亮度=30个太阳，这是9年前俄罗斯发生的一次小行星撞击 | 李明涛
2022/10/10 7:00:00 我是科学家iScientist
2022年8月27日，“科普中国-我是科学家”第38期“宇宙漫步指南”演讲现场，中国科学院国家空间科学中心研究员、中国科学院大学空间科学系统工程教研室主任李明涛带来演讲：《我们为什么要防御小行星》。
李明涛演讲视频：
我是李明涛，来自中国科学院国家空间科学中心。我有个外号叫“地球守门人”，是我自封的，因为我的工作主要是保卫地球避免遭遇小行星和慧星撞击危险。
我的工作在科学上叫“行星防御”。每当我向新朋友介绍我的工作时，总有一部分朋友会又好奇又期待地问，是不是防御外星人入侵地球啊？其实不是，我们的目标是防御太阳系以内的小天体。一部分人就觉得很失落，另外一部分朋友就恍然大悟，说那不是杞人忧天嘛。我们一路走来遇到了非常多类似的质疑，所以我今天我要为行星防御代言，要分享一下我们为什么要做行星防御。
担心小行星撞击是不是“杞人忧天”？
小行星和彗星是指轨道围绕太阳运行，但体积和质量比行星和矮行星小得多的天体。
慧星一般由比较多的水冰、甲烷等挥发性物质组成，所以在靠近太阳时会有一条明亮的尾巴，民间也把慧星叫做“扫帚星”；而小行星一般主要由岩石和金属构成。小行星和慧星高速进入大气层时，产生的发光发热的现象就是我们说的流星，成群的流星就是流星雨。如果小行星在大气中没有被燃烧殆尽，落到地面上就会带来天外来客的陨石。
中国是世界上最早记录陨石降落的地方，就在我的家乡在河南省商丘市，是古代商部落的发源地，也是春秋时宋国的都城。《春秋》记载，“鲁僖公十六年，春，壬正月戊申朔，陨石于宋五”，也就是说，公元前644年有5颗陨石掉落在宋国。
与之同一时期还有另外一个妇孺皆知的故事，杞人忧天，发生在我们邻近的河南省杞县。《列子》记载，“杞国有人忧天地崩坠，身亡所寄，废寝食者”，就是说有个杞国人整天担心天会塌下来，没有地方住，然后吃不下饭，睡不着觉。
可是我们想一想，好好的，杞人为什么会担心天会塌下来？我个人认为他可能看到了小行星进入大气层空爆的场景，并且内心受到了极大的震撼和刺激。
俄罗斯车里雅宾斯克地区小行星空爆 | NASA
这是在2013年，一颗6层楼高的小行星袭击了俄罗斯车里雅宾斯克地区，在30公里高空解体，形成了明亮的耀眼火球。这个火球最亮时相当于30个太阳，它的爆炸当量大约是30颗广岛原子弹，所以理论上很多人能在地面上看到它。
而杞国距离宋国直线距离不超过100公里，所以如果两个事件发生在同一时期，理论上杞人完全有可能看到发生在宋国的火流星事件——当然他没看到的可能性更大。
实际上，小行星撞击地球远比我们想象得更加频繁。2017年、2018年、2019年、2020年、2021年、2022年，每年至少发生了一次小行星撞击中国境内的事件，引发了非常多人的关注。那我们想，杞人生活的年代应该也能看到类似很多这样天降火球的事件。作为一个对天象不太了解的人，自然而然就会引发对未来宇宙安全环境的一些忧思，所以他的担心是非常正常的，我们不应该嘲笑他。
从今天来看，杞人忧天其实是一种居安思危。杞人对火流星对空爆危害的认识可能比很多现代人都高，因为很多人至今都认为小尺寸小行星在大气层中空爆，不会对人类造成影响。
在俄罗斯车里雅宾斯克事件中，一个小伙子脸部受伤了 | 新闻截图
俄罗斯车里雅宾斯克事件中，肇事的小行星有多大？只有18米。像这样的小行星在地球周围有几百万颗，我们只发现了3‰，还有99.7%没有发现，不知道它们在哪里。
小尺寸小行星一般不会到达地面，但个别的也可以通过打水漂的方式到达。当它在大气层中空爆，巨大的动能就转化成冲击波，导致地面上大范围的人员损伤。比如，2013年俄罗斯车里雅宾斯克事件导致了接近1500人受伤，3000栋房屋受损——这是发生在人口稀疏的俄罗斯，如果发生在北京上海这种人口密集的地区，大家能想象到什么后果吗？
俄罗斯通古斯大爆炸事件 | the Leonid Kulik Expedition
直径50米级的小行星就能摧毁一个大型城市。例如1908年发生在俄罗斯的通古斯大爆炸事件，焚毁了超过2000平方公里的原始森林，损毁面积相当于北京市城八区加上深圳市区那么大。
6500万年前，小行星撞击墨西哥湾 | Science
如果小行星直径达到一千米这个量级，就可能引起地球的气候环境灾变以及物种灭绝。6500万年前，一颗直径大约10公里小行星撞击了北美墨西哥湾，撞出了一个直径大约180千米的撞击坑。大量海底物质被抛射到空中，再次落下时，全球就沐浴在火雨之中，引发了全球森林大火。尘埃和灰烬进入了平流层，遮挡了太阳光，全球温度骤降，植物光合作用受到影响，以植物为生的动物也受到影响。最终导致了包括恐龙在内全球70%的物种灭绝。
这一次事件之前，恐龙在地球上统治了长达1.6亿年，是个不折不扣的地球的霸主。不过也正是因为这一次撞击事件，我们人类的先祖哺乳动物才很幸运地从爬行动物的威慑下走出来，走向地球舞台的中央，发展出今天高速发达的人类文明。要不然，今天演讲的可能是几只大恐龙，台下坐着一些大恐龙和一些小恐龙。
人类还有疫情、气候等现实问题没解决，
为什么要做小行星防御？
我们今天生活在地球上，其实还面临着很多的问题，比如疫情，干旱，饥荒，战争，犯罪等等。但其实这些危机都没法和小行星撞击地球相比，因为这些问题都不会导致人类作为一个物种从地球上消失。
从地球尺度上来看，小行星撞击地球事件是必然发生的，未来也一定会发生。
根据科学家考证，地球历史上发生了22次不同规模的物种灭绝，其中10次以上与小行星撞击相关；新生代以来就发生了6次小天体撞击地球诱发的环境灾变与生物灭绝，最近的一次在70万年前。
而我们人类在地球上生存历史只有不到10万年，可记录历史可能只有几千年——所以历史中没有记载是理所当然的事情，我们活得还不够长。但人类如果想在地球上更加长远地生存发展，就必须考虑小行星撞击问题。
非常遗憾，如此重要的问题，全球行星防御累计投入还不到100亿人民币。而与之对应的是北京16号线地铁，投资600亿。也就是说，全球在行星防御方面的投入还不到修建10公里地铁的费用。哪怕是为地球的安全未来买一个保险，我觉得这个保险也是超值的。
小尺寸小行星没必要防御，
大尺寸小行星防御不了？
那以人类现有科技水平，能够对付得了小行星撞击吗？是不是像有些人说的那样，反正大尺寸小行星来了我们也对付不了，干脆躺平了呢？2013年前，小行星撞击地球就类似一个狼来了的故事，狼老不来，很多人觉得就是杞人忧天。但是2013年狼来了，让一部分有识之士认识到小行星撞击地球是可能发生在我们身边的灾难。
所以2013年之后，联合国成立了两个组织，一个是国际小行星监测预警组，一个是空间任务规划咨询小组，研究怎么提前预警小行星撞击危险，以及小行星来了怎么对付它。
科学家也发展出了很多种招式。
高能摧毁 | NASA
第一招叫高能摧毁，比如利用核弹把小行星炸成碎块。这一招简单、粗暴，但炸出的碎块可能还是会落在地球上，而且有核辐射的风险。如果没把碎块完全炸碎，它可能对人类还有危险，那时候就不再是躲避一颗小行星了，而是整个地球都可能沐浴在小行星的枪林弹雨中。所以不到最后关头，我们不会轻易使用核武器作为防御小行星的手段，也未必能保证能一次成功。
第二招是撞击偏转，也就是提前发射一颗航天器，利用航天器很高的速度狠狠撞击小行星，通过撞击偏转小行星的轨道，让它避开地球。这被认为是人类目前最成熟最可行的防御方式，下个月(编者注：9月27日清晨7:14，人类首次行星防御演习准时上演?传送门)美国就要做一次模拟撞击小行星的实验，也是人类第一次做行星防御的实验。
但在我看来，我觉得这种方式是以卵击石。因为小行星像山一样，重量有几百万吨几千万吨，但是航天器只有几百公斤，几吨，十几吨，两者相差六到七个数量级。尽管撞击速度可以到达几千米/每秒，但对小行星的速度改变量可能只有不足1厘米每秒，吹口气的速度都比这快，需要10年甚至20年的时间才能够把毫厘之差变成千里之差。
美国宇航局曾经做过一个研究，提前十年将直径大概500米的贝努小行星偏转9000公里，发现需要使用75枚重型火箭发射75个撞击器。这么多火箭，怎么发射？同时撞，还是一个个撞，会不会出问题？这对可靠性和成本提出了非常高的要求，所以其实听起来我们的能力非常渺小，是一件非常残酷的事情。
第三招是持续牵引，就是发射一个飞行器盘旋在小行星附近，对它施加持续的绵绵不绝的微弱作用力来改变小行星的轨道。但首先，图上这些方式大部分没有经过太空中验证，怎么能保证将来会成功？第二，这些作用力是微弱作用力，发生作用可能需要20年或者30年。假如小行星5年10年后就要撞击地球怎么办，有没有什么新的招数？
我们课题组在2017年开始研究行星防御，琢磨有没有一些更高效、更好的方法。我们注意到，2013年美国提出了“小行星重定向”计划，非常雄心勃勃。他们试图从深空捕获一个500到1000吨重的小行星，并拖到地月空间，然后派宇航员去登陆。当时奥巴马政府对这个计划非常重视，投入了7千多万美元，对怎么寻找小行星，怎么捕获小行星，怎么改变小行星轨道进行了深入研究，这是人类历史上第一次认真地论证人类是否有能力整体捕获操控一块地外天体岩石或小尺寸的小行星，这个计划当时已经进入了工程立项状态。但很遗憾，2017年特朗普政府上台后把这个计划给取消了。我个人非常喜欢这个计划，它非常大胆，充满了天马行空的想象力。
我们想，既然人类有能力捕获并且操控一个百吨级的岩石，我们行星防御最好的手段也是以卵击石，那我们能不能利用这块岩石来撞击对人类有威胁的小行星，以此来保护地球呢？这就是我们提出来的“以石击石”任务概念，首先捕获一颗重约百吨的岩石，然后操控这块岩石去撞击对地球有威胁的小行星，这样就可以将撞击体的质量从十几吨提升到上百吨，从而显著提升小天体防御效果。
我们做了一个仿真实验，以提前10年防御直径340米的阿波菲斯小行星为例，如果利用传统的动能撞击方式，只能把它偏转176公里；但是以石击石方式可以把它偏转出1800公里，防御效果是传统的10倍。
有朋友说，太难了，又没做过，但人类航天的每个重要突破和进展都是克服了巨大的困难和挑战，没有哪个重要的技术突破是我们吃着火锅唱着歌就一路平平安安地把事情办到。
长征五号发射升空 | 新华日报
我们也在考虑有没有更加成熟一点的防御方案。这个火箭大家都认识，长征五号，很多人都说叫它胖五，因为它个头很重，光末级火箭的重量就有6.5吨。我们就琢磨，这6.5吨的重量我们能不能有效利用上？在传统的发射活动中，卫星进入预定轨道后，一般会实施星箭分离，因为火箭末级对卫星不再有用途了。但对于动能撞击任务，我们可以星箭不分离，利用飞行器操控火箭末级去撞击小行星，这样就可以实现更显著的撞击效果。
我们把这个想法跟胖五的团队设计师交流之后，他们也非常感兴趣，于是我们一块做了一个数值的仿真实验，发现一发长征五号来发射“末级击石”撞击器，可以起到三发长征五号发射传统撞击器的效果。
还记得美国宇航局计算需要75发重型火箭才能有效防御直径500米的贝奴小行星吗？如果采用这种末级击石的方式，只需要23发长征五号运载火箭加上一个飞行器，极大地节省了成本，简化了操作，提高了可靠性。
我个人认为这是目前最成熟也是效果最好的一种防御方式。
天塌下来“高个子”顶着，
中国为什么要搞行星防御？
如果有一天小行星真的要撞击地球，我们能靠“高个子”顶着吗？如果我们回顾一下疫情在过去几年的进展情况，就会发现面临危机时国际合作非常重要，但最根本的还是做好我们自己。我们中华民族的未来安全必须牢牢掌握在中国人自己手里。
让人非常高兴的是，2021年中国航天日的开幕日上，中国国家航天局局长张克俭在致辞时指出，“站在新的历史起点，中国航天将论证实施探月工程四期、行星探测工程、建设国际月球科研站和近地小行星防御系统，拉开新时代探索九天的新序章”。这也意味着，行星防御，中国来了。
在今年的航天日上，吴艳华副局长在接受采访中也指出，中国将着手构建近地小行星防御系统，并计划在2025年或者2026年实施一次动能撞击防御小行星实验，为保卫地球生命安全贡献中国力量和中国智慧，这意味着中国近地小行星防御系统已经进入实操阶段。
昨天在中国空间科学大会上，吴伟仁院士刚刚作了一个大会报告，介绍了中国的近地小行星防御任务的进展。也很荣幸，我们也参与了计划的论证情况。
最后总结一下，小行星撞击是一个概率事件，尽管发生概率极低，但一旦发生引起的危害性效应巨大，甚至有可能把地球上大部分物种包括人类从地球上抹去。人类现有的科技手段在对付大尺寸小行星时候还有些力不从心，所以我们必须发展更加创新高效的防御手段，丰富对付小行星的武器库，在小行星真正到来之前做好准备。
也许我们毕生努力的事业，几十年、甚至几百年都没有用武之地，我希望它永远都没有用，但行星防御是人类作为一个物种在地球上生存必须开展的研究，是一个值得潜心钻研、持续努力，并且未来可能影响我们这个蓝色星球未来演化的事业。
很多朋友问我，李老师，你提的防御方案非常有意思，会有一天能上天验证吗？每个科学家都希望把自己的理想变成现实，我自然也不例外，我也希望有一天我设计的防御方案能够在天上经过飞行验证。但实际上，航天工程是一个考虑多种约束的复杂的系统工程，它凝聚了全国专家的共识和智慧。我会努力推动我认为更科学、更合理的方案，但我更在乎的是，如果有一天小行星真的撞击地球了，我们的工作对全人类有没有价值？这是我们所有工作的唯一出发点。
行星防御保卫地球，功成不必在我。
谢谢大家。
演讲嘉宾李明涛：《我们为什么要防御小行星》 | 拍摄：Vphoto
作者：李明涛
监制&策划：吴欧
编辑：阿藜 尹宁流
校对&排版：尹宁流
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