1小天體撞擊-撞擊簡介

在太陽系Solar System中,除了八大行星外,還存在著為數眾多的小行星和彗星,這些小天體在運行中不時會接近、甚至撞上其它行星。1994年,舒梅克–利瓦伊九號彗星(Shoemaker-Levy 9)在接近木星時,被引潮力扯碎為21塊碎片並撞上木星,引發一連串的大爆炸,澳洲國立大學的太空望遠鏡拍下了當時的畫面,震撼全球(見圖),並且讓人們開始注意到小行星或彗星可能帶給地球的威脅。
可能會撞上地球的小行星或彗星統稱為「近地小天體」(Near-Earth Object, NEO),目前估計長度超過一公里的近地天體約有2000個,這些小天體萬一與地球相撞,估計會造成全球1/4的人口滅絕;即使小一點的,例如長100米的小天體,也足以毀掉好幾個台灣,而這種近地天體的數量估計多達30萬個。

2小天體撞擊-何謂NEO

太陽系中除了行星、衛星之外,還在數不清的小行星和慧星。小行星和慧星並無明確的分界,兼備兩者特點
小天體撞擊
的小天體很多。小行星中最大的是「謝列斯」,直徑達910公里,不過大部分的小行星是直徑100公里以下,而越小的行星數量越多。火星軌道與木星軌道之間存在著「小行星帶」,大部分小行星是在此區域內運行,而已經充分掌握其軌道的小行星已達7500個以上。
無論是小行星或慧星,我們可以確定,軌道已知的小天體是不會碰撞地球的。但NEO的軌道接近地球時有可能改變,這是因為NEO接近水星、金星、地球和火星的機會很多,難免會受行星引力的影響而變更軌道。
未被發現的小行星當中,或許會有撞擊地球的小行星。科學家認為直徑1公里以下的小行星大部分尚未發現,萬一此種未發現小行星撞擊地球,將引發無估計的災害,為此,設法找出發現的NEO是當務之急。

3小天體撞擊-撞擊威力

近地天體撞到地表時,會造成一個比自身直徑大10倍的洞,而實際破壞的範圍更遠超於此。以造成恐龍滅絕
小天體撞擊
的數公里長的近地天體來看,顯然全球都蒙受其難;即使小一點的,如1908年一顆僅長數十米的小天體撞上西伯利亞,也毀了方圓40公里內的森林,爆炸威力相當於600顆廣島原子彈。
撞擊威力之所以會那麼強大,原因在於速度太快。已知火箭脫離地球所需的速度至少每秒11公里,若地球重力吸引一顆原本靜止在外層空間的小天體撞進來,撞擊速度至少如此,加上近地天體在地球附近時並非靜止,而是以大約每秒10幾公里到數十公里的速度繞行太陽,若真的發生撞擊,速度極可能超過每秒30公里。一般炮彈落地的速度還不到每秒2公里,比炮彈重千萬倍以上、速度又快那麼多的近地天體若撞上地表,可以想見後果有多嚴重。

4小天體撞擊-撞擊影響

小行星和慧星是以每秒20-60公里的極高速度運動的,在這樣高速度的狀態下,即使天體體積不大,仍具有極大能量。通常NEO體積越大,運動速度越快,能量就越大。
假定小行星密度為3g/cm3,且運動速度為每秒25公里時,則直徑10米左右小行星的能量是0.024百萬噸,此能量大於在日本廣島爆炸的原子彈,具有足夠破壞一個大都市的威力。如果是直徑500米的小行星,能量便增加為3000百萬噸,運動速度如果再增加,則能量更大。
小天體碰撞地球可能產生的災害有碰撞引起的爆炸,以及爆炸引起的火災、地震和海嘯。另外還有由碰撞引起塵埃擴散所帶來的寒冷化,以及因氮氣燃燒而產生的酸雨等災害。
NEO碰撞地表后必然出現圓坑,圓坑直徑可達碰撞天體直徑的20倍左右,而深度則大概為直徑的20分之1到10分之1的程度。在碰撞的同時,天體粉碎並與圓坑中的物質一起飛散,碰撞的行星能量越大,則塵埃飛散量越多。
飛散的塵埃可上升以平流層,並漂浮四方,由此引起了全球性的寒冷化現象。假設碰撞前氣溫為20℃,直徑300米的小行星如果以秒速40公里進行磁撞,則氣溫會降到15℃。又小行星直徑如果為500米,而秒速為30公里時,氣溫將會降到4℃。

5小天體撞擊-威脅程度

近地天體的軌道可分為三種:阿波羅(Apollo)、阿托恩(Aten,埃及神話中的朝之太陽神)和阿穆爾(Amor,即愛神丘比特),其中和地球軌道相交的阿波羅和阿托恩對地球較有威脅性;另外還有一種「地內天體」(inner Earth object, IEO),這類天體的軌道也可能很接近地球軌道,不過目前僅發現六顆。
國際天文聯合會(IAU)現在的定義是:只要和地球最近距離小於0.05天文單位(AU,地球與太陽的平均距離,1AU約為1.5億公里)且體積夠大,就列為「潛在危險天體」(potentially hazardous object, PHO)。
這些天體的危險程度,則合併考慮碰撞機率以及撞擊時所釋放的能量,分為0到10級,數字越大表示對地球的威脅越大,稱為「杜林諾災難指數」(Torino Impact Hazard Scale)。目前只有兩顆近地天體被列為2級,其它均為0級或1級。
雖然長100米的近地天體估計數量多達30萬個,但目前看來對地球具有威脅性的卻寥寥無幾,原因就在於宇宙實在太空曠了。台灣中央大學天文所教授陳文屏舉例:若地球是桌上的一粒鹽,太陽就像是4米外的一顆西紅柿,木星則是20米外的木瓜子;會威脅地球的近地天體主要來自10幾米外的小行星帶,是遠比鹽粒更小的顆粒,儘管有一部份公轉軌道與地球公轉軌道相交,但要撞上的機率還是很低。

6小天體撞擊-觀測天體

要決定某顆近地天體的危險程度,得先由世界各地的天文台對該小天體進行多次觀測,再根據其移動軌跡計算軌道,並估算未來與地球的接近程度,然後將結果彙集到國際天文聯合會的小行星中心(Minor Planet Center)進行統計。
已經觀測到1009個潛在危險天體,其中比較大的如編號1991 BA的小天體(以最接近地球時的年份來編號),長度約5~10公里,1991年距離地球僅約10萬公里,不到地月距離(約38萬公里)的1/3。
觀測設備益發精良,能夠偵測到越來越小的天體,例如2004 FH僅長30米,距離地球只有破紀錄的43000公里;但沒多久,這個紀錄就被2004 FU162打破,這個小天體距離地球最近時只有6500公里,不過由於長度只有6米,就算真的落入地球,也很可能在大氣中就燃燒殆盡,所以並未引起太多關注。
然而,卻也發生過小天體造訪地球后,天文學家才後知後覺的情形,2002年6月14日,長100米的2002 MN從距離地球不到12萬公里處掠過,天文學家直到三天後才發現,而且這樣的情況還發生過不只一次。
由於還有很多近地天體沒被發現,為了掌握更多近地天體的行蹤,以便提早警覺、甚至設法預防碰撞,美國前總統小布希在2006年頒布了「喬治·布朗近地天體調查法案」,要求航天總署(NASA)在一年內提出清點近地天體的方法及所需預算,以及改變其軌道的方案,目標是在15年內找出90%以上長度大於140米、近日點小於1.3AU的近地天體。
最受矚目的探索近地天體的計劃,是美國、德國、英國和台灣合作發展的「泛星計劃」(Pan-STARRS),預計在夏威夷毛納基峰建造四座口徑1.8米、一次可看到7度×7度星空(月亮的視角約0.5度)的超廣角望遠鏡,使用14億畫素的超高解析度相機,每30秒拍一張照片,約4~7天可以巡天一次(把整個夜空拍一遍),然後再拍下一輪,比對前後兩張相隔數天的同角度照片,找出新亮點及亮度和位置發生變化的星體,就可進行追蹤,確認是否為新的近地天體。
找到近地天體后,下一步是詳細推算軌道,這是最困難的部分。由於近地天體的軌道受到木星、土星的影響
小天體撞擊
很大,因此要在計算機上輸入各相關星球的軌道來進行模擬;若是彗星則更複雜,因為彗星是由冰雪和塵土構成的「臟雪球」,靠近太陽時會受熱噴發,產生像火箭一樣的推進力,軌道更難以預估,而彗星佔了近地天體的30%左右。
2004年12月,就曾有一顆長300米的小行星2004 MN4,一開始天文學家分析其在2029年或2034年撞上地球的機率是1/300,杜林災難指數4級,但過了幾個月後,修改為1級,即撞擊機率接近0。

7小天體撞擊-有名撞擊

最有名的一次撞擊是6500萬年以前,一個直徑約10公里的小天體撞擊在墨西哥灣的一個半島上,所有撞擊物質氣化后拋射在半空,整個太陽輻射大大減弱,據科學測算地球年均溫度當時一下子降低18℃。那次撞擊后,整個地球陷入黑暗,光合作用無法進行,植物大批死亡,引發地球上各種動物大量死亡,恐龍就是在這種惡劣環境中大批滅絕,而當時地球上大約70%的物種也一道消失。關於這次撞擊,科學家們在全球100多個撞擊坑的地
小天體撞擊
方進行研究,尋找證據,中國科學家在西藏也取得確鑿證據,表明6500萬年前地球確實遭到小天體撞擊。
在導致恐龍滅絕前更古老的時候還有一次小天體撞擊地球,大概接近80%的地球物種消失。科學家們找到的證據顯示,這兩次撞擊后地球至少還有5次遭小天體撞擊,給地球上氣候環境帶來巨大災變:完全像冬天一樣,溫度巨降,冰蓋擴大,海水倒退,整個生態環境發生巨大變化,生物大批死亡。但劫難以後,殘留的生命在更惡劣的條件下以更頑強的生命繼續發展,一系列新的生命、新的物種相繼誕生,整個地球又非常繁榮。

8小天體撞擊-專家解讀

今年4月9日上午7時06分,一顆編號為2010GA6的危險級小天體飛掠過地球,「擦肩而過」那一刻的距離,比月亮離地球還要近!在宇宙的尺度中,這算是非常危險的「親近」了。
雖然地球這次僥倖逃過一劫,但小天體對它的潛在威脅依然存在。美國《發現》雜誌曾經評出「威脅人類生存的21世紀二十大危險」,其中小天體撞擊地球位於首位。前不久,美國《外交政策》雜誌列出了可能導致世界末日的5種情況,小天體撞擊地球也居於首位。同時在聯合國認定的世界四大突發災難中,小天體撞擊地球還是位居第一。可見,小天體對地球的潛在威脅之大。
中國知名學者周海中先生曾經多次應邀參加關於天體相撞方面的國際學術研討會,本報《博聞周刊》對他做了訪談。
羊城晚報:什麼是小天體?據說它們曾與地球相撞,並給地球造成過創傷?  
周海中:小天體通常是指太陽系內圍繞著太陽運轉但又不符合行星和矮行星條件的天體,主要包括小行星、彗星(俗稱掃帚星)、流星體和其他星際物質。
地球從形成至今已有46億年了。在這漫長的歲月里,發生過無數次小天體撞擊地球的事件。據專家統計,近1億年來,地球遭到小天體撞擊造成直徑大於1公里的隕石坑就有1萬處之多。由於地球大氣層的保護,體積和質量小的小天體往往在墜落地面之前就已燃燒殆盡,但大的就會給地球造成滅頂之災。
6500萬年前,一顆直徑約10公里、質量為100億噸的小行星撞到地球表面上,也就是現在墨西哥尤卡坦半島東北沿岸地區;據專家估算,這一撞擊釋放的能量相當於100萬億噸烈性炸藥(TNT)爆炸,是廣島原子彈爆炸威力的50億倍,造成當時全球氣候、環境、生態的災變,使稱霸世界的恐龍及其他生物種類的滅絕。
1490年4月4日中午,一顆直徑約5米的流星體撞到中國甘肅慶陽地區;當時正逢清明時節,不少上墳的人被隕石碎塊擊中,據地方志記載,「擊死人以萬數」。
1908年6月30日凌晨,一顆直徑約50米的彗星在俄羅斯西伯利亞通古斯卡地區上空5公里處爆炸,所產生的高溫高壓衝擊波夷平了方圓2000多平方公里範圍內的約6000萬棵樹木;不幸中之大幸是,這顆彗星毀滅的是一片無人區,沒有造成更嚴重的社會性破壞。
1989年4月22日,一顆直徑約10公里的「斯維夫特-塔特爾」彗星掠地而來,與地球失之交臂的時差僅為10天;這個天外來客每隔76年就會與地球擦肩而過,是一個十分危險的傢伙。
去年11月8日,一顆直徑約10米、運行速度為每秒20公里的小行星在印度尼西亞蘇拉西島南部上空的大氣層中爆炸,發出轟天巨響,一條巨大彎曲狀煙塵橫過天際,引起大批居民恐慌;這一爆炸釋放出的能量有3顆廣島原子彈爆炸的威力;所幸的是,由於爆炸的高度在地面以上20公里左右,因此沒有造成任何破壞。
順帶一提,撞擊釋放的能量大小取決於小天體的體積、質量、密度、結構特徵、運動特點、飛行速度、撞擊角度等因素。
羊城晚報:將來會不會發生小天體與地球相撞的事件?  
周海中:根據歷史記載和科學預測,小天體與地球相撞只是時間問題,而不是會不會的問題。
據專家估測,直徑10公里大小的小天體平均1億年左右才會與地球相撞一次;直徑約1公里的小天體撞擊地球的概率是每10萬年一次;直徑約100米的小天體撞擊地球的概率是每1萬年一次;以上的撞擊將會給地球造成災難性的影響。
在接近地球軌道的地方,現有大約2000顆直徑大於1公里的小天體和10萬顆直徑大於100米的小天體。這樣的近地小天體(NEO)無論是撞上陸地,還是擊中海洋,都將是一場全球性的浩劫;人類不能忽視所存在的風險。不久前,英國著名理論物理學家霍金在接受媒體採訪時就指出:由於近地小天體的威脅,人類必須移民到其他能適宜生存的行星以擺脫滅亡的命運。
目前已知的對地球威脅最大的近地小天體是「阿波菲斯」小行星,其直徑約400米;一旦它撞上地球,將釋放出比廣島原子彈高10萬倍的能量。據專家測算,「阿波菲斯」將於2029年與地球擦肩而過;由於其軌道被地球引力改變,它將於2036年重新光臨地球,與地球相撞的概率為1/37至1/4.5萬,在天文學上,這已經屬於「非常高的概率」了。
如果它撞上人口稠密處,就會給人類造成重大災難;即使撞上人煙稀少的地方,也會給當地的生態帶來嚴重破壞。目前全球有100多個研究小組正在從事「阿波菲斯」的太空任務研究,希望在它接近地球時能降低或排除相撞的可能性。此外,美國宇航局、歐洲宇航局和一些相關機構聯合設立了一項5萬美元的獎金,在全世界徵集跟蹤「阿波菲斯」以及精確探測其軌跡的最佳方法。
羊城晚報:如何避免這種災難?人類有防禦措施嗎?  
周海中:要避免小天體撞地球,首先應該建立一個全球性的信息、分析和預警系統,操控世界各地的地面和太空望遠鏡來探測和跟蹤那些可能會給地球造成傷害的小天體,這是防止災難發生的基礎;其次制定一個所謂應對它們的應急計劃,從而做到未雨綢繆,防患於未然;再次,應該配備更先進的觀測設備,培養更多的高級專門人材,並做好這方面的科普宣傳工作。
任何機構或個人一旦發現「殺手」小天體,應該及時向國際天文學聯盟(IAU)報告;經核實后,由國際天文學聯盟上報聯合國的有關機構;最後,由聯合國向各成員國通報,並組織全球的科技力量來採取防禦措施。值得慶幸的是,目前尚未發現近期對地球構成真正威脅的小天體,所以民眾不必過於擔憂。
羊城晚報:科學界對小天體與地球相撞這一問題有什麼新研究?國際社會有何反應?  
周海中:從上個世紀90年代開始,國際社會尤其是科學界就十分關注小天體撞地球的可能性和危險性問題。科學家幾乎每年都舉行各種有關的國際學術研討會,共商應對辦法。
1993年4月,多國科學家在義大利埃里斯召開了專門的國際會議,共同探討近地小天體可能撞擊地球的問題,並發表了《埃里斯宣言》,試圖喚起人們對這一問題的高度重視。同年7月,我應邀參加了在韓國首爾舉行的「突變理論與天體相撞」的國際研討會,與會者就危險級小天體的運行數學模型、撞擊地球所產生的能量、如何用方程來描述災變過程等問題進行了探討和交流。
目前美國宇航局、歐洲宇航局、俄羅斯航天署、日本宇宙航空研究開發機構等都在加強對那些可能危及地球的小天體進行密切的監視和跟蹤;哈勃望遠鏡也在不間斷地監視它們的活動情況,另外擁有世界上最大數碼攝像機的PS1望遠鏡已開始全天候地搜尋它們的蹤跡。近地小天體對地球的威脅已經引起不少國家的高度重視。值得一提的是,美國是對外太空研究最為重視的國家,對於小天體會給地球帶來傷害的動向更是格外敏感;白宮打算今年10月就小天體對地球的威脅制定一項政策,以便做好提前預警、事先防範和減災滅災的工作。
雖然小天體撞擊地球目前是小概率事件,但那些有可能並具毀滅性的「入侵者」是非常需要高度警惕的。
目前科學界提出應對「殺手」小天體的預防方法:
一是用核武器去炸掉它或改變它的運行軌道,但麻煩的是運載核武器的火箭必須在發生相撞前7年發射,而且爆炸很可能把它變成許多小「殺手」,把帶有放射性的物體拋入不可預測的軌道。
二是用太空飛船撞擊它,改變其軌道或把它撞碎;這種方法比較有效,但如同用核武器一樣,這也可能把災難擴大數倍。
三是用航空器給它施加壓力,使它加速或減速,從而改變它的飛行方向;這種方法比較理想,但不易實行。
四是在它的表面插入一種像火箭那樣的裝置,讓這種裝置不斷地噴出物質,像噴氣式飛機那樣,通過反作用力來推動它改變飛行方向。
五是用鏡子、油漆等來影響它吸收太陽光和熱量,通過熱能的變化來改變其軌道;這種方法見效比較慢,需要20年左右。
六是用火箭把一面巨大的風箏形太陽帆發送到它的上面,而張開的太陽帆利用反彈太陽光子所產生的壓力把它逐漸推離原來的軌道。
七是用紅外激光使它的表面物質向外發散,從而產生反向加速度使它改變飛行方向;或者用超強紅外激光把它摧毀成對地球無害的小碎塊。
當然,還有其他的防禦方法。不過,所有的方法現在都只是停留在理論設想階段;是否切實可行,還要靠將來的實踐來檢驗。
(《羊城晚報》2010-8-14)
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