龔自正，宋光明，張品亮，任思遠(yuǎn)

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；遼寧大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)研究院，沈陽(yáng) 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(dǎo)致了地球上物種滅絕與更替，是人類共同面對(duì)的重大潛在威脅[1-4]。近地小行星(Near Earth Asteroid，NEA)撞擊風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)在國(guó)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?yán)镅刨e斯克小行星撞擊事件，使得這一問(wèn)題得到了國(guó)際社會(huì)的高度重視。在聯(lián)合國(guó)外空委、政府和非政府三個(gè)層面都成立了多個(gè)行星防御組織機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、聯(lián)合開展小行星監(jiān)測(cè)預(yù)警、在軌處置和災(zāi)害救援工作。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)繼2005年實(shí)施了“深度撞擊”(Deep Impact)計(jì)劃后，從2014年開始投入8億美元實(shí)施“小行星撞擊與偏轉(zhuǎn)評(píng)估”(Asteroid Impact & Deflection Assessment，AIDA)計(jì)劃，包括DART(Double Asteroid Redirection Test，DART)任務(wù)和HERA任務(wù)。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(wù)探測(cè)器，對(duì)撞擊后的小行星開展繞飛探測(cè)，精確評(píng)估其撞擊效果。2022年6月8日，ESA通過(guò)了“彗星攔截任務(wù)”(Comet Interceptor)計(jì)劃，將針對(duì)來(lái)自于柯伊伯帶或奧爾特云第一次進(jìn)入太陽(yáng)系或在太陽(yáng)系內(nèi)停留時(shí)間較短的彗星開展撞擊攔截試驗(yàn)。DART任務(wù)的成功實(shí)施掀起了近地小行星防御研究的熱潮。

2022年1月28日，我國(guó)國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《2021中國(guó)的航天》白皮書，明確提出將“論證建設(shè)中國(guó)近地小天體防御系統(tǒng)，提升中國(guó)監(jiān)測(cè)、編目、預(yù)警和應(yīng)對(duì)處置能力”。2022年4月24日第七個(gè)中國(guó)航天日，國(guó)家航天局副局長(zhǎng)吳艷華在接受中央電視臺(tái)采訪時(shí)指出“中國(guó)將建設(shè)近地小行星防御系統(tǒng)，并計(jì)劃于2025年或者2026年開展一次近地小行星動(dòng)能撞擊防御試驗(yàn)”。2022年11月21日，在海南舉行的聯(lián)合國(guó)/中國(guó)空間探索與創(chuàng)新全球伙伴關(guān)系研討會(huì)上，國(guó)家航天局副局長(zhǎng)吳艷華正式宣布，中國(guó)愿與國(guó)際社會(huì)一道，強(qiáng)化共同應(yīng)對(duì)機(jī)制，推動(dòng)近地小行星聯(lián)合監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防御能力提升，共同建設(shè)普遍安全的地球家園，預(yù)計(jì)2025年實(shí)施中國(guó)首次近地小行星防御任務(wù)。

面對(duì)世界各航天大國(guó)雄心勃勃的NEA防御任務(wù)計(jì)劃，有必要提出并思考：針對(duì)不同NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，應(yīng)該采取什么樣的行動(dòng)準(zhǔn)則？實(shí)施在軌處置的風(fēng)險(xiǎn)閾值是什么？本文基于撞擊風(fēng)險(xiǎn)研判，結(jié)合IAWN和SMPAG推薦的應(yīng)對(duì)行動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)及NASA推薦的最新應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)，來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題，以期對(duì)我國(guó)的應(yīng)對(duì)行動(dòng)提供參考，有所裨益。

2 近地小行星撞擊風(fēng)險(xiǎn)

NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)是制定防御行動(dòng)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)。NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)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(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，取決于小行星的軌道特性、物理化學(xué)特性和對(duì)軌道監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的精度。目前有很多計(jì)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(shì)和不足，還沒有很好的統(tǒng)一的計(jì)算方法，需要我們?nèi)ド钊胙芯俊＿@里介紹一種物理概念很清晰、很有意思的方法[5]，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，每一個(gè)NEA撞擊地球的概率是NEA總數(shù)的倒數(shù)，那么對(duì)現(xiàn)在的模型估算的小行星數(shù)量，每一個(gè)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(gè)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(lái)說(shuō)NEA直徑較易獲取，因此國(guó)際上通常用等效直徑來(lái)表征其撞擊危害，把撞擊危害程度主要?jiǎng)澐譃?類[6，7]：(1)等效直徑為千米級(jí)(1km以上)，可引發(fā)全球性災(zāi)難，如6500萬(wàn)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(jí)(140m～1km)，可引發(fā)洲際性災(zāi)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(jí)(50～140m)，可引發(fā)大型城市級(jí)災(zāi)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(jí)(10～50m)，可引發(fā)小城鎮(zhèn)級(jí)災(zāi)難，如2013年俄羅斯車?yán)镅刨e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(jí)(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(píng)估NEA撞擊風(fēng)險(xiǎn)通常涉及都靈風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[8]、巴勒莫風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[9]：前者采用11個(gè)整數(shù)(0～10)將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5種，對(duì)應(yīng)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(shí)間、撞擊能量等計(jì)算獲得。為進(jìn)一步明晰相關(guān)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，建立了基于撞擊概率、撞擊事件類型和預(yù)警時(shí)間，可給出撞擊導(dǎo)致死亡人數(shù)的定量評(píng)估指數(shù)。

3 國(guó)際上的應(yīng)對(duì)行動(dòng)準(zhǔn)則和處置閾值

2014年聯(lián)合國(guó)外空委框架下正式成立“國(guó)際小行星預(yù)警網(wǎng)”(International Asteroid Warning Network，IAWN)和“空間任務(wù)咨詢小組”(Space Mission Planning Advisory Group，SMPAG)。IAWN的主要任務(wù)是組織實(shí)施小行星監(jiān)測(cè)和撞擊風(fēng)險(xiǎn)研判，其成員包括航天機(jī)構(gòu)和有關(guān)天文學(xué)研究單位。SMPAG的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)撞擊響應(yīng)機(jī)制制定、協(xié)調(diào)危險(xiǎn)天體全球防御任務(wù)，成員主要由航天機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織組成。中國(guó)國(guó)家航天局(CNSA)于2018年正式加入IAWN和SMPAG。

經(jīng)過(guò)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和處置閾值建議”[11]，內(nèi)容包括以下3條：

(1)IAWN應(yīng)對(duì)所有預(yù)測(cè)撞擊概率超過(guò)1%、直徑大于10m(或亮度相當(dāng)于絕對(duì)星等28)的近地天體發(fā)出撞擊預(yù)警(藍(lán)色預(yù)警)。

(2)SMPAG對(duì)撞擊預(yù)測(cè)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(dāng)于絕對(duì)星等27)的撞擊預(yù)警，開始啟動(dòng)地面防御規(guī)劃設(shè)計(jì)(黃色預(yù)警)。

(3)SMPAG對(duì)撞擊預(yù)測(cè)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(dāng)于絕對(duì)星等26)的撞擊預(yù)警，開始啟動(dòng)空間防御任務(wù)方案選擇(橙色預(yù)警)。

顯然，這是一個(gè)較為粗糙的初步行動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和處置閾值，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的撞擊威脅態(tài)勢(shì)。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(jìn)近地小行星防御研究。2018年特朗普總統(tǒng)簽發(fā)《國(guó)家近地天體應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略及行動(dòng)計(jì)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(shù)并實(shí)施有關(guān)在軌驗(yàn)證任務(wù)。2021年美國(guó)政府頒布了《近地物體撞擊威脅緊急協(xié)議報(bào)告》[13]，在全部接受SMPAG防御行動(dòng)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，增加了可行性、危害和防御成本的考慮，提出了美國(guó)的防御行動(dòng)基準(zhǔn)(benchmark)，具體條款如下：

(1)啟動(dòng)天基監(jiān)視基準(zhǔn)：同時(shí)滿足以下2條，則開始實(shí)施嚴(yán)密的天基監(jiān)視：①對(duì)撞擊預(yù)測(cè)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(dāng)于絕對(duì)星等26)的撞擊預(yù)警。②需要在預(yù)測(cè)的撞擊發(fā)生之前3年，開始實(shí)施嚴(yán)密的天基監(jiān)視任務(wù)。

(2)啟動(dòng)在軌處置基準(zhǔn)：包括威脅、可行性、危害3個(gè)基準(zhǔn)，同時(shí)滿足這3個(gè)基準(zhǔn)則實(shí)施在軌處置防御任務(wù)。

威脅基準(zhǔn)：這2條必須同時(shí)滿足：①撞擊預(yù)測(cè)將在50年內(nèi)發(fā)生；②撞擊概率估計(jì)大于10%。

可行性基準(zhǔn)：這3條必須同時(shí)滿足：①防御在技術(shù)上是可行的；②防御任務(wù)實(shí)施后能減少撞擊的可能性，如果任務(wù)實(shí)施后撞擊的可能性不變或變得更大，則建議不實(shí)施防御任務(wù)；③當(dāng)?shù)却L(zhǎng)時(shí)間來(lái)提高對(duì)撞擊預(yù)測(cè)的置信度將大大降低防御成功的可能性。

危害基準(zhǔn)：至少滿足1條：①撞擊很有可能導(dǎo)致美國(guó)國(guó)內(nèi)100人以上人員傷亡；②撞擊導(dǎo)致美國(guó)的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)實(shí)施防御任務(wù)的成本。

NASA估算實(shí)施一次在軌處置任務(wù)的成本約為4～8億美元，車?yán)镅刨e斯克撞擊事件的經(jīng)濟(jì)損失約3300萬(wàn)美元，類似車?yán)镅刨e斯克的撞擊事件(小行星直徑約20m)將不滿足危險(xiǎn)基準(zhǔn)，美國(guó)認(rèn)為不必實(shí)施在軌處置防御任務(wù)。美國(guó)提出的實(shí)施在軌處置防御任務(wù)的閾值是：直徑至少50m的近地天體撞擊美國(guó)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(zhǔn)和閾值為我們制定自己的防御準(zhǔn)則提供了參考。

4 新的應(yīng)對(duì)行動(dòng)準(zhǔn)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(shí)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(shí)際危害較小，因而直徑在10～1000m的NEA應(yīng)是應(yīng)對(duì)防范的重點(diǎn)對(duì)象，而直徑30～50m 的NEA則是“重中之重”。因此，建立我們自己的應(yīng)對(duì)行動(dòng)準(zhǔn)則和處置閾值，必須從以下6個(gè)方面統(tǒng)籌考慮：(1)NEA的撞擊概率；(2)NEA撞擊導(dǎo)致的災(zāi)害(財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡)；(3)對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力的要求(即監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)具有可行性)；(4)對(duì)在軌處置能力的要求(即在軌處置技術(shù)具有可行性)；(5)監(jiān)測(cè)預(yù)警和在軌處置任務(wù)(簡(jiǎn)稱應(yīng)對(duì)任務(wù))實(shí)施成本；(6)應(yīng)對(duì)任務(wù)成本/效益。

參照SMOPAG和NASA的推薦，建議新的應(yīng)對(duì)行動(dòng)準(zhǔn)則和在軌處置閾值為：①撞擊預(yù)測(cè)將在50年內(nèi)發(fā)生；②撞擊概率估計(jì)大于10%；③直徑大于30m的近地天體撞擊我國(guó)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(gè)初步的應(yīng)對(duì)行動(dòng)準(zhǔn)則和在軌處置閾值建議，希望引起各位同行積極開展有關(guān)討論。