近地小行星防御中的行動準則和在軌處置閾值*

龔自正，宋光明，張品亮，任思遠

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；遼寧大學空間科學與技術研究院，沈陽 110036)

1 近地小行星防御研究方興未艾

在地球歷史中小行星撞擊地球事件頻發(fā)，深刻塑造了地球的氣候生態(tài)環(huán)境，導致了地球上物種滅絕與更替，是人類共同面對的重大潛在威脅[1-4]。近地小行星(Near Earth Asteroid，NEA)撞擊風險應對在國際上一般稱為行星防御(Planet Defense)。1994年彗-木撞擊事件和2013年俄羅斯車里雅賓斯克小行星撞擊事件，使得這一問題得到了國際社會的高度重視。在聯(lián)合國外空委、政府和非政府三個層面都成立了多個行星防御組織機構(gòu)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、聯(lián)合開展小行星監(jiān)測預警、在軌處置和災害救援工作。美國國家航空航天局(NASA)繼2005年實施了“深度撞擊”(Deep Impact)計劃后，從2014年開始投入8億美元實施“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評估”(Asteroid Impact & Deflection Assessment，AIDA)計劃，包括DART(Double Asteroid Redirection Test，DART)任務和HERA任務。2022 年9月27日NASA發(fā)射的撞擊器成功撞擊了Didymos雙小行星系統(tǒng)中直徑約160m的子星Dimorphos，使子星繞主星的環(huán)繞周期將縮短32min左右。歐空局(ESA)將于2024年發(fā)射HERA任務探測器，對撞擊后的小行星開展繞飛探測，精確評估其撞擊效果。2022年6月8日，ESA通過了“彗星攔截任務”(Comet Interceptor)計劃，將針對來自于柯伊伯帶或奧爾特云第一次進入太陽系或在太陽系內(nèi)停留時間較短的彗星開展撞擊攔截試驗。DART任務的成功實施掀起了近地小行星防御研究的熱潮。

2022年1月28日，我國國務院新聞辦公室發(fā)布《2021中國的航天》白皮書，明確提出將“論證建設中國近地小天體防御系統(tǒng)，提升中國監(jiān)測、編目、預警和應對處置能力”。2022年4月24日第七個中國航天日，國家航天局副局長吳艷華在接受中央電視臺采訪時指出“中國將建設近地小行星防御系統(tǒng)，并計劃于2025年或者2026年開展一次近地小行星動能撞擊防御試驗”。2022年11月21日，在海南舉行的聯(lián)合國/中國空間探索與創(chuàng)新全球伙伴關系研討會上，國家航天局副局長吳艷華正式宣布，中國愿與國際社會一道，強化共同應對機制，推動近地小行星聯(lián)合監(jiān)測、預警、防御能力提升，共同建設普遍安全的地球家園，預計2025年實施中國首次近地小行星防御任務。

面對世界各航天大國雄心勃勃的NEA防御任務計劃，有必要提出并思考：針對不同NEA撞擊風險場景，應該采取什么樣的行動準則？實施在軌處置的風險閾值是什么？本文基于撞擊風險研判，結(jié)合IAWN和SMPAG推薦的應對行動標準及NASA推薦的最新應對基準，來探討這個問題，以期對我國的應對行動提供參考，有所裨益。

2 近地小行星撞擊風險

NEA撞擊風險是制定防御行動準則的基礎。NEA撞擊風險是指其撞擊地球的概率與其撞擊所致危害的乘積。NEA撞擊地球的概率是一個復雜的問題，取決于小行星的軌道特性、物理化學特性和對軌道監(jiān)測預報的精度。目前有很多計算方法，比如線性碰撞法、非線性碰撞法、蒙特卡羅法等，每一種方法都有其優(yōu)勢和不足，還沒有很好的統(tǒng)一的計算方法，需要我們?nèi)ド钊胙芯?。這里介紹一種物理概念很清晰、很有意思的方法[5]，從統(tǒng)計學角度出發(fā)，每一個NEA撞擊地球的概率是NEA總數(shù)的倒數(shù)，那么對現(xiàn)在的模型估算的小行星數(shù)量，每一個NEA撞擊地球的概率是f(1)=1.66×10-9/年；潛在威脅小行星(PHA，直徑大于140m)的數(shù)量占總數(shù)量的約20%，則一個PHA撞擊地球的概率是f(PHA)=5×1.66×10-9/年=8.3×10-9/年；直徑200m以上NEA撞擊地球的頻率則是47000年一次；而撞擊地球概率為100%的小行星的最小直徑推斷為3m。

一般來說NEA直徑較易獲取，因此國際上通常用等效直徑來表征其撞擊危害，把撞擊危害程度主要劃分為5類[6，7]：(1)等效直徑為千米級(1km以上)，可引發(fā)全球性災難，如6500萬年前K-T事件，該類事件發(fā)生概率為每1×108年1次；(2)等效直徑為140m級(140m～1km)，可引發(fā)洲際性災難，如2019 OK小行星事件，該類事件發(fā)生概率為每1000年1次；(3)等效直徑為50m級(50～140m)，可引發(fā)大型城市級災難，如1908年俄羅斯通古斯事件，該類事件發(fā)生概率為每100年1次；(4)等效直徑為10m級(10～50m)，可引發(fā)小城鎮(zhèn)級災難，如2013年俄羅斯車里雅賓斯克事件，該類事件發(fā)生概率為每30～50年1次；(5)等效直徑為米級(10m以下)，大多產(chǎn)生空爆并出現(xiàn)火流星現(xiàn)象，如2022年12月15日浙江金華浦江縣發(fā)生火流星事件，該類事件頻繁發(fā)生。

評估NEA撞擊風險通常涉及都靈風險指數(shù)[8]、巴勒莫風險指數(shù)[9]：前者采用11個整數(shù)(0～10)將風險等級劃分為5種，對應不同的撞擊概率及危害；后者由撞擊概率、距離發(fā)生撞擊的時間、撞擊能量等計算獲得。為進一步明晰相關指數(shù)的物理意義，有研究[10]將人員傷亡估算引入NEA撞擊風險評估中，建立了基于撞擊概率、撞擊事件類型和預警時間，可給出撞擊導致死亡人數(shù)的定量評估指數(shù)。

3 國際上的應對行動準則和處置閾值

2014年聯(lián)合國外空委框架下正式成立“國際小行星預警網(wǎng)”(International Asteroid Warning Network，IAWN)和“空間任務咨詢小組”(Space Mission Planning Advisory Group，SMPAG)。IAWN的主要任務是組織實施小行星監(jiān)測和撞擊風險研判，其成員包括航天機構(gòu)和有關天文學研究單位。SMPAG的主要任務是負責撞擊響應機制制定、協(xié)調(diào)危險天體全球防御任務，成員主要由航天機構(gòu)和國際組織組成。中國國家航天局(CNSA)于2018年正式加入IAWN和SMPAG。

經(jīng)過4年研究討論，SMPAG在2017年發(fā)布了“潛在近地天體撞擊威脅行動標準和處置閾值建議”[11]，內(nèi)容包括以下3條：

(1)IAWN應對所有預測撞擊概率超過1%、直徑大于10m(或亮度相當于絕對星等28)的近地天體發(fā)出撞擊預警(藍色預警)。

(2)SMPAG對撞擊預測將在20年內(nèi)發(fā)生、撞擊概率大于10%，直徑大于20m(或亮度相當于絕對星等27)的撞擊預警，開始啟動地面防御規(guī)劃設計(黃色預警)。

(3)SMPAG對撞擊預測將在50年內(nèi)發(fā)生、撞擊概率大于1%、直徑大于50m(或亮度相當于絕對星等26)的撞擊預警，開始啟動空間防御任務方案選擇(橙色預警)。

顯然，這是一個較為粗糙的初步行動標準和處置閾值，已經(jīng)不能適應當前的撞擊威脅態(tài)勢。NASA在2016年成立了小行星防御協(xié)調(diào)辦公室(Planetary Defense Coordination Office，PDCO)后，大力推進近地小行星防御研究。2018年特朗普總統(tǒng)簽發(fā)《國家近地天體應對戰(zhàn)略及行動計劃》[12]，明確在10年內(nèi)提升近地小行星發(fā)現(xiàn)、跟蹤和表征能力，發(fā)展近地小行星偏轉(zhuǎn)和摧毀技術并實施有關在軌驗證任務。2021年美國政府頒布了《近地物體撞擊威脅緊急協(xié)議報告》[13]，在全部接受SMPAG防御行動準則的基礎上，增加了可行性、危害和防御成本的考慮，提出了美國的防御行動基準(benchmark)，具體條款如下：

(1)啟動天基監(jiān)視基準：同時滿足以下2條，則開始實施嚴密的天基監(jiān)視：①對撞擊預測將在50年內(nèi)發(fā)生，撞擊概率大于1%，直徑大于50m(或亮度相當于絕對星等26)的撞擊預警。②需要在預測的撞擊發(fā)生之前3年，開始實施嚴密的天基監(jiān)視任務。

(2)啟動在軌處置基準：包括威脅、可行性、危害3個基準，同時滿足這3個基準則實施在軌處置防御任務。

威脅基準：這2條必須同時滿足：①撞擊預測將在50年內(nèi)發(fā)生；②撞擊概率估計大于10%。

可行性基準：這3條必須同時滿足：①防御在技術上是可行的；②防御任務實施后能減少撞擊的可能性，如果任務實施后撞擊的可能性不變或變得更大，則建議不實施防御任務；③當?shù)却L時間來提高對撞擊預測的置信度將大大降低防御成功的可能性。

危害基準：至少滿足1條：①撞擊很有可能導致美國國內(nèi)100人以上人員傷亡；②撞擊導致美國的經(jīng)濟損失超過實施防御任務的成本。

NASA估算實施一次在軌處置任務的成本約為4～8億美元，車里雅賓斯克撞擊事件的經(jīng)濟損失約3300萬美元，類似車里雅賓斯克的撞擊事件(小行星直徑約20m)將不滿足危險基準，美國認為不必實施在軌處置防御任務。美國提出的實施在軌處置防御任務的閾值是：直徑至少50m的近地天體撞擊美國人口密集區(qū)；或直徑至少140m的近地天體撞擊北美地區(qū)；或直徑至少300m的近地天體撞擊世界任何地方。這些基準和閾值為我們制定自己的防御準則提供了參考。

4 新的應對行動準則和處置閾值的建議

從歷史情況看，直徑1km以上NEA的撞擊事件發(fā)生概率很低，短期內(nèi)難以實施有效在軌處置防御；直徑10m以下的撞擊事件雖然頻發(fā)，但實際危害較小，因而直徑在10～1000m的NEA應是應對防范的重點對象，而直徑30～50m 的NEA則是“重中之重”。因此，建立我們自己的應對行動準則和處置閾值，必須從以下6個方面統(tǒng)籌考慮：(1)NEA的撞擊概率；(2)NEA撞擊導致的災害(財產(chǎn)損失和人員傷亡)；(3)對監(jiān)測預警能力的要求(即監(jiān)測預警技術具有可行性)；(4)對在軌處置能力的要求(即在軌處置技術具有可行性)；(5)監(jiān)測預警和在軌處置任務(簡稱應對任務)實施成本；(6)應對任務成本/效益。

參照SMOPAG和NASA的推薦，建議新的應對行動準則和在軌處置閾值為：①撞擊預測將在50年內(nèi)發(fā)生；②撞擊概率估計大于10%；③直徑大于30m的近地天體撞擊我國人口密集區(qū)；或直徑至少140m的近地天體撞擊東亞地區(qū)；或直徑至少300m的近地天體撞擊世界任何地方。

這是個初步的應對行動準則和在軌處置閾值建議，希望引起各位同行積極開展有關討論。