來自宇宙漂浮碎物的威脅

小行星撞擊地球的冪次分布在能量上跨越13個數量級，風險主要來自於低機率但高衝擊的事件。

       我們的地球自45億年前誕生以來，就一直漂游在星際碎片的海洋中。太陽於星雲盤的緻密內部坍縮時形成，並透過核融合反應將自身點亮，在接下來的數百萬年裡，大部分殘存的固體碎片被重力拉在一起，聚集而形成行星，隨著世界不斷加大吞噬更多物質，它們的重力影響增加，直到大部分的原始物質消耗殆盡，剩下的固體物質便最終成為我們所知的慧星與小行星。

       太陽系演化成一個相當穩定的結構，但它從不會完全穩定下來，一些夠大的星體可以困住它們的輻射熱，發展出具有金屬內核、地函與地殼的類行星結構，最終，這些微行星(planetesimals)經過一些相互猛烈碰撞而破碎，並產生各種大小、成份不同的小行星。在萬古的歲月裡，小行星持續演化，它們的軌道在與行星的近距離接觸中不斷改變，如同地球的地質學，演化是一個緩慢、永無止息的過程。

       重力的交會(Gravitational encounters)、撞擊以及其它力量造就了軌道的分布。主小行星帶位於火星與木星之間，但不是所有的小行星都位在那裡，有許多最後進入內太陽系，並且軌道與地球的軌道相交或接近。它們被稱為近地天體(near-Earth objects，NEOs)，依據其路徑與位置，有些可能引發撞擊的風險。

宇宙暴力塑造了分布
       小行星持續的削磨、擊碎與破裂亦造成一個湧現現象：冪次律的大小分布。Clark Chapman與David Morrison在他們1989年的書《宇宙災難》(Cosmic Catastrophes)中，將小行星大小的不均勻性描述成一種三維宇宙的固有性質，特定小行星發生碰撞碎裂的機會取決於它的大小，當一顆大的小行星破碎，物質的總表面積增加，而更多的碎片數量代表有更高的總機率參與其它碰撞，這會導致它們碎裂成更小的碎片。

圖1說明近地小行星的大小分布。最大的小行星(顯示於圖的右手邊)平均每幾億年跟地球碰撞一次；較小的一個，大約直徑10km，在6千6百萬年前滅絕了恐龍並形成希克蘇魯伯(Chicxulub)撞擊坑，永遠改變了我們的地球。類似的撞擊災難在一年中發生之機率約為億分之一，即平均撞擊間隔的倒數，比贏得威力球(Powerball)頭獎的機率還要大。

圖1、近地小行星的大小–頻率分布，以小行星直徑 D及絕對星等 H(固有亮度的度量)為單位來顯示。愈小的小行星愈暗淡也愈難去發現，因此它們的發現比率隨著尺寸減小而變少，結果導致一條平坦的洋紅色曲線。(圖片來源：Alan Harris)

       在譜線的另一端為直徑幾公尺的星體，每年會有幾次被美國政府的感測器觀測到它們在大氣層中爆炸形成火球，也稱為「火流星」(bolides)。它們頻繁地發生，但風險並不高——最有可能的受害者是人、車或房子。

       小行星大小的連續分布中存有一個臨界值，在這裡小行星的爆炸與核爆威力相當，並且足夠靠近地球表面，能造成人員死亡與摧毀基礎建設。它們是低空的空爆(airbursts，如圖2中所展示的模擬範例)，在人類生命的時間尺度上是非常罕見的。2013年掉落在俄羅斯車里雅賓斯克州(Chelyabinsk Oblast)的隕石，直徑大約為20公尺，釋放出半個百萬噸(megaton，測量核武威力的計量單位，為點燃1百萬噸黃色炸藥所釋放的能量)的爆炸能量，造成千餘人受傷(請參閱我與David Kring在Physics Today的文章，2014年9月號第32頁)，這樣大小的空爆平均每50年發生一次。

圖2、電腦模擬。一個100米大的小行星以35°的仰角及14.2 km/s的速度進入地球大氣層上方20 km處的一點，它具有30百萬噸的動能。我的數值模擬裡，每個畫面於序列中相隔數秒鐘(畫面上的時間是小行星通過20km點後所經過的秒數)，在第二個畫面裡，空爆發生於地面上方2 km處，所產生的蒸氣噴流在後續的畫面中持續下降，直至到達表面。

       1908年發生在俄羅斯的爆炸稱為通古斯事件(Tunguska event)，能量可能更高出一個數量級(很可能是幾百萬噸)，但這個估計並不確定，因為在事件發生的時間與地點的觀測與儀器數據都很少，最好的數據來自地面上留下來的物證：樹木被吹倒的面積超過2000平方公里，相當於一個大都會區的範圍。我們可以預期這樣大小的事件平均發生之時間間隔約為500年。

分布決定風險
      Chapman 與 Morrison於1994年首度發表一個定量、機率的NEO風險評估，他們運用核武的效應與標度律(scaling laws)來估計空爆所造成的破壞，但這方法對較大的小行星並不適用，因為像是氣候變遷等這類全球效應必須列入考慮。Chapman 與 Morrison將他們的估計外推到全球災難臨界值(global-catastrophe-threshold)的小行星大小，直徑在0.5 km到 3 km之間，他們認為，超過這個臨界值，全世界1/4的人口會死亡。這個估算可提供一個粗略的框架來決定如何開始去降低此危害。

       Chapman 和 Morrison從積分他們的風險曲線，估計每年有幾千人死亡，但這結果違反直覺，因為沒有任何人死於小行星的直接證據。風險是由低機率、高衝擊的事件主導，致命的撞擊很罕見，但一旦發生，預估會造成很多人死亡。

       降低風險的最好辦法是防範大型撞擊，要防範災難性的撞擊需要找出所有高於全球災難臨界值的NEOs，因此一項由NASA於1998年設立的調查計畫，發現了90% 個大於直徑1km的NEOs，幸運的是，這樣大小的NEOs只有約1000顆，它們在天空是最大最亮的，所以也最容易被發現。

       用調查來消弭災難風險和過馬路時先查看左右兩邊的道理相同，對情勢察覺的本身並不會改變撞擊的機率，NEO在某個特定時間會與地球相撞或不相撞，假使有徵兆被發現在走向碰撞的軌道上，透過觀測可以製造機會來採取預防措施以降低風險。

       行星防禦的最佳選擇是發射太空船去撞擊小行星，並改變它的速度，將小行星偏離它的碰撞路徑。但這選項只適用在小行星，因為被早期發現的前提下須要有充足的時間讓小行星漂離它穿過地球路徑時的原本位置。

       這樣的天文調查將我們對全球或大陸尺度災難的可能性評估降低了一個數量級，預估每年約一百人死亡，然而，hydrocode模型的最新進展說明，嚴重的空爆效應伴隨著造成隕石坑的撞擊，其後果可能遠比我們想像的嚴重，並且全球災難臨界值也可能由比我們認為還要小的小行星觸發。因此，基於機率的災難風險的降低可能部分被基於理解的災難臨界值的降低所抵銷。

       隨著較大小行星的風險降低，相對危害轉移到小型撞擊或空爆，它們是更加頻繁且難以避免的，而緩解方式將從偏離小行星方向轉為疏散撞擊區的人員，除非是發現大NEO在碰撞軌道上。聯邦緊急事務管理署(Federal Emergency Management Agency)與NASA正透過模擬撞擊的練習來演練這項行動，而新的太空紅外線望遠鏡「近地天體探勘者」(Near-Earth Object Surveyor)將會是降低剩餘風險，並提供早期預警的重要工具。

補充資料：

1. C. R. Chapman, D. Morrison, Cosmic Catastrophes, Plenum Press(1989).
2. C. R. Chapman, D. Morrison, “Impacts on the Earth by asteroids and comets: Assessing the hazard,” Nature 367, 33(1994).
3. M. Boslough, P. Brown, A. Harris, “2015 IEEE Aerospace Conference, IEEE(2015).
4. M. Boslough et al, “FEMA asteroid impact tabletop exercise simulations,” Procedia Eng.103, 43(2015).
5. A. W. Harris, P. W. Chodas, “The population of near-earth asteroids revisited and updated,” Icarus 365, 114452(2021).
6. D. A. Kring, M. Boslough, Physics Today 67(9), 32 (2014)

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Jul. 2024雜誌內 (Physics Today 77 (7), 54–55 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.hpss.xjwb)。原文作者：Mark Boslough。中文編譯：張鳳吟，國立陽明交通大學物理學系博士。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Mark Boslough and was published in (Physics Today 77 (7), 54–55 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.hpss.xjwb). The article in Mandarin is translated and edited by F. Y, Chang, National Yang Ming Chiao Tung University.