjalnie niebezpiecznymi obiektami bliskimi Ziemi. Misja ta polegała na zainicjowaniu celowego zderzenia sondy kosmicznej z PHA. Potencjalnie niebezpieczną asteroidą był obiekt o nazwie Dimorphos, który nie powodował bezpośredniego zagrożenia dla Ziemi i został wykorzystany wyłącznie w celach badawczych. 

Przedsięwzięcie miało dostarczyć danych czy naprowadzenie technologii DART i kolizja z planetoidą spowoduje jej odchylenie lub zmianę trajektorii przemieszczania się. Misja kosmiczna została sfinalizowana sukcesem w 2022 roku, a jej efektem było skrócenie trasy pokonywanej przez Dimorphosa na jego dotychczasowej orbicie.

Nie można całkowicie wykluczyć, że w przyszłości potencjalnie niebezpieczne asteroidy będą niszczone kinetycznie za pośrednictwem odpowiednich środków bojowych. W tym celu właściwymi technologiami byłyby rakietowe pociski przeciwsatelitarne (ang.Anti–satellite weapon – ASAT) oraz rakietowe pociski balistyczne (ang.Ballistic Missle – BM). Warunkiem koniecznym byłoby zwiększenie ich zasięgu operacyjnego, a także masę ładunku trotylowego decydującego o mocy wybuchu.