小天体撞击
在太阳系中,除了八大行星外,还存在着为数众多的小行星和彗星,这些小天体在运行中不时会接近、甚至撞上其它行星。1994年,舒梅克–利瓦伊九号彗星(Shoemaker-Levy 9)在接近木星时,被引潮力扯碎为21块碎片并撞上木星,引发一连串的大爆炸,澳洲国立大学的太空望远镜拍下了当时的画面,震撼全球(见图),并且让人们开始注意到小行星或彗星可能带给地球的威胁。
可能会撞上地球的小行星或彗星统称为“近地天体”(near-Earth object, NEO),目前估计长度超过一公里的近地天体约有2000个,这些小天体万一与地球相撞,估计会造成全球1/4的人口灭绝;即使小一点的,例如长100米的小天体,也足以毁掉好几个台湾,而这种近地天体的数量估计多达30万个。
太阳系中除了行星、卫星之外,还在数不清的小行星和慧星。小行星和慧星并无明确的分界,兼备两者特点的小天体很多。小行星中最大的是“谢列斯”,直径达910公里,不过大部分的小行星是直径100公里以下,而越小的行星数量越多。火星轨道与木星轨道之间存在着“小行星带”,大部分小行星是在此区域内运行,而已经充分掌握其轨道的小行星已达7500个以上。
无论是小行星或慧星,我们可以确定,轨道已知的小天体是不会碰撞地球的。但NEO的轨道接近地球时有可能改变,这是因为NEO接近水星、金星、地球和火星的机会很多,难免会受行星引力的影响而变更轨道。
未被发现的小行星当中,或许会有撞击地球的小行星。科学家认为直径1公里以下的小行星大部分尚未发现,万一此种未发现小行星撞击地球,将引发无估计的灾害,为此,设法找出发现的NEO是当务之急。
近地天体撞到地表时,会造成一个比自身直径大10倍的洞,而实际破坏的范围更远超于此。以造成恐龙灭绝的数公里长的近地天体来看,显然全球都蒙受其难;即使小一点的,如1908年一颗仅长数十米的小天体撞上西伯利亚,也毁了方圆40公里内的森林,爆炸威力相当于600颗广岛原子弹。
撞击威力之所以会那么强大,原因在于速度太快。已知火箭脱离地球所需的速度至少每秒11公里,若地球重力吸引一颗原本静止在外层空间的小天体撞进来,撞击速度至少如此,加上近地天体在地球附近时并非静止,而是以大约每秒10几公里到数十公里的速度绕行太阳,若真的发生撞击,速度极可能超过每秒30公里。一般炮弹落地的速度还不到每秒2公里,比炮弹重千万倍以上、速度又快那么多的近地天体若撞上地表,可以想见后果有多严重。
小行星和慧星是以每秒20-60公里的极高速度运动的,在这样高速度的状态下,即使天体体积不大,仍具有极大能量。通常NEO体积越大,运动速度越快,能量就越大。
假定小行星密度为3g/cm3,且运动速度为每秒25公里时,则直径10米左右小行星的能量是0.024百万吨,此能量大于在日本广岛爆炸的原子弹,具有足够破坏一个大都市的威力。如果是直径500米的小行星,能量便增加为3000百万吨,运动速度如果再增加,则能量更大。
小天体碰撞地球可能产生的灾害有碰撞引起的爆炸,以及爆炸引起的火灾、地震和海啸。另外还有由碰撞引起尘埃扩散所带来的寒冷化,以及因氮气燃烧而产生的酸雨等灾害。
NEO碰撞地表后必然出现圆坑,圆坑直径可达碰撞天体直径的20倍左右,而深度则大概为直径的20分之1到10分之1的程度。在碰撞的同时,天体粉碎并与圆坑中的物质一起飞散,碰撞的行星能量越大,则尘埃飞散量越多。
飞散的尘埃可上升以平流层,并漂浮四方,由此引起了全球性的寒冷化现象。假设碰撞前气温为20℃,直径300米的小行星如果以秒速40公里进行磁撞,则气温会降到15℃。又小行星直径如果为500米,而秒速为30公里时,气温将会降到4℃。
近地天体的轨道可分为三种:阿波罗(Apollo)、阿托恩(Aten,埃及神话中的朝之太阳神)和阿穆尔(Amor,即爱神丘比特),其中和地球轨道相交的阿波罗和阿托恩对地球较有威胁性;另外还有一种“地内天体”(inner Earth object, IEO),这类天体的轨道也可能很接近地球轨道,不过目前仅发现六颗。
国际天文联合会(IAU)现在的定义是:只要和地球最近距离小于0.05天文单位(AU,地球与太阳的平均距离,1AU约为1.5亿公里)且体积够大,就列为“潜在危险天体”(potentially hazardous object, PHO)。
这些天体的危险程度,则合并考虑碰撞机率以及撞击时所释放的能量,分为0到10级,数字越大表示对地球的威胁越大,称为“杜林灾难指数”(Torino Impact Hazard Scale)。目前只有两颗近地天体被列为2级,其它均为0级或1级。
虽然长100米的近地天体估计数量多达30万个,但目前看来对地球具有威胁性的却寥寥无几,原因就在于宇宙实在太空旷了。台湾中央大学天文所教授陈文屏举例:若地球是桌上的一粒盐,太阳就像是4米外的一颗西红柿,木星则是20米外的木瓜子;会威胁地球的近地天体主要来自10几米外的小行星带,是远比盐粒更小的颗粒,尽管有一部份公转轨道与地球公转轨道相交,但要撞上的机率还是很低。
要决定某颗近地天体的危险程度,得先由世界各地的天文台对该小天体进行多次观测,再根据其移动轨迹计算轨道,并估算未来与地球的接近程度,然后将结果汇集到国际天文联合会的小行星中心(Minor Planet Center)进行统计。
已经观测到1009个潜在危险天体,其中比较大的如编号1991 BA的小天体(以最接近地球时的年份来编号),长度约5~10公里,1991年距离地球仅约10万公里,不到地月距离(约38万公里)的1/3。
观测设备益发精良,能够侦测到越来越小的天体,例如2004 FH仅长30米,距离地球只有破纪录的43000公里;但没多久,这个纪录就被2004 FU162打破,这个小天体距离地球最近时只有6500公里,不过由于长度只有6米,就算真的落入地球,也很可能在大气中就燃烧殆尽,所以并未引起太多关注。
然而,却也发生过小天体造访地球后,天文学家才后知后觉的情形,2002年6月14日,长100米的2002 MN从距离地球不到12万公里处掠过,天文学家直到三天后才发现,而且这样的情况还发生过不只一次。
由于还有很多近地天体没被发现,为了掌握更多近地天体的行踪,以便提早警觉、甚至设法预防碰撞,美国前总统小布什在2006年颁布了“乔治•布朗近地天体调查法案”,要求航天总署(NASA)在一年内提出清点近地天体的方法及所需预算,以及改变其轨道的方案,目标是在15年内找出90%以上长度大于140米、近日点小于1.3AU的近地天体。
最受瞩目的探索近地天体的计划,是美国、德国、英国和台湾合作发展的“泛星计划”(Pan-STARRS),预计在夏威夷毛纳基峰建造四座口径1.8米、一次可看到7度×7度星空(月亮的视角约0.5度)的超广角望远镜,使用14亿画素的超高分辨率相机,每30秒拍一张照片,约4~7天可以巡天一次(把整个夜空拍一遍),然后再拍下一轮,比对前后两张相隔数天的同角度照片,找出新亮点及亮度和位置发生变化的星体,就可进行追踪,确认是否为新的近地天体。
找到近地天体后,下一步是详细推算轨道,这是最困难的部分。由于近地天体的轨道受到木星、土星的影响很大,因此要在计算机上输入各相关星球的轨道来进行模拟;若是彗星则更复杂,因为彗星是由冰雪和尘土构成的“脏雪球”,靠近太阳时会受热喷发,产生像火箭一样的推进力,轨道更难以预估,而彗星占了近地天体的30%左右。
2004年12月,就曾有一颗长300米的小行星2004 MN4,一开始天文学家分析其在2029年或2034年撞上地球的机率是1/300,杜林灾难指数4级,但过了几个月后,修改为1级,即撞击机率接近0。
最有名的一次撞击是6500万年以前,一个直径约10公里的小天体撞击在墨西哥湾的一个半岛上,所有撞击物质气化后抛射在半空,整个太阳辐射大大减弱,据科学测算地球年均温度当时一下子降低18℃。那次撞击后,整个地球陷入黑暗,光合作用无法进行,植物大批死亡,引发地球上各种动物大量死亡,恐龙就是在这种恶劣环境中大批灭绝,而当时地球上大约70%的物种也一道消失。关于这次撞击,科学家们在全球100多个撞击坑的地方进行研究,寻找证据,中国科学家在西藏也取得确凿证据,表明6500万年前地球确实遭到小天体撞击。
在导致恐龙灭绝前更古老的时候还有一次小天体撞击地球,大概接近80%的地球物种消失。科学家们找到的证据显示,这两次撞击后地球至少还有5次遭小天体撞击,给地球上气候环境带来巨大灾变:完全像冬天一样,温度巨降,冰盖扩大,海水倒退,整个生态环境发生巨大变化,生物大批死亡。但劫难以后,残留的生命在更恶劣的条件下以更顽强的生命继续发展,一系列新的生命、新的物种相继诞生,整个地球又非常繁荣。
)

