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青海火球事件——“肇事者”身份调查

北京时间2020年12月23日7点23分,位于青海西藏交界处的玉树藏族自治州囊谦小城一片宁静。此时距离天亮约40分钟,大部分人还躲在温暖的被窝中,但已有早起的人顶着严寒和星光,开始了一天的忙碌。

突然,夜空中出现一个暗弱的移动光点。约10秒后,光点变成飞行火球,拖着长尾,以接近水平的角度飞向地面。火球越来越大,越来越亮,甚至超过了太阳的亮度。约20秒后,火球开始爆炸。在随后的10秒内,火球相继出现了多次空爆,在地面感受到多次明亮的闪光,瞬间将夜空照亮如同白昼。约30秒后,火球分裂成了十余个肉眼可见的碎块,消失在天际。

视频1:火球事件视频

火球分裂成十余个碎块(图片来源:作者)

囊谦、那曲、昌都等多地有人目睹了火球事件,并利用手机、监控摄像头和行车记录仪等设备记录到了火球的飞行过程。尤其难得的是,火球的爆炸过程被早班的西藏航空TV6018航班在空中完整拍到。火球爆炸产生的冲击波约2分钟后到达地面,被中国地震台网在囊谦、曲麻莱县等台站监测到,囊谦公安局所在地感受到了爆炸产生的声音和震动。

注意!注意!这不是电影情节,是发生在玉树的真实事件!那火球究竟是何方神圣?个头多大?来自何方?为何能在空中持续燃烧长达30秒,且亮度一度超过太阳?跟着大院er去“追光”,探寻玉树火球的身份之谜吧~

测体重:肇事者是近地小天体

1天之后,美国宇航局(NASA)下属的近地天体研究中心(CNEOS)公布了这次火球事件的探测数据。数据显示,一颗外太空物体以接近五万公里的时速,自北向南以接近水平的角度冲向地面,在北纬31.9°、东经96.2°上方35.5公里处高空发生爆炸,撞击能量相当于约9500吨TNT炸药,等效约0.73颗广岛原子弹的能量。由于空爆高度较高,绝大部分能量在高空释放,对地面没有造成伤害。

NASA近地天体研究中心公布火球事件(来源:NASA)

火球飞行速度超过了第二宇宙速度,因此这颗火球应该来源于太阳系,是一颗近地小天体。从其燃烧时间和亮度看,该火球也超过了任何近地轨道的空间碎片所能辐射的能量。结合撞击速度和撞击能量,可以推断出该小天体质量高达430吨,唯一与其质量接近的人造飞行器是国际空间站,约420吨。因此,综合各种判据,该小行星为一颗近地小天体

“估”密度:确定“肇事”天体身份

还记得,6500多万年前的那颗直径约10千米的近地小行星直接终结恐龙的地球霸主地位。这次肇事的小天体尺寸有多大呢?

小天体包括彗星小行星。彗星主要由水冰等挥发性物质构成,密度约为500-1100kg/m3。但彗星结构松散,在大气烧蚀和高压作用下,小尺寸彗星往往在高空爆炸,一般不会抵达35.5公里高度;此外,彗星多为大椭圆轨道,其进入速度一般超过16 km/s,因此我们排除该火球为彗星的可能性。

从材质角度,小行星可以大致分为三类:C类小行星为碳质小行星,富含有机物和水分,密度约为1200 kg/m3;S类小行星为岩石小行星,主要由硅酸盐及少量铁镍合金构成,密度约3000kg/m3;M类小行星为金属小行星,由铁镍合金构成,密度超过6000kg/m3

图3 小行星材质分类

(图片来源:Smithsonian Museum of Natural History)

假设该小天体为理想球体,密度为1000-6500kg/m3,表1给出了不同密度条件下,该小天体的尺寸估计。

表1 不同密度对应的小天体尺寸

为了进一步确认小天体的尺寸,我们参照NASA给出的条件,考虑小天体大气进入的气动力、重力、热烧蚀、压力等因素,结合不同类型小天体的强度和烧蚀热,对小天体大气动力学过程进行了仿真。下图给出了不同密度小天体的最终空爆高度与密度的关系。

图4 小天体空爆高度与小行星密度之间关系(图片来源:作者自制)

从上图也可以看出:当小天体的密度大于4500kg/m3时,小行星会直接撞击地表;当小天体密度小于2100kg/m3时,小天体空爆高度在37.5-50公里高度;当小行星密度在2100-4500kg/m3时,小天体的空爆高度约为35km,与NASA数据相吻合。因此小天体的直径约为5.7-7.3米,可以初步判断出,该小天体为一颗S类近地小行星。按照S类小天体的平均密度,该小行星直径约为6.5米。

查户口:“肇事”小行星来自哪里?

那么这颗小天体来自何方呢?以NASA提供的空爆数据为参考,我们考虑了大气、地球非球形引力、太阳、八大行星、月球的引力摄动、太阳光压和相对论效应等摄动因素,对该小天体进入地球之前的轨迹进行了反向追溯。

图5 小行星轨道追溯(图片来源:作者自制)

小行星的近日点地球附近,与地球轨道相交叉;远日点火星和木星之间的小行星带,远日点半径约为5.73亿公里,相对黄道面的夹角约为7.3°,绕太阳运行一周约为3.72年。因此可以推断,该小行星母体源于小行星带。经过撞击后从一颗大尺寸小行星上分离,在木星等天体引力摄动作用下,从遥远的主带飞向地球。

从轨道上分类,该小行星为一颗典型的阿波罗族近地小行星,即轨道周期大于地球轨道周期,大部分时间运行于地球轨道外侧,但轨道近日点在地球轨道内侧,当处于近日点的时候可能与地球发生碰撞。而12月23日,该小行星正巧位于近日点,与地球发生“追尾”事故。

图6 近地小行星轨道类型(图片来源:NASA)

案发地:陨石可能落哪里?

如果能够获得陨石样本,将能够从化学的角度对小行星的身份进行鉴定。火球在空中发生了多次爆炸、解体,形成了十余个可观测到的碎块。目前的观测和解体模型还无法约束碎块的大小和速度,并且碎块还会继续与大气相互作用,产生摩擦、烧蚀、二次解体等现象,因此陨石落点预报是极具挑战的事情。

火球空爆分解成碎块后,比表面积变大。大气密度随着高度降低指数级增加。因此,碎块爆炸后,大气减速效应将显著增强。形成大碎块在前,小碎块在后的“葫芦娃”排列分布。

为了对落区进行大致估计,假设空爆瞬时产生多个不同大小但相同速度的碎块,考虑大气密度和地球重力的作用,但不考虑烧蚀作用,对陨石落点进行了仿真。需要说明的是,该模型精度有限,仅可用于粗略估计落点。落点散布的高精度模型还需要进一步发展。

图7 小天体飞行轨迹及可能落区(来源:作者)

图8 陨石可能落区放大图(来源:作者)

可以看出,小行星大气进入点在青海省海西蒙古族藏族自治州长山梁附近,而陨石空爆点在青海玉树藏族自治州囊谦县与西藏自治区昌都县交界处吉曲乡附近,从进入110公里高度的大气层边界到发生空爆,地面航程约600公里。

在理想的假设模型下,陨石落区呈现“葫芦娃”排列分布,陨石尺寸越小越靠近空爆点,陨石尺寸越大,距离空爆点越远。从空爆点向落点可能有几十到上百公里的距离。

绝大部分小天体进入地球角度较大,而该小天体大气进入角非常小,与当地地平线的夹角仅约8.6°,略大于飞船再入的角度。如果角度再小一些,该小行星甚至有可能像嫦娥五号一样跃出大气层。在空爆点,小行星飞行方向与地平线夹角约4.8°。因此该小天体的地面飞行航程及陨石落区散布,相比2013年俄罗斯车里雅宾斯克事件都要更远,也是本文开头指出的小行星发光时间长达30秒的原因。

提前预警:小行星撞地球能被预测么?

小天体观测主要依赖地基望远镜。截止2020年12月26日,已经发24781颗近地小行星,其中最小直径的近地小行星直径约为1米。这颗小行星直径6.5米,为什么没有被提前发现?

小行星本身并不发光,望远镜发现小行星主要靠探测小行星反射的太阳光,小行星的亮度决定了其能否被光学望远镜发现。天文学上,用视星等表述小行星的亮度,小行星距离望远镜越近、小行星-太阳-望远镜之间角度越小(顺光)、小行星尺寸越大、反射率越高,小行星的视星等就越低,也越容易被发现。世界上观测能力最强的小行星专用望远镜是美国夏威夷泛星计划2.4米口径光学望远镜,其探测能力约为24视星等。

图9 夏威夷泛星计划望远镜(来源:Pan-STARRS)

S类小行星反射率约为0.2,对于直径约6.5米的小行星,其绝对星等约为28.5等星。在小行星撞击地球前679天内(半个绕日轨道周期),小行星的视星等曲线如下图所示。由图可见,该小行星的视星等极限值为30视星等,远远没有达到24视星等,远超出了人类现有观测能力。

图10 小行星视星等变化曲线(图片来源:作者自制)

从轨道的角度,该小行星从晨昏线方向飞向地球,从地球位置看,属于侧光观测,并不具备理想的观测条件。

图11 小行星从晨昏线方向飞向地球(图片来源:作者自制)

事实上,地基光学望远镜最有利的观测方向是夜空方向,在顺光的条件下实现最佳观测效果,已经编目的米级小行星都是从夜空方向近距离飞越地球的时候被发现的。

而大量危险小行星可能从晨昏线、甚至太阳方向飞向地球,2013年车里宾斯克陨石事件中小行星就从太阳方向撞击地球。由于太阳方向是地基望远镜的观测盲区,因此地球上所有的望远镜都没能提前对车里雅宾斯克陨石事件发出预警。因此来自太阳方向小天体的监测预警,是小天体观测与防御领域亟待解决的问题。

案情总结

基于NASA发布的火流星撞击数据,对玉树火流星事件中火球进行了身份追溯,初步判定火球为一颗直径约6.5米的阿波罗型近地小行星。该小行星远日点位于火星和木星之间的小行星带中,可能由于撞击脱离母体小行星,在木星等天体引力摄动下撞击地球。由于该小行星的大气进入角度较小,小行星以接近地平线的角度飞向地球,其地面航程和陨石落区都显著长于2013年俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件。

我国尚无自主的火球观测网络和设备,仅依赖地震台站数据并不能对火流星的飞行过程进行监测和定位,亟待发展我国自主的天地基火流星监测网,为监测火球事件、开展火球高速大气进入过程、寻找陨石、开展行星科学研究等提供支持。

致谢:

感谢耿淑娟、王新涛绘制部分图表。感谢李世杰、张勃、党雷宁、郭泉、雍恩米、周琪等有益的讨论。

作者:

李明涛,中国科学院国家空间科学中心研究员,博士生导师,主要从事航天器轨道设计、小行星防御与利用研究。

周炳红,中国科学院国家空间科学中心研究员,博士生导师,主要从事微重力流体力学、小行星防御与利用研究。

龚自正,中国空间技术研究院首席研究员,博士生导师,主要从事空间碎片防护、移除与小行星防御研究。

参考文献:

[1] https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/

[2] Chyba C F , Thomas P J , Zahnle K J . The 1908 Tunguska explosion: atmospheric disruption of a stony asteroid. Nature, 1993, 361(6407):40-44.

[3] 耿淑娟,周炳红,李明涛.小天体撞击地球多物理效应研究.第33届全国空间探测学术研讨会,2020,11,海口.

[4] 耿淑娟,周炳红,韩鹏, 等.小天体撞击地球大气层的空爆问题研究.空间碎片研究,2019,19(3):35-42.

来源:科学大院

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