Какой ущерб нанесет космический зонд?

Недостаточно, чтобы вызвать глобальное вымирание.

Я мог бы подставлять вещи в уравнения, но я ленив. Подстановка релятивистской кинетической энергии тела массой 100 кг, движущегося со скоростью 0,4с, дает$8 \times 10^{17}$Джоули. На странице удара Чиксулуб , который, как предполагается, убил динозавров , говорится, что энергия, высвобожденная в этом событии, была$4\times 10^{23}$Джоули.

Быстрый поиск в Google показывает, что зонд juno находится примерно на$3000$кг, или примерно в тридцать раз тяжелее массы, которую я подключил. Это означает, что ваш зонд высвободит в 0,00006 раз больше энергии, чем при ударе Чиксулуб. Это много, но не по большому счету!

Предположим, что он движется с постоянной скоростью 0,4с (поскольку мы ничего не знаем о его ускорении), а его масса равна 100 кг. На таких скоростях релятивистские эффекты незначительны по сравнению с тем фактом, что я просто полностью создал массу из воздуха, поэтому мы можем найти классическое решение.

С использованием$E=1/2mv^2$мы находим, что энергия$1/2 \times 100 \times 119916983^2 = 7.19004143 \times 10^{17} ~\mathrm J$. Используя мою любимую страницу в Интернете, Orders of Magnitude (Energy) , мы видим, что это на одном уровне со взрывом Царь-бомбы, самого большого ядерного оружия, когда-либо созданного. Это на 6 порядков меньше энергии, высвобождаемой метеоритом Чиксулуб, который, как считается, вызвал вымирание динозавров.

Таким образом, существует небольшой риск вымирания. Это, а также случайное попадание в планету в 4 световых годах от нас, без каких-либо усилий, довольно сложно!

Расчет ущерба, нанесенного в результате удара, является неточным делом, но мы могли бы использовать событие вымирания КТ (которое покончило с динозаврами) в качестве эталона. Это воздействие имело энергию около$4.2\times 10^{23}$джоули _ Вопрос в том, насколько быстро наш зонд должен будет доставлять столько энергии.

Для релятивистского снаряда полная энергия определяется выражением:

а кинетическая энергия - это просто эта энергия за вычетом энергии массы покоя$mc^2$.

Предположим, что наш зонд имеет массу тонны ($10^3$кг), что примерно равно массе зондов «Вояджер» . В этом случае, чтобы соответствовать энергии удара Чиксулуб, потребуется скорость около$0.99999998c$. Вы предлагаете скорость$0.4c$, и при такой скорости кинетическая энергия будет около$8\times 10^{18}$джоулей, что в 50000 раз ниже энергии удара Чиксулуб. Тем не менее, я не хотел бы стоять под ним, когда он ударит.

Но есть пара моментов, которые необходимо сделать.

Во-первых, пространство большое, очень большое, и в основном пустое. Вероятность того, что зонд столкнется с чем-либо, настолько смехотворно мала, что никто не будет воспринимать это всерьез.

Во-вторых, НАСА заботит, что происходит с его зондами, и это часть планирования миссии. Например , зонд «Кассини» намеренно врежется в Сатурн , где тепло повторного входа уничтожит его (и любые земные формы жизни, которые могут скрываться на нем).

Во-первых, даже без системы искусственного торможения космический корабль может замедляться за счет приливных сил планет/астрономических тел, мимо которых он проходит, точно так же, как он может ускоряться за счет помощи гравитации. Таким образом, он не обязательно достигнет катастрофических скоростей, просто путешествуя в течение длительного времени в космосе.

Теперь давайте оценим энергию, которая выделится, если космический зонд New Horizons врежется в планету, подобную Земле. New Horizon имеет полную массу около 400 кг. Его последняя зарегистрированная скорость (мировой рекорд на данный момент) составляет 16,26 км/с = 16260 м/с. Предположим, что он падает с этой скоростью. И вся его кинетическая энергия превращается в тепло. Выделившееся тепло составит около 53 000 000 000 Дж. Тонна тротила дает около 4,184$*$ $10^9$Дж энергии. Энергия, высвобождаемая при аварии, примерно в 10 раз превышает эту энергию. Этого достаточно, чтобы взорвать достаточно большой туннель в средней горе. Планета даже не заметит.

Космический зонд не причинит никакого вреда, так как испарится в экзосфере. Когда зонд войдет в межпланетную среду на расстоянии порядка 100 а.е. от звезды, он столкнется с ионами с плотностью порядка 5 ионов на$\text{cm}^3$. Столкновения с протонами происходят со скоростью 0,4 с, следовательно, при энергии порядка 100 МэВ, так что это очень похоже на воздействие интенсивного альфа-излучения. Температура теплозащитного экрана будет повышена примерно до 600 К. Теплозащитный экран может выдерживать температуры примерно до 6000 К, прежде чем он испарится. Эта температура будет достигнута, когда плотность$10^4$раз больше, поэтому 50 000 ионов на$\text{cm}^3$. Но на высоте 1000 км над Землей у вас обычно уже есть$\sim 10^{6}$атомов на$\text{cm}^3$.

Итак, по мере того, как зонд приближается к землеподобной планете, температура его теплозащитного экрана постепенно повышается из-за все более интенсивной бомбардировки ионов и атомов, которые он зачерпывает. На 10 000 км экран будет раскален докрасна, через 0,02 секунды, когда он будет на 4000 км, он, скорее всего, испарится, подвергая внутреннюю часть воздействию температур порядка 6000 К. Затем весь зонд просто полностью испарится, даже не достигнув 1000 км. расстояние.

Атомы, из которых состоит зонд, будут продолжать двигаться в атмосферу, пока не столкнутся с атомами. Из-за распада каждый атом теперь «сам по себе», тогда как в твердом теле только атомы на поверхности будут сталкиваться. Все атомы столкнутся с атомами из верхних слоев атмосферы уже на высоте нескольких сотен километров. В этих высокоэнергетических столкновениях атомы ионизируются и затем испытывают сильную силу Лоренца из-за магнитного поля Земли. Эти процессы приведут к тому, что энергия зонда будет рассеиваться на высоте более 100 км.