近地小行星撞击风险等级划分方法.pdf
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1、近地小行星撞击风险等级划分方法金 岩1,梁子璇2,杨大陶1,李明涛3,唐梦辉1,赵海斌4,宋政吉5,石方圆2(1.国家航天局 对地观测与数据中心,北京 100101;2.北京理工大学 深空探测技术研究所,北京 100081;3.中国科学院 国家空间科学中心,北京 100190;4.中国科学院 行星科学重点实验室 紫金山天文台,南京 210023;5.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)摘 要:风险等级研究是应对近地小行星撞击地球的重要前提。针对近地小行星撞击风险预估问题,提出一种新型的风险等级划分方法。分析了近地小行星撞击的危害形式与严重后果,并梳理了撞击风险等级划分的要素;探讨了相
2、对成熟的都灵指数模型和巴勒莫指数模型,并以等效直径与撞击概率为主要考虑因素,设计了撞击风险等级划分方案,建立风险等级精细划分模型;针对不同风险等级模型,进行了仿真对比与分析,验证了方法的有效性;实现了在近地小行星等效直径和撞击概率的整个值域范围内连续描述撞击风险。关键词:近地小行星;撞击风险;风险等级;精细划分;都灵指数中图分类号:P185.7;V11 文献标识码:A 文章编号:2096-9287(2023)04-0369-09DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20230092引用格式:金岩,梁子璇,杨大陶,等.近地小行星撞击风险等级划分方法J.深空探测学报
3、(中英文),2023,10(4):369-377.Reference format:JIN Y,LIANG Z X,YANG D T,et al.Grading method for impact risk of near-EarthasteroidsJ.Journal of Deep Space Exploration,2023,10(4):369-377.引言天文学界将轨道近日点距离在1.3 AU以内的小行星称为近地小行星。受到行星引力和雅可夫斯基效应等的影响,近地小行星可能会近距离飞掠地球甚至撞击地球。截至2023年2月19日,已经发现31 351颗近地小行星,其中直径大于140 m的有
4、10 408颗,直径大于1 km的有852颗,具有潜在危险的有2 330颗1。近地小行星撞击风险是自然界客观存在且不可忽视的,有必要对近地小行星,尤其是可能撞击地球的小行星进行观测预警。为应对小行星撞击地球事件,美国和欧洲提出了“阿波菲斯探索与减缓平台”(ApophisExploratory and Mitigation,AEMP)2、“超高速小行星拦截器”(Hypervelocity Asteroid Intercept Vehicle,HAIV)3、“近地小行星防护盾”(Near-Earth ObjectsShield,NEO Shield)4、“堂吉诃德”(Don Quijote)5、“
5、双小行星重定向测试”6(Double Asteroid RedirectionTest,DART)等小行星防御计划。中国基于紫金山天文台近地天体望远镜,监测3 000多个近地小行星的运行,其中包括多颗对地球构成潜在威胁的近地小行星,于2018年加入联合国和平利用外层空间委员会下设的国际小行星监测预警网6(International AsteroidWarning Network)。2021年国家航天局联合有关部门启动了应对近地小行星撞击风险的中长期发展规划论证工作,以提升中国近地小行星撞击风险应对处置的能力。小行星撞击地球造成的危害巨大。6 500万年前白垩纪晚期,一颗直径约10 km的小行星
6、撞击墨西哥尤卡坦半岛,导致地球上的恐龙等近75%物种灭绝 7。1908年6月30日,在俄罗斯西伯利亚通古斯地区一颗直径约3050 m的小行星撞击地球并在8.4 km上空发生爆炸,爆炸当量预估超过10 Mt TNT,毁灭了约2 000 km2的西伯利亚森林的8 000万棵树8。1976年3月8日,在吉林市上空发生陨石爆炸事件,产生的陨石碎片散落在附近500 km2的范围内9。2008年10月7日,2008TC3撞击非洲苏丹北部的努比亚沙漠,直径约为4 m,在37 km的高空爆炸,释放出总计高达1.12.1 kt当量的能量,相当于一枚低级别小型核弹的威力10。2013年2月15日,一颗直径约为19
7、.8 m的近地小行星在俄罗斯车里雅宾斯克(Chelyabinsk)地区27 km的高空爆炸,此次爆炸当量约为500 kt TNT,相当于1945年广岛原子弹爆炸当量的30倍11,造成1 200多人受伤和 收稿日期:2023-06-01 修回日期:2023-07-23基金项目:国家国防科技工业局空间碎片与小行星专项(KJSP2020020303)第 10 卷 第 4 期深 空 探 测 学 报(中英文)Vol.10 No.42023 年 8 月Journal of Deep Space ExplorationAugust 202310亿卢布的经济损失。如果对近地小行星进行监测预警,并提前实施防御策
8、略,就可以减弱小行星撞击地球安全给人类生存带来的危险。划分撞击风险是监测预警的重要前提。近地小行星运动轨道的不确定性、撞击地球时危害形式的多样性以及带来损失的多维性对综合评估风险带来极大困难。根据对以往发生的近地小行星撞击事件统计12,发现近地小行星撞击发生的频率、撞击影响范围和其尺寸大小(等效直径)有关,而近地小行星撞击的危害程度也和其撞击时的能量直接相关,撞击能量这一物理量也与小行星的等效直径有直接关系(撞击动能和等效直径3次方呈线性关系)。目前对于潜在的小行星撞击威胁有两套成型的风险等级划分方法,分别为都灵撞击危险指数(简称都灵指数)13和巴勒莫撞击危险指数(简称巴勒莫指数)14。都灵指
9、数基于撞击概率和撞击动能使用10分制整数等级对潜在撞击事件造成的风险进行清晰划分,数值越大对应撞击风险等级越高,该指数设计简单,且便于与公众交流,但也存在2个主要问题:一是撞击动能难以准确预估,在目前的观测条件下可操作性较差;二是采用整数划分的区间过大,不能用于撞击风险的精确预估。巴勒莫指数克服了使用整数刻度的困难,可在撞击日期、能量和概率的整个值域范围内连续描述撞击风险。该指数将检测到的潜在撞击事件概率和距离撞击发生的几年间相同大小或更大尺寸天体发生潜在撞击的平均风险进行对比,得到相对风险值。但该指数需要对背景风险进行建模,计算复杂且不便于与大众沟通。除都灵指数和巴勒莫指数外,布鲁菲尔德危险
10、等级和博斯拉夫空爆预警等级也用于近地小行星撞击风险的评估。布鲁菲尔德危险等级以近地天体尺寸作为唯一的撞击参数,忽略了其它参数15;博斯拉夫空爆预警等级是一种定性描述方式,不涉及具体的参数,仅涵盖空爆情景16。为发展中国近地小行星监测预警体系,有必要结合中国的发展理念和技术条件,建立一种便于沟通、可操作性强、可精细化的小行星撞击风险等级模型。考虑到都灵指数便于沟通的特点,本文参考其设计思路,并结合可操作性与可精细化需求,提出一种新型的风险等级划分方法:可操作性方面,以等效直径与撞击概率为主要考虑因素,设计了撞击风险等级划分方案;可精细化方面,考虑到等效直径与撞击概率对风险等级的耦合影响,使用基于
11、加权平均插值方法建立了风险等级精细划分模型。1 近地小行星撞击风险分析 1.1 危害形式近地小行星撞击会导致不同程度的后续影响,主要涉及3个部分:由空中爆炸或地面撞击造成的区域性破坏;海洋冲击造成的海啸破坏,以及大规模影响造成的全球气候破坏。具体的破坏形式有以下几个方面。1)热辐射:超过一定速度的撞击通常会引起爆炸。近地小行星在进入大气的过程中,存在能量耗散,这部分能量在与地球大气层相互作用的过程中释放出热辐射可能会点燃靠近撞击点的材料,但其强度随着距离的增加而迅速下降。热辐射有2种形式:不透明的火球及当火球的内禀辐射被释放时更强烈的火球。2)空气冲击爆炸:由撞击爆炸引起的空气爆炸可分为2种现
12、象:一是爆炸过程中空气快速膨胀和压缩引起的压力冲击波;二是跟随压力波的风,虽然大多数损坏是由超压引起的,但具有高阻力的物体特别容易受到强风的影响。3)地震影响:直径超过数百m的大型近地天体会引起明显的地震效应,可以通过地震的度量来描述。此外也可能引发火山效应,尽管这种情形可能性极低。4)陨石坑和溅射物:定义两种不同的陨石坑,在撞击点形成的所谓的瞬态陨石坑和由瞬态陨石坑随后坍塌形成的最终陨石坑。5)空爆:撞击物整体到达地面,撞击物分解并分成几块到达地面,撞击物在大气中分解并爆炸。撞击物是否碎裂以及碎裂到什么程度在很大程度上取决于它的组成。现有模型复杂,且缺乏数据,预测难度较大。6)海啸:地球表面
13、70%以上是水,因此撞击发生在海洋的可能性更大。海啸可以通过2个参数来表征,海岸海啸波的高度和海啸从海岸向内陆传播的距离。由于尚未记录到全球性海啸,所有已知的撞击物与不同深度水的相互作用模型都是纯理论的,包含许多不确定性。7)大气污染:大型近地天体可能会影响到灰尘和水蒸气,影响范围从局部臭氧消耗到类似于众所周知的“核冬天”的情况,导致大规模灭绝事件。1.2 撞击后果从上述小行星撞击地球的危害形式可以得出,典型的灾害场景包括空爆解体、撞击陆地引发地震、撞击海洋引发海啸等,从而有可能造成局部(Local)、区域(Regional)或全球(Global)破坏。一次撞击事370深空探测学报(中英文)2
14、023年件的危害程度和小行星的组分结构、撞击能量及撞击角度、撞击点位置及人口密度等有关,其中撞击能量是最重要的,其又主要取决于撞击体的直径。此外,同等尺寸小行星撞击海洋造成的伤亡只是撞击陆地造成伤亡人数的一小部分。国际上通常用等效直径来表征撞击危害,相应危害程度主要划分为 5 类17-18,如表1所示。表 1 小行星撞击的危害形式与等效直径关系19Table 1 Relation between hazard forms of asteroid impact andequivalent radius 19等效直径影响范围类似事件发生概率km级全球恐龙灭绝201 108年1次140 m级洲际20
15、19 OK小行星事件211 000年1次50 m级大型城市通古斯爆炸10100年1次10 m级城镇车里雅宾斯克爆炸223050年1次m级无河南驻马店火流星事件23频繁发生 1.3 等级划分要素近地小行星撞击威胁着地球的安全与人类生存,而撞击风险等级划分是应对该风险的重要前提。根据近地小行星撞击事件风险要素的分析,影响其评估的主要因素包括以下几个方面。1)撞击日期撞击日期是衡量近地小行星撞击地球事件紧迫性的参数,可通过轨道递推直接求解。即使是未来几十年,近地小行星和彗星飞掠地球的事件日期一般可以精确确定,且日期仅和初始轨道(含历元时间)有关。2)撞击位置(撞击中心点、落区)撞击位置直接关系到撞击
16、发生区域的损失评估。撞击位置在海洋还是陆地、国内还是国外、城市还是无人区,后续所产生的危害形式和损失评估模型是不同的,对应的危害等级、应急处置、灾害救援措施也各不相同。因此撞击位置是近地小行星撞击风险等级划分的重要因素,也是应急响应必然要考虑的因素。撞击位置是通过计算近地小行星运动轨道、交会角度和地球运动(公转和自转)相交时得到的位点估计。具体涉及的地球运动目前可以准确计算,而小行星的运动轨道和撞击角度受到观测手段的限制无法准确测量,因而对撞击位置估计精度不足。3)等效直径等效直径是近地小行星分类分级的重要指标之一。由于近地小行星多数为不规则形状,通常以近地小行星等效直径描述其大小。小行星等效
17、直径可通过其绝对星等和几何反照率估计获得,公式24为D0=100.2Hp0.51 329(1)其中:D0为小行星的等效直径;H为其绝对星等;p为几何反照率。4)撞击能量相比于其它事件,近地小行星撞击地球的主要特点是本身超高速(1220 km/s)撞击时携带巨大的动能,从而产生巨大危害。在进入大气的过程中,存在能量耗散,其危害程度取决于穿过大气层后剩余的能量(与小行星进入大气时的质量和速度、小行星结构以及撞击角度有关)。假设撞击释放的能量全部来自动能,以此判断灾害范围(以TNT当量为单位),常见形式为E=12MV2(2)5)撞击概率撞击概率是衡量小行星撞击地球可能性高低的参数。由于天体天文观测(
18、角位置或赤经赤纬)误差统计的不确定性,通常非线性转化为轨道确定的不确定性,最终转化为与观测结果一致轨道可能范围的不确定性。撞击概率基本计算原理是将定轨得到的置信域从该历元时间递推到小行星和地球的交会时刻,然后将置信域投影到小行星双曲线轨道的二维平面(B平面)内,计算得到置信域和地球重合部分占整个置信域的比重。因而,撞击概率的大小取决于近地点位置和轨道确定的精度。假如一个近地天体被认为未来将接近地球并且在特定日期其轨道位置不确定性和地球已知位置相交时,可计算得到其撞击概率,一般来说,轨道不确定性(用“误差椭球”表示)越大,撞击概率越低,如图1所示。一般采用线性撞击预测理论可以评估概率为10310
19、4量级的撞击事件;但如果小行 不确定已有数据区域可解区域观测效据约束距离地球半径地球地球大气NEA的误差椭球地球地球地球撞击概率(01)撞击概率0撞击概率1 图 1 撞击概率和轨道不确定性的关系Fig.1 Relation between impact possibility and orbit uncertainty第 4 期金岩,等:近地小行星撞击风险等级划分方法371星直径超过1 km,其撞击能量相当于2万Mt当量的TNT,即使撞击概率只有106107的量级也不能忽略,这样的目标也很可能产生严重的后果。2 近地小行星撞击风险等级划分方法 2.1 都灵指数与巴勒莫指数分析都灵指数使用介于0
20、10之间的整数值对撞击风险进行分级,数值越大对应撞击风险等级越高。同时,为实现在各种不同层次传达信息的目标,将颜色编码和解释性标签应用于指数的定义,如图2所示。动能/Mt1081081061041020.991051001(5 km)(1 km)(100 km)(20 km)全球性区域性局部性无危害761021549038撞击概率不可能撞持续监测 持续关注 威胁事件 确定撞击击事件预警事件事件 图 2 都灵指数等级定义25Fig.2 Definition of Torino scale model25 都灵指数设计简单,但存在2个主要问题:撞击动能难以精确预测,都灵指数的设计需获得近地小行星动
21、能,而动能由质量和速度共同决定,由于小行星的材质难以在撞击前准确判定,且速度测量误差较大,使得撞击能量很难精确预测;风险等级不能精确描述,都灵指数中,落在同一区域两端的2个事件,可能具有明显不同的危险程度,但依此指标却无法区分等级,区域以不均匀的方式排列,相邻区域不一定具有连续的整数值,导致边界事件等级难定义。P巴勒莫指数将检测到的潜在撞击事件的概率和距离撞击发生的几年间相同大小或更大尺寸天体发生潜在撞击的平均风险进行对比,得到相对风险值。定义巴勒莫指数值 为相对风险的对数值(以10为底)26,即P=lgpifBT(3)其中:pi为撞击概率;T为pi被考虑的时间间隔;fB为背景撞击的频率。fB
22、=3100E45yr1(4)其中:能量阈值E为以TNT当量(Mt)为单位;yr是以年为单位的时间数值。等级为0意味着危险与背景风险一样,+2的数值意味着风险是随机背景风险的100倍,等级小于2的数值反映出事件产生后果的可能性不大。巴勒莫指数可连续描述撞击风险,但背景风险建模困难,存在设计复杂和不方便交流沟通的问题。2.2 小行星撞击风险等级划分方案近地小行星撞击地球是一个物理力学化学强耦合的过程,需要开展超高速进入和撞击试验,结合数值模拟与理论分析,才能建立有关进入大气、撞击地表过程及效应的准确模型。由式(2)可知,准确获取小行星的质量M需要对小行星的轨道、物理化学等特性进行精确测量和研究。目
23、前针对小行星轨道测量一般采用可见光精测望远镜和精密跟踪雷达27。利用可见光望远镜对小行星观测,可确定小行星的精确轨道,进而获取速度信息。但该过程需要多次回归观测,大大增加了任务复杂度,对最终观测速度也有一定的不确定性;利用雷达可显著提升近地小行星轨道的确定精度,但雷达探测距离较近,探测机会有限。小行星的物理化学特性测量可采用可见光、红外、雷达、多光谱、偏振、掩星等观测手段,获取自转、大小、反射率、光谱类型等信息,但仅在少数条件下可获取小行星的形状和物质成分等信息。因此,考虑到小行星质量和撞击速度的观测局限性,同时尽可能保证等级划分的简洁和便于交流,有必要利用新的划分要素对近地小行星撞击风险进行
24、等级划分。近地小行星多数为不规则形状,相比其它参数,利用式(1)易获得其等效直径,故本文选取等效直径来表征撞击危害同时充当风险等级划分的要素。从历史情况看,直径1 km以上近地小行星的撞击事件发生概率较低,短期内难以有效实施在轨处置防御;直径10 m以下的撞击事件虽然频发,但实际危害较小;而直径101 000 m的近地小行星是国际社会关注和应对防范的重点对象,相应危害程度主要划分为6类。1)等效直径为千米级当传统的都灵指数危险等级达到7或8以上时,影响都是全球性的,都需要全世界联手消除危险,因此将直径1 km以上的小行星统一设立相同的危险等级。2)等效直径为140 m级直径140 m以上的小行
25、星可引发洲际性灾难,对地球造成重伤,因此将140 m级作为小行星撞击风险等级设计的第2阈值。372深空探测学报(中英文)2023年3)等效直径为50 m级等效直径50 m级的小行星可引发大型城市级灾难,因此将50 m级作为小行星撞击风险等级设计的第3阈值。4)等效直径为20 m级等效直径为20 m级的小行星在穿透大气后还会有少量的残余部分可引发中小型城市级灾难,因此将20 m级作为小行星撞击风险等级设计的第4阈值。5)等效直径为10 m级等效直径为10 m级的小行星可引发城镇级灾难,设立10 m等级的小行星预测等级,一方面可以增加小行星防御的保守性;另一方面考虑到近地航天器也可能受到小行星靠近
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