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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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迫近地球的小行星(上)   

2013-02-17 11:24:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:陈学雷

【图片出处:http://cdn.toonvectors.com/】

2012年2月22日的晚上,西班牙Mallorca 天文台(OAM)的观测人员正在执行他们的La Sagra 巡天计划,这个计划的目标是搜索那些可能会接近地球的小行星——这些小行星很小,只有在靠近地球时才会被发现。一般说来最容易发现小行星的地方是黄道面——这是地球围绕太阳旋转的平面,大部分太阳系天体也都分布在这一平面上,特别是在背向太阳的方向上,小行星反射的太阳光使之更容易被发现。但是,如果只观测背向太阳的方向,就很难发现那些轨道的全部或大部分都在地球轨道以内的小行星。象水星和金星一样,这种小行星在天空中的位置不会偏离太阳很远,因此只有在太阳刚刚落下的西方天空或者日出之前的东方天空才有可能被看到。和一些其它类似的巡天计划相比,OAM的设备不算先进,因此为了取得成果,他们尽可能寻找那些可能被其它巡天遗漏的地方。这一天,他们决定在早晨日出之前观测东方天空,并观测黄道面以外的方向。这一策略给他们带来了回报。他们的计算机程序在检查拍摄的图像时发现了一个相对于恒星正在快速移动的目标,22MB316, 在用另一台望远镜观测证实后,他们将这一发现告知了设在哈佛大学史密松天文台的国际小行星中心,这个目标获得了它的小行星临时编号:2012DA14。

【2012年2月22日OAM观测到的22MB316图像, 后来这一目标获得小行星临时编号2012DA14 (取自http://www.oam.es/Asteroid_2012DA14.htm)】

这是一颗当时刚刚飞过地球附近正在远去的小行星,2012年最接近时距地球大约260万公里。它的直径约为45米。根据轨道推算,其公转周期为366.25天,轨道倾角(轨道面相对于黄道面的角度)10.33度,因此一年之后它还会再回来的。实际上,根据最新的观测,2013年它不会撞击地球,但将于北京时间2月16日03:25从地球附近掠过,距离地球表面的最小距离只有2万7千公里,这已经在地球同步卫星的轨道(距地面3万6千公里)以下了。这将是迄今为止人们已知的天体最靠近而没有落入地球的一次。2004年3月31日,2004FU162 在距离地球只有6500公里处掠过,不过2004FU162 只有6米大小,而且它也是在掠过地球之前几个小时才被发现的,与2012DA14提前一年被发现不可同日而语。

2012DA14的迫近,提醒我们再次考虑小行星撞击地球的危险。如果2012DA14撞击地球,它可能会造成危险吗?作为一个例子,我们可以考虑一下著名的通古斯事件:1908年6月30日的早上,一个亮如太阳的火球划过西伯利亚的天空,最后在通古斯的上空爆炸了,60公里外的人都被冲击波击倒并能感到一阵热浪,大片的树林被碳化了,800公里外的酒瓶因此而抖动,据估计,其爆炸当量相当于一千二百万吨TNT。之后在欧亚大陆的很多地方都能看到色彩异常鲜艳的日落。不过,通古斯当地人烟稀少,因此可能没有造成什么人员伤亡。对于通古斯事件的原因,人们有一些不同的猜测。尽管这一事件中爆炸威力相当大,但人们并未在当地找到陨石。因此,1930年英国天文学家Whipple猜想,这是一颗彗星的核进入大气层,彗星主要成份是冰,因此爆炸后不会留下陨石。考虑到彗星击中地球的概率很低,人们现在倾向于认为这是一颗大约80米大小的小行星,当它进入地球大气层时,与地球大气的摩擦使它迅速变热,其内部释放出大量气体导致压强增大,最后在空中发生爆炸,完全炸成了粉末,因而没有留下陨石。如果这样的爆炸在人口密集的地区特别是城市上空发生的话,将会造成相当的破坏。

如果小行星能够穿透大气层而到达地面,造成的危险更大。下图所示的是位于美国亚利桑那州的著名陨石坑,直径达1.2km。根据著名地质学家和天文学家舒梅克(Shoemaker)的考证,这是大约5万年前一颗直径约30米的铁陨石撞击形成的。

【美国亚利桑那洲的Barringer 陨石坑,直径1.2km。D.J. Roddy 摄影,取自B.M.French: Traces of Catastrophe】

如果小行星更大一些,它甚至可能造成全球性的灾难。80年代,地质学家Walter Alvarez 和他父亲物理学家Luis Alvarez 在研究白垩纪和第三纪地层边界(KT边界)时发现,这一边界地层所包含的铱元素多得异常。由于铱的密度高且与铁亲和,地球上的铱大部分在地球刚刚形成时沉入地核,在地壳中铱是一种非常稀有的元素。在小行星中,铱的丰度高得多,因此他们推断,可能是一颗小行星在6500万年前撞击地球,造成了恐龙的灭绝。他们的这一理论提出后,最初遭到多数古生物学家的反对,有的古生物学家认为,可能是火山爆发导致了恐龙的灭绝(在印度发现的一个古火山遗址爆发时间大致相当)。但是,对KT边界中一些同位素丰度的进一步研究支持了小行星撞击理论而不是火山喷发理论。90年代初,人们又在墨西哥的尤卡丹半岛附近的海底发现了Chilcxulub陨击坑,这正是6500万年前一次撞击形成的。当时,墨西哥湾形成了高达一公里的海啸,而撞击点的碎片则被抛到非常远的地方,在全球范围引发了森林火灾。大量的粉尘遮天蔽日,挡住了阳光,造成地球温度骤降,最终导致了恐龙的灭绝。Chilcxulub陨击坑被发现后,大部分学者接受了小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论,其中包括许多原来表示激烈反对的人。

但是,小行星撞击地球的事件到底有多频繁呢?自60年代以来,美国军方为探测导弹和核爆炸而发射的卫星以及大气声波探测器阵列探测到了许多比通古斯事件能量低一些的事件,其释放的能量相当于小型核弹。例如,1963年8月3日,一个大约25米大小的小行星在非洲和南极洲之间进入大气层,释放的能量相当于一百万吨TNT。1994年2月1日,一个小行星在南太平洋上空爆炸,释放的能量约11万吨TNT当量。2002年6月6日,一个小行星在利比亚与克里特岛之间地中海东部上空爆炸,释放能量为26万TNT当量。

根据美国1992年解密的国防支持项目(DSP)卫星资料,1975年到1992年的17年间,DSP卫星观测到了136次小行星在地球大气中爆炸的事件,其能量在500吨到1.5万吨之间,平均每年8次。此外,根据美国空军在1960-1974年间运行的全球大气声波探测器阵列以及劳斯阿拉莫斯实验室在美国西部安装的一个声波探测阵列1983-1996年的数据,劳斯阿拉莫斯实验室的研究人员推断平均每年都有一个1.5万吨当量的小行星进入地球事件。这与舒梅克根据观测到的近地小行星数量推算的撞击频率一致。据估计,大约每两、三千年可能有一次通古斯类型的陨击,每50万年左右,会有一次一千米直径的小行星撞击地球。考虑到天体撞击地球可能造成的危害,有必要对这一风险进行防范。

有可能撞击地球的天体包括彗星和小行星。彗星来自太阳系外围,它们的出现难以预测,不过它们的数量并不太多,在太阳系内圈飞行的时间也很短,因此刚好击中地球的可能性很小。小行星是一些在太阳系内公转的天体,总共的数量可能超过一百万个,其中比较大的直径可达几百公里,而小的则不过几米。大部分小行星轨道位于火星和木星的轨道之间,远在地球公转轨道之外,因此它们并没有撞击地球的危险。但是,也有少数小行星,其椭圆轨道具有较大的偏心率,因此其轨道与地球轨道相交叉,这类小行星被称为阿波罗(Apollo)型小行星,因为第一个被发现的这种小行星是1932HA,命名为阿波罗。还有少数小行星其轨道大部分在地球轨道以内,但远日点在地球轨道以外,称为阿登(Aten)型小行星,以第一颗被发现的这种小行星2062 Aten(1976AA)命名。这些小行星的轨道与地球轨道交叉,因此有可能撞击地球——当然,实际上它们到达轨道交叉点时,地球未必会同时到达,因此不一定会发生撞击。但是,它们会周期性地接近地球,因此迟早可能发生撞击。此外,还有阿莫尔型(Amor)的小行星,目前其轨道都在地球轨道之外,但其近日点比较接近地球轨道,因此有时也会接近地球。尽管其现有轨道不会与地球相撞,但受木星、火星、地球或其它小行星引力扰动后,也有可能改变轨道,从而构成威胁。

80年代,一些天文学家以及美国一些从事国防研究的科学家提出监测可能威胁地球的小行星并做好摧毁它们的准备。但是,由于适逢冷战结束,当时公众舆论普遍认为,小行星撞击地球是极不可能发生的事情(当时DSP卫星等军事探测系统所记录的小行星撞击事件尚未公布),而防御小行星撞击地球不过是军事工业集团为自己继续争取政府拨款而寻找的借口罢了。1992年,舒梅克和列维发现的彗星撞击木星事件,在世人面前活生生地演示了天体撞击的例子,说明这并非是遥不可及的,此后人们的态度开始改变。1998年,美国国会的一个法案要求到2008年,发现90%以上直径大于1千米的近地小行星。在通俗文化中,小行星撞击的概念也开始流行,好莱坞拍摄了一系列以小行星撞击地球为背景的科幻电影,如Armageddon, Deep Impact, Seeking a friend for the end of the world 等。

此后全世界的天文学家们开展了一系列观测计划,以便发现所有这些可能接近地球的小行星,如Lincoln Near-Earth Asteroid Research (LINEAR)计划,空间监视(Spacewatch)计划, Near-Earth Asteroid Tracking (NEAT)计划, Lowell Observatory Near-Earth-Object Search (LONEOS)计划, Catalina Sky Survey, Campo Imperatore Near-Earth Objects Survey (CINEOS)等,也包括这次发现2012DA14的OAM天文台La Sagra 计划。我国的国家天文台(原北京天文台)和紫金山天文台等单位也发现了一些近地小行星。此外,还有一些更大型的多用途计划,如美国拟在夏威夷建造的由4台1.8米望远镜构成的Pan-Starrs 巡天计划,拟在智利建造的8米口径大视场的巡天望远镜LSST等,这些未来建成的望远镜将以极快的速度巡天,从而找出几乎所有的近地天体。

现在这些计划已发现了大量的近地天体,根据维基百科,截至2013年1月已找到了9534个近地天体,其中包括93个彗星,5118个阿波罗型小行星,3562个阿莫尔型小行星,742个阿登型小行星。其中,1360个被列为潜在危险天体(potentially hazardous asteroids)——这些天体的定义是它们离地球的最小距离小于750万公里,同时大小大于100米(按这个定义,2012DA14不属于潜在危险天体,因为它的大小不足100米)。由于对很多小行星往往并不准确地知道其大小,因此实际上往往用亮度标准代替大小标准:要求其绝对星等亮于(小于)22等。由于小行星轨道测量存在误差,我们并不能完全准确地知道它未来的轨道。我们可以根据现有数据,选取它最接近地球时的轨道最佳拟合点,按误差的大小画出其椭圆。如果地球包括在误差椭圆内,就存有一定的相撞风险,并被列入危险清单。当然,随着更精确地观测,误差椭圆会缩小,这时如果地球在缩小的误差椭圆之外,该天体就会被移出清单。

为了便于媒体和公众在发现新的近地小行星时了解其撞击危险性,现在还建立了都灵风险标度(Torino Scale), 如下图所示,横坐标为碰撞概率的对数,纵坐标为碰撞能量对数(与小行星尺寸立方成正比)。0级(白色)表示几乎没有危险;1级(绿色)表示属于正常发现,危险很小;2-4级(黄色)表示有接近地球的可能,应引起天文学家注意和研究;5-7级(橙色)表示有危险,政府应做出相应计划;8-10级(红色)表示肯定将发生碰撞,其中10级表示可能危险整个人类的生存。迄今为止,还没有过4级以上的警报,一些警报发出后随着更精确地观测,警报级别下降而重新回归到0级或1级。

【都灵风险标度】

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