空間中心揭示掠地小行星撞擊地球的五種模式

　　小行星撞擊地球大氣層通常只考慮兩種主要模式，即空爆和撞擊地表。空爆使小行星能量在極短時間內快速釋放，可能帶來大規模沖擊波損傷。小行星撞擊地球的角度可能分布在45°左右，同時存在一部分以小角度（<10°）撞擊地球的小行星，稱為掠地小行星（Earth-grazing asteroid）。

　　中國科學院國家空間科學中心復雜航天系統電子信息技術院重點實驗室博士生耿淑娟與研究員周炳紅、李明濤，探究掠地小行星的撞擊地球模式。該研究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空間變化規律，并剖析了捕獲撞擊的潛在危害模式。

　　掠地小行星進入大氣時的撞擊角較小，因而此類小行星的撞擊模式更多樣。小角度撞擊模式包括逃逸、直接撞擊、捕獲撞擊三類模式。逃逸即小行星短暫掠過地球大氣層后逃逸；直接撞擊與大角度撞擊相一致；捕獲撞擊是指小行星被地球引力捕獲，短暫成為繞地球運行的自然衛星并最終撞擊地球。三類模式結合解體現象，進一步細分為五種撞擊模式，即逃逸、捕獲撞擊并解體、捕獲撞擊不解體、直接撞擊并解體、直接撞擊不解體。

　　小角度撞擊概率相對較小，捕獲撞擊作為其中一種撞擊模式，概率更小，卻有可能。為探求捕獲撞擊的參數空間，科研人員對2m、5m、10m、20m、50m、100m直徑掠地小行星的進入大氣過程進行了仿真分析。研究發現，捕獲撞擊的參數空間對進入速度較為敏感，且參數空間隨小行星進入速度的增加而縮小；對于百米直徑以下的小行星，直徑越大的小行星越易解體，解體使捕獲撞擊的參數空間進一步縮小，使部分原本可能飛出大氣層并被地球短暫捕獲的小行星在初次進入時即發生了解體現象。

　　捕獲撞擊的小行星，其軌道特性也隨進入速度和近地點高度的變化呈現出特定規律。捕獲撞擊的小行星可能繞地球運行多圈，即多次進入大氣層，并最終解體或落到地表。

　　捕獲撞擊模式對撞擊效應有重要影響：由于能量和速度、質量的損耗，被捕獲的小尺寸小行星在最后一次撞擊時規模會小于直接撞擊的小尺寸小行星，且被捕獲的小行星更有可能落到地表，此時需考慮地震和撞擊成坑效應。較長的地面航程也增加了軌跡和落點預測的不確定性，將更難確定撞擊區域的確切位置。

　　此外，由于捕獲小行星可能繞地球多圈，造成多次火球撞擊事件；每次進入時，都可能伴隨沖擊波，且最低點可深入到30到35km，這與車里雅賓斯克事件空爆的高度（~30km）相當。即臨時捕獲的小衛星可能在不同時間、在全球各地造成多次爆炸性沖擊事件。

　　該研究對小行星大氣進入軌跡與撞擊區域預測及潛在危害評估具有參考價值，相關研究成果以On the capture of small stony asteroids into the Earth’s orbit by atmospheric grazing為題，發表在Monthly Notices of Royal Astronomical Society上。研究工作得到北京市重大科技專項、民用航天和近地小行星相關項目、空間中心“重點培育方向”課題等的資助。

　　圖1.2017年，澳大利亞上空出現的掠地火流星長曝光圖片（來源：arXiv:1912.01895 [astro-ph.EP]）

　　圖2.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）

　　圖3.不同直徑下五種撞擊模式的參數分布（區域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）

　　圖4.不同參數條件下的捕獲撞擊軌跡示意圖