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如何測量近地天體？

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2022年3月25日 -
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大家經常會聽到各種近地天體與地球擦身而過的消息，但耳聞不如一見。 今年11月29日淩晨兩點零六分，河南多地拍攝到火流星，夜如白晝，給人們帶來了很強的視覺沖擊。 此次火流星的能量約為130噸TNT當量，星體基本被地球大氣層燃燒殆盡，不會對地球造成較大影響。 
那麼近地天體對地球到底有沒有威脅呢，其實歷史中已經有了答案，著名的K-Pg事件、通古斯大爆炸、俄羅斯車裏雅賓斯克事件、雲南迪慶的火流星等等，只不過由於撞擊事件肇事者的個頭不同，對地球造成的影響也不一樣。 
科學家重建的俄羅斯車裏雅賓斯克隕石爆炸圖像（圖片來自網絡）
木星和月球是地球強有力的保鏢，它們用自身的引力捕獲近地天體，並用身軀為地球抵擋近地天體的撞擊傷害。 同時，地球的大氣層也是一件非常厲害的防護罩，大部分外來物體還沒有落到地面就會被燃燒殆盡，不會對人類社會造成影響。 但是，每年依然有大概1.7萬枚重量大於50g的隕石落到地球上。 原因是對於直徑大於10米的外來天體，地球的大氣層也不能完全抵擋它們。 如果這些天體撞擊地球的話，會對人類造成一定影響，天體的直徑越大，破壞力越強。 在這類天體沒有撞上來以前，就要積極地開展近地天體的監測和預警工作。 
已經被發現的近地小行星數量（圖片來自網絡）
近地天體的監測預警是一項比較龐大的工作，為了建立該類目標完備的數據庫，需要利用天文觀測發現目標並測算軌道，後續還要對它們的物理特性進行測量。 主要的測量手段及相關測量有以下幾個方面內容：
位置測量及軌道測定
要防禦近地天體，首先要知道它們的運行軌道。 通常需要先利用各類巡天設備發現這類目標，然後通過聯合全球不同區域的觀測設備開展後續天文觀測，去測量天體的歷元位置，才能得到目標精確的軌道參數。 目前開展這項工作的主力設備是地面光學望遠鏡，如果天體距離地球比較近，也可以采用雷達觀測、激光測距等測量手段。 此外，發射空基望遠鏡或者雷達，在太空中對這類目標進行測量也是一種更為直接、並且精度更高的測量方式。 
近地天體Apophis在2029年與地球最近距離時的運動軌跡（圖片來源：NASA）
物理參數測量
如何測量近地天體的自轉參數、形狀等物理信息呢？
近地天體本身是不發光的，但是太陽光照射到近地天體表面，反射的光能夠被觀測者所接收到。 這些光信號包含了天體自轉及表面形狀的信息，通過天文測光觀測以及相關估算方法，能夠對近地天體的自轉參數及形狀進行估計測量。 
還有沒有其他方法能夠測量這些物理量呢？答案是有。 例如，向近地天體發射電磁波，利用雷達接收反射的回波信號，能夠反演得到近地天體的自轉參數、形狀等信息。 通過紅外波段的觀測也能夠推算出近地天體的反照率、有效直徑等物理參數。 
我國用於開展近地天體觀測的部分光學觀測設備
（從左到右：麗江2.4m望遠鏡，雲南天文台1m望遠鏡，紫金山天文台近地天體望遠鏡）
物質成分測定
對近地天體的物質成分進行測定，最直接的方法就是利用航天器抵近或者登陸天體進行采樣分析。 但是，該方法一般只針對特定目標進行，無法對大規模目標群體開展成分測定工作。 還有另外一種方法可以測量近地天體的物質成分，那就是光譜測量。 太陽光照射在近地天體上，不同的物質元素會吸收不同譜段的太陽光，利用光學望遠鏡所配備的光譜儀對近地天體開展觀測，測量天體對不同譜線太陽光的反射吸收情況，就可以獲得近地天體的光譜曲線，進一步推測出近地天體的物質構成。 
中國小行星-彗星探測計劃概覽（圖片來源：Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).）
結束語：
針對近地天體開展長期監測，確定其軌道及物理特性，能夠幫助完備近地天體數據庫，不僅對開展行星防禦具有重大意義，而且對我國後續開展深空探測、獲取太空資源等工作具有深遠意義。 
參考文獻：
1. https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/
2. Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).
3. 季江徽, 胡壽村. 太陽系小天體表面環境綜述. 航天器環境工程, 2019, 36 (06): 519-532.
4. G.W. Evatt, A.R.D. Smedley, K.H. Joy, L. Hunter, W.H. Tey, I.D. Abrahams and L. Gerrish. The spatial flux of Earth’s meteorite falls found via Antarctic data. Geology, 2020, 48 (7): 683–687.
5. Yi-Bo Wang, and Xiao-Bin Wang. New CCD photometry of asteroid (1028) Lydina. RAA, 2012, 12 (12), 1714-1722.
來源：中國科學院雲南天文台

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大家經常會聽到各種近地天體與地球擦身而過的消息，但耳聞不如一見。今年11月29日淩晨兩點零六分，河南多地拍攝到火流星，夜如白晝，給人們帶來了很強的視覺沖擊。此次火流星的能量約為130噸TNT當量，星體基本被地球大氣層燃燒殆盡，不會對地球造成較大影響。

那麼近地天體對地球到底有沒有威脅呢，其實歷史中已經有了答案，著名的K-Pg事件、通古斯大爆炸、俄羅斯車裏雅賓斯克事件、雲南迪慶的火流星等等，只不過由於撞擊事件肇事者的個頭不同，對地球造成的影響也不一樣。

科學家重建的俄羅斯車裏雅賓斯克隕石爆炸圖像（圖片來自網絡）

木星和月球是地球強有力的保鏢，它們用自身的引力捕獲近地天體，並用身軀為地球抵擋近地天體的撞擊傷害。同時，地球的大氣層也是一件非常厲害的防護罩，大部分外來物體還沒有落到地面就會被燃燒殆盡，不會對人類社會造成影響。但是，每年依然有大概1.7萬枚重量大於50g的隕石落到地球上。原因是對於直徑大於10米的外來天體，地球的大氣層也不能完全抵擋它們。如果這些天體撞擊地球的話，會對人類造成一定影響，天體的直徑越大，破壞力越強。在這類天體沒有撞上來以前，就要積極地開展近地天體的監測和預警工作。

已經被發現的近地小行星數量（圖片來自網絡）

近地天體的監測預警是一項比較龐大的工作，為了建立該類目標完備的數據庫，需要利用天文觀測發現目標並測算軌道，後續還要對它們的物理特性進行測量。主要的測量手段及相關測量有以下幾個方面內容：

位置測量及軌道測定

要防禦近地天體，首先要知道它們的運行軌道。通常需要先利用各類巡天設備發現這類目標，然後通過聯合全球不同區域的觀測設備開展後續天文觀測，去測量天體的歷元位置，才能得到目標精確的軌道參數。目前開展這項工作的主力設備是地面光學望遠鏡，如果天體距離地球比較近，也可以采用雷達觀測、激光測距等測量手段。此外，發射空基望遠鏡或者雷達，在太空中對這類目標進行測量也是一種更為直接、並且精度更高的測量方式。

近地天體Apophis在2029年與地球最近距離時的運動軌跡（圖片來源：NASA）

物理參數測量

如何測量近地天體的自轉參數、形狀等物理信息呢？

近地天體本身是不發光的，但是太陽光照射到近地天體表面，反射的光能夠被觀測者所接收到。這些光信號包含了天體自轉及表面形狀的信息，通過天文測光觀測以及相關估算方法，能夠對近地天體的自轉參數及形狀進行估計測量。

還有沒有其他方法能夠測量這些物理量呢？答案是有。例如，向近地天體發射電磁波，利用雷達接收反射的回波信號，能夠反演得到近地天體的自轉參數、形狀等信息。通過紅外波段的觀測也能夠推算出近地天體的反照率、有效直徑等物理參數。

我國用於開展近地天體觀測的部分光學觀測設備

（從左到右：麗江2.4m望遠鏡，雲南天文台1m望遠鏡，紫金山天文台近地天體望遠鏡）

物質成分測定

對近地天體的物質成分進行測定，最直接的方法就是利用航天器抵近或者登陸天體進行采樣分析。但是，該方法一般只針對特定目標進行，無法對大規模目標群體開展成分測定工作。還有另外一種方法可以測量近地天體的物質成分，那就是光譜測量。太陽光照射在近地天體上，不同的物質元素會吸收不同譜段的太陽光，利用光學望遠鏡所配備的光譜儀對近地天體開展觀測，測量天體對不同譜線太陽光的反射吸收情況，就可以獲得近地天體的光譜曲線，進一步推測出近地天體的物質構成。

中國小行星-彗星探測計劃概覽（圖片來源：Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).）

結束語：

針對近地天體開展長期監測，確定其軌道及物理特性，能夠幫助完備近地天體數據庫，不僅對開展行星防禦具有重大意義，而且對我國後續開展深空探測、獲取太空資源等工作具有深遠意義。

參考文獻：

1. https://cneos.jpl.nasa.gov/fireballs/

2. Zhang, T., Xu, K. & Ding, X. China’s ambitions and challenges for asteroid–comet exploration. Nat. Astron. 5, 730–731 (2021).

3. 季江徽, 胡壽村. 太陽系小天體表面環境綜述. 航天器環境工程, 2019, 36 (06): 519-532.

4. G.W. Evatt, A.R.D. Smedley, K.H. Joy, L. Hunter, W.H. Tey, I.D. Abrahams and L. Gerrish. The spatial flux of Earth’s meteorite falls found via Antarctic data. Geology, 2020, 48 (7): 683–687.

5. Yi-Bo Wang, and Xiao-Bin Wang. New CCD photometry of asteroid (1028) Lydina. RAA, 2012, 12 (12), 1714-1722.

來源：中國科學院雲南天文台