车里雅宾斯克陨石撞击事件——三年后回首

□　文　柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

车里雅宾斯克陨石撞击事件——三年后回首

□文柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

2013年2月15日一颗陨石从天而降，落在俄罗斯车里雅宾斯克州，导致多人受伤。（图片来源：APOD）

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

车里雅宾斯克城市上空的爆炸

2013年2月15日早晨，天空中巨大的爆炸惊醒了熟睡中的俄罗斯城市车里雅宾斯克。先是一道明亮的闪光，咆哮的轰鸣声随之而来，冲击波震碎了数百座房屋的窗户。这一切毫无预兆地发生，没有一个市民，没有一个天文学家——甚至美国宇航局（NASA）的天文学家——知道这颗陨石会在那一天冲入大气层。一开始，很多市民还以为遇到了飞机失事或是军事攻击。不久人们明白了，这是一颗来自宇宙空间的天体撞到了地球上。这不过是一次陨石坠落的事件，但是这次的陨石非常大。

自通古斯事件以来最大的陨石冲撞

目前有记录的陨石撞击地球事件，最大的一次发生在1908年6月30日，位于俄罗斯通古斯河上空。陨石在空中大约距地面5到10千米的地方爆炸。现在认为，这次撞击地球的小天体直径约为100米，不过要得出精确的尺寸，还要知道它的具体化学组成。之后的调查表明，这次爆炸将2150平方千米土地上的8000万棵树木夷为平地。由此可知，爆炸的威力相当于广岛原子弹的1000倍，由其产生的冲击波产生了里氏5级的地震。

鉴于通古斯撞击事件的威力，天文学家担心这样的事件会再次发生。幸好，目前还没有出现，不过，人们还是观测到了很多次较小的陨石撞击事件。自通古斯事件以来的107年里，规模最大的一次就要数2013年2月15日在车里雅宾斯克的这次了。俄罗斯看起来似乎是个不幸的国家，总是遭受陨石的袭击，不过其实这完全是出于统计的原因：俄罗斯比澳门遭受的陨石冲撞次数要多，只不过是因为它要比澳门大得多。

重建当天发生的事件

自陨石坠落以来，时间已经过去了三年。已有数百名科学家对各种可供使用的数据进行了研究。其中包括对有关该事件的960份视频记录的分析。它们大多是由安全监控摄像头、行车记录仪、交通监视仪和智能手机拍摄的。仔细地分析这些视频，就有可能重建陨石坠落的轨迹和速度，并对它坠入大气层之前在宇宙空间中的轨道的具体参数做出一个大致的估计。

通过比较多地观测到的陨石坠落轨迹，天文学家得出结论：这颗陨石在距地面20千米的高空发生了爆炸。爆炸释放出的能量超过30颗广岛原子弹。随之而来的冲击波毁坏建筑，并导致其中一部分倒塌。但更重要的是，冲击波吹开了城市中几乎所有房屋的窗户，超过1000块玻璃被完全摧毁，十几万户人家因此暴露在了俄罗斯寒冷的冬天中。

车里雅宾斯克撞击事件使1500人住进了医院。他们几乎都是被震碎的玻璃所伤。还有一些人则是伤于倒塌的办公楼、学校和工厂。在撞击发生当天，当爆炸的冲击波摧毁了超过十万户人家的窗户时，室外温度只有零下15摄氏度。图片来源：dailymail.co.uk

车里雅宾斯克撞击事件发生之后，科学家立刻开始搜寻此次撞击产生的陨石。由于爆炸发生在距地面几十千米的空中，大大小小的陨石散落在数十平方千米的土地上。其中最大的一块沉在市郊一口湖的湖底。撞击当天，人们发现湖面上出现了一个巨大的冰窟窿；几个月后，从湖底吊起了一块重达654千克的陨石。图片来源：dailymail.co.uk

我们为什么没看见它飞过来？

我们的太阳系中有数百万颗小行星，其中有很多会定期地接近地球的轨道。多年以来，天文学家已经发现了很多与地球轨道相交的轨道，但这项搜索现在仍然不完全。具体来说，就是很多比较小的近地天体还没有被观测到。每时每刻，这些小天体中都有成员在接近地球，而有的时候，它们足够大，人们能够在离地球太近之前发现它们。但是，要探测到那些从太阳方向飞来的小行星，却是极其困难的。2013年2月15日的情况正是如此。在这个小天体冲击地球的外层大气之前，没有人看到它。车里雅宾斯克陨石在日出之际从东方飞来。换句话说，它来自太阳的方向，而没人料到会如此。

用计算机模拟揭开陨石生前的秘密

2013年2月15日坠落在车里雅宾斯克附近的这个天体究竟来自何方，我们对此有多少了解？

就直接测量的角度讲，我们知之甚少。撞击的地点和时间是非常精确地测定了的。陨石作为流星在大气层中划过的轨迹可以从视频的记录中推算出来。但是我们没法测出更多了。像“这颗小行星撞击地球之前的轨道是什么样的”这样的问题，通过直接测量得不到答案。而这个问题却又极为重要，因为同类型的小行星会沿着同样的轨道运行，因此当然也有可能在未来再次袭击地球。要解决这个问题，使用计算机模拟是非常方便的。

来自西班牙和英国的天文学家用计算机模拟了数百万颗假想的小行星在我们太阳系中运行的轨道。他们对其中每一颗进行推算，判断它是否会与地球相撞，如果相撞，那么撞击将发生在何时、何地。在所有可能的小行星轨道中，有一条得出了完美的结果：图中的红线标出了它的轨迹在地表的投影，绿色的区域则是轨道与它十分相近的小行星可能袭击的地区。图片来源：The Astrophysical J ournal, 2015, 812, 26

两位来自西班牙的天文学家，卡洛斯·德·拉·福恩特·马尔克斯（Carlos de la Fuente Marcos）和劳尔·德·拉·福恩特·马尔克斯（Raul de la Fuente Marcos）兄弟俩决心解决这一难题。他们联系了英国剑桥大学的世界级引力模拟专家斯威尔·阿尔塞斯（Sverre Aarseth），并与他一同进行了一项相当细致的工作。简单地说，他们逆溯时间，把行星和它们的卫星都放回到2013年1月1日时的位置，然后，他们随机地在地球附近的不同位置、以不同速度放置数百万颗小行星。然后，他们对这数百万颗小行星分别进行计算机模拟，跟踪行星、卫星和小行星的轨迹。他们以极高的精度进行了这项模拟，以找出其中的哪一个，在什么时候、什么地方会撞击地球。将这些模拟数据跟车里雅宾斯克真实的流星轨迹作比较，他们发现，只有很少几个轨道上的小行星有可能引起这次（超级）流星事件。

在这几百万条轨道中，有一条最终脱颖而出：它与观测结果最为符合。这是一个半长径1.6247天文单位、偏心率0.5318的椭圆轨道（圆轨道偏心率为0，抛物线轨道偏心率为1，偏心率越高，椭圆就越扁），其轨道平面的倾斜角度和方向刚好使得它在每个周期与地球轨道相交一次。显然，地球和这颗小行星已经擦肩而过好多次，但终于还是在2013年相撞了。

这样的事件什么时候会再一次发生？

像车里雅宾斯克陨石这样，甚至规模还要更大的冲击，毫无疑问在未来还会发生。不幸的是，目前我们还没法预测到底是在什么时候。因此，我们有必要提出以下几个问题：(1)这样的事件平均多长时间发生一次；(2)我们能否改进方法，以预测它们何时来临；(3)与通古斯事件规模相仿的冲击会带来怎样的损失；(4)借助目前所能及的现代科技，我们能否防范此类事件再次发生？尽管就其中的每一个问题，我都可以写满整整一期杂志的篇幅，但现在我们还是来简明扼要地思考一下它们。

冲击的频率可通过统计流星的亮度分布、研究历史纪录以及统计地球和月亮上的陨石坑来估算。虽然还有很多不确定性，但目前已有的数据表明，如下图所示，小行星撞击地球的频率与它们的直径之间存在指数型的关系。车里雅宾斯克级的冲撞看来是百年一遇的。好在，它们当中的大部分应该都落到大海里去了。人们更关心的是更大的冲撞，虽然它们也许只是500到1000年才一遇——比如通古斯事件。目前我们还没有找到更早的撞击事件的记录。考虑到地球表面大部分是海洋，更早的撞击事件也许在古籍中仅仅留下了一场大海啸的记录。

流星撞击事件有多频繁？它们时刻都在发生！好在，其中的大部分只是微陨石，或是普通的“流星”。大规模的撞击非常罕见。通古斯量级的撞击也许要几百年才出现一次，而车里雅宾斯克量级的每个世纪可能出现不止一次。不过要明白，这只是统计上的频度。下一次车里雅宾斯克量级的流星也许要下个世纪才会出现，但也许就在明天！图片来源：Philosophical Transactions of the Royal Society A, DOI: 10.1098/rsta.2006.1804

尽管现在——像一百年前一样——几乎还没法对撞击事件做出预测，人们却已经可以做出好得多的估计。在很多国家，天文学家、宇航机构和军事部门以危险的小行星（即有可能在某一天袭击地球的小行星）为目标进行了巡天的工作。迄今已经发现了超过13000条与地球相交的危险轨道，其上的小行星直径从1米到32千米不等，约有1000颗超过了1千米。比较大个的小行星基本上都被探测到了，但我们对那些小个头的目标仍然知之甚少——即使是它们，也足以从地球上抹去一整座城市。因此，继续巡天工作是有必要的。

可是知道了某颗小行星要袭击地球，我们又能做什么呢？假设我们现在知道，一星期以后将有一颗通古斯规模的小行星会撞击地球，我们如何制止它？以我们的技术水平，最多也就是用核弹把它从原来的轨道上推开。可是，甚至好莱坞导演都知道，这样做效果并不大。不过，知道未来一周之内将要发生撞击，这本身就足以挽救几百万人的生命。首先，可以疏散沿海的居民以减少海啸带来的伤亡和损失。其次，这可以避免相互敌对的邻国误以为对方对其进行了核打击，而引发灾难性的核大战……

2013年2月15日早晨，一名司机正在路上开车。这时，他忽然看到天空中发生了极为明亮爆炸。如果对天文学不是很了解，你会怎么想、怎么做呢？图片来源：google

所谓“近地小行星”，是指那些会对人类社会造成冲击的小行星。超大规模的小行星撞击非常罕见，平均要超过十亿年才出现一次。一旦出现，地球上绝大部分的物种将会灭绝。另一方面，地球每时每刻都在受到细小的微陨石的撞击。虽然它们对人造卫星和宇航员来说相当危险，但对于地面上的我们来说，它们不会造成任何伤害。

如此看来，车里雅宾斯克级的陨石，在某种程度上，可以说是对我们的个人生活最有威胁的。这种规模的陨石每个世纪都会出现，而一旦不幸落到错误的地方，它的危害就会相当大。目前，我们仍无法对危险的小行星做出有效的预警，我们能做的只是根据统计数据猜测。我期待着，在未来的10到20年里，近地小行星巡天能够将大部分危险小行星置于监视之下，只有那样，我们才能对未来几年之内何时、何地将要发生撞击事件做出真正的预警。

火流星是极为明亮的、在大气中发生爆炸的流星。火流星通常比满月还要亮，甚至在白天都能看到。这张世界地图上标记了1994年到2013年十年之间发生的火流星事件。火流星基本上是随机分布在世界各地的，在时间上，也倾向于平均出现在各个时段。不过，由于地球表面大部分是海洋、冰盖、沙漠、山脉和雨林，很多火流星并没有被拍摄下来，甚至根本没有人注意到。不过，出于另外一些目的，世界上有很多军事组织对大气层中发生的快速高能事件进行严密的监视，因此我们能够得到这样一张完整的火流星分布全图。图片来源：NASA