揭开空爆的威力：小行星、彗星和爆炸性撞击的尖端模拟
揭开空爆的威力：小行星、彗星和爆炸性撞击的尖端模拟
在最近发表在《Airbursts and Cratering Impacts》（2024 年）上的一项研究中，Luis Costa （Ozen Engineering） 和合著者探讨了宇宙空爆的破坏力——由彗星、小行星甚至地球大气层中发生的核爆炸引起的爆炸。Costa 与多元化的研究团队一起，使用尖端的计算建模来模拟各种空爆场景。他们的研究题为“彗星、小行星和核爆炸的空爆建模：激波变质作用、熔融玻璃和微球”（Modeling airbursts by comets, asteroids, and nuclear detonations: shock metamorphism, meltglass, and microspherules – ScienceOpen） 研究了这些爆炸事件的影响以及它们如何产生激变质作用、熔融玻璃和其他表明表面损伤的材料。本文深入探讨了他们的计算方法的细节以及从这些模拟中获得的见解。
当我们想到宇宙撞击时，我们经常会想到巨大的陨石坑，就像结束恐龙统治的小行星所创造的陨石坑一样。然而，并非所有的宇宙事件都会留下如此明显的伤痕。许多较小的天体，如彗星或小行星，在到达地面之前就在大气层中爆炸。这些被称为空爆，虽然它们可能并不总是产生陨石坑，但它们仍然会对地球表面造成毁灭性的破坏。
本研究通过使用最先进的水文代码建模来模拟各种场景，深入研究了这些空爆的复杂性。本博客将重点介绍研究人员采用的计算方法以及它们如何帮助我们理解这些破坏性现象。
80 m 小行星，空爆前 （a） 和 367 ms （b） 时的半定量温度（显示对流）。
为了对空爆进行建模，研究人员使用了 Autodyn-2D，这是一款复杂的水文代码仿真软件，可以对撞击、爆炸和冲击波等极端物理事件进行高度详细的建模。在这种情况下，水文代码特别有用，因为它们可以处理物质的多个相互作用相（气体、液体和固体），并模拟它们在极端条件（如高压和高温）下的行为。
像 Autodyn 这样的水文代码是研究撞击的重要工具，因为它们可以捕获有关冲击波如何穿过大气并与地球表面相互作用的详细信息。这些模拟对于预测空爆的后果和了解它们可能造成的损害类型至关重要，这些损害的范围从破碎的窗户到微球和熔化岩石的形成，具体取决于事件的强度。
在这项研究中，Autodyn-2D 用于模拟四种不同的空爆场景：
- 新墨西哥州的 Trinity 核空爆（1945 年）。
- 一颗 80 米的小行星。
- 一颗 100 米长的彗星。
- 一颗 140 米长的彗星。
每个场景都经过精心设计，以探索着陆空爆的影响，其中爆炸发生在非常靠近地球表面的地方。这种类型的空爆特别危险，因为它结合了空气爆炸的能量和直接的表面冲击，产生了双重破坏力。
除了使用 Autodyn 之外，研究人员还使用了地球撞击效应计划 （EIEP），这是另一种通常用于模拟宇宙撞击的模拟工具。虽然 EIEP 为撞击事件提供了可靠的一阶近似值，但它在处理发生在地表附近发生的空爆的复杂性的能力方面受到限制。例如，对于 Trinity 核空爆，EIEP 不能使用，因为它旨在仅模拟宇宙撞击，而不是静态核爆炸。
相反，Autodyn 接管了 Trinity 活动的建模工作。来自 Trinity 的实际观测数据与 Autodyn 模拟的比较显示出很强的相关性，证明了该模型的可靠性。这是一个重要的验证，因为核空爆与宇宙空爆有许多共同的特征，包括高温、高压和冲击波传播。
hydrocode 建模的主要优势之一是它能够模拟冲击波传播、温度分布和压力效应。这些变量在理解空爆可能造成的潜在损害方面起着至关重要的作用。
例如，在建模的 80 米小行星的情况下，模拟表明，在地球表面上方 662 米处爆炸时，空爆将在地面产生 15 GPa（千兆帕）的压力，这已经足够了对建筑物造成重大破坏，甚至冲击矿物的。冲击是指矿物在受到极端压力时发生的变化，通常会导致独特的结构变化，例如形成冲击石英和熔融玻璃。
同样，在模拟中，100 米和 140 米的彗星产生了更高的压力、冲击速度和超过 90,000 K（开尔文）的温度。这些条件足以形成浅坑，熔化表面材料，并产生高温微球，这些微球颗粒通常出现在撞击地点，是高温和高压的明显标志。
空爆建模的一个更复杂的方面是了解压力波如何与地球表面相互作用。在典型的空爆中，爆炸的柱状物（小行星或彗星）在大气中蒸发，但碎片通常会到达地面。在着陆空爆中，蒸汽和碎片的超高速射流可以超过 50 公里/秒的速度撞击地球，导致形成浅撞击坑和严重的表面损坏。
例如，在 140 米彗星情景中，空爆发生在距离地表仅 193 米的地方。由此产生的冲击波以 200,000 米/秒的速度传播，粉碎了其路径上的一切，并产生足以融化岩石和其他材料的压力。Autodyn 模型说明了这些高速射流如何与表面相互作用，导致材料熔化、蒸发并产生充满熔化撞击物碎片和表面碎片混合物的陨石坑。
该研究还探讨了在这些极端事件中散装材料失效是如何发生的。整体失效是指材料无法再承受压力波引起的应变并开始断裂、断裂或熔化的点。这在 Trinity 模拟中尤为明显，其中核爆炸下方的地面破裂并产生一个陨石坑。
为了确保模型的准确性，研究人员将他们的模拟与两个著名的空爆事件进行了比较：通古斯（1908 年）和车里雅宾斯克（2013 年）。这两起事件都发生在高海拔地区，但造成了严重的地面破坏。在通古斯，一次空爆将 2,000 多平方公里的西伯利亚森林夷为平地，在车里雅宾斯克，空爆产生的冲击波震碎了大片区域的窗户，造成 1,500 多人受伤。
建模结果与这些事件的真实数据之间的比较显示出良好的对应关系，这意味着模型能够准确预测空爆产生的损伤和冲击波的类型。这增加了该研究关于着陆空爆结论的可信度，由于接近地球表面，着陆空爆更具破坏性。
这项研究的发现对我们理解宇宙空爆以及我们如何在地质记录。虽然传统的撞击坑更容易识别，但空爆（尤其是着陆空爆）造成的损害类型可能更微妙，留下熔化的材料和震动的矿物，而不是大的陨石坑。
Hydrocode 模拟为探索这些事件和识别地质记录中过去空爆的标志提供了一个强大的工具。例如，冲击石英、熔融玻璃和微球等材料可以帮助科学家识别古老的气爆，即使在没有陨石坑的情况下也是如此。
这些模型不仅具有学术意义。它们在行星防御方面有实际应用。较小的小行星和彗星更难探测，可以产生毁灭性的空爆。小行星 2023 NT1 在距离月球仅四分之一的距离时经过地球，险些与地球擦肩而过，这凸显了了解这些事件的重要性。如果那颗小行星与地球相撞，它可能会产生足够大的空爆，足以摧毁一座城市。
虽然我们经常从巨大的陨石坑的角度来考虑小行星撞击，但空爆是一种更常见且可能更危险的宇宙撞击形式。使用 Autodyn-2D 和 EIEP 等高级计算工具，研究人员正在揭示着陆空爆的隐患，这些空爆会留下熔化的材料、震动的矿物和严重的表面损伤，而没有明显的大陨石坑迹象。
随着技术的进步和计算模型的更加完善，我们预测和减轻宇宙空爆影响的能力也将提高。了解这些现象不仅是行星防御的关键，也是解开地球过去及其与宇宙相互作用的秘密的关键。