如果一个半径50㎞的液态水球以100km/秒的速度撞击地球,会有什么后果?

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18个答案
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橡树村科学松鼠会成员,化学博士

2013-11-08 22:32

这样的天体如果存在的话,只可能是固体的冰球,不会是液体的水球。外太空的条件水不可能以液体的形式存在。没查到这个极端条件下的相图,所以假设冰球存在(纯粹是冰的天体似乎真的有吧?),并且以高速冲向地球。

冰球首先进入的是距离地面700-3000公里的外大气层。外大气层温度很高,但是因为气体密度太低,显然来不及把温度传递到冰球上,也很难提供有效的阻力,可以基本认为冰球没什么变化。然后进入85-700公里的热层。热层温度也很高,不过同样有气体密度低,来不及把温度传递到冰球上的问题。不过由于冰球以超出声速很多倍的速度运动,冰球前方的空气基本上来不及逃离,这些空气会因为压缩而导致绝热升温,也会给冰球底部外表面带来温度升高,冰球底部外表面温度升高以后,会气化,但是这些被气化的水分子多数仍然没有足够的速度逃离冰球底部,继续与冰球一起运动,也成为前方空气的一部分被绝热压缩,加剧温升程度。

然后进入50-85公里的大气中间层。中间层顶部的温度大约是-100摄氏度,越向下温度越高,到底部能达到0摄氏度左右,甚至能接近地表温度。虽然中间层的气体密度仍然比较低,不过已经应该有足够的能力向冰球传递一些热量了,同时因为气体密度有所增加,冰球前方被绝热压缩的空气越来越多,被气化的水也越来越多,温度进一步升高。

然后进入平流层。平流层的大气密度进一步增加,冰球下方的空气被压缩升温,同时气体摩擦也可以导致一定的热量,冰球底部的外表面会继续气化。到达距地面20-32公里的时候,大气密度进一步增加,气温开始稳定在-57度,这个条件本身就足够把冰球气化掉了,实际上这个时候冰球的底部温度已经很高,整个下落过程中所压缩的空气和被气化掉的水都堆积在冰球前方,只会有少数从旁侧逃离,冰球的质量会有一定损失,但不会损失多少,冰球的完整性基本不会受到影响。

进入对流层后,对流层温度逐渐升高,大气密度越来越高,空气的阻力越来越大,这都会导致冰球底部进一步温升,冰球的速度也会有所降低。不过这个冰球实在太大了,速度也实在太高,非常可能仍然会有不小的冰球保持固体,并且以高速撞击地面。

我们先假设仅仅有不到十分之一的直径的冰球能够在与大气的剧烈冲突之中保存下来。那么这个撞击地面的家伙直径也有5-10千米。选这个数字是因为人类已知的撞击过地球的最大的天体,直径大约就是这个范围。这个规模的撞击在地球历史上不仅发生过一次,在人们可以研究的40亿年以来的时间短里面,就有两三次。有一次发生在距今20亿年前,撞击地点在现在的南非中北部,估计天体的直径是5-15千米,速度是每秒十几到几百公里的数量级,正好拿来做参考。

发生在南非的这次撞击大约相当于100万亿吨TNT的爆炸当量。目前地球上的爆炸过的氢弹的最大当量是5000万吨级,仅是这次撞击的两百万分之一。换算成地震级数的话,这次撞击达到理式14级,比人类历史上记载的最严重的地震要严重10万倍。

撞击中心的温度超过1万摄氏度,这个温度下原子可以完全气化。所以天体撞击的地方,天体本身会挥发,所撞击的岩石也立刻挥发,几分钟内,至少7万立方千米的尘土被抛向空中,爆炸中心的风暴瞬间速度能达到每小时上万公里,巨大的尘埃向上可以轻易突破平流层甚至更高,向四周则可以瞬间覆盖数百公里范围。

然后巨大的冲击波开始向周围扩散。冲击波所到之处山崩地裂,形成了一个直径一百多公里,有五十公里深的的大坑。这个大坑结构并不稳定,形成后迅速塌陷,大坑的边缘通过一系列的地震向外扩展,最终整个大坑的直径达到了300公里,是人类已知的地球上最大的陨石坑。而大坑的中间一开始则被这个天体深深地压了下去,但是随着天体因为高温气化而消失,坑中心的压力也消失,坑中心的结构开始反弹,形成了突起。大约撞击十五分钟之后,撞击处的地表结构大体上稳定下来了,虽然余震仍然不断。这个过程,与一个水滴滴到水面的过程非常相似。巨大的冲击也会诱发周边不少地区的地震,地球正经要折腾一阵子才再次稳定下来。

这个地球上已知的最大的陨石坑经过了二十亿年的时间已经大部分被侵蚀,陨石坑内环的西北缘保存得还算完好,外环已经不大起眼了,虽然仔细研究也还能看出来。这个大坑的北缘是南非的经济中心约翰内斯堡,有理论说约翰内斯堡地区富饶的黄金储藏就受益于这次巨大的撞击。当时在南非中北部有面积巨大的黄金沉积层,这次撞击导致的地质结构改变使得黄金沉积层向爆炸中心倾斜,一部分深埋地下。经过了这么多年的风化,仍然有不少的黄金沉积层保留了下来,形成了人类已知的最大的黄金储藏。


这次巨大的撞击扬起的尘埃有很多进入了平流层,由于平流层缺乏不同高度空气之间的气体交换,这些尘埃降落非常缓慢,很多尘埃至少要在平流层中飘上几个月,有不少甚至要飘上几年。这期间,太阳的辐射大都要被这些尘埃阻挡,甚至在刚开始的一段时间,整个地球都是真正的遮天蔽日。充满了尘埃的空气自身就是不少生物的杀手,缺乏太阳辐射导致的陡然降低的气温也会导致很多生物无法适应。而长时间的缺乏阳光会使得大多数直接间接依赖太阳生存的生物都难逃此劫。地球上的生物因此重新洗牌。

回到我们这个冰球。实际上这个冰球不会只剩下不到十分之一直径,或者不足千分之一的质量。这个巨大的冰球的直径比能够造成足够阻力的大气层的厚度还要大,大气层的摩擦和阻力能够对冰球起到的减速作用非常有限,冰球经过的大气层空气的质量要比冰球质量小上好几个数量级,大气层能够吸收的能量非常有限,冰球在进入大气层以后根本不会损失多少的动能。大气层摩擦压缩产生的热量能够气化掉的水也非常有限,而且这些气化掉的水也基本上来不及逃离冰球的正下方,实际上被压缩在冰球前进路显得前方,仍然可以视为与冰球一体,只会有少部分的质量损失。因此最终会有一个直径几十千米的冰球,以每小时接近一百千米的平均速度撞到地表。究竟撞击到陆地还是海洋也已经都无所谓了,海洋平均几千米的平均厚度对于这个高速物体能够起到的缓冲作用也有限,整个物体毫不意外的会撞上地壳。

这个天体究竟是冰球还是水球也已经不重要了,巨大的动能主宰了一切。是水球的话,会有更多比例的水挥发气化,有可能水球的结构出现不稳定,但是因为整个物体的运动速度超出声速太多,水球挥发掉的水汽连带所经过之处的空气都很难逃出水球的运行轨迹,只会与水球一起砸向地表。

这次撞击释放的能量比上面描述的要大上好几个数量级,造成的危害也自然会大上好几个数量级。巨大的能量甚至会对地球的运行轨道有一定的改变,如果角度合适的话地球的自转倾角都会有不小影响,撞击之后地球的公转和自转都会有所变化。撞击会对整个地壳的稳定性也会造成影响,不仅撞击之处的地壳被砸穿,直径数百公里甚至上千公里范围内的地幔完全暴露出来,大量地幔物质被抛出,而且撞击释放的能量会传递到整个地壳,造成整个地壳结构的不稳定,引发更多的火山喷发,板块移动,造成更多的大地震。地表大多数地区的地貌都会发生改变。

等待撞击造成的混乱结束,地表差不多已经是面目全非。




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傅里叶变黄油猫软件工程师,应用数学专业

2013-11-09 22:22

这速度的物体所具有的动能,撞击效果可以无视物体本身的物理性了。

撞击总能量 ,相当于60亿亿吨TNT爆炸威力,相当于太阳几十分钟的辐射能量,是灭绝恐龙那颗小行星撞击威力的几千万倍。

看到了吧,液体还是固体没有区别,是球还是长方体也没有区别,撞海洋还是大气里摩擦什么的都不用管了,因为其所携带的巨大动能总要释放出来,这种能量释放出来就是一场世界末日

这种级别的天体要是在撞击前几年才发现,人类无能为力。

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http://songshuhui.net/archives/76271
What-if 第十二期 雨滴
这只是直径一公里的水球。。。最大速度只有0.2km/s。。。如果是楼主所说的。。。威力都超过普通小行星了吧。。。

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燃玉理论物理学硕士在读,维基百科小组管理员

2013-11-09 16:59
假设是冰球……
纠正@橡树村 一点:天地碰撞过程中陨石发热不是因为大气层比较热,而是因为与大气层摩擦受到阻力,设阻力为F,那么摩擦产生的热Q大致等于Fx,也就是说表面必然在一开始就会有升华/蒸发的现象


假设是水球……

有一天,一个无聊的外星人利用他们的高端科技,打造了一个50Km半径的水球并使其撞向地球

但是怎样让水球撞向地球呢?

首先,为了保证球不结冰,外星人给水球内部加热,使得水球外凉内热,以致表面在整个过程中不会结冰。

为了不让水球因为地球重力作用,在碰撞前就被撕裂(虚线出发),外星人只能让水球沿着地球公转移动的切线方向,向地球迎头撞去(图示位置),如图:

为了使得水球不因为首尾所受重力加速度不同而在撞击前过度改变形状,可使水球趋近于倒水滴的形状(仅仅改变前后速度是不够的,因为后面的速度会传递给前面,效果反而不好……)


假设地球上风力和大气层在同一高度的气体,其密度偏差可以忽略不计……
随后,水球会接触到大气层,由于大气层的密度总是随着高度减少而增加的,所以水球的先头部队,会自然地被压瘪,逐渐趋近于水滴的形状,最后以一个超大水滴的样子撞向地球,并按照雨滴的形状一个个分裂……

正如维基百科所言:

并非如A所示大多数人所设想的形状,而是依大小而异


有人可能觉得天地碰撞是瞬间的事情,其实不然:
我们假设地球重力很大,在空间各处恒为g=10m/s^2,且忽略一切空气阻力,水球在地表200Km处释放,那么由x=0.5gt^2知,水球下落需要1000s;
实际距离远大于此,且重力远小于此,速度也在10km/s以下,所以你的假设是完全不成立的 -

——也就是说,即便在200Km的低空释放,我们至少有1000s的时间来完成天地碰撞,而如果在6400Km的高空的话,则有至少8000秒,也就是超过2小时13分钟的时间。

好吧,既然题设设定了100Km/s,我先删掉这段,但是也不影响。由于时间有限,重力的加速作用已经可以忽略不计,只剩下空气的强大阻力需要考虑——别忘了,空气阻力与相对速度的平方呈正比!这个水球受到的空气阻力将是普通雨滴所受阻力的近千亿倍。

我们假设整个在大气层下落的过程等效于水球穿越空气密度接近地表,且厚度为200Km的气层,那么会发生什么呢?

水球会怎样分裂呢?我们做个试验吧!
我在Youtube上面找到了一个视频,在网上搜索“水球破裂”可以找到很多类似的视频:
http://www.youtube.com/watch?v=RyZo4vQpVAk
一个水球在气球里面,气球突然被扎爆,使得整个水球以初速度接近为0下落。由于水是流体,所以可以通过高速摄像机拍摄出水球在下落过程中,受空气阻力作用分裂的情况:

如图所示,水球下落不超过0.2m,水球已经由原来的水滴状变形为上面图示的c形状,所需时间小于0.2s
此时水球速度为2m/s,假设水球第一次分裂需要0.2秒。

那么当速度增加到100km/s,也就是原来的速度的50万倍。

我们知道空气阻力与速度的平方成正比,也就是说,考虑了面积,水球面临的空气阻力产生的压强,讲是原来水滴的2500亿倍。

额……这意味着什么呢?

水球会变成千百亿水滴喵?

不要忘了,由于对象是水球,不是一层水,所以——
水是流体,空气阻力只作用于水球下表面,上表面会以接近原速继续坠落,所以你会看到上亿层水滴叠加在一起的样子,就像把一盆水泼到地球仪上面一样

空气也会瞬间受到等大的压力,震荡出冲击波

我们可以计算一下撞击中心的气压

中心的空气柱瞬间近似等效于在一个水管里面的200km高厚度的空气,面临一个100km高的水柱压下来。先不考虑庞大的空气阻力。水的密度大约为空气密度的1000倍,由p=ρgh知,此时空气柱上表面在刚接触时所受的重力产生的压强大小约为1000个大气压

我们知道,只需要60个大气压就足以将空气液化。所以说空气在接触到水球之后不但被快速液化,而且连下面的地表也难以幸免——每平方米受到1万吨的重量的压迫,想象一下是不是应该撞出一个死海大小的坑?

关于蒸发
我们已经计算了,在水球下方,由于压强极大,即使空气都会液化,因而尽管碰撞温度很高,但不会出现蒸发现象;相应的,尽管上方及侧面温度比较低,但由于压强很小,很可能会蒸发哦~


总结:
水球必须沿公转轨道切线方向移动,否则会被撕裂
水球的改变:由于速度过大,水球所受空气阻力与撞到一面比钢铁还硬的墙上无异,因而水球会像泼到地上一样改变形状
地球的改变:仅考虑水球的重力作用,就可以使空气被压缩成液态;而地面上会撞出一个死海大小的坑,冲击波震荡全球。

……………………………………………………
注释:尽管大气在不同高度密度不同,但我们可以计算出大气在整个地表上的压强,即标准大气压。一个标准大气压为10^5Pa,折算出来近似等效于密度均匀的100Km。由于是定性分析,不是定量分析,为了计算方便,我们取同一数量级的200Km。

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scythe7三只脚的猫

2013-11-09 17:43

水球撞击的效果和固体球是完全不同的,虽然也有动能传递,但是如燃玉所述,液滴会在大气冲击下不断碎裂,整体接触大气的面积要远大于固体球,因此能量交换会更加迅速,其中相当一部分会在撞击地面之前就转化掉,而转化的能量又会加速其他水滴的汽化。
最终是不是会有液态水接触地面,这个还是挺难计算的,不过可以预见的是,即便没有固体撞击的壮烈景象,突然增加的那么多水汽和热量,也足以在全球范围内带来巨大的气象灾难。风暴,海啸,暴雨,基本上你能想到的都会有,而且范围是全球,没有死角。

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这个假设缺太多条件了,不好评估,不过一个半径50㎞的任何物质以100km/秒的速度到达地面也够地球受的,即使是气体。。。。。。。。假设地球是静止的,用的是常温常压的水,粗算一下,地球会得到一个31.5m/小时的速度。。。。。
至于破坏程度要看撞在什么地方,撞到太平洋上和撞在青藏高原上显然是不同的效果。。。。
撞在海上的话超级海啸是跑不了的,结果应该会像电影《彗星撞地球》那样吧(电影里是500兆吨的彗星,比这个水球小得多啦)。
如果撞在陆地上,假设是青藏高原,即使不考虑撞击的危害,光是洪水就够猛的了,要知道,这个可是13316倍的三峡满库容水量,如果只向东部流淌,半个中国就完蛋了;如果四面八方流淌,半个亚洲就完蛋了。估计中东高兴了,有了便宜水喝了。。。。。。。。。
如果把撞击的危害也考虑进去,全球?

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考虑冰球的强度,中途会不会碎裂,参考古代神话的大洪水

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这个冰球的答案不就是彗星撞击吗。。。

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如果是水球,楼上的已经解释的非常清楚了,如果是冰球,那么还要考虑到撞击后的效应,地球将迎来一个小冰河期,一如电影《后天》里的场景。

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阳光无用苦逼铁路员工

2013-11-10 20:18

角度不好的话,在近地轨道就会被撕碎,成为一个水幻 慢慢落下。

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水滴撞向地球会首先摧毁地下的引力波天线…………哦,看错标题了。

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支持者: C-5XPO

不要以为水是软的.从50米高处跳水,跟落在水泥地上没什么分别.

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差不多就是哈勃彗星撞地球,直接毁了。

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EdwardXn為參加IPhO而努力的物理學愛好者

2013-11-09 12:32

会造成洪灾

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参考生活中水从高处落下会分散,这个大水球也会分散,结果只是下了一场雨

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即使真有这样的水球,在和大气层剧烈摩擦的过程中也蒸发了。蒸发的大量水蒸气会导致一场大雨

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