高保真模拟提供2013年车里雅宾斯克流星的洞察

来自2D球体模拟的图像显示了车里雅宾斯克陨石在大气层中下降时的碎片。资料来源：LLNL行星防御计划

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（by Paul Rhien, Lawrence Livermore National Laboratory）：2013年2月15日上午，一颗小型小行星在俄罗斯车里雅宾斯克上空爆炸，在该地区发出巨大的冲击波和声波，摧毁了建筑物，造成约1200人受伤。由此产生的流星直径约20米（大约相当于一座六层楼的大小），是一百多年来在地球大气层中探测到的最大的流星之一。

十年后，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）行星防御计划的科学家们公布了他们对空中爆炸事件的研究细节。该团队在过去三年中一直在对车里雅宾斯克流星的大气破裂进行建模和模拟。他们的研究强调了材料强度和断裂在破碎动力学中的重要作用。

尽管各研究机构已经对车里雅宾斯克事件进行了研究，但LLNL的科学家们是第一个使用基于从该事件中回收的陨石研究数据的材料模型，以全3D方式模拟车里雅宾斯克流星的科学家。与历史上的陨石事件不同，2013年的空中爆炸事件从多个角度记录在手机和安全摄像头视频中，并在撞击后不久从Chebarkul湖上找到了一块500公斤重的碎片。

他们的模拟结果与实际观测到的事件非常吻合，表明该物体可能是整体的，或者是一块岩石。研究人员表示，如果是这样的话，材料强度和断裂对物体的破裂以及由此产生的冲击波起着重要作用。

该项目的首席研究员杰森·珀尔（Jason Pearl）表示：“这真的只能通过3D模拟来捕捉。”。“当您将LLNL在撞击物理和水力编码方面的专业知识与实验室最先进的高性能计算能力相结合时，我们就有了独特的定位，可以对流星进行全3D建模和模拟。

珀尔说：“我们的研究强调了使用这些类型的高保真模型来理解小行星空中爆炸事件的重要性。”。“许多较小的小行星都是碎石堆，或者松散地堆积在一起的太空砾石，所以巨石的可能性真的很有趣。”

研究团队使用平滑粒子流体动力学（SPH）（一种用于模拟固体力学和流体流动动力学的计算方法）来研究车里雅宾斯克大小的整体小行星的破裂模式。在他们的模拟中，研究小组发现，当小行星后部在拉伸应力下形成主要裂缝时，就会发生空气爆炸。裂缝向小行星前方传播的时间尺度控制着小行星进入地球大气层时分裂成更小碎片的时间。然后，激波锋附近的一系列碎片暂时屏蔽了一个完全受损的区域，直到距离地球表面约30公里处，完整的碎片分离，碎片暴露在自由流中。最后，碎片云迅速减速，剩余的碎片继续破碎成更小的岩石块。

LLNL物理学家迈克·欧文（Mike Owen）解释说，破裂过程富含物理学。小行星与大气的耦合取决于它的表面积。表面积越大，物体接触的热量、应力和压力就越大。

欧文说：“当小行星进入大气层时，你开始出现某种灾难性的失败。”。“而且它倾向于在行进方向上压缩。这就像小行星在行进方向被挤压，破碎成不同的碎片，开始分离，并垂直于行进方向断裂。

“突然之间，更多的材料暴露在与空气的高超音速相互作用中，更多的热量被释放，更多的压力被施加在它身上，这使得它更快地破裂，你会得到一种级联的失控过程。”

对碎裂过程的更好理解可以用来建立车里雅宾斯克大小小行星风险的更好统计模型。LLNL的科迪·拉斯金（Cody Raskin）是该项目的主要贡献者，他表示，了解这些物体是如何分解并将其能量转移到大气中的，这对于准确估计它们可能造成的损害至关重要，并可用于更好地为民防战略提供信息。

这项研究的长期目标是使用这些模型来评估未来流星事件的地面效应，预测可能受到影响的区域。

拉斯金说：“近年来，我们探测小型小行星的能力大大提高。”。“如果我们能及时看到一颗小小行星接近地球，我们可以运行我们的模型，像飓风地图一样通知当局或潜在风险。然后他们可以采取适当的保护措施，例如疏散居民或发布就地避难令，最终挽救生命。”

“流星事件是自然灾害，就像其他任何自然灾害一样，我们可以做更多的准备，”欧文说。“它们不是高概率事件，但我们也不应将它们视为科幻小说。”