青海火球事件——「肇事者」身份調查
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北京時間2020年12月23日7點23分，位於青海西藏交界處的玉樹藏族自治州囊謙小城一片寧靜。此時距離天亮約40分鐘，大部分人還躲在溫暖的被窩中，但已有早起的人頂著嚴寒和星光，開始了一天的忙碌。
突然，夜空中出現一個暗弱的移動光點。約10秒後，光點變成飛行火球，拖著長尾，以接近水平的角度飛向地面。火球越來越大，越來越亮，甚至超過了太陽的亮度。約20秒後，火球開始爆炸。在隨後的10秒內，火球相繼出現了多次空爆，在地面感受到多次明亮的閃光，瞬間將夜空照亮如同白晝。約30秒後，火球分裂成了十餘個肉眼可見的碎塊，消失在天際。
視頻1：火球事件視頻
火球分裂成十餘個碎塊（圖片來源：作者）
囊謙、那曲、昌都等多地有人目睹了火球事件，並利用手機、監控攝像頭和行車記錄儀等設備記錄到了火球的飛行過程。尤其難得的是，火球的爆炸過程被早班的西藏航空TV6018航班在空中完整拍到。火球爆炸產生的衝擊波約2分鐘後到達地面，被中國地震台網在囊謙、曲麻萊縣等台站監測到，囊謙公安局所在地感受到了爆炸產生的聲音和震動。
注意！注意！這不是電影情節，是發生在玉樹的真實事件！那火球究竟是何方神聖？個頭多大？來自何方？為何能在空中持續燃燒長達30秒，且亮度一度超過太陽？跟著大院er去「追光」，探尋玉樹火球的身份之謎吧~
測體重：肇事者是近地小天體
1天之後，美國宇航局（NASA）下屬的近地天體研究中心（CNEOS）公布了這次火球事件的探測數據。數據顯示，一顆外太空物體以接近五萬公里的時速，自北向南以接近水平的角度沖向地面，在北緯31.9°、東經96.2°上方35.5公里處高空發生爆炸，撞擊能量相當於約9500噸TNT炸藥，等效約0.73顆廣島原子彈的能量。由於空爆高度較高，絕大部分能量在高空釋放，對地面沒有造成傷害。
NASA近地天體研究中心公布火球事件（來源：NASA）
火球飛行速度超過了第二宇宙速度，因此這顆火球應該來源於太陽系，是一顆近地小天體。從其燃燒時間和亮度看，該火球也超過了任何近地軌道的空間碎片所能輻射的能量。結合撞擊速度和撞擊能量，可以推斷出該小天體質量高達430噸，唯一與其質量接近的人造飛行器是國際空間站，約420噸。因此，綜合各種判據，該小行星為一顆近地小天體。
「估」密度：確定「肇事」天體身份
還記得，6500多萬年前的那顆直徑約10千米的近地小行星直接終結恐龍的地球霸主地位。這次肇事的小天體尺寸有多大呢？
小天體包括彗星和小行星。彗星主要由水冰等揮發性物質構成，密度約為500-1100kg/m3。但彗星結構鬆散，在大氣燒蝕和高壓作用下，小尺寸彗星往往在高空爆炸，一般不會抵達35.5公里高度；此外，彗星多為大橢圓軌道，其進入速度一般超過16 km/s，因此我們排除該火球為彗星的可能性。
從材質角度，小行星可以大致分為三類：C類小行星為碳質小行星，富含有機物和水分，密度約為1200 kg/m3；S類小行星為岩石小行星，主要由硅酸鹽及少量鐵鎳合金構成，密度約3000kg/m3；M類小行星為金屬小行星，由鐵鎳合金構成，密度超過6000kg/m3。
圖3 小行星材質分類
（圖片來源：Smithsonian Museum of Natural History）
假設該小天體為理想球體，密度為1000-6500kg/m3，表1給出了不同密度條件下，該小天體的尺寸估計。
表1 不同密度對應的小天體尺寸
為了進一步確認小天體的尺寸，我們參照NASA給出的條件，考慮小天體大氣進入的氣動力、重力、熱燒蝕、壓力等因素，結合不同類型小天體的強度和燒蝕熱，對小天體大氣動力學過程進行了模擬。下圖給出了不同密度小天體的最終空爆高度與密度的關係。
圖4 小天體空爆高度與小行星密度之間關係（圖片來源：作者自製）
從上圖也可以看出：當小天體的密度大於4500kg/m3時，小行星會直接撞擊地表；當小天體密度小於2100kg/m3時，小天體空爆高度在37.5-50公里高度；當小行星密度在2100-4500kg/m3時，小天體的空爆高度約為35km，與NASA數據相吻合。因此小天體的直徑約為5.7-7.3米，可以初步判斷出，該小天體為一顆S類近地小行星。按照S類小天體的平均密度，該小行星直徑約為6.5米。
查戶口：「肇事」小行星來自哪裡？
那麼這顆小天體來自何方呢？以NASA提供的空爆數據為參考，我們考慮了大氣、地球非球形引力、太陽、八大行星、月球的引力攝動、太陽光壓和相對論效應等攝動因素，對該小天體進入地球之前的軌跡進行了反向追溯。
圖5 小行星軌道追溯（圖片來源：作者自製）
小行星的近日點在地球附近，與地球軌道相交叉；遠日點在火星和木星之間的小行星帶，遠日點半徑約為5.73億公里，相對黃道面的夾角約為7.3°，繞太陽運行一周約為3.72年。因此可以推斷，該小行星母體源於小行星帶。經過撞擊後從一顆大尺寸小行星上分離，在木星等天體引力攝動作用下，從遙遠的主帶飛向地球。
從軌道上分類，該小行星為一顆典型的阿波羅族近地小行星，即軌道周期大於地球軌道周期，大部分時間運行於地球軌道外側，但軌道近日點在地球軌道內側，當處於近日點的時候可能與地球發生碰撞。而12月23日，該小行星正巧位於近日點，與地球發生「追尾」事故。
圖6 近地小行星軌道類型（圖片來源：NASA）
案發地：隕石可能落哪裡？
如果能夠獲得隕石樣本，將能夠從化學的角度對小行星的身份進行鑒定。火球在空中發生了多次爆炸、解體，形成了十餘個可觀測到的碎塊。目前的觀測和解體模型還無法約束碎塊的大小和速度，並且碎塊還會繼續與大氣相互作用，產生摩擦、燒蝕、二次解體等現象，因此隕石落點預報是極具挑戰的事情。
火球空爆分解成碎塊後，比表面積變大。大氣密度隨著高度降低指數級增加。因此，碎塊爆炸後，大氣減速效應將顯著增強。形成大碎塊在前，小碎塊在後的「葫蘆娃」排列分布。
為了對落區進行大致估計，假設空爆瞬時產生多個不同大小但相同速度的碎塊，考慮大氣密度和地球重力的作用，但不考慮燒蝕作用，對隕石落點進行了模擬。需要說明的是，該模型精度有限，僅可用於粗略估計落點。落點散布的高精度模型還需要進一步發展。
圖7 小天體飛行軌跡及可能落區（來源：作者）
圖8 隕石可能落區放大圖（來源：作者）
可以看出，小行星大氣進入點在青海省海西蒙古族藏族自治州長山樑附近，而隕石空爆點在青海玉樹藏族自治州囊謙縣與西藏自治區昌都縣交界處吉曲鄉附近，從進入110公里高度的大氣層邊界到發生空爆，地面航程約600公里。
在理想的假設模型下，隕石落區呈現「葫蘆娃」排列分布，隕石尺寸越小越靠近空爆點，隕石尺寸越大，距離空爆點越遠。從空爆點向落點可能有幾十到上百公里的距離。
絕大部分小天體進入地球角度較大，而該小天體大氣進入角非常小，與當地地平線的夾角僅約8.6°，略大于飛船再入的角度。如果角度再小一些，該小行星甚至有可能像嫦娥五號一樣躍出大氣層。在空爆點，小行星飛行方向與地平線夾角約4.8°。因此該小天體的地面飛行航程及隕石落區散布，相比2013年俄羅斯車裡雅賓斯克事件都要更遠，也是本文開頭指出的小行星發光時間長達30秒的原因。
提前預警：小行星撞地球能被預測么？
小天體觀測主要依賴地基望遠鏡。截止2020年12月26日，已經發24781顆近地小行星，其中最小直徑的近地小行星直徑約為1米。這顆小行星直徑6.5米，為什麼沒有被提前發現？
小行星本身並不發光，望遠鏡發現小行星主要靠探測小行星反射的太陽光，小行星的亮度決定了其能否被光學望遠鏡發現。天文學上，用視星等表述小行星的亮度，小行星距離望遠鏡越近、小行星-太陽-望遠鏡之間角度越小（順光）、小行星尺寸越大、反射率越高，小行星的視星等就越低，也越容易被發現。世界上觀測能力最強的小行星專用望遠鏡是美國夏威夷泛星計劃2.4米口徑光學望遠鏡，其探測能力約為24視星等。
圖9 夏威夷泛星計劃望遠鏡（來源：Pan-STARRS）
S類小行星反射率約為0.2，對於直徑約6.5米的小行星，其絕對星等約為28.5等星。在小行星撞擊地球前679天內（半個繞日軌道周期），小行星的視星等曲線如下圖所示。由圖可見，該小行星的視星等極限值為30視星等，遠遠沒有達到24視星等，遠超出了人類現有觀測能力。
圖10 小行星視星等變化曲線（圖片來源：作者自製）
從軌道的角度，該小行星從晨昏線方向飛向地球，從地球位置看，屬於側光觀測，並不具備理想的觀測條件。
圖11 小行星從晨昏線方向飛向地球（圖片來源：作者自製）
事實上，地基光學望遠鏡最有利的觀測方向是夜空方向，在順光的條件下實現最佳觀測效果，已經編目的米級小行星都是從夜空方向近距離飛越地球的時候被發現的。
而大量危險小行星可能從晨昏線、甚至太陽方向飛向地球，2013年車裡賓斯克隕石事件中小行星就從太陽方向撞擊地球。由於太陽方向是地基望遠鏡的觀測盲區，因此地球上所有的望遠鏡都沒能提前對車裡雅賓斯克隕石事件發出預警。因此來自太陽方向小天體的監測預警，是小天體觀測與防禦領域亟待解決的問題。
案情總結
基於NASA發布的火流星撞擊數據，對玉樹火流星事件中火球進行了身份追溯，初步判定火球為一顆直徑約6.5米的阿波羅型近地小行星。該小行星遠日點位於火星和木星之間的小行星帶中，可能由於撞擊脫離母體小行星，在木星等天體引力攝動下撞擊地球。由於該小行星的大氣進入角度較小，小行星以接近地平線的角度飛向地球，其地面航程和隕石落區都顯著長於2013年俄羅斯車裡雅賓斯克隕石事件。
我國尚無自主的火球觀測網路和設備，僅依賴地震台站數據並不能對火流星的飛行過程進行監測和定位，亟待發展我國自主的天地基火流星監測網，為監測火球事件、開展火球高速大氣進入過程、尋找隕石、開展行星科學研究等提供支持。
致謝：
感謝耿淑娟、王新濤繪製部分圖表。感謝李世傑、張勃、黨雷寧、郭泉、雍恩米、周琪等有益的討論。
作者：
李明濤，中國科學院國家空間科學中心研究員，博士生導師，主要從事航天器軌道設計、小行星防禦與利用研究。
周炳紅，中國科學院國家空間科學中心研究員，博士生導師，主要從事微重力流體力學、小行星防禦與利用研究。
龔自正，中國空間技術研究院首席研究員，博士生導師，主要從事空間碎片防護、移除與小行星防禦研究。
參考文獻：
[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,周炳紅,李明濤.小天體撞擊地球多物理效應研究.第33屆全國空間探測學術研討會，2020,11，海口.
[4]耿淑娟,周炳紅,韓鵬, 等.小天體撞擊地球大氣層的空爆問題研究.空間碎片研究,2019,19(3):35-42.
來源：科學大院
