人类难以防御陨星：核弹拦截只是理论可行

DA14小行星几乎撞上地球

2012年12月13日，我国嫦娥二号月球探测器在完成月球探测和日地系第二拉格朗日点任务中，又访问了4179图塔蒂斯(Tourtatis)小行星。图塔蒂斯小行星由于轨道周期共振，其轨道每4年接近地球一次，已经被收入“潜在危险小行星”名单。根据预报2013年2月16日一颗近地小行星2012 DA14即将在很近的距离上飞过地球，其轨道甚至切入了地球静止轨道以内，虽然这颗小行星不会撞上地球，但人们的心里难免捏着一把汗。

2月15日陨星在俄罗斯上空爆炸

俗语道“福无双至祸不单行”，2012 DA14小行星虽然和地球插肩而过，但2013年2月15日一颗陨星高速进入大气层，在俄罗斯车里雅宾斯克地区上空爆炸，爆炸的冲击波传播至地面，造成约1200人受伤其中包括超过200名儿童。

陨星爆炸当量30倍于广岛原子弹

综合各国媒体报道，2月15日莫斯科时间6时20分左右一颗小行星或者说陨石以每秒30公里的速度进入大气层，其飞行轨迹与地面夹角小于20度，进入大气层经历了约32秒的飞行后巨型陨石的速度很快下降到每秒18公里，并在车里雅宾斯克地区上空约30公里高度发生猛烈的爆炸。据评估陨石直径约15至17米，质量7000到1万吨，爆炸当量约350万吨，相当于1945年广岛原子弹爆炸当量的约30倍。

美国航天局还称这颗陨星是百年一遇的级别，是1908年通古斯大爆炸后最大的陨星坠落事件。据美国地质调查局(USGS)事后发布的消息，2月15日6时20分26秒北纬55.15度东经61.41度距离车里雅宾斯克市西南1公里的位置发生4级地震，由此可以看到陨星爆炸威力之大。陨星爆炸后及其形成的陨石雨落到车里雅宾斯克的广大地区，落区也可能包括哈萨克斯坦北部，巨大的威力甚至使当地部分居民误认为爆发了战争。

陨星未直接砸到地面是不幸中的大幸

这个百年一遇的陨星“入侵”虽然导致大量人员受伤，不过迄今为止没有出现死亡报告，这要归功于陨星在高空已经爆炸，因此地面的受伤者主要是冲击波导致建筑物玻璃震碎的间接伤害。

不过话说回来，如果陨石更晚爆炸甚至撞击到地面的话，俄罗斯人就没有这么幸运了，那样的话人员死伤恐怕要数以万计。

在俄罗斯的陨石灾难前，全世界关注的焦点在2012 DA14小行星身上，也开始讨论近地小行星探测和防御的话题，不过这仅仅是茶余饭后的谈资而已，大众心理上并没有真的重视这一威胁。

如果说2012 DA14小行星只是给我们带来近地小行星威胁的话题让人津津乐道，那么坠落在俄罗斯的巨型陨石就不得不迫使我们仰望星空之后脚踏实地，认真思考人类防御近地小行星的问题。

媒体称俄军发射导弹拦截陨石

或许是不愿面对天灾来临时无能为力的恐惧，俄罗斯媒体曾传出一些有趣的小道消息。曾有消息称不愿透露姓名的俄罗斯国防部人士称俄罗斯军方已经探测到这颗陨石，但认为它将在大气层中烧毁，没有必要发布警告。也有媒体报道称，俄罗斯空军及时准备，在陨石进入大气层后发射导弹将其摧毁，形成了破坏力较小的陨石雨。

美俄均无对付小行星威胁的能力

那么俄罗斯真的具备预警和拦截超高速陨石的能力么，即使在俄罗斯媒体上的严肃答案仍然是否定的。俄罗斯战略和技术分析中心主任鲁斯兰·普霍夫在接受采访时表示，目前任何国家都没有能力解决小行星和陨石威胁地球的问题，俄罗斯安全专家伊戈尔·科罗特琴科也表示美俄现有的防空反导系统都无法(全面)检测到小行星的威胁。那么事实到底如何呢？

人类对小行星的发现监测能力很差

近地小行星预警监视是防御小行星来袭的耳目，人类对近地小行星的发现还有大片的空白，即使是对存在潜在碰撞危险的100米直径以上的近地小行星，目前也只有20~30%被探测到，更不用说几十米、十几米甚至更小的小行星了，这样的背景下俄罗斯陨星事件不是意外，要是及时发现才是偶然。

雷达做为主要观测手段不靠谱

人类对近地小行星主要依靠巡天光学望远镜探测发现，加上雷达探测方式作为补充。虽然人类使用雷达获得了更精确的小行星轨道，甚至对小行星进行了雷达成像，但雷达并不适合用于发现小行星等近地天体。

从理论上说雷达探测距离与目标雷达反射截面积和雷达功率的四分之一次方都成正比，而近地天体包括小行星和彗星，它们的可能是铁质也可能是石质甚至可能是冰质，后两者的反射截面积很小，加上地面雷达的功率有限，对近地天地的探测距离有限。

雷达的角度分辨率取决于雷达天线的孔径和雷达波长，距离分辨率取决于雷达的信号带宽宽度，速度分辨率取决于对目标的观测时间。

理论上为了得到更高的分辨率，需要雷达天线孔径尽可能的大、波长尽可能的小，带宽尽可能的宽，持续观测时间尽可能的长，这些要求与快速巡天探测遥远的未知小行星是矛盾的，因此雷达并不是合适的小行星探测工具，但对已知轨道的小行星，雷达可用于精确测定轨道参数。

天体探测望远镜能提高探测能力

美国航天局已经开始空间防卫(SafeGuard)计划，将建造8架大口径近地小行星搜索望远镜以及后端的数据中心和数据处理与研究中心，美国空军为了加强对轨道物体的监视能力，也在建造4架1.8米口径的全景巡天望远镜。

美国航天局和美国空军的新一代空间监视望远镜都具有很高的灵敏度和分辨率，这两个的望远镜网络探测能力超过此前人类近地小行星监视望远镜的总和，将大大提高人类对近地小行星的探测能力。

俄罗斯空天防御部队已经部署了一批望远镜用于对轨道物体的探测，未来也可能增加新一代望远镜加强监视能力，它们在完成军事任务之余，也将进行近地小行星的探测。我国中科院紫金山天文台也建设了一台1.2米口径的近地天体探测望远镜，这是我国第一台专门用于搜索近地小行的望远镜，截至2009年正式投入使用前的试运行阶段，就新发现了721个小行星和一颗彗星。

近地小行星探测望远镜各国独自为战

各国独立的近地小行星探测望远镜目前还缺乏协调，没有建立全球性的近地小行星监测网络，而且由于地球位置和人类探测手段的限制，我们对近地小行星的监视有着太多的盲区，尤其是受太阳光照影响，对地球轨道内侧的近地小行星探测要困难的多，这都是大量近地小行星“逍遥法外”的重要原因，据称这次陨落到俄罗斯的小行星/陨石，很可能就来自地球轨道内侧。

在不断发现小行星与地球插身而过，跟不要说这次俄罗斯陨星事件后，人类必然加大对近地小行星的探测能力和力度，但要对人类构成威胁的近地小行星明察秋毫，短期内尚且是不可完成的任务，至于俄罗斯上空爆炸的最大直径只有17米的这类小行星，更是防不胜防。人类对小行星的探测监视预警尚且心有余而力不足，小行星拦截更是无从说起。如果将来有一天人类将地球轨道附近大大小小的小行星一览全无，我们又将如何防御拦截可能砸向地球的小行星呢？

目前人类的武器库中唯一与防御近地小行星需求相近的，恐怕就是弹道导弹防御系统了，不过拦截弹道导弹和拦截近地小行星有太大的不同。或许有人会问，能否用现有的反导拦截弹拦截小行星呢，不过很遗憾这是几乎不可能的。

人类弹道导弹防御系统早期使用核弹

人类已经部署的弹道导弹防御系统按拦截技术的不同可以大致划分为两代：早期人类使用核拦截方式，使用大当量核弹头摧毁来袭的洲际导弹，并在随后进一步扩展为高空大当量核弹头拦截外加低空中子弹头拦截的双层防御体系；后来人类又另辟蹊跷发展出动能碰撞杀伤(HTK) 拦截技术，HTK技术的应用范围还从大气层外还扩展到大气层内。

在广岛长崎原子弹投入是战后，过去数十年时间里全世界都在大力宣传和渲染核武器的恐怖，核武器的确是人类已经掌握的威力最大的武器，但并没有人们想象中的巨大威力。

核弹爆炸大气层外威力大减

核弹在大气层内爆炸时按经验公式近似计算，核弹的杀伤半径基本与爆炸当量的三分之一次方成正比，10万吨级的有效杀伤半径不过是3.2到3.4公里，这个有效杀伤实际上计算的是冲击波的杀伤半径，其冲击波压强为约32千帕，可造成大量建筑物倒塌的效果。

外太空环境核爆炸的能量主要以高能X射线方式释放，此外还释放出伽马射线、中子流，没有大气层内冲击波的辅助，核弹对小行星类目标的杀伤半径就小得可怜了。

美苏都曾部署过高层拦截的核拦截弹，其弹头为数百万吨当量的氢弹，但导弹有效射高河有效射程都仅有数百公里，美国曾部署过的核反卫星导弹有效射程也不过是略高于1000公里。这些导弹制导精度不足，不过百万吨级核弹头对来袭核弹的杀伤半径可达千米级别，脱靶量在杀伤半径内即可，但这种距离较远的核爆炸远不能实现改变陨石或小行星的轨道或是摧毁小行星的任务。

先进的动能碰撞技术威力有限

相对早期的核拦截手段，人类后来发展出的动能碰撞技术效果要好一些，但仅仅是可能好一些而已。以美国的陆基拦截弹(GBI)为例，其大气层外动能杀伤器(EKV)质量约63.5千克，如果它与砸向地面的近地小行星相对速度达到每秒30公里，则相对动能约28575兆焦，考虑到1千克TNT炸药爆炸释放的能量不过是4.2兆焦，EKV与小行星碰撞将产生相当于6.8吨TNT炸药爆炸的威力。

其实EKV并不是GBI运载能力的上限，根据评估GBI有将680千克载荷送到10000公里外的投掷能力，如果设计一个680千克的质量加大版EKV，其碰撞将产生将近73吨TNT炸药的威力。如果是2月15日俄罗斯陨石事件的主角，虽然这样的撞击不可能显著改变陨石的轨道，但这样的巨大的撞击直接施加于小行星本体时，可能击碎一小部分星体并影响主体部分的结构，使其进入大气层后在大气阻力下更早爆炸，相对降低对地面的损害。

不过动能拦截的威力主要取决于相对速度，而并不是每次小行星入侵都会有很高的相对速度，如美国曾实施过的“深度撞击”项目，一个370千克的撞击器以每秒10.3公里的速度撞上了坦普尔1号彗星，由于速度较低，其碰撞就只相当于4.7吨TNT炸药的爆炸威力。

拦截弹有效拦截范围不足成重要制约

更重要的是GBI等拦截弹的有效拦截范围非常有限，如果使用一个680千克的动能杀伤弹头，理论最大拦截高度和最大拦截射程都仅有数千公里，威力不足外加太短的拦截距离，即使对十几米的铁质或石质陨星，GBI都只有拦截的可能性，对于稍大的小行星来说就根本无能为力了，对于那些100米直径以上、会对人类构成严重威胁的小行星，动能弹头完全可以说是螳臂当车。

射向深空的制导核弹头是最可能的手段

早期核拦截的问题在于精度不足，核爆炸的大部分能量直接逸散到太空，而动能撞击虽然精度很高但威力还是太小，两者结合的效果就要好得多，可以为我们带来防御小行星的能力。目前小型化核弹头的质量尺寸都不大，比如美国W76核弹头的质量仅有不到100千克但爆炸当量约为10万吨，当核弹头在距离小行星很近距离爆炸时，可以产生很明显的效果。

美国洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)以及其他机构过去十多年里对核弹拦截小行星做了多次评估，尤其是近年来LANL使用超级计算机进行了模拟试验，证明大当量核弹头完全可以偏移小行星的轨道甚至摧毁小行星。根据LANL专家的建模分析，一个10万吨级核弹头在距离100米直径球形小行星70米处爆炸时，可以使小行星表面物质融化并分离，即使核心部分的物质也可有每秒20厘米的偏移速度。根据更早的轨道计算，如果要小行星偏移一个地球半径，一年时间的话需要每秒7厘米的偏移速度，每秒20厘米的速度可将时间缩小到4到5个月。如果10万吨级核弹头在20米外爆炸，小行星中心部分物质也将达到每秒190厘米的偏移速度。

模拟结果具有很大的不确定性

以这样的理论为基础，LANL的科学家们使用超级计算机模拟，认为一个100万吨的核弹头可以使一个丝川小行星(535米长、294宽、209高)大小的小行星分崩离析，无法对地球构成伤害。不过这样的模拟无法充分考虑小行星内部组成和结构的因素，其模拟结果有很大的不确定性，更重要的是，核弹头拦截仍然留出足够的时间让分离的小行星碎片避开地球轨道，LANL的科学家对此明确表示，如果(来袭小行星被发现的)时间太短比如少于一个月，人类对避免撞击大概就无能为力了。

现在难以将核弹深埋到小行星内部

相信很多人都看过好莱坞电影《天地大碰撞》，影片中载人登陆彗星钻井引爆核弹的设想，的确具有一定的可行性。表面附近引爆核弹无法炸碎较大的小行星或是彗星，必须将核弹深埋到内部才有一定可能。不过话说回来，这样的方案要比发射核弹头到小行星附近引爆困难的多。

即使是美国也只计划2025年或是稍晚登陆近地小行星，而且这些预定登陆目标相对地球的速度不高，而可能撞击地球的小行星或彗星相对速度太高并自身也在旋转，单是交会登陆就是非常艰难的任务，远远超出了人类的航天能力。人类对小行星和彗星的结构也了解太少，就算引爆核弹其效果也并不乐观，这在影片中也有反映。

小行星轨道计算中存在俄罗斯工程师最先提到“雅克夫斯基效应”，它指出小行星可能由于受热的不均产生微弱的推动力，日积月累轻微的改变小行星的轨道，这一效应已经得到实际观测的证实。如果人类建立了潜在威胁近地小行星和彗星的数据库，完全可以利用“雅克夫斯基效应”改变小行星轨道，避免和地球的碰撞，当然这更需要尽可能早的发现威胁目标并进行处理。

除了这种四两拨千斤的温柔手段，人类还提出了极为暴力的手段，俄罗斯陨星事件前一天，2月14日美国加州州立理工大学和加州大学圣巴巴拉分校的联合团队恰好提出一个新颖的计划，建立一个巨大的天基激光阵列，利用太阳能发电再转换为激光烧毁小行星。他们表示这样的系统越大越好，还举例说如果建立100米直径的激光阵列系统，可以推动彗星或是小行星偏移轨道避免碰撞，如果建立一个10公里直径的激光阵列，可以每天发送相当于140万吨的能量，在一年内彻底摧毁一个500米大小的小行星。

虽然早在1994年苏梅克-列维九号彗星撞击木星后，防御小行星和彗星就开始提上日程，但人类目前做得还远远不够，防御小行星也并没有受到真正的重视。俄罗斯陨星造成的大量受伤者，让我们不得不担心那些不约而至的天外来客，但总的说来，人类对近地小行星和彗星并没有可靠的探测预警系统，也没有成熟的拦截手段。

从理论上说，在及时发现的前提下，将小型化高威力核弹头、动能拦截弹头、重型火箭结合在一起，是有可能对陨星实施拦截的，但是目前并没有可以实际作战部署的成品，发展这样的武器尚需时日。而建立全球协作完整高效的天体观测网，更是遥遥无期。