Эффект Ярковского в действии

Почему эффект Ярковского астрономы игнорировали в своих расчетах почти 100 лет? Да потому, что он слаб. Простая оценка показывает, что даже если космическое тело переизлучает в ИК-диапазоне весь падающий на него солнечный свет в одном, наиболее благоприятном направлении, то и за миллиард лет этот «фотонный двигатель» сможет существенно изменить орбиту лишь сравнительно небольшого тела, размером от 10 см до 10—20 км. В Солнечной системе такие тела известны — это ядра комет и астероиды. Но на движение ледяных ядер комет значительно сильнее влияет испускание с их нагретой поверхности потоков газа, на что впервые указал в 1950 г. американский астроном Фред Лоуренс Уипл (1906—2004). Так что для проявления эффекта Ярковского остаются только мелкие астероиды.

Уже в середине XX в. астрономы выяснили, что все астероиды вращаются подобно планетам. На поверхности астероидов тоже бывает день и ночь. Поэтому для эффекта Ярковского у астероидов условия есть. Когда вращение тела уносит нагретую за день поверхность астероида в ночную тень, накопленное тепло излучается не в сторону Солнца, а «вбок», действуя как разгонный или тормозной реактивный двигатель и очень слабо, но постоянно изменяет орбиту астероида. Если вращение астероида отклоняет его нагретую поверхность вперед по курсу, то эффект Ярковского тормозит движение тела, и оно, опускаясь по орбите вниз, приближается к Солнцу. Если же теплая поверхность за счет вращения разворачивается назад, то лучевой импульс подгоняет движение астероида и поднимает его орбиту, удаляя тело от Солнца.

С астероидами километрового размера, особенно подверженными этому эффекту, астрономы познакомились сравнительно недавно, когда начали использовать для их поиска крупные автоматизированные телескопы и обнаружили, что такие астероиды порою весьма тесно сближаются с Землей. Стоит ли говорить, как это взволновало «мировую общественность»! При этом масла в огонь подливали не только журналисты, но и сами ученые, лишившиеся в конце 1980-х гг. выгодных военных заказов.

Большинство астероидов все же движется вдали от Земли, между орбитами Юпитера и Марса. Но три семейства малых планет представляют для Земли потенциальную опасность: это астероиды группы Амура, заходящие внутрь орбиты Марса, группы Аполлона, пересекающие орбиту Земли, и группы Атона, чьи орбиты целиком лежат внутри орбиты Земли. Астрономы поставили перед собой цель выявить все потенциально опасные астероиды и с высокой точностью прогнозировать их движение в будущем. А для этого важен учет даже слабых эффектов. Тут и вспомнили про идею Ярковского.

Рис. 4.29. Эффект Ярковского в современной трактовке, в терминах механической реакции теплового излучения.

Разумеется, сам механизм реакции теплового излучения настолько очевиден, что если бы не Ярковский, то другие исследователи обязательно переоткрыли бы этот эффект (что позже и случилось). Но он по праву носит имя Ярковского, в сущности, благодаря хорошей памяти одного человека — эстонского астронома Эрнста Эпика (1893—1985). Окончив Московский университет, Эпик работал в обсерваториях Москвы, Ташкента, Тарту и Гарварда, а после 1944 г. обосновался в обсерватории Арма (Северная Ирландия). Это был чрезвычайно разносторонний ученый, один из немногих энциклопедистов XX в. В 1951 г. Эпик опубликовал статью о движении малых тел в Солнечной системе, в которой впервые учел действие радиационной отдачи, отметив, что этот эффект был уже описан «гражданским инженером Ярковским в брошюре, изданной в Санкт-Петербурге в России в 1900 году». Эпик прочитал эту брошюру приблизительно в 1909 г., когда жил в Эстонии, и мог сослаться на нее лишь по памяти. Вот так и возник термин «эффект Ярковского».

Если бы не благородство эстонского астронома, то, возможно, мы обсуждали бы сейчас «эффект Эпика» или «эффект Эпика — Радзиевского», поскольку в 1952 г. довольно подробное исследование этого эффекта опубликовал в «Астрономическом журнале» (т. 29, с. 162) советский астроном Владимир Вячеславович Радзиевский (1911—2003), не упомянув при этом работы Ярковского и Эпика. Впрочем, если уж восстанавливать историческую справедливость, то следовало бы называть его «эффектом Ярковского — Рубинкама», поскольку именно Дэйвид Рубинкам (D.P. Rubincam) из Центра космических полетов им. Годдарда (NASA) в 1987 г. первым обнаружил проявление этого эффекта в движении геодезического спутника Земли LAGEOS, орбита которого с высочайшей точностью измеряется методом лазерной локации.

К тому же именно Рубинкам отметил, что этот эффект имеет две составляющие — суточную и годичную, если считать «годом» орбитальный период тела. Суточный эффект вызван различием температуры утреннего и вечернего полушарий планеты, а годичный — разницей температуры летнего и зимнего ее полушарий. Сам Ярковский писал только о суточном эффекте, который может быть сильно ослаблен быстрым вращением планеты, сглаживающим перепад температуры от дня к ночи. Но на годичный эффект это не влияет; он возникает в том случае, если ось вращения планеты наклонена к оси ее орбиты (как у Земли), что приводит к попеременному, на полгода, повышению температуры одного из полушарий. Если планета движется летним полушарием вперед, то «сила Ярковского» тормозит ее движение, если же зимним полушарием вперед, то ускоряет.

Рис. 4.30. Годичный эффект Ярковского на примере планеты с наклоном оси вращения в 90°. Цвет указывает среднюю температуру полушария: светлый — высокая, темный — низкая. Тепловая инерция приводит к тому, что температура выравнивается не в точках 1 и 2, а в точках 3 и 4. Сила Ярковского достигает нуля в точках 3 и 4, а в точках 5 и 6 обращается в нуль ее составляющая вдоль вектора скорости. Знаком «+» отмечен сектор ускорения, знаком «-» — торможения. Как видим, преобладает торможение.

Любопытно, что суточный эффект Ярковского симметричен: если направление суточного вращения планеты совпадает с направлением ее орбитального обращения, то сила Ярковского подталкивает планету вперед и она удаляется от Солнца, а если направления вращения и обращения не совпадают, то все наоборот — планета приближается к Солнцу. А вот годичный эффект несимметричен: в среднем за орбитальный период планета всегда тормозится и приближается к Солнцу. Это легко понять, рассмотрев движение предельно наклоненной планеты, которая, подобно Урану, обращается по орбите, «лежа на боку». Симметрию сил при движении по круговой орбите нарушает тепловая инерция поверхности планеты.

Как мы знаем, астрономы знакомы еще с одним динамическим эффектом излучения, тормозящим движение тел, — эффектом Пойнтинга — Робертсона. Суть его в том, что давление солнечного света из-за аберрации всегда направлено чуть-чуть «в лоб» движущемуся объекту Этот эффект важен для мелких космических пылинок, а эффект Ярковского — для более крупных камней и глыб. Хотя в целом эффект Пойнтинга — Робертсона значительно слабее эффекта Ярковского, но зато действует на все тела без исключения, тогда как эффект Ярковского отсутствует у невращающихся тел, у быстро вращающихся вокруг оси перпендикулярной плоскости орбиты, а также у маленьких, однородно прогретых тел.

Рис. 4.31. Астероид Итокава (25143 Itokawa) размером 535×294×209 м в своем движении должен испытывать заметное влияние эффекта Ярковского. Фото получено японским зондом «Хаябуса» в 2005 г. Взяв образец вещества с поверхности астероида, этот зонд 13 июня 2010 г. вернулся на Землю.

В последние годы влияние силы Ярковского на движение астероидов активно исследуют Паоло Фаринелла (P. Farinella, Университет Триеста, Италия) и Давид Вокрухлицкий (D. Vokrouhlicky, Карлов университет, Прага, Чехия), а также Уильям Ф. Боттки из Корнельского университета, Уильям Хартманн из Института планетных наук в Туксоне и др. Они отмечают, что опасность для Земли представляют не только астероиды групп Амура, Аполлона и Атона. Оказывается, в Главном поясе астероидов, между орбитами Юпитера и Марса, движение отнюдь не всех малых планет происходит стабильно. Там есть узкие зоны, попав в которые малая планета начинает двигаться хаотически и может быть выброшена притяжением Юпитера или даже Марса в произвольном направлении. Расчеты показали, что «дрейф Ярковского» достаточно велик, чтобы смещать мелкие астероиды из зон устойчивых орбит в зоны хаоса, откуда некоторые из них могут вылетать к сторону Земли. Таким образом, эффект Ярковского увеличивает потенциальную угрозу нашей цивилизации.

Но самое любопытное, что тот же эффект Ярковского можно использовать и для защиты от астероидов. Отклонять небольшие, но опасные астероиды подальше от Земли теоретически возможно, если каким-либо способом изменить отражательные свойства их поверхности и тем самым усилить или ослабить эффект Ярковского. Этот способ предложил в 2002 г. планетолог Джозеф Спитэйл из Лаборатории Луны и планет Аризонского университета. В статье, опубликованной в журнале «Science», он привел вычисления дрейфа Ярковского для трех относительно близких к Земле астероидов: Голевка (6489 Golevka) диаметром 300 м, Икар (1566 Icarus, 1 км) и Географос (1620 Geographos, 2,5 км). Чтобы проверить эти расчеты, американские радиоастрономы организовали в 2003 г. наблюдения за астероидом Голевка с помощью гигантской антенны в Аресибо (о. Пуэрто-Рико). Оказалось, что «фотонная тяга» работает: сила Ярковского действует в точном согласии с расчетами. Для астероида Голевка массой 210 млн т она составляет примерно 0,3 H; в результате с 1991 по 2003 гг. орбита астероида на 15 км отклонилась от идеальной траектории, определяемой гравитационным взаимодействием с другими телами Солнечной системы.

Современной технике вполне по силам «выключить» эффект Ярковского, покрасив поверхность такого астероида в белый цвет, или, напротив, усилить эффект, используя черный краситель. Правда, быстрого результата от этого ждать не приходится: орбита даже небольшого астероида отклонится от точки встречи с Землей лишь спустя десятилетия. Поэтому защитные меры в расчете на эффект Ярковского нужно принимать заранее. И все же это гораздо лучше, чем пытаться разрушить опасный астероид ядерными зарядами, отчего он может превратиться в облако мелких осколков, еще более смертоносное для Земли.

Как видим, оригинальная механическая теория Ярковского не нашла подтверждения, но предсказанный им астрономический эффект стал полезным инструментом современной науки.

Признаюсь, знакомство с жизнью и работами Ивана Осиповича оказалось для меня весьма поучительным. Я еще раз увидел, сколь высок был культурный уровень дореволюционного российского инженера, сколь привлекательна фундаментальная наука для специалистов технического профиля и, наконец, сколь ошибочен обывательский взгляд на науку как на цепь революционных переходов от одной теории к другой. Наука — это прежде всего преемственность; это процесс, в котором ни одна хорошая идея не исчезает бесследно, на какой бы почве она ни произросла.