当前人类科技水平能否阻止飞向地球的陨石？

如题。

路过打个酱油，Phil Plait 2011年在ted talk上给出过一个很好的解答。
2004发现的小行星Apophis有百万分之一的概率在2036年击中地球，直径250m，类似的小行星虽然并不多，但是一旦击中地球就是一场灾难。Phil给出的解决办法其实很简单，总结起来就是“失之毫厘，谬以千里”。如果把一个2吨的小飞行器发射向小行星（大号陨石），让它和小行星并行飞行，而不是直接击中，经过足够长的时间，这个2吨的小物体的重力和火箭气流就足以让小行星那原本将击中地球的轨道偏离那么一点点。在宇宙的尺度里，这一点点就足够让轨道避开地球了。
Phil进一步还提出如果精妙控制重力，小行星甚至可以被这一点点重力改变轨道成为地球的一颗卫星被当做矿产开发利用。。当然这都是后话了。

我其实一直在好奇：如果美国觉得中国在监控，俄国认为日本在监控，其实大家都没在监控。最终会怎么样。。。

人类现有的技术条件是有能力阻止陨石飞向地球的。

以下是定量分析，时间不够或者对分析不感兴趣的可以直接读加粗部分。

首先假设一个前提条件：
1. 由于人类对太阳系内能造成威胁的km级别小行星已经有着系统的监控，所以当小行星能够真正对地球构成威胁时，人类可以立即探测到并且马上开始做出准备。
2.      人类能够在灭绝危机来临时会团结一心，动用一切设备和手段

好的，有了这两条，我们一起来开脑洞吧。

先看下最常见陨石的组成成分。

隕石通常分為三大類：石隕石主要是岩石，主要的組成是矽酸鹽礦物；鐵隕石，很大部分的成分是鐵與鎳；石鐵隕石的成分既有大量的岩石也有金屬。

所以总的来说，我们想要阻止的天外来客，各项物理性质（比热容，熔点，硬度，密度）都大约在二氧化硅和铁之间。

大陨石的轨道一般都为扁椭圆，所以到达地球时，与地球的相对速度通常在太阳系的逃逸速度的量级。
假设这些天外来客的外形为半径为r的球形，与地球的相对为v，则相对于地球的动能为：


冲量为


做一个简单的模型，一个以第三宇宙速度运动，密度为5g/cm3半径为5Km的陨石
质量约为：2.618*10^15 kg
动能为：3.649*10^23 J
冲量约为：4.372*10^19 Kg*m/s
用人类手头最屌的东西比一比。
一吨TNT：4.184 x 10^09 J
陨石的动能相当于8.72*10^13 吨TNT当量
人类最强大的核弹头约为5*10^7吨当量
所以这个陨石的动能相当于1744000颗大伊万热核炸弹。

卧槽这么大的能量放任它往地球上撞还！得！了！
。。。。。。看上去人类好无力.



不！为了人类的繁衍生息，我们必须战斗下去！！

干不过没关系，咱把它轨道掰弯点就行！
来我们先分析一下我们的目标：
改变陨星的运行速度，使其运行至地球轨道时，位置改变量超过1个地球半径。
总之来晚点或者跑偏点都可以。

有了目标，我们来推导一下需要多少动量。
（声明：以下的分析具有一定的抽象色彩，虽然采用了大量的近似，也但对于数量级的估计是比较靠谱的，请强迫症绕道。具体处理方法也许可行，但是具体的当量计算是闹着玩的别当真，严谨的计算需要专业的CFD建模，利用数值解复杂材料场的温度分布，并且考虑到等离子体与气体的相互作用，模型中的各种流体流动，氢弹爆炸的能量的不同吸收形式等等等等，虽然comsol可能能搞定，但是实在是太麻烦了。。。）


条件1：我们需要小行星轨道改变的尺度（也就是地球的轨道半径）相对于它的运动轨道尺度，以及太阳的引力场变化的尺度，是非常小的。可以看做是微扰。
条件2：由相对论得出，任何参考系下物理规律相同。

有了上面两个条件，我们利用相对论思想可以转化问题，把参考系从地球静止参考系变换到与小行星保持静止的参考系。
现在问题就变成了：有一个质量为M的静止的物体，在t（小行星到达地球的时间）内使其运动R（地球半径）所需要的最小冲量是多少。

诶嘛小行星撞地球的问题瞬间就变成初中物理题了。
最有效率的方式当然是在最短时间内把动量全部加到小行星上去。所以拯救地球所需要的冲量就变成：


小行星的速度各不相同，做一个粗略的模型，假设这颗大石头是在木星轨道受到乱七八糟的吸引而飞向地球的，速度大约为16km/s，密度为5g/cm3半径为5Km的陨石。飞到地球的世界大约为：4*10^8秒，也就是1.3年
可得：


所以，问题变为：如何将这样大小的冲量施加在小行星上

对比一下，一列满载运行的和谐号高铁的动量约为：
500000kg*100m/s=5*10^7 kg*m/s
所以大概八百万辆满载高铁撞上去就可以拯救地球了！

我擦了看上去还是好多啊！！

没关系，机智的人类想出了一些看上去靠点谱的解决方案：
我们来一个一个分析

1. 超高速大质量物体碰撞变轨法
还是考虑刚才的冲量：4.2*10^14 kg*m/s
考虑人类火箭目前能达到的最大速度约为20km/s
在小行星质心系相对于地球的运动速度约为30000 m/s
所以需要以这种速度送上天的物体约为：14000000吨
与此对照，猎户座飞船为25吨。
所以需要56万个猎户座飞船重量的物体砸向小行星。。。


显然，超高速大质量物体碰撞变轨法：不可行！



2.      大型太阳风减速伞法
地球附近的太阳风基本参量：
能量                               平均1keV/u
             粒子密度                           1~20cm-3
             电子密度                           7.1cm-3
             质子密度                           6.6cm-3
             平均流速                           450km/s
             电子温度                           1.4×105k
             质子温度                           1.2×105k
             质子的一般流量                  1～8×108cm-2·s-1
如果这些粒子全部进行非弹性碰撞，则在地球附近可以造成的压力为：


例如，所以如果张开太阳帆的面积为100 km^2，而且材料超强既能保证超薄又能吸收全部质子。
这样，完全张开的太阳帆能够产生的力高达……0.3牛顿！！


大型太阳风减速伞法 NO



没办法，还是祭出我们人类目前拥有的破坏力超越解决内部矛盾需要的大杀器：



我知道你们想得大概都是这样：


想都不要想
太空中爆炸的氢弹会是什么样子的呢？
可以参考我在另外问题下的答案：

物质依然会带着能量以很高的速度飞散。不过与地面不同，由于没有空气，而且炸弹自己的静质量比较其影响范围要小很多。所以单个物质粒子的平均动能要高很多，并且爆炸后温度过高以至于新生成的质子不可能束缚电子。

所以大概推测，爆炸后是高速膨胀的疏松超高温等离子体团和伽马射线飞向杀伤目标，所以类似地球上爆炸的冲击波的动量破坏就不可能了。

下面是利用氢弹的具体方法：

3.      表面等离子体气化反冲变轨法
这种方法是在小行星表面引爆巨量热核炸弹，可以通过热量加温等离子体化陨石材料，向外飞散的等离子体会带走一部分动量，由动量守恒，小行星就会向相反方向运动。
假设爆炸后产生的等离子体是向半球内各个方向均匀扩散的（如图）。



通过微积分计算可以得到在这样的条件下可利用的动量与总动量比为1/4

又因为：


我们要把能量集中在最少的物体上，才最节省能量。
所以人类决定采用在切面垂直于重心的表面上进行集中点爆破（这样可以防止反推的能量变成小行星的转动动能）。
一般而言，核爆中心温度大约可以加热到10^7量级,
设加热的材料为铁粒子。则在此温度下的运动速度为：


在此速度下，考虑到有效的冲量为总冲量的1/4，可以得到需要加速的质量为：


相对应的能量：


相当于263颗大伊万氢弹，easy啊有木有。

就算考虑到我们必须花6个月造火箭，和核弹，三个月飞到陨星旁边爆炸，再算上小行星的加速行为，再算上爆炸时的能量消耗，10km直径级别的小行星大概需要不超过千颗量级的核弹就能规避。
况且小行星真的正中红心的概率也不高，所以实际上只需要让小行星偏离的距离也并不完全是地球半径。
综合以上推导，我们可以写出规避小行星需要的能量公式：


其中R热学参数为：8.317 J/mol*K
所以，表面等离子体气化反冲变轨法，可行！

4.全星体高温气化法
顾名思义，我们采用某种手段对小行星进行持续不断的加热，直到整个小行星全部高温汽化为止。
我们看看铁材料的气化温度。
熔    点
1538°C
沸    点
2862°C
如果把半径5km的铁球整体加热到3000开，需要多少能量呢？

还是用之前的公式简单估算得到：1.8*10^18 J
换成TNT当量，只要4亿吨。
卧槽这太好了吧？四亿吨四亿吨，四亿吨当量的核弹你造不了吃亏你造不了上当。
所以四十颗氢弹扔过去就完事了？
想得太美了，实际上，有大量的因素会让这个数字成倍的增加。
首先，如果选择在表面爆炸的话，做到整体均匀地加热到3000度是很困难的。核弹的爆炸点过于集中，所到头来爆炸点还是少量几十万度的等离子体飞出去。

另外3000摄氏度的高温没有传导散热，只有辐射散热，但是：
物体热辐射功率定义式是


其中




简单计算一下，一个3000K的大铁球的辐射功率是：
1.4428*10^15 W  我擦核弹加热的速度根本闹不住他辐射啊。
多的有点超过想象？其实可以理解啦，这就相当于10KM直径的球形超级大灯丝啊。

所以到头来还是要用点爆的方法啊。
但是考虑到以上种种。如果目的变了，其实相较于第一种方法，炸的方法也会有变化。
为了让能量被更好的吸收，我们必须要减少之前 3 方法里面的被加热物质的温度。这样才能尽可能的节约能量。
我自己设计大概就是这样：


这样，爆炸点在中央，然后被四周吸收，实际上能量被物质吸收的速度就减慢很多了。
具体的当量估计大概需要CFD来进行模拟，我就不干这活了。
需要的氢弹数量与上一种方法应该在同一个数量级，如果出口气体算30k开温的话，需要大概84颗大亿万。

以上虽然技术上可行，但是人类目前的生产与发射能力是达不到标准的。
小行星风险绝不是一个中二的课题，为了规避1km直径级别以上的小行星风险，人类现在应该：
1.核大国应建立专门管控地外小行星风险的部门，而不是把责任放在一个NASA头上
2.在不影响国际安全的情况下常备500-1000颗2000万吨当量以上的热核弹头
3.保持常备的短时间内生产大量运载火箭的生产能力
4.维持小行星巡天计划，保证每一个可能造成威胁的小行星都在追踪范围内，并且每个月都要重新精确测量其速度与运行轨道。
这样才能让我们的地球远离小行星的威胁

参考资料：
猎户座飞船

太阳风 _百度百科

太阳风--科技--人民网

氢弹 _百度百科

TNT当量 _百度百科

隕石

隕石分類


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啥叫击落？人陨石本来就是不击也会落下来的
原题问的是当前科技水平是否能击落陨石

不能。
首先陨石的成分很杂，成分以金属为主还有能探测的可能（尽管难度不小），遇到冰陨石就彻底抓瞎了。
陨石的形状是不规则的，与大气层摩擦形成的形状更奇葩甚至直接裂成天女散花。气动外形奇葩，所以飞行轨迹基本没有什么规则可言，对防空导弹的机动能力是个大考验。

最最最重要的一点，陨石在大气内的飞行速度一般都在6马赫以上，像俄罗斯那次就是10马赫的高速，现在反导导弹能拦截的最高速度也就3马赫左右，加上蛋疼的气动外形，低可探测性，你想象一下吧。
就算击中了，你觉得那点威力能奈何得了？