胡中為

客座研究員,中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái),南京210008

保衛(wèi)地球
——近地天體的巡視與防御隕擊的對(duì)策

胡中為

客座研究員,中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái),南京210008

地球 近地天體 巡天 飛船 隕擊 危害分析 防御對(duì)策 預(yù)警

地球處于危險(xiǎn)的宇宙環(huán)境中。運(yùn)行到地球附近的“近地天體(NEO)”潛在著撞擊地球的危險(xiǎn)。實(shí)際上,地球自誕生以來(lái)就不斷地受到這些天體的轟擊,月球和水星的斑痕累累隕擊坑就是最好的佐證,只是地球經(jīng)歷嚴(yán)重演化而抹去了老的隕擊遺跡,僅見(jiàn)到170多個(gè)較近期的隕擊構(gòu)造。幸運(yùn)的是,現(xiàn)階段的隕擊大多是規(guī)模小的,危害不太大。然而,隕擊是很難預(yù)料的,一旦發(fā)生較大的撞擊,就會(huì)造成比大地震還嚴(yán)重得多的危害。1994年的彗星撞擊木星事件轟動(dòng)世界,啟迪人們更加關(guān)注地球被撞擊的危險(xiǎn)問(wèn)題。實(shí)際上,也不乏地球近期遭遇隕擊的例子：1908年的通古斯爆炸事件;1976年的吉林隕石雨;2008年的小行星2008 TC3隕落在蘇丹。2010年初,美國(guó)科學(xué)院公布《保衛(wèi)地球：近地天體巡天和緩解危險(xiǎn)策略最終報(bào)告》,筆者將結(jié)合有關(guān)資料作簡(jiǎn)要介紹,讓公眾了解真實(shí)的科學(xué)知識(shí)和對(duì)策,以免被歪曲的影視情節(jié)所誤導(dǎo)。

在飛船拍攝的月球和水星圖像(圖1,見(jiàn)彩插三)上,可以見(jiàn)到都有大大小小、不同年齡的隕擊坑累累。太陽(yáng)系中有固態(tài)表面的天體——“類地天體”,包括類地行星、行星的衛(wèi)星、小行星和彗星的彗核,它們的表面也有很多隕擊坑。這些事實(shí)說(shuō)明,隕擊是普遍性的,佐證地球自誕生以來(lái)也必然經(jīng)常地受到外來(lái)天體的隕擊。因?yàn)榈厍蚪?jīng)歷了“滄海桑田”的各種地質(zhì)過(guò)程的演化,抹掉了早先的隕擊遺跡,現(xiàn)在找到的170多個(gè)隕擊構(gòu)造,大多是年齡不到25億年的。

1994年7月蘇梅克-利維9號(hào)彗星分裂的碎塊依次撞擊木星的事件轟動(dòng)世界,啟迪人們更加關(guān)注外來(lái)天體撞擊地球的危害問(wèn)題。顯然,只有可以運(yùn)行到地球附近的天體才可能有撞擊的危險(xiǎn),它們統(tǒng)稱為“近地天體(near earth objects,簡(jiǎn)寫為 NEO)”。

近地天體(NEO)是一些什么天體?怎樣搜尋到它們?它們來(lái)自哪里?它們撞擊地球會(huì)造成怎樣的危害?可以推算和預(yù)告某顆會(huì)在何時(shí)、隕擊到什么地方嗎?可以采用什么防御對(duì)策?這些問(wèn)題需要更深入地探討。2010年初,美國(guó)科學(xué)院公布《保衛(wèi)地球：近地天體巡天和緩解危險(xiǎn)策略最終報(bào)告》,筆者將結(jié)合有關(guān)資料作簡(jiǎn)要介紹。

1 近地天體及其搜尋探測(cè)

和行星很長(zhǎng)時(shí)期在各自較穩(wěn)定軌道繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)不同,太陽(yáng)系的小天體的公轉(zhuǎn)軌道是容易發(fā)生變化的,尤其是運(yùn)行到質(zhì)量大的行星附近時(shí),受行星的引力作用,其軌道很容易發(fā)生變化,甚至在行星的引力主宰作用下向行星隕落而撞擊行星。

一般說(shuō),所有近地天體的近日距應(yīng)小于1.3 AU。它們包括三類小天體：近地小行星(NEA),近地彗星(NEC),大的流星體(Meteoroid),以及繞太陽(yáng)軌道的宇宙飛船。近地天體中對(duì)地球有潛在撞擊危險(xiǎn)的稱為“潛在危險(xiǎn)天體(PHO)”,大多跟地球的最小軌道距離不大于0.05 AU(748萬(wàn)km)。

小行星,顧名思義,就是小型的行星。最大的是谷神星,其直徑為933 km,現(xiàn)在劃歸為“矮行星”之一。已觀測(cè)到的小行星有40多萬(wàn)顆,已測(cè)定出軌道而給予編號(hào)的有21萬(wàn)多顆,其中正式命名的有15000多顆,它們大多在火星與木星的軌道之間的小行星帶。直徑大于100 km的約200顆,直徑大于10 km的約2000顆,而大多數(shù)是很小的。小行星是由巖石和金屬組成的固態(tài)巖石體,有的可能是相互引力束縛在一起的巖石堆,按照它們的成分和結(jié)構(gòu)等性質(zhì)分為多類。很多小行星還有自己的衛(wèi)星(圖2,見(jiàn)彩插三)。在近地天體中,最多的是近地小行星,它們軌道的一部分離太陽(yáng)在0.989～1300 AU之間,它們因軌道變化而隕落到或太陽(yáng)、或類地行星、或接近行星而被拋遠(yuǎn),因而幸存在軌道的壽命僅幾百萬(wàn)年。

彗星俗稱掃帚星,雖然肉眼看到的亮彗星顯得很大很壯觀,但其本體是由塵埃和(水、二氧化碳等)冰凍結(jié)的固態(tài)小彗核組成的(圖3,見(jiàn)彩插三)。彗核一般直徑1～40 km,質(zhì)量為1010～1019kg。很多彗星在扁長(zhǎng)軌道上繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),離太陽(yáng)很遠(yuǎn)時(shí)幾乎是赤裸彗核,小又暗,很難觀測(cè)到;運(yùn)行到離太陽(yáng)較近時(shí),受到更強(qiáng)的太陽(yáng)輻射作用,彗核表面的冰升華、并帶出塵粒,形成彗星大氣——彗發(fā),同時(shí)發(fā)生化學(xué)的和物理的復(fù)雜過(guò)程(分子的離解和電離,受激而發(fā)光等)。在太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)風(fēng)的推斥作用下,彗發(fā)物質(zhì)往背向太陽(yáng)方向運(yùn)動(dòng),形成很長(zhǎng)的彗尾。彗星在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,形態(tài)發(fā)生很大變化。雖然彗發(fā)和彗尾的體積可以發(fā)育很大,但其物質(zhì)卻很稀疏。在太陽(yáng)系外部的“柯伊伯(Kuiper)帶”和太陽(yáng)系外圍的“奧爾特(Oort)云”有大量的彗星,因受其他天體的引力攝動(dòng)而改變軌道、進(jìn)入太陽(yáng)系內(nèi)區(qū)才被觀測(cè)發(fā)現(xiàn)。彗星每次回歸中都蒸發(fā)丟失部分物質(zhì),因而彗星的壽命有限,彗星的分裂及撞擊其他天體則使其衰亡更快。

流星體是獨(dú)立繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的小物體,它們的質(zhì)量一般小于10萬(wàn)kg,直徑小于50 m,實(shí)際上大的流星體跟小的彗星和小行星之間并沒(méi)有嚴(yán)格界限。大多數(shù)流星體只是微小的固體顆粒,又稱為“行星際塵(IPDs)”或宇宙塵。流星體繞太陽(yáng)運(yùn)行中,若經(jīng)地球附近,受地球的強(qiáng)引力而高速(11.2～72 km/s)闖入地球大氣而燒蝕,呈現(xiàn)一道光跡劃越天空的“流星(Meteor)”。大流星體在隕落中呈現(xiàn)明亮的火流星,有的甚至白天可見(jiàn),其殘骸落到地面而稱為“隕石”。有些流星體的軌道相似,只是過(guò)近日點(diǎn)先后不同,稱為“流星(體)群”,流星群闖入地球大氣而呈現(xiàn)流星雨。一般說(shuō),流星體來(lái)自于彗星或小行星的碎裂物,有些流星群是相應(yīng)彗星散布的彗星塵,也有是相應(yīng)小行星破碎的。

近30年來(lái),先后開(kāi)展多個(gè)搜尋和探測(cè)近地天體的計(jì)劃,如PACS(帕洛瑪小行星和彗星搜尋),歐洲NEO搜尋、EUNEASO(追蹤和物理觀測(cè)計(jì)劃),Spacewatch(空間監(jiān)測(cè)計(jì)劃),LINEAR(林肯近地小行星巡查),NEAT(近地小行星追蹤),LONEOS(洛威耳天文臺(tái)近地天體搜尋),CSS(Catalina巡天),TASS愛(ài)好者巡天(愛(ài)好者巡天)等。此外,NASA在2009年12月發(fā)送NEOWISE(近地天體大視場(chǎng)紅外巡天探測(cè)器)飛船,加拿大將在2010年發(fā)送NEOSSat(近地天體監(jiān)測(cè)衛(wèi)星),德國(guó)將在2012年發(fā)送小行星探測(cè)器衛(wèi)星。

1991年8月國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)大會(huì)設(shè)立了近地小天體工作組(WGNEO),協(xié)調(diào)全球近地小天體的搜索監(jiān)視和研究。美國(guó)國(guó)會(huì)授權(quán)宇航局(NASA)兩項(xiàng)探測(cè)NEO的任務(wù)：一是到2008年探測(cè)直徑1 km以上NEO的80%;二是到2020年探測(cè)直徑140 m以上NEO的90%。實(shí)際上,更著重于有潛在(撞擊地球)危險(xiǎn)的天體(PHO)。國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)小行星中心(MPC——Minor Planet Center)負(fù)責(zé)匯集世界的小行星和彗星的觀測(cè)資料、計(jì)算軌道,并在Minor Planet Circular(小行星通告)發(fā)布它們的信息。

探測(cè)近地天體的能力主要取決于它們的大小、反照率(其表面反射太陽(yáng)光的比率)、離地球的距離以及相對(duì)于太陽(yáng)的位置。上述計(jì)劃取得了豐碩成果,到2010年2月,已發(fā)現(xiàn)6780顆NEO,其中84顆近地彗星,6696顆近地小行星,有1086顆是“潛在危險(xiǎn)小行星(PHA)”。

近年來(lái),小行星的發(fā)現(xiàn)數(shù)目增加(圖4,見(jiàn)彩插三),大多是分布在太陽(yáng)系內(nèi)區(qū)的已知小行星(圖5,見(jiàn)彩插三)?；贜EO軌道分布,用動(dòng)力學(xué)模型來(lái)確定NEO的主要源區(qū),結(jié)果得出,大多數(shù)公里大小的NEO來(lái)自小行星帶的內(nèi)區(qū)和中區(qū),小部分(小于20%)來(lái)自小行星帶外區(qū),而近地彗星來(lái)自太陽(yáng)系的外部區(qū)域,NEO中約有20%是軌道可以經(jīng)過(guò)離地球0.05 AU內(nèi)而成為“潛在危險(xiǎn)天體(PHO)”。較小的NEO受撞擊和“非引力效應(yīng)(太陽(yáng)光壓)”影響較大,它們撞擊地球的概率小些?；鹆餍堑难芯勘砻?約1 m大小的NEO(流星體)主要來(lái)自小行星帶中區(qū)。

從已知NEO的性質(zhì),最近估計(jì)得出,直徑大于1 km的NEO約有940顆,現(xiàn)在已觀測(cè)到其中的85%,但沒(méi)有包括長(zhǎng)周期(軌道周期200年以上的)彗星。

雖然很多小的NEO還有待發(fā)現(xiàn),從已知的和較合理的推測(cè),NEO的大小分布模型可用大于直徑D(公里單位)的NEO累計(jì)數(shù)目 N表述,N=942 D-2.357。大多NEO的直徑很難直接測(cè)定,常由觀測(cè)其亮度得到的絕對(duì)星等,用假定的反照率,來(lái)估算直徑,或者用絕對(duì)星等代表直徑來(lái)圖示NEO的大小分布(圖6),其中100 m到1 km的“下凹”跟月球和火星的小而新隕擊坑數(shù)目符合。

圖6 NEO的大小分布——亮于絕對(duì)星等H(相應(yīng)直徑如圖)的NEO累計(jì)數(shù)目。撞擊能量是假定撞擊速度20 km/s計(jì)算的兆噸(MT)TNT當(dāng)量。K-T為6500萬(wàn)年前的地質(zhì)界面

盡管搜尋近地天體已取得豐碩成果,但仍有不少還未觀測(cè)到的,因此需要提高搜尋能力,加快研制和發(fā)送太空望遠(yuǎn)鏡,繼續(xù)搜尋未知的,尤其是突然來(lái)的、可能就要撞擊地球的近地天體。

2 隕擊危害分析

月球的探測(cè)研究表明,其表面的古老又很大的隕擊坑特別多,說(shuō)明早期受到嚴(yán)重的隕擊,隨后,隕擊率逐漸減少。從隕擊的普遍性來(lái)說(shuō),地球和其他類地天體的隕擊情況也應(yīng)跟月球類似。雖然地球現(xiàn)階段受到較大NEO隕擊的概率很小,而一旦發(fā)生,其危害是很嚴(yán)重的,因此,我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)巡查和研究。實(shí)際上,地球是經(jīng)常受到隕擊的,人們最熟知的例子是流星——流星體大氣中燒蝕的痕跡,只是在地面上沒(méi)有什么危害感覺(jué)而已。據(jù)估計(jì),每天隕落到地球的流星物質(zhì)有50 t到150 t,大多是宇宙塵。大的火流星就更令人矚目了,先來(lái)列舉幾個(gè)不同危害程度的隕擊事件。

1908年6月30日,俄羅斯西伯利亞的通古斯河地區(qū)上空發(fā)生天外飛來(lái)物體大爆炸——通古斯事件,估計(jì)威力相當(dāng)于廣島原子彈2倍,約1000～1500萬(wàn)噸TNT當(dāng)量,2000多平方公里范圍內(nèi)的樹(shù)木倒毀,歐亞的很多地震站都有紀(jì)錄,幸好那里人煙稀少,否則會(huì)造成很大傷亡。最近研究得出,這是直徑30～50 m NEO在約10 km高度空暴。

2008年10月6日,Catalina巡天發(fā)現(xiàn)小行星2008 TC3處于撞向地球的路徑,空間防衛(wèi)和小行星中心緊急通告協(xié)作觀測(cè),由19個(gè)小時(shí)的連續(xù)觀測(cè)確定出它的準(zhǔn)確軌跡并發(fā)布預(yù)警,這顆直徑2～5 m的小行星果然于8日在蘇丹北部發(fā)生空暴(圖7,見(jiàn)彩插四),后來(lái)在地面收集到280塊隕石,共3.9 kg。

類似地,1976年3月8日的吉林隕石雨是約4 t的小行星殘?bào)w隕落的空暴事件,碎塊散落500 km2地區(qū)。落地的最大隕石重達(dá)1770 kg,穿入凍土層,開(kāi)掘一個(gè)6.5 m深、直徑2 m的坑。

2007年9月,直徑1～2 m的石隕石以很高的超音速隕落在秘魯,產(chǎn)生了隕擊坑,說(shuō)明小的NEO在特殊情況下也有危害。

巴林杰(Barringer)隕石坑是直徑1.186 km、深175 m的碗形坑,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的考察研究,才成為第一個(gè)確證的隕擊成因構(gòu)造(圖8,見(jiàn)彩插四)。它是49000年前一顆約30～50 m(重約30萬(wàn)噸)的鐵隕石(小行星)隕擊地面發(fā)生爆炸形成的,該隕石的大部分粉碎,少部分碎塊拋到周圍9～10 km。這次隕擊爆震能量2000～4000萬(wàn)噸 TNT(類似于核彈爆震的危害),造成10～13 km遠(yuǎn)的散彈型殺傷,破壞800～1500 km2的植被,另加200～600 km2的損傷。這樣的隕擊事件平均6000年發(fā)生一次,現(xiàn)代城市一旦遇到這樣的隕擊就會(huì)完全毀掉。

6500 萬(wàn)年前,地球上包括恐龍?jiān)趦?nèi)的75%物種大量絕滅可能就是大隕擊事件造成的。直到10多年前,才在墨西哥尤卡坦(Yucatan)半島的奇科蘇盧布(Chicxulub)村發(fā)現(xiàn)相應(yīng)年代的約100 km隕擊構(gòu)造,它的一半在海洋,且陸地的另一半已被掩埋在幾百米厚的沉積下面。推斷是不到10 km的小行星或彗星撞擊該地,撞擊的能量約幾億噸 TNT,引起的巨大海嘯和全球回蕩的地震,破壞了尤卡坦半島的大部分,隕擊拋出物形成全球富集銥的 K/T地層界面。這樣嚴(yán)重的隕擊事件平均約1億年發(fā)生一次。

探測(cè)研究得出,加拿大的貴金屬礦區(qū)薩德伯里(Sudbury)盆地是18.5億年前、一顆約9 km的彗星隕擊形成的,隕擊能量相當(dāng)于幾億噸 TNT,熔化地表物質(zhì)31000 km3,產(chǎn)生直徑至少100 km、深30 km的隕擊坑。南非的弗雷德福(Vredeford)隕擊構(gòu)造直徑達(dá)300 km,可能是20億年前由一顆10 km的小行星隕擊形成的。

1994年7月16 ～22日,蘇梅克-利維9號(hào)(Shoemaker-Levy 9)彗星分裂的21碎塊依次撞擊木星大氣,一直到幾個(gè)月都看見(jiàn)的顯著撞擊大疤痕(圖9,見(jiàn)彩插四)。這是人類第一次事先預(yù)報(bào)而觀測(cè)的太陽(yáng)系天體大撞擊事件,舉世矚目,使人們更關(guān)心彗星是否會(huì)撞擊地球的問(wèn)題。

1981年,弗蘭克(L.A.Frank)等發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)探測(cè)者1號(hào)(Dynamics Explorer 1)衛(wèi)星拍攝的地球白晝氣輝紫外像有一些暫現(xiàn)小暗斑,稱之為“大氣洞(atmospheric holes)”,推斷是小彗星闖入地球大氣,在氣輝上空(高度約1000 km)蒸發(fā)為水汽云,吸收氣輝的紫外輻射而呈現(xiàn)為暗斑——大氣洞。推算出小彗星的質(zhì)量約20 t,大小約10 m,出現(xiàn)率約每年千萬(wàn)個(gè)。經(jīng)10年?duì)幾h,終于在1996年12月由飛船(Polar spacecraft)拍攝的新圖像醒目地呈現(xiàn)隕落軌跡(圖10,見(jiàn)彩插四)?？梢怨烙?jì)每1萬(wàn)到2萬(wàn)年在全球沉積約1英寸的水,足以提供地球同時(shí)期的不是全部,也是大部分的水。

斯威夫特-塔特爾彗星(109P/Swift-Tuttle)是英仙流星群的母彗星,其彗核直徑約27 km,大于上述大隕擊構(gòu)造的撞擊體。從它在1992年回歸的軌道變化資料,曾推算它在2012年8月4日可能跟地球和月球相遇乃至碰撞,撞擊能量是 K-T界面事件的27倍,令人驚恐,也許和虛構(gòu)的《2012》地球毀滅電影不無(wú)聯(lián)系,切不可被誤導(dǎo)!后來(lái)的仔細(xì)計(jì)算表明,未來(lái)兩個(gè)世紀(jì)都不會(huì)發(fā)生撞擊。它在4479年9月15日最接近地球到0.03～0.05 AU,撞擊概率約百萬(wàn)分之一。

直徑約270 m的近地小行星阿波菲斯(Apophis)是2004年3月發(fā)現(xiàn)的,后來(lái)失蹤,然后在當(dāng)年12月再次出現(xiàn),軌道周期約323天。很快就推算出它將2029年更接近地球到離地面5.6倍地球半徑,撞擊地球的概率較大,進(jìn)一步的觀測(cè)推算排除2029年撞擊的可能,2036年和2068接近時(shí)撞到地球的概率也不大(1/250000和1/330000)。

基于有關(guān)資料和理論,可以近似地評(píng)估近地天體撞擊地球的危害。表1給出不同撞擊事件相應(yīng)的撞擊體(NEO)直徑、撞擊能量、平均時(shí)間間隔,由于涉及很多復(fù)雜因素,表中給出的只是長(zhǎng)期近似平均值。實(shí)際危害還跟具體情況有關(guān),例如,較小的NEO撞入地球大氣就產(chǎn)生類似于通古斯事件的空暴,造成地面危害,破壞區(qū)的面積 A與爆炸能量 Y的關(guān)系為,A∝Y2/3,較大撞擊體的撞擊能量更大,危害規(guī)模更大。但大約75%發(fā)生在海洋或人煙稀少區(qū)域,危害就不很大。然而,這樣事件較頻繁,對(duì)人居地區(qū)危害就顯得重要了。在海洋可能引起海嘯,造成海岸地區(qū)更大危害。至今還不能搜尋到很多較小的NEO,因而很難預(yù)報(bào)它們的突然撞擊,尤其偶然來(lái)臨的彗星,撞擊速度大,危害也大。撞擊能量為千萬(wàn)噸到億噸 TNT,就造成區(qū)域性的嚴(yán)重危害。兆億噸TNT能量的大撞擊災(zāi)難平均約1億到10億年發(fā)生一次,雖然能量小些的隕擊未必造成物種大規(guī)模絕滅,但仍象核爆炸或火山噴發(fā)那樣把塵屑拋散到全球,造成較久的嚴(yán)重災(zāi)難,有些學(xué)者形象地稱作“核冬天”,這仍是準(zhǔn)全球性災(zāi)難,比大地震和洪水的危害嚴(yán)重得多。

___表1__NEO撞擊事件的撞擊體直徑、撞擊能量、平__________均間隔

一次撞擊事件的危害程度可以由平均死亡人數(shù)來(lái)表征,它主要跟撞擊能量有關(guān),而撞擊能量又主要取決于撞擊體的直徑,考慮到其他重要因素,最近研究得到圖11所示的模型,其中假定直徑1.5 km的NEO撞擊造成全球性災(zāi)難,全世界人口死亡十分之一,而10 km的NEO撞擊造成世界人口滅亡,雖然這些結(jié)果未必準(zhǔn)確,但提供NEO撞擊地球的危害的科學(xué)認(rèn)識(shí),作為制定防御對(duì)策依據(jù)。

圖11 不同大小的NEO每次撞擊造成的死亡人數(shù)

3 防御隕擊危險(xiǎn)的對(duì)策

某些NEO撞擊地球是必然會(huì)發(fā)生的,但危害程度有很大差別,從經(jīng)常發(fā)生的無(wú)危害的火流星,到人一生(百十年)平均發(fā)生一次的空暴,再到都不大可能發(fā)生、但卻偶然發(fā)生的全球性災(zāi)難事件。認(rèn)識(shí)到隕擊的不可避免性,深入開(kāi)展NEO巡視,發(fā)現(xiàn)將來(lái)臨的隕擊體,可以采取怎樣的防御對(duì)策呢?

對(duì)于同一順序位內(nèi)的船舶，在通常情況下按照所靠泊位的不同，根據(jù)西側(cè)泊位先、東側(cè)泊位后的原則進(jìn)行排序，但要避免進(jìn)靠相鄰泊位的船舶尾隨進(jìn)港，造成一船等待相鄰船舶靠泊的局面。

防御隕擊危害的途徑：一是主動(dòng)的去改變隕擊體(NEO)的軌道或炸毀它;二是被動(dòng)的躲避隕擊危害。由于可能的隕擊危害程度差別范圍非常大,單一的方法不適于處理所有的隕擊事件。對(duì)于低能量的隕擊事件,民事防御方法是挽救生命和財(cái)產(chǎn)損失的耗費(fèi)少而有效的方法。對(duì)于較大的隕擊事件,改變隕擊體(NEO)軌道是適宜的辦法。對(duì)于最大的隕擊事件,現(xiàn)在還沒(méi)有技術(shù)能力來(lái)避免災(zāi)難。

根據(jù)現(xiàn)在的和可能發(fā)展的技術(shù)能力,提出的防御對(duì)策有以下四類。

(1)民事防御。如同應(yīng)對(duì)地震等自然災(zāi)害,可以及時(shí)采取隱蔽、組織疏散撤離、使用應(yīng)急設(shè)備,避免或減少危害。較小規(guī)模的隕擊(空暴及隕石降落)是發(fā)生較多的,但往往在隕擊快來(lái)臨時(shí)才發(fā)現(xiàn)隕擊體,預(yù)警時(shí)間短(幾小時(shí)到幾天),但只在局部地區(qū)產(chǎn)生較小的危害,可以疏散到隕擊區(qū)之外。規(guī)模大些(隕擊體10～20 m)的隕擊,危害區(qū)域更大,但預(yù)警時(shí)間可以作到幾天到幾星期,也可以按應(yīng)急措施疏散。更大規(guī)模的隕擊,危害區(qū)域大,民事防御也可以作為輔助措施。

(2)緩慢推或拉方法。對(duì)于預(yù)警時(shí)間幾十年、隕擊體較小(幾米到100 m)的情況,改變其軌道而使它免撞地球,最準(zhǔn)確又可控的是緩慢推或拉的方法。例如,發(fā)送“引力拖拉機(jī)”飛船到隕擊體近旁,僅利用引力使它位移15000 km(2.5倍地球半徑)就可以避開(kāi)撞擊地球。也可以考慮接觸拖動(dòng),但技術(shù)不確定性大。發(fā)送大而輕的太陽(yáng)能收集器,讓強(qiáng)光蒸發(fā)隕擊體物質(zhì)的反沖力來(lái)改變其軌道。

(3)動(dòng)力學(xué)撞擊。對(duì)于預(yù)警時(shí)間20年的較大(幾百米到公里)隕擊體情況,發(fā)送飛船去把它撞離飛向地球的軌道,但其效果還需進(jìn)一步研究。

(4)核彈炸毀。對(duì)于大隕擊、尤其預(yù)警時(shí)間短的(幾個(gè)月到幾年),或其他方法失敗時(shí),可以一次或多次發(fā)送核彈去有效地炸毀隕擊體,提出過(guò)幾種可行的具體方法,但都有相當(dāng)?shù)牟淮_定性,擔(dān)憂的是炸裂的NEO碎塊仍可能撞擊地球以及核彈爆炸的放射物危害,即使技術(shù)問(wèn)題可以解決,還有政治的社會(huì)的難題。

對(duì)于足夠小的(直徑幾十米,或許到100 m)且撞擊體本身強(qiáng)度不大的撞擊事件,民事防御不僅合理,也是低耗費(fèi)而有效的方法。這樣的事件也是最常發(fā)生的,平均兩世紀(jì)發(fā)生一次。它們也可能是事前預(yù)警最少的事件。對(duì)于較大的事件,主動(dòng)改變隕擊軌道可能是有希望的?？蛇x擇緩慢地推/拉、動(dòng)力學(xué)撞擊和核彈爆炸,取決于必須移走的該NEO的質(zhì)量和決定多早去避免危害以及軌道的詳情。表2總結(jié)用于各種威脅的防御對(duì)策。表3顯示各種防御對(duì)策的可用情況。

表2主要防御對(duì)策

一顆近地天體(NEO)的軌道決定它是否會(huì)撞擊地球。足夠準(zhǔn)確的軌道信息也決定撞擊應(yīng)發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間。然而,撞擊的結(jié)果及其對(duì)人們和財(cái)產(chǎn)的危害取決于很多因素。防御效果同樣地依據(jù)NEO的更多特性,而不只是軌道。

雖然個(gè)別NEO撞擊地球不能事先準(zhǔn)確預(yù)報(bào),在沒(méi)有機(jī)會(huì)完成個(gè)別NEO的未來(lái)評(píng)定研究,恰當(dāng)?shù)脑u(píng)定范圍知識(shí)對(duì)于事前制定防御計(jì)劃大有幫助。

雖然地面觀測(cè)可以提供某些NEO的物理性質(zhì)(例如,自轉(zhuǎn)速度、大小估計(jì)、成分)重要信息,NEO專用飛船使命提供很長(zhǎng)使用時(shí)間和接近勘測(cè),獲得它們的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量、大小、形狀、表面形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物組成和碰撞歷史的特性。從飛船評(píng)定使命收集的數(shù)據(jù)也會(huì)幫助標(biāo)定地面的和空間的遙測(cè)數(shù)據(jù),可以增大NEO遙測(cè)分類及其有關(guān)物理特性的可信度,供未來(lái)防御對(duì)策使用。

表3 主要防御對(duì)策總結(jié)(一旦NEO高概率撞擊的對(duì)策陣列)

雖然這些方法都是概念上成立的,現(xiàn)在沒(méi)有一個(gè)是準(zhǔn)備短時(shí)期實(shí)施的。民事防御和動(dòng)力學(xué)撞擊可能最近籌措,但甚至這些也要求實(shí)施前作補(bǔ)充研究。

總之,沒(méi)有單一防御對(duì)策能足夠有效地完全防御全部范圍的潛在撞擊危險(xiǎn),各類對(duì)策有大致的應(yīng)用范圍(圖12,見(jiàn)彩插四)。民間防護(hù)在所有情況都適用。有了適當(dāng)?shù)念A(yù)警,除了極高能量的撞擊,一套四類防御對(duì)策適用于幾乎所有NEO的威脅。

處理近地天體(NEO)的撞擊危害是非常復(fù)雜的,因?yàn)樗鼱可娴讲粶?zhǔn)確知道的危害與成本、風(fēng)險(xiǎn)與回報(bào)效益的平衡。由于近地天體的撞擊危險(xiǎn)是概率性的,難于掌握,難于表述。很多項(xiàng)目還需要深入研究,以便更好的量化風(fēng)險(xiǎn)和提高預(yù)報(bào)能力,并增加防御對(duì)策的成效。例如,地球附近小型撞擊體的數(shù)目知之甚少,甚至不能確定在140 m以上或50 m以上的撞擊體的平均率;不知道它們的基本性質(zhì)：由什么組成,在什么限度上是改變了的原體,而不是嚴(yán)重?cái)嗔训幕蛏踔镣耆蛛x的、松弛地相伴運(yùn)行的引力束縛集合體;即使知道撞擊體的大小、撞擊能量、基本性質(zhì)資料,其撞擊對(duì)地球的危害也是不確定的。撞擊危害取決于撞擊體是否在到地表之前就在大氣中破裂,撞擊是否發(fā)生在淺水、深水、或者陸地上以及在那里的巖石類型。此外,危害未必限于撞擊時(shí)間和地點(diǎn)附近的地區(qū)和區(qū)域,而對(duì)于大撞擊還可能包括全球氣候變化或海嘯。但對(duì)于造成這些危害需要多大的撞擊、什么類型的撞擊,仍是很不確定的。防御能力取決于從研究獲得的新知識(shí)和理解。研究項(xiàng)目應(yīng)包括三個(gè)主要任務(wù)領(lǐng)域：巡視、評(píng)定和防御對(duì)策,其范圍應(yīng)包括分析、模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

(2010年3月4日收到)

[1]National Academy of Sciences.Defending planet earth：near-earth object surveys and hazard mitigation strategies：final report[EB/OL].2010,http：//www.nap.edu/catalog/12842.html

[2]胡中為.近地天體及其撞擊地球的危險(xiǎn)[J].科學(xué),2006,58(1).

[3]胡中為,徐偉彪.行星科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2008.

[4]Near-Earth object-Wikipedia,the free encyclopedia[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Near-Earth_object

[5]CHAPMAN C R.The hazard of near-Earth asteroid impacts on earth[J].Earth and Planetary Science Letters,2004,222(1)：1-15.

[6]Near-Earth Objects[EB/OL].http：//www.planetary.org/explore/topics/near_earth_objects/

(責(zé)任編輯：溫文)

Defending Planet Earth：Near-Earth Object Surveys

and Hazard Mitigation Strategies

HU Zhong-wei
Professor,Purple Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China

The earth inhabits a hazardous environment.“Near Earth Objects(NEO)”,whose orbits approach Earth’s orbit,could pose potential hazard of striking Earth.In fact,since its birth,the earth is continually bombarded by these objects.The scarred countless impact craters from Moon and Mercury are the best evidence.Because of a serious evolution of the Earth and the remains of the old impact craters being wiped out,only more than 170 impact structures are identified.Fortunately,the impacts from the objects at this stage are mostly in small-scale,their hazards are not too serious.However,an impact event is difficult to predict.Once the event of a larger impact occurs,they will result in much more serious than the big earthquake hazards.The event of the comet colliding with Jupiter in 1994 shocked the whole world,and enlightened people to pay more attention to the dangers of the earth by such impact.In fact,there are some recent examples：Tunguska explosion event in 1908;the Jilin meteorite shower in 1976;the asteroid 2008 TC3 fallen in Sudan in 2008.Earlier 2010,the U.S.Academy of Sciences announced,“defend the Earth：near-earth objects survey and mitigation of risk strategy for the final report”.Combined with relevant information,the real scientific knowledge and mitigation of risk strategy are introduced briefly to the public understanding and to avoid seriously misleading from the distorted video.

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10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.008