科学家揭示流星体撞击地球前的七个阶段 熔化与碎裂是质量损失的关键

研究人员通过分析75次有陨石回收记录的流星体事件，发现这些来自太空的岩石在穿越地球大气层时，并非只是简单地“烧掉”，而是会经历一系列连续的熔化、碎裂、减速和残骸散落过程。

研究团队将这一过程划分为七个阶段，研究结果发表在《陨石学与行星科学》期刊上。

一项对75次陨石坠落事件进行的研究发现，流星体进入地球大气层后，并不是简单地被高温蒸发，而是会经历一系列连续的熔化、碎裂、减速和残骸散落过程。研究人员将这一过程划分为七个阶段，并指出，熔化和碎裂才是决定这些太空岩石如何损失质量、降低速度并最终抵达地面的关键因素。

这项研究由美国SETI研究所和美国宇航局艾姆斯研究中心的流星天文学家彼得·詹金斯肯斯博士领衔，研究结果发表在《陨石学与行星科学》期刊上。研究团队通过分析75次有视频或照片记录的陨石坠落事件，追踪流星体从进入大气层到成为陨石的整个过程。

研究人员表示，过去人们普遍认为，坚硬的岩石会在高速穿越大气层时产生的巨大热量和强烈光线下逐渐蒸发，但最新研究显示，岩石首先熔化，随后发生碎裂，才是其损失质量的主要机制。第一阶段发生在高空，当大气密度达到足以在流星体前方形成激波的程度时，流星体便开始与空气分子发生剧烈碰撞。

碰撞会加热岩石及其周围气体，使其发出明亮光芒，形成我们所看到的流星或“流星划过夜空”的现象。随着流星体继续下降，进入更加稠密的大气层，第二阶段开始，亮度逐渐增强。部分流星会表现出规律性的亮度变化，研究人员认为，这可能反映了它们在高速旋转。

此次分析的流星体中，旋转最快的天体每隔约0.5至5秒就能完成一次自转。第三阶段是流星体亮度急剧增加并转变为火流星的阶段。研究人员发现，此时熔化已经成为岩石损失质量的主要原因。

高速气流会不断从岩石表面剥离熔融物质，这些熔化的小液滴随后会在流星体后方继续蒸发。研究人员指出，实验室很难模拟自然大气层进入过程中那种强烈的辐射环境。

美国艾姆斯研究中心前研究人员、现任Hyperspace Technologies首席科学家埃里克·斯特恩表示，如果岩石主要是通过剧烈碎裂和侵蚀来损失质量，那么流星体亮度随时间变化的规律就不应该呈现出目前观察到的系统性特征。大约在距离地面60公里的高度，火流星进入第四阶段，并达到一种熔化平衡状态。此时，其亮度可能趋于稳定，也可能以较为平缓的速度持续增加。

研究人员估计，到这一阶段，单靠熔化就可能使流星体损失原始质量的40%。第五阶段发生在流星体进入更稠密的大气层后。随着迎面而来的空气压力不断增大，岩石开始出现碎裂，多个碎片可能从主体上分离，并在天空中形成一连串明亮的闪光。

研究人员发现，碎裂开始时，流星体前方的空气压力仅约为最终回收陨石抗压强度的五分之一。研究人员认为，这种看似过早的碎裂，可能与流星体此前在太空中经历的加热和碰撞有关。长期受到撞击的岩石可能已经产生裂纹，使其在进入地球大气层时比原本更容易破裂。

在这一阶段，幸存的主体开始迅速缩小，减速也变得更加明显，尤其是在碎裂程度较高的情况下。研究团队成员斯图·皮洛兹表示，他们能够将这种由碎裂引起的减速过程，与此前基于烧蚀理论建立的数学描述联系起来。如果主体岩石的后部仍保持完整，它就会在身后形成一个低压尾流，将较小的碎片吸引到后方。

美国宇航局艾姆斯研究中心研究人员达雷尔·罗伯逊表示，模型显示，只要太空岩石的后部仍然完整，就会在尾流中形成类似真空的区域，使碎片倾向于沿着这一狭窄通道运动。因此，较小的陨石往往会在地面上形成一条较为集中的散落带。第六阶段开始于主体岩石的后部最终发生碎裂。

此次最后的解体会产生一次明亮的闪光，并将碎片以更高的相对速度向外抛射。由于流星体此时已经明显减速，后期闪光通常会呈现红色，而不是下降早期常见的明亮绿色。詹金斯肯斯表示，最后一次解体会将碎片以更高的相对速度抛出。

过去的陨石坠落事件中，研究人员注意到，质量超过约20克的陨石往往散落得更广，而其中许多来自原始太空岩石靠近表面的部分。研究人员认为，这些部分很可能就是岩石的后部。最终能够落到地面的陨石，在这一阶段开始时往往仍是较大的碎片，但它们在继续下降的过程中仍会不断熔化和碎裂，直到速度降低到足以在剩余路程中存活下来。

第七阶段是决定哪些碎片最终能够抵达地面的阶段。此时，熔化和碎裂仍在继续，直到剩余碎片的速度降低到不再发光的程度。随后，熔化停止，幸存碎片表面形成一层薄薄的熔壳。

它们继续穿过低层大气时，风力可能会将这些已经变暗的碎片吹离原本的下降轨迹，最终以陨石的形式落到地面。研究团队还比较了75次事件中不同类型的陨石，以确定不同材料的流星体分别在什么高度经历这七个阶段。研究人员表示，研究不同成分的小型固态太空岩石如何在大气层中减速，也有助于理解更危险的空爆小行星的行为。

这类小行星的大小可以从汽车级别一直延伸到城市街区级别。詹金斯肯斯指出，直径达到数十米的小行星通常仍是完整的固态岩石，因为它们的自转速度往往比更大的“碎石堆”小行星更快。2013年在俄罗斯车里雅宾斯克上空发生空爆的那颗直径约20米的小行星，就经历了与此次研究所揭示的相同阶段。

研究人员表示，这项研究不仅有助于解释流星体如何在大气层中逐渐变成陨石，也为未来评估小行星撞击风险提供了新的参考。通过了解不同类型太空岩石在进入大气层时的熔化、碎裂和减速规律，科学家或许能够更准确地预测它们最终会以何种形式抵达地面，以及哪些部分可能在大气层中幸存下来。