科普中国 - 地球近几亿年遭受更频繁小行星撞击 行星与地球会撞出什么火花?

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  出品:科普中国

  制作:haibaraemily

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  近日,以加拿大多伦多大学地球科学系的Sara Mazrouei为首的科学家团队通过分析月球的小天体撞击,发现近2.9亿年里地球和月球遭受的小天体撞击频率是之前的2.6倍。这一成果发表于2019年1月18日的《科学》杂志。

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  以月为镜

  想要追溯地球在过去的四十多亿年里被小行星和彗星的撞击历史是非常困难的,因为即使是那些可以穿过大气层成功撞上地球陆地的小天体,它们在地球表面留下的痕迹——撞击坑,也绝大多数都被之后的板块活动、火山、地震等等地质活动以及生物活动抹去了。即使有少数还没有被完全抹去痕迹的撞击坑,也很难被发现和确认

  山清水秀的地球上,目之所及看不到一个陨石坑

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  阿波罗17号拍摄的“蓝色弹珠”。

  目前为止,地球上一共…只确认发现了190多个陨石坑。直径在10公里以上的,包括去年新确认的格陵兰岛Hiawatha陨石坑,一共也才只确认发现了80个,而且其中很多早已被严重侵蚀,很难从地表看到痕迹了。

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  地球上目前已发现的大型陨石坑分布(不完全统计),注意圆圈大小并不是实际的陨石坑大小,但正比于实际陨石坑的大小。

  等等,你咋知道这是因为地球上大部分撞击坑都被抹去了,而不是本来这么少呢?因为我们有天然的对照组——地球的邻居月球。虽说特别小的撞击体会被地球的大气层“拒之门外”,但对于能够穿过大气层的稍大一些的撞击体来说,撞月球和撞地球的几率是差不多的(根据理论计算,地球上单位面积受到的小天体撞击频率是月球的近2倍),也就是说,地球上的撞击坑密度理论上应该有月球的2倍,那实际上呢…

  表面积只有3793万平方公里(地球的7.4%)的月球上,直径大于20公里的陨石坑有近7000个,直径大于1公里的陨石坑…emmm不是天文数字,也就…一百多万个吧。

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  (左)典型的月球高地地貌,撞击坑遍布。(右)月球上直径大于20 km的撞击坑分布。

  当然,地球上还有很多撞击坑尚未被发现和确认,但毫无疑问,被打成了筛子的月球已经展现出了碾压式的差距。所以,地球上大部分撞击坑确实已经被抹去了,一起被抹去的,还有那些被撞击坑记录下的地球历史

  那么,直接追溯月球的撞击历史,然后来反推地球的情况不就得了么?事实上科学家们确实就是这么做的。

  那些年,那些月球告诉我们的事

  1969-1972年,阿波罗11、12、14、15、16、17号成功实现了载人登月,并在月球表面完成了一系列至今尚无来者的实地探测。阿波罗任务带回的岩石样品让我们可以通过同位素定年来测量月球不同区域的形成年龄。

  从不同岩石样品的年龄中,科学家们发现月球在约38.5亿年前似乎经历了一波突然而剧烈的小天体撞击,而在那之后,内太阳系遭受的暴击大大减少了,直到今天。很显然,如果真的有过这样的事件,那不可能只有月球经历了——内太阳系所有的大型岩质天体应当都不能幸免,包括地球。这就是著名的晚期大撞击(LHB)假说

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  (左)阿波罗号和月球号样品显示的几个着陆区的绝对年龄;阿波罗样品的定年结果显示月球乃至整个内太阳系在约38.5亿年前可能经历过一波突然而剧烈的小天体撞击,而从20亿年前左右开始直到现在,撞击量趋于稳定。

  关于晚期大撞击假说,至今仍然有很大的争议。阿波罗任务带回的样本真的足够可靠吗?毕竟我们手头的样本那么有限。晚期大撞击真的发生过吗?或者即使真的发生过,又真的是一次短暂的骤发事件吗?

  但无论如何,有一点是大家公认的:内太阳系近10亿年受到的小天体撞击频率远小于三四十亿年前的时候,而且近10亿年里受到的撞击频率较为稳定,没有很大变化——这也是科学家们用来建立地月撞击历史的一个基本假设

  来自地球的矛盾:我不一样,是被“抹掉”了么?

  然而,地球上目前确认的陨石坑年龄分布并不符合这个基本假设:地球上目前确认的80个直径大于10公里的陨石坑里,形成于近3亿年的有近50个,而形成于3-10亿年前这一时期内的陨石坑只有约20个。似乎,近3亿年的小天体撞击在近10亿年这个时间段里特别多?当然不能这么草率地下结论啦。更加容易被接受的解释是:越古老的撞击坑经历了越多越久的侵蚀作用,也就越容易被“抹掉”,所以越古老的陨石坑留下的数目越少,这再正常不过了。

  所以我们如何才能知道是地球上3-10亿年前这段时间里的撞击坑(也就是小天体撞击)确实少,还是被抹掉了呢?

  唯一可以作证的,还是月球。如果可以把月球上近10亿年里形成的大小相当的撞击坑做一个同样的对比,不就知道到底是哪种了么?但问题是,一个地球上的撞击坑形成于什么时候,可以通过采集这个撞击坑对应的撞击熔融物,通过放射性定年来精确知道。但月球呢?很遗憾,虽然阿波罗任务带回了一些月球样本,但这只能帮助我们了解月球上少数几个区域的年龄,至于某个特定撞击坑的年龄——我们目前还无法直接且精确地测量…

  如何知道一个月球撞击坑的年龄?

  在无法使用同位素定年方法的情况下,粗略估计一个撞击坑的形成时间行不行呢?答案是可以的。月球这种几乎没有大气层和地质侵蚀的天体呐,就像一个天然的博物馆——近30亿年来的小天体撞击留下的撞击坑,大部分都被保留了下来,这些撞击坑为我们判断年龄提供了一个天然的标尺。

  一个区域里的撞击坑数目越多(密度越高),说明这个区域越古老。那么同样的道理,一个已经形成的撞击坑周围,进一步覆盖的撞击坑数目越多(密度越高),就说明这撞击坑形成的时间越古老

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  月球上的(左)阿里斯塔克斯撞击坑和(右)第谷撞击坑周围的连续溅射毯(也就是被撞击溅射物覆盖的主要区域)上的撞击坑密度对比,表明前者比后者要古老。

  除了撞击坑周围更年轻的撞击坑数目的多少之外,撞击坑周围的石块多少也是一个标志着撞击坑形成年龄的显著标尺。一个足够大的撞击坑会击穿月壤,撞入更深的基岩,这时就会挖掘和溅射出粗糙的石块。也就是说,一个刚形成不久的(足够大的)撞击坑,周围会有很多石块,而随着时间流逝,这些石块慢慢破碎,进而消失,10亿年以上的撞击坑周围几乎不会有石块——简而言之,一个撞击坑周围的石块越多,表明这个撞击坑越年轻

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  月球静海中两个大小都是约500米的撞击坑,左边的周围几乎没有石块,右边的周围有很多小石块,说明右边的撞击坑形成的时间更晚。

  好的,所以把这些撞击坑或者石块都数出来就能推测原本的撞击坑的年龄了!但…这也工作量太大了一点吧…有没有更便捷的方法呢?还真有。石块的多少,还对应了这块区域的热辐射强度:石块多的地方,热惯量更大,而石块少的地方(也就是月球表面的细腻月壤)热惯量则小得多。热惯量大的,温度变化会小一些,于是到了晚上会更容易保持白天的温度。也就是说:石块多的区域,夜间会比周围石块少的月壤区域温度高

  发射于2009年的月球勘测轨道飞行器LRO携带了一个热辐射计Diviner,用它的热红外通道数据就可以计算月球表面各个区域的夜间温度

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  月球勘测轨道飞行器LRO示意图。

  然后通过夜间温度可以计算这个区域的石块所占的百分比(RA)。

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  月球上Giordano Bruno和Byrgius A撞击坑通过Diviner计算的石块百分比RA。

  石块越多的撞击坑,年龄越小,Mazrouei和她的同事们就是通过这个方法确定了月球上111个形成于10亿年以内、直径10公里以上的撞击坑的年龄

  月球上的撞击频率确实增大了

  在这111个撞击坑里,56个形成于近2.9亿年内,而2.9-10亿年前这7亿年里只有53个撞击坑——平均到相同的时间间隔里的话,相当于近2.9亿年里月球上的撞击坑频率是之前7亿年里的2.6倍

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  月球上10公里以上的年轻撞击坑的(左)年龄分布和(右)密度对比。

  这个2-3倍的差异和地球上陨石坑的年龄分布居然是吻合的!

  地球上侵蚀速率其实也没有那么快

  另一方面,Mazrouei和她的同事们惊讶地发现,地球上近6.5亿年的侵蚀速率其实也没有那么快。一个辅证来自对地球大陆的侵蚀速率考察。来自同位素定年的结果显示,稳定的大陆上侵蚀速率最高也就2.5米/百万年,也就是说在过去的6.5亿年里最多侵蚀了1.6公里的垂直深度——并不足以抹掉直径10公里以上(对应的深度约有不足2公里)的地球陨石坑。

  另一个辅证来自金伯利岩管的参照。金伯利岩是岩浆在地下浅层固化的产物,这些火成岩在地下可以形成1-2公里深的胡萝卜形状的岩管。最重要的是,这些金伯利岩管也和陨石坑一样,会因为各种地质作用而被侵蚀变浅

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  金伯利岩管示意图。绘制:于大锤

  然而,作者对比了形成于各个地盾区内的撞击坑和600多个已经有明确定年的金伯利岩管。

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  地球大陆各个地盾中的撞击坑大小、年龄和金伯利岩管分布。

  发现古生代以来(5.4亿年至今)的这段时间里的金伯利岩管留存量都很高,表明这一时期的各种地质侵蚀确实只有1公里深左右,不足以抹去1-2公里深的金伯利岩管,自然也同样不足以抹去直径10公里以上的地球陨石坑

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  直径10公里以上的撞击坑和已有明确定年的金伯利岩的年龄分布,明显可见地球上发现的大型陨石坑几乎都在6.5亿年以内,而同时近6.5亿年里各个地盾的金伯利岩管留存量也很高。另一方面,6.5亿年之前几乎没有陨石坑和金伯利岩管。

  地球:更频繁的撞击

  总结一下就是:近2.9亿年里月球遭受的小天体撞击频率是之前的2.6倍,而地球在近6.5亿年里也没有发生什么严重的侵蚀活动。所以地球在近2.9亿年里受到的陨石撞击应当也和月球一样,是之前数亿年的2-3倍。而且虽然地球上绝大多数陨石坑都被抹去了,但这种侵蚀作用并没有改变地球保留下来的撞击坑的年龄分布

  不过,地球上前寒武纪的陨石坑几乎没有保留至今的,这可能意味着约6亿年前的那次全球冰封(也就是雪球地球)事件规模之大,足以把几乎所有的陨石坑一波带走了。

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  科学家们推测,曾经的地球曾经至少经历过三次全球性的冻结和解冻,那时候整个地球变成了一个“雪球”。最后一次全球冰封发生约在6亿年前。

  至于为什么近几亿年的撞击会变频繁?作者认为可能是小行星带有一个或多个大型小行星碎裂,产生了大量碎片

  最后要强调的一点是,虽说是“被多砸了几倍”,但这种程度的增长和30-40亿年前的晚期大撞击完全不可同日而语——和那种boss级事件相比,现在的小天体撞击都是毛毛雨啦。

  至于被多砸了是好事还是坏事呢?很难讲。撞击频次变多,那么大型撞击事件的出现次数也会增多,比如,灭绝恐龙那样的大撞击会不会比我们原本预想的要频繁?但另一方面,更多的灭绝事件会不会也可能会给某些物种提供更多诞生和繁荣的机会?

  谁知道呢。

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