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毁灭地球指南:陨石撞击

小行星 彗星 流星 冲撞 流星体

溯鹰 发表于  2015-05-25 14:37

在《复仇者联盟2:奥创纪元》里,反派奥创最后毁灭世界的办法是把半座城市抬上空中,然后丢下去。美国队长的盾是用陨石材料造的,现在反派也要模仿陨石来毁灭世界……真不愧是好学生呀。
话说回来,这么丢一下,到底能造成多大的伤害呢?

陨石在幻想文学中经常是神兵利器的来源,现实中倒也经常造成巨大的杀伤——只不过,它里面其实并没有什么特殊的元素,它的杀伤力很朴实简单:撞。

所谓陨石,不外乎是地外天体撞击地球的过程中没有被大气层的摩擦给“消化掉”的残留物质罢了。和直观容易想到的不同,陨击事件的破坏力其实远不止“撞一下”那么简单。一次天体撞击事件对地球系统的影响甚至可以延续数百年,数万年乃至数百万年之久。由直接冲撞所带来的破坏力虽然“简单粗暴”,但终归是一次外科手术式的机械打击;天体撞击在之后的漫长时间中所引发的环境灾难才是“正片”。

impact_intro.jpg猜猜这么大的小行星会带来怎样的影响?图片来源:www.killerasteroids.org

在本文里,我们先一起来看看陨击事件究竟是怎样进行它们的“伤害输出”的;然后我们根据这些原理,从小到大,给陨击事件的破坏力排个序,看看它们到底能把地球实际折腾成什么样子:从最小的、划过天空的火流星;到大一点的、足以摧毁一座城市级别的撞击;然后更大的,比如在白垩纪末把恐龙搞灭绝那样的。当然,在最后的最后,依然少不了大家喜闻乐见的标准结局——摧毁地球。

直接破坏力:撞

谈起陨击事件,我们最容易想到的自然是直接冲击。显然,冲击带来的威力由两方面决定:陨击天体本身“有多重”(质量),以及“有多快”(速度)。

质量本身又是体积和比重的乘积。研究实际陨击物体有一个好处:它们是有一个比重上限。之前的文章里已经介绍过,常见的大部分陨石要么是质量较小,不能诱发比重分异的早期小行星、要么是质量较大,内部可以长期维持熔融态从而可以进行充分比重分异的原行星。在所有这些大大小小的天体里,最重的物质,自然是在充分的比重分异中被分到大型原行星最深处的铁质地核——也就是铁陨石的“前身”。因此,倘若考虑最严重的情况,不妨把陨击物体的比重全假设为这个上限;这样一来,所谓的质量问题,实际上就简化为单纯的体积问题了。

然后是另一方面,速度。陨击天体的速度究竟有多大呢?老实说并不容易估计。本来这些天体受到初始扰动的原因就各不相同。再者,就算初始速度相同,在飞向地球的轨道中,也可能受到各种不可预知的中途干扰,比如是否临近过大行星从而经历了引力加速?比如是否经历过多次碰撞而交换过动量?这些都是未知问题。

但是,仅从“落入地球”这个结果来考虑的话,速度同样也有一个上限:11.2km/s。在太阳系尺度下,地球和陨石完全可以当作质点,因此,除了毫厘不差地瞄准地面飞来的那些极少数的情形外,其他几乎所有落到地球上的陨石,都不外乎是一点点被地球的引力场捕获、偏离轨道、然后吸下来的。 “能被地球引力场捕获”自然带来了一个潜台词,那便是这些小天体的速度上限不能够超过第二宇宙速度(跟从地球上发射探测器正好相反)。因为一旦超过这个速度,它们就能够无视地球引力圈的吸引而直接掠过了。

不妨把比重和速度都设为各自的上限。这样一来,变量就只剩下小天体的体积了。这和我们的直观认知是相符的:撞击天体的大小,是决定冲击破坏力的最直接因素。

但是呢,天体撞击所造成的实际危害,却远不止直接冲击简单。哪怕毁掉一座城市、削平一座山头,如果仅仅考虑这些机械力,对地球上的生态系统来说也不过就是“疼一下的事儿”,影响不到根源。它们给地球系统所带来的真正威胁,在于其诱发的各种次生效应。这就犹如一支毒箭。在中箭时固然有皮肉之痛,但更可怕的,却是渗入机体的毒液,慢慢地使这个系统从内在紊乱掉,然后彻底崩溃。

间接诱发的深远灾难

地球环境的紊乱,往往表现为生物圈的大型灭绝事件。而谈起灭绝,陨石和地幔柱可以算是最著名的“两大凶手”了(还有一些小凶手比如海平面升降啥的)。

地幔柱,是地球历史中那些超大型熔岩域——“大火成岩省”的幕后推力。大火成岩省对环境釜底抽薪式的破坏,远不仅仅是靠它们那数十万平方公里的“岩浆之海”给“烤”出来的。它们真正可怕的地方在于,在把大量地球深部的毒气在极短的时间内释放进了大气圈。

当大量二氧化碳和甲烷注入大气圈时,温室效应将短期骤增,地球进入无冬之年,气候乱掉、生物完蛋;当大量二氧化硫注入大气圈时,与水结合形成气溶胶,射入地球的阳光将被大量反射,地球进入无夏之年,气候乱掉、生物完蛋。大火成岩省的虐心之处在于:它甚至可以将这两方面揉合起来进行的,一会儿温室效应、一会儿冷室效应,频繁地在无夏之年和无冬之年之间乱切换。就算能适应温室的,把你冻死;就算能适应冷室的,把你热死。所以史上最大的大火成岩省——西伯利亚暗色岩系(Siberian Traps)才有资格在二叠纪末将地球上95%以上的物种都抹掉。

陨击事件能够成为与地幔柱并肩齐驱的凶手,恰恰就在于这些事情不仅地幔柱能做到,大型陨击事件同样也能做到。

你可能会问陨石怎么能带来气体呢?陨石不用带来气体。但是它可以在冲击时,把大量固化在地表圈层(岩石圈和水圈)中的这些气体给蒸发出来,短时间内骤然释放至大气层,也就起到同样的效果了。

还先拿最著名的温室气体二氧化碳来说。我们知道,全球的碳储库在各个圈层间是高度平衡的。绿色植物靠CO2合成有机物,自此从大气圈进入生物圈。有机物在生物间层层传输,死亡后,再继续分解为无机的CO2。CO2可以溶于水固定下来,便从生物圈进入水圈,然后再通过灰岩的沉积作用进入岩石圈。多余的二氧化碳在固定进岩石圈后,又被板块构造带回地球内部,而地球内部多余的则在火山口喷出……长期以来,地球的碳循环早已经在各个圈层间达到了动态平衡。

OK,现在一个陨击天体砸下来了。如果它砸进海洋里,巨大的能量将使得海水大量蒸发、使得灰岩大量分解,本来已经固定在水圈和岩石圈中的CO2将骤然溢出至大气圈,远远超过了后者能够承载的平衡限度,便形成了跟大火成岩省相似的功能——将地表环境超载成了大型温室。

至于冷室效应么,陨击同样也能做到。不就是反射太阳光吗?火山灰和硫酸气溶胶能干的事儿,陨击时所溅向平流层的大量悬尘难道就干不成?

陨击事件能造成的所有危害,基本上也就这些了。为了更直观地认知它们,接下来我且把撞击分为五个级别,分别是 划出一般火流星的级别、开始撞出显著陨石坑的级别、PHO级别、造成生物绝灭的级别、以及初始大冲击的级别。

陨击事件的破坏级别

一、平时看到的火流星级别

如果一次火流星的视星等能够比这两天的金星再稍微大些,大概就能在地面上留下燃烧不完的陨石痕迹了(当然了也得看陨石成分,一般来说铁陨石是最不容易烧完或者肢解的)。但这种情况下,陨击物质一般很小。要问这些可能比鹅卵石还小的天体从小行星带甚至柯伊伯带飞来,然后掉到地球上砸中一个人的概率有多大…我觉得这个问题只能看人品了。至于别的危险嘛,可能还是有的吧。比如在夜观星空时有幸看到这些火流星后,一激动把望远镜或者相机的三脚架踢倒了什么的…..?此类事件,对于脆弱的光学仪器来说,也算是十分危险的吧。 

危险系数:低。可能会对RP低到没救的人、以及观星时用到的仪器具有一定危险。

二、能在地表撞出显著陨石坑的级别

体积再稍微大一点,比如直径到几米、甚至几十米的小天体,产生的后果便开始慢慢凸显了。离当下最近的一次,无疑是2013年俄罗斯车里雅宾斯克的那次小行星撞击事件了。据称,产生这次撞击的天体直径大小在十几米左右,相关的目击视频和描述在网络上都能很容易找到,很直观便能感受到威力的大小。

现今地球上保存最好的陨坑地貌——美国的巴林杰陨石坑(Barringer Meteor Crater),可以算是人们了解陨击的提一扇最直观的窗口了。它的直径约为1200米,最深可达170米。由于陨击地点正好是美国西部寸草不生的沙漠,因此,可以形成完整的圆形陨击坑,并在漫长的历史长河中清晰地保存下来而不至于遭到植被覆盖或者人为破坏。科学家估算造成该陨坑的冲击物直径可能在50米左右。

危险系数:高。有这么两个很直观的例子,大家应该能够直观感受到十几米到几十米的陨击事件是什么程度的破坏力了。

三、 PHO级别

真正有现实意义的天体撞击威胁从这个级别方才开始。所谓的PHO,即Potentially Hazardous Object,潜在威胁天体。根据美国国家空间协会(NSS, National Space Society)的定义,PHO天体的下限大约在直径100m-150m左右,且离地球的最近距离小于0.05个天文单位(AU,1AU=7500000 km)。无论是砸在陆地上,还是冲进海洋里形成大海啸,这个级别的破坏力,都足以对人类的现有生存空间造成区域性的毁灭效应。这个级别的天体,正好算是“数量不算少,危害不算小”,因此是各国相关机构的重点监测对象。所幸,近期的人类文明还没有挨过一下子。

危险系数:甚高。一旦冲击发生,人类文明将发生区域性毁灭效应,但还不至于让全球的人类都活不下去。

四、足以造成生物大灭绝的级别

这个级别的陨击所造成过的最大可能实例,便是我们熟悉的那次恐龙大灭绝了。

起初,人们只是在地层中发现了恐龙等化石的灭绝记录。至于怎么造成它们的灭绝,并不知道。上世纪八十年代,物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨发现了在赋存着灭绝信息的地层中,铱(Ir)的含量要远远高于地表环境的正常值,甚至高出数十倍乃至数百倍之多。由于Ir是高度亲铁的,在行星分异中会随着铁一同沉至行星深处并富集于地核,因此这个现象可以完美解释灭绝的诱因——于是,阿尔瓦雷茨便将铁陨石带入人们的视野。毕竟,地球自身的核不可能浮出地表,谁能向地表的沉积物中撒这么多Ir呢?备选项自然只能是砸向地表的铁陨石——这些曾经逝去的天外行星的地核了。

然而,随着对白垩纪末灭绝的研究愈发深入,人们发现了更多的证据链。上世纪七十年代,在墨西哥希克苏鲁伯的一次油气田勘探中,人们无意中发现了一个神秘的环形地貌。由于这个环状地貌的发育时代正好是在6500万年之前(恐龙灭绝的时代);而且在环形区域中同时发现了只有冲击事件能够形成的超高压物质,科学家们普遍认为,希克苏鲁伯陨坑很大可能就是造成白垩纪末大灭绝的那次天体撞击的遗迹,该陨坑平均直径约180公里,经过后来推算,认为是由一颗直径50 km的陨击物质造成的。

危险系数:极高。一旦这样的天体砸下来,整个生物圈就等着用一次漂亮的灭绝来交卷吧,但是生物圈本身消失不了。毕竟每一次灭绝之后,生物圈总是会演化出更复杂的“新姿势”的嘛。

五、太初大冲击的级别

好了,我们把脑洞再放大一些,倘若现在砸向地球的是一个火星大小的天体怎么办?这可不是什么“小行星”了,这次的对象,已经是个高度成熟的行星了。是的,这正是我们之前已经介绍过多次的太初大冲击(Giant Impact),被科学家认为是46亿年地球大历史开端的第一幕。当时,一个名叫“忒伊亚”(Theia)的火星大小的原行星撞上了原始的地球,两颗行星的外壳和地幔均被彻底炸裂,碎片迸向太空,最后融合成月球;而忒伊亚的星核则沉进地球深处与地核融合,形成一个更大的星球核心。

危险系数:讨论危险系数已经没有意义了。如果真的再来一次的话,生物圈应该会彻底消失(但地球还是会存活下来的)。倘若人类还不能成功地飞向宇宙,就只有自求多福了。

最后的开放性问题是:还能不能更大一点?如果飞来的天体是木星大小,甚至太阳大小呢(膨胀也算进来吧)?此时又会是什么情形呢?

不妨用物理学家理查德·费曼的那句话作为结束语吧:“I gotta stop somewhere,I will leave you something to imagine.”

我就说到这儿。至于剩下的,就由你们来想象了。(编辑:Ent)

热门评论

  • 2015-05-25 16:41 D00弟

    谁说的撞击就是坏事呀!60年前的一次撞击 把超人送来保护地球了!2007年的几次撞击 把擎天柱它们送来拯救人类了!

    [14] 评论
  • 2015-05-25 15:18 模因中的muton
    引用文章内容:I gotta stop somewhere,I will leave you something to imagine


    再大的就该把地球当撞击物了吧喂! 不过要真发生,那也是太阳系和其他系统撞上了

    [11] 评论
  • 2015-05-25 15:07 负离子.吹风机

    不给力啊老师!

    [6] 评论

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全部评论(19)
  • 1楼
    2015-05-25 15:07 负离子.吹风机

    不给力啊老师!

    [6] 评论
  • 2楼
    2015-05-25 15:18 模因中的muton
    引用文章内容:I gotta stop somewhere,I will leave you something to imagine


    再大的就该把地球当撞击物了吧喂! 不过要真发生,那也是太阳系和其他系统撞上了

    [11] 评论
  • 3楼
    2015-05-25 16:41 D00弟

    谁说的撞击就是坏事呀!60年前的一次撞击 把超人送来保护地球了!2007年的几次撞击 把擎天柱它们送来拯救人类了!

    [14] 评论
  • 4楼
    2015-05-25 17:26 錢塘聽雪

    再大的就把地球带走了,历法又要重新制定,真麻烦

    [2] 评论
  • 5楼
    2015-05-25 17:31 周日游鱼

    看过一部科幻小说,还记得这样的情节:苏联的空间站,向美国发射几十米长的铁棍,以数百马赫的速度直冲纽约(细节记不大清了,大致如此),然后,细节大家脑补吧,纽约反正是没了。

    [0] 评论
  • 6楼
    2015-05-25 17:55 d0352bom

    掉到地球上不是小于第一宇宙速度吗???求科普~~~~

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 7楼
    2015-05-25 17:57 科学二百五木头

    动能的力量!!!最基本,最简单粗暴的强大能量!!!

    [2] 评论
  • 8楼
    2015-05-25 18:44 猫小鹰

    爽歪歪

    [0] 评论
  • 9楼
    2015-05-25 18:59 田园虎斑猫
    引用@d0352bom 的话:掉到地球上不是小于第一宇宙速度吗???求科普~~~~

    掉到地球上和第一宇宙速度有什么关系?达不到的物体也可以飞离或者撞上地球啊。

    [0] 评论
  • 10楼
    2015-05-25 20:18 NashLegend

    直接把抬起城市的能量作用到地球上岂不效率更好,为啥还要先扔出去~

    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 11楼
    2015-05-25 22:55 d0352bom
    引用@htsdzyx 的话:掉到地球上和第一宇宙速度有什么关系?达不到的物体也可以飞离或者撞上地球啊。

    我是觉得文章里第二宇宙?速度是不是有点过高了。在第一和第二宇宙速度之间不是保持绕地运动吗??

    来自 果壳的壳
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  • 12楼
    2015-05-26 00:25 Chemiholic
    引用文章内容:但是,仅从“落入地球”这个结果来考虑的话,速度同样也有一个上限:11.2km/s。

    为什么不是速度下限?撞击地球的小天体本身不受地球的引力束缚,总机械能大于0,“落入地球”时最大速度(不考虑空气阻力)应该大于11.2km/s

    [0] 评论
  • 13楼
    2015-05-26 10:52 d0352bom
    引用@Chemiholic 的话:为什么不是速度下限?撞击地球的小天体本身不受地球的引力束缚,总机械能大于0,“落入地球”时最大速度(不考虑空气阻力)应该大于11.2km/s

    大于的话引力不就不能被捕获了吗???

    来自 果壳的壳
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  • 14楼
    2015-05-26 16:11 CBP
    引用@NashLegend 的话:直接把抬起城市的能量作用到地球上岂不效率更好,为啥还要先扔出去~

    因为那座城市被用虚构的振金材料改造过,就和美队的盾是同样的材料,貌似是想用振金的特殊性质来毁灭人类,而不是单纯的当陨石砸

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  • 15楼
    2015-05-27 12:31 yinglong
    引用@周日游鱼 的话:看过一部科幻小说,还记得这样的情节:苏联的空间站,向美国发射几十米长的铁棍,以数百马赫的速度直冲纽约(细节记不大清了,大致如此),然后,细节大家脑补吧,纽约反正是没了。

    好莱坞大片特种部队里就出现过了,不过不是纽约,而是伦敦(毕竟是米国人拍的片子)

    [0] 评论
  • 16楼
    2015-06-04 06:03 小强的春天

    “人类文明将发生区域性毁灭效应,但还不至于让全球的人类都活不下去。”这句话叫我想起了EVA里的第二次冲击

    [0] 评论
  • 17楼
    2015-06-04 06:04 小强的春天

    “人类文明将发生区域性毁灭效应,但还不至于让全球的人类都活不下去。”这句话叫我想起了EVA里的第二次冲击

    [0] 评论
  • 18楼
    2015-09-27 16:20 babepapa

    想问一下,陨击作用发生时会不会引起像大火成岩省一样使气候忽冷忽热,频繁转换的效果呢

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  • 19楼
    2016-07-07 19:24 papaver.sl

    在太阳系尺度下,地球和陨石完全可以当作质点,因此,除了毫厘不差地瞄准地面飞来的那些极少数的情形外,其他几乎所有落到地球上的陨石,都不外乎是一点点被地球的引力场捕获、偏离轨道、然后吸下来的。 “能被地球引力场捕获”自然带来了一个潜台词,那便是这些小天体的速度上限不能够超过第二宇宙速度(跟从地球上发射探测器正好相反)。因为一旦超过这个速度,它们就能够无视地球引力圈的吸引而直接掠过了。


    作者你再仔细想想你这段话的逻辑,在引力场外的天体掉入地球,速度必然大于第二宇宙速度



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溯鹰 构造地质学博士、科学松鼠会成员

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