《独行月球》里的小行星π能毁灭地球吗？
2022/8/4 7:00:00 科学大院
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本文含有微量剧透，很微量，没看过电影的同学也可以放心食用
看完《独行月球》之后，我问儿子：“你觉得毁灭地球的小行星得有多大？1千米？10千米？还是100千米？”
“那肯定得100千米。”
哎，看来又问了个儿子认为比较“蠢”的问题，100千米当然会毁灭地球，其实我想和他探讨的是，在刚刚看的电影里，小行星π应该有多大，才能让独孤月以为地球被毁灭？
我们首先从现实中的“天外来客”说起。
《独行月球》小行星π毁灭地球，独孤月成为“宇宙最后的人类”
造访地球的“不速之客”
地球周围的宇宙并非空无一物，而是隐藏着重重危机，地球每天都在“被轰击”。在任何一年，进入地球的来自太空的粒子数量都可以用“百亿亿”(1 quintillion 是 1018)颗来衡量[1, 2]，这意味着在任何一年，地球大气上界每平方米至少会有2000颗粒子进入。不过这其中绝大多数是直径小于1毫米的粒子，这种大小的粒子甚至不会成为流星，在天空连可发光的轨迹都没有，消失于地球大气中，对地球不会有任何影响。
进入地球大气层的不同大小的天体的数量，图片来自Earle[1]
在这每年百亿亿级数量的粒子中，只有一部分能在地球上空留下光迹，被我们称作“流星”，数量大概是每年数十亿颗。其中最耀眼的是火流星，划过天空的时候，其亮度会超过金星，数量大概是每年数万颗。
考虑到一部分天体在空中解体，绝大多数在大气中燃烧殆尽，但仍有约1.7万枚坠落地球[3]，被我们称作“陨石”，总重量超过1.6万千克。但要在地面轰击形成陨石坑，这样的天体直径起码得超过1米，并且还得掉到陆地表面，考虑到大部分陨石落入海洋(地球表面71%被海洋覆盖)，还有不少掉入人烟稀少的沙漠、两极冰盖荒漠，能在人类活动区域见到陨石，概率还是比较小。
概率小，并不意味着没有
当地时间2013年2月15日上午9点，俄罗斯车里雅宾斯克上空突然出现一道亮光，比太阳还明亮，一颗直径约为20米的天体形成巨大的火球，并在距离地面约30千米处爆炸，产生大量碎片，从天而坠“陨石雨”。这起事件导致1200多人受伤，超过100人入院治疗，建筑物损毁的损失超过3000万美元。
车里雅宾斯克陨石坠落视频
图片来源：Взрыв метеорита над Челябинском 15 02 2013 avi-iCawTYPtehk.ogv
时间再往前推一点，1908年6月30日早上7时15分左右，在俄罗斯西伯利亚偏远的通古斯卡地区上空，一颗流星突然而至，并发生爆炸，这是一颗直径约为65米的天体，导致超过2000平方千米内的树木被夷为平地，如果这起事件发生在人口稠密的地区，伤亡人数可能会达到数百万人。这次通古斯大爆炸轰动全球，留下很多未解之谜，6月30日也被确定为国际小行星日，用来提高公众对小行星撞击危险的认识。
在通古斯大爆炸中被摧毁的树木。
图片来源：Soviet Academy of Science
扛得住撞击，气候异常却难熬
更大的小行星撞击地球的可能性是存在的，看看月球上遍布的环形山就知道了，在月球上直径大于1千米的环形山总数就达到3万多个，贝利环形山直径达295千米，克拉维环形山直径达230千米，以我国科学家命名的石申环形山直径46.6千米，郭守敬环形山直径33.5千米，祖冲之环形山直径28.3千米，这样的撞击如果出现在地球上，必然会引起巨大的灾难。
根据目前的预计[2]，每年大概有一颗直径为5米的天体进入地球大气层，每10年有一颗直径10米的天体，每100年有一颗直径20米的天体，每1000年有一颗直径50米的天体进入地球大气层。
直径超过10千米的天体，带来的损失是人类社会无法承受的，这在地球历史曾经出现过不止一次。6600万年前，一颗直径约为12千米的小行星撞击地球，撞击时速度达到每小时10万千米(约82马赫，28千米/秒)，撞击地点在墨西哥尤卡坦半岛的希克苏鲁伯附近，因此这次撞击也被称作希克苏鲁伯撞击事件，这次撞击终结了恐龙时代。
这次撞击给气候带来了怎样的变化？简而言之就是：黑暗世界→又干又冷→硫酸雨→更炎热的世界。
艺术家对希克苏鲁伯撞击事件的想象图
图片来源：NASA
撞击点是一片浅海区域，陨石在几分之一秒内爆炸穿透海底沉积岩层，在花岗岩地球中炸出一个直径约有180千米、深度约20千米深的大坑。大坑内的所有物质立即熔化或蒸发，炸出的固体碎片被喷射出大气层。
这些碎片被炸出陨石坑和大气层，但在几小时后又掉落下来。据估计，那场强烈的“流星”风暴的亮度大约是太阳最亮时的数倍，喷射范围至少达到6000千米。这一范围的大多数生物体在数小时内因热辐射而死亡，接着是漫天掉落的燃烧着的碎片，所有的森林和草原被点燃，大多数暴露在外的生物会被烧焦。
然而，这只是开始，陨石坑内和周围海底平面的突然变化引发了一场巨大的海啸，海啸席卷墨西哥湾，并进入大西洋和太平洋(因为那时没有巴拿马地峡)。在墨西哥湾内，海浪可能高达1500米，被烧毁的森林被高达千米的海浪彻底冲毁，海啸抵达太平洋和大西洋时可能超过15米，冲毁沿岸的低洼地段。
大规模燃烧会产生大量的烟雾，在世界各地的白垩纪-古近纪(K-Pg)边界层沉积物中均发现了来自该烟雾的烟灰层，目前估计可能产生了150亿吨的烟尘。漫天的烟灰彻底遮掩了天空，即使白天也伸手不见五指，在接下来的数年里，地球表面的平均日照可能不到正常日照的1%，而在低纬度地区可能更少。当时，如果从太空向下看，再也看不到地球的海洋与陆地，只有遍及全球的烟尘。
根据对古气候的数值模拟，在这样无尽的黑夜里，地球的平均温度下降到0℃以下，或比正常水平低10℃至15℃，只有在热带和温带海洋上，温度尚可保持在零度以上，极地和高纬度地区迅速进入冰冻状态，大陆表面积累起厚厚的冰盖，海洋也开始冻结起来。全球又干又冷，降水量下降到正常水平的20%左右，大多数地方的气候和沙漠地区差不多。
根据美国国家大气研究中心(NCAR)大气化学观测与模拟实验室的研究员查尔斯·巴丁(Charles Bardeen)等的模拟分析[4]，大约2年后黑暗会开始消退，阳光慢慢重返，但是平流层大气中的硫酸盐气溶胶依然大量存在，天空依然比较昏暗，寒冷和干燥的环境条件可能会持续6~8年的时间。但是考虑到两极的冰雪消融还需要更多时间，寒冷和干燥的时间可能会更长。
假设有15Gt烟尘被喷射到大气中，模拟K-Pg影响后15年内的全球温度(黑色实线)和降水(灰色虚线)变化。
图片来自Bardeen[4]
很明显，大撞击过后，生物的生存异常困难，即使对最适应的物种来说也是如此。当它们在炫目的热浪、肆虐的野火中幸存下来，从洞穴、裂缝和沼泽中钻出来时，会发现世界永远处于黑暗之中。没有植物生长，寒冷刺骨，淡水也接近干涸。
炼狱还没有结束，在大撞击过程中，地球硫酸钙类岩石在高温中瞬间蒸发，形成了约6500亿吨二氧化硫，这大约是1991年皮纳图博火山喷发量的40000倍。这些二氧化硫会很快在大气中转化为硫酸液滴(H2SO4)，只要它们在大气中滞留(可能几年)，就会使降温更加强烈。随着雨水的慢慢回归，这些硫酸随着雨水降回地面，酸雨普降大地，对于江河湖泊和海洋里苟活的鱼类而言，这是致命的毒雨。
皮纳图博火山喷发是20世纪第二大火山喷发，导致当年北半球平均气温下降0.5℃左右，全球平均气温下降0.4℃左右。
图片来源：USGS
随着硫酸的不断降落，酸雨越来越少，天空也清朗起来，天气温暖起来，四处都是冰雪融化的声音，幸存的生物发现了更多的异样，世界似乎比原来更加炎热。在大撞击过程中的全球规模野火燃烧，释放了大量的CO2；撞击还导致石灰石在高温中分解，也排放出大量的CO2，这使得大撞击之后的全球温室气体量远超于大撞击之前，在更强的效应之下，全球温度比之前高5°C左右，并且持续了约10万年之久[5]。
总结起来，在6600万年前，一个直径为12千米的天体与地球撞击，引起的灾难包括以下几重：
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这次“天地大撞击”事件被称作白垩纪-古近纪灭绝事件(简称K-Pg事件)，大约75% 的物种因 K-Pg 事件而灭绝[6]，灭绝的物种涵盖：
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这样的大灭绝事件如果发生在当代，怕是我们无法承受的。
在《独行月球》里，“月盾计划”失败，地球遭遇到了小行星π的撞击，我没有看清这颗小行星的具体参数，但是从其造成的遍及全球的燃烧来看，尺寸估计比希克苏鲁伯撞击的天体要大。如果其尺寸达到了近100千米，很难想象这场天地大劫难的恐怖后果。考虑到故事的顺利进行，还是估计10~15千米为宜。在这样的撞击之下，地球的演变将进入另一条轨道，在主角们及子孙的有生之年，都不会回归正常。
“天地大撞击”风险犹存
地球上由于地质活动比较活跃，加之异常强的各种侵蚀过程，古老的撞击坑已经难寻踪迹，但是依然留下了一些巨大的撞击坑，时刻提醒我们“天地大撞击”的风险。
表1.地球上最大的9个撞击坑，按时间顺序排列
我们还不知道下一个撞击地球的“大家伙”什么时候出现，但是从月球的撞击情况来看，似乎在地球和月球的早期阶段，撞击比较多，目前数量已经大幅度减少。月球在早期撞击事件(从大约45到40 亿年前)和晚期大撞击事件(峰值出现在39年前，到30亿年前结束)中遭遇了大量的天体撞击，在此期间，地球上的大规模撞击事件肯定存在过，只是目前还缺乏直接的证据，来表明那时候地球上出现过什么样的惊天变化
在寒武纪之前(约5.4亿年前)，天体撞击对地球气候和生物的影响可能比较小，主要因为那时陆地上几乎没有生命，所以不存在发生野火的可能性。即使发生了显著的变暖或变冷，也不太可能对海洋微生物产生较大的影响，因为海洋温度的变化往往比陆地温度的变化小得多。除了K-Pg 灭绝事件和地外原因密切有关以外，对于地球历史上的其他四次大灭绝事件，目前还没有令人信服的证据，来说明这些灭绝事件是否和地外天体的撞击有关。
大小从几米到数百米不等的天体不会改变地球气候，但较大的显然可以，直径1千米的天体大约每几十万年会出现一次，这样规模的撞击虽然不会导致大灭绝事件，但其影响肯定需要较长时间来消化。
主带小行星(红)和近地小行星(蓝)(图片来源：NASA)
根据NASA JPL的估计，大概有1000个近地天体直径大于1千米，约24000个大于140米。截至2022年7月24日，已发现850个大于1千米的近地天体和10121个大于140米的近地天体[7]。其中，只有2个近地天体有很大的可能会接近地球，它们真正撞击地球的概率约为万分之一，并且预计还需要一个多世纪的时间。这个风险非常小，但很可能还有数百个其他近地天体尚未被发现。
至少在我们有生之年，“地外来客”产生重大影响的风险似乎很小。但是，对地球上的我们来说，被直径几千米以上的东西击中的后果是极端严重的，所以，密切监视天空并弄清楚其中的气候过程绝对是个明智的做法。
最后附送一个观影思考题
如果地球真的躲不开小行星π，但我们可以改变撞击地点，那么，撞击点选在哪儿对地球造成的损失最小？
参考文献:
[1] Earle, S., A Brief History of the Earth's Climate: Everyone's Guide to the Science of Climate Change. 2021: New Society Publishers.
[2] Zolensky, M., et al., Flux of extraterrestrial materials. Meteorites and the early solar system II, 2006. 943: p. 869-888.
[3] Evatt, G.W., et al., The spatial flux of Earth's meteorite falls found via Antarctic data. Geology, 2020. 48(7): p. 683-687.
[4] Bardeen, C.G., et al., On transient climate change at the Cretaceous-Paleogene boundary due to atmospheric soot injections. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2017. 114(36): p. E7415-E7424.
[5] MacLeod, K.G., et al., Postimpact earliest Paleogene warming shown by fish debris oxygen isotopes (El Kef, Tunisia). Science, 2018. 360(6396): p. 1467-1469.
[6] Cretaceous-Paleogene extinction event. Wikipedia.
[7] The Center for Near Earth Object Studies, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, NASA. 2000; Available from: https://cneos.jpl.nasa.gov/stats/.
作者单位：中国科学院大气物理研究所
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