科学家利用地震仪网络追踪再入碎片,构建临时太空垃圾预警能力

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随着近地轨道卫星数量快速增加,航天器与火箭部件重返大气层的事件也在上升。研究人员正尝试把原本用于监测地震的地面传感器网络,改造成一套临时的太空垃圾预警与追踪手段:通过捕捉再入碎片产生的音爆及其引发的地面微弱振动,重建碎片解体过程与可能的落区分布。

传统的再入追踪主要依赖雷达与光学望远镜,但相关研究指出,这些手段在目标进入低层大气后更容易受到云层、白昼条件以及地球曲率影响,导致再入末段信息不足。在轨道交通密度上升的背景下,这一“最后阶段”的观测空白使航空管理与应急部门在评估入射角、解体方式和落点时面临更大不确定性。

研究团队提出的思路是将再入过程视为声学事件而非纯粹的视觉或雷达目标。航天器以超音速穿越大气层时会产生强烈音爆,冲击波向外传播后可在地面表现为可被地震仪记录的振动信号。研究显示,利用已覆盖全球大部分地区的地震监测网络,并结合相应算法与传播模型,可将多台站记录到的到时与强度信息转化为碎片路径的三维重建结果。

约翰斯·霍普金斯大学与伦敦帝国学院的科学家进一步将该方法发展为更接近实用的流程,目标是近乎实时地推算再入物体的轨迹、速度以及解体序列。研究人员通过比较区域网络中不同台站记录到的音爆到达时间与信号特征,推断首次解体位置、碎片扩散方式,并据此估计潜在落区。

研究团队表示,每次高空解体都会留下不同的声学“指纹”。在美国地震网络的案例中,即便在海洋等雷达数据相对稀缺的区域,地震记录仍可用于追踪音爆并反推高速碎片的位置;结合声波在大气与地面传播的模型,还可估算下降角度以及航天器开始解体的高度。

研究认为,这类信息有助于把较为笼统的预警转化为更具体的风险地图。报道提到,近期多次再入事件中至少有三块大型碎片落入人口密集区域;在此背景下,判断航天器是解体为少数大块碎片还是形成更密集的小碎片群,将直接影响航空绕飞范围与地面应对措施的制定。

在实地验证方面,佛罗里达卡纳维拉尔角周边被视为重要观测区域之一。研究描述,当大型火箭或航天器在大西洋与墨西哥湾上空再入时,音爆可向内陆传播并被地震监测器记录,相关数据被用于重建从发射场附近到落水区的路径;同一研究还将部分信号与德州的星舰试飞联系起来。

城市地区的密集台站也为测试提供条件。以南加州地震网络为例,相关报道称该网络能够探测到由约30厘米大小的再入物体产生的冲击波信号,显示高灵敏度地震仪在地面未必可听见音爆的情况下,仍可能记录到再入解体过程。

研究推进还受到2024年4月一次大型航天器碎片再入事件的影响。研究人员在回顾性分析中指出,当雷达失去对再入末段的持续追踪后,地震数据仍记录了更完整的声学过程,并由此推动了可近乎实时处理传入数据的新算法开发。研究认为,通过多台站联合追踪音爆信号,不仅可重建单一道迹,也可描绘碎片解体的整体过程,为再入风险评估提供补充信息来源。


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