幫沈騰馬麗出主意,有哪些方法可以阻止小行星撞地球?

9月26日,美國國家航空太空總署(NASA)成功進行了雙小行星重定向測試(double asteroid redirection test),這個測試簡稱“DART”,但我更願意稱之為“

打他

”,這個名字那是更生動形象了。

“打他”,簡單說,就是用一個飛船去撞小行星,如果把小行星撞拐彎了,也就是小行星的軌道發生了改變,那麼這將是人類歷史上第一次改變太空中自然天體的運動,想想還挺激動的。

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DART探測器想象圖|NASA/JohnHopkinsAPL

被撞的小行星是一個雙星系統,分別叫“孿大星”和“孿小星”,這名起的還挺隨意的。撞的那個是比較小個頭的“孿小星”,之所以選雙星,為的就是方便觀測,有孿大星作參照。

2022年9月26日晚7點14分,這輛高爾夫球車大小的宇宙飛船以超過2。4萬公里的時速,撞上了160米寬的小行星迪莫弗斯。想想就知道,這是1次“自殺式撞擊”,這麼高速度裝上去,飛船現在肯定已經是一團碎片了。

不過這艘飛船還是始終堅守崗位,直到最後一刻,都在向地球傳送資訊。以下就是飛船在撞向小行星前最後的影象。

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NASATV拍攝

不過,飛船的最後時刻並不孤單。義大利宇航局建造的小型宇宙飛船LICIACube立方星在撞擊後165秒掠過“孿小星”,拍攝小行星受撞擊的表面和噴射出的碎片,甚至捕捉到了撞擊產生的閃光。幾周後,這些“墜機現場”的資料和影像都將回傳到地球,用於準確計算“打他”的效果到底如何。

“打他”撞小行星這件事,不禁讓我想起了前段時間上映的電影《獨行月球》。在《獨行月球》中,人類在月球上建立月盾基地的目的,就是為了防範一個小行星對地球、對人類造成的威脅。

在影片的最後,沈騰所飾演的角色為了地球上的人類,不得不犧牲自己,用核彈最終炸燬了小行星。這真是一個在喜劇中讓人特別悲傷的段落了。

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如果現實可以照進電影,那我們一定會想,如果在電影中也能用一個飛船去撞小行星,那是不是沈騰、馬麗和剛子就能一起幸福生活了?

再進一步,除了用飛船撞、用核彈炸,還有什麼方法可以避免小行星撞地球呢?

小行星的威脅

首先需要說明,小行星撞上地球導致人類毀滅的機率,應該不會比我明天早上一睜眼就成了首富的機率大。所以說起來與其擔心小行星的威脅,不如多想想我成了首富之後該怎麼花錢。

當然,這並不是說,我們就可以對小行星的威脅不聞不問。

在天文學上,將軌道近日點距離在1。3AU(1AU=1。496×108km)以內的小行星稱為近地小行星(near-earthasteroid,NEA)。截至2022年3月7日,已發現的NEA共有28464顆,其中直徑大於140m的有10024顆,直徑大於1km的有887顆,具有潛在危險的有2263顆。

NEA亮度闇弱、分佈廣泛、難以發現,運動軌道易受大行星牽引而改變;可能與地球交會,撞擊地球具有一定的突發性。NEA飛向地球,在大氣層會發生空爆,撞擊到地表可能引發地震、海嘯、火山爆發,當然,能量更大的NEA也可能導致全球氣候環境災變,甚至造成全球性生物滅絕和文明消失。

小行星撞擊地球產生的危害程度與撞擊能量直接相關,相應過程分為

超高速進入大氣層、撞擊地表、長期環境效應

3個階段,如下圖所示。

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參考文獻1

小行星以極高速度(約20km/s)進入地球大氣層,在大氣層中形成高溫、高壓衝擊波;衝擊波向地表傳播,引起地面超壓損傷。在這個過程中,小行星很可能會解體,較小的部分會在大氣中燒蝕殆盡,較大的部分就會落在地面上。通常直徑大於60m的石質隕石或大於20m的鐵質隕石才能穿過地球大氣層撞擊到地球表面。

小行星撞擊地表後,撞擊區域會發生破碎、熔化、氣化乃至等離子體化相變,產生撞擊坑。小行星撞擊會引起地表岩石發生化學反應(產生各種氣體),可能將地表部分物質、塵埃拋向空中(產生反濺碎片雲),相應的衝擊波可誘發強烈地震。這些氣體、塵埃和灰燼將瀰漫充斥整個大氣層(遮住陽光),特殊情況下可使地表的年平均溫度下降2~5℃,影響長達百萬年。小行星對海洋的直接撞擊,會激起數百米高的巨浪,引發強烈的海嘯與地震、大量的海水蒸發/濺射;海底沉積物與岩石粉塵拋射到平流層中並滯留,海洋中大量生物死亡。

小行星撞擊的危害程度主要劃分為5類。

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防禦小行星

小行星防禦有兩個最基本的方式:一是改變小行星軌道使之避開地球;二是使小行星分裂成碎片,然後碎片避開地球或者碎片的破壞性減少到足夠小。

但正如《獨行月球》中的情節,就算小行星炸了,產生的碎片還是有可能具有威脅,因此在時間足夠的情況下,改變小行星軌道是更好的方法,“打他”正是在驗證這樣的技術。

目前,使小行星分裂成碎片的方式只有透過核爆技術實現;而改變小行星軌道的方式從作用時間上區分,可以分為快速防禦技術和緩慢防禦技術,如下圖所示。

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參考文獻2

下面我們就來詳細說一說這些方法。

核爆

核爆是小行星防禦最主要的技術之一,即利用核裝置直接炸燬,或利用小行星表面單點或多點核爆所產生的推力改變小行星軌道,避免其與地球相撞。

在較短的預警時間(遠小於10年),攜帶核爆裝置的攔截任務是阻止近地小行星撞擊地球的唯一可行方案。

核爆分為上面爆炸、表面爆炸和淺地下爆炸3種方式。具體方式的選擇主要由小行星的尺寸和組成決定。

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參考文獻3一種核爆裝置示意圖

動能撞擊

動能撞擊是一項實際可行且相對簡單的改變近地小行星軌道的技術。動能撞擊技術的原理是透過使用相對速度很大的航天器直接撞擊近地小行星以改變小行星的動量。“打他”就是對動能撞擊技術的驗證。

引力牽引

引力牽引是將航天器駐留在距離目標小行星一定的距離上,航天器在不接觸小行星表面的情況下就可以透過萬有引力對小行星施加一個穩定的力,從而使小行星產生一個持續的速度變化量,並改變小行星的執行軌道。

鐳射剝蝕

鐳射剝蝕技術是採用一個功率足夠大的鐳射投射系統照射小行星表面,利用表面燒蝕產生的等離子體噴射所帶來的反作用力造成小行星的速度變化,進而改變小行星軌道。

拖船

拖船技術是將一個裝有推進系統的航天器著陸並錨定在近地小行星表面,利用航天器發動機產生的推力對小行星施加作用力,從而緩慢地改變小行星的執行軌道。

太陽光壓

太陽光壓技術就是利用光子產生的壓強在小行星表面形成作用力。利用太陽光壓來改變小行星的執行速度和軌道的方式很多,主要包括反照率改變、放置太陽帆、太陽光反射等。

質量驅動

質量驅動方法的原理是採用一個或多個著陸器在小行星表面進行鑽取,並將小行星自身的物質噴射出去來產生反作用力,進而改變小行星軌道。

離子束引導

離子束引導方法的原理是利用航天器上一個離子推力器產生的高指向度、高速度的離子束對目標小行星進行持續的照射,對小行星產生作用力,從而改變小行星的執行軌道。

別看防禦小行星的方法說起來很多,但是除核爆和撞擊屬於短期防禦技術外,其餘均為長期防禦技術(幾年甚至十幾年)。從有效性上看,除了用核爆直接炸掉小行星外,其他的方法很難估計最終防禦效果。最為關鍵的是,人類除了試驗過動能撞擊方法,其他各種方案還都處於理論階段。核彈能不能在太空使用,也還需要進一步討論。因此,如果真的要防禦小行星,採用單一的技術成功率較低,還是應該採用多種技術組合的方式。

總而言之,國際合作是深空探測未來的發展趨勢,特別是小行星防禦任務,週期長、規模大、經費多,影響面廣,更加需要各個航天大國開展通力合作,多種技術全面發展,組合運用。我國也應儘早參與到國際小行星防禦政策的制定和專業組織體系中,爭取主導地位。

希望到我們真的在月球表面有一個基地的時候,沈騰和馬麗也能安心地“欣賞地球”,不必再為小行星擔憂啦。

參考文獻:

[1] 吳偉仁,龔自正,唐玉華,張品亮。近地小行星撞擊風險應對戰略研究[J]。中國工程科學,2022,24(02):140-151。

[2] 李飛,孟林智,王彤,鄒樂洋。國外近地小行星撞擊地球防禦技術研究[J]。航天器工程,2015,24(02):87-95。

[3] 龔自正,李明,陳川,趙長印。小行星監測預警、安全防禦和資源利用的前沿科學問題及關鍵技術[J]。科學通報,2020,65(05):346-372。

[4] 科技 | NASA太空船為何要撞擊小行星詳解。 https://mp。weixin。qq。com/s/otSz55xM7lxRteet1M8rXA

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