晴朗的夜晚,我们仰望夜空,就能见到那繁星闪烁,仿佛在对我们诉说着它们身世的秘密。然而在夜空的黑暗处,就在我们居住的太阳系内,有那么一类数量极其众多的天体,它们不像遥远的恒星那样肆意散发着自己的光辉,因此,人们只能借助太阳的光芒才能一睹它们的芳容,它们就是太阳系小天体。
在小天体中,大部分流星体质量太小,会在大气上层燃烧殆尽,一般不具有威胁,但当其到达地面或在地面上层爆炸时可能会造成严重的局部破坏。大部分彗星的轨道偏心率很大,大部分轨道段都距离地球较远,很难观测,只有当其接近地球的时候才能被发现,这在一定程度上增加了其撞击的威胁。对地球撞击威胁最大的还是近地小天体,其轨道和地球轨道相近,终日在地球轨道附近游荡,撞击地球的概率非常大,这也是目前小天体威胁研究的主要目标。
小天体的撞击威胁
在太阳系中,轨道接近地球的小天体统称为近地小天体(NEO),从定义上来说,NEO的轨道半长径要小于1.3天文单位。近地小天体按照小天体的分类方法可分为三类:近地小行星(NEA),近地彗星(NEC),流星体。其中数量最多的就是近地小行星。如图1所示,近地小行星可根据轨道分为四类:阿莫尔型(Amor),近日点在1.02~1.3天文单位;阿波罗型(Apollo),半长轴大于等于1.0天文单位,近日点小于等于1.02天文单位;阿登型(Aten),半长轴小于1.0天文单位,远日点大于等于1.0167天文单位;地内型(inner Earth objects IEO;也称为 apohele 小行星或 atira 小行星),远日点小于等于0.983天文单位。
图1 近地小行星的轨道类型,表格内的数据根据 MPC 2017年3月公布数据计算而得,随着发现数目的增多,会有变化
在近地小天体中,有撞击地球风险的小行星或彗星被称作潜在威胁目标(potentially hazardous object PHO),对其分类的依据标准是:和地球的最小轨道交会距离(minimum orbit intersection distance,MOID)小于0.05天文单位,平均直径大于150米(对应视星等犎<22,反照率假设为13%)。满足此条件的小天体撞击地球足以引起人类历史上前所未有的区域性灾难或超级海啸。截至2017年3月上旬,根据小天体中心的最新发布数据,目前已经发现了15422颗近地小行星,其中直径超过1千米的有874颗,潜在威胁小行星(PHA)有1765颗,此外还发现了107颗近地彗星。大部分发现的PHA 都属于阿波罗型,只有很小一部分属于阿登型。图2显示了所有PHA 的轨道投影到地球轨道平面的情形,从图中可以看出,当空间尺度被缩小后,地球所处的空间环境还是很凶险的。
图2 NASA绘制的所有已知的潜在威胁小天体的轨道选用的PHA数据的日期是2013年初。图中的圆环从内向外分别是水星,金星,地球,火星和木星的轨道
在类地行星及其卫星上,人们也观测到了大量的撞击坑,这证明了在太阳系内撞击事件是普遍存在的。地球的邻居月球上也分布着大大小小、密密麻麻的撞击坑(图3)。由于月球上不存在明显的风蚀和地质活动,这些撞击坑也为我们留下了很好的样本。
图3 月球地貌,可以看到上面密集的撞击坑
图4 不同大小小行星撞击地球的频率左图为等效直径在100米以下的撞击频率,右图包含了所有直径1千米以下的小天体碰撞频率
如图4所示。可以看到小天体撞击地球的频率和大小之间大致呈现对数关系,并且尺寸越小撞击地球的频率越高,而小尺寸的往往还难以观测,这更进一步增加了其威胁性。从图中可以看出对于通古斯爆炸,是由直径50米左右的小行星撞击造成的,可以看到其发生频率约每500年一次。
以上只是从小行星轨道的角度阐述了其对地球的撞击威胁,除此以外,还要充分了解小行星撞击地球的后果。
小天体的撞击灾害
小天体抵达地球后,造成伤害的主要途径有两种:空中爆炸和地面撞击,这两种途径都是小天体携带的巨大动能在短时间内的急剧释放,威力巨大。空中爆炸是绝大部分流星体抵达地球后的结果,但由于其发生在高层大气,冲击波到达地面已经极其微弱,所以几乎没有造成危害。但有时也会有例外,当空中爆炸的高度很低,比如2013年俄罗斯的车州爆炸,就会对地面产生危害。地面撞击即通常所说的陨石撞击,有时在其到达地面前也会伴随着剧烈的空中爆炸。
本文摘编自徐波,雷汉伦编著《探测小天体》第一章,内容有删减。
徐波,雷汉伦 编著
责任编辑:钱 俊 周 涵
北京:科学出版社 2018.01
ISBN 9787030557797
《探测小天体》首先介绍了小天体的观测历史,解释了小天体的命名规则,阐述了小天体的分类规则,回答了小天体的起源与演化等问题,并介绍了小天体的物理化学性质和太阳系内知名小天体与矮行星;然后依照任务的完成阶段,系统地介绍了小天体探测任务,并对人类历史上大多数小天体探测任务进行了汇总;最后阐述了小天体对地球的潜在威胁,并给出了多种小天体防御方案。
(本期编辑:安 静)
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