“我们过去认为，在空中碰撞产生的巨大热量和强光作用下，固态岩石会蒸发，”SETI研究所和美国宇航局艾姆斯研究中心的流星天文学家、第一作者彼得·詹尼斯肯斯博士说。“但我们发现，岩石的质量损失实际上是由先熔化后碎裂的过程控制的。”
研究人员确定， incoming 太空岩石在穿过大气层时会经历七个不同的阶段。每个阶段由不同的物理过程主导，影响着岩石的外观、行为和最终命运。
太空岩石如何变成明亮的流星火球
这段旅程始于第一阶段，在地球高空，那里的大气密度足以使 incoming 岩石在其前方产生冲击波。当岩石与空气分子碰撞时，其表面和周围气体都会升温并开始发光。这就产生了通常所说的流星或“流星”的光迹。
在第二阶段，流星进入密度越来越大的空气中，导致其亮度增强。一些流星还会显示出重复的亮度变化，这可以揭示它们的自转速度。在被检查的自转最快的天体中，完成一次完整自转需要0.5到5秒。
本研究调查的有记录的陨石坠落事件之一。2023年2月13日，小行星2023 CX1在法国诺曼底上空产生的火球。当天，被称为Saint-Pierre-le-Viger的陨石到达地面并被随后寻获。图片来源：G. de Reijke提供。
到了第三阶段，流星变得更亮，发展成火球。此时，熔化成为从岩石上剥离物质的主要过程。强烈的气流从其表面剥离熔融物质，产生液滴，这些液滴在脱离主体后继续蒸发。
“在实验室里，我们无法产生那种速度下自然大气再入过程中出现的辐射量，”前美国宇航局艾姆斯研究中心员工、现任Hyperspace Technologies公司首席科学家的埃里克·斯特恩说。“岩石可能会剧烈碎裂和侵蚀，但如果是那样，我们就不会观察到火球亮度增强所呈现的这种系统性规律。”
火球在约60公里（约40英里）的高度进入第四阶段，此时熔化达到相对稳定的平衡状态。在此阶段，火球的亮度要么几乎保持不变，要么以稳定的速率增加。据研究人员称，仅熔化过程最终就能移除原始岩石多达40%的质量。
为何流星在接近地球时会破碎
当火球下降到大气层密度更大的层次时，不断增加的气压开始使岩石破裂。这标志着第五阶段的开始，此时碎片从主体分离，并可能产生重复的光爆。
一个特别令人惊讶的发现是这种解体开始得有多早。研究人员发现，当作用在岩石前表面的气压仅达到地球上回收的陨石测量强度的约五分之一时，岩石就可以开始碎裂。他们认为，大气再入过程中的加热，加上太空中先前碰撞留下的裂缝，可能足以削弱岩石，从而解释这种意想不到的行为。
正是在这一阶段，剩余的岩石开始迅速缩小并经历大幅减速。它碎裂得越彻底，失去速度就越快。
“我们能够将这种由碎裂引起的减速与之前基于烧蚀的数学描述联系起来，”SETI研究所的合著者斯图·皮洛兹说。
研究人员还发现，幸存岩石的形状会影响较小碎片最终落地的位置。如果其后部保持完整，主体会在其尾流中产生一个低压区，将较小的碎片吸引在后面。
“我们的模拟显示，只要太空岩石的背面保持完整，该岩石就会在其尾流中拖出一个真空，碎片倾向于流入其中，”美国宇航局艾姆斯研究中心的合著者达雷尔·罗伯逊说。“那些小陨石会落在地面上的一条狭长地带内。”
最后的爆炸与落地之旅
第六阶段始于主体岩石的后部最终破裂。这最后一次剧烈解体产生明亮的闪光，并以更大的相对速度将碎片散射出去。由于流星已经大幅减速，这些最后的闪光通常呈现红色，这与下降过程早期常观察到的明亮绿色不同。
“那次最后的解体使碎片以更高的相对速度飞出，”詹尼斯肯斯说。“在过去的坠落事件中，我们注意到大于约20克的陨石往往散落得更广，而且许多来自原始太空岩石的表层附近，那一定是它的背面。”
最终幸存到达地球表面的碎片始于相对较大的碎块。然而，在着陆前，它们在继续减速的同时经历了额外的熔化和碎裂。
在第七阶段，这些过程持续进行，直到剩余碎块减速到不再产生可见光。一旦熔化停止，其表面会留下一层被称为熔壳的薄外层。随后，这些变暗的碎片完成其下降过程，大气风可能会在它们作为陨石着陆前将其推离原始轨迹。
陨石坠落揭示了关于危险小行星的哪些信息
研究人员检查了涉及几种不同类型太空岩石的75次有记录的陨石坠落事件。通过比较它们的行为，他们能够确定不同材料进入七个阶段中每个阶段的高度。
这些观测不仅解释了小陨石如何到达地面。它们还提供了关于大得多的小行星行为的宝贵线索，包括从汽车大小到整个街区大小的物体，这些物体可能在大气层中产生剧烈爆炸。
通过测量不同固态岩石在大气再入过程中的减速和碎裂方式，科学家可以更好地了解控制这些潜在危险小行星空中爆炸的过程。
“直径达数十米的小行星也是固态岩石，因为它们往往比较大的‘碎石堆’小行星自转得更快，”詹尼斯肯斯说。“2013年在俄罗斯车里雅宾斯克上空引起空中爆炸的那颗直径20米的小行星，经历了相同的阶段。”