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

(北京衛星環境工程研究所，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，深刻塑造了地球的氣候生態環境，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，統籌協調、聯合開展小行星監測預警、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發射的撞擊器成功撞擊了Didymos雙小行星系統中直徑約160m的子星Dimorphos，使子星繞主星的環繞周期將縮短32min左右。歐空局(ESA)將于2024年發射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，提升中國監測、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，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，在海南舉行的聯合國/中國空間探索與創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，推動近地小行星聯合監測、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勢和不足，還沒有很好的統一的計算方法，需要我們去深入研究。這里介紹一種物理概念很清晰、很有意思的方法[5]，從統計學角度出發，每一個NEA撞擊地球的概率是NEA總數的倒數，那么對現在的模型估算的小行星數量，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)的數量占總數量的約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)，可引發全球性災難，如6500萬年前K-T事件，該類事件發生概率為每1×108年1次；(2)等效直徑為140m級(140m～1km)，可引發洲際性災難，如2019 OK小行星事件，該類事件發生概率為每1000年1次；(3)等效直徑為50m級(50～140m)，可引發大型城市級災難，如1908年俄羅斯通古斯事件，該類事件發生概率為每100年1次；(4)等效直徑為10m級(10～50m)，可引發小城鎮級災難，如2013年俄羅斯車里雅賓斯克事件，該類事件發生概率為每30～50年1次；(5)等效直徑為米級(10m以下)，大多產生空爆并出現火流星現象，如2022年12月15日浙江金華浦江縣發生火流星事件，該類事件頻繁發生。

評估NEA撞擊風險通常涉及都靈風險指數[8]、巴勒莫風險指數[9]：前者采用11個整數(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的定量評估指數。

3 國際上的應對行動準則和處置閾值

2014年聯合國外空委框架下正式成立“國際小行星預警網”(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測和撞擊風險研判，其成員包括航天機構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、協調危險天體全球防御任務，成員主要由航天機構和國際組織組成。中國國家航天局(CNSA)于2018年正式加入IAWN和SMPAG。

經過4年研究討論，SMPAG在2017年發布了“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)的近地天體發出撞擊預警(藍色預警)。

(2)SMPAG對撞擊預測將在20年內發生、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劃設計(黃色預警)。

(3)SMPAG對撞擊預測將在50年內發生、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，已經不能適應當前的撞擊威脅態勢。NASA在2016年成立了小行星防御協調辦公室(Planetary Defense Coordination Office，PDCO)后，大力推進近地小行星防御研究。2018年特朗普總統簽發《國家近地天體應對戰略及行動計劃》[12]，明確在10年內提升近地小行星發現、跟蹤和表征能力，發展近地小行星偏轉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)啟動天基監視基準：同時滿足以下2條，則開始實施嚴密的天基監視：①對撞擊預測將在50年內發生，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生之前3年，開始實施嚴密的天基監視任務。

(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年內發生；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當等待更長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100人以上人員傷亡；②撞擊導致美國的經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；或直徑至少140m的近地天體撞擊北美地區；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的撞擊事件發生概率很低，短期內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，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個方面統籌考慮：(1)NEA的撞擊概率；(2)NEA撞擊導致的災害(財產損失和人員傷亡)；(3)對監測預警能力的要求(即監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年內發生；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；或直徑至少140m的近地天體撞擊東亞地區；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。