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（ID：kexuedayuan）
作者： 魏科
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看完《獨行月球》之後，我問兒子：「你覺得毀滅地球的小行星得有多大？1千米？10千米？還是100千米？」
「那肯定得100千米。」
哎，看來又問了個兒子認為比較「蠢」的問題，100千米當然會毀滅地球，其實我想和他探討的是，在剛剛看的電影裡，小行星π應該有多大，才能讓獨孤月以為地球被毀滅？
我們首先從現實中的「天外來客」說起。
《獨行月球》小行星π毀滅地球，獨孤月成為「宇宙最後的人類」
造訪地球的「不速之客」
地球周圍的宇宙並非空無一物，而是隱藏著重重危機，地球每天都在「被轟擊」。在任何一年，進入地球的來自太空的粒子數量都可以用「百億億」（1 quintillion 是 10 18）顆來衡量[1, 2]，這意味著在任何一年，地球大氣上界每平方米至少會有2000顆粒子進入。不過這其中絕大多數是直徑小於1毫米的粒子，這種大小的粒子甚至不會成為流星，在天空連可發光的軌跡都沒有，消失於地球大氣中，對地球不會有任何影響。
進入地球大氣層的不同大小的天體的數量，圖片來自Earle[1]
在這每年百億億級數量的粒子中，只有一部分能在地球上空留下光跡，被我們稱作「流星」，數量大概是每年數十億顆。其中最耀眼的是火流星，划過天空的時候，其亮度會超過金星，數量大概是每年數萬顆。
考慮到一部分天體在空中解體，絕大多數在大氣中燃燒殆盡，但仍有約1.7萬枚墜落地球[3]，被我們稱作「隕石」，總重量超過1.6萬千克。但要在地面轟擊形成隕石坑，這樣的天體直徑起碼得超過1米，並且還得掉到陸地表面，考慮到大部分隕石落入海洋（地球表面71%被海洋覆蓋），還有不少掉入人煙稀少的沙漠、兩極冰蓋荒漠，能在人類活動區域見到隕石，概率還是比較小。
概率小，並不意味著沒有
當地時間2013年2月15日上午9點，俄羅斯車里雅賓斯克上空突然出現一道亮光，比太陽還明亮，一顆直徑約為20米的天體形成巨大的火球，並在距離地面約30千米處爆炸，產生大量碎片，從天而墜「隕石雨」。這起事件導致1200多人受傷，超過100人入院治療，建築物損毀的損失超過3000萬美元。
車里雅賓斯克隕石墜落視頻
圖片來源：Взрыв метеорита над Челябинском 15 02 2013 avi-iCawTYPtehk.ogv
時間再往前推一點，1908年6月30日早上7時15分左右，在俄羅斯西伯利亞偏遠的通古斯卡地區上空，一顆流星突然而至，並發生爆炸，這是一顆直徑約為65米的天體，導致超過2000平方千米內的樹木被夷為平地，如果這起事件發生在人口稠密的地區，傷亡人數可能會達到數百萬人。這次通古斯大爆炸轟動全球，留下很多未解之謎，6月30日也被確定為國際小行星日，用來提高公眾對小行星撞擊危險的認識。
在通古斯大爆炸中被摧毀的樹木。
圖片來源：Soviet Academy of Science
扛得住撞擊，氣候異常卻難熬
更大的小行星撞擊地球的可能性是存在的，看看月球上遍布的環形山就知道了，在月球上直徑大於1千米的環形山總數就達到3萬多個，貝利環形山直徑達295千米，克拉維環形山直徑達230千米，以我國科學家命名的石申環形山直徑46.6千米，郭守敬環形山直徑33.5千米，祖沖之環形山直徑28.3千米，這樣的撞擊如果出現在地球上，必然會引起巨大的災難。
根據目前的預計[2]，每年大概有一顆直徑為5米的天體進入地球大氣層，每10年有一顆直徑10米的天體，每100年有一顆直徑20米的天體，每1000年有一顆直徑50米的天體進入地球大氣層。
直徑超過10千米的天體，帶來的損失是人類社會無法承受的，這在地球歷史曾經出現過不止一次。6600萬年前，一顆直徑約為12千米的小行星撞擊地球，撞擊時速度達到每小時10萬千米（約82馬赫，28千米/秒），撞擊地點在墨西哥尤卡坦半島的希克蘇魯伯附近，因此這次撞擊也被稱作希克蘇魯伯撞擊事件，這次撞擊終結了恐龍時代。
這次撞擊給氣候帶來了怎樣的變化？簡而言之就是：黑暗世界→又干又冷→硫酸雨→更炎熱的世界。
藝術家對希克蘇魯伯撞擊事件的想像圖
圖片來源：NASA
撞擊點是一片淺海區域，隕石在幾分之一秒內爆炸穿透海底沉積岩層，在花崗岩地球中炸出一個直徑約有180千米、深度約20千米深的大坑。大坑內的所有物質立即熔化或蒸發，炸出的固體碎片被噴射出大氣層。
這些碎片被炸出隕石坑和大氣層，但在幾小時後又掉落下來。據估計，那場強烈的「流星」風暴的亮度大約是太陽最亮時的數倍，噴射範圍至少達到6000千米。這一範圍的大多數生物體在數小時內因熱輻射而死亡，接著是漫天掉落的燃燒著的碎片，所有的森林和草原被點燃，大多數暴露在外的生物會被燒焦。
然而，這只是開始，隕石坑內和周圍海底平面的突然變化引發了一場巨大的海嘯，海嘯席捲墨西哥灣，並進入大西洋和太平洋（因為那時沒有巴拿馬地峽）。在墨西哥灣內，海浪可能高達1500米，被燒毀的森林被高達千米的海浪徹底沖毀，海嘯抵達太平洋和大西洋時可能超過15米，沖毀沿岸的低洼地段。
大規模燃燒會產生大量的煙霧，在世界各地的白堊紀-古近紀(K-Pg)邊界層沉積物中均發現了來自該煙霧的菸灰層，目前估計可能產生了150億噸的煙塵。漫天的菸灰徹底遮掩了天空，即使白天也伸手不見五指，在接下來的數年裡，地球表面的平均日照可能不到正常日照的1%，而在低緯度地區可能更少。當時，如果從太空向下看，再也看不到地球的海洋與陸地，只有遍及全球的煙塵。
根據對古氣候的數值模擬，在這樣無盡的黑夜裡，地球的平均溫度下降到0℃以下，或比正常水平低10℃至15℃，只有在熱帶和溫帶海洋上，溫度尚可保持在零度以上，極地和高緯度地區迅速進入冰凍狀態，大陸表面積累起厚厚的冰蓋，海洋也開始凍結起來。全球又干又冷，降水量下降到正常水平的20%左右，大多數地方的氣候和沙漠地區差不多。
根據美國國家大氣研究中心（NCAR）大氣化學觀測與模擬實驗室的研究員查爾斯·巴丁（Charles Bardeen）等的模擬分析[4]，大約2年後黑暗會開始消退，陽光慢慢重返，但是平流層大氣中的硫酸鹽氣溶膠依然大量存在，天空依然比較昏暗，寒冷和乾燥的環境條件可能會持續6~8年的時間。但是考慮到兩極的冰雪消融還需要更多時間，寒冷和乾燥的時間可能會更長。
假設有15Gt煙塵被噴射到大氣中，模擬K-Pg影響後15年內的全球溫度(黑色實線)和降水（灰色虛線）變化。
圖片來自Bardeen[4]
很明顯，大撞擊過後，生物的生存異常困難，即使對最適應的物種來說也是如此。當它們在炫目的熱浪、肆虐的野火中倖存下來，從洞穴、裂縫和沼澤中鑽出來時，會發現世界永遠處於黑暗之中。沒有植物生長，寒冷刺骨，淡水也接近乾涸。
煉獄還沒有結束，在大撞擊過程中，地球硫酸鈣類岩石在高溫中瞬間蒸發，形成了約6500億噸二氧化硫，這大約是1991年皮納圖博火山噴發量的40000倍。這些二氧化硫會很快在大氣中轉化為硫酸液滴(HSO2 4)，只要它們在大氣中滯留(可能幾年)，就會使降溫更加強烈。隨著雨水的慢慢回歸，這些硫酸隨著雨水降回地面，酸雨普降大地，對於江河湖泊和海洋里苟活的魚類而言，這是致命的毒雨。
皮納圖博火山噴發是20世紀第二大火山噴發，導致當年北半球平均氣溫下降0.5℃左右，全球平均氣溫下降0.4℃左右。
圖片來源：USGS
隨著硫酸的不斷降落，酸雨越來越少，天空也清朗起來，天氣溫暖起來，四處都是冰雪融化的聲音，倖存的生物發現了更多的異樣，世界似乎比原來更加炎熱。在大撞擊過程中的全球規模野火燃燒，釋放了大量的CO；撞擊還導致石灰石在高溫中分解，也排放出大量的CO2 2，這使得大撞擊之後的全球溫室氣體量遠超於大撞擊之前，在更強的效應之下，全球溫度比之前高5°C左右，並且持續了約10萬年之久[5]。
總結起來，在6600萬年前，一個直徑為12千米的天體與地球撞擊，引起的災難包括以下幾重：
點擊以下空白顯示↓
這次「天地大撞擊」事件被稱作白堊紀-古近紀滅絕事件(簡稱K-Pg事件），大約75% 的物種因 K-Pg 事件而滅絕[6]，滅絕的物種涵蓋：
點擊以下空白顯示↓
這樣的大滅絕事件如果發生在當代，怕是我們無法承受的。
在《獨行月球》裡，「月盾計劃」失敗，地球遭遇到了小行星π的撞擊，我沒有看清這顆小行星的具體參數，但是從其造成的遍及全球的燃燒來看，尺寸估計比希克蘇魯伯撞擊的天體要大。如果其尺寸達到了近100千米，很難想像這場天地大劫難的恐怖後果。考慮到故事的順利進行，還是估計10~15千米為宜。在這樣的撞擊之下，地球的演變將進入另一條軌道，在主角們及子孫的有生之年，都不會回歸正常。
「天地大撞擊」風險猶存
地球上由於地質活動比較活躍，加之異常強的各種侵蝕過程，古老的撞擊坑已經難尋蹤跡，但是依然留下了一些巨大的撞擊坑，時刻提醒我們「天地大撞擊」的風險。
表1.地球上最大的9個撞擊坑，按時間順序排列
我們還不知道下一個撞擊地球的「大傢伙」什麼時候出現，但是從月球的撞擊情況來看，似乎在地球和月球的早期階段，撞擊比較多，目前數量已經大幅度減少。月球在早期撞擊事件（從大約45到40 億年前）和晚期大撞擊事件（峰值出現在39年前，到30億年前結束）中遭遇了大量的天體撞擊，在此期間，地球上的大規模撞擊事件肯定存在過，只是目前還缺乏直接的證據，來表明那時候地球上出現過什麼樣的驚天變化
在寒武紀之前（約5.4億年前），天體撞擊對地球氣候和生物的影響可能比較小，主要因為那時陸地上幾乎沒有生命，所以不存在發生野火的可能性。即使發生了顯著的變暖或變冷，也不太可能對海洋微生物產生較大的影響，因為海洋溫度的變化往往比陸地溫度的變化小得多。除了K-Pg 滅絕事件和地外原因密切有關以外，對於地球歷史上的其他四次大滅絕事件，目前還沒有令人信服的證據，來說明這些滅絕事件是否和地外天體的撞擊有關。
大小從幾米到數百米不等的天體不會改變地球氣候，但較大的顯然可以，直徑1千米的天體大約每幾十萬年會出現一次，這樣規模的撞擊雖然不會導致大滅絕事件，但其影響肯定需要較長時間來消化。
主帶小行星（紅）和近地小行星（藍）（圖片來源：NASA）
根據NASA JPL的估計，大概有1000個近地天體直徑大於1千米，約24000個大於140米。截至2022年7月24日，已發現850個大於1千米的近地天體和10121個大於140米的近地天體[7]。其中，只有2個近地天體有很大的可能會接近地球，它們真正撞擊地球的概率約為萬分之一，並且預計還需要一個多世紀的時間。這個風險非常小，但很可能還有數百個其他近地天體尚未被發現。
至少在我們有生之年，「地外來客」產生重大影響的風險似乎很小。但是，對地球上的我們來說，被直徑幾千米以上的東西擊中的後果是極端嚴重的，所以，密切監視天空並弄清楚其中的氣候過程絕對是個明智的做法。
最後附送一個觀影思考題
如果地球真的躲不開小行星π，但我們可以改變撞擊地點，那麼，撞擊點選在哪兒對地球造成的損失最小？
參考文獻:
[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/.
作者單位：中國科學院大氣物理研究所