横冲直撞的星外来客

2018-10-09晋童Junyeon阿碧瑟陈真

百科探秘·航空航天 2018年9期

文/晋童图/Junyeon、阿碧瑟、陈真

6 500万年前的白垩纪末期，发生了第五次生物大灭绝事件，长达亿万年的恐龙时代终结。关于这次生物灭绝事件，有很多假说，目前被人们普遍认可的是“陨石撞击说”。那么，陨石是如何形成的？它们真的有如此巨大的威力，能够毁灭地球万物？今天，就让我们一起走近宇宙中横冲直撞的“肇事者”——陨石以及它们的“罪证”——撞击坑。

陨石从哪里来？

在行星际空间中，小至尘埃，大至巨石碎片都被称为流星体。流星体主要来源于被太阳和大行星引力撕碎的彗星和小行星（98.5%的小行星来自火星和木星之间的小行星带），也有少量流星体来自月球或其他卫星因撞击而散落的碎屑。

每天都有大量的流星体受到地球的引力作用而进入地球大气层，但由于大部分流星体都是细小的沙砾或尘埃，它们在距离地面5千米～20千米的高空就已经燃尽，只有少数体积较大、结构坚硬的流星体燃烧后还有剩余物质降落到地面上，这便是我们常说的陨石，也称为“陨星”。

提起陨石，人们常常会想到划过夜空的流星。但其实它们是两个完全不同类别的概念。流星是指流星体进入大气层时，与大气摩擦燃烧所产生的光迹，它是一种天文现象，而非流星体或陨石本身，而且我们通常看到的流星，其实都是一些很小的流星体落入大气层时引起的现象，这些流星体基本都会燃烧殆尽，难以落地成为陨石。

◎流星体概念图

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每天大约有200吨的地外物质落在地球上，其中大部分并不会出现流星、形成陨石，而是以更加微小的尘埃颗粒形态落在地面上，它们被称为微陨石，直径一般小于1毫米。

◎显微镜下的微陨石，实际直径在1毫米以下

陨石长什么样

来自星际空间的陨石与普通的岩石有哪些不同呢？陨石最明显的特征就是“熔壳”与“气印”。流星体在进入大气层时，表面温度能够达到几千度。极高的温度导致陨石表面熔融，产生了一层微米至毫米级的玻璃质层，颜色为黑色或棕色，被称为“熔壳”。不过，当陨石在地表上存在一段时间后，熔壳易风化消失。再看看“气印”，它是在熔壳冷却的过程中，空气流动在陨石表面吹过的痕迹，形似在面团上按出的手指印。除了熔壳和气印之外，陨石表面多会布有大小不一、深浅不等的凹坑，被称为“熔坑”。

与普通岩石相比，除了外观上的区别，陨石还有其他方面的特征，比如磁性和比重。因为绝大多数陨石含有一定比例的铁，所以95%的陨石都具有一定的磁性，能够被磁铁吸住。不过，经过长时间的风化，磁性也会消失。另外，因为陨石多含有铁镍，所以比重会比普通的岩石要大，只有极少数金属含量极低的石质陨石比重会与普通岩石相似。

在了解了陨石的这几个主要特征后，我们基本上可以区分陨石与岩石了。但如果要进行更为准确的陨石鉴定，还需要借助专业仪器来分析。

陨石的成长与分类

目前全世界已收集到四万多块陨石样品，按照其铁、镍、硅酸盐等矿物质组成的含量不同，大致可以分为石陨石、石铁陨石和铁陨石三类，另外还有一种特殊的“陨石”叫作玻璃陨石。

石陨石是指铁镍金属含量小于等于30%的陨石，它的数量最多，占陨石总量的95%以上。1976年降落于我国吉林地区的陨石雨中，就有一块1 770千克重的石陨石，被称为“吉林一号陨石”，它也是当前世界上单块重量最大的石陨石。

◎吉林一号陨石

石铁陨石中铁镍金属含量约为30%～65%，这类陨石比较罕见，仅占陨石总量的1.2%，所以具有较高的收藏价值。

◎石铁陨石

铁陨石的铁镍金属含量较石铁陨石更高，因为铁镍金属含量高，所以比重也更大，世界上最大的Hoba铁陨石约有60吨重，不过后来遭到人为破坏，部分被切下进行售卖。

铁陨石

玻璃陨石比较特殊，因为它并非真正的“天外来客”。与真正的陨石不同，玻璃陨石的化学成分主要是二氧化硅，说明它们的物质不是地外来源，而最可能来自地球上含硅质较高的砂岩或花岗岩。经研究推测，玻璃陨石是某种类似于彗星的天体高速撞击在高硅质的岩石地区，使地面物质瞬间熔融，被撞击出的熔融物质经溅射、高速飞行和迅速冷却而成的特殊产物。

◎玻璃陨石

撞击坑的形成

陨石撞击地面形成的环状凹坑被称为撞击坑，其形成大致分为三个阶段：在接触和压缩阶段，陨石和地面间会形成冲击波，冲击波在向四周扩散的同时，还对陨石和地面进行剧烈的压缩，巨大的压力和能量使陨石变为熔融状态。随后的挖掘阶段中，冲击波继续挖掘地面，形成一个过渡撞击坑（transient crater），同时也将地表物质溅射出去，有些落回了地面，有些则飞离了天体。第三阶段叫作重塑，重塑过程与撞击程度有关，撞击大小不同会形成不同形态的撞击坑。

◎接触与压缩

◎挖掘

撞击坑的分类

如果陨石的撞击力度较小，生成的是简单撞击坑，又叫碗状撞击坑；撞击力度大一些，生成复杂撞击坑，撞击坑中间会像水滴落下时弹起一样回弹隆起，在中间形成中央峰，也叫中心锥；如果撞击力度更大，中央峰也会继续塌陷，形成内环构造，这时的撞击坑叫作内环撞击坑；如果撞击力度再大的话，甚至还会在撞击坑外侧形成多环撞击构造，成为多环撞击盆地。

虽然我们讲了不同的撞击力度形成了不同类型的撞击坑，但是其实“撞击力度”在地球和月球上的界定标准是不同的，因为这两个行星的各方面条件不同。

◎三种撞击坑

◎撞击坑直径对比

◎复杂撞击坑

◎内环撞击坑

◎太阳系中最大的多环撞击盆地——木卫四的瓦尔哈拉撞击坑

撞击坑的数量

之前我们在讲陨石分类时，提到目前地球上已经发现了四万多块陨石，那么目前地球上发现的撞击坑有多少呢？可以辨别的大约有180个，其中中国有1个。你可能会有疑问，为什么加拿大和美国都有接近30个撞击坑，而幅员辽阔的中国只有1个呢？

从地理位置上说，大多数已知的撞击坑位于大陆内部比较稳定的地区。中国地处欧亚大陆东南缘、印度板块和太平洋（菲律宾）板块交汇位置，不仅地表起伏巨大，还同时受世界两大地震带（环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带）的影响，是地球上地质构造极为复杂的地区之一。因此，尽管《中国古代天象记录总表》中保存了中国古代大量的陨石目击记录，但避过地质构造活动存留至今的撞击坑并不多。

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中国目前唯一被科学证实的陨石撞击坑位于辽宁省岫岩满族自治县，其直径约为1 800米，坑深约150米，被誉为“神州第一坑”。科学家推算，这里的陨石撞击事件发生在5万年前，大约在3.9万年前开始演变成如今所看到的碗形凹地。

◎神州第一坑

月球撞击坑VS地球撞击坑

提到月球上的环形山，想必大家印象深刻。其实通常来讲，体积略大的撞击坑就是环形山。当然，也有人认为月球上的部分环形山可能是月球形成初期，内部高热熔岩与气体冲破地表喷射形成的，但由于月球已不再喷发熔岩，所以这种说法难以证实。

我们知道地球上大约有180个撞击坑，那么为什么它的近邻月球却有成千上万个撞击坑呢？相信看过上期杂志的读者朋友心中已经有了答案，我们在上期《地球的超能力：坑坑洼洼的月球和平整的地球》一文中提到，在过去的45亿年中，地球和月球都曾遭受过无数次的撞击，地球引力更大，所以被撞击的次数理应更多，但由于地球大气层的保护、地球上的风化侵蚀作用、地质构造运动以及火山喷发岩浆覆盖，使得多数撞击坑消失不见。地球上存在的撞击坑形成时间大约在1 000年前到20亿年前之间，不过2亿年以前的撞击坑中心已经很难找到，地质活动已经将这些撞击坑像转动魔方般变换得面目全非。美国亚利桑那州的巴林杰撞击坑是地球上保存较好的撞击坑之一，也是世界上第一个被科学家确认的撞击坑。它形成于约5万年前，而6 500万年前形成的希克苏鲁伯撞击坑虽然是地球上面积数一数二的撞击坑，但现在在地球表面上已经看不到它的痕迹了。

◎美国亚利桑那州的巴林杰撞击坑

反观月球，由于没有大气层，也就没有空气、风、水的存在，所以难有侵蚀作用发生，也因此航天员登上月球时留下的脚印一直留存至今。月球上不仅没有地质构造的变化，近30亿年来也没有发生过熔岩爆发，所以无数的撞击坑不断叠加，形成今天我们所见的“坑坑洼洼”。

细心的朋友可能会发现，月球上除了一个个大小不一的“坑”，还有很多放射状条纹。这些条纹叫作“辐射纹”，月球上呈现放射状斑纹结构的环形山在60座以上。1968年，美国的勘测者7号月球探测器，拍下了第谷环形山的一些辐射纹。第谷环形山是月球上十分著名的环形山之一，在地球上用肉眼可见，它共有12条辐射纹穿过山脉、月谷，横贯月海，其中最长的一条辐射纹长达1 800千米，最宽的一条宽度达20千米。

当然不仅仅月球有辐射纹，左图所示为“信使号”拍摄的水星，我们可以看到照片中部和右下角的撞击坑周围也有辐射纹，而右上角边缘处的撞击坑辐射纹甚至覆盖了半个水星。这是因为水星没有大气层，而且更接近太阳，所以撞击水星的小天体速度相对更快，产生的辐射纹更明显。

至于辐射纹是怎样形成的，目前还没有定论，但多数科学家认为，火山喷发或者大的陨星体撞击月球表面时，岩石以及岩石粉末等被抛向四周，后来这些物质逐渐回落到月面而成为辐射纹。由于它们的反照率比较高，所以看上去显得格外明亮。

◎水星上的辐射纹

我们会被陨石砸中吗？

也许有同学会担心，每天大约有200吨的地外物质落入地球，我们会不会很容易被砸中呢？关于这个问题，大家大可放心，根据加拿大西安大略大学的物理学与天文学教授、陨石学专家彼得·布朗的估算，大约每7年全球70多亿人中会有一人被200克以上的陨石击中，这样的概率比中彩票的概率还低。这一结论也被美国普渡大学的陨石专家亨利·梅洛什教授采用其他方法证实了。

至今唯一一次得到证实的陨石坠落致人死亡事件发生于2016年印度的一所学校中，在这次事件中，一名客车司机被陨石砸中身亡，一名学生和两名园丁受重伤。这颗肇事陨石长约2厘米、质量约50克，在它坠落后，地面上形成了一个深度和直径均为1米左右的撞击坑。

近些年来，最著名的陨石坠落致伤事件当属2013年的俄罗斯陨石坠落事件了，一颗直径约为17米的陨石坠落时爆炸，产生大量碎片，形成“陨石雨”，造成1 200多人受伤。除此之外，可信度较高的记录还有1991年乌干达一块3.6克的陨石碎片在经香蕉树树叶缓冲后打到一个小男孩的头部；2009年一颗豌豆大小的陨石剐伤了一个德国少年的皮肤。早年间较出名的类似新闻还有1954年一颗重达4千克的陨石穿过美国女子安·霍奇斯家的房顶，在击坏收音机后，弹到她的身上。幸运的是陨石与其擦身而过，没有危及性命，也没有留下永久性伤疤。事后，这位女士反倒因为这次罕见又惊险的“陨石袭击”在当地走红，并通过售卖这块陨石，获得一笔“意外之财”。

在中国古代典籍中也有不少关于陨石的目击记录，像在《中国古代天象记录总表》中，到清朝末期为止，共有超过360次陨石目击记录、10起伤人记录。甚至古文中不止一处记载了明弘治三年（1490年），甘肃发生的一场砸死上万人的陨石雨，但至今没有充分的证据证实这一事件。

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2018年6月1日晚21时30分左右，西双版纳州勐海县勐遮镇上空一个巨大的火球从北偏西方向划过夜空，并在曼伦村一带爆灭陨落。后经专家证实，这是一个陨石坠落事件。陨石经与空气摩擦燃烧爆裂解体成数百块散落在长12千米、宽1千米～2千米、面积为20～25平方千米的狭长地带。经检测，勐海陨石是来自天外流星体的普通石陨石，其主要矿物成分为橄榄石、顽火辉石等，具有碎裂结构、微球粒结构和网状结构，应定名为：顽辉橄榄球粒陨石。

如今，随着科技的发展，这样的陨石伤人事件发生的概率会越来越低。美国国家航空航天局（NASA）和夏威夷大学合作研发了一套小行星撞地球预警系统（简称ATLAS），该项目于2015年开始部署调试，2017年正式运行，其自动化报警系统可以提前一周预报直径为45米的小行星接近情况以及提前三周预报直径为120米的小行星接近情况。像俄罗斯陨石爆炸事件中直径为17米的陨石，这一系统大概提前一天可以预测到。

其实，小陨石砸人事件发生的概率非常低，而较大陨石的坠落，我们又可以通过预警系统提前预测到，并安排居民及时撤离，所以人类基本上能够避开绝大多数陨石的突然袭击。

陨石与恐龙灭绝

虽然目前看来，陨石对人类没有太大的威胁，但当年致使恐龙突然消失的第五次生物大灭绝似乎与陨石撞击地球有着千丝万缕的联系。

关于恐龙灭绝的假说曾有20余种，但在对希克苏鲁伯撞击坑的研究逐渐深入后，陨石撞击说才在近些年得到了大家的普遍认可。希克苏鲁伯撞击坑是一个位于墨西哥的陨石撞击坑遗址，它曾是地球上最大的撞击坑。通过冲击石英、重力异常、玻璃陨石等地质证据的发现，人们确定了该坑是由小行星撞击事件造成的，又通过对岩石同位素的研究，确定其形成于约6 500万年前，与恐龙灭绝的时间刚好相符。但在对“K-T界线”进行研究之前，这些证据仍不足以证明是陨石撞击地球导致了恐龙灭绝。

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希克苏鲁伯撞击坑曾经是地球上最大的撞击坑，后来“最大撞击坑”的地位被形成于2.5亿年前、现封存于南极洲冰层下的威尔克斯地撞击坑取代。

◎小行星砸中墨西哥尤卡坦半岛的假想图

K-T界线（K-T boundary）是介于白垩纪与第三纪之间的界线，该边界以下的岩石中有丰富的恐龙化石，而在边界以上却没有发现恐龙存在的任何痕迹，因此对该层岩石的研究能还原6 500万年前的情况。1980年，科学家在对全球许多地区K-T界线的岩石黏土的研究中发现，有一种稀有金属铱的含量是地球正常含量的232倍，那么哪里会有这么多金属铱呢？答案是太空，因为这种浓度的金属铱只在陨石中发现过。按照铱的含量推算，撞击地球的小行星直径约为10千米，如此大的物体撞击地球，以地震强度来计算，震级大约为里氏10级。要知道，人类历史上震级最大的地震是1960年智力的8.9级大地震，释放的能量相当于100多万颗广岛原子弹的能量，震级每差一级，释放的能量相差约几十倍，由此可想而知直径10千米的小行星撞击地球会产生怎样的能量。

假说有了，但是哪里有与之相符的撞击坑呢？20世纪90年代初有研究计算表明，中美洲加勒比海地区附近应有未知的大型撞击坑，随后许多科研团队通过各种方法，都证实了墨西哥尤卡坦半岛希克苏鲁伯撞击坑的存在。

◎墨西哥尤卡坦半岛的重力异常图

让我们想象6 500万年前的那一天，恐龙们正在无忧无虑地吃喝玩闹，突然空中闪过一道白光，一颗直径10千米、城市般大小的陨石以百倍于音速的速度冲向大海。当陨石的一端抵达地表时，另一端还在10千米的高空中，那大概是飞机飞行的高度。它轻而易举地撕开海面，在海底砸出了一个直径250千米至300千米的撞击坑，海水迅速汽化，蒸汽射入数万米的高空，高达5千米的海啸以极快的速度横扫着地球上的一切，而这颗巨大的陨石在绕过半个地球后，在地球的背面撞落。强大的能量使地球板块运动方向发生改变，火山爆发、冰川融化、植物毁灭……灰尘充满大气层，阳光终年难以照射到地面，苍茫大地一片死寂，长达亿万年之久的恐龙时代就此终结。