導讀

小行星撞擊地球可能會造成非常嚴重的災難，這是影響人類在地球上長遠生存發(fā)展的一個重大潛在威脅。

9月20日，美國、加拿大和捷克的學者在《科學報道》期刊上發(fā)表了一項考古成果，約旦境內(nèi)的Tall el-Hammam古城，曾經(jīng)是兩河流域最為富饒的城邦，在公元前1650年左右很可能因為一場由隕石造成的空爆，頃刻之間被夷為平地，城中居民被全部殺死，屋頂和墻磚被熔毀，古城和周邊上百個小村莊從此被遺棄數(shù)百年。研究者認為，這座古城很可能就是《圣經(jīng)》中被天火毀滅的罪惡之城索多瑪?shù)脑汀?/span>

小行星或彗星撞擊地球也是好萊塢大片的常見主題，其中的經(jīng)典影片有比如《絕世天劫》（Armageddon， 1998年）、《天地大沖撞》（Deep Impact，1998年）和《末日逃生》（Greenland，2020年）等等。劉慈欣在短篇科幻小說《命運》的開頭也描述了小行星撞擊地球的場景。

但是，這些科幻作品都未曾揭曉過一個問題的答案：小行星到底是怎樣撞擊地球的？科學家們?nèi)涨敖怄i了小行星撞擊地球的五種模式。

撰文丨耿淑娟 周炳紅 李明濤

責編丨董惠玥

01

地球歷史上有哪些小行星撞擊事件？

1

?？颂K魯伯事件

在6500萬年前，一顆直徑約10公里的小行星撞擊了北美墨西哥灣尤卡坦半島的一處淺海，形成了世界第三大撞擊坑——?？颂K魯伯撞擊坑。

小行星以約20公里每秒的速度闖入大氣層，強烈的沖擊波引發(fā)了巨大的海嘯，高溫熱輻射則在瞬間點燃了周圍的一切。小行星沖入海底，形成了直徑約180公里的?？颂K魯伯撞擊坑。高速撞擊掘起了海底物質(zhì)，大量濺射物進入大氣層，變成火球雨落在全球，并引發(fā)了全球大火。

有觀點認為，此次撞擊事件導致煙霧和粉塵進入平流層，遮蔽了太陽光，使全球溫度驟降，地球進入長達幾十年的“冬天”。植物的光合作用近乎停滯，植物和以植物為生的動物的生存受到了影響。氣候環(huán)境的驟變對地球生物造成了毀滅性打擊，最終導致了包括恐龍在內(nèi)的全球超過70%的生物的滅絕。

圖1：?？颂K魯伯隕石坑丨圖片來源：DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE

希克蘇魯伯撞擊事件標志著白堊紀的結(jié)束和新生代的開始。統(tǒng)治地球長達1.6億年的恐龍退出了地球舞臺，哺乳動物從爬行動物巨大的影響下走出來，逐漸站上了地球舞臺，并成為了地球的主人，從而演化出今天高度發(fā)達的人類文明。

2

通古斯事件

通古斯大爆炸（Tungus Explosion）是1908年6月30日早上發(fā)生在俄羅斯西伯利亞通古斯河上空的爆炸事件，也是近200年來，地球遭遇的最大規(guī)模的撞擊事件。

爆炸發(fā)生于北緯60.55度，東經(jīng)101.57度，估計爆炸威力相當于2千萬噸TNT炸藥，等效約1000顆廣島原子彈。爆炸產(chǎn)生的沖擊波造成了超過2150平方公里內(nèi)8千萬棵樹的倒塌。

據(jù)報道，當?shù)厝嗽诋斎赵绯坑^察到一個巨大的火球劃過天空，其亮度和太陽相當。稍后出現(xiàn)的爆炸產(chǎn)生的沖擊波將附近650公里內(nèi)的窗戶震碎。在事發(fā)后數(shù)天之內(nèi)，亞洲與歐洲的夜空都呈現(xiàn)出暗紅色。

圖2：通古斯大爆炸后的森林丨圖片來源：the Leonid Kulik Expedition

通古斯事件可能是由一顆直徑30-50米的小天體撞擊導致的，但因為在現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)任何隕石，人們至今無法判斷該撞擊體是小行星還是彗星。也有觀點認為，通古斯事件可能是一顆金屬小行星在大氣層中“打水漂”造成的。

3

車里雅賓斯克事件

在2013年2月15日的早上，一顆直徑約20米的小行星，以約18公里每秒的速度撞擊了俄羅斯車里雅賓斯克地區(qū)，這是本世紀規(guī)模最大的一次撞擊事件。

圖3：車里雅賓客隕石事件丨圖片來源：NASA

由于這是一起發(fā)生在白天的撞擊事件，因此在這顆小行星爆炸之前，沒有任何一個望遠鏡能夠提前發(fā)現(xiàn)它。直到小行星在大氣層中爆炸，才被美國的氣象衛(wèi)星拍到。

該小行星在車里雅賓斯克地區(qū)上空約30公里的高空爆炸，等效約30顆廣島原子彈當量。爆炸瞬間的光芒超過了太陽。大約在兩分鐘后，爆炸產(chǎn)生的沖擊波到達地面，擊碎了約3000棟房屋的玻璃，導致約1500人受傷。

許多人用行車記錄儀等設(shè)備記錄了本次爆炸的過程。車里雅賓斯克事件給人們帶來極大震撼，這讓更多有識之士開始正視小行星撞擊的相關(guān)事件。

圖4：車里雅賓客隕石事件造成人員受傷丨圖片來源：新華網(wǎng)

02

小行星撞擊地球有哪些“姿勢”？

撞擊地球的小行星數(shù)目繁多，它們的軌跡各不相同，進入大氣層的角度也不同，其中，以45°角撞擊的概率最大。大部分進入大氣層的小行星都在空中解體或撞擊地面、海洋，但有一小部分小行星較為特殊，它們以很小的角度（比如說，<10°）進入大氣層，我們將其稱為掠地小行星（Earth-grazing asteroids），而這類撞擊常叫做小角度撞擊。

對于掠地小行星而言，它們的撞擊模式無疑是更加豐富的。除了像其他大角度撞擊的小行星那樣直接射入大氣內(nèi)部之外，它們也有可能像“打水漂”一樣掠過大氣層，而后逃回太空并不再回來。

其實，人們對此類“打水漂”的火流星并不陌生。早在1783年，便有歐洲西部上空飛掠火球的記錄[1]。1972年8月10日，一顆火流星造訪美國與加拿大上空，進入大氣后最低高度達到了58km，在損失部分質(zhì)量后飛出了大氣層，回到太空[2]。這顆掠地火流星引起了科學家們的廣泛關(guān)注，也成為科學家們研究較早的掠地火流星，被稱為“1972 年白日大火球”。

后來，人們又多次觀測到飛掠地球的火流星，如1990年10月13日波蘭上空的流星體[3]，2006年3月29日飛掠日本的流星體[4]等。于2012年6月10日掠過西班牙上空的流星更是被證實為觀測到的第一顆來自流星雨的掠地火流星，它在地球上空飛行了510km、超過了17s，最終帶著在大氣層內(nèi)形成的熔殼返回了太空[5]。

如今，各大火流星監(jiān)測網(wǎng)（如澳大利亞沙漠火球監(jiān)測網(wǎng)）的建立方便了我們對掠地火流星的觀測，也為科學家們推測火流星的物理特性及相關(guān)的軌道信息提供了便利。下圖中的火流星在2017年飛過澳大利亞上空，在大氣內(nèi)持續(xù)飛行達90s之久。通過觀測的數(shù)據(jù)，科學家們確定它進入大氣前速度為16.1km/s，而速度在其飛出時減小到了14.6km/s[1]。

圖5：2017年澳大利亞上空出現(xiàn)的掠地火流星長曝光的圖片丨圖片來源：arXiv:1912.01895 [astro-ph.EP]

不難注意到，在直接進入和逃逸之間，可能存在一種中間模式。在這一模式下，小行星被地球短暫捕獲，成為地球的小衛(wèi)星，處于一種“我要逃了，但又沒完全逃走”的狀態(tài)，它可能多次繞地球飛行，并逐漸“虛脫”，最終在大氣層內(nèi)解體或降落到地面，這種模式我們稱為捕獲撞擊。

圖6：逃逸、捕獲撞擊、直接撞擊示意圖，其中，捕獲撞擊與直接撞擊又各分為解體與不解體兩種模式。

近期，筆者所在的中國科學院國家空間科學中心/中國科學院復雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點實驗室對掠地小行星的撞擊地球模式展開了深入研究，并首次揭示了小尺寸小行星撞擊地球的五種模式，分析了捕獲撞擊模式的參數(shù)空間變化規(guī)律，對捕獲撞擊的潛在危害模式進行了探討。相關(guān)成果發(fā)表在天文領(lǐng)域國際知名期刊MNRAS上[6]。

捕獲撞擊的最終結(jié)果也并沒有非常特別，如果沒有完全燒蝕掉，它也是會發(fā)生解體或者落到地表的。解體和撞擊地表在撞擊效應上的差別很大。解體能夠加速小行星的質(zhì)量和能量的損失，使大量能量在一瞬間釋放出來，從而極易引發(fā)空爆，導致較大范圍內(nèi)的沖擊波災害。

如此一來，結(jié)合重要的解體現(xiàn)象，小行星小角度撞擊地球的“姿勢”就可以分為五種：逃逸，直接撞擊并解體，直接撞擊不解體，捕獲撞擊并解體，捕獲撞擊不解體。

03

捕獲撞擊的幾率與什么因素有關(guān)？

捕獲撞擊場景的可能性的確存在，只不過也確實很小。雖然小，但仍然有可能。

通過對直徑2米、5米、10米、20米、50米以及100米的小行星在2km/s到20km/s的速度范圍（地球影響球邊界處的速度）、0到100km的理論近地點高度范圍內(nèi)進入大氣的過程及結(jié)果進行了仿真，我們發(fā)現(xiàn)了兩個主要規(guī)律。

圖7：不同直徑下五種撞擊模式的參數(shù)分布。其中，區(qū)域1-5分別表示逃逸、捕獲撞擊不解體、捕獲撞擊解體、直接撞擊不解體、直接撞擊解體。

第一個規(guī)律是小行星被捕獲的參數(shù)范圍對速度較為敏感，且速度越大，可被捕獲的參數(shù)空間就越窄。這并不難理解。速度越大，小行星就越容易接近逃逸速度，而且也使得駐點壓強更容易到達解體強度，從而使之更易解體。因此，留給捕獲撞擊的參數(shù)空間就不可避免地縮小。

第二個規(guī)律是小角度進入時，對于幾米至百米尺寸的小行星，尺寸大的小行星更容易解體。這是由于直徑大的小行星面質(zhì)比更小，減速更慢，因此在相同高度下，速度大的駐點壓強也更大，更易達到小行星的解體強度。小角度撞擊下，速度較小的小直徑小行星更容易落到地面上，也是基于同樣的道理。

將兩個規(guī)律放在一起還能發(fā)現(xiàn)，解體在一定程度上加快了捕獲空間的縮小。有一些原本能夠飛出大氣層再飛回來的小行星，由于發(fā)生了解體，失去了飛出大氣的機會，在繞地球運行多圈之前便迎來了命運的結(jié)局。

04

捕獲撞擊軌道長什么樣？

被地球短暫捕獲的小行星，它們的軌道隨近地點高度和速度的不同也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

圖8：不同進入條件下的小行星捕獲撞擊軌道

進入大氣層時，近地點越高的小行星，在最后一次進入前繞地球的圈數(shù)也越多；速度越大的小行星，軌道的半長軸就越長。

除此之外，捕獲小行星在繞地球飛行時，每一圈的軌道特點也有所不同。

隨著圈數(shù)的增加，小行星的近地點會逐漸降低，軌道也由橢圓向圓形趨近；與此同時，小行星在大氣內(nèi)待的時間也更久，走過的地面航程也更長。這意味著，捕獲小行星在繞地球飛行時，越靠近最后一次撞擊，被人們目擊到火球的概率就越大。

05

更難預測的軌跡和危害？

根據(jù)總結(jié)的小角度撞擊模式與捕獲小行星的大氣進入規(guī)律，我們不難發(fā)現(xiàn)，捕獲小行星的撞擊效應是與直接撞擊有差異的。

首先，由于能量和速度、質(zhì)量的損耗，被捕獲的小行星在最后一次撞擊時的威力會小于直接撞擊的小行星。如果相同進入速度的小行星在捕獲撞擊和直接撞擊時都發(fā)生空爆，前者的沖擊波將更小。?

但同時，我們也需要注意，恰是由于速度較小、駐點壓力較小，被捕獲的小行星更有可能免于解體而落到地表，這時就需要額外考慮地震和撞擊成坑效應了。而且，超長的地面航程也增加了軌跡和落點預測的不確定性，我們將更難定位撞擊區(qū)域的確切位置。

表1：50米捕獲撞擊小行星與直接撞擊小行星單次大氣進入的持續(xù)時間與地面航程對比。其中，捕獲撞擊小行星先后5次進入大氣層，軌道如圖8中(a)所示。C1至C5表示捕獲撞擊 第1至5次進入大氣，D表示直接進入（速度18km/s撞擊角為18度）。

此外，既然捕獲小行星可能繞地球多圈，這就意味著一顆小行星就可以貢獻多次火球事件，而且每次進入時，都可能產(chǎn)生沖擊波，甚至最低點可深入到30到35km，這與車里雅賓斯克事件空爆的高度（~30km）相當。也就是說，臨時捕獲的小行星很可能會在不同時間在全球各地造成多次爆炸性沖擊事件?？梢?，雖然最后一次的撞擊效應沒那么嚴重了，但中間卻仍有可能對地面的人們和基礎(chǔ)設(shè)施帶來威脅。

06

為何還沒有發(fā)現(xiàn)捕獲撞擊事件？

1996年10月3日至4日，美國德克薩斯州與加利福尼亞州上空先后有兩個火球飛掠，二者時間間隔僅為100分鐘。有學者認為這兩個火球其實來自于一個被地球捕獲后兩次進入地球大氣的小天體[7]。可惜的是，經(jīng)過細致的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于德州上空的火球傾角過大，該小天體并沒有發(fā)生捕獲撞擊的可能[8]。

也就是說，到目前為止，捕獲撞擊的小行星還沒有觀察數(shù)據(jù)的支撐。這首先是因為小角度撞擊的概率相對較小，而在目前記錄的小角度撞擊中，人們也只發(fā)現(xiàn)了逃逸和直接撞擊的場景。其次，此類撞擊每兩次進入之間存在較大的時間和空間間隔，較長的間隔能達到一個月甚至更久，而這期間地球自轉(zhuǎn)引起的距離差也是不容小覷的。?

因此，即使人們觀測到了同一個小行星多次進入的現(xiàn)象，也可能會直接當成兩個不同的火球，而不是把它們聯(lián)想在一起。

07

可能的應用

除了災害的影響外，被捕獲的小行星也能為小行星探測與資源利用帶來一系列裨益。小行星探測的成本之所以高，很大一部分原因就是它距離地球相對遙遠。

而捕獲的小行星在被捕獲和落地期間是地球的小衛(wèi)星，如果能夠利用飛行器適當抬升其近地點至大氣層之外，就有可能使其成為一顆地球的小月亮[9]。這無疑能夠極大地減少小行星探測的成本，也使得低成本小行星資源利用成為可能。

?作者簡介?

耿淑娟

中國科學院國家空間科學中心博士研究生，主要研究小天體大氣進入軌跡建模與危害評估。

周炳紅

中國科學院國家空間科學中心研究員，主要研究小行星防御與利用、微重力流體力學。

李明濤

中國科學院國家空間科學中心研究員，主要研究小行星防御與利用、航天動力學與控制。

參考文獻：?

[1] Where Did They Come From, Where Did They Go: Grazing Fireballs[J]. The Astronomical Journal, 2020, 159(5):191.

[2] Ceplecha Z . Earth-grazing daylight fireball of August 10, 1972[J]. Astronomy and Astrophysics, 1994, 283(1):287-288.

[3] Borovicka J , Ceplecha Z . Earth-grazing fireball of October 13, 1990[J]. Astronomy & Astrophysics, 1992, 257:323-328.

[4] Abe S , Borovicka J , Spurny P , et al. Earth-grazing fireball on March 29, 2006. European Planetary Science Congress 2006, 2006.

[5] Madiedo José M, Francisco E , Castro-Tirado A J , et al. An Earth-grazing fireball from the Daytime ζ-Perseid shower observed over Spain on 2012 June 10[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2016(1):1.

[6] Shujuan Geng, Binghong Zhou, Mingtao Li, On the capture of small stony asteroids into the Earth's orbit by atmospheric grazing, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 507, Issue 3, November 2021, Pages 4661–4668

[7] Hills J G , Goda M P . Meteoroids captured into Earth orbit by grazing atmospheric encounters[J]. Planetary & Space Science, 1997, 45(5):595-602.

[8] Boslough M., Brown P., 1997, Texas & New Mexico eyewitnesses help solve fireball mystery; scientists still seeking meteorite fragments one year later,?https://www.sandia.gov/media/meteor.htm?(accessed August 7, 2021)

[9] Jedicke R , Bolin B T , Bottke W F , et al. Earth's Minimoons: Opportunities for Science and Technology[J]. 2019.

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