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?？毡沟眯⌒行悄芰吭跇O短時間內(nèi)快速釋放，可能帶來大規(guī)模沖擊波損傷。小行星撞擊地球的角度最可能分布在45°左右，同時存在一部分以小角度（<10°）撞擊地球的小行星，通常稱為掠地小行星（Earth-grazing asteroid）。

圖1 2017年澳大利亞上空出現(xiàn)的掠地火流星長曝光圖片 （來源：arXiv:1912.01895 [astro-ph.EP]）

　　中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)院重點實驗室博士生耿淑娟、周炳紅研究員和李明濤研究員對掠地小行星的撞擊地球模式展開了深入研究。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(shù)空間變化規(guī)律，并對捕獲撞擊的潛在危害模式進(jìn)行了探討。

　　掠地小行星進(jìn)入大氣時的撞擊角較小，這使得此類小行星的撞擊模式更加多樣。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；捕獲撞擊則指小行星被地球引力捕獲，短暫成為繞地球運行的自然衛(wèi)星并最終撞擊地球。三類模式結(jié)合解體現(xiàn)象，進(jìn)一步細(xì)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。

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）

　　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，其概率更小，但仍有可能。為探究捕獲撞擊的參數(shù)空間，科研人員對2m、5m、10m、20m、50m、100m直徑掠地小行星的進(jìn)入大氣過程進(jìn)行了仿真分析。發(fā)現(xiàn)捕獲撞擊的參數(shù)空間對進(jìn)入速度較為敏感，且參數(shù)空間隨小行星進(jìn)入速度的增加而縮?。粚τ诎倜字睆揭韵碌男⌒行?，直徑越大的小行星越易解體，解體使捕獲撞擊的參數(shù)空間進(jìn)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(jìn)入時即發(fā)生了解體現(xiàn)象。

圖3 不同直徑下五種撞擊模式的參數(shù)分布（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）

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

圖4 不同參數(shù)條件下的捕獲撞擊軌跡示意圖

　　捕獲撞擊模式對撞擊效應(yīng)有重要影響，主要體現(xiàn)在兩方面：首先，由于能量和速度、質(zhì)量的損耗，被捕獲的小尺寸小行星在最后一次撞擊時規(guī)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(yīng)。此外，較長的地面航程也增加了軌跡和落點預(yù)測的不確定性，也將更難確定撞擊區(qū)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(jìn)入時，都可能伴隨沖擊波，且最低點可深入到30到35km，這與車?yán)镅刨e斯克事件空爆的高度（~30km）相當(dāng)。即臨時捕獲的小衛(wèi)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。

　　該研究成果對小行星大氣進(jìn)入軌跡與撞擊區(qū)域預(yù)測及潛在危害評估具有參考價值，以“On the capture of small stony asteroids into the Earth’s orbit by atmospheric grazing”為題，于2021年8月30日發(fā)表于天文領(lǐng)域國際知名期刊Monthly Notices of Royal Astronomical Society。審稿人評價：“I very much like and enjoyed this paper and support its publication - I look forward to seeing the authors future research on this topic（我非常喜歡和享受這篇文章并支持出版，期待看到作者關(guān)于這個主題的未來研究成果）”

　　該成果得到北京市重大科技專項、民用航天和近地小行星相關(guān)項目、空間中心重點培育方向等課題資助。 

　　參考文獻(xiàn)：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

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1093/mnras/stab2439 

　　（供稿：系統(tǒng)室）