三分鐘了解地球在宇宙中的位置（地球在宇宙中的）

2023-09-18 04:30:48

地球在宇宙中的位置是什麼？外星物體曾經影響過地球的歷史嗎？天體撞擊和滅絕之間的關係是什麼？這些問題聽起來「危言聳聽」，但它們並非毫無根據——事實上，這些問題多年來一直吸引著科學家的關注

從當代天文學的觀點來看，宇宙比人們通常想像的要廣得多，要深得多。從微觀原子核到整個可觀察到的宇宙，物理世界在空間上運行了39個數量級。到目前為止，數千億星系分散在人類可以觀測到的太空中。每個星系都由數千億顆恆星、星際氣體和塵埃組成，幾乎每個恆星都是太陽。太陽所在的銀河系只是數億星系中的一個普通成員，而整個太陽系，包括地球等八大行星，在浩瀚的宇宙中顯得如此之小，就像清晨天空中飛揚的塵埃粒子。太陽系和地球形成於約46億年前。除了主要行星及其衛星外，太陽系還包括小行星、彗星和其他天體。在火星和木星之間，有成千上萬大小和形狀各異的小行星，它們以橢圓軌道圍繞太陽運行。這個地區被稱為小行星帶。此外，還有無數彗星和其他小天體漂浮在行星際空間。這樣，地球和各種小天體之間的相互作用甚至直接碰撞都很可能發生。

關於地球形成後的演化過程，歷史上有兩種不同的觀點：同質變化理論和災難性變化理論。均勻變分理論認為地球是一個孤立的系統。它認為，地質時代和古生物演化的所有變化都可以從地球上可用的物理和化學過程來解釋，例如火山爆發、風化、沉積、板塊運動和其他物理和化學進程。相比之下，大災變理論認為地球並非孤立的，外來天體的影響不容忽視，甚至可能在地球的發展史上發揮決定性作用。特別是，一些地質時期的劃分可能是由幾次超大型天體撞擊造成的。

19世紀初，災變理論一度流行，但後來「一切變化」理論逐漸盛行。這是因為當時人們習慣於從地球本身尋找大規模滅絕和大陸漂移的原因。20世紀60年代前後，隨著觀念的轉變和科學的進步，災變理論重新受到關注。

古生物學研究表明，地球上生命的發展並不是從低到高逐漸演變的。化石記錄表明，在穩定的演化過程中，不時會出現一些短期事件。在地球歷史上，發生了許多大規模的生物滅絕事件，其特點是大量生物物種在相對較短的時間內突然消失，一些新物種出現。用小物體撞擊事件來解釋這種生物的大規模滅絕是很自然的。在過去幾億年中，這種影響可能發生過6至7次，同一時期也發生過同樣數量的全球滅絕事件。影響的數量和滅絕事件的數量之間似乎存在對應關係。1980年，加州大學伯克利分校的研究團隊明確提出，白堊紀和第三季度之間的尖銳邊界是由10公裡尺度的小行星猛烈撞擊造成的。這一事件的力量足以改變整個地球的生物和地質環境，造成全球災難的嚴重後果。其後果之一是6500萬年前統治地球的恐龍瞬間消失。

想像一下，一顆直徑為10公裡的小行星以每秒數十公裡的速度撞擊陸地，釋放的能量約為160萬億噸TNT炸藥，相當於地球上每平方公裡一顆氫彈。結果，只需幾分鐘，就會形成一個直徑約200公裡的大坑，並將拋出近10萬立方公裡的粉塵。形成的防塵幕將在幾年內阻止陽光照射到地面。植物由於不能進行光合作用而大量死亡，從而威脅動物的生存。大型動物最先受到災難的衝擊。上升的灰塵和高溫蒸汽通過一系列化學反應生成大量一氧化氮，並破壞臭氧層。幾年後，當防塵幕消失時，太陽的紫外線直射進來，對地面上的所有生物造成了極其致命的傷害。

海洋約佔地球總面積的71%，因此小型物體更容易墜入海洋。一個10公裡大小的小天體的撞擊可以在海底形成一個直徑超過500公裡的巨大隕石坑。在撞擊點附近，海水掀起了幾公裡高的巨浪。當海浪湧向陸地時，超級海嘯將摧毀陸地上的一切。伴隨著猛烈的衝擊，全球超級地震也出乎意料地發生了。板塊運動極其劇烈，火山接踵而至。總之，當各種暴力活動再次平息時，地球表面的生物和物理環境已經發生了無法識別的變化。

在太陽系的尺度上，小天體與其他天體碰撞是一種常見的現象。月球和地球是近鄰，當受到小天體的影響時，它們的外部環境應該是相似的。月球上到處都是不同大小的隕石坑，包括直徑超過1公裡的33000多個。其中大多數是小天體撞擊月球表面的結果。月球既沒有地球的大氣屏障，也沒有風化和水蝕；數十億年前形成的隕石坑可以很好地保存下來。相反，在漫長的地質年代裡，由於各種風化、地殼運動、海平面變化等因素，地球上大多數隕石坑很難找到。

根據月球地質研究的結果，並利用物理學的撞擊理論進行估算，發現自35億年前以來，地球每隔5800萬年左右就會受到一個直徑約10公裡的小天體撞擊，形成一個直徑大約200公裡的撞擊坑。雖然上述理論計算的結果相當不確定，但從天文學的角度來看，小天體撞擊地球所造成的災難性後果並不罕見。

為了找到一個直徑約200公裡的隕石坑，以證明曾經發生過的小型物體撞擊事件，地質學家經常在地球上旅行。然而，在地球表面找到一個面積達5億平方公裡的「小」坑並不容易？進行大規模的全球人口普查顯然是不現實的，這需要有針對性地搜索。

小天體與海洋的碰撞事件，在超巨浪的猛烈衝刷下，會形成由大量隨機粗糙巖石碎片組成的厚沉積層，地球上有此類沉積物的區域集中在加勒比海灣周圍。但有一段時間，在那裡的土地上甚至沒有發現小隕石坑。這種轉變發生在20世紀70年代末。根據墨西哥尤卡坦半島的航磁測量數據和重力圖，在半島北部地下深處發現了一個直徑180公裡的巨大圓形地貌。後來，從衛星圖像中發現，該地區有許多大型石灰石隕石坑，形成了直徑約170公裡的幾乎完整的半圓形結構。這就是著名的奇克蘇盧布隕石坑。1990年，在該地區進一步發現了含有玻璃隕石和衝擊石英顆粒的巖石碎片，此類材料只能在劇烈衝擊造成的高溫和壓力下形成。通過研究，隕石坑的地質年齡與恐龍滅絕的時間是一致的，因此突變理論最終得到了證實。

在20世紀初，即1908年，西伯利亞發生了一次令人驚嘆的爆炸，這也被認為是天空外巨大隕石的「傑作」。爆炸震動了數千英裡，摧毀了周圍60公裡的森林，蘑菇雲上升到20公裡的高度。它的力量是驚人的！然而，爆炸現場後來沒有發現隕石碎片或大型隕石坑。在此基礎上，人們認為彗星可能已衝入地球大氣層。由於彗星核主要由冰組成，這很可能是一次罕見的巨型隕石冰事件：一個巨型彗星核碎片高速衝入大氣層，其對空氣的巨大衝擊導致了一次驚天動地的爆炸！

另一方面，通古斯事件的撞擊能量約為數千萬噸TNT當量，僅為10km小天體撞擊地球時釋放能量的幾百萬分之一。在地球近3.5億年的歷史中，此類大規模撞擊事件可能已經發生過多次。根據同樣的原理，如果通古斯天體的直徑為100米，那麼地球平均每5000年就會發生一次「通古斯」撞擊事件。顯然，這種估計應該有一個前提：小天體的撞擊率必須在幾十億年內保持不變，對月球上不同歷史時期產生的隕石坑的詳細分析表明，情況確實如此。應該注意的是，一旦一個小天體撞擊地球或其他天體，它就會消失，或者碰撞會減少一個小物體。那麼，為什麼影響率能夠長期保持不變呢？

事實證明，在小天體的世界裡，可能有源源不斷的「額外士兵」來自奧爾特雲，這是一個由10萬天文單位（1個天文單位約為1.5億公裡）的彗星組成的大型倉庫。那裡有多達1000億顆彗星，可以說是取之不盡的。奧爾特雲中的彗星經常在外部重力的幹擾下離開「倉庫」，向太陽系內部移動，進一步受到大行星的擾動，甚至成為小型近地天體，對地球構成巨大威脅。

在20世紀，有一個顯著的彗星現象，即彗星「Sumek Levy 9」於1994年7月17日至22日撞擊木星。早在事件發生前一年就對彗星進行了觀測，並預測了撞擊時間。後來，哈勃太空望遠鏡發現彗星分裂成22塊碎片，相距16萬公裡。為了準備這次觀測，天文學家使用了各種觀測方法，包括可見光、紅外線、紫外線和無線電，一些天文學家甚至遠赴南非、澳大利亞和南極洲組織觀測。中國科學院北京天文臺2.16米望遠鏡、上海天文臺1.56米望遠鏡和雲南天文臺1米望遠鏡也積極參與觀測。

正如預測的那樣，撞擊事件準時發生。在五天的時間裡，彗星碎片以每秒60公裡的速度相繼撞擊木星。當時，木星上空雷鳴般，伴隨著猛烈的爆炸和閃光。撞擊也在木星大氣層中留下了引人注目的黑點，撞擊期間釋放的總能量相當於數十萬億噸黃色炸藥的爆炸威力。這是太陽系天體間極為罕見的碰撞事件，為人類了解太陽系天體之間的碰撞現象提供了寶貴的實時觀測數據。

「通古斯事件」和「彗星木星碰撞事件」的出現表明，今天仍有小物體碰撞的可能性。有人指出，彗星和小行星的撞擊對地球造成的最大威脅來自直徑0.5至5公裡的小天體。據估計，這一範圍內的近地天體總數約為10000個，撞擊地球時釋放的能量相當於10億至10萬億TNT，可能造成大規模破壞性影響，甚至全球災難。

在這方面，人們正在認真考慮對策。顯然，首先，必須找到可能引起麻煩的小天體，並準確預測其軌道運動，這需要廣泛的國際合作。美國目前正在建造的8.4米大型Synaptic勘測望遠鏡（LSST）將於2016年投入使用，它可以檢測所有天體，如最暗的24.5米天體，包括太陽系中的小天體。據估計，在LSST滿負荷運行8年後，可以找到所有直徑超過140米的威脅地球的小物體。一旦確認一個（或多個）大型小型天體將在未來某個時間撞擊地球並對人類構成嚴重威脅，我們就應該設法消除此類威脅。

以目前人類的科技水平，我們完全有能力儘早發射宇宙飛船，攔截這些不受歡迎的「外星訪客」，並採取有效措施避免危險。為此，科學家們設計了許多「聰明的計劃」。一種方法是在小物體附近引爆威力強大的氫彈，以適當改變小物體的路徑，從而消除潛在威脅。另一個例子是在一個小物體附近組裝一個巨大的太陽能烤箱，將太陽光的能量集中起來，使小物體材料升華和蒸發。由於質量的減少，小物體的運動軌道將改變，從而避免地球上的災難。有些人甚至設想在小物體上安裝一些大型帆式裝置，並利用太陽風和光壓將導致事故的小物體「吹」離原軌道，這樣地球上潛在的「殺手」就不再存在。總之，儘管天體撞擊造成的災難性後果極其嚴重，但讀者無需擔心。現代科學技術完全有能力阻止人類重蹈恐龍滅絕的覆轍。