小行星空爆影響分析及應(yīng)對(duì)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(shí)刻面臨“天外來(lái)客”的威脅，其中絕大部分的擦肩而過(guò)都不為我們所知。隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際社會(huì)對(duì)防御小行星撞擊的重視程度也越來(lái)越高。

2013年2月15日，俄羅斯車?yán)镅刨e斯克上空發(fā)生隕石爆炸，造成超過(guò)1 200人受傷。這顆隕石直徑約18米，質(zhì)量接近1萬(wàn)噸，以超過(guò)30千米/秒的速度進(jìn)入大氣層發(fā)生氣化爆炸。其爆炸能量約為50萬(wàn)噸TNT，相當(dāng)于1945年廣島原子彈爆炸當(dāng)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(yáng)運(yùn)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(wàn)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(wàn)千米，一般就認(rèn)為有潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。目前已確認(rèn)并記錄的近地小行星已超過(guò)20 000顆，其中約2 000顆具有“潛在危險(xiǎn)性”。

直徑越大的小行星撞擊地球所引發(fā)的災(zāi)害越嚴(yán)重（表1），目前在直徑超過(guò)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(guò)大氣層后的剩余質(zhì)量和速度，這兩個(gè)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(yùn)行速度約為45千米/秒，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度是30千米/秒，假如正面相撞，相對(duì)速度可達(dá)75千米/秒，即使小行星從后面“追”上地球，速度也可達(dá)15千米/秒。小行星超高速進(jìn)入地球大氣層，在大氣層中形成極強(qiáng)的高溫高壓沖擊波，引起大氣分子電離發(fā)光，進(jìn)而在超高速氣動(dòng)力和氣動(dòng)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(huì)在大氣層燒為灰燼，直徑較大的解體碎塊則會(huì)撞擊到地球表面，在短時(shí)間內(nèi)急劇釋放其攜帶的巨大動(dòng)能，造成巨大災(zāi)難。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1988—2019年底，全球共發(fā)生723次火流星事件，平均每個(gè)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(shí)間內(nèi)會(huì)急劇釋放其攜帶的巨大動(dòng)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(shí)，撞擊產(chǎn)生的沖擊波可能誘發(fā)強(qiáng)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(gè)大氣層，遮住陽(yáng)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(huì)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(guò)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(bào)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(yuǎn)的海域引起高度達(dá)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(duì)空間天氣影響

小行星超高速穿越大氣層，會(huì)在大氣層中形成極強(qiáng)的高溫高壓沖擊波，特別是在空中發(fā)生燃燒空爆，會(huì)對(duì)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(huì)影響無(wú)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(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降甚至中斷。此外，高溫高壓火球爆炸向外膨脹時(shí)會(huì)壓縮地磁場(chǎng)，而地磁場(chǎng)則會(huì)約束其產(chǎn)生振蕩，激發(fā)磁流體力學(xué)波，從而擾動(dòng)電離層和磁層；這個(gè)膨脹壓縮過(guò)程只有在等離子體壓強(qiáng)和磁壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)達(dá)到平衡時(shí)才終止，其波及范圍達(dá)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(chǎng)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(duì)磁層的一個(gè)新的擾動(dòng)源，并對(duì)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(yùn)動(dòng)觸及不到電離層，但爆炸產(chǎn)生的沖擊波向上傳播時(shí)，可能轉(zhuǎn)化為聲重波進(jìn)入電離層，引起電離層的擾動(dòng)，電子濃度劇烈起伏，層內(nèi)出現(xiàn)不均勻結(jié)構(gòu)，從而對(duì)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(dòng)可以持續(xù)數(shù)小時(shí)，影響范圍達(dá)數(shù)千公里，直至能量全部耗盡。

對(duì)策建議

小行星在太空中按照一定的軌道運(yùn)行，為我們開(kāi)展預(yù)警工作提供了條件：一是對(duì)近地小行星進(jìn)入地球空間、影響程度及撞擊地點(diǎn)可提前預(yù)報(bào)；二是對(duì)近地小行星撞擊地球可以進(jìn)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(diǎn)加強(qiáng)以下工作：

① 提高小行星跟蹤監(jiān)測(cè)能力

我國(guó)以紫金山天文臺(tái)為首的多個(gè)臺(tái)站具備小行星觀測(cè)能力，但觀測(cè)設(shè)備口徑小、數(shù)量少、站址單一、探測(cè)能力有限，相比國(guó)際水平還有一定差距。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)盡快建立小行星跟蹤監(jiān)視體系，以地基為主，同時(shí)發(fā)展能夠與地基系統(tǒng)配合工作的天基觀測(cè)能力，并納入國(guó)際監(jiān)測(cè)體系。從短期來(lái)看，應(yīng)發(fā)揮已有的空間碎片監(jiān)測(cè)網(wǎng)的作用，利用地基望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)滿足全球時(shí)區(qū)覆蓋，實(shí)現(xiàn)不間斷觀測(cè)，不斷補(bǔ)充完善小行星數(shù)據(jù)庫(kù)，特別是對(duì)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(bào)機(jī)制

建議建立國(guó)際協(xié)作信息共享機(jī)制，開(kāi)展近地天體災(zāi)害評(píng)估、減緩方案及相關(guān)科學(xué)的研究。對(duì)有嚴(yán)重破壞力(直徑＞140 米)的天體應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，對(duì)可測(cè)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(shí)預(yù)報(bào)。對(duì)于小行星進(jìn)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(xì)的災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警等級(jí)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(jī)制

我國(guó)在小行星偏離、進(jìn)入與撞擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面尚未開(kāi)展系統(tǒng)性研究。建議盡快開(kāi)展小行星防御有關(guān)研究，構(gòu)建能滿足國(guó)家安全需求的小行星防御地面演示驗(yàn)證平臺(tái)及仿真平臺(tái)，支撐應(yīng)對(duì)小行星撞擊事件的決策和使危害減緩的措施，針對(duì)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(xiǎn)小行星應(yīng)對(duì)策略，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)小行星做好應(yīng)對(duì)，選擇改變近地行星軌道使之避開(kāi)地球或使其分裂成碎片。

表2 我國(guó)主要觀測(cè)站及設(shè)備