吉林松原流星进入大气层过程及对地面的影响分析

2021-03-25党雷宁梁世昌黄洁柳森

空间碎片研究 2021年4期

党雷宁,梁世昌,黄洁,柳森

(1.中国空气动力研究与发展中心超高速所,绵阳 621000;2.中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究中心,绵阳 621000)

1 引言

地球经常遭受小行星和彗星等近地天体的撞击。这些撞击事件对地球环境和生命演化产生重要影响,也是人类生存和发展的潜在威胁之一[1]。著名的小行星撞击事件有6500万年前导致恐龙灭绝的墨西哥希克苏鲁伯地区小行星撞击事件[2]、1908年俄罗斯的通古斯 (Tunguska)大爆炸事件[3]、2013年俄罗斯的车里雅宾斯克 (Chelyabinsk)小行星撞击事件[4]。这三次撞击事件由于撞击体直径较大而发生频率较低,分别约为1亿年、1000年和100年[5]。人们频繁遇到的是小直径撞击体进入地球大气的流星事件。研究流星现象不仅可对近地天体的起源和演化等行星科学问题提供帮助[6],还能对小行星进入大气效应等行星防御科学技术问题研究提供支撑[7]。

国外自20世纪50年代开始研究流星现象[6]。经过几十年的发展,美国、加拿大、捷克、澳大利亚等国已经建立了完善的流星观测网[6-8],如美国的PN观测网,欧洲的EN观测网,澳大利亚的DFN观测网。美国、欧洲还利用监测核试验的次声网络以及民用、军用卫星[9,10],获得了大量流星进入事件的观测数据。美国NASA的CNEOS网站统计了自1988年以来所有流星的观测记录[9]。美国、欧洲和俄罗斯等还发展了从观测数据分析重构进入体质量、进入弹道、解体时序、空中爆炸情况、烧蚀系数、流明系数、能量沉积等重要参数的模型和方法[4,11-13]。捷克科学院的Ceplecha和Borovička等,从流星观测网、安防视频和次声网络观测数据出发,获得了Košice流星[11](2010年2月28日,斯洛文尼亚)、Mor'avka流星[12](2000年5月6日,捷克)的进入大气弹道、解体情况、能量沉积、陨石落点和质量。加拿大西安大略大学的Brown[14]和俄罗斯科学院的Popova等[4],基于观测数据对车里雅宾斯克 (Chelyabinsk)流星开展了系统性的研究,获得了流星进入大气前的轨道、母体质量、进入大气弹道、解体、能量沉积、陨石落区与质量、冲击波效应等结果。

我国正着手发展流星观测网,但目前覆盖面低,对流星现象的研究较少且研究水平落后国外。1976-1986年,我国科学家通过现场考察获得了吉林陨石雨 (1976年3月8日)进入大气方向与空爆高度。1998年,中国-荷兰狮子座流星雨联合观测队在紫金山天文台德令哈观测站对狮子座流星雨进行了目视观测[15],获得了流星雨的分布特征。2020-2021年,针对青海玉树流星 (2021年12月20日),紫金山天文台基于安防视频获得了进入弹道,并搜索到陨石[16];中科院空间中心开展了进入弹道与落点的计算分析[17]。中国空气动力研究与发展中心超高速所自2018年以来发展了小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA(Asteroid Impact Consequence Analysis)[18,19],能够开展小行星进入大气过程及对地面危害的分析,并应用该软件对车里雅宾斯克 (Chelyabinsk)、通古斯 (Tunguska)、青海玉树等流星事件开展了计算分析。

北京时间2019年10月11日0时16分,我国吉林松原地区发生流星进入大气层事件。针对该事件,本文首先分析了流星进入过程的观测数据,获得了流星母体质量、材料、飞行方向、亮度变化曲线、陨石搜索情况等,然后利用项目组建立的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA,分析了松原流星进入大气过程及对地面的影响,给出流星母体结构的合理推测。本文的计算分析与观测数据基本吻合,是对松原流星事件的合理解释,为分析同类现象提供了借鉴。

2 观测数据及分析

观测数据包括美国NASA CNEOS网站的数据、现场视频以及陨石搜寻结果。

2.1 CNEOS网站数据

美国利用军用卫星,通过可见光波段及红外波段的观测,在CNEOS网站[9]给出了松原流星最大亮度 (空爆点)位置、速度以及总辐射能,并根据Brown的经验公式[20]计算出进入动能。CNEOS网站的数据如表1所示,表中的速度分量相对于WGS84地固坐标系。表1中进入动能单位是kt,即千吨TNT当量,1kt=4.184×1012J。

表1 吉林松原流星CNEOS网站数据[9]Table 1 Observation data of Songyuan meteor at CNEOS website[9]

根据表1中的空爆点高度和速度,可以大致推断松原流星的材料。松原流星的母体可能包括小行星和彗星两类。由表1可见,松原流星在空中爆炸的高度为47.3km,此时流星的驻点压力ρairV2=0.27MPa,而解体早于空爆,解体时的驻点压力更小。根据目前天文学广泛采用的 “驻点压力大于强度即解体”的解体判据[1],流星的解体强度应小于0.27MPa。铁质小行星材料的强度为40～200MPa[21],远大于松原流星的解体强度。彗星材料的强度为0.001～0.01MPa[21],小于松原流星解体强度一个量级。长周期彗星撞击地球的平均速度为55km/s[21],远高于松原流星空爆点的速度14.1km/s。短周期彗星平均撞击地球速度与松原流星空爆点速度偏差相对小,但较容易被发现[5],而且没有任何公开报道和文献给出松原流星母体为彗星的线索。因此,松原流星母体材料是铁质小行星和彗星的可能性很小。Popova统计了大量流星进入大气层数据,认为石质小行星的解体强度为0.1～10MPa[22],松原流星的解体强度恰好在此范围。根据以上分析,本文认为松原流星的母体是一颗结构松散 (解体强度小)的石质小行星。

由表1的总撞击能量和空爆点速度,假定进入点 (高度100km)速度与空爆点速度偏差小(4.2节证明了这一假定的合理性),可得到流星母体质量为24174.4kg。研究指出,石质小行星的密度与具体组成 (含水、不含水)、陨落概率、孔隙率和强度相关[5,23]。我们取密度范围的概率最大值2500kg/m3为松原流星材料密度,则松原流星母体直径为2.642m。

根据表1中空爆点的速度分量,可计算得到流星空爆点航迹角为 -59.4°,航向角为36.6°。飞行航迹角定义[24]为速度矢量与当地水平面的夹角,速度矢量在当地水平面上方为正。飞行航向角定义[24]为速度矢量在当地水平面的投影与当地正东方向的夹角,偏北为正。因此松原流星的弹道陡峭,自西南往东北方向进入大气层。

2.2 视频数据

松原当地安防设备与个人手机拍摄到流星进入大气的视频,并上传到互联网。图1为某视频截图[25],该视频是能够获得的从固定设备拍摄的唯一视频,其他视频都存在设备摇晃而不便分析。图中各子图的时间为相对视频初始时刻。由图可见,流星进入过程中亮度随时间先增大后减小,弹道整体上比较陡,航迹角绝对值粗略看来应大于45°,与上文从CNEOS数据分析得到的航迹角在定性上符合。

图1 吉林松原流星视频截图Fig.1 Images from video of Songyuan meteor

本文对视频每帧图像的灰度值求和,得到总灰度值的序列。假定从进入点到空爆点流星飞行速度保持不变且弹道为直线,得到了总灰度值随时间的变化曲线 (图2),其中时间起点为进入点。需要说明的是,从进入点到空爆点弹道为直线是从视频数据分析进入弹道的合理假设,已经应用到国外很多流星事件的分析中[11,12,14]。Borovička等[26]在 Jesenice(2009年4月9日, 斯洛文尼亚)流星事件的视频数据重构亮度曲线中,通过与月亮亮度比较,得到流星的视星等,计算公式为

图2 松原流星进入视频总灰度值随时间变化(时间起点为进入点)Fig.2 Total grey value of Songyuan meteor video(time begins at entry point)

式中,M是火球的视星等,Mref是月亮的视星等,B是每帧视频中的像素灰度值之和,Bm是当月亮单独存在时像素灰度值的和,Bd是无月亮、无火球时像素灰度值的和,B、Bm、Bd都是经过对拍摄设备校核而得到的数据。松原流星视频无月亮或其它参考天体,且无法对视频拍摄设备进行校核,因此无法利用式 (1)得到视星等。天文学中著名的Pogson公式[27]为

式中,m为视星等,E为光辐射能量。小行星进入动能Et与光辐射能量Er、流明效率η存在如下关系

对比 (2.1)和 (2.2),流星视频图像总灰度值与光辐射能量功率dE/dt成正比。再根据(2.3),本文认为流星视频图像总灰度值与动能功率或能量沉积功率dEt/dt成正比。由图2可见,流星视频总灰度值先缓慢变化,在3.3 s急剧增加且在4.35 s达到峰值,随后急剧下降至5.7 s左右不再变化。灰度曲线的下降段还出现多个局部峰值,说明流星在主空爆后还经历了数次小空爆。

2.3 陨石搜寻结果

根据新闻报道,吉林博物馆和其他陨石搜寻者曾组织陨石搜寻,未发现陨石。作者和吉林博物馆联系并通过其他渠道,证实了这一消息。

3 进入过程及对地面影响计算方法

本文采用作者团队发展的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA,对松原流星进入大气过程及对地面影响开展计算分析。本节简要介绍AICA软件中的模型,对模型的详细论述可参见文献[18,19]。

3.1 弹道方程

圆球自转地球模型下,仅考虑飞行中的阻力,单个飞行体的弹道方程为:

式中,h为飞行高度,θ和φ分别是经度、纬度,V是飞行速度大小,γ是飞行航迹角或进入角,ψ是航向角,其定义已经在2.1节中阐述;Cd是阻力系数,计算中取1.0;A是横截面积,在计算中假定小行星为球形,则A=πr2;rt是小行星到地心的距离;采用美国1976年标准大气计算大气密度ρair。

3.2 质量损失方程

小行星由于烧蚀而不断损失质量,质量损失方程为:

式中,m是小行星瞬时质量,σ是烧蚀系数,CH是热流系数,Q是烧蚀热。

3.3 解体判据

使用如下解体判据:

式中,P是小行星驻点压力,S是解体强度。即当驻点压力超过强度,小行星解体。

小行星解体后,碎片的强度和质量服从Weibull定律:

式中,α为强度指数,下标 “c”和 “p”分别代表子碎片和父碎片。

3.4 解体模型

采用NASA的FCM解体模型。FCM模型有2016和2018两个版本,本文分别称为FCM(2016)和FCM(2018)。FCM(2016)模型[28]认为,小行星每次解体为一系列大尺寸的碎片和一个由小碎片、液滴组成的碎片云。所有的碎片都是独立的飞行体,其运动服从方程组 (4)和 (5)。碎片云的运动按照Pancake模型[21]计算。FCM(2016)模型中强度指数、碎片云质量分数以及每次解体后的子碎片数都保持不变,限制了其应用。在FCM(2018)模型[29](图3)中,小行星的初始结构由若干结构组和一个碎片云组成,每个结构组都包含数量不等的、尺寸和力学性质相同的子结构,每个子结构在达到解体条件时都按照FCM(2016)模型解体。FCM(2018)模型对小行星母体结构灵活的处理方式,使其可以应用于碎石堆复杂结构。Wheeler等[29]应用FCM(2018)模型,研究了 Košice、 Benešov(1991年5月7日, 捷克)、Tagish Lake(2000年1月18日,加拿大)等小行星进入事件,获得与观测数据一致的能量沉积和地面陨石质量计算结果。

图3 FCM(2018)模型示意图[29]Fig.3 Sketch of FCM(2018)

3.5 地面损伤模型

小行星进入大气过程对地面的损伤包括两类:一是冲击波引起的地面超压损伤,二是火球产生的热辐射损伤。

应用静态点爆炸模型和基于美国核试验数据的经验公式,评估小行星进入大气对地面的损伤。静态点爆炸模型把小行星的空中爆炸等效于发生在最大能量沉积高度处的点爆炸[1]。对于这个点爆炸,采用Collins的经验公式[1]计算冲击波引起的地面超压。Collins的经验公式通过拟合美国核试验数据,把自空爆点正下方 (文献中称为ground zero)冲击波的影响范围分为正则反射与马赫反射两个区域分别计算,公式的具体形式详见文献[1]、[19]。

对于热辐射损伤,Collins基于美国核试验数据和理论分析,推导出在地面空爆时火球热辐射损伤范围的经验公式[1],Wheeler等将其修改到适用于在某高度的空爆情形。具体公式详见文献[1]、[19]。

4 进入过程及对地面影响计算结果和分析

4.1 流星进入点与结构参数

AICA软件的输入参数包括流星进入点参数、母体结构参数与模型参数。与2.1和2.2相同,仍旧假设流星从进入点下降到空爆点速度变化小且弹道为直线,根据CNEOS的空爆点位置和速度,得到了进入点的位置、速度、航迹角和航向角,如表2所示。

表2 松原流星进入点参数Table 2 Kinetic parameters of Songyuan meteor at entry point

根据2.1节的结果,流星母体质量为24174.4 kg,密度取为2500 kg/m3,母体直径为2.642 m。烧蚀系数取为石质小行星材料的典型量值[1,23],其中碎片烧蚀系数为1.0×10-8kg/J,碎片云烧蚀系数为7.0×10-9kg/J。流明效率根据俄罗斯科学院的数值仿真结果取为17%[30]。计算过程中,首先假设松原流星母体结构为完整岩石,计算得到能量沉积曲线 (图4),能够复现总灰度曲线 (图2)大致变化趋势,但无论怎样调整输入参数都无法获得主空爆点后的几次空爆点特征。

图4 假设松原流星为完整岩石的能量沉积计算结果与视频总灰度曲线对比Fig.4 Comparison between computational results of energy deposition and total grey value of video assuming that the parent body is a monolith

本文假设松原流星为碎石堆结构,包含风化层以及4个由完整岩石组成的结构组,风化层质量分数为70%,结构组质量分数为30%,母体初次解体强度为0.018 MPa,各结构组的子结构数量以及子结构解体强度、强度指数、碎片云质量分数、子碎片数与质量分布详见表3。子结构碎片云质量分数对能量沉积与坠落地面陨石质量有着重要影响,为了得到与观测数据一致的计算结果,本文对前3块完整岩石取80%,第4块完整岩石取100%。通古斯 (Tunguska)大爆炸地面无陨石以及Chyba[21]采用Pancake模型对此事件的计算,实际上说明了碎片云质量分数取较大值甚至100%的合理性。Wheeler等[29]采用FCM(2018)模型对 Chelyabinsk、 Benešov、 Tagish Lake 等流星事件能量沉积与地面陨石质量的计算中,碎片云质量分数都取到了50%以上甚至100%的量值。

表3 松原流星母体结构参数 (初次解体强度为0.018 MPa)Table 3 Parent body's structure of Songyuan meteor(strength of 1stbreakup is 0.018 MPa)

在表3所示的流星母体结构参数下,本文完全复现了总灰度曲线的变化趋势 (图5),包括主空爆点之后的二次、三次、四次空爆点特征。因此,本文认为表3所示的流星母体结构参数是松原流星结构的合理推断。对图4～5说明如下:红色曲线是计算结果,纵坐标取右侧纵轴;黑色曲线是总灰度曲线,纵坐标取左侧纵轴;因无法把总灰度转换为能量沉积 (见2.2节),仅对比计算和观测曲线的形状,而不是量值。

图5 假设松原流星为表3所示碎石堆结构的能量沉积计算结果与视频总灰度曲线对比Fig.5 Comparison between computational results of energy deposition and total grey value of video assuming that the parent body is rubble pile with structure of Table 3

4.2 进入过程分析

图6给出在表3所示碎石堆结构参数下的能量沉积组成,图中 “regolith”表示表3中的风化层,“rubble 1”～“rubble 4” 分别表示表3中的4个完整岩石结构组。图7是松原流星的进入弹道,图中“asteroid”表示未解体的流星母体,“rubble 1”～“rubble 4”与图6的意义相同,各实心符号表示结构组中子结构的初次解体点,图7(a)是速度-高速曲线,图7(b)是纵向航程-高度曲线。综合图6和图7,流星母体进入大气后首先在高度69.8km解体,释放出的风化层和4个结构组;占母体质量70%风化层的减速和烧蚀使得流星能量沉积在主空爆点达到最大;结构组 “rubble 1”～“rubble 4”基于自身的强度 (见表3)分别在高度47.9km、44.9km、39.1km、40.6km继续解体,并分别释放出占其子结构质量分数80%、80%、80%、100%的碎片云,从而对主空爆点后的能量沉积做出贡献,使得主空爆点后出现二次、三次、四次空爆。进入点 (高度100km)与空爆点 (47.3km)的速度偏差小 (图7a),进入弹道近似为直线 (图7b),说明2.1、2.2、4.1节 “从进入点到空爆点速度变化小以及弹道为直线”的假设正确。

图6 松原流星进入大气能量沉积组成Fig.6 Constitution of energy deposition

图7 松原流星进入弹道计算结果Fig.7 Computational results of entry trajectory

图8给出松原流星总质量以及大尺寸碎片总质量随高度的变化情况。可以看到,当飞行至高度30 km时,所有大尺寸碎片都通过解体或烧蚀的方式消耗完质量,大气中留下由小碎片、液滴、灰尘组成的碎片云。在表3的计算条件下,对质量大于0.01 kg(直径约2 cm)的陨石进行统计,地面陨石总质量为1.04 kg,其中最大陨石质量0.065 kg(直径约3.4 cm)。陨石总质量较小且考虑到高空风对陨石散布影响较大,搜索到陨石的可能性较小。这是地面搜索不到陨石的重要原因。