空间中心科研人员在小行星撞击成坑及溅射粉尘扩散过程研究取得新进展

小行星撞击属于小概率但灾害链极其复杂的自然灾害，撞击过程伴随超高温、超高压、超高速等极端动力效应，撞击成坑会产生大量溅射粉尘；溅射粉尘被高速抛射进入大气层，部分粉尘进入平流层扩散，有可能引发全球性环境效应。开展撞击成坑-溅射粉尘全过程研究，对近地小行星防御、理解地球演化具有重要价值。目前室内超高速撞击试验受技术、成本限制难以开展真实工况模拟，数值模拟成为主要研究手段，但现有研究大多只关注单一过程，缺少覆盖“溅射粉尘形成-粉尘对流层运动-粉尘平流层扩散”完整链条的系统分析方法。

图1 小行星撞击地表灾害效应图

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室申旭辉研究员团队的刘芹芹副研究员联合清华大学科研人员，综合采用多套数值模拟工具，完成小行星撞击成坑到粉尘全球扩散全链条仿真研究。研究采用 FEM-SPH（有限元-光滑粒子流体动力学）耦合方法定量解析撞击成坑与溅射粉尘质量、动力学特征，发现溅射粉尘质量与小行星撞击能在双对数坐标系呈现良好线性关系；利用有限体积法 FVM 揭示对流层内粉尘经历初始高浓度速射→冲击波驱动扩散→气流涡旋强化混合→粉尘持续扩散四阶段演化；借助 FLEXPART 粒子扩散模型开展平流层长期模拟，揭示粉尘平流层扩散具备快速扩散→逐步高纬扩展→长期趋于平稳的时序层次性特征。模拟结果表明，小行星直径主要提升粉尘总产出，撞击速度显著提升粉尘向平流层输送比例，二者协同放大平流层粉尘载荷，巨型撞击留存的平流层粉尘会对全球气候环境构成潜在威胁。

图 2不同时刻粉尘体积分数分布（撞击速度 10 km/s、直径 50 m）

该研究建立起覆盖撞击成坑、大气输运、全球扩散的完整数值分析框架，突破以往仅做定性、单一环节模拟的局限，可为近地小行星防御的灾害评估提供理论与技术支撑。同时研究也指出，当前模型做了部分简化，尚未完整考虑热效应、相变、空气动力学等复杂过程，后续还需要进一步发展撞击试验与数值算法。

相关成果以《小行星撞击成坑及溅射粉尘扩散过程研究》为题发表在《科学通报》上。该研究工作得到空间碎片与近地小行星防御科研项目、九章人才 T 类计划启动项目等项目联合资助。

论文信息：

[1] 刘芹芹, 徐文杰*, 申旭辉*等.小行星撞击成坑及溅射粉尘扩散过程研究.科学通报, 2026.71(17): 3927-3936.

论文链接: https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5313

[2] 刘芹芹, 申旭辉*, 周炳红, 李明涛, 张庆明, 徐文杰, 龚自正*. 近地小行星撞遇地球灾害链效应. 空间碎片研究, 2022, 22(1): 1-17. 

论文链接: https://www.journalofsse.cn/CN/10.19963/j.cnki.2096-4099.2022.01.001

（供稿：天气室）