您好, 访客   登录/注册

杞人“忧”天及其科学应对

来源:用户上传      作者:

  地球在宇宙中的地位如何?地外天体是否对地球发展史产生过影响?天体撞击与生物灭绝的关系又是如何?这些问题听上去有些“杞人忧天”,却并非无稽之谈――事实上,这些问题多年来一直吸引着科学家的注意力……
  
  2009年岁末,好莱坞灾难片《2012》在全球热映,一时间,社会上到处流传着“2012年12月21日是世界末日”的说法。如果从天文历法的角度看,所谓2012年的末日预言,不过是失落的玛雅文明的一种纪年周期的终结而已。
  实际上,好莱坞梦工厂中有关末世题材的影片一直颇为流行,不久前还曾经推出过《天地大冲撞》、《先知》等耗资巨大的灾难片,艺术地表现了人类面对灾难的态度。在《天地大冲撞》影片的结尾,以高科技武装起来的“英雄”最终拯救了地球和人类。英雄们拯救地球的方法, 是乘飞船登上高速冲来的彗星去引爆其中的核弹,从而将其炸毁……
  
  拥挤的天空
  在当代天文学的视野里,宇宙的广阔与深邃远超出人们通常的想象,从微观的原子核直至整个可观测的宇宙,物质世界在空间尺度上纵贯了39个数量级。迄今人类所能观测到的宇宙空间里,弥散着数千亿个星系。每个星系平均由上千亿颗恒星以及弥漫于星际间的气体和尘埃所组成,而每颗恒星差不多都是太阳。太阳所在的银河系只是亿万星系中的普通一员,而包容着地球等八大行星在内的整个太阳系,在浩瀚的宇宙中却显得如此地渺小,就像晨空中飘扬的一粒微尘。太阳系连同地球一起,大约形成于46 亿年前。太阳系中除了大行星及其卫星之外,还包括小行星、彗星等天体。其中在火星与木星之间分布着数十万颗大小不等、形状各异的小行星,沿着椭圆轨道绕太阳运行,这个区域被称之为小行星带。此外,飘浮在行星际空间的彗星等小天体简直不计其数。如此一来,地球与各种小天体的相互作用乃至直接碰撞就很有可能了。
  
  古老的传说
  关于地球形成后的演化进程,历史上就有均变说和灾变说两种不同的观点。均变说把地球作为一种孤立系统加以考虑,认为地质年代中的一切变化以及古生物的进化,都可以从地球上现成的物理、化学作用,如火山爆发、风化、沉积、板块运动等物理、化学作用来加以解释。与之相对,灾变说则认为地球不是孤立的,外来天体的撞击作用不可忽略,甚至可以对地球的发展史起着某种决定性的作用。特别是一些地质时期的划分,也许就起因于若干次超大规模的天体撞击。
  19 世纪早期灾变说曾经一度盛行,后来均变说渐占上风。这是因为,当时人们习惯于从地球本身来寻找大规模生物灭绝及大陆漂移等现象的原因。20世纪60年代前后,随着观念的改变和科学的进步,灾变说重新受到重视。
  古生物学的研究表明,地球上生命的发展并非纯粹从低级向高级以渐变的方式演变。化石记录揭示,在平稳的演化过程中会不时穿插一些短时标事件。地球史上曾发生过多次大规模的生物灭绝事件,其主要特征是:在相对较短的时期内,大范围内大批生物物种突然消失,同时又出现了一些新的物种。用小天体撞击事件来解释这种生物的大规模灭绝现象是十分自然的。在过去的几亿年内,这种撞击可能发生过6~7次,而同一时期内也出现了同样数目的全球性生物灭绝事件,撞击次数和灭绝事件数目两者之间,似乎存在一定的对应关系。1980年美国加州大学伯克利分校研究小组曾明确提出,白垩纪与第三纪的截然分界起因于10公里尺度小行星的猛烈撞击。这一事件的威力足以使整个地球上的生物和地质环境变得面目全非,造成全球性灾变的严重后果,其中一个后果就使6500万年前雄霸地球的恐龙在瞬间销声匿迹。
  设想有一颗直径10公里的小行星以每秒几十公里的速度撞上陆地,其释放的能量约有160万亿吨TNT炸药的威力,相当于地球上每平方公里爆炸一颗氢弹。其结果会在短短几分钟内形成一个直径约为200公里的巨坑,同时抛出近10万立方公里的尘埃物质,所形成的尘埃幕布使得阳光数年内无法到达地面,植物因无法进行光合作用而大批死亡,进而威胁到动物的生存,大型动物更是首当其冲,难逃一劫。冲天而起的灰尘和高温蒸汽,通过一系列化学反应产生大量一氧化氮,将臭氧层破坏殆尽。数年之后,当尘埃幕布消失时,太阳紫外线却又长驱直入,从而对地面上所有的生物产生极为致命的伤害。
  海洋约占地球总面积的71%,因而小天体冲入大洋的可能性更大些。10公里量级小天体的撞击,可在海底生成直径为500公里以上的巨坑。在撞击点附近,海水掀起数公里高的滔天巨浪,当巨浪涌上陆地时,超级大海啸将会荡平陆地上的一切。伴随着猛烈的撞击,全球性的超级大地震也不期而至,板块运动超常剧烈,火山此起彼伏,剧烈喷发。总而言之,当各种剧烈活动重新平息下来时,地球表面的生物学和物理学环境已变得面目全非。
  
  迟到的证据
  在太阳系尺度上,小天体撞击其他天体是一种普遍现象。月球和地球是近邻,两者遭受小天体撞击的外部环境应该是类似的。月球上布满了大小不一的环形山,其中直径大于1公里的超过33000个。它们绝大多数都是小天体撞击月面的结果。月球上既没有地球上的大气层屏障,也没有风化与水流侵蚀作用;几十亿年前生成的陨击坑能完好地保存下来。相反,在漫长的地质年代中,地球上绝大部分的陨击坑,因各种风化作用、地壳运动和海平面变化等因素,都已难觅其踪迹。
  综合月球地质研究结果,并利用物理学的撞击理论进行估算后发现,从35亿年前起,平均每隔5800万年左右,地球上会遭受到一次直径约10公里的小天体的撞击,并形成直径约为200公里的撞击坑。尽管上述理论测算的结果带有相当大的不确定性,从天文学的视角来看, 小天体撞击地球造成灾变性后果,也并非罕见事件。
  为了寻找直径200公里左右的陨击坑,以证明曾经发生过的小天体撞击事件,地质学家没少在地球上奔波。然而,在5亿平方公里的地球表面寻找这么一个“小”坑,又谈何容易?在全球范围内大规模地普查显然不现实,这就需要进行定向搜索。
  对于一次小天体撞击海洋事件来说,在超级巨浪的猛烈冲刷下,会形成由大量杂乱无章的粗糙岩石碎片构成的厚沉积层,地球上具有这种沉积物的地区集中分布在加勒比湾周围。可是一段时间内,那里的陆地上连小的陨击坑都没有找到。转机出现于20世纪70年代后期,人们根据墨西哥尤卡坦半岛的空中地磁勘察资料和重力图,发现在半岛北部的地下深埋着一个直径180公里的巨大环形地貌。之后,有人从卫星拍摄的图像中发现,这一地区存在着许多大型灰岩坑,并组成一个近乎完整的半圆形结构,直径约170公里,这就是著名的希克苏鲁伯陨石坑(Chicxulub crater)。1990年,在这一地区进一步发现了含有玻璃陨体和冲击石英颗粒的岩石碎片,而这类物质只能在由猛烈撞击作用造成的高温、高压条件下才能形成。经研究,该陨击坑的地质年龄与恐龙灭绝的时间相符,由此,灾变说终于取得了实证。
  
  补充兵员
  20世纪初的1908年,在西伯利亚发生的一次惊心动魄的大爆炸,也有人归之为天外一颗巨型陨星的“杰作”。那次爆炸声震千里,摧毁了方圆60公里的森林,冲天而起的蘑菇云升腾至20公里的高度,其威力之大,令人瞠目!然而,事后在爆炸现场并未找到陨石碎片,也没有发现大陨石坑。据此,有人认为很可能是一颗彗星闯入了地球大气。由于彗核主要由冰块组成,因此这很可能就是一次罕见的特大陨冰事件:一块特大彗核碎片以高速冲入大气,它对空气的巨大冲击作用导致了惊天动地的大爆炸!
  另一方面,通古斯事件的撞击能量约为几千万吨TNT当量,仅及10公里小天体撞击地球时所释放能量的几百万分之一,而此类大规模撞击事件在地球最近3.5亿年的历史中可能已发生过多次。根据同样的原理推算,如果通古斯天体的直径为100米,那么地球上平均每隔5000年就会发生一次“通古斯级”撞击事件。显然,这种估计应该有一个前提: 小天体的撞击率必须在几十亿年内保持不变,而对月球上不同历史年代所生成之环形山的详细分析表明,情况确实如此。须知,一个小天体一旦撞上了地球或别的什么天体,它也就消失了,或者说发生一次撞击,小天体就会少一个。那么撞击率为何能长期保持不变呢?
  原来小天体世界源源不断的“补充兵员”,很可能即来自距太阳10万天文单位(1天文单位约等于1.5亿公里)的彗星大仓库――奥尔特云,那里有多达1000亿颗彗星,可谓是取之不尽,用之不竭。奥尔特云中的彗星往往会在外部引力的干扰下离开“仓库”,并朝着内太阳系运动,进一步受大行星的摄动以至成为近地小天体,并对地球造成巨大的威胁。
  
  冲撞,在地球之外似乎也是家常便饭
  20世纪有一次引人注目的彗星现象,即发生于1994年7月17日至22日的“苏梅克-列维9号”彗星撞击木星事件。人们早在事件发生的前一年就观测到了这颗彗星并预言了撞击时间,随后哈勃空间望远镜又发现这颗彗星分裂形成首尾相距16万公里的22块碎片。为了准备好这次观测,天文学家动用了包括可见光、红外、紫外和射电等各种观测手段,有的还远赴南非、澳州和南极洲组织观测。中国科学院北京天文台的2.16米口径天文望远镜、上海天文台的1.56米口径的天文望远镜和云南天文台的1米口径天文望远镜,也都积极投入了观测。
  正如预测一样,撞击事件准时发生。在历时5天的过程中,彗星碎片以约每秒60公里的高速陆续撞上木星,其时木星上空霹雳轰鸣,出现剧烈的爆炸和闪光。撞击还在木星大气中留下了醒目的黑斑,撞击过程中释放的总能量相当于几十万亿吨黄色炸药的爆炸威力。这是太阳系内天体间的一次十分罕见的撞击事件,它为人类了解太阳系内天体间的撞击现象提供了宝贵的实时观测资料。
  
  拦截天外来客
  “通古斯事件”和“彗木相撞事件”的出现,说明今天仍然存在发生小天体撞击的可能性。有人指出,地球受到彗星和小行星撞击的最大威胁来自直径0.5~5公里的小天体。估计这一范围内的近地小天体总数约有1万颗, 撞击地球时所释放能量为10亿~10万亿TNT当量,将可能造成大范围的破坏效应,甚至全球性灾变。
  对此,人们正在认真考虑对策。显然,首先必须找到可能“肇事”的小天体,并对其轨道运动做出准确预报,这需要开展广泛的国际合作。目前正建造中的美国8.4米“大型综合巡天望远镜”(Large Synoptic Survey Telescope, LSST),将于2016年投入使用,可监测最暗24.5等的所有天体,包括太阳系小天体。估计LSST满负荷运行8年,就可以找到所有对地球有威胁的、直径超过140米的小天体。一旦确证有一个(或多个)较大的小天体在未来某个时间会撞击地球,并对人类构成严重威胁,那么接下来就要设法消除这样的威胁。以人类现在的科技水平,完全有能力提早发射一艘空间飞船去拦截这类不受欢迎的“天外来客”,并适时采取有效措施以化险为夷。为此,科学家们已设计了若干种“妙计”。一种办法是在小天体附近引爆一颗威力巨大的氢弹,以恰当改变小天体的运动路径,如此一来,潜在的威胁就可解除。又如在小天体附近组装一个巨型太阳灶,集中阳光的能量使小天体物质升华、蒸发,小天体的运动轨道会因质量减少而发生改变,使地球上的灾变事件得以避免。有人甚至设想在小天体上安装一些大型风帆式装置,利用太阳风和光压对帆的作用,把肇事小天体“吹”离原有的轨道,地球的潜在“杀手”也就不复存在了。总之,尽管天体撞击导致的灾变后果极为严重,但读者也无需担忧,现代科学技术完全有能力使人类不致重蹈恐龙灭绝的厄运。 (作者单位:上海天文台)

转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-9063872.htm