都2023年了，不会还有人用肉眼看流星吧

文章来源：中科院地质地球所

原文作者：杜镕金

人类的流星文化

在如今的人类社会中，流星常意味着幸运、浪漫。

人们印象中的流星，往往是这样的。

图1 流星雨

这样的

图2 2013年俄罗斯车里雅宾斯克陨石事件

亦或是这样的

图3 台湾著名组合F4于2001年演唱的歌曲《流星雨》

但是

天外来物带来的未必都是好运，通古斯大爆炸就造成了巨大破坏。（1908年6月30日发生在现俄罗斯西伯利亚通古斯河附近的爆炸事件。该地区面积达2000平方公里，包括了约8千万棵树的针叶林被摧毁。现在的科学界普遍认为，通古斯大爆炸是由一颗直径100米上下的石质小行星引发的。）

图4 因通古斯大爆炸而被烧毁的森林

但严格来说，流星体的尺寸比小行星小得多，又比分子或原子大得多，其尺寸标准在1995年修订为100 μm至10 m之间。通常我们看到的流星雨主要是短周期彗星喷射出的物质流，比较著名的有英仙座流星雨，狮子座流星雨等。太阳系中的彗星会在自身轨道上留下大量的尘埃、碎片。地球每年在特定时间经过这些彗星的轨道，和附近的这些尘埃摩擦接触，由此才形成了流星雨。

图5 Tempel-Tuttle彗星轨道上散落的碎片

（狮子座流星雨的母彗星）

在古代，世界各地人民都将流星作为可以指示未来的意象。唐代段成式的《酉阳杂俎》有云“俗不欲看天狱星,有流星入,当被发坐哭之,候星却出,灾方弭。”对流星的忌讳一直存在于汉民族的文化中，流星时常被认为是凶兆。流星的大小、速度、声音都昭示着灾祸的具体情况。而根据北欧神话，流星就是北欧神话中的战神奥丁（Odin）的所有物——永恒之枪冈格尼尔（Gungnir），对冈格尼尔发誓的人，其誓言必将实现。对着流星许愿的习俗也许就是从此传向世界。不知从何时起，对着流星许愿成为了世界各国人民的共识。

图6 奥丁和他的武器

流星雷达的探测原理

进入现代之后，流星已经越来越脱离玄学的范畴，转而成为人们了解宇宙的跳板。借助科技进步的东风，人们观测流星的方式从肉眼观测更新为了借助无线电波的观测，由此产生了流星雷达。流星雷达是最近几十年发展起来的探测中高层大气的重要工具，它通过观测流星余迹的反射回波来反演该区域的大气环境参数，而且不受天气的影响和昼夜空间环境的限制，可以进行全天候持续性的观测。

“

嗯！那么流星余迹是什么呢？

流星余迹，也可简单视为流星的“尾巴”。流星进入大气后，以相对地心约11.2～72.8 km/s的速度和大气层摩擦，发生烧蚀。流星体在此过程中加热熔化，直至气化。气化后的原子仍然保持着较高的运动速度，和大气中的各种离子碰撞，发生电离，产生高密度的柱状等离子体，从而形成一个细长的圆柱状的尾迹，我们称之为流星余迹。

图7流星雷达探测余迹

而所谓的等离子体，是被视为独立于固态，液态，气态之外的第四态。原子或分子电离，正离子和负离子（也可包括中性粒子）并存的状态即等离子体。

图8 物质的四种状态，固态、液态、气态、等离子态，前三种由原子或分子（中性粒子）组成，等离子体由中性粒子、离子、电子混合而成。

图9 海南全天空流星雷达监测流星余迹

当流星高速划过天空时，会在其后面留下长长的柱状“尾巴”，这其中包含的就有大量的等离子体。当雷达发射的无线电波遇到这些等离子体，就会发生反射和折射现象。当接收点接收到信号，就可以获知余迹区域的物质成分、温度、压强等信息。

例如，当流星余迹的电子密度超过104/cm3时被称为过密余迹，此时余迹可视为一个圆柱形的反射器。而在欠密（电子密度小于104/cm3）的状态下，双极扩散作用在余迹的消散和过程中占据主导地位，使其回波振幅随时间呈指数衰减。双极扩散系数将回波振幅衰减时间和大气温度、压强相关联。由此可以基于探测得到的振幅衰减时间，通过双极扩散系数，获知大气温度和压强。

流星雷达的外观由发射天线和接收天线阵组成。在典型的配置中，发射天线包括1副两单元八木天线，接收天线阵则由5副两单元八木天线组成。每根接收天线负责观测45°方位角的范围。

图10 流星雷达的天线阵

图11 流星雷达的外观

而我们去看流星时，要盯着天空好久，才能等到一颗流星，还需要等到特定的流星雨的高峰期。用雷达去观测那么稀少的流星，岂不是很浪费？事实上，除了流星雨中的大量流星外，天空中还存在着诸多的偶发流星。其中包括众多微流星体，微流星体的质量分布峰值通常在10μg左右。这样一来，流星的数量就远不像我们想象的那么稀少了，甚至每年进入大气层的流星的数量级可以达到1015。同地球的表面积相比，相当于平均每年每平方米的地球表面会有7 颗流星坠入。

图12 流星雷达一天中监测到天空中出现的所有流星可达数万颗

So，为什么我们选择流星雷达

众所周知，地球大气分为对流层、平流层、中间层、热层。流星数量在90km高度最多，并以90km为中心呈高斯分布。流星雷达探测的高度范围大约为70km-110km。这一区域在空间物理学研究中经常被称为“低热层”或者MLT区域。

图13 流星雷达的探测范围

在中间层，大气中就开始出现等离子体，温度也急剧升高。低热层就是关键的耦合区域，研究这个分界线中存在的各种结构和波动，对于我们了解各层大气的耦合方式,有效解释高层大气和电离层中的各种现象有很重要的意义。

图14 探空气球无法达到低热层高度

流星雷达在低热层探测方面具有非常显著的优势。低热层的高度较低，大气较为稠密，会对卫星的运行造成干扰，带来较大的阻力，从而影响卫星的寿命。而探空火箭和气球虽然能较好的完成探测目标，却存在着不可长期观测和成本高昂等问题，且探测范围也远不及流星雷达。

图15 南极麦克默多站(McMurdo)流星雷达的网站

利用雷达观测流星开始于上世纪的30年代，数十年的发展中，流星雷达逐渐具备了反演大气温度、大气风场、大气密度等多种功能。低热层的大气密度变化可以影响到低轨卫星的轨道运行，提供准确的密度数据为计算低轨卫星的轨道变化提供数据支持，同时为卫星的安全发射和着陆提供数据保障。流星雷达系统运行稳定可靠，无人值守，同时由于不同密度、成分的大气吸收辐射的主要波长不同，流星雷达对低热层探测可以不受云雨风雪等天气因素的影响。

图16 低轨卫星由于需要和稠密的大气相接触，会产生摩擦而影响轨道的精确程度

如今，从荒凉的安第斯山脉到寒冷的南极冰原，流星雷达已经遍布全球。一些流星雷达的网站可以对观测到的流星进行实时报道，公布其观测到的流星数量、高度、速度等。

我国的流星雷达

图17 昆明观测站全天空流星雷达天线阵

中国大陆于2002年初在武汉建成了第一台流星雷达系统，隶属于中科院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室武汉站。目前已经推广到其他地区，在昆明、漠河、三亚、蒙城、北京、廊坊等地都建立了观测台站。

在相隔一定距离的多个地点开展流星光学组网观测，可以定位坠落地表的陨石，提供该陨石的来源母体信息；流星光谱可以用于太阳系早期演化时大尺度物质混合等研究。中科院地质与地球物理研究所在海南三亚和乐东建立的就是先进的双站流星光学观测系统，并据此发展了双站流星轨迹定位与流星体参数反演分析方法。流星雷达的大规模推广对我国的高层大气研究起到了重要的推动作用。

图18 国内现有的流星雷达分布

我国于2019年启动了十三五国家重大科技基础设施——空间环境地基综合监测网项目(简称子午工程二期)，旨在全面建成的空间环境地基综合监测网包含31个台站、近300台探测设备，大幅提高中国在该领域的创新研究能力，使中国成为世界空间天气领域的先进国家。而各地流星雷达的建设就是其中重要的一环。

图19 子午二期建设中的西藏阿里观测站

随着子午二期工程的进行，更多的流星雷达将同其他类型的大型监测设备一起被架设在阿勒泰、满洲里、拉萨等更广泛的地区，实现更大范围的覆盖，在探测能力上实现飞越。

在雪域高原上看流星，在漠河看极光环绕下的流星......该是何等的浪漫~

参考文献

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图片来源：Google 万方 徐寄遥.中高层大气物理和化学课件

美编：韩雅彤

校对：姜雪蛟（海洋一所）江淑敏

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