預(yù)防小行星撞擊地球的十大措施

冉 非 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

預(yù)防小行星撞擊地球的十大措施

冉 非 （北京大學(xué)行星與空間科學(xué)研究中心）

Top Ten Methods to Avoid Asteroid Impacting the Earth

自從人類(lèi)認(rèn)識(shí)到近地小行星（NEA）的撞擊危險(xiǎn)性以來(lái)，一直在思考如何減輕和避免小行星撞擊地球帶來(lái)的災(zāi)害，并提出了許多應(yīng)對(duì)措施。從不同的角度出發(fā)，可以將這些措施分成幾種類(lèi)型。按對(duì)撞擊者處理方式不同，可分為偏轉(zhuǎn)小行星的軌道和擊碎小行星兩種方式；按使用的能源不同，可分為動(dòng)能、電磁能、引力、太陽(yáng)能以及核能等方式；按接近小行星的方式不同，可分為攔截、軌道交會(huì)等方式；根據(jù)是否能快速地向目標(biāo)傳遞能量，還可以分為直接和間接兩種方式。究竟采取何種方式，要根據(jù)撞擊可能發(fā)生的時(shí)間、撞擊者的大小和軌道特征等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估，以選取最佳方式。

1 加強(qiáng)觀測(cè)，提前預(yù)報(bào)

提前獲得近地天體的信息，是避免撞擊地球的基本保障。目前，全世界許多國(guó)家的天文臺(tái)都開(kāi)展了對(duì)近地天體的觀測(cè)，一些國(guó)家還制定了近地天體觀測(cè)計(jì)劃，在確定近地天體分布方面做出了很大貢獻(xiàn)。未來(lái)將進(jìn)一步提高觀測(cè)水平，更新觀測(cè)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)更多的近地天體，對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的近地天體繼續(xù)跟蹤觀測(cè)，以便深入了解其軌道特征和表面物理、化學(xué)性質(zhì)。最重要的是，讓全世界的地面觀測(cè)站聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)“入侵者”，并確切了解其軌道參數(shù)。

巡天觀測(cè)的目的是確定近地小行星的數(shù)量和分布，最好的方法是發(fā)射一個(gè)空間巡天紅外望遠(yuǎn)鏡，其軌道與金星軌道類(lèi)似，半主軸大約0.7AU，軌道周期大約206天，視場(chǎng)大約200°，在逆太陽(yáng)方向，不會(huì)約束望遠(yuǎn)鏡探測(cè)小行星的能力。美國(guó)的觀測(cè)項(xiàng)目“哨兵”（Sentinel），目前還處于計(jì)劃中。“哨兵”的目標(biāo)是在6.5～10年的運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)90%以上直徑大于140m、10萬(wàn)顆直徑大于50m、20萬(wàn)顆直徑為30～50m，以及20萬(wàn)顆直徑小于30m的近地小行星。

根據(jù)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立起全球性的信息、分析和預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（IAWN），對(duì)小行星的軌道進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前，對(duì)小行星軌道預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性還有待提高，主要有三方面的原因：一是近地小行星在接近地球飛越后，軌道會(huì)受到地球引力的影響，發(fā)生了一定的變化；二是對(duì)近地小行星的精確觀測(cè)，往往是在它們通過(guò)地球附近時(shí)，但一般只能觀測(cè)到一段弧段，僅憑其觀測(cè)數(shù)據(jù)確定整個(gè)軌道分布，往往會(huì)帶來(lái)較大誤差，只有經(jīng)過(guò)多次觀測(cè)，確定的軌道才準(zhǔn)確；三是受亞爾科夫斯基效應(yīng)的影響，軌道也會(huì)發(fā)生變化，但目前人類(lèi)對(duì)每顆小行星受到這種效應(yīng)影響的了解甚少。所謂亞爾科夫斯基效應(yīng)，是指小行星吸收陽(yáng)光和釋放熱量時(shí)，會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生一個(gè)微小的推動(dòng)力，進(jìn)而影響軌道。

2 動(dòng)力撞擊偏轉(zhuǎn)軌道

2005年7月4日，美國(guó)發(fā)射的“深度撞擊”（Deep Impact）探測(cè)器成功地撞擊了坦布爾－1彗星。撞擊器的質(zhì)量是370kg，撞擊速度約10.2km/s；產(chǎn)生的動(dòng)能為19GJ，相當(dāng)于4.8t的TNT爆炸所釋放的能量。這次撞擊使坦布爾－1彗星軌道速度的變化為0.0001mm/s，使其近日距離減少了10m。由這組數(shù)據(jù)可以看出，撞擊對(duì)天體的軌道是有影響的，影響的程度取決于二者的質(zhì)量、相對(duì)體積和相對(duì)速度。因此，為了獲得理想的偏轉(zhuǎn)效果，需要增加飛船的質(zhì)量和速度。

根據(jù)一些學(xué)者的計(jì)算，將一顆潛在危險(xiǎn)的小行星推到安全軌道，所要達(dá)到的速度變量并不是很大。動(dòng)力撞擊偏轉(zhuǎn)軌道的方法是人類(lèi)已經(jīng)基本掌握的技術(shù)，當(dāng)前的問(wèn)題是深入掌握撞擊對(duì)小行星軌道的效應(yīng)，對(duì)撞擊器大小、速度、撞擊方向以及如何選擇撞擊位置進(jìn)行深入研究。

3 安裝火箭主動(dòng)變軌

這種方法是在小行星表面安裝多個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，靠發(fā)動(dòng)機(jī)的推力改變小行星軌道。發(fā)動(dòng)機(jī)可以是大功率的，也可以是小功率的。前者適合預(yù)警時(shí)間較短的情況，后者適合于預(yù)警時(shí)間較長(zhǎng)的情況。小功率發(fā)動(dòng)機(jī)也可以是電火箭。電火箭也稱(chēng)等離子體火箭，這種火箭的推力不大，但持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，因此也可以作為改變小行星軌道的一種推動(dòng)力。

4 太陽(yáng)帆緩慢助推

太陽(yáng)帆是利用太陽(yáng)光子撞擊到帆上所產(chǎn)生的動(dòng)量變化，給帆施加一個(gè)小的力。當(dāng)一束陽(yáng)光照射到像反射鏡一樣的表面時(shí)，光子被反射，同時(shí)施加給反射面一個(gè)沖力。光子的沖力不大，在大氣層以上的陽(yáng)光直接照射下，1m2完全吸收的材料會(huì)感受到4.7μN(yùn)的力，相當(dāng)于一張紙質(zhì)量的1/2000。航天飛機(jī)有3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)產(chǎn)生1.67×106N的力。即使在1.0×105m2（邊長(zhǎng)為3個(gè)足球場(chǎng)邊長(zhǎng)的面積）的帆上，陽(yáng)光產(chǎn)生的推力也不到單個(gè)航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生推力的百萬(wàn)分之一。

如果空間飛行器以陽(yáng)光為動(dòng)力，要求帆的表面必須很大，帆的材料必須薄而輕。太陽(yáng)帆雖然提供的推力小，但作用力一直存在且不斷地加速，最終可大于傳統(tǒng)火箭發(fā)射飛船的速度。如果以1mm/s2的加速度考慮，1天后1個(gè)太陽(yáng)帆可加速到310km/h，并移動(dòng)7500km；12天后，可加速到3700km/s。

太陽(yáng)帆的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要傳統(tǒng)推進(jìn)劑。因此，在能提前預(yù)警的情況下，可在目標(biāo)小行星上安裝太陽(yáng)帆，逐漸改變小行星軌道。

5 用伴飛飛船引力牽引

引力牽引器是一種緩慢地改變小行星軌道的方法。這種方法是將一艘大的飛船發(fā)射到小行星附近，與小行星一同飛行。大飛船利用引力作為拖繩，使小行星的軌道逐漸變化，使之偏離撞擊地球的軌道。

例如，質(zhì)量為20t的核電動(dòng)力飛行器，通過(guò)在小行星附近簡(jiǎn)單地盤(pán)旋，拖曳直徑為200m的小行星。這種小而穩(wěn)定的推動(dòng)將逐漸影響小行星的軌道，只要給定足夠的預(yù)警時(shí)間，引力牽引器就能夠偏轉(zhuǎn)小行星的路徑，使其離開(kāi)與地球碰撞軌道足夠的距離。

這種方式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以不用考慮小行星的結(jié)構(gòu)，使問(wèn)題更加簡(jiǎn)化。例如，如果想要在小行星表面安裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要有接觸機(jī)械，但由于小行星表面引力太弱，難以使接觸機(jī)械牢固地與表面固定。另外，大多數(shù)小行星自旋比較快，固定在表面的發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向不斷變化，只有在小行星自旋到一定方位，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力才對(duì)偏轉(zhuǎn)軌道起作用，浪費(fèi)時(shí)間和推進(jìn)劑。

6 在附近實(shí)施核彈爆破

在小行星附近進(jìn)行爆炸，通過(guò)爆炸所產(chǎn)生的巨大沖擊波改變小行星的軌道。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的天體物理學(xué)家羅伯特·韋沃（Robert P Weaver）及其科研小組用實(shí)驗(yàn)室的“天空”超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，研究如何利用核武器攔截可能撞擊地球的“殺手”小行星。結(jié)果表明，用一顆1.0×106t的氫彈可以阻止類(lèi)似阿波菲斯的小行星。

到目前為止，韋沃最詳細(xì)的模擬計(jì)算對(duì)象是小行星糸川，這顆小行星的尺度大約是540m×270m×210m。模擬結(jié)果顯示了從百萬(wàn)噸級(jí)氫彈爆炸點(diǎn)發(fā)出的沖擊波發(fā)展的過(guò)程：來(lái)自小行星爆炸點(diǎn)的羽煙高速向外噴發(fā)，這是巖石被加熱后的效應(yīng)。沖擊波與巖石的相互作用將能量從表面向小行星相反的那端傳播，完全粉碎了這顆小行星。

7 在天體內(nèi)部引爆核彈

美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)的一個(gè)研究小組在2014年提出了一種減輕小行星撞擊地球危害的方法，稱(chēng)為“超高速小行星攔截工具”（HAIV），可適應(yīng)各時(shí)間尺度的預(yù)警。

超高速小行星攔截工具由組合在一起的兩艘飛船組成，位于前端的是引導(dǎo)船，后端是跟隨船。飛船首先在深空與目標(biāo)小行星進(jìn)行軌道交會(huì)，然后引導(dǎo)船與跟隨船分離，引導(dǎo)船實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)能撞擊器，它準(zhǔn)確地撞擊目標(biāo)小行星表面并爆炸，產(chǎn)生一個(gè)小坑。跟隨船攜帶著核武器，隨后跟進(jìn)，經(jīng)由一個(gè)帶著傳感器的長(zhǎng)桿進(jìn)入坑內(nèi)，將小行星炸為數(shù)百萬(wàn)顆碎片。在坑內(nèi)爆炸，效果將比在附近或表面爆炸增加20倍。核爆炸產(chǎn)生的碎片能否撞擊地球，取決于爆炸點(diǎn)到地球的距離。如果爆炸位置選擇合適，碎片效應(yīng)可以大大減小。

8 在天體表面進(jìn)行質(zhì)量投射

這種方法的基本思路是用多個(gè)著陸器與危險(xiǎn)小行星交會(huì)與接觸，并在表面進(jìn)行鉆探，用質(zhì)量投射器將挖掘出的物質(zhì)高速拋出。經(jīng)過(guò)幾周或幾個(gè)月后，目標(biāo)小行星的日心軌道逐漸偏離靠近地球的軌道。

質(zhì)量投射器也稱(chēng)電磁彈射器，是一種以電磁能量為動(dòng)力，將負(fù)載加速到很高速度的一種方法，原理和電磁炮類(lèi)似。在小行星上的質(zhì)量投射器是一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)，不斷地將小行星上的物質(zhì)拋向太空，于是給小行星施加一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的推力，并使其質(zhì)量減少。為了提高質(zhì)量拋射的效率，可同時(shí)安裝多個(gè)質(zhì)量投射器。

9 用強(qiáng)大激光進(jìn)行燒蝕

利用太空飛船產(chǎn)生的強(qiáng)大激光束照射小行星，使小行星表面物質(zhì)氣化，飛離其表面，使小行星的動(dòng)量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致軌道的變化。早在1984年，美國(guó)就研制了太空激光裝置，稱(chēng)為“戰(zhàn)略防御初始概念”。

“定向能行星防御任務(wù)”（DE-STARLITE）由美國(guó)加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校的學(xué)者提出，將發(fā)射一個(gè)攜帶激光裝置的飛行器，利用激光燒蝕的方式改變小行星軌道，適合于偏轉(zhuǎn)直徑為幾百米的小行星軌道。該計(jì)劃與美國(guó)“小行星重定向任務(wù)”（ARM）的第一階段有一些共同之處，即使用的運(yùn)載火箭相同、起飛質(zhì)量大體相同（低地球軌道為14t）、使用相同的等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)和相同的太陽(yáng)能帆板系統(tǒng)。由于“定向能行星防御任務(wù)”的質(zhì)量有所減小，因此可攜帶更大的太陽(yáng)能帆板。

10 增強(qiáng)亞爾科夫斯基效應(yīng)

亞爾科夫斯基效應(yīng)對(duì)小行星軌道有明顯的影響，可想方設(shè)法擴(kuò)大這種效應(yīng)，以有效地偏轉(zhuǎn)對(duì)地球有潛在危險(xiǎn)的小行星軌道，常用的方法有噴漆法和光照法。

噴漆法，就是往小行星表面噴灑一些粉末，有效地吸收陽(yáng)光或反射陽(yáng)光，增強(qiáng)亞爾科夫斯基效應(yīng)。具體方法是讓飛船攜帶選定的粉末，將這些粉末通過(guò)一個(gè)細(xì)管加壓噴出。由于粉末與管壁摩擦，使得飛出的粉末獲得額外的電子，因而帶負(fù)電。小行星在太陽(yáng)風(fēng)的作用下，表面帶正電，帶負(fù)電的粉末就牢牢地沉積在小行星的表面，增強(qiáng)了亞爾科夫斯基效應(yīng)，進(jìn)而改變小行星的軌道。

光照法，是在圍繞小行星運(yùn)行的飛船上安裝太陽(yáng)反射鏡，將聚焦的陽(yáng)光照射到小行星表面，以此增強(qiáng)亞爾科夫斯基效應(yīng)。