小行星的撞击概率总在变化的科学解析

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引言

小行星撞击是一种持续存在的自然灾害，它可能引起地球和人类生存环境的破坏乃至毁灭。今年年初，2024 YR4小行星与地球的撞击概率引发了全球关注与热议。这颗小行星最初被预测在2032年12月22日可能与地球相撞，撞击概率从最初的1.2%一度攀升至史无前例的3.1%，随后又急剧下降至约0.004%，最终被国际小行星预警网络(IAWN)确认不构成显著威胁。然而， 令人很多人困惑的是小行星的撞击概率为何总在变化？这些数据到底可不可靠呢？

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为何小行星撞击概率总在变化？

小行星的撞击概率是基于观测数据对小行星进行定轨，通过动力学模型来预测小行星在某一特定时间范围内的轨道位置，并使用统计方法计算与地球发生碰撞的可能性。其中，全球各大空间机构如NASA、ESA等使用不同的计算模型和风险评估系统，导致同一小行星的撞击概率评估存在差异。例如，2月19日在对2024 YR4的评估中，NASA给出的最高撞击概率为3.1%，而ESA的评估结果为2.81%。但这个差异通常不会太大。因此，小行星撞击概率不断变化的原因主要来自两个关键因素：观测数据的精度与跨度和动力学模型的完善程度。

▲图1 浅粉色圆圈为2024 YR4可能与月球撞击的“走廊”。图源：NASA.

小行星撞击概率总在变化的一个主要原因是观测数据的精度和跨度。以2024 YR4为例，该小行星是由位于智利的近地小行星撞击预警系统(ATLAS)于2024年12月27日发现。科学家基于有限的数据进行了轨道计算，于是国际小行星预警网络(IAWN)在1月底发布了2024 YR4将在2032年12月22日可能撞击地球的公告，其撞击概率为1.2%。但这些初始轨道包含较大的误差。随着观测时间的延长和数据质量的提高，轨道计算精度会显著增强，撞击概率评估也随之更加准确。2024 YR4的案例恰恰展示了这一科学过程：当满月夜间的低质量观测数据被纳入计算时，撞击概率一度攀升；而当更多高质量数据被获取并剔除不可靠观测后，概率评估回归到更为准确的水平。

上述情况的变化往往体现在短期内，小行星撞击概率的短期波动通常会随着观测数据增加而趋于稳定，但长期预测面临着更为复杂的挑战。在太阳系这个复杂的动力学系统中，小行星轨道受到引力摄动和非引力效应等多种力的持续影响，使其未来路径难以精确预测。

太阳系中的大质量天体（如木星、土星等巨行星）对小行星施加的引力扰动会随时间累积，逐渐改变小行星的轨道要素。这种摄动作用在长时间尺度上可能导致轨道发生显著变化，特别是对于那些处于共振轨道或轨道交叉区域的小行星。其次，非引力效应则主要包括小行星之间的碰撞和雅科夫斯基效应。虽然小行星间的相互碰撞极为罕见，但一旦发生，将彻底改变其运行轨迹，使先前的预测失效。更为常见的是雅科夫斯基效应——当小行星表面吸收太阳辐射后不均匀再辐射，产生的微弱推力会导致轨道半长轴缓慢变化。现代动力学模型已将这种效应纳入计算，但其长期累积影响仍难以完全预测。

▲图2 小行星之间的撞击示意图。图源：Pennlive。

▲图3 Yarkovsky效应改变小行星轨道的示意图。图源：Wikipedia。

这些因素共同作用，使小行星轨道演化呈现出复杂的非线性特征。因此，即使当前被评估为安全的小行星，也可能在未来几十年或一个世纪后改变轨道，形成对地球的潜在威胁。这正是天文学家需要持续监测近地天体的重要原因。小行星撞击概率的变化并非科学研究的失败，恰恰相反，它体现了科学认知的自我完善过程。这种基于证据不断修正的过程，正是科学方法的核心价值所在。

鉴于小行星撞击概率计算的复杂性和不确定性，如何对这些有撞击风险的小行星进行监测？

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如何监测？

天文学上把小行星中直径大于 140 米且与地球的交会距离小于 0.05 天文单位（750 万千米，约 20 倍地月距离）的称为“潜在威胁天体”（简称 PHA）。截止2025年3月，国际上已经发现了11178颗近地小行星，其中PHA为2471颗。这个数字仅为科学家估计总数的40%。PHA是近地小行星防御系统需要监测的目标。

▲图4 目前已知潜在威胁小行星的轨道示意图。图源：NASA.

针对PHA，需要建立多个专门用于巡天观测(发现)、后随观测(跟踪)和近临监测的望远镜网络。巡天观测的望远镜，主要负责发现和寻找此类小行星；对已发现的小行星要进行后随观测，实时更新其撞击地球的概率；然而，还有一些目标，在撞击前才被发现，针对这类目标则需要建立即使的近临监测望远镜，以求在最短时间内准确地获得撞击目标的轨道参数，对可能撞击区进行预警或为近地防御策略提供支撑。如何在较短的观测时间获得确定准确的轨道这一科学问题即为“短弧定轨”，是目前小行星领域研究的热点方向。

目前全球开展的小天体探测计划有三百多个项目，其中影响力较大的包括但不限于卡特琳娜巡天计划，近地小行星撞击预警系统(ATLAS)，以及全景巡天望远镜与快速反应系统，简称泛星巡天计划等。

▲图5 从左到右分别为卡特琳娜巡天望远镜和ATLAS-2的近景。图源：NASA。

我国位于盱眙的近地天体望远镜也是其中之一，随着我国“复眼”雷达的全面投入使用以及空间望远镜计划的实施，我国将建成健全多层次、多阶段、全天候的小行星监测预警网络。

▲图6 近地天体望远镜近景。图源：紫金山天文台。

▲图7 “复眼”雷达第一期近景。

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小行星防御是如何做到的？

小行星撞击防御任务的思路大致分为两类：1. 将小行星轨道推离至无法与地球相撞；2.将小行星分解成在大气层中可以燃烧殆尽的无害碎片。应对方案总结为八字诀——“撞，炸，拖，牵，烧、喷、涂、抛”。目前只有“撞”的手段在NASA的“DART”任务实现了技术验证。其他均处于构想阶段。我国预计将在2030年实现一次小行星的动能撞击任务。

▲图8 NASA的“DART”任务。Dimorphos被撞击先后的轨道示意图。图源：NASA

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撞击事件多吗？危害大吗？

约6500万年前，一颗直径高达10 km的小行星撞击地球造成了恐龙灭绝；1908年，在俄罗斯通古斯上空，约50 m的小行星发生空爆，将相当于3个上海主城区面积（约2000平方公里）的森林夷为平地；2013年，在俄罗斯车里雅宾斯克，约15 m的小行星陨落，造成了超千人受伤，千座建筑受损；2020年，我国青海玉树，一颗万吨TNT当量的火流星也造成陨落区内房屋的损坏。不同直径的小行星撞击地球的频率和危害不同。

▲图9 不同大小的小行星的撞击频次、危害程度、总数量以及已发现占比。图源：NASA。

小行星撞击是一种低概率但高风险的自然灾害。 我们应该加强国际合作，完善监测网络，开发多样化的防御手段，并提高公众对小行星威胁的认识。 只有做好充分准备，人类才能在面对可能的小行星撞击时，有效保护地球家园和人类文明的延续。

参考资料：

1. 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.

2.https://ssd.jpl.nasa.gov/

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

来源：墨子沙龙

原标题：小行星的撞击概率为何总在变化？| 直播预告

编辑：凉渐

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