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新2查账网址(www.hg8080.vip):中国这次搞的防御计划,是真的猛

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本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:行星不发光,题图来自:视觉中国


4月25日,我国深空探测实验室(又称天都实验室)在首届深空探测国际会议中,首次详细地向公众介绍了我国的近地小行星防御任务计划。该计划将在2030年实现对小行星的动能撞击。目前已向全球公开征集任务名称、任务规划和任务方案等。


在会议上公布的计划发展蓝图(图:深空探测国际会议)


那么,为什么要开展小行星防御任务?哪些小行星需要监测预警并防御应对?又如何防御小行星?我国为什么要在2030年开展近地小行星防御任务?这些地球外的小行星,对我们有什么影响呢?


为什么要防御小行星?


1980年,诺贝尔奖得主路易斯·阿尔瓦提出“小行星撞击”学说,指出6.5亿年前的一颗小行星撞击地球,产生了极大的冲击波和热浪,不仅造成了森林大火和剧烈地震,还引发了巨大海啸和覆盖全球的粉尘(包括硫和二氧化碳等物质)。这导致在地球上约75%的物种灭绝,其中就包括恐龙。


小行星撞击会引发海啸,融化地壳物质,造成大量粉尘,遮蔽天空,并引发大规模酸雨,严重破坏生态(小行星撞击地球概念图 图:NASA/Don Davis)


1991年,在墨西哥尤卡坦半岛发现了形成于白垩纪和第三纪末期的直径为200公里的陨石坑,研究表明该陨石坑是造成恐龙灭绝的小行星遗迹,被称为Chicxulub陨石坑。


曾经的地球霸主恐龙,也难逃陨石撞击地球带来的厄运(图:NASA & Google maps)


数值模型分析研究表明,造成Chicxulub陨石坑的小行星直径约为17km,密度约为2.63g/cm3,以43000km/h(约12km/s)的速度从尤卡坦半岛的东北方进入大气层,并以约60°的入射角撞击地球。这进一步证明了“小行星撞击”学说。


小行星撞击角为60°时陨石坑的演变情况,这与Chicxulub陨石坑周围陨石的分布和地下近30km的不对称结构相吻合(该小行星撞击地球的模拟示意图,图:Gareth Collins)


此外,美国亚利桑那州的Barringer-crater陨石坑是5万年前一颗直径约50m的小行星撞击地球造成的。



即使已有5万年历史,与其他陨石坑相比,这个陨石坑也相对年轻且保存完好(图:NASA)


1908年,一颗直径约为40m的小行星在通古斯上空发生爆炸,导致西伯利亚约2000平方公里的树木被催坏。估计当时的爆炸威力相当于2千万吨TNT炸药,甚至远在大洋彼岸的美国也能感觉到大地在抖动。


1994年7月,舒梅克·列维9号彗星撞击木星,在木星上撞击的影响半径相当于地球大小,彼时用民用小口径望远镜也可看到。


这一系列事件让行星科学家和大众再次意识到,小行星和彗星的撞击对地球生命具有毁灭性的威胁。所以必须通过跟踪监测,预测评估和防御应对等措施来保护地球和人类的安全。


2013年一颗陨石进入大气层,并在俄罗斯车里雅宾斯克市上空爆炸,造成上千人受伤(图:YouTube)


1999年,国际小行星联合会(IAU)为了促进公众对小行星撞击危险的认识和监测,将小天体撞击危险预测进行了分类:从0-10,表征了可能撞击事件的概率和后果。详见下表。


从0-10,表征了小行星撞击事件的概率和危险等级:



哪些小行星需要监测预警和防御应对?


截止2023年4月27日,已发现的太阳系小天体接近120万颗,且数量仍在不断增加。根据小天体的公转轨道分布,主要分为近地小行星、主带小行星、特洛伊天体、半人马天体和海外天体等。


其中绝大部分小行星位于小行星带,即主带小行星。


除近地小行星和主带小行星外,海王星轨道外存在大量小行星,是彗星的起源地之一(八大行星和小天体的分布)


在这些小行星中,主带小行星、特洛伊天体以及海外天体由于引力摄动、非引力效应(Yarkovsky/YORP效应)和碰撞弹射等因素,部分小行星会离开原来的轨道向内太阳系运动。


这个过程中,部分小行星会被木星引力捕获而减少了撞击地球的风险,因此木星也被誉为地球的守护神。


木星是太阳系中最大的行星,其质量是太阳系所有其他行星总和的两倍半多,因此拥有吸引众多彗星和小行星的强大引力(1994年7月苏梅克-列维九号彗星SL9与木星撞击,图:ESO)



SL9与木星撞击后分裂成的“太空项链”(图:NASA)


部分“漏网之鱼”最终迁移到近地空间,成为近地小行星(近日距小于1.3au,au为天文单位,即太阳至地球的平均距离)


这些轨道不稳定的小行星会被地月系统捕获,月球上密密麻麻的陨石坑就是小行星频繁撞击的结果,然而这只是冰山一角,由于地球引力较大,更多的小行星撞向了地球。只不过因为地球的板块运动、大气运动、海洋占比和生命活动等因素掩盖了陨石坑。


月球表面坑坑洼洼,不像地球表面能通过侵蚀、构造和火山活动来“美容”(图:NASA)


加拿大魁北克省的一个环形湖,是2亿多年前一次巨大撞击留下的火山口遗迹,如今仅从表面已经看不出当年陨石坑了(图:NASA)


近地小行星的轨道演化相对剧烈且频繁,其轨道与地球轨道交汇而存在撞击风险,而小行星撞击程度主要取决于其质量的大小。不同直径大小的小行星的数量不同,撞击地球的频次不同。


下图呈现了不同直径的小行星对地球造成威胁的统计数据:




其中,直径在140m以上且与地球最小交汇距离在0.05au以内的近地小行星,被称为潜在威胁小行星(PHAs),这是小行星防御的主要目标,目前已发现的2320颗潜在威胁小行星的轨道分布图(图:紫金山天文台/胡寿村)


如何防御小行星?


小行星防御任务实际上包含两个主要部分,分别为潜在威胁小行星的监测预警和变轨应对。


迄今为止,已被发现的近地小行星的数量随时间的累积分布图如下。由图可知,对直径大于1km的近地小行星的观测较为完备;还有大量直径小于1km的近地小行星未被观测到,未被观测到的小行星中存在大量潜在威胁的小行星。



如果不能对它们进行及时的预警和撞击评估,即不具备战能力,人类也可能无法直接应对小行星的撞击。


目前,承担普查直径大于140m以上的近地小行星的地基望远镜项目包括但不限于:卡特琳娜巡天计划、泛星巡天计划和作为补充的小行星陆地撞击持续报警系统(Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System, ATLAS)。我国紫金山天文台的近地天体望远镜也参与其中。


对近地小行星的监测预警和碰撞评估,为变轨任务指定了目标。实际上,小行星防御任务的思路主要有两类:


  1. 将小行星推离预测或原本的轨道,使其不能与地球相撞;


  2. 将小行星分解成在大气层中可以燃烧殆尽的无害碎片。


走这条道会被撞,那就让你换条道走(图:NASA)


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可能的应对方案可以总结为八字——“撞、炸、拖、牵、烧、喷、涂、抛”。


“撞”——动能撞击,即利用航天器直接撞击小行星,使其轨道发生改变。


“炸”——在小行星上空、表面或内部引爆核武器,利用高能量射线蒸发小行星表面的物质,通过形成的高速喷流来偏转轨道或直接摧毁。


“拖”——在小行星表面安装火箭发动机,通过发动机推离其轨道。


“牵”——发射一个飞行器绕行小行星,通过万有引力缓慢牵引,改变其轨道。


“烧”——利用高能激光灼烧小行星表面,通过物质汽化形成的喷流改变其轨道。


“喷”——利用电推进航天器向小行星表面喷射高速离子流,改变其轨道。


“涂”——在小行星表面涂一层漆,改变小行星的反射率和热惯量,利用太阳的热辐射反冲力改变其轨道(其原理为Yarkovsky效应)


直径小的小行星还好,直径大的小行星涂上个十年八载都有可能(图:Robert Lea)


“抛”——在小行星上安装挖掘机,挖掘小行星表面石块,并抛离小行星,利用动量守恒定律改变其轨道。


挖掘机的点子已经在游戏中实现,就是不知道要挖多久才有用呢(图:steam)


这些手段除了“撞”之外,均处于构想阶段,还未验证。动能撞击已被应用于小行星防御任务(DART),已是较为成熟的小行星防御手段。


小行星防御任务的开展


2017年,为了证明防御策略具有备战能力,国际小行星预警网络(International Asteroid Warning Network, IAWN)以2012 TC4为目标开展了一场全球行星防御演习,共有14个国家参与了此次演习。


该演习目标是使用全球的观测资源,对该小行星进行联合观测、建模和预测,并测试实时协调和交互网络的能力。尽管由于飓风等不可抗力的原因而使演习失败,但在实时协调和结果共享上取得了成功。国际小行星预警网络会实时更新与地球近交汇的小行星列表。


直径约12m的小行星2012 TC4,在地球上空约43500km处以14km/s的速度飞掠地球(图:NASA/JPL-Caltech)


2022年9月27日,NASA的双小行星重定向测试(DART)航天器成功撞击了一颗名为迪莫弗斯(Dimorphos)的近地小行星。该小行星的直径约为160m,是双小行星系统中的伴星,主星为780m的迪迪莫斯(Didymos)


DART任务将航天器在距离地球约1100万千米处,以约3.6km/s的速度撞向迪莫弗斯,并成功将其绕行迪迪莫斯的12小时轨道周期缩短了约32分钟。


DART任务的示意图(图:dart.jhuapl)


观测表明,撞击后,该双星系统增亮7倍以上,并且形成了一条长数万千米的尘埃尾。


视频分别是在迪迪莫斯视角下撞击的瞬间和撞击后对尘埃尾的模拟结果。此次撞击实验取得了高度成功,验证了动能撞击防御小行星技术。


DART任务中在迪迪莫斯视角下撞击迪莫弗斯的瞬间(图:ESA)


DART任务在撞击后,对尘埃尾的动力学模拟,用不同颜色标注了不同直径尘埃颗粒的演化轨迹(图:Wiegert)


继美国之后,我国在4月25日公布了近地小行星防御的发展蓝图,并计划在2030年实现一次小行星的动能撞击任务。


尽管我国在小行星防御方面起步较晚,但嫦娥二号,天问一号深空探测任务的成功开展,以及天问二号深空探测任务将对2016 HO3近地小行星进行采样返回,对311P彗星进行飞掠探测。这都为我国未来的小行星防御技术提供了较好的基础。


中国虽然起步晚,但胜在底子好


目前,我国的小行星撞击任务处于论证阶段,并正式向民众征集任务名字、任务规划和任务方案等。


此外,中国深空探测实验室还公布了小行星动能撞击任务的10颗候选目标,其相关信息详见下表。值得注意的是,这10颗小行星中直径最大的仅为89m,虽然直径越小,动能撞击效果可能越显著,但是这也为工程技术提出了巨大挑战。



我国的小行星撞击任务首先必须满足5个基本条件:


  1. 撞击后不会对地球产生威胁;


  2. 目标轨道倾角不大于7°,偏心率不大于0.6;


  3. 在撞击前,地基望远镜至少有一次观测窗口;


  4. 撞击时,国内的地基望远镜可见,撞击后,3年间至少有一次观测窗口;


  5. 目标必须符合在2025年-2045年的任务发射窗口。


该任务致力于实现3大科学目标和3大工程目标。


三大科学目标为:


  1. 研究撞击目标的动力学演化规律,探测目标的轨道特征;


  2. 探测目标的形状、大小、成分和结构;


  3. 研究撞击动量传递规律,开展地形变化和溅射物分布等研究。


三大工程目标为:


  1. 形成动能撞击在轨处置能力,实现在高速下高精度制导和控制能力;


  2. 实现地基监测和天基探测两项评估模式和方法;


  3. 建设预警与处置决策支持平台。


近地小行星防御任务的开展不仅有利于保护地球和人类安全,而且将进一步激发人类探索宇宙的探险精神,提高人类进入太空的科技水平。


参考资料:

1. 首届深空探测(天都)国际会议,2023年4月25-26日,合肥。

2. 李明涛, 小行星防御有“术”, 中国科学院国家空间科学中心,2022, (12),36-39.

3. https://ssd.jpl.nasa.gov/

4. Hildebrand A.R., Penfield G. T, et al., Chicxulub Crater: A possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yucatan Peninsula, Mexico.

5. https://iawn.net/close-approaches/ca-table.shtml

6. https://www.esa.int/


本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:行星不发光

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