点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:从流星到流星监测网络
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

从流星到流星监测网络

来源:光明网2021-09-07 14:19

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  从流星现象出发

  “初凉宜夜透衣罗,时见流星度绛河” 。流星是大众喜闻乐见的天文事件。宁静的夜晚,于庭院中手捧一杯香茗,赏流星瞥过,不可谓不惬意。

  需要说明的是,流星是流星体带来的一种现象。当流星体进入地球大气燃烧时就是我们见到的流星了。在2017年4月,IAU(国际天文联合会)对流星体的定义进行了正式的修订:在行星际空间中移动的固体物体,其尺寸在30微米至1米之间。

  实际上闯入地球的流星体绝大部分是沙子或者谷粒大小,一入大气则荡然无存,燃烧的亮度不少在-1等左右。较为罕见的是火流星,宿主块头要大一些,在大气中烧的虽所剩无几,却往往留有遗骸,有些亮度可达-14等以上,比满月还要亮一百倍。

  按照周期性的不同,流星可以分为偶发流星和流星雨。对于一个特定的流星雨,它们在天空中划过的轨迹延长线几乎交于一点,我们称这虚拟的点为辐射点,辐射点出现在哪个星座就管它叫什么流星雨。不同的流星雨有着各自的档期,且峰值时期每小时天顶流量(ZHR)往往不同。

从流星到流星监测网络

图1. 七大流星雨档期示例图,目前最值得期待的是英仙座和双子座流星雨(图源:自绘)

  那么这些流星雨从何而来呢?这恐怕还与太空“脏雪球”——彗星有关。

  彗星一般在一个椭率很高的轨道上运行,且并非铁板一块的刚体,当它经受行星或太阳较大的潮汐力时,会瓦解出一些碎片出来;亦或者临近太阳温度升高,容易形成十分广阔弥散的尘埃慧尾,这些彗尾小颗粒会逐渐散落至轨道各处。当彗星的轨道和地球轨道有重叠,且地球行进到此处时,这些小颗粒平行坠入大气就带来了流星雨。以英仙座流星雨为例,早在公元36年就被中国史料记载,后被证实其母体来自轨道周期为133年的109 P 彗星(又称Swift–Tuttle彗星)。

从流星到流星监测网络

图2. 以Swift–Tuttle彗星为例的流星雨形成原理示意图(图源 :duluthnewstribune.com)

  背后蕴藏的研究价值

  流星除了可以寄托我们对美好生活的向往,同样有着不菲的研究价值。

  从现象学的角度来看,我们还不能对各大流星雨的流量做出准确预测,对烟花般壮观的流星暴(ZHR > 1,000)的流量预测更是难上加难,这些都有待长期观测才能给出更好的模型。在偶发流星问题上,随着观测的积累,我们也发现很多偶发流星并不偶然,很多也属于特定流星雨的一部分。截止到2021年6月,已经有112个流星雨得到认证。

从流星到流星监测网络

图3. 两幅对1833年狮子座流星暴的形象描绘作品(图源:wikipedia/Leonids)

  而天文学研究上,观测流星体具有重要意义。首先,从彗星角度,我们尚且不知流星体的碎片具体来自彗星何处,面对分裂的动力学细节还存疑惑,需要等待更多观测数据的积累才能得知。其次,从太阳系角度,观测流星体可以得到新的研究启发。与饱经风霜的行星相比,流星体和陨石只是碎片,它们自形成之初没经历什么演化,显得非常的“原始”,通过观测它们可以更好地探究行星形成、太阳系起源等有关课题。

从流星到流星监测网络

图4. 观测流星可以揣测太阳系大小天体质量分布情况。图为利用双站观测得到的不同流星体的质量(对数)与流量的关系图,实线和虚线是两个模型的导出结果,圆点是观测结果(图源:参考文献[6]fig 13)

  最后,从预防风险角度,监测流星可以帮助我们了解近地空间环境。虽然流星对生活在地面上的人不会造成直接危害,但因流星体速度极高,对太空中的航天器容易构成威胁。故对流星规律性的研究,可帮助人造物避开碎片密集的区域。

  以上种种,皆在鼓励我们积累更庞大且细致的流星观测数据。

  探秘需要的观测手段

  流星或流星雨的观测上,我们可以进行可见光或射电观测。射电波段上可以用各种天线或专业的射电望远镜去观测,具体按下不表。至于可见光波段则有肉眼、望远镜、全天相机三种手段观测流星。

  我们的肉眼本身就是非常精密的光学仪器,6等星以上的亮度不在话下。当我们野外目视流星时,我们可以手动记录下它出现的时间、方位等信息,提交给国际流星组织(IMO)以供有关人士参考。但是肉眼的缺陷也十分明显,人眼容易疲劳,且得到的信息是模糊的,专业价值甚微。望远镜虽然有很高的集光能力,但用来观测流星性能是过剩的,且视场太小,流星出现在视野里只能碰运气。若想覆盖整个天空则需要成百上千个镜子,经费上就划不来。

  用摄像设备取代人眼来记录流星是非常自然的事。自90年代后,得益于高灵敏度感光元件的出现,用相机监测流星已经没什么门槛了,只需要在前置一个广角镜头,整个星空从此一览无余。同时由于摄像设备的小型化、易操作性,也使得不少天文爱好者可以搭建自己的设备来监测流星。

  我们的需求是搭建一个自动监测天空的全天相机,从而得知每颗流星出现的时间、方位、亮度等信息。其实搭建这样的单个系统非常简单,成本也非常低廉。主体是一个树莓派,(微型电脑)搭配相机、镜头,加上保护外壳和防雨罩,软件控制上是开源的,很容易找到提供的组织,初级的数据处理可以用商业化的UFOCapture等软件找到流星。选址时注意光害和后期可维护性即可。

从流星到流星监测网络

图5. 我们在站上利用行星相机简易搭建的全天相机(左)以及捕捉到的一张流星照片(右)

  当然并不是所有的全天相机都一样。有的团队考虑到数据处理过程中,使用单相机加180度广角的方案带来图像畸变难以修正,故选用多个相机多个视场叠加的方式,好处是很大程度上避免了畸变,缺点是提高了成本,且前期安装调试会麻烦点。

从流星到流星监测网络

图6. 不列颠群岛其中一个站点上的流星监测相机(图源:nemetode.org)

  星罗棋布的流星网络

  个体的力量是单薄的,流星的发生地并不局限于一地,一个站点无法对整个流星或流星雨的辐射点、流量得到完备的了解,至于实现前面阐述的科学目标更是不可能。现在我们有无数卫星实时监控地球表面,但是对头顶的星空却未能掌握其实时动态。所以我们会有一个自然的想法,能不能把所有的相机联合起来呢?

  如果地球上每个位置都有监控相机,它们的视野就能覆盖天球的各个角落,在这张大网24 h的监测下一颗流星都无法悄然溜走,我们对流星数据的获取就是完备的了。这就牵引出流星监测网络的概念。

  介绍这一概念之前,我们不妨先关注一下2012年的十月天龙座流星雨。那一次的流星雨流量极大, ZHR预计达到9,000 左右,这一罕见的爆发事件出乎了所有人的意料,事后翻阅却发现没有任何的观测报告仔细说明这件事。因为爆发的最佳观测时间对应的是亚洲的夜晚,而彼时的亚洲却没有相机在监测,使得本该记录在案的宝贵资料与我们失之交臂。

从流星到流星监测网络

图7. 克罗地亚一个相机在2018年10月9日一整晚监测到的流星情况,视场为88°×48°(图源:参考文献[5] fig1 )

  所谓“流星监测网络”是指在不同地点放置全天相机,实现对夜空全天候高灵敏度的观测。项目初衷是在成百上千个站点上放置全天相机,站点间距短则几公里,长则百公里,以得到良好的天空覆盖率,并不遗漏任何重要事件。各子站点统一的数据格式实时上传到中心服务器,再经过严格的自动化校准流程,让我们对近地流星体有实时的感知。随着大量高精度的数据积累,方便我们一窥流星背后的诸多科学奥秘。

从流星到流星监测网络

图8. 流星网络原理图,上部深色区域是两个相机重叠的天区(图源:参考文献[6] fig1)

  除了前面提到的太阳系认知、近地环境等方面,流星监测网络还有个妙用。火流星在大气中不会燃烧完,可以为我们带来珍贵的外星礼物。据估计,每50万平方公里的土地上,每年会落下十个火流星,带来至少300 g样本。以往找这些小石头会是个很费劲的活,在流星监测网络的帮助下,多个站点数据可以更好确定它的轨迹,方便我们缩小搜寻范围。

从流星到流星监测网络

图9. ANSMET团队的研究人员在南极寻找陨石(图源:Cindy Evans/pri.org)

  最早的流星监测网络可追溯到70年代,由于技术水平的局限性,只能用于探测特别亮的火流星。随着现代工业化的发展,流星监测网络搭建的技术难度和资金成本都大大降低:在一个站点配置一套科研级别的设备可以控制在人名币6,000元以内,地点的选择也比较随意,只要有电有网,光学环境不差即可。相比其他时域天文学遥远的“宏图大业”,流星监测网络技术难度较小、成本低廉,是最容易试手的。除了科研人员自行铺设每个站点,爱好者们可以向当地组织购买设备,置于家中,产生的数据一方面上传至服务端用于科研分析,一方面可以自行娱乐。

从流星到流星监测网络

图10. 欧洲和北美的流星监测网络,红点为站点情况,青色区域是它们覆盖的天空情况( 图源:参考文献[5] fig6)

  目前全世界大约有30个国家,450 台流星监测网络的相机在工作,这些设备并不是一个整体,而是国家或区域性的小网络。

  我国在流星监测网络上也有所行动。在2017年,由私营的青岛艾山天文台牵头,与国家天文台合作,建立了首个计划覆盖全国的专业监测网络。截止2021年8月份,已经在全国铺设了42个站点,并且已经建立了完善的单站观测、多站联测以及层级上报的观测体系。同时,我们台的李广伟老师在此基础上提出了“罗扇项目”,于去年11月的学术年会上正式公布,该项目旨在开展大面积流星光谱监测,目前还在如火如荼地进行当中。

从流星到流星监测网络

图11. 截止到2021年8月,全国流星监测站点所在位置(图源:qd-sky.cn)

  期待不久的以后,我们监测流星的“天网”编制地愈加密实,给我们带来流星雨背后的新认知。

  参考文献

  [1]彭焕文, et al. "丽江天文观测站全天相机介绍." 天文研究与技术 (2015).

  [2]梅林, 吴翔, and 周作超. "深圳市天文台全天云图监测系统的设计与实现." (2018).

  [3]田健峰, et al. "中国 SONG 项目节点全天云量监测方案." 天文学报 57.3 (2016): 366-375.

  [4]叶泉志. (2018). 业余天文学在中国: 现状与未来.

  [5]Vida, Denis, et al. "The Global Meteor Network–Methodology and first results." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 506.4 (2021): 5046-5074.

  [6]Ott, Theresa, et al. "Meteoroid flux determination using image intensified video camera data from the CILBO double station." Proceedings of the International Meteor Conference, edited by: Rault, J.-L. and Roggemans, P., IMO. Vol. 2329. 2014.

  [7]Fernini, I., et al. "The UAE Meteor Monitoring Network." Journal of Instrumentation 15.06 (2020): T06007.

  作者简介:徐成亮,国家天文台研究生。

  文稿编辑:赵宇豪

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 东北地区里程最长跨海大桥建设取得关键进展

  • 关注——为求职者提供多元选择

独家策划

推荐阅读
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
《教育强国建设规划纲要 (2024—2035年)》提出,以教育数字化开辟发展新赛道、塑造发展新优势。思政课是落实立德树人根本任务的关键课程,
2026-08-25 02:10
北斗在大众消费领域应用取得明显进展
2026-08-25 04:45
8月22日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆开幕,16个国家的666支赛队、2056台机器人参与竞逐。与此同时,2026世界机器人大会正在北京亦庄举办,汇聚全球前沿技术与产业成果,全面展现机器人走向千行百业的发展新趋势。
2026-08-24 10:17
六氟化硫是高压电力设备不可或缺的绝缘、灭弧介质,可它偏偏是一种强温室气体。更棘手的是,现阶段又很难找到一种合适的气体完全替代它。如何尽可能不让它进入大气?这是我们一直想解决的难题。
2026-08-24 10:16
所谓数字孪生,就是把一个物理实体在虚拟世界1∶1复刻——可以是一条产线、一个车间,甚至一座工厂。在胡少雄看来,数字孪生的高阶形态,是会“自感知、自决策、自执行”的智能体,这离不开传感器、人工智能算法、通信技术协同进化。
2026-08-24 10:12
中国科学院院士、华中农业大学教授、湖北洪山实验室主任张启发提出“双水双绿”理念,用一块田既种“绿色水稻”,又养“绿色水产”,发展水稻、水产“双水”产业,做优绿色稻米、绿色小龙虾等“双绿”产品。
2026-08-24 09:56
当厘清科研人员转化风险责任边界,构建专业化技术转移制度,明确技术转移机构设立条件及主要职责,通过完善相关制度,着力解决“不愿转”“不敢转”和“不会转”的问题,充分保护科研人员投身成果转化的积极性与主动性。
2026-08-24 09:48
2013年,东正光学的创始团队在广东深圳租下第一间厂房。4年后,当工业光学与电影影像的积累具备向更广泛创作者群体转化的条件时,东正光学重返消费市场,推出Thypoch(叙)品牌。
2026-08-21 07:20
7月17日,习近平主席在2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议开幕式上发表题为《携手构建公正合理的全球人工智能治理体系》的主旨讲话。
2026-08-21 02:00
近期,因冬季寒区试车而闻名的边疆小城——黑龙江黑河迎来了反季节试车热潮。在试运行的全球规模最大四季低温汽车试验场内,零下30摄氏度的室内一片冰天雪地,来自多个车企与零部件厂商的测试车辆正自如驰骋,借助静态低温舱、冰雪圆环、多角度对开坡道等专业场景展开性能测试。
2026-08-21 03:40
加载更多