Asteroidit – uhka ja mahdollisuus

Asteroidi 243 Ida on tyypillinen pääasteroidivyöhykkeen kappale.
Kuva Wimedia Commons.

Asteroidit – uhka ja mahdollisuus

Teksti Kari A. Kuure

Asteroidit ovat aurinkokuntamme pienkappaleita yhdessä komeettojen kanssa. Vaikka komeetat ovatkin suurelle yleisölle ehkä se paljon mielenkiintoisempi kohde, asteroidit voivat tulevaisuudessa osoittautua suureksi hyödyksi, viimeistään siinä vaiheessa kun harvinaisista metalleista alkaa tulla ylipääsemätöntä puutetta.

Mitä asteroidit ovat?

Asteroidit ovat kaikkialla aurinkokunnassamme Aurinkoa kiertävillä radoilla olevia kappaleita, joiden koko vaihtelee useista sadoista kilometreistä vain muutaman metri kokoisiin. Pienimpiä asteroideja voidaan myös kutsua meteoroideiksi, sillä rajaa asteroidien ja meteoroidien väliin ei ole määritelty. Joidenkin lähteiden mukaan meteoroideiksi voidaan kutsua kappaleita, joiden koko on jopa 200 metriä. Vastaavasti asteroideiksi voidaan kutsua vain 2 metrin kokoista kappaletta.

Vaikka asteroideja on koko aurinkokuntamme alueella, aina ja välttämättä kaikkia niitä ei kuitenkaan asteroideiksi lasketa. Tällaisia poikkeustapauksia ovat yleensä transneptuniset kohteet, siis asteroidien kaltaiset kappaleet, joiden radat sijaitsevat Neptunuksen radan ulkopuolella. 

Raja komeettojen ja asteroidien välillä on myös hyvin häilyvä, sillä osalla asteroideista on ominaisuuksia, joita tavallisesti on komeetoilla. Esimerkiksi muutamilla asteroideilla esiintyy ratojen perihelin läheisyydessä heikkoa pyrstön muodostumista auringonlämmön vapauttaman kaasun ja pölyn levitessä avaruuteen. Onkin syytä epäillä, että tällaiset asteroidit voivat olla entisiä komeettojen ytimiä, jotka ovat menettäneet helposti haihtuvat kaasut ja vesijään pinnaltaan kierrettyään vuosituhansia aurinkokunnan sisäosassa.

Kuinka paljon asteroideja on?

Asteroidien tarkkaa lukumäärää on mahdoton sanoa. Joidenkin arvioiden mukaan pääasteroidivyöhykkeellä on ainakin 500 000 asteroidia. Todellisuudessa niitä varmasti on enemmän, sillä pieniä vain muutaman metrin halkaisijaltaan olevia kappaleita nykyinen havaintotekniikkamme ei pysty paljastamaan.

Neptunuksen radan ulkopuolella olevien asteroidien määrää on mahdotonta edes arvioida, sillä niitä olemme pystyneet havaitsemaan vasta jokusen vuoden ja silloinkin kaukoputkiemme kuvakentässä näkyvät kohteet ovat niitä kaikkein suurikokoisimpia.

Vaikka pääasteroidivyöhykkeen asteroidien määrä on suuri, niiden yhteinen massa on kuitenkin aurinkokunnan mittakaavassa hyvin vähäinen. Arviot asteroidien yhteismassaksi on noin 3 % Kuun masssasta (2,3x10²¹ kg). Se on hyvin vähän ja asteroidivyöhykkeen kappaleet eivät missään oloissa olisi voinut muodostaan ”puuttuvaa planeettaa”. Kääpiöplaneetta Ceresin sisältämä massa on noin 40 % koko asteroidivyöhykkeen massasta ja muutama muu asteroidi sisältää vielä merkittävän osan jäljelle jäävästä massasta (4 Vesta 12 %, 2 Pallas 9 %, 10 Hygiea 4 %, 511 Davida 1,6 %, 704 Interamnia 1,4 % ja 3 Juno 1,2 %).

Asteroidi 4 Vesta on suurin ja muodotaan pyörein asteroidi.
Vestaa pienemmät asteroidit ovat suurimmaksi osaksi enenmmän
tai vähemmän perunan muotoisia, siis melkoisen epäsymmetrisiä.
Kuva Wikimedia Commons.

Asteroidien muoto ja rakenne

Pääasteroidivyöhykkeeltä on onnistuttu valokuvaamaan joitakin suurimpia ja mielenkiintoisimpia asteroideja käyttämällä luotainten ohilentoja. Kuvia katseleva ovat varmasti panneet merkille, että asteroidit ovat hyvin harvoin pallonmuotoisia. Huomio on aivan oikea, sillä useimmat asteroidit ovat hyvin epämääräisen muotoisia ja vain kaikkein suurimmista muutamat muistuttavat palloa edes jossakin määrin.

Pallonmuotoisuus on seurausta asteroidin koosta, sen kun täytyy olla useita satoja kilometrejä ennen kuin niiden muoto muuttuu palloksi. Kyseessä on kappaleen uudelleen muotoutuminen gravitaation vaikutuksesta. Jos iso kappale ei ole ns. isostaattisessa tasapainossa, gravitaatio luo riittävän suuren voiman joka pakottaa kiven muuttamaan muotoaan ja pitkän ajan kulussa kappaleesta tulee lopulta pallonmuotoinen. Pallonmuotoinen isostaattinen tila on vakaa.

Jäät eivät kestä aivan yhtä suuria voimia, vaan päätyvät isostaattisen tasapainoon selvästi pienemmissä kappaleissa kuin kiviset asteroidit. Niinpä enimmäkseen jäästä koostuvat asteroidit ovat pallonmuotoisia jo silloin, kun niiden koko on noin 300 km.

Asteroideista suurin osa on huokoisia. Tämä johtuu niiden syntytavasta ja pienestä massasta. Planetoidit olivat syntyään hyvin höttöistä materiaalia ja kun ne kerääntyivät keskinäisen gravitaation vaikutuksesta yhteen suuremmiksi kappaleiksi, erillisten kappaleiden väliin jäi aukkoja. Massan kasvaessa aukkojen tilavuus pieneni. Vielä useiden satojen kilometrien kokoinen asteroidi voi olla hyvinkin huokoinen joko kauttaaltaan tai sellaisen sisällä on suurempia onkaloita.

Asteroidien kemiallinen rakenne

Asteroidit muodostaneessa protoplanetaarisessa pilvessä on ollut hyvin paljon erilaisia alkuaineita. Niiden joukossa on ollut myös suuri määrä radioaktiivisia aineita. Kun asteroidin koko on riittävä, radioaktiivisten aineiden hajotessa niiden tuottama lämpö on jäänyt erityksiin asteroidin kivikuoren estäessä lämmön ulossäteilyn. Tästä seurauksena on ollut asteroidien sisäisen lämpötilan nousu ja kiviaines on sulanut.

Sulamisesta on seurauksena raskaimpien alkuaineiden siirtyminen asteroidien keskiosiin ja pinnalle on jäänyt kevyempää kiviainesta. Rakenteellisesti tällainen asteroidin ydin on rauta-nikkeliä metallisena, sen ulkopuolella on metallispitoisista mineraaleista (mm. oliiviinia) koostuva mantteli ja pinnaltaan nämä asteroidit ovat yleensä kiveä. Ilmiö on ollut siis aivan sama kuin mitä aurinkokuntamme kiviplaneetoilla on tapahtunut.  Tapahtunutta kutsutaan differentoitumiseksi ja ainakin 4 Vesta ja 2 Pallas ovat selkeästi tämän tyyppisiä asteroideja.

Asteroidien spektroskooppiset tutkimukset ovat paljastaneet, että asteroidit jakaantuvat kolmeen pääryhmään ja jokaisella päätyypillä on vielä useampia alaryhmiä. Pääryhmät ovat C-, S-, M- ja joitakin muita harvinaisempia ryhmiä, joissa on vain muutamia asteroideja.

C-ryhmän asteroidit ovat hiilipitoisia kiviasteroideja ja ne ovat hyvin yleisiä. Seuraava ryhmä on S ja ne ovat kiviasteroideja, joissa on kohtalaisen runsaasti metalleja sisältäviä mineraaleja. M-ryhmä on harvinaisin ja tähän ryhmään kuuluvat asteroidit koostuvat enimmäkseen metalleista ja metallipitoisista mineraaleista. Tässä ryhmässä on myös hyvin usein harvinaisia platinaryhmän metalleja.

Spektroskooppisten tutkimusten lisäksi asteroideja voidaan tutkia myös meteoriittien kemiallisen koostumuksen määrittämisellä. Näin sen vuoksi, että iso joukko maapallolle pudonneista meteoriiteista on peräisin pääasteroidivyöhykkeen asteroideista. Pääasteroidivyöhykkeellä muutaman kerran miljoonassa vuodessa tapahtuu kahden asteroidin kesken yhteentörmäys, joka sinkoaa pienempiä kappaleita avaruuteen. Muutaman kymmenenmiljoonan vuoden kierrettyään Aurinkoa, meteoroidi on päätynyt radalle, joka on johtanut sen suoraan maapallon ilmakehään ja sitä tietä sitten maanpinnalle.

Pääasteroidihyöhyke sijaitsee Marsin ja Jupiterin ratojen
välissä. Kuva Wikimedia Commons.

Asteroidien radat

Palataanpa tarkastelemaan asteroidien ratoja hieman tarkemmin. Kiertoratojen mukaan asteroidit on luokiteltu erilaisiin ryhmiin:

• NEAt ovat Maata lähestyviä asteroideja
• Maan troijalaiset
• Marsin troijalaiset
• Pääasteroidivyöhykkeen asteroidit
• Jupiterin troijalaiset
• Kentaurit Jupiterin ja Neptunuksen ratojen välissä ja
• Neptunuksen troijalaiset.

Troijalaiset ovat asteroideja, joiden radat sijaitsevat suunnilleen emoplaneetan radalla Auringosta katsoen joko 60 astetta planeetan liikesuunnassa jättöpuolella tai etupuolella. Troijalaiset eivät suinkaan ole palkallaan vaan kiertävät Lagrangen pisteiksi nimettyjä L4 ja L5 pisteitä soikealla haloradalla. Halorata voi ulottua niin kauas Auringon ympäri, että asteroidi voi päätyä tekemään kierroksen vastakkaisen Lagrangen pisteen ympäri. Tunnetuimmat troijalaiset ovat Jupiterin troijalaiset, joita on myös runsaimmin, noin 6 500 kappaletta. Maapallolla on vain muutama troijalainen.

Maapallon lähelle tulevat asteroidit on luokiteltu niiden ratojen
mukaan. Maapallon rata on merkitty sinisellä värillä.
Kuva Wikimedia Commons.

Neptunukset radan ulkopuolella ovat plutiinot, jotka kiertävät Aurinkoa 3:4 resonansissa Neptunuksen kiertoaikaan. Niiden ulkopuolella on kääpiöplaneetta Pluto, joka puolestaan kiertää Aurinkoa 2:3 Neptuksen kiertoajan resonanssissa. Cubewanos ovat Kuiperinvyön kohteita, joiden kiertoajat ovat 3:5 ja 4:7 Neptunuksen kiertoaikaan nähden ja vielä näitäkin kauempana on twotinos kappaleet, joiden kiertoaika on 1:2 ja 2:5 Neptunuksen kiertoaikaan nähden.

Kuiperinvyön ulkopuolella noin 50 au:stä alkaen sijaitsee Hajanainen kiekko, jossa on useita isohkoja kappaleita esimerkiksi Eris niminen kääpiöplaneetta. Se on suunnilleen Pluton kokoinen kappale. hajanainen kiekko ulottuu vähintäänkin 100 au etäisyyteen.

Seuraava alue onkin sitten Hillsin pilvi, joka ulottuu 100 – 300 au:n etäisyyteen Auringosta. Hillsin pilvi on varmasti runsain asteroidien määrän suhteen, sillä niitä lasketaan olevan noin 20 biljoonaa. Hillsin pilvi on osa Oortin pilveä, joka ulottuu aina 100 000 au etäisyyteen Auringosta. Etäisyys on noin 1,5 valovuotta, eli kolmannes matkasta lähimpään tähteen alfa Kentauriin. Oortin pilvessä arvioidaan olevan komeettaytimiä noin kymmenen maapallon massan verran.

Dinosaurukset tuhoutuivat vuoren kokoisen asteroidin törmäyksessä
noin 65 miljoonaan vuotta sittern. Kuva Wikimedia Commons.

Uhka

Maata lähestyvät asteroidit voivat muodostaa todellisen uhkan törmäyksestä. Törmäys todennäköisesti realisoituu tulevaisuudessa, mutta sen seuraukset riippuvat törmääjän koosta. Vuoteen 2020 mennessä tunnemme kaikki yli 1 km kokoiset Maata lähestyvät asteroidit ja ne tuskin muodostavat törmäysuhkaa näkyvissä olevassa tulevaisuudessa. Näiden sijaan paljonkin pienemmät, kooltaan 150–1000 metrinkokoiset kappaleet muodostavat todellisen uhkan.

Vaikka tällä hetkellä yksikään tunnettu keskikokoinen asteroidi ei ole törmäyskurssilla Maan kanssa, tilanne ei kuitenkaan ole pysyvä. Asteroidien radat muuttuvat Jarkovskin-ilmiön aiheuttaman voiman vaikutuksesta ja monen isokokoisen asteroidin rata saattaa muuttua törmäykseen johtavaksi.

Törmäyksen seuraukset ovat riippuvia siitä kuinka massiivinen törmääjä on, mihin se sattuu putoamaan ja kuinka suurella nopeudella törmäys tapahtuu. Noin 130 metrin kappale, joka on viime aikoina maapallon ohittaneiden asteroidien keskikoko, synnyttää törmätessään noin 1 km kokoisen kraatterin. Vapautuva energia on noin 3 Mt (1 Mt= 4,184×10¹⁵ J, Hiroshiman pommin energia oli 0,015 Mt). 

Berrigerin kraatteri Arizonassa on noin 1,6 km halkaisijaltaan.
Sen aiheutti noin 50 metrin kokoinen rauta.meteoriitti noin
49 000 vuotta sitten. Kuva Wikimedia Commons.

Jos tällainen kappale törmää havaitsijasta noin 50 km etäisyydessä, hän havaitsee noin 4,8 magnitudin maanjäristyksen noin 10 sekunnin kuluttua törmäyksestä. Jyrinä tulisi kuuluville noin 3 minuutin kuluttua ja olisi voimakkuudeltaan noin 65 dB, tuulennopeus olisi 4 m/s (ilmakehässä tapahtuvasta tsunamin kaltaisesta ilmiöstä johtuva). Vaikutukset olisivat siis hyvin vähäisiä muualla kuin juuri törmäyspaikalla ja sen välittömässä läheisyydessä.

Otetaan toinen esimerkki hieman suuremman kappaleen törmäyksestä. Oletetaan törmäävän kappaleen olevan noin 1 km kokoinen. Tällaisen kappaleen törmäyksessä kraatterin halkaisija olisi 16 km ja syvyys noin 700 metriä. Vapautunut energia olisi noin 90 000 Mt. Asteroidin reitillä maanpinnalla koettaisiin ennen törmäystä noin 3 minuutin ajan voimakas lämpösäteily, joka sytyttäisi kaiken palavan materiaalin tuleen.  Auringonsäteilyyn verrattuna lämpösäteily olisi melkein 400-kertainen. 50 km etäisyys törmäyskohtaan ei olisi turvallinen, sillä kraatterista sinkoutuvat kiviaines olisi tällä etäisyydellä noin 60 cm lohkareita ja niitä kertyisi noin 1,2 metrin kerros.

Kauempana, vielä 200 km etäisyydellä heitteet olisivat noin 1,6 cm kappaleita ja niitä kertyisi pari senttiä –  ei tappavaa, mutta omaisuusvahinkoja syntyisi! Myös lämpösäteily olisi vielä voimakasta, noin 17-kertainen auringonsäteilyyn verrattuna ja tulipaloja saattaisi syttyä niin rakennuksiin kuin maastoonkin. Ihmisille syntyisi kolmannen asteen palovammoja. Maanjäristys olisi 7,9 magnitudia, joka rikkoisi heikkoja rakennuksia, kestäviinkin tulisi halkeamia. Törmäys synnyttämä tuuli olisi nopeudeltaan liki 70 m/s (vrt. hurrikaani) ja äänen paine noin 90 dB.

Törmäyksen vaikutuksista voi laskea netissä olevilla laskureilla, joita on useita. Tässä kerrotut esimerkit on laskettu osoitteessa http://www.purdue.edu/impactearth/ olevalla laskurilla.

Jos törmäys tapahtuu mereen, mikä on todennäköisempää kuin maalla tapahtuva törmäys, tuhovaikutusta lisää voimakas tsunamin muodostuminen. Jopa useiden tuhansien kilometrien etäisyydellä olevilla rannikoilla hyökyaaltojen korkeudet voivat olla jopa satoja metrejä! Tuhoa syntyisi hyvin pitkälle sisämaahan asti, riippuen rannikon topografisesta profiilista.

Välittömien tuhovaikutusten lisäksi, isokokoisen asteroidin törmäyksen välillisiä vaikutuksia olisivat ilmastolliset vaikutukset. Törmäyksen höyrystämä vesi (merellä tapahtuva törmäys) ja hienojakoinen kivipöly muuttaisivat koko maapallon ilmaston todennäköisesti niin voimakkaasti, että sen vaikutuksia ei voida arvailla. Törmänneen asteroidin ja törmäyspisteen geokemiallisella koostumuksella olisi oma vaikutuksensa ilmastoon. Jos ilmakehään pääsisi runsaasti rikkidioksidia, sen aiheuttamat happosateet voivat olla tuhoisia ja rikkidioksidin kiteytyessä stratosfääriin, voisi olla seurauksen ydintalven kaltainen ilmastonmuutos.

Maapallon geologisen historian ajalta tunnetaan monia sukupuuttoaaltoja, joiden aiheuttajiksi epäillään asteroidien törmäyksiä. Elämä massiivisenkaan asteroidin törmäyksessä kokonaan tuhoutuisi maapallolta, mutta ihmiskunnan tuhon se aiheuttaisi. Tosin, ihmisiä on maapallolla lähes kaikkialla, joten on mahdollista, että pieniä joukkoja sopivissa olosuhteissa voisi jäädä henkiin hyvin alkeellisiin olosuhteisiin (”kivikaudelle”)!

Tällä hetkellä kilometrin kokoluokkaa olevan asteroidin törmäystä ei ole näköpiirissä ainakaan sataan vuoteen. Ihmiskunnalla on siis hyvä mahdollisuus ja aikaa perustaa siirtokuntia Kuuhun ja Marsiin, jolloin maapalloa kohtaava tuho ei koski täysin koko ihmiskuntaa. Jos siirtokunnat olisivat riittävän suuria ja omavaraisia, maapallollakin selvinneet ihmiset eivät joutuisi taistelemaan olemassa olostaan ”kivikaudessa”, vaan siirtokunnissa säilynyttä teknistä osaamista ja resursseja voitaisiin palauttaa maapallolle.

Maapallolta tunnetaan noin 160 törmäyskraatteria. Suomesta on löydetty kymmenkunta kraatteria, mutta suurinosa Pohjois-Suomesta ja Lapista on täysin tutkimatta. Näin ollen voi hyvinkin olla mahdollista, että uusia kraattereita löydetään useampia.

Asteroidien kaivannaisteollisuus voi muodostua elintärkeäksi
kasvavan ihmiskunnan tarpeiden tyydyttämisessä. Asteroidit
sisältävät merkittäviä määriä rauta- ja platina-ryhmän metalleja
ja niiden lisäksi monia muita hyödynnettävissä olevia
raaka-aineita. Kuva Wikimedia Commons.

Mahdollisuus

Asteroidit voivat olla hyvin arvokkaita rauta- ja nikkelimetallien lisäksi harvinaisten metallien raaka-ainevarastoina. Kemiallisesta koostumuksesta tiedetään jo hyvin paljon, ja kannattava kaivostoiminta tulevaisuudessa on hyvinkin mahdollista. Nykyäänkin suunnitellaan ensimmäisten pienten asteroidien kaappaamista tutkimuskäyttöön ja kaivostoiminnan kokeisiin. Tämän hetkisten tietojen mukaan jo kilometrin kokoluokan asteroideissa on harvinaisia platina-ryhmän metalleja biljoonien tai jopa triljoonien arvosta.

Ainoa ongelma vain on puuttuva avaruustekniikka ja rahoitus. Teknisesti yritykset varmasti pystyvät kehittämään ensimmäisten kokeilujen jälkeen lähes täysin ilman ihmisen läsnäoloa toimivia avaruustehtaita, joissa suoritetaan louhinta ja metallien erottaminen kiviaineksesta automaattisesti koneälyä hyödyntäen.

Ihmisiä tarvittaisiin vain hyvin vaativiin korjauksiin ja lähinnä valvontaan. Ongelmana on kosminen säteily, jolta suojautuminen on ensiarvoisen tärkeää. Mutta tässäkin suhteessa asteroidit voivat olla ratkaisu. Etenkin C-ryhmän asteroideilla tiedetään olevan vettä (jäänä), josta voidaan valmistaa helposti rakettipolttoaineita (vetyä ja happea), hengitysilmaan happea (O₂) ja vettä voidaan käyttää säteilysuojana.

C-ryhmän asteroideissa on myös monia hiiliyhdisteitä, joita voidaan hyödyntää mm. ruuantuotannossa ja monissa kemian prosesseissa. Näin ollen, asteroidien louhinta voi tuottaa lähes kaikki tarvittavat raaka-aineet omavaraiseen tuotantoon ja laitteistojen kehittämiseen. Alkuinvestoinnit suhteessa saatavaan hyötyyn, ovat pienet (vaikkakin absoluuttisesti ehkä biljoonia). Tuotto voi olla hyvin helposti miljoonakertainen investointeihin nähden, joten asteroideilla tapahtuva tuotanto olisi varmasti ihmiskunnan ekonomisesti kannattavin sijoitus.