科學好故事|小行星和彗星撞擊地球的幾率有多大?

2022年04月21日12:02
一顆流星劃過天空
一顆流星劃過天空

  從流星、彗星,到足以摧毀整個國家的太空巨石,當地球被不同大小的物體撞擊時,會發生什麼?

  許多人都看過Netflix在前不久推出的電影《不要抬頭》(Don‘t look up),片中的情節便與一顆足以引發地球生物大滅絕的彗星有關。當這樣一顆彗星徑直撞向地球的時候,究竟會發生什麼?

  當然,如此巨大的物體撞擊地球是極其罕見的事件。那麼,地球被小行星或其他天外物體撞擊的頻率有多高?撞擊會導致什麼後果?我們可以看看火星和月球的表面。數百萬年來,無數太空岩石撞擊了這兩顆星球的表面,留下了大大不一的撞擊坑。

關於1833年獅子座流星雨的雕刻版畫,令人印象深刻
關於1833年獅子座流星雨的雕刻版畫,令人印象深刻

  在地球上,情況就明顯不同了,因為水、風和植物會覆蓋或侵蝕撞擊坑。在地球的歷史上,肯定也遭受過足夠多的宇宙岩石撞擊,但相關的證據還不是很充分。到目前為止,地球上已經發現了192個撞擊坑。

  火星上至少有42000個隕石坑。此時,一台被稱為“毅力號”(Perseverance)的火星車正在火星的耶澤羅撞擊坑進行探索。這是一個直徑超過45公里的大坑,估計最晚形成於36億年前。

英仙座流星雨期間的流星
英仙座流星雨期間的流星

  小石頭變成了流星

  來自太空的岩石大小不一,越大的石頭就越稀有。當這些石頭撞擊大氣層並燃燒發光時,就被稱為流星。事實上,一直都有微小的岩石顆粒落到地球大氣中,這些形成流星的物體遠比你想像的要小得多。它們通常重約1克,只有一粒沙子或一粒豌豆大小。這些小顆粒以極快的速度撞擊大氣中的空氣分子,燃燒並變成氣體,周圍的空氣也會被加熱至很高的溫度,以至於發出光亮。

  當殘存的物質冷卻後,又會變成固體,像雨點一樣落在地球表面。有時候,我們會看到比平時更多的流星,這種現象被稱為流星雨。流星雨出現的時間是固定的,比如英仙座流星雨就出現在八月。

  流星雨是在地球經過彗星軌道時產生的。彗星在軌道上每接近太陽以此,就會有一些冰蒸發並拖曳出灰塵、沙粒和卵石等固體碎片,成為流星體,散佈於整個彗星軌道周圍。

2013年,Terje Fjeldheim在Setesdal高地發現的Valle隕石
2013年,Terje Fjeldheim在Setesdal高地發現的Valle隕石

  神奇的流星

  我們有時會見到一些更令人印象深刻的流星。它們發出的強光能劃破夜空,其中較大的通常稱為“火球”(天文學家通常用“火流星”來標示特別明亮的火球,特別是發生爆炸的)。這些火球由拳頭大小或更大的太空岩石墜入大氣而產生,其效果與小得多的顆粒差不多,只不過它們的光芒更明亮,也更持久。

  見過一次它就會深深地印在你的記憶里,是一種神奇的體驗。事實上,火球發生的頻率很高,許多人一生中都可能經曆一次。

從太空中看到的一顆流星
從太空中看到的一顆流星

  每天10到50顆隕石

  更大的流星體,也許和籃球一樣大或者更大,有時可以在穿越地球大氣層的過程中殘存下來。落到地面之後,它們就成了隕石。有若干因素會影響流星體能否最終墜落到地面,其中很重要的一個因素是這些太空岩石的組成成分。

  一塊石頭髮生燃燒和爆炸的幾率更大,而一塊由鐵組成的流星體可以在穿越大氣層時保存得更久,並最終墜落在地面上。

一塊來自太空的岩石發生劇烈爆炸,使西伯利亞的森林遭受重創
一塊來自太空的岩石發生劇烈爆炸,使西伯利亞的森林遭受重創

  在大氣層中爆炸的岩石可以發出強烈的光亮。如果爆炸的岩石足夠大,它們的碎片還是會以小石塊的形式墜落到地面上。據美國隕石協會估計,地球上每天有10到50塊隕石墜落。一旦落到地面,就不大容易找到它們了。挪威到現在只發現了16塊隕石。

  那麼,如果是一塊像汽車大小的石頭呢?在一年的時間里,地球會迎來大量來自太空的灰塵和岩石,與此同時,地球的大氣質量也在減少。如果你把這些塵埃顆粒和那些稍大一些的碎片加起來,估計每天到達地球的質量約有50噸。

  讓我們再大膽一些,如果是一塊汽車大小的石頭撞上地球,會發生什麼呢?2019年,科學家發現了一顆長度為4米的小行星。它快速墜入大氣層,在到達地面之前就已經燃燒殆盡。據媒體報導,這個火球所釋放的能量相當於6000噸TNT炸藥。

美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑
美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑

  並不罕見

  幾米長的天外物體並不罕見。據美國國家航空航天局(NASA)的數據,每年大約會有一顆汽車大小的小行星撞擊大氣層一次。這些幾米高的太空岩石多數會在大氣中燃燒,不會造成太大災害。

  富含鐵的隕石有更大的幾率落到地面,並形成撞擊坑。戴普維克指出,一塊3米長的隕石在2007年落在了秘魯境內,形成了一個直徑達13米的撞擊坑。這是地球上已知最年輕的撞擊坑之一。

  研究人員在一份關於該事件的研究報告中寫道,由長度只有數米的岩石隕石形成的撞擊坑是很不尋常的。

  從美國國家航空航天局在1994年到2013年間記錄的流星數據可以看出,這些物體的大小都超過1米,最大可達20米。它們照亮了天空,被稱為火球。幾乎所有這些物體都在大氣中燃燒,沒有造成任何傷害,只有一個例外。

  破碎的窗戶

  2013年2月15日,在俄羅斯車里雅賓斯克市附近,人們看到了一個異常明亮的火球劃過天空。一塊17到20米長的太空岩石進入了地球的大氣層。這塊石頭在離地面約30公里的地方燃燒起來,併發生了爆炸。

  許多住宅的窗戶被爆炸的衝擊波震碎,一些建築也遭到破壞。大約1600人受傷,主要原因是玻璃碎片劃傷。在直徑達數公里的範圍內,許多村莊的房屋被毀。這些人實在太不走運了,一開始,他們看到了一道不可思議的閃光,然後走近窗戶觀看。幾秒鍾後,窗玻璃就爆裂了。有些人的眼睛和其他部位受傷了。因此,在人口稠密的地區發生這樣的爆炸,會造成很不好的後果。

  據科學家估計,像2013年車里雅賓斯克如此規模的小行星撞擊事件,在一個世紀中發生的次數不到兩次。

  荒野中的爆炸

  據稱,2013年車里雅賓斯克小行星撞擊事件是自1908年通古斯大爆炸以來最強烈的隕石爆炸事件。通古斯大爆炸發生在西伯利亞通古斯河附近、貝加爾湖西北方800公里處,估計爆炸威力相當於2000萬噸TNT炸藥。

  據《大英百科全書》(Encyclopedia Britannica)記載,當地樹木先是著火,但火勢後來被隨之而來的衝擊波撲滅;超過2000平方公里的森林被夷為平地。有目擊者描述了當時的高溫、大炮般的巨響以及地面的震動。直到許多年後,研究人員才對事發地點進行了調查,發現了被隕石撞擊夷為平地並燒焦枯死的森林。

  如果如此規模的小行星撞擊了某座城市,後果將是極其嚴重的。它把周圍幾公里的樹都撞倒了。當衝擊波如此強大時,很多建築將被摧毀。這對一座城市來說是非常可怕的。

  根據美國國家航空航天局在 2019年的一項研究,造成通古斯大爆炸的可能是一個直徑在50至80米之間的石質物體。它在離地面5到10公里的地方爆炸。不過,研究人員並沒有發現撞擊坑或該物體的殘留部分。

  直徑50米的物體所留下的撞擊坑

  “區區”數十米直徑的物體就會給地面造成巨大的破壞。另一個著名的例子是美國亞利桑那州北部沙漠中的巴林傑隕石坑。這個隕石坑寬1.2公里,大約形成於5萬年前。戴普維克表示,造成這個隕石坑的是一塊鎳鐵質隕石,直徑約為50米。當時的撞擊過程非常劇烈。

  隕石坑的規模通常比隕石大20倍左右。因此,這顆長度50米的小行星在亞利桑那州墜落時,形成了一個大約1公里的隕石坑。當時發生了爆炸,地面被猛烈撞擊,基岩融化,並在撞擊過程中噴射出大量灰塵、火山灰和氣體。

  根據兩位研究者在《今日物理學》(Physics Today)上發表的一篇文章,此次撞擊產生的能量足以摧毀一座現代城市。對距離隕石墜落地點6公里以內的中型動物而言,撞擊產生的衝擊波是致命的。對於距離撞擊地點10到12公里內的動物,其肺部會受到嚴重損傷。

  直徑250米的隕石會如何?

  據統計,發生在通古斯和亞利桑那州這樣的事件大約每一千年才會發生一次。這些太空岩石的直徑在50到80米之間。相比之下,導致恐龍滅絕的彗星或小行星直徑為10到12公里。那麼,如果一塊直徑數百米或一千米的岩石撞擊地球,會發生什麼?

  挪威已經確認了三個撞擊坑。其中之一是位於內斯比恩的加德諾斯撞擊坑,它的直徑為5公里,由一顆直徑約250米的隕石形成。

  這樣的規模,已經大到足以在撞擊地面時,其本身和大部分撞擊區域都會氣化,並以玻璃和灰塵的形式落下,到處都是。而整個隕石在撞擊時都被摧毀了。

  如果今天有這樣大小的隕石撞擊地球,就會形成巨大的撞擊坑,並帶來強大的衝擊波、塵埃和震動,對一個丹麥大小的地區產生影響。《地球物理研究通訊》(Geophysical Research Letters)2017年的一項研究顯示,如果一顆直徑為250米的小行星撞擊地球,可能會導致10萬人死亡。

  1公里的隕石呢?

  一顆直徑1公里的小行星可以對一個法國大小的地區造成巨大的破壞。這種大小的物體能以每秒20至30公里的速度移動,這至少相當於每小時72000公里的速度。當一個物體以如此快的速度撞擊地面時,就會發生劇烈的爆炸,使地面受到嚴重擠壓並融化。

  這塊物體的很大一部分將被拋射出去,變成塵埃和碎石,覆蓋周圍的地區。在更大規模的撞擊中,其覆蓋範圍甚至會進一步擴大。當空氣被擠出撞擊區域時,衝擊波會在非常大範圍的區域內產生影響。空氣被擠出,但也會回流。在一切穩定下來之前,還會有額外的衝擊波。

  衝擊波也向下傳播,對地面產生影響。這會導致一種可能引起地震的情況,而地震又可能引發滑坡和岩石滑坡,衝擊波也能把樹木壓扁,並在一個很大的範圍內摧毀和碾碎一切。它還會產生高溫,間接導致火災。

  當這樣的小行星墜落時,溫度可高達數千度,你可以想像,當撞擊地點的岩石融化時,實際上是氣化蒸發,這會引起很多火災。這種影響還取決於基岩的組成。導致恐龍滅絕的彗星或小行星撞上的就是含鹽沉積物和富含硫磺的岩石,這會導致有毒氣體的形成。不同的地方會產生不同的後果,但撞擊事件的確會導致這種情況發生。

  5公里的撞擊物體呢?

  美國普渡大學和英國倫敦帝國理工學院的研究人員在2004年發明了一個計算器,可以用來計算小行星或彗星撞擊地球時可能發生的後果。該計算器後來經過更新,並被廣泛使用。

  那麼,如果一顆5公里長的小行星撞擊柏林,會發生什麼呢?根據計算,撞擊產生的隕石坑寬約54公里,深1公里。換言之,隕石坑將比城市本身還要大。撞擊產生的衝擊波強度足以震碎整個歐洲的窗戶。在歐洲大部分地區,木製建築會倒塌,而在德國大部分地區和波蘭部分地區,鋼鐵建築也會倒塌。

  當撞擊發生時,如果你身處255公裡外的漢堡,那你幾乎會立即感受到火球的熱量。撞擊可能會立即引發衣服著火、落葉樹木和草地著火。地震將在51秒後開始,並對建築物造成中度損害。

  撞擊過程中拋向空中的灰塵和石頭將在四分鐘後開始落回地面。灰塵和更大的碎片將覆蓋這一地區,形成85釐米厚的碎屑層。衝擊波將在13分鐘後到達。鋼鐵和木製建築將被炸成碎片,90%的樹木將被掀倒。可以說,這將是一場徹底的災難。挪威奧斯陸和周邊地區將逃脫破壞性的熱浪,但衝擊波仍然會使木製房屋和幾乎所有的樹木倒塌。

在發生大規模撞擊事件時,高溫會導致火災
在發生大規模撞擊事件時,高溫會導致火災

  10公里的撞擊物體呢?

  科學家認為,一顆直徑10公里的彗星或小行星有可能會造成大規模滅絕。大約6600萬年前,一個如此規模的天外物體撞擊了墨西哥,導致恐龍陷入浩劫,所有體重超過25公斤的動物都滅絕了。

  除了火災、海嘯、地震和動植物被摧毀之外,大量的灰塵和碎屑也被送入大氣層,遮蔽了太陽光。這種情況會持續好幾年,使植物難以進行光合作用,地球各個生態系統的食物鏈遭到嚴重破壞。

  據估計,這種大小的天體平均每1億年撞擊地球一次。研究人員已經發現了幾個這樣的大撞擊坑。導致恐龍滅絕的小行星墜落在墨西哥尤卡坦半島,形成了直徑為150公里的隕石坑。

  南非的弗里德福特隕石坑更為巨大,直徑達到380公里。加拿大的薩德伯里隕石坑直徑為130公里。據報導,加拿大和俄羅斯還各有一個直徑達100公里的隕石坑。

  不過,沒有證據表明隕石撞擊與地球歷史上其他的大滅絕事件有關。

太空中的一顆小行星
太空中的一顆小行星

  我們會目睹大型小行星撞擊地球嗎?

  我們可能不需要太過擔心這一問題。畢竟,大型小行星的撞擊是非常罕見的事件。多年來,美國國家航空航天局和歐洲空間局一直在繪製可能構成潛在威脅的小行星和彗星的地圖。

  較早之前,美國國會給了NASA一項任務,要繪製出所有可能對人類生存構成威脅的主要天體的地圖。空間科學家已經逐漸發展出了相關的探測手段和專業知識,對許多非常大的小行星進行記錄。幸運的是,它們在未來100年內都不會撞上地球。

  在鄰近地球的太空中,超過1公里長的小行星已經有超過90%被發現。各國太空機構也在努力尋找那些大小在1公里到140米之間的小行星。美國國家航空航天局估計,在直徑達140米或更大的小行星中,他們已經探測到了約40%。

一顆5公里大小的小行星在柏林墜落時所產生的衝擊波範圍。外環區域的玻璃窗會被震碎;中環區域的木製建築將倒塌;而內環區域的鋼結構建築物會倒塌。模擬所輸入的數值是:小行星的平均角度和速度分別為45度和17千米/秒,密度為2600千克/立方米。
一顆5公里大小的小行星在柏林墜落時所產生的衝擊波範圍。外環區域的玻璃窗會被震碎;中環區域的木製建築將倒塌;而內環區域的鋼結構建築物會倒塌。模擬所輸入的數值是:小行星的平均角度和速度分別為45度和17千米/秒,密度為2600千克/立方米。

  一系列的威脅

  各國的航天局和空間局一直在記錄有潛在威脅的鄰近天體。目前,歐洲空間局的風險清單包括了1335個天體。這個名單在不斷變化。當他們得到更好的測量結果時,就可以消除一些潛在的威脅,而其他的威脅一旦被發現,就會被添加到列表中。

  幾十年來,對潛在威脅天體的認識已經改變了很多。當我們第一次意識到小行星可能帶來危險時,我們必須知道那裡有多少顆小行星。結果發現了很多。有很多小行星可能會穿過地球軌道,這種新的認識導致了更多的不確定性和恐懼。但隨著太空科學家的觀察和計算,這個名單又開始縮小了。

大規模撞擊事件會引發嚴重的災難,導致生態系統崩潰
大規模撞擊事件會引發嚴重的災難,導致生態系統崩潰

  一次令人不安的靠近

  有時候,小行星確實會離地球很近。一顆名為“阿波菲斯”(Apophis)的小行星就引起了一些關注。這是一顆直徑為370米的小行星。它在很長一段時間里都在名單上,就好像可能會撞擊地球一樣。最近它被移除了,因為更精確的觀察表明,它將在本世紀遠離我們。

  不過,到了2029年,阿波菲斯可能會非常接近地球,甚至可能會比一些人造衛星所在的位置更近。

  如果發生最壞的情況,比如有一顆小行星或彗星正全速撞向地球,那我們該怎麼辦?幸運的是,人類早已經考慮了對策,並正在製定相關的計劃。作為測試,今年晚些時候,NASA將嚐試用一台太空航天器(即雙小行星重定向測試任務,簡稱DART)改變一顆小行星的軌道。

  歐洲空間局的目標是能夠對造成車里雅賓斯克撞擊事件那樣的天體發出預警。要達到那樣的專業水平需要一些時間。這是一個理想,但也是一個現實的目標。

這張圖顯示了科學家發現的近地小行星數量隨事件推移的變化情況
這張圖顯示了科學家發現的近地小行星數量隨事件推移的變化情況

  天外物體撞擊地球的頻率是多少?

  對於特定大小的天外物體,科學家估計了它們撞擊地球的頻率,以及造成的結果。

  4米:平均1.3年發生一次,在空中爆炸;

  20米:平均60年發生一次,在空中爆炸;

  30米:平均185年發生一次,在空中爆炸;

  50米:平均765年發生一次,在空中爆炸;

  70米:平均1900年發生一次,在空中爆炸;

  85米:平均3300年發生一次,在空中爆炸;

  100米:平均5200年發生一次,形成撞擊坑;

  150米:平均16000年發生一次,形成撞擊坑;

  250米:平均59000年發生一次,形成撞擊坑;

  400米:平均10萬年發生一次,形成撞擊坑;

  1000米:平均44萬年發生一次,形成撞擊坑。

  這些物體的密度取值為2600千克/立方米,速度為17千米/秒、撞擊角度為45度。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽