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來自外星的威脅時刻存在,我們該如何保衛地球
- 2022-03-12
地球有地球防禦事務部嗎
今年10月,第一屆全國行星防禦大會在桂林召開。
行星防禦大會,很多人看到這個霸氣的名字第一反應都是一臉懵,恍惚間像是誤入了三體世界。地球莫不是收到了三體的威脅?水滴也正在趕來的路上?但瞅著這接地氣的大會照片,怎麼看也不像那麼回事。
放心,地球暫時還沒有受到什麼實打實的外太空威脅。但這並不意味著地球永遠處於安全的狀態,行星防禦這個話題雖然聽起來很魔幻,其實與我們的生活息息相關。我們所面臨的最大的來自外太空的威脅,就是——近地小行星的撞擊。
探討近地小行星撞擊風險以及應對方案,就是本次大會的主題。
近地小行星對於地球的威脅
看似遙遠卻又很近
大約46億年前,太陽系在早期形成時碰撞留下了許多岩石殘骸,這些古老的太空瓦礫就是小行星。目前,人類已知的小行星數量超過了110萬顆。最大的小行星直徑可去到530公里,比如說灶神星,最小的直徑也不過幾米。
這些小行星大部分存在於火星和木星之間的主小行星帶內。據估計,主小行星帶包含了190萬顆直徑大於1公里的小行星,以及數百萬顆更小的行星。根據小行星的軌道分佈(近日點距離、遠日點距離、長半軸),可以分為四大族:
看似遙遠卻又很近
圖/NASA JPL 太陽、地球、近地小行星族群的軌道分佈示意圖
木星巨大的引力會改變小行星原有的軌道,再加上其他天體的引力、太陽風、太陽輻射等複雜的太空環境的影響,小行星可能會離開主小行星帶,飛向漫漫太空,變成“流浪小行星”。
一些“流浪小行星”的路徑會與地球軌道相交,一般來說,距離地球軌道4500萬公里以內的小行星被稱為近地小行星(NEAs)。
再近一點,距離地球750萬公里(0。05個天文單位)、直徑大於140米的小行星,則被認為是會對地球造成重大損害的潛在危險小行星(PHA)。
圖/已知的潛在危險小行星(PHA)的軌道 2013年NASA資料
截至今年,經望遠鏡發現的近地小行星有近28000顆,這個資料以每年3000顆的速度還在不斷增長。光是今年觀測到的近地小行星的飛掠事件就已經發生了1074次,有21顆小行星甚至還飛進了大氣層。
Amor、Apollo、Aten、Atira。
小行星如果撞擊地球
高速飛行的小行星進入大氣層後,會在超高速氣動力和氣動熱相互作用下發生爆炸解體,也就是我們常說的“火流星”。小行星解體後的碎片撞擊到地球表面,撞擊產生的衝擊波和動能對於地球的破壞力極大。
圖/加拿大魁北克省的Manicouagan撞擊坑
如果撞擊到地球表面,會造成嚴重的人員傷亡和財物損失,就算是落到無人區,除了會損壞地表形成隕石坑之外,撞擊產生的衝擊波、熱輻射和光輻射還可能引發森林大火。撞擊產生的各種物質會瀰漫充斥整個大氣層,遮住陽光,引發冰室效應或者溫室效應。
如果撞擊到海洋,衝擊波會引發海嘯。據記錄,曾經就有一顆名為“Eltain”直徑 4千米的小行星,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。
圖/小行星撞擊事件分類
根據研究推測,地球歷史上發生了22次不同程度的生物滅絕,有11次都與小行星撞擊有關。比如說關於恐龍的滅絕,科學界普遍認為是由一顆直徑約10公里的小行星撞擊導致的。
還有2013年2月發生的俄羅斯隕石墜落事件,一顆直徑約18米,質量接近一萬噸的小行星在俄羅斯車里雅賓斯克上空爆炸,爆炸產生的能量約為50萬噸TNT,相當於30顆廣島原子彈。這次事件導致約1500多人受傷。
圖/車里雅賓斯克事件
小行星如果撞擊地球
會發生什麼?
面對威力如此之大的“天外來物”,人類能做些什麼來應對呢?科學家們想到了這麼幾招。
第一招:知己知彼,百戰不殆
為了避免“人在家裡坐,星從天上來”的手忙腳亂,探測和預警工作是重中之重。可以使用光學、雷達等地基望遠鏡,結合天基望遠鏡對有異樣的小行星進行跟蹤觀測,評估是否對人類構成威脅。
圖/我國主要觀測站及裝置
對於有撞擊地球威脅的近地小行星進行位置、軌道運動和特徵的連續觀測,確定更精確的可能撞擊位置和影響,以便做出下一步的應對。這就是國際小行星預警網路正在做的工作。
為了提高對於小行星撞擊的應對能力,NASA每隔兩年都會進行一次“小行星撞擊演習”,模擬撞擊情景並且討論減災的最佳行動方案。在2019年的第六屆行星防禦模擬演習中,地球派出動能撞擊器擊中了小行星,小行星分裂出的碎塊擊中了紐約,將周圍十幾公里夷為平地。
第二招:硬核摧毀
這一招簡單來說就是攔截摧毀小行星,比如說用核爆的方式。曾經科學家做過一個計算,使用 10 萬噸級的核彈頭,就能炸碎上百米直徑的小行星。只不過核爆可能會造成核汙染,爆炸產生的碎片也可能引發其他安全問題,有弄巧成拙的風險。
第三招:撞擊勸退
這一招也叫做動能撞擊重定向技術,透過動能撞擊影響和改變小行星的執行方向和軌道。
11月24日,NASA進行了一個“雙小行星重定向測試”。他們發射了一個航天器DART,DART的目的地一個名叫 Dimorphos 的小衛星,它圍繞著Didymos行星旋轉。
經過一年的飛行,DART預計會在 2022 年 9 月撞擊 Dimorphos,科學家預測在成功撞擊後,Dimorphos的執行軌道會相應發生變化。
圖/NASA 雙小行星重定向測試DART
第四招:熱量推進
當小行星旋轉時,太陽熱輻射會加熱一側,在旋轉到陰面冷卻的時候,紅外能量被釋放出來,在小行星上產生微小但持續的推力,這叫做雅爾科夫斯基效應。
利用這個效應,人們設想,如果將小行星一側塗黑,透過熱能有可能讓小行星發生路徑偏移。
第五招:重力牽引
發射一個巨大的航天器飛近小行星,透過航天器的引力改變小行星的執行軌道。
除了這五招之外,人們還設想在地球軌道上部署太陽能-高能鐳射陣列,用鐳射“消滅”小行星,或者跟流浪地球一樣,藉助助推器推動小行星移動。
總結下來,人們對付小行星的方法很多,有些腦洞很大,但是實際操作可能性很小。目前來看,動能撞擊重定向技術是最成熟的一種。
我們常在新聞中看到某個小行星或彗星等近地天體和地球擦肩而過,很少有聽說過撞擊且產生了毀滅性影響的,這就總讓人誤以為近地天體撞擊地球是一個不大可能的事情。
事實上,保衛地球的工作,一直在進行。
End
會發生什麼?
[1]https://solarsystem。nasa。gov/asteroids-comets-and-meteors/asteroids/in-depth/#many_shapes_and_sizes_otp
[2]https://cneos。jpl。nasa。gov/about/neo_groups。html
[3]https://www。jpl。nasa。gov/images/pia17041-orbits-of-potentially-hazardous-asteroids-phas
[4]歐陽自遠,奔走天地間:歐陽自遠科普文選,科學出版社
[5]小行星空爆影響分析及應對建議_王棲溪
[6]https://www。jpl。nasa。gov/news/nasa-fema-international-partners-plan-asteroid-impact-exercise
[7]https://www。minorplanetcenter。net/
[8]https://www。nasa。gov/specials/pdco/index。html#dart
[9]https://www。jpl。nasa。gov/news/nasas-next-generation-asteroid-impact-monitoring-system-goes-online
注:封面圖以及文中插圖來源網路
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不代表中科院物理所立場
面對小行星的襲擊
人類能做什麼?