紅薯爸

小行星家族的破碎往事

在我們太陽系的歷史上，位于火星和木星之間的地帶，發(fā)生過一些災難性的碰撞，撞擊產生的碎片形成了這里圍繞太陽公轉的小行星群

2020年12月23日7時23分，一顆火球劃過我國青海玉樹地區(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)了人們對小行星撞擊災難的關注，人類會遭遇像恐龍一樣的命運嗎？

危險的太空

太陽系，一個在銀河系數(shù)千億個恒星系統(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始地運動。在這個星系中，從內向外數(shù)的第3顆大行星，表面大部分被海水覆蓋，呈現(xiàn)出美麗的蔚藍色，這就是我們的家園。大約46億年前，太陽系和它的行星們共同誕生于一團星際氣體中。在經歷了原初的混沌后，太陽系逐步形成了穩(wěn)定結構，生命的孕育也漸漸成為可能。

除了太陽和八大行星外，太陽系中還存在無數(shù)小星體。比如，在火星和木星軌道之間存在一個小行星帶，里面遍布從粉塵大小的碎屑到直徑數(shù)百千米的小行星。因為太陽系內幾個大行星引力的擾動，小行星帶的物體時不時會被拋離原軌道而去往太陽系的其他角落。盡管質量巨大的木星和土星吸引了大多數(shù)小行星，以及來自太陽系外圍的遠軌道彗星的“火力”，但還是有許多小星體會進入離太陽更近的軌道，其中更有一些會被地球的引力吸引而撞向地球。

現(xiàn)在，太陽系正處于中年相對平靜的時期，沒有那么多“碎片”小行星會撞擊地球。但是，在地球和太陽系形成早期，太陽系是一個異?；靵y而危險的地方。比如，地球剛形成不久，還是一團熾熱的“面團”的時候，一顆火星大小的星體直接撞擊了初生的地球，撞出來的碎片并沒有離開地球軌道，而是在附近匯聚，形成了月球——這就是目前關于月球成因的主流觀點。稍晚些時候，也就是大約40億年前，剛剛形成的太陽和行星們更是經歷了一段如地獄般的過程——遭受太陽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期（ Late Heavy Bombardment）。這一過程持續(xù)了大概8億年，對于地球來說是相當難熬的一段時期。晚期狂暴撞擊時代結束之后，小星體撞擊地球的事件仍然時有發(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成，而彗星還含有大量的冰和揮發(fā)性物質，所以會形成彗尾。當小行星的質量足夠大、引力足夠強，能使星體形成規(guī)則的球狀或橢球狀時，就能被稱為矮行星。當星體質量進一步增大，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。按照這個行星標準，冥王星只能從曾經的太陽系第九大行星，降級為矮行星。

太陽系八大行星包括內太陽系的4顆固態(tài)行星（水星、金星、地球、火星）和外太陽系的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。一個個大大小小的隕石坑（即掉到地面上的小行星碎片）記錄了漫長歲月里小行星不斷撞擊的結果。但是，為什么地球表面并沒有像月球表面那樣遍布隕石坑呢？這里有幾個主要的原因。首先，地球存在大氣層，很多小碎片進入大氣層后，沒到達地面就因為和大氣摩擦而燒沒了。質量在幾千克以下、直徑小于十幾厘米的小碎片會在大氣層中完全燒毀。其次，地球表面3/4被海洋覆蓋，所以，大部分沒有在大氣層中燒毀的更大的隕石，大概率都撞進了大洋的底部。最后，和月球不同的是，地球的地殼一直處于活動狀態(tài)，板塊運動、造山運動和風化侵蝕等地質現(xiàn)象也會“抹去”很多隕石坑的存在。

位于美國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已知的隕石坑。其中比較著名的幾個大隕石坑還是旅游勝地。比如美國亞利桑那州就有一個開放的隕石坑公園，開車就能去，票價也不貴。

1908年6月20日的通古斯大爆炸，也被認為是由一顆直徑約50米的隕石落在西伯利亞境內的通古斯地區(qū)造成的。因為現(xiàn)場沒有留下隕石坑，所以一般認為這顆隕石在距地面幾千米的高空就爆炸解體了，爆炸威力達到15兆噸TNT當量。這次爆炸摧毀了2000多平方千米的森林，將近8000萬棵樹。這些樹沿著爆炸中心向外斷裂，間接證實了爆炸源自一個中心點。

深度撞擊

隕石撞擊地面的速度和它的大小有關。

之前講到，質量在幾千克以內的星體碎片在落到地球表面之前就在大氣層中燒毀了。那么質量更大的隕石呢？根據(jù)計算，質量在幾千克到10噸以內的物體會因為大氣摩擦而減速，最終會以約100米/秒的速度撞向地面。只要不是直接落到鬧市區(qū)，這點撞擊力對地球整體來說基本沒什么影響。真正有影響的是10噸以上的物體，大氣層對它們的減速作用并不是很明顯，它們撞擊地面的速度會達到每秒數(shù)千米。最可怕的是直徑10米以上、質量超過1000噸的小行星，地球大氣層對它們基本沒有任何減速作用，它們撞擊地面的速度和進入地球大氣層的初始速度幾乎沒什么不同，能超過10千米/秒，這個速度大致和地球公轉的軌道速度同一個量級。

我們來做個簡單的計算，看看隕石撞擊地球的能量威力有多大。這個能量就是隕石的動能（質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到1000兆噸TNT當量，相當于目前最大核彈威力的10倍。

所以一般來說，直徑超過幾百米的小行星，就可以對地球生命造成相當大的危害了，撞擊后，颶風、地震、氣候變化等嚴重自然災害也會隨之而來。直徑超過幾千米的小行星，對地球生命的危害將是全球物種大滅絕級別的。

好在越大的小行星，撞擊地球的可能性也越小。當然，這么說并不嚴謹，因為只要等的時間足夠長，任何大小的小行星撞擊地球的概率都是100%。那么，為什么說越大的小行星撞擊地球的概率越低呢？因為越大的小行星越稀少。這是自然界的一個普遍規(guī)律，對恒星、星系等來說，也都是越大的物體越稀少。

當然，這是按太陽系穩(wěn)定后的小行星分布情況估算的。在太陽系形成初期，混沌中的撞擊頻率就要高很多。大致來說，直徑小于1米的流星（指進入大氣層因摩擦導致燃燒發(fā)光的小行星）幾乎每天都有，當?shù)厍蚬D進入特定軌道區(qū)域時，還可以看到流星雨;能對地球生命造成嚴重傷害的直徑幾百米的小行星的撞擊，幾十萬年到幾百萬年發(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。考慮到地球生命存在的歷史已經有30億年（當然最早的是微生物，高級生物出現(xiàn)要晚很多），那么可以判斷出，物種滅絕級別的小行星撞擊應該已經發(fā)生過好幾次了。

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

曾經的霸主

6500萬年前，一個悶熱的夏日午后，在今天墨西哥境內的尤卡坦半島上，一群梁龍（此處為假設，讓侏羅紀的梁龍穿越到了白堊紀）正在河邊喝水。突然，天空出現(xiàn)了一個碩大無比的火球，耀眼程度不亞于第二個太陽，伴隨著震耳欲聾的巨響向北方極速劃過。幾乎是一瞬間，大地開始崩裂，濃煙和火焰淹沒了眼前所見的一切。對于當時地球上的陸地霸主來說，世界的終結來得如此之快。

中生代白堊紀晚期，恐龍滅絕。目前科學界的主流觀點是，在白堊紀到古近紀之間，一次小行星撞擊事件導致了這場大滅絕。該事件發(fā)生的地點是今天墨西哥境內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。經歷了數(shù)千萬年的演化，這個隕石坑風化嚴重，目前被深深掩埋在20千米的地下，中心位于一個叫?？颂K魯伯的小村莊。考古學家用同位素標記法測定，隕石坑形成于距今約6500萬年前。因為這么大的隕石必然會造成大規(guī)模物種滅絕，而時間上又正好和恐龍滅絕的時間吻合，因此科學家相信，這次小行星撞擊事件是導致恐龍滅絕的直接原因。

除此之外，地質學家還發(fā)現(xiàn)，在大約6500萬年前白堊紀和古近紀分隔的地質學斷層（即白堊紀一古近紀地層界線，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。這就證實了一顆小行星在此期間撞擊了地球，增強了這一時期地層中的銥元素豐度。

銥

元素周期表Ⅷ族過渡元素，元素符號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性質很穩(wěn)定，是最耐腐蝕的金屬。在地殼中的含量為千萬分之一，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)白堊紀一古近紀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，一名地質學家。1977年，他在意大利一個叫古比奧的小村莊高高興興地挖石頭，偶爾看到在兩個地質時期的間隔層中，有一層不同的物質。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家，并且赫赫有名，曾因在粒子物理方面的貢獻獲得1968年的諾貝爾物理學獎。父子倆于是開始研究那層不同物質的成分。借助其他科學家的幫助，他們在這層物質中發(fā)現(xiàn)了超過地層元素豐度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者在1980年發(fā)表文章，提出地外因素導致恐龍滅絕的理論，挑戰(zhàn)當時主流的地球火山爆發(fā)引起氣候變化導致恐龍滅絕的理論。

盡管在理論發(fā)表之初，多數(shù)學者持懷疑態(tài)度，但隨著1991年希克蘇魯伯隕石坑的發(fā)現(xiàn)和年代測定，這一理論得到了越來越多的支持。2010年3月，一個由地質學家、古生物學家等相關學者組成的40多人的國際專家組，在閱讀了大量文獻和數(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)。

因為小行星撞擊地球的速度極快（10-20千米/秒），幾乎在你看到小行星進入大氣層的下一秒它就已經完成了撞擊，人基本沒有時間反應。這次碰撞的具體后果是什么呢？撞擊的能量相當于100萬顆氫彈同時爆炸，威力是地球目前所有核武器的幾千倍。別以為只有撞擊點才受到了影響，撞擊造成超過10萬億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地球上。與此同時，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，在長達一年的時間里，整個地球都籠罩在濃霧中，昏暗不見天日。酸雨毀滅植被和海洋生物，見不到陽光則引起地表溫度降低，地球進入長達10年的氣候寒冬。這次撞擊對地球氣候和生態(tài)系統(tǒng)的破壞是毀滅性的，在短短數(shù)十年內就令75% -95%的物種消失。之后，地球進入漫長的復蘇期，物種的演化重新開始。

前面已經說過，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。對于稍小一點的小行星（幾百米直徑），這種撞擊頻率就高很多，平均幾百萬年一次，而且也能造成大規(guī)模災難。而這些頻率只是統(tǒng)計上的平均說法。小概率、獨立性事件的發(fā)生是隨機的，所以有可能連著發(fā)生幾次，然后很長一段時間相安無事。人類已經存在了大約200萬年，按概率推算，下次小行星撞地球（大規(guī)模災難級別，還不到全球物種滅絕級別）的時間大概也不遠了。當然，這里說的是上百萬年的時間尺度。別忘了，人類進入太空才只是60年前的事，我們應該有足夠的時間去發(fā)展科技，來應對未來的小行星撞擊災難。

災難性質：小行星（以及其他太陽系內小星體）撞擊地球

發(fā)生頻率：幾百萬年到幾億年一次

毀滅時間：陷入毀滅性破壞幾十年

應對程度：30% -40%

總結：小行星撞地球是潛在危險，也曾抹去過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，我們應該有足夠的時間去發(fā)現(xiàn)潛在的小行星威脅，并部署相應的策略去化解危機。

未雨綢繆

目前應對小行星威脅的首要方法是監(jiān)測。

直徑大于幾百米的小行星，直接撞擊地球的話將會帶來災難性后果。即便是直徑幾十米的小行星，如果撞在人口密集區(qū)域，也會造成不良后果。所以，人類必須嚴密監(jiān)測所有可能進入地球軌道的小星體。這些監(jiān)測機構有些隸屬官方，有些是民間組織。利用望遠鏡巡天，我們可以發(fā)現(xiàn)太陽系內的移動小星體，并估算它們的大小、成分和運動軌跡。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間去準備應對。而破壞力能達到災難級別的小行星按平均統(tǒng)計來說，在幾百年到幾千年內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，時刻保持警惕是非常必要的。不怕一萬，就怕萬一。

如果發(fā)現(xiàn)朝著地球直奔而來的足夠大的小行星，可以考慮用人工撞擊改變其軌道的方法來解除危險——相比把小行星整個炸碎，這種方法需要的能量少很多。2005年，美國航空航天局（ NASA）發(fā)射的深度撞擊號彗星探測器就成功撞擊了直徑幾千米的彗星坦波爾1號，并稍稍改變了彗星的軌道——因為所用能量很少，只有4.8噸TNT當量，因此彗星軌道的改變也很小，基本可以忽略。所以，無論從理論還是實踐的角度來說，只要發(fā)現(xiàn)得夠早，我們就有時間去準備，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）都有計劃進一步實踐這種方法的有效性。

本文內容來自“普林小虎隊”公眾號，ID：PUTigersjr