小行星撞击地球可能会造成非常严重的灾难,这是影响人类在地球上长远生存发展的一个重大潜在威胁。9月20日,美国、加拿大和捷克的学者在《科学报道》期刊上发表了一项考古成果,约旦境内的Tall el-Hammam古城,曾经是两河流域最为富饶的城邦,在公元前1650年左右很可能因为一场由陨石造成的空爆,顷刻之间被夷为平地,城中居民被全部杀死,屋顶和墙砖被熔毁,古城和周边上百个小村庄从此被遗弃数百年。
研究者认为,这座古城很可能就是《圣经》中被天火毁灭的罪恶之城索多玛的原型。小行星或彗星撞击地球也是好莱坞大片的常见主题,其中的经典影片有比如《绝世天劫》(Armageddon,1998年)、《天地大冲撞》(Deep Impact,1998年)和《末日逃生》(Greenland,2020年)等等。刘慈欣在短篇科幻小说《命运》的开头也描述了小行星撞击地球的场景。
但是,这些科幻作品都未曾揭晓过一个问题的答案:小行星到底是怎样撞击地球的?科学家们日前解锁了小行星撞击地球的五种模式。地球历史上有哪些小行星撞击事件?1希克苏鲁伯事件在6500万年前,一颗直径约10公里的小行星撞击了北美墨西哥湾尤卡坦半岛的一处浅海,形成了世界第三大撞击坑——希克苏鲁伯撞击坑。小行星以约20公里每秒的速度闯入大气层,强烈的冲击波引发了巨大的海啸,高温热辐射则在瞬间点燃了一切。
小行星冲入海底,形成了直径约180公里的希克苏鲁伯撞击坑。高速撞击掘起了海底物质,大量溅射物进入大气层,变成火球雨落在全球,并引发了全球大火。
有观点认为,此次撞击事件导致烟雾和粉尘进入平流层,遮蔽了太阳光,使全球温度骤降,地球进入长达几十年的“冬天”。植物的光合作用近乎停滞,植物和以植物为生的动物的生存受到了影响。气候环境的骤变对地球生物造成了毁灭性打击,最终导致了包括恐龙在内的全球超过70%的生物的灭绝。
通古斯事件是1908年6月30日早上发生在俄罗斯西伯利亚通古斯河上空的爆炸事件,也是近200年来,地球遭遇的最大规模的撞击事件。爆炸发生于北纬60.55度,东经101.57度,估计爆炸威力相当于2千万吨TNT炸药,等效约1000颗广岛原子弹。爆炸产生的冲击波造成了超过2150平方公里内8千万棵树的倒塌。
车里雅宾斯克事件在2013年2月15日的早上,一颗直径约20米的小行星,以约18公里每秒的速度撞击了俄罗斯车里雅宾斯克地区,这是本世纪规模最大的一次撞击事件。该小行星在车里雅宾斯克地区上空约30公里的高空爆炸,等效约30颗广岛原子弹当量。爆炸瞬间的光芒超过了太阳。大约在两分钟后,爆炸产生的冲击波到达地面,击碎了约3000栋房屋的玻璃,导致约1500人受伤。
小行星撞击地球有哪些“姿势”?撞击地球的小行星数目繁多,它们的轨迹各不相同,进入大气层的角度也不同,其中,以45°角撞击的概率最大。大部分进入大气层的小行星都在空中解体或撞击地面、海洋,但有一小部分小行星较为特殊,它们以很小的角度(比如说,<10°)进入大气层,我们将其称为掠地小行星(Earth-grazing asteroids),而这类撞击常叫做小角度撞击。捕获撞击的几率与什么因素有关?
通过对直径2米、5米、10米、20米、50米以及100米的小行星在2km/s到20km/s的速度范围(地球影响球边界处的速度)、0到100km的理论近地点高度范围内进入大气的过程及结果进行了仿真,我们发现了两个主要规律。第一个规律是小行星被捕获的参数范围对速度较为敏感,且速度越大,可被捕获的参数空间就越窄。第二个规律是小角度进入时,对于几米至百米尺寸的小行星,尺寸大的小行星更容易解体。
捕获撞击轨道长什么样?被地球短暂捕获的小行星,它们的轨道随近地点高度和速度的不同也呈现出一定的规律。进入大气层时,近地点越高的小行星,在最后一次进入前绕地球的圈数也越多;速度越大的小行星,轨道的半长轴就越长。更难预测的轨迹和危害?根据总结的小角度撞击模式与捕获小行星的大气进入规律,我们不难发现,捕获小行星的撞击效应是与直接撞击有差异的。
首先,由于能量和速度、质量的损耗,被捕获的小行星在最后一次撞击时的威力会小于直接撞击的小行星。但同时,我们也需要注意,恰是由于速度较小、驻点压力较小,被捕获的小行星更有可能免于解体而落到地表,这时就需要额外考虑地震和撞击成坑效应了。而且,超长的地面航程也增加了轨迹和落点预测的不确定性,我们将更难定位撞击区域的确切位置。
为何还没有发现捕获撞击事件?1996年10月3日至4日,美国德克萨斯州与加利福尼亚州上空先后有两个火球飞掠,二者时间间隔仅为100分钟。有学者认为这两个火球其实来自于一个被地球捕获后两次进入地球大气的小天体。可惜的是,经过细致的分析,研究人员发现,由于德州上空的火球倾角过大,该小天体并没有发生捕获撞击的可能。也就是说,到目前为止,捕获撞击的小行星还没有观察数据的支撑。
可能的应用除了灾害的影响外,被捕获的小行星也能为小行星探测与资源利用带来一系列裨益。小行星探测的成本之所以高,很大一部分原因就是它距离地球相对遥远。而捕获的小行星在被捕获和落地期间是地球的小卫星,如果能够利用飞行器适当抬升其近地点至大气层之外,就有可能使其成为一颗地球的小月亮。这无疑能够极大地减少小行星探测的成本,也使得低成本小行星资源利用成为可能。