月球第谷坑&澳亞玻璃隕石

□ 蔣迅

月球第谷坑&澳亞玻璃隕石

□ 蔣迅

玻璃隕石

月球上的第谷隕石坑

丁·查普曼

第谷坑是月球上的一座環形山，澳亞玻璃隕石是在澳大利亞和一些東南亞國家發現的一批隕石，這二者之間有什么關系呢？事實上，這些隕石很可能是因大約70萬年前因月球遭到一顆小行星的撞擊而來。那次撞擊產生了第谷坑，同時，一些因撞擊產生出來的月球物質飛落到了地球上。這聽起來似乎有些難以置信，但得出這個結論主要靠的是科學分析。進行這項分析的就是美航宇局的一名科學家丁·查普曼（1922 – 1995）。

成長歷程

查普曼1922年3月8日在新墨西哥州桑姆那堡出生。他有一個弟弟和一個姐姐。在他還很小的時候，全家搬到了亞利桑那州，1926年又搬到了南加州。他與弟弟和姐姐一起長大。他和弟弟一起玩，一起賣雜志，一起送報。送報很辛苦，他們必須早上3點半起床去工作，然后去上學。放學后他們還一起打籃球，甚至到了癡迷的地步。

查普曼在高中的學習成績很一般。高中畢業時，查普曼和兩個同學商量一起報考陸軍航空兵。預飛訓練要求本科學分，所以他們只好到洛杉磯城市學院去修課。他的兩個同學完成了學分，考上了陸軍航空兵，而查普曼則被一位教授鼓勵申請了加州理工學院。教授對他的機敏和智慧印象深刻，并深信他經過加州理工的學習后能達到更高的目標。查普曼不但被錄取，還得到了一筆獎學金。1941年，查普曼以最高榮譽從城市學院畢業，在加州理工他的成績也很優秀，還是一名籃球明星。他以最高分獲得機械工程學士學位，又以優秀生的榮譽獲得航空工程的碩士學位。

畢業后，查普曼得到了美國國家航空咨詢委員會艾姆斯航空實驗室（即現在的美國航宇局艾姆斯研究中心）的一個職位。當時二戰還在進行之中，美國政府為了避免把這里的精英抽去當兵，干脆把這里的人都征入海軍編制。就這樣，雖然不是航空兵，查普曼也算是圓了他當年的夢。二戰結束后，他又回到了加州理工去攻讀博士學位，從師漢斯·利浦曼，從事超音速飛行的研究。1948年，他獲到了博士學位。

查普曼于1948年再次加入艾姆斯航空實驗室，后來成為那里的航空部主任。他是著名的流體力學專家和現代計算流體力學的先驅，還對存有爭議的玻璃隕石來源的理論進行過研究。

作為一名科學家，查普曼具有一個特別的優點：他集出色的數學修養和工程師素質于一身。他又善于把問題簡化并用文字清晰地表述出來。

在艾姆斯，查普曼最初的工作是在世界上最大的12.2米x24.4米亞音速風洞部門。不久他被調到0.305米x0.915米超音速部門并在那里工作了很長時間。查普曼的早期工作主要是表面摩擦、基礎壓力和熱傳導。他還率先以高馬赫數在風洞里使用混合氣體，以避免氣體液化的問題。在流體分離的特征及其對相應區域中熱傳導的影響方面進行了大量的理論和實驗研究。

從1944年到1979年，他已成為表面摩擦、邊界層、基礎壓力、分離流動、湍流和風洞中混合氣體、電弧風洞、大氣進入動力學、燒蝕分析、防熱、高超音速真實氣體、計算流體力學、激波分析等多方面的專家。但連他自己都沒有想到，他的這些技能會在隕石研究方面發揮作用。

研究隕石

對查普曼來說，最具有挑戰性的工作是研究玻璃隕石的來源問題。他用的方法就是：統計 + 建模 + 計算+試驗。

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本來美航宇局對玻璃隕石的研究興趣來自于對隕石的空氣動力受熱的性質從而用于未來再入航天器的設計上。但出于科學的好奇心，美航宇局的科學家們也對隕石本身產生興趣。

玻璃隕石是具有粗糙玻璃形狀的鱗狀物體，在地球的很多地方都有過發現。科學家們對玻璃隕石已經研究了好幾百年，提出了多種理論來解釋玻璃隕石的來源。最早發現澳大利亞玻璃隕石的是達爾文，他說在澳大利亞的新南威爾士發現了一些像鏡片似的“火山炸彈”。這些炸彈具有綠色玻璃似的壓扁的瓶狀，并在表面有條紋。在過去的兩個世紀里，這些后來被稱為“奧石”的東西引起了人們的極大興趣和爭論。他們認為這些東西一定是一次火山爆發的結果：可能是陸地火山（達爾文的觀點），也可能是月球火山，也可能來自太陽，也可能是來自木星或其它行星。后來，人們發現這些“奧石”不僅在澳大利亞有，而且在東南亞一帶也有很多，范圍可能覆蓋了30%的地球表面。人們稱之為“澳亞石場”。“奧石”只是“澳亞石場”的一部分。

1960年，查普曼意識到玻璃隕石的形狀可能是它們在進入大氣層時出于受熱和空氣動力的結果。他使用能模擬進入大氣條件的電弧風洞成功地再現了奧石的形狀，所以他斷定這些奧石來自外太空，其形狀是它們在超高速地進入大氣層由于氣動和受熱而形成。這些所謂的奧石其實就是平時人們說的玻璃隕石。玻璃隕石這個詞的英文是“tektites”，來自希臘文“tektos”，意識是熔化了的。英裔澳大利亞地質學家弗朗茨·愛德華·修斯用這個詞來指那些未知來源的散落在地球若干地區的自然玻璃狀體。在1950年代和1960年代初，人們有兩個主要的假想：這些玻璃狀體或者是由于某種原因（比如月球撞擊或月球火山而）來自于月球，或者是一顆小行星撞擊地球造成的。不管哪種猜想正確，我們都可以稱它們為“玻璃隕石”。

澳亞石場

在澳大利亞的玻璃隕石

澳大利亞和東南亞隕石對比圖

到底哪一個假想是正確的呢？查普曼決心去找到答案。在1963年～1965年間，他投入了大量的時間和精力。我們從他的研究過程可以清楚地看到，他的科學素質、數學知識和計算能力使他獲益匪淺。

查普曼假定的是月球來源說。要是小行星的話，也沒處確定源頭。他的工作就按照這個目標開始了。首先他要把那次撞擊事件發生的時間大概確定下來。這個不難，他通過氬鉀，鈾裂變的衰變計算，確定這些隕石都只有70萬年。這樣的年齡無疑保證了它們沒有遭受地球上的化學和物理的腐蝕。

根據已有的對這些隕石的化學元素的分析進行了綜合。下表是他得到的在馬尼拉和澳大利亞西南部兩地的隕石的化學成分的比較。他發現，盡管有不同的形狀，但是它們的來源是同一個，因為它們的化學成分驚人地相似，雖然這兩地相距至少5000千米。

人們注意到，在這兩個地區的玻璃隕石的形狀、大小不同。澳大利亞的隕石有明顯的燒蝕痕跡，而東南亞的隕石缺少這一特征；澳大利亞的隕石比較圓滑，而更北邊的那些隕石更為不規則。為了解決這個疑惑，查普曼做了很多空氣動力學和熱動力學試驗，得出了大多數玻璃隕石可能來自月亮的結論。如果是來自月亮的一堆熾熱的巖漿落在地球上，那么落在澳大利亞東南部的隕石是那些更熱一些、少粘性一些的中央部分；而那些不規則的則來自相對冷一些的、更粘一些的其他部分。通過試驗和計算，他們甚至確定了這些隕石進入大氣層時的角度和進入速度（大約11.263千米/秒）。于是他推斷，這次的隕石散落是從南向北，從而解釋了這兩處隕石的不同。

不過，他的這個理論還沒有被那些不具備大氣進入動力學背景的科學家們認同。有人說，從月球飛出的物體在其路徑上，以地月之間的距離為半徑的球面上只有1/15000部分被地球擋住，所以擊中地球的可能應該非常小。

查普曼接受了兩方面的挑戰。

查普曼和同事們所做的軌道計算表明，由于地球的引力作用，月球上的濺起物擊中地球的幾率比1/15000要大得多，平均是1/200，不管是從月球上哪個地方濺起。

從地球上觀測，月球的隕石坑有150多個。要確定那次撞擊是從月球的哪里發生的，必須縮小范圍。因為他已經知道那些隕石是70萬年前落到地球的，所以他可以鎖定那些在那個時期出現的月球上的隕石坑。根據月球的照片，他選擇了10個最年輕的隕石坑（70萬年算是年輕的哦）。在這些隕石坑附近的濺起痕跡還都清晰可見。因此，他可以確定是否有細窄的熔化物濺起后是否能達到地球，這其中包括一個在月球背面的隕石坑。他的計算顯示，從這幾個隕石坑濺起物到達地球的概率要高于前面的平均值，其中有一個的概率達到了1/60。

他還需要知道，熔化物濺起時，會不會是以一個細窄的軌道濺出。這一點不難。根據月球上的濺起痕跡在艾姆斯的試驗，如果熔化物濺射出來的話，其軌道很窄，而且由于地球的引力而在飛行軌道上不會過于分散。軌道分析清楚地顯示，散落的方式會落在地球表面的一小部分地區里。

那么到底是從哪個隕石坑里濺射出來的呢？他對數千個玻璃隕石進行了某種特殊的重力測量和大量的化學元素分析。從這些數據里，他發現了它們在地球上散落的模式規律。再使用美航宇局的最先進的計算機IBM7094，他分析了月球上所有具有月球射紋的大隕石坑里彈出的隕石的地月軌道，最后用電弧風洞來驗證他的模型。他發現位于月球南半球的第谷坑所產生的地月軌道最接近地球上實際觀測到的玻璃隕石，而且只有從第谷濺出的濺射物的某個角度可以造成澳亞的隕石散落的形狀。他把量角器的這個角度對準了第谷坑，正好落在了一個濺射痕跡上。查普曼回答了艾倫的挑戰：澳大利亞玻璃隕石來自于第谷坑的“羅斯濺射”。

當然，在查普曼的分析中，做了許多簡化，所以他沒有斷言澳亞玻璃隕石一定是來自第谷坑。然而他非常肯定，這些隕石是來自月球。在他的嚴格的分析和計算的事實面前，有一些持反對意見的人有了轉變，但仍然有一些重要人物持反對意見。

最終的確認還需要來自對“羅斯濺射”的化學元素分析，但是查普曼在整個分析過程中采用的如此豐富的科技手段令所有人佩服。

在對玻璃隕石做了大量分析之后，查普曼又與同事一起做了燒蝕分析的計算。1965年7月，他與另一位同事一起發表了題為《推廣的燒蝕分析及其在熱屏蔽材料及隕石玻璃上的應用》的論文。

1952年，查普曼因為出色的工作獲得了一年一度的美國航天航空學會（AIAA）的榮譽獎。1963年，航宇局授予查普曼“杰出科學成就獎”。

查普曼還獲得過多項獎勵，包括獎勵他在空間飛行器再入大氣層工作的“洛克菲勒公共服務獎”、1972年由美航宇局艾姆斯中心頒發的獎勵他在隕石研究方面工作的艾倫獎、1980年“美航宇局出色服務獎”等。

查普曼在研究隕石

查普曼給約翰遜副總統講解玻璃隕石

查普曼在講解隕石

1969年，查普曼被任命為艾姆斯中心熱氣動力學室的主任；1974年被提升為艾姆斯中心航空學研究所主任，領導著500多人，從事流體力學、氣動、材料、計算技術和化學方面的基礎和應用研究。在這段時間里，他的最大成就是建立起了首個以高速計算機為手段的計算流體力學的研究梯隊。1970年，第一個大規模平行計算機Illiac IV在艾姆斯中心建成并于1973年投入使用。他因此被國家工程學院選為會員。

在美航宇局工作34年后，1980年查普曼從該局退休，同時接受斯坦福大學的任聘，成為了斯坦福大學的教授。1995年10月4日，查普曼因癌癥在家中逝世。享年73歲。★