近地小行星撞遇地球灾害链效应

刘芹芹,申旭辉*,周炳红,李明涛,张庆明,徐文杰,龚自正

（1.应急管理部国家自然灾害防治研究院,北京 100085;2.复合链生自然灾害动力学应急管理部重点实验室,北京 100085,3.中国科学院国家空间科学中心,北京 100190;4.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;5.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084;6.北京卫星环境工程研究所,北京 100094）

1 引言

自然灾害是孕育于大气圈、岩石圈、水圈、生物圈共同组成的近地球表面环境中的自然变异现象,当这种变异给人类社会带来危害时,即构成自然灾害。一般理解,自然灾害按照其孕育发生的动力学成因划分为：固体地球动力学灾害,如地震、火山和多种地质灾害;大气动力学灾害,如暴雨、台风、冰冻、水旱灾害;日地耦合灾害,如空间天气、小行星撞击灾害;此外还有一类成因非常复杂的灾害如生态环境灾害、森林草原火灾等。由于自然生态和社会经济系统之间相互依存、制约的关系,在重特大自然灾害活动过程中,往往由一种灾害引致一系列其他具有因果关联的灾害,形成自然灾害链,对人类生产生活和经济发展带来巨大影响。

小行星撞击地球是一个古老的自然灾害类型。早在6500万年前,一颗直径约10km的小行星撞遇地球,在墨西哥湾保留了一个直径约180km的撞击坑,撞击产生的海量尘埃长期悬浮于地球大气层中导致了地球70%以上生物灭绝。我国东北地区的依兰、岫岩也有古老的陨石坑存在。美国国家科学技术委员会 《近地天体撞击威胁应急协议报告》认为：直径50m以上的小行星进入地球大气层并直接撞遇地表的平均间隔约1000年,并可能造成大城市级的危害;直径1km以上的小行星撞遇地表的平均间隔约70万年,并可能造成全球危害。但从地球演化的历史来看,小行星撞遇地球概率就是100%。1908年6月30日俄罗斯西伯利亚通古斯大爆炸和2013年2月15日俄罗斯车里雅宾斯克小行星空爆事件,给当地造成了严重的灾害损失,2019年7月25日“2019 OK”小行星与地球的擦肩而过也进一步警示人类,在未来必定要发生小行星撞遇地球事件,一旦发生其灾害效应将不可估量。因此,小行星撞遇地球的灾害效应及其有效应对值得我们高度重视。

2 近地小行星运行和进入

太阳系中除八大行星外,还存在很多小行星（尺寸在1m～800km内）,运行于日心轨道上,如图1所示。小行星主要分布于火星与木星轨道之间的小行星带和海王星外的柯伊伯带,部分小行星在大行星引力、太阳光压、小行星自身辐射压力等作用下,运行轨道发生缓慢变化,呈现出丰富的轨道类型。依据小行星运行轨道和大行星轨道的位置关系,天文学上又定义了火星轨道穿越小行星和近地小行星。其中,当小行星运行轨道的近日距离大于1.3AU（天文单位,1AU≈1.496×10km）并且小于1.67AU（火星远日距离为1.67AU,近日距离为1.38AU）时,称为火星轨道穿越小行星;当近日距离小于1.3AU时,称为近地小行星。

图1 太阳系八大行星和近地小行星带分布图Fig.1 Distribution of the solar system’s eight planets and the near-Earth asteroid belt

对于距离地球轨道最小距离 （Minimum Orbit Intersection Distance,MOID）在0.05 AU（7.5×10km,约20倍地月距离）范围内,直径大于140 m的小行星,称为对地球构成潜在威胁的近地小行星（potentially hazardous asteroid,PHA）。截至2021年11月,已经发现的PHA有2223颗,约占已经发现的近地小行星总数的1/12。当小行星与地球距离7.5×10km时,就有可能在地球的强大引力作用下,改变运行轨道奔地球而来直至相撞。

小行星被地球捕获时,首先以超高速撞击地球大气层。在这个过程中,大多数情况下小行星以较大角度撞击地球,称为直接撞击模式。掠地小行星进入大气时的撞击角较小,且撞击模式更多样,主要包括逃逸、直接撞击、捕获撞击三类模式。逃逸即小行星短暂掠过地球大气层后远离地球;直接撞击与大角度撞击相一致;捕获撞击是指小行星被地球引力捕获,短暂成为绕地球运行的自然卫星并最终撞击地球。三类模式情况下,又结合小行星是否解体,进一步细分为五种模式,即逃逸、捕获撞击并解体、捕获撞击不解体、直接撞击并解体和直接撞击不解体,如图2所示。

图2 逃逸、捕获撞击、直接撞击示意图[3]Fig.2 Diagram of escape,capture impact and direct impact

小行星在偏离其运行轨道,进入地球大气层乃至撞遇地表过程如图3所示。小行星进入地球大气层的初始运动速度一般在每秒十几到几十公里,小行星在如此高速度进入过程中,星体与大气层发生剧烈摩擦,并沿途产生光热辐射、冲击波,大部分小行星在这个过程中发生消蚀和空爆,只有很小比例的小行星能够直接撞遇固体地表,从而导致严重撞击灾害并诱发一系列长期区域性灾害和环境效应。一般来说,进入地球大气层的小行星星体直径为10～100m,能量范围为0.5倍（例如,车里雅宾斯克）～20倍（例如,通古斯）TNT时就会发生爆炸,并在大气层中产生强烈的冲击波,对地面目标物造成巨大的破坏。

图3 小行星撞遇地表过程示意图[5]Fig.3 Diagram of near-Earth asteroids collision with Earth surface

3 小行星撞遇地球灾害效应类型

通常直径大于60m的石质小行星 （S型）或大于20m的铁质小行星 （M型）才能穿过地球大气层,并且继续以超高压和超高温态势与地球撞遇,小行星与地表撞遇是一个物理-力学-化学强耦合过程,可产生光热辐射、近地表大气冲击波和撞击三种效应。

3.1 光热辐射效应

小行星在高速进入大气和撞遇地表过程均伴随有光热辐射效应,主要包括气化、电离、光化学、火灾和高温变质。快速移动的物体与地球表面碰撞瞬间约有一半的动能转化为热量,并以热辐射形式释放能量,辐射能由膨胀的气体或等离子体炽热火球发射,在临界温度T过程中火球中的高温气体导致热等离子体中的电磁辐射 （主要包括可见光和热辐射）逃逸到周围的空气中。利用实验光谱和合成光谱对激光诱导羽流实验显示撞遇1μs后蒸汽羽流温度接近7800K,速度超过15km/s,冲击的峰值温度超过10000K,撞击器和目标撞遇区域物质转化为白炽气体或等离子体,发生气化、电离、光化学效应。1908年通古斯爆炸,周边2000km的森林夷为平地,300km的树木被热辐射烧毁。较低速度的抛射体可熔化几倍于其自身质量的岩石,足够强烈的热辐射可以在火球可见的整个区域点燃大火,更大的热强度可能引发全球大火,并直接烧焦动植物。国际海洋发现计划 （IODP）和国际大陆科学钻探计划 （ICDP）第364探险队在希克苏鲁伯撞遇峰环区的海底1335m处的冲击物证据进一步支持了小行星撞遇引发地壳的热和化学变化过程。在中国西藏拉萨附近岗巴地区白垩系—第三系地层的界面层中确证了6500万年前墨西哥尤卡坦半岛小行星撞击事件,其光热辐射效应证据如下：

（1）在白垩系—第三系地层的界面层中,如图4所示,发现含有大量由小行星撞击靶岩石气化熔融过程产生的熔融状细小球粒。

图4 西藏拉萨岗巴地区白垩系和第三系的界面层[13]Fig.4 Boundary layer between Cretaceous and Tertiary in Gamba area,Lhasa,Tibet

（2）界线层中某些元素的相对比值显示出典型的小行星 （陨石）物质的特征。

（3）界线层中发现有极少量的由植物燃烧形成的炭灰。超强光热辐射使撞击区域的森林燃烧,并引燃大区域甚至全球性大火。国外一些界线层中的炭灰中也发现有森林大火形成的多环芳烃等化合物。

3.2 近地表大气冲击波效应

近地表大气冲击波是小行星撞遇地表后在近地空气介质形成的冲击波,如1908年通古斯爆炸,撞击坑周边植被成辐射状倒伏,特定假设条件模拟最大冲击波超压大于50kPa;2013年车里雅宾斯克大气冲击波效应导致1000多人受伤;2021年青海玉树火流星,火球爆炸产生的近地表大气冲击波约2min后到达地面,被中国地震台网监测到,囊谦公安局所在地也感受到了爆炸产生的声音和震动 （https：//mp.weixin.qq.com/s/REzPDwfZbqz-RneOZZmvUQ）。高速飞行的小行星或彗星碰撞地球产生一种非化学的“爆炸”,冲击波能量从爆炸源向空气传递,空气压力极急剧上升,空气既承载冲击波能量也传递冲击波能量,冲击波破坏程度取决于小行星的动能、大小和速度,以及撞遇角和材料特性。在撞遇地点附近形成的大气冲击波的速度通常远远超过1000km/h,但从撞遇点向外超压和风速显著下降。根据小行星撞遇地表大气冲击波超压与峰值风速的损伤程度,冲击波路径内的物体受极高峰值超压瞬态波和异常剧烈瞬态风的影响,冲蚀岩土体破坏植被和杀死动物。根据冲击波强度将对构筑物破坏程度,可以划分为四个等级,如图5所示：D级,3.5～5kPa,导致构筑物轻度破坏;C级,17～20kPa,导致构筑物一半受损;B级,大于35kPa,导致构筑物几乎全部毁坏;A级,压差超过60～83kPa,导致构筑物全部毁坏。

图5 冲击波超压损坏程度等级示意图Fig.5 Schematic diagram of damage degree of shock wave overpressure

3.3 撞击效应

撞击坑或陨石坑是小行星撞遇地表撞击溅射效应的宏观结果。目前中国已经确认的撞击坑主要有岫岩撞击坑和依兰撞击坑,如图6所示。Gault等最先将近地天体撞击地球形成陨石坑的过程划分为接触压缩、开坑和调整三个连续阶段。撞击和成坑过程中包含很多物理化学机制,通过进一步分析撞击坑的发育过程,小行星撞遇地表可分为三种撞击效应,即撞击波动效应、撞击高压变质效应、撞击溅射效应。

图6 岫岩撞击坑和依兰撞击坑Fig.6 Impact craters in Xiuyan（a）and Yilan（b）

3.3.1 撞击波动效应

彗星或小行星撞遇地表产生的撞击波动效应,可以分为撞击地震效应和区域地壳运动效应两类。其中撞击地震效应根据撞遇地点的不同而又有差异,如撞遇陆地引发地震和撞遇海洋引发海啸。

（1）撞击地震效应：小行星与地球表面的碰撞会产生地面冲击震动。目前对冲击能转化为地震能的效率尚未明确,已有文献中采用范围为10～10,一般取平均值10。利用地震能量与面波震级之间的标准Gutenberg-Richter关系,确定了撞遇能量E（但如果大部分能量在进大气层中消散,E与总能量并不相同）和等效里氏震级M之间的关系为M=0.67 logE（兆吨能量）+4.44。车里雅宾斯克空爆事件中,根据4000km外的台站记录的瑞利波信息,如图7所示,估算此次空爆产生的地面震动相当于Ms3.7地震。由于地球表面的四分之三由海洋覆盖,海洋撞遇的概率是陆地撞遇的三倍,因此海啸效应也是小行星撞遇产生的重要灾害之一。小行星或彗星与海洋表面撞遇的瞬间,导致临近的水密度、压力和温度急剧上升,并产生巨大海啸、强烈的汽化效应。

图7 车里雅宾斯克小行星空爆事件中,距撞击点4000km外的地震台地震波垂直分量图Fig.7 Vertical component map of seismic wave from a seismic station,4000km away from the impact point during the Chelyabinsk asteroid air explosion event

（2）区域地壳运动效应：小行星撞遇地表,通常会在临近地区诱发地震、火山、崩塌、滑坡等多种灾害 （链）效应。而对于大型小行星高速撞击,将会影响岩石圈一定深部的构造运动乃至上地幔岩浆活动,从而扰乱岩石圈板块应力状态和运动,甚至导致岩石圈破裂,从而诱发一定时期内区域性乃至全球性火山爆发和超级地震,加剧地球板块或地块之间的相互作用效应。科学家在南极洲发现了约2.5亿年前可能是由一颗直径约为50km的巨大小行星撞击形成的直径约480km的撞击坑——威尔克斯地陨石坑,这次产生的巨大冲击荷载可能导致冈瓦斯大陆开始分裂。

3.3.2 撞击高压变质效应

当绝热压力释放时,撞击压缩过程中所产生的压力-体积功并不能全部恢复,多余的功则表现为靶岩加热,在60GPa以上残余热足以导致岩石熔化,并在高压下蒸发。小行星撞击事件的指示矿物是蓝丝黛尔石 （六方金刚石）和柯石英。其中,蓝丝黛尔石是由普通钻石冲击变质、塑性变形或非均衡晶体生长所致的一种结构错乱的形式,如图8所示;而柯石英是石英在几万巴 （1bar=1×10Pa）超高压变质作用下形成。1960年6月美国地质调查所从亚利桑那的梅特奥撞击坑的科科尼诺砂岩中最早发现和鉴定了柯石英。此后,在沙特阿拉伯的瓦巴陨石坑、西德南部巴伐利亚的里斯陨石坑、非洲加纳亚山蒂的博苏姆特威湖陨石坑、瑞典的米恩湖均发现了高压变质的柯石英。在青藏高原白垩系和第三系界面层中也发现了6500万年前希克苏鲁伯撞击高压变质形成的柯石英。

图8 立方晶体结构的金刚石 （左）和六方晶系的蓝丝黛尔石 （右）晶体结构Fig.8 Diamond with cubic crystal structure（left）and lonsdaleite with hexagonal crystal system（right）

3.3.3 撞击溅射与扩散效应

小行星撞遇地表产生的撞击溅射与扩散效应,一方面造成了撞击体碎片、溅射物、尘埃、粉尘等的宏观溅射与扩散,同时也会造成硫化物、碳氧化物、氮氧化物、水汽及地表气化物质等的微观溅射与扩散。一颗大型小行星撞遇陆地球,在形成巨大的陨石坑过程中大部分物质被抛向大气层,其飞出高度和距离取决于撞遇时释放的能量。研究结果显示,当碰撞释放能量超过200Mt TNT时,所产生的溅射物颗粒、尘埃和碎片可以飞出到大气层之外。

4 小行星撞遇地表局部和区域灾害效应

小行星撞遇地表灾害效应按照在空间分布范围可划分局部撞遇效应和区域撞遇效应。小行星撞遇地表灾害的局部效应主要集中在撞遇点周围,地形特征显著影响激波沿地表传播的振幅、地表辐射通量以及陨石坑周围溅射物的分布。如在冲击波从撞遇点向外传播过程中,压力和波速急剧下降,呈现局地效应;同时,热辐射范围也会受地球曲率影响在靠近撞遇地点的局部区域破坏性最大,陆地撞击地震受高频波传播影响具有局部区域性,形成陨石坑具有局地效应。区域效应波及的范围较局部广,能够引起更为广泛的区域灾害,甚至可能波及全球性区域范围,灾害效应持续性也较强,区域灾害效应主要包括撞击溅射、海啸以及撞击引起的区域地壳运动。研究结果显示,最显著的区域灾害效应是由撞击溅射效应引起的对全球气候或生物区系影响较大的环境效应,如希克苏鲁伯规模的撞遇能够导致全球范围毁灭性灾害效应。

4.1 局部灾害效应

小行星撞遇地表的局部效应主要包括火灾、气化/电离/光化学、高温高压变质、近地表大气冲击波和撞击地震。

（1）局部火灾

局部火灾主要源于光热辐射的诱发产生,不包括溅射物二次回落引起的区域性火灾。光热辐射效应作用范围主要集中在撞遇区周边,表现为局部灾害效应。Marusek（2007）研究表明空气对热辐射的传播几乎没有任何阻挡作用,热辐射导致地表温度急剧升高,并点燃地表可燃物;Belcher等人 （2015）在实验室再现了K-Pg撞遇强度可能产生到达地球表面不同点的热通量,并研究了森林植被的着火潜力,实验结果显示热辐射诱发的点火因地而异,在距离撞遇的近端（2000～2500km）和中间距离 （4000～5000km）处,热辐射脉冲强烈但非常短暂 （50kW/m,0.2Hz）,不足以点燃林木,而距离撞遇点远端（7000～8000km）位置的热辐射脉冲强度较小,但长时间持续的热辐射脉冲能够点燃活植被。一般而言当冲击波超压大于10psi时,大多数可燃材料会着火燃烧,易点燃的、干燥的材料 （例如,干叶子、干草、旧报纸、黑色易燃薄织物、焦油纸等）可在超压低至2～3psi时点燃,并产生火灾。Durda和Kring（2004）计算得出85～105km直径的小行星撞遇地表能够产生大陆规模野火,135～180km的小行星撞遇地表能够产生全球规模火灾,产生100km陨石坑的撞遇能量接近点燃全球规模野火所需的最低能量,也就是说较大能量的撞遇事件也可以引起全球区域火灾。

（2）局部气化/电离/光化学效应

气化、电离、光化学效应的发生需要特定超高温超高压条件,具有局部区域性。超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在超强冲击作用下的重要物理响应,小行星撞遇瞬时可以产生极高的电磁脉冲 （EMP）——由散射在周围介质中光子的康普顿反冲电子和光电子引起,脉冲的持续时间很短,大约1μs。电磁脉冲产生的电场和磁场与电气/电子系统耦合,会产生破坏性的电流和电压冲击。超强电磁脉冲对人体损害程度较小,但对电子产品,尤其是晶体管、半导体和计算机芯片的损害是致命的。超强电磁脉冲会导致电网、电站、核电控制系统、充电控制器、太阳能和风力发电系统及通信设施等瘫痪。

当小行星撞遇速度超过15km/s、冲击的峰值温度超过10000K时,小行星和撞遇区域的地表物质将会转化为白炽气体或等离子体。Navarro等人 （2020）通过对希克苏鲁伯陨石坑的海洋碳酸盐沉积物使用强红外激光气化方式进行模拟,再现了希克苏鲁伯撞遇蒸汽羽流发射光谱 （蒸汽羽流在1μs时具有相似的温度不小于7800K）,研究表明激光气化后分子带不明显,这表明目标物被激光脉冲完全汽化。小行星撞遇地表过程瞬时释放巨大能量,撞遇点周围的大气被加热和电离,改变了大气化学特性。离子态气体 （HO、CO、SO、Cl、Br）和灰尘被注入到大气层,之后通过一系列光化学反应破坏臭氧。此外,撞遇产生局部电离辐射还可能严重改变高空大气的环境,扰乱电离层并破坏中高低轨卫星飞行器。

（3）局部高温、高压变质效应

小行星撞遇地表,在撞遇点附近产生高温、高压作用,并导致周围的岩体发生变质,形成玻璃和双折射玻璃。据已有研究成果,撞击产生超压半径大小随撞击能量呈三次幂递减,而单位面积的高温传热性随撞击能量呈六次幂减少,因此高温、高压变质效应具有局部区域性特征。

通过大量研究,在撞击坑地层中均能发现大量撞遇熔融的靶岩熔体胶结角砾,其中的熔体呈黑色、玻璃质,且在形态上具有流动结构和气泡特征。一般而言,撞击熔化单晶所需的峰值压力约为40～60GPa,长石和石英撞击融化需要的峰值压力分别约为30～45GPa和35～50GPa。岩石中的矿物在撞击作用后独立选择性地熔化,在远低于正常熔点的峰值压力和温度下,框架硅酸盐转变为各向同性、致密但不熔融的玻璃状相,称为双折射玻璃。双折射玻璃的形态与原始矿物晶体相同,但密度低于原始矿物晶体,而高于同等成分的热熔玻璃。

俄罗斯西伯利亚雅库梯地区发现了70万年前小行星撞击而形成的撞击坑中,因原始地层中富含碳,小行星撞遇产生的高温和高压致使地层中的碳转变成了钻石,现已成为一个大型钻石矿开采基地。希克苏鲁伯陨石坑是现存最大的陆地撞遇盆地,具有一个隆起的峰环,在峰环和火山口边缘之间的环形火山口槽处石油钻探发现了约100m厚的撞击岩。在撞击坑处,从海底以下617～1335m深度发现热液蚀变撞击岩,其中包含了130m的撞击熔融岩和覆盖在588m的撞击花岗岩上的含冲击熔融角砾岩和其他结晶岩。

（4）局部近地表大气冲击波效应

撞遇地球的超高速宇宙物体均会产生冲击波,但其表面破坏程度取决于撞击体大小,并具有局部灾害效应特性。小行星撞遇地表瞬时冲击波在撞遇点附近将产生毁灭性破坏,沿着冲击波传播路径内的物体受极高超压瞬态波,受异常剧烈瞬态风的影响。冲击波从撞遇点向外传播时,超压和风速显著下降,研究结果显示空爆压力随距离的衰减比地震动随距离的衰减要快得多。图9显示了初始密度为2.65g/cm、进入大气层速度为18km/s的不同直径球形小行星垂直撞击而产生的冲击压模拟结果,可以看出随传播距离增大相对压强 （P/P）呈指数下降;研究结果显示在撞遇点附近的超压 （P-P）为100 psi,近地表大气冲击波速度为3580km/h,而在超压降低至1psi处,近地表大气冲击波速度迅速衰减到56km/h。对于小于全球生物灭绝事件的小行星撞击,近地表大气冲击波是造成构筑物破坏和生命损失的主要原因。根据Kring（1997）研究结果,形成直径23～32km陨石坑的撞遇事件将导致撞击坑周围大约14～19km径向距离内树木被爆炸波夷为平地,距离撞击坑边缘9～14km内哺乳动物的伤亡率高达50%。

图9 20～300m小行星 （初始密度为2.65g/cm3,进入速度为18km/s）撞击近地表大气冲击波相对压强与距离关系[23]Fig.9 The relation between the relative pressure and distance of shock wave from an asteroid with a diameter of 20～300m（initial density of 2.65g/cm3,entry velocity of 18km/s）impacting near surface atmosphere

4.2 区域灾害效应

区域灾害效应主要包括撞击溅射效应、海啸以及撞击引起的区域地壳运动效应,其空间影响范围较大。研究表明,小行星撞遇地表全球范围影响与向大气排放粉尘和气体 （二氧化碳、硫氧化物、水蒸气、甲烷等）有关。国际海洋发现计划 （IODP）和国际大陆科学钻探计划 （ICDP）第364探险队探测的岩心显示,撞击坑主导了一个空间广泛的热液系统,化学变性和矿物质的高温变质波及了约1.4×10km的地壳 （是黄石火山系统的9倍多）。白垩纪地层距离希克苏鲁伯约1000～5000km处发现,K-Pg边界矿床由厚2～10cm的球粒层和厚0.2～0.5cm的异常富集铂族元素 （PGEs）层组成,并富含冲击矿物、花岗质碎屑和富含镍的尖晶石。

（1）海啸区域效应

海啸区域效应取决于小行星撞击水体形成的冲击波在水体中传播特征。海啸在海面从撞击点向周围传播,波速可达700～800km/h,波长可达数百公里,且传播过程中能量损失较小、影响范围大,具有显著区域效应。一次巨大的深海撞遇,可以给大洋两岸的大陆产生巨大灾难。海啸在接近海岸时,波速会进一步提高、波长减小,从而沿海地区形成巨大的涌浪,产生巨大的灾难。7～8级的构造地震引发的海啸到达海岸带后,形成可以达20～30m高的涌浪。根据Nemtchinov等人 （1996）的研究,10m高的海啸也可波及至2000多公里空间范围。对于希克苏鲁伯大小的撞遇 （能量为1.6×10Mt TNT）,海啸破坏半径大约为10000km;对于直径4km（3×10Mt TNT）的撞遇,海啸破坏半径约1700km,影响面积达9×10km（约为地球表面积的2%）。

（2）区域地壳运动

尽管人类尚未直接观察到小行星撞遇事件效应,但有许多迹象表明大型小行星撞遇地表可能会导致区域地壳运动,而引起一系列灾害效应。通过目前的研究表明,希克苏鲁伯的撞击,侵蚀了西佛罗里达陆架 （墨西哥湾）的白垩统碳酸盐岩台地 （约102.3×10km）,流化了南达科塔州福克斯山地层 （距离撞遇地点约2000km）附近的海岸海洋沉积物,造成了陆地、加勒比地区以及从佛罗里达到加拿大大浅滩北美东部大陆架的大规模滑坡;即使是相对较小的撞击也能诱发间歇泉的喷发,诱发区域性小地震,并在距离震中很远的地方扰乱地下热系统。有人认为,犹他州隆起圆顶撞击事件导致附近罗伯茨裂谷的大规模石油注入。Norman等通过对南非巴伯顿绿石带地区的地质特征研究表明,约在32亿年前的一次巨型小行星 （约7～58km宽,速度20km/s）撞遇地球,并触发了超过10.8级地震,地震波穿透地球几百公里,破坏了岩石结构,并认为这次撞击可能破坏了岩石圈板块以及早期地球特有的构造体制,形成更加现代的板块构造体系。

（3）撞击溅射与扩散效应

冲击溅射与扩散过程包括了宏观和微观溅射,可以分为撞击粉尘、硫化物、碳氧化物、水汽、氮氧化物区域溅射效应。粉尘溅射区域效应：一颗大型小行星撞遇陆地表面,甚至是海底,在形成巨大的陨石坑过程中大部分物质被抛入大气层,溅射物的速度足以飞出低密度火球区域,其飞出高度和距离取决于撞遇时释放的能量。对于碰撞释放能量超过200Mt TNT的撞遇事件,所产生的溅射物颗粒、尘埃和碎片会被抛出到大气层之外,具有区域环境灾害效应。Toon等 （1997）估算,10～10Mt TNT撞遇能量可以导致平流层亚微米尘粒含量发生10～10g/cm的变化;SO溅射区域效应：若撞遇区域含有大量的硫或者小行星和彗星含有大量的硫,撞遇过程可能向平流层中释放大量的SO,并产生大量的大气硫酸盐气溶胶。Toon等 （1997）研究结果表明,潜在的注入量可以达到皮纳图博火山喷发的10倍甚至更多,从而产生更严重的区域降温事件;碳氧化物溅射区域效应：撞遇碳酸盐地区,由于碳酸盐分解可以瞬间释放出大量的CO。对于希克苏鲁伯撞遇地表事件,Pope等人 （1997）估算撞遇到碳酸盐岩中将释放500Gt CO（5×10g）;Kawaragi等人 （2009）基于新的冲击诱导碳酸盐释放实验,认为低角度希克苏鲁伯撞遇碳酸盐岩将产生足够的CO和CO,以及足够的对流层O（由CO促进的光化学反应）,扩散至全球区域,预估可使全球气温升高2～5℃;水汽溅射区域效应：如果撞遇海洋,其溅射物还包括大量水汽。由于水汽能有效地吸收向上定向的红外辐射,并将大约一半的辐射重新向下辐射到地面,对流层上部和平流层受大气中水蒸气的增温效应影响最大。Toon等人（1997）认为,一颗大型小行星或彗星撞击海洋,注入大气中的水蒸气量可能是目前全球水蒸气含量的1～100倍;氮氧化物溅射区域效应：小行星撞遇加热富含N和O的大气会产生氮氧化物气体,可能会破坏臭氧层,增加到达地表的紫外线辐射量。在大气中产生的NO量取决于撞击能量,据估算10t TNT希克苏鲁伯撞遇 （将总能量的1%左右耦合到大气中）产生了约3×10mol的NO,足以严重影响全球环境,造成全球臭氧层的破坏、酸雨以及部分海洋表层的酸化。

小行星撞击局域和区域效应与撞击能量有关,比对小行星大小与潜在撞击危害,不难发现足够大的撞击能量可以导致各类灾害效应的区域化或全球化,极小的撞击能量不能产生区域灾害效应,见表1。

表1 小行星规模与预期损失Table 1 Asteroid size and expected losses

5 小行星撞遇地表中短期和长期灾害效应

小行星撞遇地表灾害演化是一个持续的过程,其灾害效应作用时间主要取决于灾害效应类型。针对小行星撞遇地球灾害作用效应持续时间将小行星撞遇地表灾害划分为中短期灾害效应和长期灾害效应：中短期灾害效应是指小行星撞遇地表能量直接释放所致的灾害效应 （包括瞬时灾害效应）,效应持续时间相对较短,不能持续演化;长期灾害效应是指由小行星撞遇地表间接次生灾害所致灾害 （链）效应持续不断转化和转移的作用过程。例如,在撞遇过程中撞击坑本身（撞击能量直接释放引起）并没有强大到足以改变地球的自然气候演变路径,而撞遇的间接产物（主要是水蒸气等）可以迅速分布到全球的大部分地区,长期影响全球环流。

5.1 中短期灾害效应

光热辐射效应的时间效应主要体现在瞬时性。数值模拟表明总动能转化为光和热的效率为 （1～5）×10。对于地球的大气层来说,T≈3000K相当于第二个太阳出现在天空中,辐射的起始时间取决于火球形成所需的时间以及达到透明温度所需的时间。对于陨石坑和希克苏鲁伯大小的撞遇而言,通常是几秒钟或更短的时间,随着撞击体的迅速冷却,辐射强度迅速衰减。大约20s内辐射通量大幅减少,100s内下降了两个数量级,强烈的辐射停止。当彗星或小行星进入大气层时,会产生强烈的紫外线闪光,比太阳亮很多倍,闪光只持续百万分之几秒。高强度的闪光引起的暂时性光敏感度下降,造成闪光盲。小行星撞遇地表形成的闪光效应能够持续几分钟,会对动物视网膜造成永久性损伤。一般来说,距离撞遇点1.5km以外不会直接看到闪光,闪光产生的紫外线热辐射会导致皮肤非常强烈地发热,造成“闪光灼伤”。在模拟计算阿波菲斯99942小行星 （直径300m,约1000t的动能,撞遇角度分别为90°、45°和30°） 在未来可能撞遇的地球事件中,结果表明电离层扰动范围波及全球性,并持续数小时,在100多公里的高度上电离层扰动范围达到几千公里的距离,空气密度扰动达到百分之几十。

小行星撞击溅射成坑过程也属于中短期撞遇效应。但针对较大的撞击溅射场景,即使超出碎片溅射物的溅射范围,较小颗粒的溅射物沉积厚度也足以对人类和建筑物造成破坏,在较远距离大气对粉尘粒度的沉积起着重要的作用,其时间作用效应具有长期性,空间上具有全球性。

5.2 长期环境灾害效应

小行星撞遇事件虽然比其它自然灾害 （如飓风、地震）的发生频次低很多,但所产生的灾难通常会严重、影响范围更广,且通常会同时导致多个环境扰动产生长期环境灾害效应。小行星坑周围的山体滑坡、崩塌等次生地质灾害事件。 撞遇长期环境效应 （图10）与撞击粉尘、气溶胶和气体 （二氧化碳、硫氧化物、水蒸气、甲烷）有关。尽管光热辐射效应、近地表大气冲击波效应、地震波动效应会对当地的动植物造成毁灭性的灾难,但不足以产生持续影响以致全球性物种大灭绝。撞击事件会产生一系列不同的环境变化,进而以不同方式和不同时空尺度破坏生态系统,但其导致生物灭绝的能力是环境条件的函数,只有超越生物阈值时才能生效。

图10 小行星撞击长期环境灾害效应示意图Fig.10 Schematic diagram of long-term environmental disaster effects of asteroid impact

目前研究表明,撞击能量≥3×10Mt TNT（可形成直径超过100km的陆地撞击坑）的撞遇事件在大气形成的亚微米尘埃和烟灰会引起广泛的气候效应,导致明显的生物灭绝事件 （海洋物种灭绝15%）。撞击过程中,若释放200～300Gt（（2～3）×10g） 的SO并转化大约5×10g硫酸气溶胶,则可以达到产生“撞遇冬天”的条件;Pope等人估算在希克苏鲁伯撞遇后的12年中,全球气温下降高达31℃;Gupta等以较小的气溶胶质量为基础进行计算,表明撞遇产生的硫酸盐酸性气溶胶可在大气层中持续约9年,导致全球气温下降12～19℃;Brugger等人使用更复杂的耦合气候模型,发现根据平流层硫酸盐气溶胶停留时间,全球年平均地表温度在希克苏鲁伯撞遇之后可能会急剧下降至低于25℃,3～16年内普遍低于冰点温度。目前利用得克萨斯布拉索斯河流域沉积物的TEX86古温度测量技术研究表明,希克苏鲁伯撞遇事件发生后的前几个月至几十年内海洋表面温度的大幅下降,也说明了撞遇注入平流层的尘埃和气溶胶阻挡了太阳辐射导致全球范围内海洋和大陆的光合作用大量消亡,从而成为导致大规模生物灭绝的主要驱动因素。即使是较小的撞遇事件对环境灾害的影响也可达数年之久。如,1908年6月30日7时发生的俄罗斯通古斯事件,空爆造成2000 km内约3000万棵树木燃烧,数以千计的驯鹿被杀,北半球上空出现巨大的臭氧空洞,数年后才得以恢复。

5.3 区域性地壳运动效应

撞遇产生的地震波动效应,可能会诱发撞击 临近河谷的滑坡,通常会堵塞河道,形成堰塞湖;在特定的条件下,堰塞湖一旦发生溃决,下泄洪水将对下游河道、工程及城镇等产生潜在的危害。此外,滑坡、崩塌为流域提供了大量不稳定泥沙,导致流域产沙增加,甚至持续100年。Bruce等发现地震活动诱发的地质灾害,引起的河流侵蚀率为0.2～7mm/a;2008年的汶川地震,震区的森林、草甸以及湿地总面积也减少了1221km。

大型小行星的撞遇事件,可直接改变撞击区的岩石圈应力状态,导致区域性地震和火山频发,形成地震活跃期。甚至会引起撞击处地幔对流状态的改变,从而影响大陆板块运动状态及地球浅部和深部地质结构;并可能诱发全球性大规模火山爆发和大规模板块运动引起的超级地震,进一步加剧现有撞遇灾害链。James和Jafar通过模拟发现巨型小行星的撞击影响了火星的地幔运动,导致撞击点下方形成上升流;每次撞击都不同程度地改变着火星地幔对流模式。Craig等通过对巨型小行星撞击对地球岩石圈板块演变的模拟,也表明撞击产生的能量同样也会引起撞击点地幔物质上涌,并驱动早期地球薄弱的板块俯冲入地幔以下。

6 讨论与展望

近地小行星对地球的撞遇是人类生存和发展面临的重大潜在天体威胁之一。综合国际撞击灾害研究,小行星超高速超高压撞遇地表灾害效应主要分为三类：光热辐射、近地表大气冲击波和撞击效应,如图11所示。从区域分布而言可以分为局部效应和区域效应;从时间尺度可以分为瞬时、中短期和长期效应。光热辐射的直接灾害效应主要包括火灾、地表物质气化、电离、光化学等和局部高温熔融变质;近地表大气冲击波直接灾害效应是引起近地表超级风暴,进而引发突出地物倒塌,激起局地粉尘扩散与悬浮,长期效应可以导致生态环境灾害链的发生最终导致气候突变和生物灭绝;撞击效应直接作用包括撞击波动效应、撞击局部高压变质和撞击溅射效应,撞击溅射主要是在撞击坑形成过程羽流物的形成以及溅射物的二次坠落,造成更大范围人员伤亡以及设施毁坏,撞击波动效应主要表现为大陆地震和海洋海啸灾害,撞击波动效应也会引起区域性地壳长期运动,从而进一步引发系列火山灾害链和地震灾害链效应。

图11 小行星撞遇地表灾害效应图Fig.11 Diagram of surface disaster effects of asteroid impact

撞击坑是上述复杂效应的直观表现,是撞击溅射作用的结果状态,瞬时撞击坑的出现是小行星超高速超高压撞击地表冲击和光热辐射集中作用的近地表岩土气化溅射所致,在撞击波动效应、地球引力作用和长期地壳运动的共同推动下完成瞬时坑向最终坑的过渡转化,从而形成目前地球表面撞击坑形态。

受小行星撞击事件灾害的特殊性,其救援技术也是前所未有的。小行星撞遇地表伴随强冲击、高热辐射和高浓度可吸入微米级尘埃及化学污染,现有的应急救援技术不能适用于小行星撞遇地表灾害场景,如何保证救援队伍进入独特高热辐射、高浓度尘埃和污染气体撞击现场所需的物资装备,如何发展废墟机器人、救援无人机等技术从而具备与小行星撞击灾害现场特种环境工作的能力是确定最优调配策略,实现有限资源的合理调配的关键。

目前我国正力争在2030年实现近地天体的天地一体化监测预警网络的运行,执行近地天体常态化监测、预警业务。国内关于小行星撞遇地球灾害效应研究几乎属于空白状态,与国际上欧美发达国家在此领域的研究水平具有较大差距,开展小行星撞遇地表灾害效应评估不仅可以为小行星危害预警提供能力支撑,也可以为实施在轨处置提供决策依据,还能为小行星处置未果开展救援提供支撑条件。

面向未来,需要开展的研究工作包括：①结合近地小行星轨道运行规律和大气层烧蚀解体空爆规律,加强对近地小行星抵达地表的频率、能量、区域散布规律研究,为研究小行星地表撞遇灾害、评估灾害损失提供输入;②加强对小行星撞遇地表引发的多物理场耦合效应、多灾种耦合机理、多时空尺度演化规律研究,深化对小行星撞遇地表灾害机理、效应和演化规律的认识;③加强对近地小行星撞遇与地球系统动态演化关联性研究,揭示小行星撞遇对大气圈、岩石圈、海洋圈、生物圈的短期、中期和长期影响;④研发小行星撞遇灾害数值模拟算法及高性能仿真软件,开展小行星撞遇灾害应对演练,为研究小行星撞遇灾害规律、科学评估小行星撞遇危害提供工具手段,提升小行星撞遇灾害评估和应对能力。