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科学好故事|小行星和彗星撞击地球的几率有多大?

时间:2022/4/23 14:56:39 点击:

  核心提示:许多人都看过奈飞在前不久推出的电影《不要抬头》(Don‘t look up),片中的情节便与一颗足以引发地球生物大灭绝的彗星有关。当这样一颗彗星径直撞向地球的时候,究竟会发生什么?...


一颗流星划过天空

从流星、彗星,到足以摧毁整个国家的太空巨石,当地球被不同大小的物体撞击时,会发生什么?

许多人都看过奈飞在前不久推出的电影《不要抬头》(Don‘t look up),片中的情节便与一颗足以引发地球生物大灭绝的彗星有关。当这样一颗彗星径直撞向地球的时候,究竟会发生什么?

当然,如此巨大的物体撞击地球是极其罕见的事件。那么,地球被小行星或其他天外物体撞击的频率有多高?撞击会导致什么后果?我们可以看看火星和月球的表面。数百万年来,无数太空岩石撞击了这两颗星球的表面,留下了大大不一的撞击坑。

关于1833年狮子座流星雨的雕刻版画,令人印象深刻

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在地球上,情况就明显不同了,因为水、风和植物会覆盖或侵蚀撞击坑。在地球的历史上,肯定也遭受过足够多的宇宙岩石撞击,但相关的证据还不是很充分。到目前为止,地球上已经发现了192个撞击坑。

火星上至少有42000个陨石坑。此时,一台被称为“毅力号”(Perseverance)的火星车正在火星的耶泽罗撞击坑进行探索。这是一个直径超过45公里的大坑,估计最晚形成于36亿年前。

英仙座流星雨期间的流星

英仙座流星雨期间的流星

小石头变成了流星

来自太空的岩石大小不一,越大的石头就越稀有。当这些石头撞击大气层并燃烧发光时,就被称为流星。事实上,一直都有微小的岩石颗粒落到地球大气中,这些形成流星的物体远比你想象的要小得多。它们通常重约1克,只有一粒沙子或一粒豌豆大小。这些小颗粒以极快的速度撞击大气中的空气分子,燃烧并变成气体,周围的空气也会被加热至很高的温度,以至于发出光亮。

当残存的物质冷却后,又会变成固体,像雨点一样落在地球表面。有时候,我们会看到比平时更多的流星,这种现象被称为流星雨。流星雨出现的时间是固定的,比如英仙座流星雨就出现在八月。

流星雨是在地球经过彗星轨道时产生的。彗星在轨道上每接近太阳以此,就会有一些冰蒸发并拖曳出灰尘、沙粒和卵石等固体碎片,成为流星体,散布于整个彗星轨道周围。

2013年,Terje Fjeldheim在Setesdal高地发现的Valle陨石

2013年,Terje Fjeldheim在Setesdal高地发现的Valle陨石

神奇的流星

我们有时会见到一些更令人印象深刻的流星。它们发出的强光能划破夜空,其中较大的通常称为“火球”(天文学家通常用“火流星”来标示特别明亮的火球,特别是发生爆炸的)。这些火球由拳头大小或更大的太空岩石坠入大气而产生,其效果与小得多的颗粒差不多,只不过它们的光芒更明亮,也更持久。

见过一次它就会深深地印在你的记忆里,是一种神奇的体验。事实上,火球发生的频率很高,许多人一生中都可能经历一次。

从太空中看到的一颗流星

从太空中看到的一颗流星

每天10到50颗陨石

更大的流星体,也许和篮球一样大或者更大,有时可以在穿越地球大气层的过程中残存下来。落到地面之后,它们就成了陨石。有若干因素会影响流星体能否最终坠落到地面,其中很重要的一个因素是这些太空岩石的组成成分。

一块石头发生燃烧和爆炸的几率更大,而一块由铁组成的流星体可以在穿越大气层时保存得更久,并最终坠落在地面上。

一块来自太空的岩石发生剧烈爆炸,使西伯利亚的森林遭受重创

一块来自太空的岩石发生剧烈爆炸,使西伯利亚的森林遭受重创

在大气层中爆炸的岩石可以发出强烈的光亮。如果爆炸的岩石足够大,它们的碎片还是会以小石块的形式坠落到地面上。据美国陨石协会估计,地球上每天有10到50块陨石坠落。一旦落到地面,就不大容易找到它们了。挪威到现在只发现了16块陨石。

那么,如果是一块像汽车大小的石头呢?在一年的时间里,地球会迎来大量来自太空的灰尘和岩石,与此同时,地球的大气质量也在减少。如果你把这些尘埃颗粒和那些稍大一些的碎片加起来,估计每天到达地球的质量约有50吨。

让我们再大胆一些,如果是一块汽车大小的石头撞上地球,会发生什么呢?2019年,科学家发现了一颗长度为4米的小行星。它快速坠入大气层,在到达地面之前就已经燃烧殆尽。据媒体报道,这个火球所释放的能量相当于6000吨TNT炸药。

美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑

美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑

并不罕见

几米长的天外物体并不罕见。据美国国家航空航天局(NASA)的数据,每年大约会有一颗汽车大小的小行星撞击大气层一次。这些几米高的太空岩石多数会在大气中燃烧,不会造成太大灾害。

富含铁的陨石有更大的几率落到地面,并形成撞击坑。戴普维克指出,一块3米长的陨石在2007年落在了秘鲁境内,形成了一个直径达13米的撞击坑。这是地球上已知最年轻的撞击坑之一。

研究人员在一份关于该事件的研究报告中写道,由长度只有数米的岩石陨石形成的撞击坑是很不寻常的。

从美国国家航空航天局在1994年到2013年间记录的流星数据可以看出,这些物体的大小都超过1米,最大可达20米。它们照亮了天空,被称为火球。几乎所有这些物体都在大气中燃烧,没有造成任何伤害,只有一个例外。

破碎的窗户

2013年2月15日,在俄罗斯车里雅宾斯克市附近,人们看到了一个异常明亮的火球划过天空。一块17到20米长的太空岩石进入了地球的大气层。这块石头在离地面约30公里的地方燃烧起来,并发生了爆炸。

许多住宅的窗户被爆炸的冲击波震碎,一些建筑也遭到破坏。大约1600人受伤,主要原因是玻璃碎片划伤。在直径达数公里的范围内,许多村庄的房屋被毁。这些人实在太不走运了,一开始,他们看到了一道不可思议的闪光,然后走近窗户观看。几秒钟后,窗玻璃就爆裂了。有些人的眼睛和其他部位受伤了。因此,在人口稠密的地区发生这样的爆炸,会造成很不好的后果。

据科学家估计,像2013年车里雅宾斯克如此规模的小行星撞击事件,在一个世纪中发生的次数不到两次。

荒野中的爆炸

据称,2013年车里雅宾斯克小行星撞击事件是自1908年通古斯大爆炸以来最强烈的陨石爆炸事件。通古斯大爆炸发生在西伯利亚通古斯河附近、贝加尔湖西北方800公里处,估计爆炸威力相当于2000万吨TNT炸药。

据《大英百科全书》(Encyclopedia Britannica)记载,当地树木先是着火,但火势后来被随之而来的冲击波扑灭;超过2000平方公里的森林被夷为平地。有目击者描述了当时的高温、大炮般的巨响以及地面的震动。直到许多年后,研究人员才对事发地点进行了调查,发现了被陨石撞击夷为平地并烧焦枯死的森林。

如果如此规模的小行星撞击了某座城市,后果将是极其严重的。它把周围几公里的树都撞倒了。当冲击波如此强大时,很多建筑将被摧毁。这对一座城市来说是非常可怕的。

根据美国国家航空航天局在 2019年的一项研究,造成通古斯大爆炸的可能是一个直径在50至80米之间的石质物体。它在离地面5到10公里的地方爆炸。不过,研究人员并没有发现撞击坑或该物体的残留部分。

直径50米的物体所留下的撞击坑

“区区”数十米直径的物体就会给地面造成巨大的破坏。另一个著名的例子是美国亚利桑那州北部沙漠中的巴林杰陨石坑。这个陨石坑宽1.2公里,大约形成于5万年前。戴普维克表示,造成这个陨石坑的是一块镍铁质陨石,直径约为50米。当时的撞击过程非常剧烈。

陨石坑的规模通常比陨石大20倍左右。因此,这颗长度50米的小行星在亚利桑那州坠落时,形成了一个大约1公里的陨石坑。当时发生了爆炸,地面被猛烈撞击,基岩融化,并在撞击过程中喷射出大量灰尘、火山灰和气体。

根据两位研究者在《今日物理学》(Physics Today)上发表的一篇文章,此次撞击产生的能量足以摧毁一座现代城市。对距离陨石坠落地点6公里以内的中型动物而言,撞击产生的冲击波是致命的。对于距离撞击地点10到12公里内的动物,其肺部会受到严重损伤。

直径250米的陨石会如何?

据统计,发生在通古斯和亚利桑那州这样的事件大约每一千年才会发生一次。这些太空岩石的直径在50到80米之间。相比之下,导致恐龙灭绝的彗星或小行星直径为10到12公里。那么,如果一块直径数百米或一千米的岩石撞击地球,会发生什么?

挪威已经确认了三个撞击坑。其中之一是位于内斯比恩的加德诺斯撞击坑,它的直径为5公里,由一颗直径约250米的陨石形成。

这样的规模,已经大到足以在撞击地面时,其本身和大部分撞击区域都会气化,并以玻璃和灰尘的形式落下,到处都是。而整个陨石在撞击时都被摧毁了。

如果今天有这样大小的陨石撞击地球,就会形成巨大的撞击坑,并带来强大的冲击波、尘埃和震动,对一个丹麦大小的地区产生影响。《地球物理研究通讯》(Geophysical Research Letters)2017年的一项研究显示,如果一颗直径为250米的小行星撞击地球,可能会导致10万人死亡。

1公里的陨石呢?

一颗直径1公里的小行星可以对一个法国大小的地区造成巨大的破坏。这种大小的物体能以每秒20至30公里的速度移动,这至少相当于每小时72000公里的速度。当一个物体以如此快的速度撞击地面时,就会发生剧烈的爆炸,使地面受到严重挤压并融化。

这块物体的很大一部分将被抛射出去,变成尘埃和碎石,覆盖周围的地区。在更大规模的撞击中,其覆盖范围甚至会进一步扩大。当空气被挤出撞击区域时,冲击波会在非常大范围的区域内产生影响。空气被挤出,但也会回流。在一切稳定下来之前,还会有额外的冲击波。

冲击波也向下传播,对地面产生影响。这会导致一种可能引起地震的情况,而地震又可能引发滑坡和岩石滑坡,冲击波也能把树木压扁,并在一个很大的范围内摧毁和碾碎一切。它还会产生高温,间接导致火灾。

当这样的小行星坠落时,温度可高达数千度,你可以想象,当撞击地点的岩石融化时,实际上是气化蒸发,这会引起很多火灾。这种影响还取决于基岩的组成。导致恐龙灭绝的彗星或小行星撞上的就是含盐沉积物和富含硫磺的岩石,这会导致有毒气体的形成。不同的地方会产生不同的后果,但撞击事件的确会导致这种情况发生。

5公里的撞击物体呢?

美国普渡大学和英国伦敦帝国理工学院的研究人员在2004年发明了一个计算器,可以用来计算小行星或彗星撞击地球时可能发生的后果。该计算器后来经过更新,并被广泛使用。

那么,如果一颗5公里长的小行星撞击柏林,会发生什么呢?根据计算,撞击产生的陨石坑宽约54公里,深1公里。换言之,陨石坑将比城市本身还要大。撞击产生的冲击波强度足以震碎整个欧洲的窗户。在欧洲大部分地区,木制建筑会倒塌,而在德国大部分地区和波兰部分地区,钢铁建筑也会倒塌。

当撞击发生时,如果你身处255公里外的汉堡,那你几乎会立即感受到火球的热量。撞击可能会立即引发衣服着火、落叶树木和草地着火。地震将在51秒后开始,并对建筑物造成中度损害。

撞击过程中抛向空中的灰尘和石头将在四分钟后开始落回地面。灰尘和更大的碎片将覆盖这一地区,形成85厘米厚的碎屑层。冲击波将在13分钟后到达。钢铁和木制建筑将被炸成碎片,90%的树木将被掀倒。可以说,这将是一场彻底的灾难。挪威奥斯陆和周边地区将逃脱破坏性的热浪,但冲击波仍然会使木制房屋和几乎所有的树木倒塌。

在发生大规模撞击事件时,高温会导致火灾

在发生大规模撞击事件时,高温会导致火灾

10公里的撞击物体呢?

科学家认为,一颗直径10公里的彗星或小行星有可能会造成大规模灭绝。大约6600万年前,一个如此规模的天外物体撞击了墨西哥,导致恐龙陷入浩劫,所有体重超过25公斤的动物都灭绝了。

除了火灾、海啸、地震和动植物被摧毁之外,大量的灰尘和碎屑也被送入大气层,遮蔽了太阳光。这种情况会持续好几年,使植物难以进行光合作用,地球各个生态系统的食物链遭到严重破坏。

据估计,这种大小的天体平均每1亿年撞击地球一次。研究人员已经发现了几个这样的大撞击坑。导致恐龙灭绝的小行星坠落在墨西哥尤卡坦半岛,形成了直径为150公里的陨石坑。

南非的弗里德福特陨石坑更为巨大,直径达到380公里。加拿大的萨德伯里陨石坑直径为130公里。据报道,加拿大和俄罗斯还各有一个直径达100公里的陨石坑。

不过,没有证据表明陨石撞击与地球历史上其他的大灭绝事件有关。

太空中的一颗小行星

太空中的一颗小行星

我们会目睹大型小行星撞击地球吗?

我们可能不需要太过担心这一问题。毕竟,大型小行星的撞击是非常罕见的事件。多年来,美国国家航空航天局和欧洲空间局一直在绘制可能构成潜在威胁的小行星和彗星的地图。

较早之前,美国国会给了NASA一项任务,要绘制出所有可能对人类生存构成威胁的主要天体的地图。空间科学家已经逐渐发展出了相关的探测手段和专业知识,对许多非常大的小行星进行记录。幸运的是,它们在未来100年内都不会撞上地球。

在邻近地球的太空中,超过1公里长的小行星已经有超过90%被发现。各国太空机构也在努力寻找那些大小在1公里到140米之间的小行星。美国国家航空航天局估计,在直径达140米或更大的小行星中,他们已经探测到了约40%。

一颗5公里大小的小行星在柏林坠落时所产生的冲击波范围。外环区域的玻璃窗会被震碎;中环区域的木制建筑将倒塌;而内环区域的钢结构建筑物会倒塌。模拟所输入的数值是:小行星的平均角度和速度分别为45度和17千米/秒,密度为2600千克/立方米。

一颗5公里大小的小行星在柏林坠落时所产生的冲击波范围。外环区域的玻璃窗会被震碎;中环区域的木制建筑将倒塌;而内环区域的钢结构建筑物会倒塌。模拟所输入的数值是:小行星的平均角度和速度分别为45度和17千米/秒,密度为2600千克/立方米。

一系列的威胁

各国的航天局和空间局一直在记录有潜在威胁的邻近天体。目前,欧洲空间局的风险清单包括了1335个天体。这个名单在不断变化。当他们得到更好的测量结果时,就可以消除一些潜在的威胁,而其他的威胁一旦被发现,就会被添加到列表中。

几十年来,对潜在威胁天体的认识已经改变了很多。当我们第一次意识到小行星可能带来危险时,我们必须知道那里有多少颗小行星。结果发现了很多。有很多小行星可能会穿过地球轨道,这种新的认识导致了更多的不确定性和恐惧。但随着太空科学家的观察和计算,这个名单又开始缩小了。

大规模撞击事件会引发严重的灾难,导致生态系统崩溃

大规模撞击事件会引发严重的灾难,导致生态系统崩溃

一次令人不安的靠近

有时候,小行星确实会离地球很近。一颗名为“阿波菲斯”(Apophis)的小行星就引起了一些关注。这是一颗直径为370米的小行星。它在很长一段时间里都在名单上,就好像可能会撞击地球一样。最近它被移除了,因为更精确的观察表明,它将在本世纪远离我们。

不过,到了2029年,阿波菲斯可能会非常接近地球,甚至可能会比一些人造卫星所在的位置更近。

如果发生最坏的情况,比如有一颗小行星或彗星正全速撞向地球,那我们该怎么办?幸运的是,人类早已经考虑了对策,并正在制定相关的计划。作为测试,今年晚些时候,NASA将尝试用一台太空航天器(即双小行星重定向测试任务,简称DART)改变一颗小行星的轨道。

欧洲空间局的目标是能够对造成车里雅宾斯克撞击事件那样的天体发出预警。要达到那样的专业水平需要一些时间。这是一个理想,但也是一个现实的目标。

这张图显示了科学家发现的近地小行星数量随事件推移的变化情况

这张图显示了科学家发现的近地小行星数量随事件推移的变化情况

天外物体撞击地球的频率是多少?

对于特定大小的天外物体,科学家估计了它们撞击地球的频率,以及造成的结果。

4米:平均1.3年发生一次,在空中爆炸;

20米:平均60年发生一次,在空中爆炸;

30米:平均185年发生一次,在空中爆炸;

50米:平均765年发生一次,在空中爆炸;

70米:平均1900年发生一次,在空中爆炸;

85米:平均3300年发生一次,在空中爆炸;

100米:平均5200年发生一次,形成撞击坑;

150米:平均16000年发生一次,形成撞击坑;

250米:平均59000年发生一次,形成撞击坑;

400米:平均10万年发生一次,形成撞击坑;

1000米:平均44万年发生一次,形成撞击坑。

这些物体的密度取值为2600千克/立方米,速度为17千米/秒、撞击角度为45度。

作者:不详 来源:网络
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