如何科学地“杞人忧天”——关于小行星撞击那些事丨Calling太空
2021/8/20 7:30:00 中科院之声
"浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
明天晚上，将有一颗泰山大小的近地小行星2016 AJ193从地球附近高速飞过。不过还好，这个小行星这次不会撞击地球，只是路过。我们今天就来谈一谈，小行星撞击那些事。
小行星是什么？
138亿年前，“嘭”，宇宙从一个体积无限小、温度无限高的“奇点”开始了时间和空间的膨胀之旅，物质和能量也由此产生。随着温度的降低，质子、中子、电子逐渐形成了化学元素，物质微粒相互吸引、融合，形成了越来越大的团块，凝聚成星云。
图1 宇宙大爆炸
46亿年前，太阳系还是一团气体和尘埃构成的星云。突然，一颗邻近的超新星爆发，释放出巨大的能量。太阳星云在冲击波压力作用下坍塌，气体和尘埃向中间聚集。在引力和碰撞作用下，太阳星云中绝大部分物质形成了太阳、八大行星和矮行星，构成了太阳系这座雄伟建筑的主体结构。在轨道上散布的残余“砖瓦”，形成了太阳系中星罗棋布的小天体。
图2 从太阳星云到太阳系
小天体是轨道环绕太阳运行、体积和质量明显小于行星和矮行星的天体，包括小行星和彗星。彗星是由水冰和碎石构成的“脏雪球”，在靠近太阳时，会形成明亮的慧尾。小行星则主要由岩石构成，成分包括碳质化合物、硅酸盐和金属，部分小行星含有水合矿物。
图3 小行星(左)和彗星(右)
小行星与八大行星都源于太阳星云，具有类似的物质组成。大部分小行星尺寸较小，没有经历熔融和分异过程，没有云雨、火山、地震等气象和地质活动，还保留着太阳系形成早期的原始物质组成。有科学模型认为，地球上水及生命起源的关键物质也可能是随小行星撞击来到地球。因此研究小行星对揭示太阳系起源与早期演化、地球上生命和水的来源等重大科学问题具有重要意义。
小行星为什么会撞地球？
小行星主要分布在火星和木星轨道之间的小行星带上。有科学家认为，此处原本应该有一颗行星，但由于块头巨大的木星过于“贪吃”，吸积了太多的物质，导致没能形成新的行星，取而代之的是岩石密集分布的小行星带。
图4 小行星带
小行星在太阳系运行，除了受太阳引力主导，还受到木星、土星、火星、地球、金星等太阳系行星的引力影响。其中，木星是太阳系最大的行星，它的质量是太阳系其他七大行星质量之和的2.5倍，被称为是太阳系行星之王。因此，木星的引力对小行星的轨道演化具有极其重要影响。
木星环绕太阳运动的公转轨道周期约为11.86年。如果小行星轨道公转周期与木星轨道公转周期成一定比例关系，就会与木星轨道发生共振。比如小行星环绕太阳三圈，木星恰好环绕太阳运行一圈，则小行星与木星就形成了3:1轨道共振。在轨道共振效应下，小行星的轨道会周期性地被木星引力“拉扯”，从而使得小行星的轨道不再稳定。
1866年，美国天文学家柯克伍德发现了小行星带存在某些轨道“间隙”，这些间隙处没有小行星存在。间隙处的轨道周期恰好与木星轨道周期呈现共振关系。该间隙被观测证实，被称为柯克伍德间隙。
图5 小行星带的“柯克伍德空隙”
木星的引力“拉扯”会改变小行星的轨道形状，使得小行星的近日点不断接近内太阳系，从而有机会近距离飞掠火星、地球等大行星。如果距离足够近，大行星引力就会像“弹弓”一样，给小行星瞬间“加速”或者“减速”。在“引力弹弓”效应作用下，小行星离开小行星带，进入内太阳系。
一旦小行星轨道进入地球轨道4500万公里范围内，就被称为近地小行星。截至2021年 8月19日，已经发现了26830颗近地小行星。在行星引力、太阳光压、小行星自身红外辐射压等摄动力作用下，近地小行星可能会以极近的距离与地球擦肩而过，甚至闯入大气层，撞击陆地和海洋，造成重大潜在危害。
地球历史上发生了哪些小行星撞击事件？
地球自诞生以来，经历了无数次小行星撞击事件，在地球表面上留下了大量撞击坑，深刻塑造了地球的气候生态环境，并造成了多次不同规模的生物灭绝。
希克苏鲁伯事件
6500万年前，一颗直径约10公里的小行星撞击了北美墨西哥湾尤卡坦半岛的一处浅海，形成了世界第三大撞击坑——希克苏鲁伯撞击坑。
小行星以20公里每秒的速度高速进入大气层，挤压和摩擦大气，形成强烈的冲击波和灼热的热辐射，瞬间点燃了周围的森林，并在数小时内传导到全球，引发全球森林大火和海啸。小行星冲入海底，形成了直径约180公里的希克苏鲁伯撞击坑。
高速撞击掘起了海底物质，形成了大量粉尘。烟雾和粉尘进入平流层，遮蔽了太阳光，导致了全球温度骤降，地球进入一个长达几十年的“冬天”。植物光合作用近乎停滞，地球生态链遭到巨大破坏，植物和以植物为生的动物生存受到影响。气候环境的骤变对地球生物造成了毁灭性打击，最终导致了包括恐龙在内的全球超过70%的生物灭绝。
图6 希克苏鲁伯陨石坑
希克苏鲁伯撞击事件标志着白垩纪的结束和新生代的开始。统治地球长达1.6亿年的恐龙退出了地球舞台，哺乳动物从爬行动物巨大的阴影下走出来，逐渐站上了地球舞台，并成为地球的主人，演化成今天高度发达的人类文明。
通古斯事件
通古斯大爆炸(Tungus Explosion)是1908年6月30日早上发生在俄罗斯西伯利亚通古斯河上空的爆炸事件，也是近200年来，地球遭遇的最大规模的撞击事件。
爆炸发生于北纬60.55度，东经101.57度，当时估计爆炸威力相当于2千万吨TNT炸药，等效约1000颗广岛原子弹。爆炸产生的冲击波造成超过2150平方公里内的8千万棵树焚毁倒下。
据报道，当天早上当地人观察到一个巨大的火球划过天空，其亮度和太阳相当。几分钟后，一道强光照亮了整个天空，稍后爆炸产生的冲击波将附近650公里内的窗户震碎，并且观察到了蘑菇云的现象。这个爆炸被横跨欧亚大陆的地震监测点所记录，其所造成的气压不稳定甚至由在英国的气压自动记录仪所记录。在事发后数天内，亚洲与欧洲的夜空呈现出暗红色。
图7 通古斯大爆炸后的森林(图片来自网络)
现场没有发现任何陨石，人们至今无法判断该撞击体是小行星还是彗星。主流的科学观点认为通古斯事件是一颗直径30-50米的小天体撞击导致的。
值得注意的是，通古斯大爆炸发生在上午7时17分(UTC零时17分)，说明这个小行星是从晨昏线方向飞过来的。这类小行星在阳光的掩护下接近地球，即使地面上有光学望远镜，可能也很难提前发现这类小行星 。
2016年12月6日，联合国大会通过第A/RES/71/90号决议，宣布6月30日为国际小行星日，每年在国际一级纪念1908年6月30日在俄罗斯联邦西伯利亚通古斯大撞击事件，并提高公众对小行星撞击危险的认识。
车里雅宾斯克事件
2013年2月15日，叶卡捷琳堡时间9时20分，一颗直径约20米的小行星，以约18公里每秒的速度撞击了俄罗斯车里雅宾斯克地区，是本世纪规模最大的一次撞击事件。
图8 车里雅宾客陨石事件
这也是一起白天发生的撞击事件，小行星从太阳方向高速飞过来，在小行星爆炸之前没有任何一个望远镜能够提前发现它。直到小行星在大气层中爆炸，才被美国的气象卫星拍到。
图9 车里雅宾客陨石事件造成人员受伤
该小行星在车里雅宾斯克地区上空约30公里高空爆炸，等效约30颗广岛原子弹当量。爆炸瞬间的光芒超过了太阳，约两分钟后，产生的冲击波到达地面，击碎了约3000栋房屋的玻璃，飞溅的玻璃导致约1500人受伤。整体损失超过10亿卢布(约3亿人民币)。
车里雅宾斯克陨石事件是人类第一个有丰富影像资料的小行星撞击事件。许多人用行车记录仪等设备记录了爆炸的过程及事后的爆炸余迹。车里雅宾斯克事件给人们带来极大震撼，开始让更多有识之士正视行星防御。
2013年12月联合国大会通过了成立近地小行星监测预警组(IAWN)和空间任务规划咨询组(SMPAG)的草案。前者主要目标是协调全球观测资源，提前发现并编目对地球有威胁的近地小行星。后者主要目标是研究小行星撞击应对方案，为未来可能发生的近地小行星撞击事件未雨绸缪。
如何防御小行星？
按照处置目标，处置小行星的手段可以分为摧毁和偏转两类。
图10 小行星在轨处置技术
摧毁是通过巨大的能量破坏小行星的结构，使得小行星解体为大量的小碎块。即使碎块撞击地球也会在大气层中空爆，从而降低小行星撞击对人类的危害。摧毁需要巨大的能量，并且摧毁不同结构、物质组成的小行星需要的能量不同，往往需要使用核装置才能够彻底摧毁小行星。实际操作中，使用核武器防御小行星存在极大的争议。
偏转是通过人造装置对小行星施加外力，从而改变小行星的轨道，使小行星从撞击地球的轨道偏离，最终以安全的距离飞越地球。按照施加外力的作用方式，可以分为瞬时作用处置手段和持续作用处置手段。
瞬时作用处置手段是指在极短时间内对小行星施加较大的作用力，瞬间改变小行星的轨道，主要包括动能撞击和对峙核爆两种处置手段。持续作用处置手段是指持续施加微小作用力在小行星上，缓慢改变小行星的轨道，主要包括引力拖车、离子束偏移、激光烧蚀、拖船等方式。
尽管人类提出了多种近地小行星在轨处置手段，但大部分技术要么成熟度低，要么需要的作用时间过长。迄今为止，人类仍然没有实施过一次真正的、以行星防御为目标的近地小行星在轨处置任务。如果有一天，一颗直径140米甚至更大的近地小行星撞击地球，人类仍然没有太好应对之道。
传统动能撞击为什么需要那么多发运载火箭？
在所有的非核处置手段中，最成熟可行性的是动能撞击技术。动能撞击是指通过火箭发射人造撞击器高速撞击近地小行星，瞬间改变近地小行星的轨道速度，随着时间推移，小行星逐渐偏离地球。美国宇航局将于2021年底至2022年初，发射“双小行星重定向测试(DART)”任务，利用一颗约600公斤的撞击器以约6.5公里/秒的速度撞击“迪迪莫斯”双小行星系统中的“小月亮”。预期撞击后，小月亮“迪莫弗斯”相对“迪迪莫斯”的绕转轨道周期能有分钟级改变，届时通过地面望远镜观测到绕转周期变化。
图11 双小行星重定向测试任务
动能撞击任务对近地小行星的轨道偏转效果主要取决于两个因素：撞击器对小行星的动量改变量、从撞击小行星到小行星抵达近地点的时间。在时间有限的条件下，如何提高撞击器的动量成为提升动能撞击效果的关键。而撞击体动量取决于撞击体重量和撞击速度。
受制于运载能力等限制，人造撞击体的重量一般为吨级。相比于百万吨级乃至千万吨级的近地小行星，即使撞击速度可达10km/s，但对小行星的速度改变量仍然为mm/s量级，比蚂蚁爬行速度还慢。
一般而言，要在十年之内将近地小行星偏转出一个地球半径的安全距离，需要达到cm/s速度增量。而目前吨级航天器对百米直径小行星仅能产生 mm/s的速度增量。
为了提升动能撞击效果，一个自然的思路就是多发撞击：利用多发运载火箭，发射多个撞击器，依次撞击近地小行星，从而提升累计撞击效果。
贝努小行星直径约492米，该小行星在未来存在撞击地球的可能。为了评估动能撞击偏转小行星轨道的效果，美国宇航局戈达德航天中心等单位研究了如何提前10年发射撞击器将贝努小行星的轨道偏离地球约1.4个地球半径。
图12 贝努小行星
仿真采用的运载火箭为德尔塔IV重型火箭，全世界现役能力第二的运载火箭，仅次于猎鹰重型火箭。德尔塔IV重型火箭的地球低轨道运载能力约为28.8吨，同步转移轨道运载能力约为14吨。根据戈达德航天中心计算，采用动能撞击任务，提前10年将贝努小行星轨道偏转1.4个地球半径，需要75枚德尔塔四重型火箭。
长征五号运载能力稍逊于德尔塔四重型火箭，地球低轨道运载能力为23吨，同步转移轨道运载能力为13吨。我们利用长征五号进行了同样的计算，提前10年将贝努小行星轨道偏转1.4个地球半径，需要79枚长征五号。
图13 德尔塔四重型(左) 和 长征五号(右)
显然，利用多发撞击偏转大尺寸小行星，不仅成本高昂，工程实施也将十分困难。除了多发撞击，那有没有什么更好的办法呢？
末级击石
运载火箭存在助推级、一级、末级，部分火箭还存在二级、三级、甚至四级。对于长征三号这样的三级运载火箭，末级就是火箭的第三级。
在传统的航天发射活动中，运载火箭将航天器送入预定轨道后，火箭也会进入目标轨道附近。这时要实施星箭分离动作，因为火箭末级不是航天器的功能模块，如果不分离火箭末级甚至会影响航天器安全。火箭末级分离后，就成为在太空中游荡的空间垃圾。为了避免末级对太空环境的影响，有时候还会对末级进行钝化和离轨操作。
图14 长征三号乙飞行程序
对于动能撞击任务，提升撞击器动量的关键在于提升撞击器的重量。思考一下，火箭末级将动能撞击器送入深空逃逸转移轨道后，火箭末级自身在哪里？出租车要把我们带到目的地，出租车自身也要到达目的地。因此动能撞击器进入深空逃逸轨道后，火箭末级自身也进入深空逃逸转移轨道，如果发射十分精准，火箭末级将和动能撞击器一起飞向小行星。
那我们能不能星箭不分离，利用动能撞击器操控火箭末级共同撞击小行星？这样做就可以充分利用火箭末级的重量，提升动能撞击器的撞击效果。
图15 长征五号末级
长征五号是我国现役最强火箭，我们经过与长征五号设计部门的设计师沟通，得知长征五号的末级干重约为6.5吨，如果考虑燃料冗余，还会更重。如果能够将长五末级作为动能撞击器的一部分，将能够极大提升对近地小行星的轨道偏转效果。
同样以提前10年将贝努小行星偏转1.4个地球半径为例开展了仿真，我们惊喜地发现，发射数量从79枚长征五号减少到了23枚长征五号。
表1 末级击石与传统动能撞击对比(β=1)
单枚长征五号发射“末级击石”撞击器对近地小行星的轨道偏转效果，相当于三枚长征五号发射传统撞击器对近地小行星的轨道偏转效果。
图16 末级击石
从79枚缩减到23枚，无疑将极大地节省防御近地小行星的工程成本和操作复杂性。考虑到实现同样的轨道偏转效果，美国宇航局的方案中使用了75枚德尔塔IV重型火箭，充分说明了“末级击石”的效率。
前面仿真忽略了一个重要因素：动量传递因子。撞击器高速撞击小行星，会产生大量溅射物高速喷射出去，会进一步改变小行星的动量。动量传递因子β用于描述溅射物对小行星的动量改变效应，如果动量传递因子等于2，相当于溅射物的动量增强效应等效于撞击器的动量。动量传递因子取决于撞击器动能、撞击器大小、小行星材质、孔隙率、内聚强度等因素，精确建模非常困难。实际上，美国宇航局“双小行星重定向任务”的科学目标之一就是测量撞击形成的动量传递因子。
图17 溅射物导致动量增强
如果假定动量传递因子为2.5，提前10年将贝努小行星偏转1.4个地球半径需要的长征五号发射次数将进一步降低到9枚。这样使得十年时间，采用非核手段处置直径约500米的小行星，似乎又变得有些希望。尽管如此，考虑到操作复杂性，我们并不看好多发撞击模式。
表2 末级击石与传统动能撞击对比(β=2.5)
那单发“末级击石”的能力如何呢？
直径140米的小行星足以摧毁一个中小型国家，因此国际天文学联合会将140米作为潜在威胁小行星的尺寸界限。如果我们把贝努小行星的直径缩减到140米，则可以惊奇地发现：即使不考虑动量传递因子，我们也可以利用单枚长征五号，将直径140米的小行星偏转距离从不足一个地球半径提升到超过一个地球半径。也就是说，“末级击石”极大地提升了对直径140米级小行星的应对能力。
表3 单次发射对140米级小行星的防御效果对比
“末级击石”概念以 Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage 为题6月24日发表在行星科学领域知名期刊 Icarus 上，审稿人评价该文章“This is an intriguing, simple and, to my knowledge, novel idea(有趣、简单、新颖的想法)”。
“末级击石”发表后，得到了国内外媒体的关注，环球时报、路透社等媒体进行了报道。在路透社报道中，小行星研究领域国际知名专家、贝尔法斯特女王大学天体物理研究中心Alan Fitzsimmons教授评论说，“The proposal of keeping the upper stage of the launch rocket to a guiding spacecraft, making one large 'kinetic impactor' to deflect an asteroid, is a rather nice concept(把火箭末级附加到一个制导飞行器上，组合成一个更大的撞击器偏转小行星的轨道，是一个非常不错的概念)”。
从“以石击石”到“末级击石”
2020年5月22日， Scientific Reports 期刊在线发表了中国科学院国家空间科学中心行星防御与利用团队关于操控岩石偏转大尺寸小行星轨道的“以石击石”方案。出发点同样是为了提高撞击体质量，基本原理为首先在太空中捕获百吨级重量的岩石，然后操控岩石变轨撞击对地球有威胁的大尺寸小行星，最终将危地小行星偏转出撞击地球的轨道。“以石击石”方案可以将撞击体质量提升到百吨级，对近地小行星的轨道偏转效果可提升至一个数量级。
2020年3月该论文入选了 Scientific Reports 期刊2020年度物理领域Top 100论文，随后 Nature微信/微博公众号进行了报道。
图18 以石击石
“以石击石”的技术挑战更高，工程实施难度更大。而“末级击石”尽管也需要考虑末级钝化、末级操控等技术问题，但没有颠覆性的技术难题，是经过短期攻关，现阶段就具备实施可行性的创新方案。
无论是“以石击石”还是“末级击石”都远远称不上完美，甚至还存在种种问题，但这两种方案一定程度上代表了中国学者向行星防御领域难题发起冲击的努力。
有理由相信，真正能够改变行星防御领域的创新方案还在路上。展望未来，中国人一定能够为保护地球家园、构建人类命运共同体贡献更多中国方案、中国智慧和中国力量。
作者：
李明涛，中国科学院国家空间科学中心研究员，主要从事航天器轨道设计、小行星防御与利用研究。
龚自正，中国空间技术研究院首席研究员，博士生导师，主要从事空间碎片防护、移除与小行星防御研究。
王艺睿，中国科学院国家空间科学中心博士生，主要从事小行星防御与利用研究。
致谢：感谢中国国家航天局祁海明提出的宝贵意见。
参考文献：
1. Yirui Wang,Mingtao LI et al.Assembled Kinetic Impactor for Deflecting Asteroids by Combining the Spacecraft with the Launch Vehicle Upper Stage,Icarus,2021(368) , https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114596
2. Li, M., Wang, Y. et al. Enhanced Kinetic Impactor for Deflecting Large Potentially Hazardous Asteroids via Maneuvering Space Rocks. Sci Rep 10, 8506 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65343-z
3. 龚自正,李明,陈川,等.小行星监测预警、安全防御和资源利用的前沿科学问题及关键技术.科学通报.2020,(5).346-372.
4. Sarah Greenstreet. Asteroids in the inner solar system. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4794
5. Reuters.Chinese researchers propose deflecting 'Armageddon' asteroids with rockets. https://www.reuters.com/lifestyle/science/chinese-researchers-propose-deflecting-armageddon-asteroids-with-rockets-2021-07-07/
6.
Barbee, B.W., et al., 2018. Options and uncertainties in planetary defense: mission
planning and vehicle design for flexible response. Acta Astronautica. 143, 37–61
来源：中国科学院国家空间科学中心
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