如何发现地球附近的潜在危险？

中国空间科学学会CSSR

1/ 近地小天体

近地小天体（Near-Earth Objects），是任何近日点小于等于1.3AU的小天体，包括小行星、彗星和流星体等。近地小天体是太阳系形成初期的物质残余，记录了太阳系形成和演化的过程；它们中的部分含有地球上稀缺的矿产资源，具有捕获和开采价值。近地小天体中的潜在威胁小天体（Potentially Hazardous Objects）轨道与地球的最近距离小于等于0.05AU而直径大于等于140米，具有一定的撞击地球的机率，并可能引发巨大灾害。

目前，人们主要依赖于地面和太空中的光学望远镜来发现近地小天体。据统计，截至2020年，已经发现的近地小行星超过了25000个；其中我们对于直径1000米以上的小天体发现率达到了96%。然而受观测所限，我们对于直径100米以下的近地小天体发现率远不足1%。由于这些小天体因其基数庞大，与地球的累积碰撞机率高，会对我们的生产生活带来不容忽视的伤害，因此寻找发现这类小天体的新方法就迫在眉睫。

2013年2月15日坠落在俄罗斯车里雅宾斯克的一个小天体

据估算，该天体在进入地球大气层之前直径仅有17米。该小天体在爆炸中释放了相当于约45万吨TNT爆炸的能量，造成约1500人受伤以及200栋建筑物受损。该小天体由于直径过小，由日侧接近地球，在进入大气层之前未被发现。

2/ 行星际磁场增强事件

宇宙中的小天体，一生都在与其他的天体发生碰撞。早期的碰撞，能产生较大的碎片。这些碎片往往围绕母天体继续运动，被称为共轨物质。它们继续碰撞将产生越来越多更加细小的碎片；其中产生的纳米级尘埃，在太阳风中被电离，并且能被太阳风加速到接近太阳风的速度。在这个加速的过程中，太阳风中的行星际磁场受到影响，从而形成了“行星际磁场增强（Interplanetary Field Enhancement，简称IFE）事件”。

IFE事件的主要特征是磁场强度成尖状增强，并且在磁场强度峰值处，磁场方向发生快速变化（下图），这两个典型特征使得它与其它太阳风中的磁场结构轻易区分开来；而这两个特征也正是当裹挟行星际磁场的太阳风遇到速度更慢的尘云后，所应该受到的磁扰动形态。

STEREO B卫星在地球附近观测到的一个IFE事件

阴影区域为受影响的行星际磁场区域，两条竖虚线之间是IFE事件。

3/ 利用行星际磁场增强事件

寻找小行星共轨物质

由于IFE事件是由尘云对行星际磁场的扰动造成的，我们可以利用IFE的空间分布特点，定位小天体碰撞频繁的区域，从而确定小天体出现的区域。此时我们或通过射电望远镜对这些区域进行进一步观测，以发现未知小天体；或对这些区域与已知小天体的轨道进行比较，以发现它们的共轨物质。比如：我们利用第二种方法，发现了小行星奥加托（2201 Oljato）具有一些共轨物质，而这些共轨物质在碰撞中释放的尘云，引起了0.7AU处IFE事件发生频率的空间分布不均匀性（下图）；而在地球附近，编号为138175的小行星也可能具有一定的共轨物质，引发了1AU处IFE空间分布的不均匀。

(a) 0.7AU处，IFE事件的年频率在日心黄道坐标系中随经度的分布。扇形阴影区域的半径代表其中IFE的年频率

(b) 在同样的坐标系中，小行星奥加托和卫星的轨道分布。当奥加托的轨道位于卫星轨道上游时，卫星观测到的IFE频率增大

IFE事件的观测除了揭示未知小天体的存在，还能估算这些小天体产生的尘云质量。这里我们假设尘云上游累积的磁压与太阳对尘云的万有引力相平衡，估算出的大部分尘云质量相当于直径小于100米的石块，覆盖了光学望远镜难以观测的范围。

揭示出小天体的存在后，我们可以利用行星际磁场的长期观测，以了解小天体分布的长期演化。我们发现，在近30年的时间，与奥加托共轨物质相关的IFE事件数目急剧减少。模拟结果显示奥加托的共轨物质在这段时间受到的来自地球和金星的引力扰动，部分轨道将发生改变，不再与奥加托共轨。

4/ 总结

我们利用小天体碰撞产生的尘云对行星际磁场的扰动，从而揭示这些小天体的存在。目前这种方法不仅发现了一些在已知的近地小天体中，存在可观的共轨物质，还监测了这些共轨物质的长期演化。

问答环节 /

1. IFE事件的发生频率跟日心距离有没有关系？

答：一方面，IFE观测是一种累计的效应，上游发生的碰撞都能被下游观测到，因此随着距离增加，观测频率应该增加；另一方面，IFE是有寿命的，当尘云速度达到太阳风速时，行星际磁场就不再受到扰动，IFE就消失了。最后将观测到两种因素相抗衡的结果。实际观测中，在0.3到5AU的范围内， IFE频率随日心距离的增加有微弱的增加趋势。

2. 如果能产生这样大的尘云，彗星的挥发率将很大，为什么没看到这样大挥发率的彗星？

答：这就是我们将IFE事件的主要产生原因归于小天体碰撞而不是彗星挥发的原因。只有碰撞才能在短时内以及在局地产生高密度的尘云。

3. 小行星138175是含水量多的小天体吗？

答：小行星138175位于观测下限，目前对其大小以及其它物理性质尚无定论。我们目前的观测方法只是指出它可能含有共轨物质，而确定共轨物质以及母星体的具体化学成分，还需要依赖比如射电望远镜的观测。

4. 在近地小天体飞掠地球时，为什么没有看到IFE事件？

答：近地小天体的存在是IFE事件发生的必要但不充分条件。只有当小天体发生了碰撞并释放了相当质量的尘云，IFE事件才会发生。

5. 目前的近地小行星中大概有多少能产生这样的尘云？

答：目前已确定轨道的近地小行星超过25000个，我们并没有把所有的近地小行星与观测到的IFE进行一一对应；目前只是用统计的方法，将有显著尘云效应的近地小天体找到。

报告人简介 /

赖海容，中山大学大气科学学院空间与行星科学系副教授。主要从事行星际磁场结构以及巨行星磁层方面的研究，本科及博士先后毕业于中国科学技术大学和美国加州大学洛杉矶分校。