紅薯爸

小行星家族的破碎往事

在我們太陽(yáng)系的歷史上，位于火星和木星之間的地帶，發(fā)生過(guò)一些災(zāi)難性的碰撞，撞擊產(chǎn)生的碎片形成了這里圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的小行星群

2020年12月23日7時(shí)23分，一顆火球劃過(guò)我國(guó)青海玉樹地區(qū)和西藏昌都地區(qū)交界的高空，將凌晨的天空照耀得亮如白晝。這一事件再度引發(fā)了人們對(duì)小行星撞擊災(zāi)難的關(guān)注，人類會(huì)遭遇像恐龍一樣的命運(yùn)嗎？

危險(xiǎn)的太空

太陽(yáng)系，一個(gè)在銀河系數(shù)千億個(gè)恒星系統(tǒng)中，看上去毫不起眼的普通星系，這里的八大行星，圍繞著它們的恒星周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)星系中，從內(nèi)向外數(shù)的第3顆大行星，表面大部分被海水覆蓋，呈現(xiàn)出美麗的蔚藍(lán)色，這就是我們的家園。大約46億年前，太陽(yáng)系和它的行星們共同誕生于一團(tuán)星際氣體中。在經(jīng)歷了原初的混沌后，太陽(yáng)系逐步形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，生命的孕育也漸漸成為可能。

除了太陽(yáng)和八大行星外，太陽(yáng)系中還存在無(wú)數(shù)小星體。比如，在火星和木星軌道之間存在一個(gè)小行星帶，里面遍布從粉塵大小的碎屑到直徑數(shù)百千米的小行星。因?yàn)樘?yáng)系內(nèi)幾個(gè)大行星引力的擾動(dòng)，小行星帶的物體時(shí)不時(shí)會(huì)被拋離原軌道而去往太陽(yáng)系的其他角落。盡管質(zhì)量巨大的木星和土星吸引了大多數(shù)小行星，以及來(lái)自太陽(yáng)系外圍的遠(yuǎn)軌道彗星的“火力”，但還是有許多小星體會(huì)進(jìn)入離太陽(yáng)更近的軌道，其中更有一些會(huì)被地球的引力吸引而撞向地球。

現(xiàn)在，太陽(yáng)系正處于中年相對(duì)平靜的時(shí)期，沒(méi)有那么多“碎片”小行星會(huì)撞擊地球。但是，在地球和太陽(yáng)系形成早期，太陽(yáng)系是一個(gè)異?；靵y而危險(xiǎn)的地方。比如，地球剛形成不久，還是一團(tuán)熾熱的“面團(tuán)”的時(shí)候，一顆火星大小的星體直接撞擊了初生的地球，撞出來(lái)的碎片并沒(méi)有離開地球軌道，而是在附近匯聚，形成了月球——這就是目前關(guān)于月球成因的主流觀點(diǎn)。稍晚些時(shí)候，也就是大約40億年前，剛剛形成的太陽(yáng)和行星們更是經(jīng)歷了一段如地獄般的過(guò)程——遭受太陽(yáng)系形成初期殘留小星體的頻繁撞擊，也被稱為晚期狂暴撞擊時(shí)期（ Late Heavy Bombardment）。這一過(guò)程持續(xù)了大概8億年，對(duì)于地球來(lái)說(shuō)是相當(dāng)難熬的一段時(shí)期。晚期狂暴撞擊時(shí)代結(jié)束之后，小星體撞擊地球的事件仍然時(shí)有發(fā)生，但是頻率迅速下降，地球也因此終于有了喘息的時(shí)間，能夠慢慢醞釀生命的形成。

小行星和彗星的主要區(qū)別是成分。小行星大多由巖石構(gòu)成，而彗星還含有大量的冰和揮發(fā)性物質(zhì)，所以會(huì)形成彗尾。當(dāng)小行星的質(zhì)量足夠大、引力足夠強(qiáng)，能使星體形成規(guī)則的球狀或橢球狀時(shí)，就能被稱為矮行星。當(dāng)星體質(zhì)量進(jìn)一步增大，大到足以把自身軌道上的其他小星體都清理掉之后，就可以成為行星了。按照這個(gè)行星標(biāo)準(zhǔn)，冥王星只能從曾經(jīng)的太陽(yáng)系第九大行星，降級(jí)為矮行星。

太陽(yáng)系八大行星包括內(nèi)太陽(yáng)系的4顆固態(tài)行星（水星、金星、地球、火星）和外太陽(yáng)系的4顆氣態(tài)巨行星（木星、土星、天王星、海王星），火星和木星之間有一條小行星帶

小行星碰撞行星的證據(jù)呢？看看月球的表面就知道了。一個(gè)個(gè)大大小小的隕石坑（即掉到地面上的小行星碎片）記錄了漫長(zhǎng)歲月里小行星不斷撞擊的結(jié)果。但是，為什么地球表面并沒(méi)有像月球表面那樣遍布隕石坑呢？這里有幾個(gè)主要的原因。首先，地球存在大氣層，很多小碎片進(jìn)入大氣層后，沒(méi)到達(dá)地面就因?yàn)楹痛髿饽Σ炼鵁龥](méi)了。質(zhì)量在幾千克以下、直徑小于十幾厘米的小碎片會(huì)在大氣層中完全燒毀。其次，地球表面3/4被海洋覆蓋，所以，大部分沒(méi)有在大氣層中燒毀的更大的隕石，大概率都撞進(jìn)了大洋的底部。最后，和月球不同的是，地球的地殼一直處于活動(dòng)狀態(tài)，板塊運(yùn)動(dòng)、造山運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化侵蝕等地質(zhì)現(xiàn)象也會(huì)“抹去”很多隕石坑的存在。

位于美國(guó)亞利桑那州的著名隕石坑一一巴林格坑，直徑大約1千米，形成于約5萬(wàn)年前，由一顆直徑大約50米的鐵隕石造成

盡管如此，地球陸地上還是有大大小小幾百個(gè)已知的隕石坑。其中比較著名的幾個(gè)大隕石坑還是旅游勝地。比如美國(guó)亞利桑那州就有一個(gè)開放的隕石坑公園，開車就能去，票價(jià)也不貴。

1908年6月20日的通古斯大爆炸，也被認(rèn)為是由一顆直徑約50米的隕石落在西伯利亞境內(nèi)的通古斯地區(qū)造成的。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有留下隕石坑，所以一般認(rèn)為這顆隕石在距地面幾千米的高空就爆炸解體了，爆炸威力達(dá)到15兆噸TNT當(dāng)量。這次爆炸摧毀了2000多平方千米的森林，將近8000萬(wàn)棵樹。這些樹沿著爆炸中心向外斷裂，間接證實(shí)了爆炸源自一個(gè)中心點(diǎn)。

深度撞擊

隕石撞擊地面的速度和它的大小有關(guān)。

之前講到，質(zhì)量在幾千克以內(nèi)的星體碎片在落到地球表面之前就在大氣層中燒毀了。那么質(zhì)量更大的隕石呢？根據(jù)計(jì)算，質(zhì)量在幾千克到10噸以內(nèi)的物體會(huì)因?yàn)榇髿饽Σ炼鴾p速，最終會(huì)以約100米/秒的速度撞向地面。只要不是直接落到鬧市區(qū)，這點(diǎn)撞擊力對(duì)地球整體來(lái)說(shuō)基本沒(méi)什么影響。真正有影響的是10噸以上的物體，大氣層對(duì)它們的減速作用并不是很明顯，它們撞擊地面的速度會(huì)達(dá)到每秒數(shù)千米。最可怕的是直徑10米以上、質(zhì)量超過(guò)1000噸的小行星，地球大氣層對(duì)它們基本沒(méi)有任何減速作用，它們撞擊地面的速度和進(jìn)入地球大氣層的初始速度幾乎沒(méi)什么不同，能超過(guò)10千米/秒，這個(gè)速度大致和地球公轉(zhuǎn)的軌道速度同一個(gè)量級(jí)。

我們來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，看看隕石撞擊地球的能量威力有多大。這個(gè)能量就是隕石的動(dòng)能（質(zhì)量乘以速度的平方再除以2）。多數(shù)隕石的密度和冰塊差不多，那么一顆直徑250米的巖石小行星，撞擊速度為20千米/秒，其撞擊釋放的能量就能達(dá)到1000兆噸TNT當(dāng)量，相當(dāng)于目前最大核彈威力的10倍。

所以一般來(lái)說(shuō)，直徑超過(guò)幾百米的小行星，就可以對(duì)地球生命造成相當(dāng)大的危害了，撞擊后，颶風(fēng)、地震、氣候變化等嚴(yán)重自然災(zāi)害也會(huì)隨之而來(lái)。直徑超過(guò)幾千米的小行星，對(duì)地球生命的危害將是全球物種大滅絕級(jí)別的。

好在越大的小行星，撞擊地球的可能性也越小。當(dāng)然，這么說(shuō)并不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)橹灰鹊臅r(shí)間足夠長(zhǎng)，任何大小的小行星撞擊地球的概率都是100%。那么，為什么說(shuō)越大的小行星撞擊地球的概率越低呢？因?yàn)樵酱蟮男⌒行窃较∩佟＿@是自然界的一個(gè)普遍規(guī)律，對(duì)恒星、星系等來(lái)說(shuō)，也都是越大的物體越稀少。

當(dāng)然，這是按太陽(yáng)系穩(wěn)定后的小行星分布情況估算的。在太陽(yáng)系形成初期，混沌中的撞擊頻率就要高很多。大致來(lái)說(shuō)，直徑小于1米的流星（指進(jìn)入大氣層因摩擦導(dǎo)致燃燒發(fā)光的小行星）幾乎每天都有，當(dāng)?shù)厍蚬D(zhuǎn)進(jìn)入特定軌道區(qū)域時(shí)，還可以看到流星雨;能對(duì)地球生命造成嚴(yán)重傷害的直徑幾百米的小行星的撞擊，幾十萬(wàn)年到幾百萬(wàn)年發(fā)生一次;而能徹底滅絕地球生命的直徑幾千米以上小行星的撞擊，幾億年一次?？紤]到地球生命存在的歷史已經(jīng)有30億年（當(dāng)然最早的是微生物，高級(jí)生物出現(xiàn)要晚很多），那么可以判斷出，物種滅絕級(jí)別的小行星撞擊應(yīng)該已經(jīng)發(fā)生過(guò)好幾次了。

隕石坑的大小是隕石本身大小的10～20倍——具體當(dāng)然還取決于隕石的成分和撞擊點(diǎn)的地質(zhì)。一般情況下，直徑1000米的隕石坑所對(duì)應(yīng)的隕石直徑為50～100米。

曾經(jīng)的霸主

6500萬(wàn)年前，一個(gè)悶熱的夏日午后，在今天墨西哥境內(nèi)的尤卡坦半島上，一群梁龍（此處為假設(shè)，讓侏羅紀(jì)的梁龍穿越到了白堊紀(jì)）正在河邊喝水。突然，天空出現(xiàn)了一個(gè)碩大無(wú)比的火球，耀眼程度不亞于第二個(gè)太陽(yáng)，伴隨著震耳欲聾的巨響向北方極速劃過(guò)。幾乎是一瞬間，大地開始崩裂，濃煙和火焰淹沒(méi)了眼前所見(jiàn)的一切。對(duì)于當(dāng)時(shí)地球上的陸地霸主來(lái)說(shuō)，世界的終結(jié)來(lái)得如此之快。

中生代白堊紀(jì)晚期，恐龍滅絕。目前科學(xué)界的主流觀點(diǎn)是，在白堊紀(jì)到古近紀(jì)之間，一次小行星撞擊事件導(dǎo)致了這場(chǎng)大滅絕。該事件發(fā)生的地點(diǎn)是今天墨西哥境內(nèi)的尤卡坦半島西北角，隕石坑的大小約為200千米，因此推算隕石的直徑為10-20千米。經(jīng)歷了數(shù)千萬(wàn)年的演化，這個(gè)隕石坑風(fēng)化嚴(yán)重，目前被深深掩埋在20千米的地下，中心位于一個(gè)叫希克蘇魯伯的小村莊。考古學(xué)家用同位素標(biāo)記法測(cè)定，隕石坑形成于距今約6500萬(wàn)年前。因?yàn)檫@么大的隕石必然會(huì)造成大規(guī)模物種滅絕，而時(shí)間上又正好和恐龍滅絕的時(shí)間吻合，因此科學(xué)家相信，這次小行星撞擊事件是導(dǎo)致恐龍滅絕的直接原因。

除此之外，地質(zhì)學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，在大約6500萬(wàn)年前白堊紀(jì)和古近紀(jì)分隔的地質(zhì)學(xué)斷層（即白堊紀(jì)一古近紀(jì)地層界線，也稱K- Pg界線或K-T界線）上，全球性地留存著大量銥元素。銥元素在地球巖石中非常稀少，但在隕石中很常見(jiàn)。這就證實(shí)了一顆小行星在此期間撞擊了地球，增強(qiáng)了這一時(shí)期地層中的銥元素豐度。

銥

元素周期表Ⅷ族過(guò)渡元素，元素符號(hào)l r，原子序數(shù)77，原子量192.22，面心立方晶格，稀有的貴金屬?；瘜W(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，是最耐腐蝕的金屬。在地殼中的含量為千萬(wàn)分之一，常與鉑系元素一起分散于沖積礦床和砂礦床的各種礦石中。

發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)一古近紀(jì)斷層中銥元素的故事也非常有趣。最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的是沃爾特·阿爾瓦雷茲，一名地質(zhì)學(xué)家。1977年，他在意大利一個(gè)叫古比奧的小村莊高高興興地挖石頭，偶爾看到在兩個(gè)地質(zhì)時(shí)期的間隔層中，有一層不同的物質(zhì)。他把巖石樣本帶回伯克利給他父親路易斯·阿爾瓦雷茲看。路易斯是一名物理學(xué)家，并且赫赫有名，曾因在粒子物理方面的貢獻(xiàn)獲得1968年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。父子倆于是開始研究那層不同物質(zhì)的成分。借助其他科學(xué)家的幫助，他們?cè)谶@層物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)地層元素豐度600倍的銥元素。依據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，阿爾瓦雷茲父子和其他兩位學(xué)者在1980年發(fā)表文章，提出地外因素導(dǎo)致恐龍滅絕的理論，挑戰(zhàn)當(dāng)時(shí)主流的地球火山爆發(fā)引起氣候變化導(dǎo)致恐龍滅絕的理論。

盡管在理論發(fā)表之初，多數(shù)學(xué)者持懷疑態(tài)度，但隨著1991年?？颂K魯伯隕石坑的發(fā)現(xiàn)和年代測(cè)定，這一理論得到了越來(lái)越多的支持。2010年3月，一個(gè)由地質(zhì)學(xué)家、古生物學(xué)家等相關(guān)學(xué)者組成的40多人的國(guó)際專家組，在閱讀了大量文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)后，裁定恐龍滅絕的真正原因是小行星撞擊，而非火山爆發(fā)。

因?yàn)樾⌒行亲矒舻厍虻乃俣葮O快（10-20千米/秒），幾乎在你看到小行星進(jìn)入大氣層的下一秒它就已經(jīng)完成了撞擊，人基本沒(méi)有時(shí)間反應(yīng)。這次碰撞的具體后果是什么呢？撞擊的能量相當(dāng)于100萬(wàn)顆氫彈同時(shí)爆炸，威力是地球目前所有核武器的幾千倍。別以為只有撞擊點(diǎn)才受到了影響，撞擊造成超過(guò)10萬(wàn)億噸的爆炸粉塵被推入上百千米高的大氣層，之后伴隨酸雨降落在整個(gè)地球上。與此同時(shí)，回落的碎片繼續(xù)撞擊地面，引起大火，燃燒各地。巨量的粉塵遮天蔽日，在長(zhǎng)達(dá)一年的時(shí)間里，整個(gè)地球都籠罩在濃霧中，昏暗不見(jiàn)天日。酸雨毀滅植被和海洋生物，見(jiàn)不到陽(yáng)光則引起地表溫度降低，地球進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)10年的氣候寒冬。這次撞擊對(duì)地球氣候和生態(tài)系統(tǒng)的破壞是毀滅性的，在短短數(shù)十年內(nèi)就令75% -95%的物種消失。之后，地球進(jìn)入漫長(zhǎng)的復(fù)蘇期，物種的演化重新開始。

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，能造成全球物種滅絕的小行星（幾千米直徑）撞擊地球事件，平均數(shù)億年能有一次。對(duì)于稍小一點(diǎn)的小行星（幾百米直徑），這種撞擊頻率就高很多，平均幾百萬(wàn)年一次，而且也能造成大規(guī)模災(zāi)難。而這些頻率只是統(tǒng)計(jì)上的平均說(shuō)法。小概率、獨(dú)立性事件的發(fā)生是隨機(jī)的，所以有可能連著發(fā)生幾次，然后很長(zhǎng)一段時(shí)間相安無(wú)事。人類已經(jīng)存在了大約200萬(wàn)年，按概率推算，下次小行星撞地球（大規(guī)模災(zāi)難級(jí)別，還不到全球物種滅絕級(jí)別）的時(shí)間大概也不遠(yuǎn)了。當(dāng)然，這里說(shuō)的是上百萬(wàn)年的時(shí)間尺度。別忘了，人類進(jìn)入太空才只是60年前的事，我們應(yīng)該有足夠的時(shí)間去發(fā)展科技，來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的小行星撞擊災(zāi)難。

災(zāi)難性質(zhì)：小行星（以及其他太陽(yáng)系內(nèi)小星體）撞擊地球

發(fā)生頻率：幾百萬(wàn)年到幾億年一次

毀滅時(shí)間：陷入毀滅性破壞幾十年

應(yīng)對(duì)程度：30% -40%

總結(jié)：小行星撞地球是潛在危險(xiǎn)，也曾抹去過(guò)地球上繁榮的生命景象。能引起大規(guī)模乃至全球物種滅絕的小行星撞擊事件發(fā)生頻率很低，我們應(yīng)該有足夠的時(shí)間去發(fā)現(xiàn)潛在的小行星威脅，并部署相應(yīng)的策略去化解危機(jī)。

未雨綢繆

目前應(yīng)對(duì)小行星威脅的首要方法是監(jiān)測(cè)。

直徑大于幾百米的小行星，直接撞擊地球的話將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。即便是直徑幾十米的小行星，如果撞在人口密集區(qū)域，也會(huì)造成不良后果。所以，人類必須嚴(yán)密監(jiān)測(cè)所有可能進(jìn)入地球軌道的小星體。這些監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)有些隸屬官方，有些是民間組織。利用望遠(yuǎn)鏡巡天，我們可以發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系內(nèi)的移動(dòng)小星體，并估算它們的大小、成分和運(yùn)動(dòng)軌跡。早早發(fā)現(xiàn)可能的威脅，可以保證我們能有幾年甚至幾十年的時(shí)間去準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)。而破壞力能達(dá)到災(zāi)難級(jí)別的小行星按平均統(tǒng)計(jì)來(lái)說(shuō)，在幾百年到幾千年內(nèi)直接撞擊地球的可能性幾乎為零，所以我們并不需要杞人憂天。但是，時(shí)刻保持警惕是非常必要的。不怕一萬(wàn)，就怕萬(wàn)一。

如果發(fā)現(xiàn)朝著地球直奔而來(lái)的足夠大的小行星，可以考慮用人工撞擊改變其軌道的方法來(lái)解除危險(xiǎn)——相比把小行星整個(gè)炸碎，這種方法需要的能量少很多。2005年，美國(guó)航空航天局（ NASA）發(fā)射的深度撞擊號(hào)彗星探測(cè)器就成功撞擊了直徑幾千米的彗星坦波爾1號(hào)，并稍稍改變了彗星的軌道——因?yàn)樗媚芰亢苌?，只?.8噸TNT當(dāng)量，因此彗星軌道的改變也很小，基本可以忽略。所以，無(wú)論從理論還是實(shí)踐的角度來(lái)說(shuō)，只要發(fā)現(xiàn)得夠早，我們就有時(shí)間去準(zhǔn)備，解除一顆直徑10千米左右的小行星或彗星的威脅。目前，NASA和歐洲航天局（ESA）都有計(jì)劃進(jìn)一步實(shí)踐這種方法的有效性。

本文內(nèi)容來(lái)自“普林小虎隊(duì)”公眾號(hào)，ID：PUTigersjr