人类要感谢小行星的“不杀之恩”,但更要能炸飞它们

2022年05月28日 11:44 次阅读 稿源:新浪科技综合 条评论

不久前,一则有些科幻的新闻冲上了热搜,国家航天局副局长吴艳华表示,我国将着手组建近地小行星防御系统……为未来人类真正应对小行星地外天体对地球家园的威胁,真正作出中国新的贡献。

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那么,什么是近地小行星?它们对地球家园有什么威胁?怎样解除它们的威胁呢?咱们今天就来聊聊这方面的内容吧!

01

感谢小行星“不杀之恩”

所谓“近地小行星”,就是其轨道和地球轨道相交,或者将来经过行星引力摄动后可能与地球轨道相交的小行星。要知道,太阳系里既没有红绿灯和交警,也没有扳道工,这些小行星和地球的轨道相交,就有一头撞上地球的危险。(为了简便起见,接下来咱们说“小行星”、“小天体”的时候,也包括彗星的彗核部分,毕竟它和“小行星”对地球的伤害大同小异。)

截至2018年1月已知的太阳系小天体

主小行星带的小天体标记为褐色,近地小天体标记为青色

地球轨道是灰白色,即从内向外第三圈

图源NASA

可能有些朋友会觉得,宇宙那么大,小行星那么小,撞地球的可能性一定很小吧?

但事实恰恰相反。

打个比方,大家都坐过汽车,肯定经历过大雨天雨点噼里啪啦打在车窗上的景象,如果地球是一辆车,在围着太阳转的车道上,地球的车窗玻璃也会一直噼啪作响,不过打过来的东西可不是雨点。

据估算,每天都有2500万颗大大小小的流星体闯进地球大气层,累积起来,每年的总量大约有15000吨。

你之所以还能拿着手机读到这篇文章,是因为幸好大部分流星体的个头都非常小。能被看到的流星,绝大多数是由沙子或绿豆尺寸的小天体造成的,它们的麻雀战术通常不会造成严重后果。

但是,“流星体”和“小行星”只是人类的分类用语,它们之间并没有清晰的界限。如果一颗“流星体”长得足够“膀大腰圆”,就可能一直砸到底层大气甚至地面上,造成重大灾难。下面就列出比较著名的几起:

2013年2月15日的清晨,俄罗斯的车里雅宾斯克上空划过一颗火流星,光芒压倒了初升的太阳,这颗火流星还在空中留下了大约10千米长的烟尘轨迹,未在空中烧完的陨石,在冰冻的车巴库尔湖面上砸出了一个6米宽的大洞。7200多座房屋因火流星的爆炸震波受损,1491人受到间接伤害。据估计,车里雅宾斯克的火流星事件是一颗直径17到20米的小行星造成的。

在历史上,更大规模的天体撞击并不遥远。

1908年6月30日,还是俄罗斯,在通古斯河附近的上空发生了一起惊天动地的大爆炸,冲击波将方圆650千米内的窗户玻璃震碎,超过2150平方千米的8千万棵树焚毁倒下,远在英国的气压记录仪都侦测到了爆炸产生的气压起伏。现在的科学界普遍认为,通古斯大爆炸的肇事者是一颗直径65米左右的石质小行星。

而最著名的小行星撞击遗址,恐怕是墨西哥的希克苏鲁伯陨石坑了,大约6600万年前,一颗直径至少10千米的小行星以每秒20千米的速度击中这里,揭开了白垩纪灭绝事件的序幕,地球上75%的物种,包括全部非鸟恐龙,在这次灭绝事件中永远告别了地球生命大舞台。

所以从这个角度说,人类能发展到现在,可能还真的得感谢一下小行星的“不杀之恩”了。

02

撞击威力有多大

怕你一行写不下

前文说了,10千米级的小行星造成了大灭绝,大家可能会奇怪:才10千米的石头,也就是一个城市的尺寸,居然能祸祸掉表面积5亿平方千米的大千世界吗?

不要忘记这块石头还有10千米高——比珠峰还要高一千多米。这么一座巨山以高速砸到地面上,咱们可以用动能公式来算算它携带的能量(合并公式过程略):

这个能量 ≈ 密度×直径³×速度²÷3.82

把数据一个个填进公式里去,全部按照国际单位制的标准单位,碳质球粒陨石密度平均为3300千克/立方米,直径就按10000米,速度用20000米/秒吧。大家就会看到,这个公式计算的,是各种千啊万啊的平方立方的乘积,最后得到的结果,大约是346,000,000,000,000,000,000,000焦耳——科学界对这次撞击的估算值的前三位是420,但量级相同,是一个长达24位的数字(你看一行确实没写下 ↓↓↓ )。

420,000,000,000,000,000,000,000焦耳

这是个什么概念呢?它相当于太阳核心每毫秒产生的全部能量,或者说是200万颗沙皇氢弹爆炸释放的能量,假如地球5亿平方千米的表面均匀覆盖着2米深、0℃的水,那么这个能量足以把这些水全部烧开。

幸好,那一瞬间的撞击能量将集中在撞击点,这会使小行星完全气化,并当场崩出一个100千米宽、30千米深的巨坑,而不会一下子将所有能量平摊到整个地球。但别高兴得太早,能量守恒定律决定了大家领盒饭只是迟早的事,因为撞击造成的影响虽迟但到……

从撞击点这里出发的,有时速1000千米的狂风,有浪高1500米的海啸。此外,有25万亿吨的物质将在瞬间被抛向高空,其中一部分会溅射进太空,再也不会归来,另一部分会重新落回地球,在重入大气层时它们将再度炽燃,火风暴将席卷全球。

而撞击产生的大量灰尘和燃烧造成的灰烬悬浮在大气中,长时间遮蔽阳光,妨碍植物进行光合作用,生态系统就此瓦解,食物链上层的各级消费者会次第灭亡。

来这么一下,地球就已经被虐成这样了,以后是不是就太平无事了呢?小行星的态度,自然是:

我错了,下次还敢。

03

人类,绝不能只靠小行星“不杀之恩”

虽然目前还没有小行星真的给人类致命一击,但这事儿咱们真的不能赌运气。

据NASA估算,大约每5000年,就会有一颗尺寸140米以上的小行星和地球相撞。2019年7月25日,一颗临时编号2019 OK的小行星很不OK地从距离地球72000千米处飞掠而过,这个距离还不到地月距离的五分之一。这么近已经够恐怖的了吧?更恐怖的是,直到飞掠前一天,它才被人类发现!

而2029年4月13日,尺寸170~450米的小行星99942——亦称“毁神星”——将距地表32000千米左右擦脸飞过,这个距离已经比同步卫星轨道还要低了!

人类以智慧生物自诩,但如果面对小行星的暴击,却和不读书的恐龙一样窝囊地死去,想想就挺糟心的。

要想防止被小行星莫名糊脸,就得先知道它们有多少,都躲在哪儿,发现得越早越好。从近30年前,就有多个近地小天体监测项目陆续启动,平均每周能发现40颗,收获颇丰。

图源NASA

为什么吴副局长说,要建立地基天基的监测系统?从地面观测还不够吗?确实不够。有些小行星是借着明亮天体的光芒掩护奔袭而来的,比如车里雅宾斯克的那颗,是从太阳方向飞来的,要想提前发现它,就得白天看星星,所以对它的到来,事前无人知晓。

再如很不OK的2019 OK(前文提到的小行星编号),在本该能看到它的那几天,遇到了满月。如果把监测系统发射到大气层外,那么太阳月亮的明亮圆盘旁边紧贴着的,就是黑漆漆的太空,“白天找星星”也就能做到了。

那么,如果我们运气奇佳——或者说奇差,真的发现了一颗会撞到地球的小行星,我们又该如何解决掉它呢?

04

生存还是毁灭?

绝不温和地走进那个良夜!

好莱坞科幻灾难大片酷爱使用小行星撞地球的桥段,像《天地大冲撞》《绝世天劫》都有人类想方设法炸飞小行星的情节。现实中也是如此,面对毁灭的危机,人类决不会坐以待毙,好消息是,目前已经有了很多可行的方案。

一旦发现有小行星威胁地球,一切可能的方案,归根结底都可分为两类:瓦解和推离。

瓦解,就是把小行星分裂成零散个体(主要靠炸),飞向多个方向的小天体碎块会脱靶错失地球,或者个头小到足以在大气层中烧尽。

推离呢,则是把小行星整体带偏轨道,或者让它加速或减速,提前或滞后到达约会点,同样达到脱靶的效果。地球的赤道直径是12756千米,公转速度每秒30千米,每走完一个自身身长需要425秒,也就是七分半左右。推离的要旨,就是为地球争取425秒的时间。

在具体实施办法上,有下面几种:

最容易被想到的是热核武器。热核武器产生的大量热能可以使小行星局部气化,并用这个临时产生的气体崩裂小行星,或者喷射物质把主体推离轨道。但是也要小心,一旦计划失败,砸中地球的将不仅是一颗小行星了,还是一颗自带核污染的小行星。

冷兵器式的方法,可以发射一个撞击器去撞击小行星,改变它的速度或方向。或者用非接触的方法,让一个牵引器陪着小行星一起飞,引力会渐渐把小行星拉偏轨道,所谓“差之毫厘,谬之千里”,计划实施得足够早的话,就有使小行星脱靶的希望。

也有许多小众一些的主意,例如送一台挖掘抛射机到小行星表面,不断把小行星表面的物质抛向太空,一边使它慢速解体,一边让动量守恒定律来帮着改变小行星轨道。或者用激光或聚焦镜气化小行星的局部表面,使它被喷射出的岩石气体逐渐推离。如此等等,不一而足。

从见效时间上来说,也可以分为两类:闪电战和持久战。热核武器或撞击器算是闪电战,引力牵引、挖掘抛射、局部喷射这些则是持久战。但是不管哪一种方法,都需要及时发现,尽早安排。NASA目前最乐观的估计是5到10年的准备期,并且正在实施对第65803号Didymos小行星的撞击实验,预计2022年9月底/10月初完成撞击。

吴副局长提出的2025或2026年实施一次技术实验,从时间表来说,已经非常积极进取了。从吴局的话中,我们可以读出实施方案是撞击,只是,不知咱们挑选的小行星是哪一颗呢?

最后再说点大家喜闻乐见的,虽然一提起小天体撞地球,大家往往都会往“天灾”的方向考虑,但偶尔也会有人因此变得非常土豪(当然,撞的时候可别在现场……)。

比如在德国,有个名叫诺德林根的小镇,人口不到两万,坐落在一个直径25千米、深约100到150米的巨坑里。起初科学家以为这个坑是个火山口,后来在此找到只有在高速冲击下才能形成的柯石英,表明这是1500万年前、一颗直径1500米的小行星形成的撞击坑。

撞击和高温形成了估计总量72000吨的冲击钻石,可惜这些钻石非常细碎,最大不超过0.2毫米,混在土壤里,被这座城市的建造者们无意间拿来修路砌墙盖房子了,所以,以 “含钻量”来说,这小镇实在是土中有豪,土豪极了。

作者 | 曲   炯  科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等  

审核 | 刘   茜  北京天文馆研究员 科普影片编导和科普作家

本文由“科学辟谣平台”(ID:Science_Facts)出品

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