近地小行星防御中的行动准则和在轨处置阈值*

龚自正，宋光明，张品亮，任思远

(北京卫星环境工程研究所，北京 100094；辽宁大学空间科学与技术研究院，沈阳 110036)

1 近地小行星防御研究方兴未艾

在地球历史中小行星撞击地球事件频发，深刻塑造了地球的气候生态环境，导致了地球上物种灭绝与更替，是人类共同面对的重大潜在威胁[1-4]。近地小行星(Near Earth Asteroid，NEA)撞击风险应对在国际上一般称为行星防御(Planet Defense)。1994年彗-木撞击事件和2013年俄罗斯车里雅宾斯克小行星撞击事件，使得这一问题得到了国际社会的高度重视。在联合国外空委、政府和非政府三个层面都成立了多个行星防御组织机构，统筹协调、联合开展小行星监测预警、在轨处置和灾害救援工作。美国国家航空航天局(NASA)继2005年实施了“深度撞击”(Deep Impact)计划后，从2014年开始投入8亿美元实施“小行星撞击与偏转评估”(Asteroid Impact & Deflection Assessment，AIDA)计划，包括DART(Double Asteroid Redirection Test，DART)任务和HERA任务。2022 年9月27日NASA发射的撞击器成功撞击了Didymos双小行星系统中直径约160m的子星Dimorphos，使子星绕主星的环绕周期将缩短32min左右。欧空局(ESA)将于2024年发射HERA任务探测器，对撞击后的小行星开展绕飞探测，精确评估其撞击效果。2022年6月8日，ESA通过了“彗星拦截任务”(Comet Interceptor)计划，将针对来自于柯伊伯带或奥尔特云第一次进入太阳系或在太阳系内停留时间较短的彗星开展撞击拦截试验。DART任务的成功实施掀起了近地小行星防御研究的热潮。

2022年1月28日，我国国务院新闻办公室发布《2021中国的航天》白皮书，明确提出将“论证建设中国近地小天体防御系统，提升中国监测、编目、预警和应对处置能力”。2022年4月24日第七个中国航天日，国家航天局副局长吴艳华在接受中央电视台采访时指出“中国将建设近地小行星防御系统，并计划于2025年或者2026年开展一次近地小行星动能撞击防御试验”。2022年11月21日，在海南举行的联合国/中国空间探索与创新全球伙伴关系研讨会上，国家航天局副局长吴艳华正式宣布，中国愿与国际社会一道，强化共同应对机制，推动近地小行星联合监测、预警、防御能力提升，共同建设普遍安全的地球家园，预计2025年实施中国首次近地小行星防御任务。

面对世界各航天大国雄心勃勃的NEA防御任务计划，有必要提出并思考：针对不同NEA撞击风险场景，应该采取什么样的行动准则？实施在轨处置的风险阈值是什么？本文基于撞击风险研判，结合IAWN和SMPAG推荐的应对行动标准及NASA推荐的最新应对基准，来探讨这个问题，以期对我国的应对行动提供参考，有所裨益。

2 近地小行星撞击风险

NEA撞击风险是制定防御行动准则的基础。NEA撞击风险是指其撞击地球的概率与其撞击所致危害的乘积。NEA撞击地球的概率是一个复杂的问题，取决于小行星的轨道特性、物理化学特性和对轨道监测预报的精度。目前有很多计算方法，比如线性碰撞法、非线性碰撞法、蒙特卡罗法等，每一种方法都有其优势和不足，还没有很好的统一的计算方法，需要我们去深入研究。这里介绍一种物理概念很清晰、很有意思的方法[5]，从统计学角度出发，每一个NEA撞击地球的概率是NEA总数的倒数，那么对现在的模型估算的小行星数量，每一个NEA撞击地球的概率是f(1)=1.66×10-9/年；潜在威胁小行星(PHA，直径大于140m)的数量占总数量的约20%，则一个PHA撞击地球的概率是f(PHA)=5×1.66×10-9/年=8.3×10-9/年；直径200m以上NEA撞击地球的频率则是47000年一次；而撞击地球概率为100%的小行星的最小直径推断为3m。

一般来说NEA直径较易获取，因此国际上通常用等效直径来表征其撞击危害，把撞击危害程度主要划分为5类[6，7]：(1)等效直径为千米级(1km以上)，可引发全球性灾难，如6500万年前K-T事件，该类事件发生概率为每1×108年1次；(2)等效直径为140m级(140m～1km)，可引发洲际性灾难，如2019 OK小行星事件，该类事件发生概率为每1000年1次；(3)等效直径为50m级(50～140m)，可引发大型城市级灾难，如1908年俄罗斯通古斯事件，该类事件发生概率为每100年1次；(4)等效直径为10m级(10～50m)，可引发小城镇级灾难，如2013年俄罗斯车里雅宾斯克事件，该类事件发生概率为每30～50年1次；(5)等效直径为米级(10m以下)，大多产生空爆并出现火流星现象，如2022年12月15日浙江金华浦江县发生火流星事件，该类事件频繁发生。

评估NEA撞击风险通常涉及都灵风险指数[8]、巴勒莫风险指数[9]：前者采用11个整数(0～10)将风险等级划分为5种，对应不同的撞击概率及危害；后者由撞击概率、距离发生撞击的时间、撞击能量等计算获得。为进一步明晰相关指数的物理意义，有研究[10]将人员伤亡估算引入NEA撞击风险评估中，建立了基于撞击概率、撞击事件类型和预警时间，可给出撞击导致死亡人数的定量评估指数。

3 国际上的应对行动准则和处置阈值

2014年联合国外空委框架下正式成立“国际小行星预警网”(International Asteroid Warning Network，IAWN)和“空间任务咨询小组”(Space Mission Planning Advisory Group，SMPAG)。IAWN的主要任务是组织实施小行星监测和撞击风险研判，其成员包括航天机构和有关天文学研究单位。SMPAG的主要任务是负责撞击响应机制制定、协调危险天体全球防御任务，成员主要由航天机构和国际组织组成。中国国家航天局(CNSA)于2018年正式加入IAWN和SMPAG。

经过4年研究讨论，SMPAG在2017年发布了“潜在近地天体撞击威胁行动标准和处置阈值建议”[11]，内容包括以下3条：

(1)IAWN应对所有预测撞击概率超过1%、直径大于10m(或亮度相当于绝对星等28)的近地天体发出撞击预警(蓝色预警)。

(2)SMPAG对撞击预测将在20年内发生、撞击概率大于10%，直径大于20m(或亮度相当于绝对星等27)的撞击预警，开始启动地面防御规划设计(黄色预警)。

(3)SMPAG对撞击预测将在50年内发生、撞击概率大于1%、直径大于50m(或亮度相当于绝对星等26)的撞击预警，开始启动空间防御任务方案选择(橙色预警)。

显然，这是一个较为粗糙的初步行动标准和处置阈值，已经不能适应当前的撞击威胁态势。NASA在2016年成立了小行星防御协调办公室(Planetary Defense Coordination Office，PDCO)后，大力推进近地小行星防御研究。2018年特朗普总统签发《国家近地天体应对战略及行动计划》[12]，明确在10年内提升近地小行星发现、跟踪和表征能力，发展近地小行星偏转和摧毁技术并实施有关在轨验证任务。2021年美国政府颁布了《近地物体撞击威胁紧急协议报告》[13]，在全部接受SMPAG防御行动准则的基础上，增加了可行性、危害和防御成本的考虑，提出了美国的防御行动基准(benchmark)，具体条款如下：

(1)启动天基监视基准：同时满足以下2条，则开始实施严密的天基监视：①对撞击预测将在50年内发生，撞击概率大于1%，直径大于50m(或亮度相当于绝对星等26)的撞击预警。②需要在预测的撞击发生之前3年，开始实施严密的天基监视任务。

(2)启动在轨处置基准：包括威胁、可行性、危害3个基准，同时满足这3个基准则实施在轨处置防御任务。

威胁基准：这2条必须同时满足：①撞击预测将在50年内发生；②撞击概率估计大于10%。

可行性基准：这3条必须同时满足：①防御在技术上是可行的；②防御任务实施后能减少撞击的可能性，如果任务实施后撞击的可能性不变或变得更大，则建议不实施防御任务；③当等待更长时间来提高对撞击预测的置信度将大大降低防御成功的可能性。

危害基准：至少满足1条：①撞击很有可能导致美国国内100人以上人员伤亡；②撞击导致美国的经济损失超过实施防御任务的成本。

NASA估算实施一次在轨处置任务的成本约为4～8亿美元，车里雅宾斯克撞击事件的经济损失约3300万美元，类似车里雅宾斯克的撞击事件(小行星直径约20m)将不满足危险基准，美国认为不必实施在轨处置防御任务。美国提出的实施在轨处置防御任务的阈值是：直径至少50m的近地天体撞击美国人口密集区；或直径至少140m的近地天体撞击北美地区；或直径至少300m的近地天体撞击世界任何地方。这些基准和阈值为我们制定自己的防御准则提供了参考。

4 新的应对行动准则和处置阈值的建议

从历史情况看，直径1km以上NEA的撞击事件发生概率很低，短期内难以实施有效在轨处置防御；直径10m以下的撞击事件虽然频发，但实际危害较小，因而直径在10～1000m的NEA应是应对防范的重点对象，而直径30～50m 的NEA则是“重中之重”。因此，建立我们自己的应对行动准则和处置阈值，必须从以下6个方面统筹考虑：(1)NEA的撞击概率；(2)NEA撞击导致的灾害(财产损失和人员伤亡)；(3)对监测预警能力的要求(即监测预警技术具有可行性)；(4)对在轨处置能力的要求(即在轨处置技术具有可行性)；(5)监测预警和在轨处置任务(简称应对任务)实施成本；(6)应对任务成本/效益。

参照SMOPAG和NASA的推荐，建议新的应对行动准则和在轨处置阈值为：①撞击预测将在50年内发生；②撞击概率估计大于10%；③直径大于30m的近地天体撞击我国人口密集区；或直径至少140m的近地天体撞击东亚地区；或直径至少300m的近地天体撞击世界任何地方。

这是个初步的应对行动准则和在轨处置阈值建议，希望引起各位同行积极开展有关讨论。