home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / astro / 13517 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-30  |  11.7 KB

  1. Xref: sparky sci.astro:13517 sci.space:18391 sci.physics:21872 sci.environment:14022
  2. Newsgroups: sci.astro,sci.space,sci.physics,sci.environment
  3. Path: sparky!uunet!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!CSD-NewsHost!jmc
  4. From: jmc@SAIL.Stanford.EDU (John McCarthy)
  5. Subject: averting doom
  6. Message-ID: <JMC.92Dec29211051@SAIL.Stanford.EDU>
  7. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  8. Reply-To: jmc@cs.Stanford.EDU
  9. Organization: Society for Celestial Mechanical Engineering
  10. Date: 29 Dec 92 21:10:51
  11. Lines: 248
  12.  
  13. from a U.P. story
  14.  
  15.          WASHINGTON (UPI) -- Life on Earth as we know it will
  16.      come to an end in 1,500 million years and the planet will
  17.      look more like its dusty, volcanic sister Venus in 2,500
  18.      million years, scientists said Wednesday.
  19.          But mirrors or shades potentially could shield Earth
  20.      from increasing heat from the sun and delay the catastrophic
  21.      consequences, they said. A collision with a comet or other
  22.      major change in the atmosphere could speed up the end of
  23.      life.
  24.          Ken Caldeira and James Kasting of Pennsylvania State
  25.      University calculated the doomsday estimates using computer
  26.      models of temperature and atmosphere changes and projections
  27.      of the sun's increasing heat.
  28.          As the sun continues to brighten and warm over time,
  29.      the amount of carbon dioxide in the atmosphere drops --
  30.      eventually to a point too low for plants to survive, the
  31.      scientists said in the British journal Nature.
  32. .
  33. .
  34. .
  35.          ``After 2 1/2 billion years, all of Earth's water
  36.      would have been lost to space. That's a pretty strong
  37.      barrier to life,'' said Caldeira, an Earth systems
  38.      scientist.
  39.          Tyler Volk, an applied science professor at New York
  40.      University, suggested there may be ways to delay or prevent
  41.      the eventual demise of life.
  42.          ``Our descendants or descendant species would not
  43.      have to run from the devolution...they could fight,'' said
  44.      Volk. ``Shades in space or mirrors on the Earth that keep
  45.      out a small fraction of the elevated future (heat from the
  46.      sun) would be an option.''
  47.          Other possible solutions include constructing closed
  48.      environments such as the Biosphere 2 project in Arizona, in
  49.      which cycling of carbon dioxide, water and other essential
  50.      matter would be controlled.  Establishing controlled
  51.      Earth-like environments in space also could be considered,
  52.      Volk said.
  53.  
  54. (Is it really true that mainly doom-seekers become Earth systems
  55. scientists, and mainly problem-solvers become applied science
  56. professors?)
  57.  
  58.  
  59. The most straightforward way to avoid the death of the earth from the
  60. overheating predicted by Caldeira and Kasting is to move the earth
  61. farther from the sun on whatever schedule seems appropriate to our
  62. descendants.
  63.  
  64. Here's the best way to do it that I have been able to think of.  It is
  65. along the same line as what Thomas Clarke offhandedly suggested in a
  66. reply to my original post.  The present post contains only a
  67. qualitative discussion with a few numbers taken from calculations I
  68. made for a slightly different project - moving Mars closer to the sun
  69. in order to improve its climate.  I need to work on the formulas and
  70. the numbers some more before giving them.
  71.  
  72. The method involves no new science and only predictable improvement
  73. in present technology.
  74.  
  75. Our object is to transfer energy from the orbit of Venus to the
  76. orbit of the earth so that Venus will move closer to the sun and
  77. the earth farther away.  Jupiter could also be used.  Unfortunately,
  78. it seems that the matter is a bit more complicated than this, because
  79. the process must not only conserve energy, but it must also conserve
  80. angular momentum of the earth and Venus about the sun.  Maybe this
  81. can be done at the cost of giving Venus a more eccentric orbit, but
  82. maybe it requires a third planet.  (This is analogous to processes
  83. in atomic physics that require a third body in order to satisfy
  84. all the conservation laws.)
  85.  
  86. The problem is to arrange for a coupling between the orbits of the
  87. earth and Venus and possibly another planet as well.
  88.  
  89. Our tool for doing this is what I shall call a *tame asteroid*.
  90. A tame asteroid is one that has repeated encounters with planets.
  91. A small deflection of the asteroid's orbit before an encounter
  92. is magnified by the encounter.  The asteroid is always controlled
  93. so that it never stops having encounters.  The deflections
  94. (delta-v s) are accomplished as many encounters in advance as the
  95. noise in the system will permit.  
  96.  
  97. [This process is analogous to the trajectory of the spacecraft
  98. Galileo, but apparently the plan with Galileo is to give up the close
  99. encounters when it enters the Jovian system.  It JPL were to keep
  100. control of it by a sequence of encounters, it could be returned to the
  101. vicinity of the earth after spending sufficient time in the Jovian
  102. system.  I have no idea what use this might be.]
  103.  
  104. The asteroid, say Ceres, has repeated encounters with the earth
  105. and Venus.  It passes in front of the earth and behind Venus on
  106. each encounter.  Thus it adds energy to the earth's orbit and takes
  107. it from Venus's orbit.
  108.  
  109. When I was thinking about moving Mars, I made some calculations
  110. involving the masses of Ceres, Mars and Venus and the ratio between
  111. the escape velocity from Mars and the delta-v s needed to move
  112. Mars to the more salubrious distance of the earth's orbit.
  113. I got a figure of at least 330 encounters taking at least about
  114. two years each.  This assumed that each encounter with Mars
  115. transferred the maximum possible amount of energy.  Therefore, the
  116. computation is optimistic by some small factor, say 5.
  117.  
  118. Since the earth is 9 times as massive as Mars, about 9 times as
  119. many encounters would be required.  At least at first, the encounters
  120. would take less time, because the earth and Venus are closer to the
  121. sun.
  122.  
  123. The problem with conserving angular momentum is one I only encountered
  124. recently, so I haven't figured out what additional encounters might
  125. be needed.
  126.  
  127.  
  128. Keeping a Tame Asteroid Tame
  129.  
  130. Ceres has a mass of 10^21 kilograms, so it would be important to
  131. make its deflections as much in advance as possible.  I assume that
  132. the gravitational fields of the bodies involved will have been
  133. measured accurately long before the project is attempted, i.e. the
  134. high order harmonics of the gravitational potentials will be accurately
  135. known.  What I don't know is this: What is the largest source of noise, i.e.
  136. unpredictable deflections, in the system?  I speculate that it is
  137. weather in the sun causing unpredictable fluctuations in the sun's
  138. gravitational field.  I don't know if this is right, and I hope someone
  139. else can shed light on how large they are likely to be.
  140.  
  141.  
  142. Taming Ceres
  143.  
  144. I confess I haven't yet computed how large a delta-v must be imparted
  145. to Ceres to tame it.  Making its orbit eccentric enough to cross that
  146. of Mars would suffice, because it could be arranged to encounter Mars
  147. in an appropriate way to tame it.  Besides doing this with a single
  148. delta-v, it would probably be cheaper to put Ceres into a suitable
  149. resonance with Jupiter, so that Jupiter would do the work of making
  150. the orbit of Ceres eccentric enough to tame it.  I don't know how
  151. to do this kind of computation.
  152.  
  153. The most straightforward way to impart a delta-v to Ceres is to install
  154. a large number of nuclear reactors on it, and use the energy to expel
  155. fragments of Ceres in a desired direction and at an appropriate velocity.
  156. If maximal energy efficiency is wanted, i.e. to impart the maximum
  157. momentum per unit of energy used, then the appropriate velocity is
  158. a simple optimization problem, and it turns out to be  sqrt(2) vec,
  159. where  vec  is the escape velocity from Ceres.  The actual velocity
  160. with which the matter leaves the Ceres gravitational field is then
  161. vec.
  162.  
  163. The number of reactors needed is large.  A million reactors each
  164. of 1000MWE, would give Ceres a delta-v of 1 km/sec in 1,000 years -
  165. if I did the arithmetic correctly.  If our descendants installed
  166. one reactor every thousand years, they would install a million in
  167. a billion years, and that is time enough to avert the prophesied
  168. doom.  A non-trivial fraction of the mass of Ceres would be consumed
  169. if energy is optimized and if 1 km/sec is needed.  Our descendants
  170. might decide to use a higher exhaust velocity.  More likely, it
  171. will turn out that a considerably smaller delta-v will do with the
  172. aid of Jupiter.  Our descendants might decide to use a smaller
  173. asteroid.
  174.  
  175.  
  176. The Broken Kepler Approximation
  177.  
  178. The full computations required to determine all these trajectories
  179. will be quite large (though within the capacity of present computers).
  180. Moreover, the required information about the gravitational fields
  181. won't be available for a long time.  Here is an approximation that
  182. can give a qualitative picture and an estimate of the time required
  183. to move earth out a given distance or to move Mars in (a shorter time
  184. project).
  185.  
  186. Make the following assumptions:
  187.  
  188. 1. The planets and the asteroid are point masses.
  189.  
  190. 2. The system is planar.
  191.  
  192. 3. The planets have masses small compared to the that of the sun.
  193.  
  194. 4. The asteroid has a mass small compared to that of any planet
  195. involved.
  196.  
  197. 5. The encounters between the asteroid and a planet are elastic
  198. collisions of point masses.  However, we assume that the possible
  199. angles of the collisions are limited by the radii of the planets.
  200.  
  201. 6. Any individual collision has a small effect on the trajectory
  202. of the planet.
  203.  
  204. 7. The asteroid departs from each collision with a velocity that
  205. ensures a subsequent collision with the same or a different planet.
  206.  
  207. Making these assumptions leads to the following conclusions.
  208.  
  209. 1. The trajectory of the asteroid is a sequence of segments of
  210. Keplerian ellipses about the sun.  That's why we call the above
  211. set of assumptions the broken Kepler approximation.
  212.  
  213. 2. The segments are separated by elastic collisions with the planets
  214. conserving energy and momentum.
  215.  
  216. 3. For each collision there is a discrete set of deflections that
  217. ensure subsequent collisions.  They form a sort of spectrum.
  218.  
  219. 4. Computing the next collision does not require the solution of
  220. differential equations.  Instead one has transcendental equations
  221. to solve analogous to Kepler's equation (the one used to compute
  222. the position of a planet as a function of time).  However, it
  223. looks like the transcendental equation will involve two unknown
  224. parameters instead of the one that appears in Kepler's equation.
  225.  
  226. It would be nice to have a program that would compute broken
  227. Kepler trajectories and display them for our contemplation.
  228.  
  229.  
  230. I hope I have convinced you that our distant descendants can
  231. survive the warming up of the sun until it becomes an actual
  232. nova.
  233.  
  234. By the way, it seems to me that if the above idea is sound, it settles
  235. the question of the stability of the solar system - in the negative.
  236. Very likely an asteroid could be tamed over a sufficiently long time
  237. with as small an expenditure of delta-v as might be desired.  Once
  238. tamed it could be used with infinitesimal external force to expel a
  239. planet from the system.  This tells us that the current trajectory of
  240. the solar system is arbitarily close to one in which a planet is
  241. expelled.  Of course, the probability that a planet actually would be
  242. expelled by this mechanism in some particular finite time is extremely
  243. low, because maintaining the required sequence of encounters requires
  244. an improbable precision in the initial conditions.  I suppose a lower
  245. bound on the probability could be computed and from it an expected
  246. upper bound on the gravitational lifetime of the solar system could be
  247. obtained.
  248.  
  249. Criticism and comments are welcome.  For a certain reason, I even
  250. welcome comments, however uninformed, to the effect that the whole
  251. idea is preposterous.  I prefer such comments to be postings rather
  252. than email.
  253.  
  254. What would be most welcome is a collaborator on a paper that could
  255. be published in _Nature_.
  256. --
  257. John McCarthy, Computer Science Department, Stanford, CA 94305
  258. *
  259. He who refuses to do arithmetic is doomed to talk nonsense.
  260.  
  261.