小行星空爆影響分析及應(yīng)對建議

王棲溪 梅 娜 包 赟

小行星撞擊地球概述

我們居住的地球自誕生之日起就時刻面臨“天外來客”的威脅，其中絕大部分的擦肩而過都不為我們所知。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，國際社會對防御小行星撞擊的重視程度也越來越高。

2013年2月15日，俄羅斯車里雅賓斯克上空發(fā)生隕石爆炸，造成超過1 200人受傷。這顆隕石直徑約18米，質(zhì)量接近1萬噸，以超過30千米/秒的速度進入大氣層發(fā)生氣化爆炸。其爆炸能量約為50萬噸TNT，相當于1945年廣島原子彈爆炸當量的30倍，沖擊波損壞了成百上千的建筑，造成巨大損失。

小行星是指圍繞太陽運行，尺寸在1米至800千米內(nèi)，且不易釋放出氣體和塵埃的天體。近地小行星指的是離地球軌道距離小于4 500萬千米的小行星，如果小行星軌道與地球軌道的最小距離小于750萬千米，一般就認為有潛在碰撞風險。目前已確認并記錄的近地小行星已超過20 000顆，其中約2 000顆具有“潛在危險性”。

直徑越大的小行星撞擊地球所引發(fā)的災(zāi)害越嚴重（表1），目前在直徑超過1千米的近地小行星中，90%以上已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但直徑為100米左右的只有10%被發(fā)現(xiàn)，直徑為40米左右的被發(fā)現(xiàn)的還不到1%。

表1 小行星撞擊事件分類

小行星撞擊地球的危害程度取決于其穿過大氣層后的剩余質(zhì)量和速度，這兩個參數(shù)與小行星初始質(zhì)量、初始速度、小行星結(jié)構(gòu)以及撞擊角度有關(guān)。小行星運行速度約為45千米/秒，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的速度是30千米/秒，假如正面相撞，相對速度可達75千米/秒，即使小行星從后面“追”上地球，速度也可達15千米/秒。小行星超高速進入地球大氣層，在大氣層中形成極強的高溫高壓沖擊波，引起大氣分子電離發(fā)光，進而在超高速氣動力和氣動熱相互作用下發(fā)生爆炸解體，形成火流星。直徑較小的解體碎塊會在大氣層燒為灰燼，直徑較大的解體碎塊則會撞擊到地球表面，在短時間內(nèi)急劇釋放其攜帶的巨大動能，造成巨大災(zāi)難。

據(jù)統(tǒng)計，從1988—2019年底，全球共發(fā)生723次火流星事件，平均每個月有兩次火流星事件。

撞擊地表影響

小行星撞擊到地球表面，在短時間內(nèi)會急劇釋放其攜帶的巨大動能。若撞擊靶區(qū)是陸地，則使撞擊區(qū)域的地表破碎、熔化，形成隕石坑；同時，撞擊產(chǎn)生的沖擊波可能誘發(fā)強烈的地震和海嘯，引發(fā)森林大火。地表巖石產(chǎn)生的各種氣體、塵埃和森林燃燒的灰燼彌漫充斥整個大氣層，遮住陽光，可使地球整年平均溫度下降幾攝氏度。

若撞擊到海洋，則會把大量的海水反濺或蒸發(fā)到大氣中。如果撞擊到海底，在拋向大氣的材料中還包含地表、地幔和小行星材料。海嘯是小行星撞擊海洋過程中最典型的自然現(xiàn)象，撞擊發(fā)生后海水被迅速擠壓，產(chǎn)生的沖擊波在水體內(nèi)傳播，引起海嘯，產(chǎn)生一定高度的“海墻”在海面?zhèn)鞑ァ?jù)報道，有顆名為“Eltain”直徑4千米的小行星，曾撞擊到南太平洋底部，在距其1 200～1 500千米遠的海域引起高度達到200～300米的海嘯。小行星撞擊海洋表面的破壞半徑比撞擊陸地更大，破壞半徑大約與小行星撞擊能量的1/2次方成正比。

空爆對空間天氣影響

小行星超高速穿越大氣層，會在大氣層中形成極強的高溫高壓沖擊波，特別是在空中發(fā)生燃燒空爆，會對電離層產(chǎn)生巨大影響。

若空爆發(fā)生在高空，爆炸使大氣電離，造成電離層低層的等離子體濃度急劇增加，可形成附加等離子體層，會影響無線電波的傳播，使中波、短波被異常吸收，超短波發(fā)生異常衰落，導致信號質(zhì)量下降甚至中斷。此外，高溫高壓火球爆炸向外膨脹時會壓縮地磁場，而地磁場則會約束其產(chǎn)生振蕩，激發(fā)磁流體力學波，從而擾動電離層和磁層；這個膨脹壓縮過程只有在等離子體壓強和磁壓強與大氣壓強達到平衡時才終止，其波及范圍達數(shù)百至數(shù)千公里。另外，部分帶電粒子可能被高空地磁場捕獲并形成附加的高能粒子輻射帶，其可能存在數(shù)天至數(shù)月，加在等離子體層頂附近，形成對磁層的一個新的擾動源，并對空間電子設(shè)備造成威脅。

若空爆發(fā)生在低空，火球本身的運動觸及不到電離層，但爆炸產(chǎn)生的沖擊波向上傳播時，可能轉(zhuǎn)化為聲重波進入電離層，引起電離層的擾動，電子濃度劇烈起伏，層內(nèi)出現(xiàn)不均勻結(jié)構(gòu)，從而對電波傳播產(chǎn)生一定的影響。若產(chǎn)生的聲重波足夠大，這種擾動可以持續(xù)數(shù)小時，影響范圍達數(shù)千公里，直至能量全部耗盡。

對策建議

小行星在太空中按照一定的軌道運行，為我們開展預(yù)警工作提供了條件：一是對近地小行星進入地球空間、影響程度及撞擊地點可提前預(yù)報；二是對近地小行星撞擊地球可以進行人為干預(yù)。預(yù)防小行星發(fā)生災(zāi)害性空爆甚至撞擊地球，應(yīng)重點加強以下工作：

① 提高小行星跟蹤監(jiān)測能力

我國以紫金山天文臺為首的多個臺站具備小行星觀測能力，但觀測設(shè)備口徑小、數(shù)量少、站址單一、探測能力有限，相比國際水平還有一定差距。從長遠來看，應(yīng)盡快建立小行星跟蹤監(jiān)視體系，以地基為主，同時發(fā)展能夠與地基系統(tǒng)配合工作的天基觀測能力，并納入國際監(jiān)測體系。從短期來看，應(yīng)發(fā)揮已有的空間碎片監(jiān)測網(wǎng)的作用，利用地基望遠鏡組網(wǎng)滿足全球時區(qū)覆蓋，實現(xiàn)不間斷觀測，不斷補充完善小行星數(shù)據(jù)庫，特別是對140米直徑以上的小行星要盡可能完備掌握。

② 建立完善的預(yù)警預(yù)報機制

建議建立國際協(xié)作信息共享機制，開展近地天體災(zāi)害評估、減緩方案及相關(guān)科學的研究。對有嚴重破壞力(直徑＞140 米)的天體應(yīng)進行長期監(jiān)測和預(yù)報，對可測天區(qū)內(nèi)有局部破壞力(直徑約30～50米)的天體要做到提前24小時預(yù)報。對于小行星進入大氣層后（撞擊或空爆）造成的影響，要根據(jù)小行星直徑、速度、空爆高度或撞擊區(qū)域制定詳細的災(zāi)害預(yù)報預(yù)警等級規(guī)范，預(yù)置有效的規(guī)避措施。

③ 建立小行星防御應(yīng)急響應(yīng)機制

我國在小行星偏離、進入與撞擊風險評估等方面尚未開展系統(tǒng)性研究。建議盡快開展小行星防御有關(guān)研究，構(gòu)建能滿足國家安全需求的小行星防御地面演示驗證平臺及仿真平臺，支撐應(yīng)對小行星撞擊事件的決策和使危害減緩的措施，針對不同情況研發(fā)近地行星防御技術(shù)，并加大相關(guān)研究投入，制定并完善潛在危險小行星應(yīng)對策略，針對高風險小行星做好應(yīng)對，選擇改變近地行星軌道使之避開地球或使其分裂成碎片。

表2 我國主要觀測站及設(shè)備