近地小行星撞遇地球災害鏈效應

劉芹芹,申旭輝*,周炳紅,李明濤,張慶明,徐文杰,龔自正

（1.應急管理部國家自然災害防治研究院,北京 100085;2.復合鏈生自然災害動力學應急管理部重點實驗室,北京 100085,3.中國科學院國家空間科學中心,北京 100190;4.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;5.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084;6.北京衛星環境工程研究所,北京 100094）

1 引言

自然災害是孕育于大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈共同組成的近地球表面環境中的自然變異現象,當這種變異給人類社會帶來危害時,即構成自然災害。一般理解,自然災害按照其孕育發生的動力學成因劃分為：固體地球動力學災害,如地震、火山和多種地質災害;大氣動力學災害,如暴雨、臺風、冰凍、水旱災害;日地耦合災害,如空間天氣、小行星撞擊災害;此外還有一類成因非常復雜的災害如生態環境災害、森林草原火災等。由于自然生態和社會經濟系統之間相互依存、制約的關系,在重特大自然災害活動過程中,往往由一種災害引致一系列其他具有因果關聯的災害,形成自然災害鏈,對人類生產生活和經濟發展帶來巨大影響。

小行星撞擊地球是一個古老的自然災害類型。早在6500萬年前,一顆直徑約10km的小行星撞遇地球,在墨西哥灣保留了一個直徑約180km的撞擊坑,撞擊產生的海量塵埃長期懸浮于地球大氣層中導致了地球70%以上生物滅絕。我國東北地區的依蘭、岫巖也有古老的隕石坑存在。美國國家科學技術委員會 《近地天體撞擊威脅應急協議報告》認為：直徑50m以上的小行星進入地球大氣層并直接撞遇地表的平均間隔約1000年,并可能造成大城市級的危害;直徑1km以上的小行星撞遇地表的平均間隔約70萬年,并可能造成全球危害。但從地球演化的歷史來看,小行星撞遇地球概率就是100%。1908年6月30日俄羅斯西伯利亞通古斯大爆炸和2013年2月15日俄羅斯車里雅賓斯克小行星空爆事件,給當地造成了嚴重的災害損失,2019年7月25日“2019 OK”小行星與地球的擦肩而過也進一步警示人類,在未來必定要發生小行星撞遇地球事件,一旦發生其災害效應將不可估量。因此,小行星撞遇地球的災害效應及其有效應對值得我們高度重視。

2 近地小行星運行和進入

太陽系中除八大行星外,還存在很多小行星（尺寸在1m～800km內）,運行于日心軌道上,如圖1所示。小行星主要分布于火星與木星軌道之間的小行星帶和海王星外的柯伊伯帶,部分小行星在大行星引力、太陽光壓、小行星自身輻射壓力等作用下,運行軌道發生緩慢變化,呈現出豐富的軌道類型。依據小行星運行軌道和大行星軌道的位置關系,天文學上又定義了火星軌道穿越小行星和近地小行星。其中,當小行星運行軌道的近日距離大于1.3AU（天文單位,1AU≈1.496×10km）并且小于1.67AU（火星遠日距離為1.67AU,近日距離為1.38AU）時,稱為火星軌道穿越小行星;當近日距離小于1.3AU時,稱為近地小行星。

圖1 太陽系八大行星和近地小行星帶分布圖Fig.1 Distribution of the solar system’s eight planets and the near-Earth asteroid belt

對于距離地球軌道最小距離 （Minimum Orbit Intersection Distance,MOID）在0.05 AU（7.5×10km,約20倍地月距離）范圍內,直徑大于140 m的小行星,稱為對地球構成潛在威脅的近地小行星（potentially hazardous asteroid,PHA）。截至2021年11月,已經發現的PHA有2223顆,約占已經發現的近地小行星總數的1/12。當小行星與地球距離7.5×10km時,就有可能在地球的強大引力作用下,改變運行軌道奔地球而來直至相撞。

小行星被地球捕獲時,首先以超高速撞擊地球大氣層。在這個過程中,大多數情況下小行星以較大角度撞擊地球,稱為直接撞擊模式。掠地小行星進入大氣時的撞擊角較小,且撞擊模式更多樣,主要包括逃逸、直接撞擊、捕獲撞擊三類模式。逃逸即小行星短暫掠過地球大氣層后遠離地球;直接撞擊與大角度撞擊相一致;捕獲撞擊是指小行星被地球引力捕獲,短暫成為繞地球運行的自然衛星并最終撞擊地球。三類模式情況下,又結合小行星是否解體,進一步細分為五種模式,即逃逸、捕獲撞擊并解體、捕獲撞擊不解體、直接撞擊并解體和直接撞擊不解體,如圖2所示。

圖2 逃逸、捕獲撞擊、直接撞擊示意圖[3]Fig.2 Diagram of escape,capture impact and direct impact

小行星在偏離其運行軌道,進入地球大氣層乃至撞遇地表過程如圖3所示。小行星進入地球大氣層的初始運動速度一般在每秒十幾到幾十公里,小行星在如此高速度進入過程中,星體與大氣層發生劇烈摩擦,并沿途產生光熱輻射、沖擊波,大部分小行星在這個過程中發生消蝕和空爆,只有很小比例的小行星能夠直接撞遇固體地表,從而導致嚴重撞擊災害并誘發一系列長期區域性災害和環境效應。一般來說,進入地球大氣層的小行星星體直徑為10～100m,能量范圍為0.5倍（例如,車里雅賓斯克）～20倍（例如,通古斯）TNT時就會發生爆炸,并在大氣層中產生強烈的沖擊波,對地面目標物造成巨大的破壞。

圖3 小行星撞遇地表過程示意圖[5]Fig.3 Diagram of near-Earth asteroids collision with Earth surface

3 小行星撞遇地球災害效應類型

通常直徑大于60m的石質小行星 （S型）或大于20m的鐵質小行星 （M型）才能穿過地球大氣層,并且繼續以超高壓和超高溫態勢與地球撞遇,小行星與地表撞遇是一個物理-力學-化學強耦合過程,可產生光熱輻射、近地表大氣沖擊波和撞擊三種效應。

3.1 光熱輻射效應

小行星在高速進入大氣和撞遇地表過程均伴隨有光熱輻射效應,主要包括氣化、電離、光化學、火災和高溫變質。快速移動的物體與地球表面碰撞瞬間約有一半的動能轉化為熱量,并以熱輻射形式釋放能量,輻射能由膨脹的氣體或等離子體熾熱火球發射,在臨界溫度T過程中火球中的高溫氣體導致熱等離子體中的電磁輻射 （主要包括可見光和熱輻射）逃逸到周圍的空氣中。利用實驗光譜和合成光譜對激光誘導羽流實驗顯示撞遇1μs后蒸汽羽流溫度接近7800K,速度超過15km/s,沖擊的峰值溫度超過10000K,撞擊器和目標撞遇區域物質轉化為白熾氣體或等離子體,發生氣化、電離、光化學效應。1908年通古斯爆炸,周邊2000km的森林夷為平地,300km的樹木被熱輻射燒毀。較低速度的拋射體可熔化幾倍于其自身質量的巖石,足夠強烈的熱輻射可以在火球可見的整個區域點燃大火,更大的熱強度可能引發全球大火,并直接燒焦動植物。國際海洋發現計劃 （IODP）和國際大陸科學鉆探計劃 （ICDP）第364探險隊在希克蘇魯伯撞遇峰環區的海底1335m處的沖擊物證據進一步支持了小行星撞遇引發地殼的熱和化學變化過程。在中國西藏拉薩附近崗巴地區白堊系—第三系地層的界面層中確證了6500萬年前墨西哥尤卡坦半島小行星撞擊事件,其光熱輻射效應證據如下：

（1）在白堊系—第三系地層的界面層中,如圖4所示,發現含有大量由小行星撞擊靶巖石氣化熔融過程產生的熔融狀細小球粒。

圖4 西藏拉薩崗巴地區白堊系和第三系的界面層[13]Fig.4 Boundary layer between Cretaceous and Tertiary in Gamba area,Lhasa,Tibet

（2）界線層中某些元素的相對比值顯示出典型的小行星 （隕石）物質的特征。

（3）界線層中發現有極少量的由植物燃燒形成的炭灰。超強光熱輻射使撞擊區域的森林燃燒,并引燃大區域甚至全球性大火。國外一些界線層中的炭灰中也發現有森林大火形成的多環芳烴等化合物。

3.2 近地表大氣沖擊波效應

近地表大氣沖擊波是小行星撞遇地表后在近地空氣介質形成的沖擊波,如1908年通古斯爆炸,撞擊坑周邊植被成輻射狀倒伏,特定假設條件模擬最大沖擊波超壓大于50kPa;2013年車里雅賓斯克大氣沖擊波效應導致1000多人受傷;2021年青海玉樹火流星,火球爆炸產生的近地表大氣沖擊波約2min后到達地面,被中國地震臺網監測到,囊謙公安局所在地也感受到了爆炸產生的聲音和震動 （https：//mp.weixin.qq.com/s/REzPDwfZbqz-RneOZZmvUQ）。高速飛行的小行星或彗星碰撞地球產生一種非化學的“爆炸”,沖擊波能量從爆炸源向空氣傳遞,空氣壓力極急劇上升,空氣既承載沖擊波能量也傳遞沖擊波能量,沖擊波破壞程度取決于小行星的動能、大小和速度,以及撞遇角和材料特性。在撞遇地點附近形成的大氣沖擊波的速度通常遠遠超過1000km/h,但從撞遇點向外超壓和風速顯著下降。根據小行星撞遇地表大氣沖擊波超壓與峰值風速的損傷程度,沖擊波路徑內的物體受極高峰值超壓瞬態波和異常劇烈瞬態風的影響,沖蝕巖土體破壞植被和殺死動物。根據沖擊波強度將對構筑物破壞程度,可以劃分為四個等級,如圖5所示：D級,3.5～5kPa,導致構筑物輕度破壞;C級,17～20kPa,導致構筑物一半受損;B級,大于35kPa,導致構筑物幾乎全部毀壞;A級,壓差超過60～83kPa,導致構筑物全部毀壞。

圖5 沖擊波超壓損壞程度等級示意圖Fig.5 Schematic diagram of damage degree of shock wave overpressure

3.3 撞擊效應

撞擊坑或隕石坑是小行星撞遇地表撞擊濺射效應的宏觀結果。目前中國已經確認的撞擊坑主要有岫巖撞擊坑和依蘭撞擊坑,如圖6所示。Gault等最先將近地天體撞擊地球形成隕石坑的過程劃分為接觸壓縮、開坑和調整三個連續階段。撞擊和成坑過程中包含很多物理化學機制,通過進一步分析撞擊坑的發育過程,小行星撞遇地表可分為三種撞擊效應,即撞擊波動效應、撞擊高壓變質效應、撞擊濺射效應。

圖6 岫巖撞擊坑和依蘭撞擊坑Fig.6 Impact craters in Xiuyan（a）and Yilan（b）

3.3.1 撞擊波動效應

彗星或小行星撞遇地表產生的撞擊波動效應,可以分為撞擊地震效應和區域地殼運動效應兩類。其中撞擊地震效應根據撞遇地點的不同而又有差異,如撞遇陸地引發地震和撞遇海洋引發海嘯。

（1）撞擊地震效應：小行星與地球表面的碰撞會產生地面沖擊震動。目前對沖擊能轉化為地震能的效率尚未明確,已有文獻中采用范圍為10～10,一般取平均值10。利用地震能量與面波震級之間的標準Gutenberg-Richter關系,確定了撞遇能量E（但如果大部分能量在進大氣層中消散,E與總能量并不相同）和等效里氏震級M之間的關系為M=0.67 logE（兆噸能量）+4.44。車里雅賓斯克空爆事件中,根據4000km外的臺站記錄的瑞利波信息,如圖7所示,估算此次空爆產生的地面震動相當于Ms3.7地震。由于地球表面的四分之三由海洋覆蓋,海洋撞遇的概率是陸地撞遇的三倍,因此海嘯效應也是小行星撞遇產生的重要災害之一。小行星或彗星與海洋表面撞遇的瞬間,導致臨近的水密度、壓力和溫度急劇上升,并產生巨大海嘯、強烈的汽化效應。

圖7 車里雅賓斯克小行星空爆事件中,距撞擊點4000km外的地震臺地震波垂直分量圖Fig.7 Vertical component map of seismic wave from a seismic station,4000km away from the impact point during the Chelyabinsk asteroid air explosion event

（2）區域地殼運動效應：小行星撞遇地表,通常會在臨近地區誘發地震、火山、崩塌、滑坡等多種災害 （鏈）效應。而對于大型小行星高速撞擊,將會影響巖石圈一定深部的構造運動乃至上地幔巖漿活動,從而擾亂巖石圈板塊應力狀態和運動,甚至導致巖石圈破裂,從而誘發一定時期內區域性乃至全球性火山爆發和超級地震,加劇地球板塊或地塊之間的相互作用效應。科學家在南極洲發現了約2.5億年前可能是由一顆直徑約為50km的巨大小行星撞擊形成的直徑約480km的撞擊坑——威爾克斯地隕石坑,這次產生的巨大沖擊荷載可能導致岡瓦斯大陸開始分裂。

3.3.2 撞擊高壓變質效應

當絕熱壓力釋放時,撞擊壓縮過程中所產生的壓力-體積功并不能全部恢復,多余的功則表現為靶巖加熱,在60GPa以上殘余熱足以導致巖石熔化,并在高壓下蒸發。小行星撞擊事件的指示礦物是藍絲黛爾石 （六方金剛石）和柯石英。其中,藍絲黛爾石是由普通鉆石沖擊變質、塑性變形或非均衡晶體生長所致的一種結構錯亂的形式,如圖8所示;而柯石英是石英在幾萬巴 （1bar=1×10Pa）超高壓變質作用下形成。1960年6月美國地質調查所從亞利桑那的梅特奧撞擊坑的科科尼諾砂巖中最早發現和鑒定了柯石英。此后,在沙特阿拉伯的瓦巴隕石坑、西德南部巴伐利亞的里斯隕石坑、非洲加納亞山蒂的博蘇姆特威湖隕石坑、瑞典的米恩湖均發現了高壓變質的柯石英。在青藏高原白堊系和第三系界面層中也發現了6500萬年前希克蘇魯伯撞擊高壓變質形成的柯石英。

圖8 立方晶體結構的金剛石 （左）和六方晶系的藍絲黛爾石 （右）晶體結構Fig.8 Diamond with cubic crystal structure（left）and lonsdaleite with hexagonal crystal system（right）

3.3.3 撞擊濺射與擴散效應

小行星撞遇地表產生的撞擊濺射與擴散效應,一方面造成了撞擊體碎片、濺射物、塵埃、粉塵等的宏觀濺射與擴散,同時也會造成硫化物、碳氧化物、氮氧化物、水汽及地表氣化物質等的微觀濺射與擴散。一顆大型小行星撞遇陸地球,在形成巨大的隕石坑過程中大部分物質被拋向大氣層,其飛出高度和距離取決于撞遇時釋放的能量。研究結果顯示,當碰撞釋放能量超過200Mt TNT時,所產生的濺射物顆粒、塵埃和碎片可以飛出到大氣層之外。

4 小行星撞遇地表局部和區域災害效應

小行星撞遇地表災害效應按照在空間分布范圍可劃分局部撞遇效應和區域撞遇效應。小行星撞遇地表災害的局部效應主要集中在撞遇點周圍,地形特征顯著影響激波沿地表傳播的振幅、地表輻射通量以及隕石坑周圍濺射物的分布。如在沖擊波從撞遇點向外傳播過程中,壓力和波速急劇下降,呈現局地效應;同時,熱輻射范圍也會受地球曲率影響在靠近撞遇地點的局部區域破壞性最大,陸地撞擊地震受高頻波傳播影響具有局部區域性,形成隕石坑具有局地效應。區域效應波及的范圍較局部廣,能夠引起更為廣泛的區域災害,甚至可能波及全球性區域范圍,災害效應持續性也較強,區域災害效應主要包括撞擊濺射、海嘯以及撞擊引起的區域地殼運動。研究結果顯示,最顯著的區域災害效應是由撞擊濺射效應引起的對全球氣候或生物區系影響較大的環境效應,如希克蘇魯伯規模的撞遇能夠導致全球范圍毀滅性災害效應。

4.1 局部災害效應

小行星撞遇地表的局部效應主要包括火災、氣化/電離/光化學、高溫高壓變質、近地表大氣沖擊波和撞擊地震。

（1）局部火災

局部火災主要源于光熱輻射的誘發產生,不包括濺射物二次回落引起的區域性火災。光熱輻射效應作用范圍主要集中在撞遇區周邊,表現為局部災害效應。Marusek（2007）研究表明空氣對熱輻射的傳播幾乎沒有任何阻擋作用,熱輻射導致地表溫度急劇升高,并點燃地表可燃物;Belcher等人 （2015）在實驗室再現了K-Pg撞遇強度可能產生到達地球表面不同點的熱通量,并研究了森林植被的著火潛力,實驗結果顯示熱輻射誘發的點火因地而異,在距離撞遇的近端（2000～2500km）和中間距離 （4000～5000km）處,熱輻射脈沖強烈但非常短暫 （50kW/m,0.2Hz）,不足以點燃林木,而距離撞遇點遠端（7000～8000km）位置的熱輻射脈沖強度較小,但長時間持續的熱輻射脈沖能夠點燃活植被。一般而言當沖擊波超壓大于10psi時,大多數可燃材料會著火燃燒,易點燃的、干燥的材料 （例如,干葉子、干草、舊報紙、黑色易燃薄織物、焦油紙等）可在超壓低至2～3psi時點燃,并產生火災。Durda和Kring（2004）計算得出85～105km直徑的小行星撞遇地表能夠產生大陸規模野火,135～180km的小行星撞遇地表能夠產生全球規模火災,產生100km隕石坑的撞遇能量接近點燃全球規模野火所需的最低能量,也就是說較大能量的撞遇事件也可以引起全球區域火災。

（2）局部氣化/電離/光化學效應

氣化、電離、光化學效應的發生需要特定超高溫超高壓條件,具有局部區域性。超高速碰撞產生的電磁輻射是固體物質在超強沖擊作用下的重要物理響應,小行星撞遇瞬時可以產生極高的電磁脈沖 （EMP）——由散射在周圍介質中光子的康普頓反沖電子和光電子引起,脈沖的持續時間很短,大約1μs。電磁脈沖產生的電場和磁場與電氣/電子系統耦合,會產生破壞性的電流和電壓沖擊。超強電磁脈沖對人體損害程度較小,但對電子產品,尤其是晶體管、半導體和計算機芯片的損害是致命的。超強電磁脈沖會導致電網、電站、核電控制系統、充電控制器、太陽能和風力發電系統及通信設施等癱瘓。

當小行星撞遇速度超過15km/s、沖擊的峰值溫度超過10000K時,小行星和撞遇區域的地表物質將會轉化為白熾氣體或等離子體。Navarro等人 （2020）通過對希克蘇魯伯隕石坑的海洋碳酸鹽沉積物使用強紅外激光氣化方式進行模擬,再現了希克蘇魯伯撞遇蒸汽羽流發射光譜 （蒸汽羽流在1μs時具有相似的溫度不小于7800K）,研究表明激光氣化后分子帶不明顯,這表明目標物被激光脈沖完全汽化。小行星撞遇地表過程瞬時釋放巨大能量,撞遇點周圍的大氣被加熱和電離,改變了大氣化學特性。離子態氣體 （HO、CO、SO、Cl、Br）和灰塵被注入到大氣層,之后通過一系列光化學反應破壞臭氧。此外,撞遇產生局部電離輻射還可能嚴重改變高空大氣的環境,擾亂電離層并破壞中高低軌衛星飛行器。

（3）局部高溫、高壓變質效應

小行星撞遇地表,在撞遇點附近產生高溫、高壓作用,并導致周圍的巖體發生變質,形成玻璃和雙折射玻璃。據已有研究成果,撞擊產生超壓半徑大小隨撞擊能量呈三次冪遞減,而單位面積的高溫傳熱性隨撞擊能量呈六次冪減少,因此高溫、高壓變質效應具有局部區域性特征。

通過大量研究,在撞擊坑地層中均能發現大量撞遇熔融的靶巖熔體膠結角礫,其中的熔體呈黑色、玻璃質,且在形態上具有流動結構和氣泡特征。一般而言,撞擊熔化單晶所需的峰值壓力約為40～60GPa,長石和石英撞擊融化需要的峰值壓力分別約為30～45GPa和35～50GPa。巖石中的礦物在撞擊作用后獨立選擇性地熔化,在遠低于正常熔點的峰值壓力和溫度下,框架硅酸鹽轉變為各向同性、致密但不熔融的玻璃狀相,稱為雙折射玻璃。雙折射玻璃的形態與原始礦物晶體相同,但密度低于原始礦物晶體,而高于同等成分的熱熔玻璃。

俄羅斯西伯利亞雅庫梯地區發現了70萬年前小行星撞擊而形成的撞擊坑中,因原始地層中富含碳,小行星撞遇產生的高溫和高壓致使地層中的碳轉變成了鉆石,現已成為一個大型鉆石礦開采基地。希克蘇魯伯隕石坑是現存最大的陸地撞遇盆地,具有一個隆起的峰環,在峰環和火山口邊緣之間的環形火山口槽處石油鉆探發現了約100m厚的撞擊巖。在撞擊坑處,從海底以下617～1335m深度發現熱液蝕變撞擊巖,其中包含了130m的撞擊熔融巖和覆蓋在588m的撞擊花崗巖上的含沖擊熔融角礫巖和其他結晶巖。

（4）局部近地表大氣沖擊波效應

撞遇地球的超高速宇宙物體均會產生沖擊波,但其表面破壞程度取決于撞擊體大小,并具有局部災害效應特性。小行星撞遇地表瞬時沖擊波在撞遇點附近將產生毀滅性破壞,沿著沖擊波傳播路徑內的物體受極高超壓瞬態波,受異常劇烈瞬態風的影響。沖擊波從撞遇點向外傳播時,超壓和風速顯著下降,研究結果顯示空爆壓力隨距離的衰減比地震動隨距離的衰減要快得多。圖9顯示了初始密度為2.65g/cm、進入大氣層速度為18km/s的不同直徑球形小行星垂直撞擊而產生的沖擊壓模擬結果,可以看出隨傳播距離增大相對壓強 （P/P）呈指數下降;研究結果顯示在撞遇點附近的超壓 （P-P）為100 psi,近地表大氣沖擊波速度為3580km/h,而在超壓降低至1psi處,近地表大氣沖擊波速度迅速衰減到56km/h。對于小于全球生物滅絕事件的小行星撞擊,近地表大氣沖擊波是造成構筑物破壞和生命損失的主要原因。根據Kring（1997）研究結果,形成直徑23～32km隕石坑的撞遇事件將導致撞擊坑周圍大約14～19km徑向距離內樹木被爆炸波夷為平地,距離撞擊坑邊緣9～14km內哺乳動物的傷亡率高達50%。

圖9 20～300m小行星 （初始密度為2.65g/cm3,進入速度為18km/s）撞擊近地表大氣沖擊波相對壓強與距離關系[23]Fig.9 The relation between the relative pressure and distance of shock wave from an asteroid with a diameter of 20～300m（initial density of 2.65g/cm3,entry velocity of 18km/s）impacting near surface atmosphere

4.2 區域災害效應

區域災害效應主要包括撞擊濺射效應、海嘯以及撞擊引起的區域地殼運動效應,其空間影響范圍較大。研究表明,小行星撞遇地表全球范圍影響與向大氣排放粉塵和氣體 （二氧化碳、硫氧化物、水蒸氣、甲烷等）有關。國際海洋發現計劃 （IODP）和國際大陸科學鉆探計劃 （ICDP）第364探險隊探測的巖心顯示,撞擊坑主導了一個空間廣泛的熱液系統,化學變性和礦物質的高溫變質波及了約1.4×10km的地殼 （是黃石火山系統的9倍多）。白堊紀地層距離希克蘇魯伯約1000～5000km處發現,K-Pg邊界礦床由厚2～10cm的球粒層和厚0.2～0.5cm的異常富集鉑族元素 （PGEs）層組成,并富含沖擊礦物、花崗質碎屑和富含鎳的尖晶石。

（1）海嘯區域效應

海嘯區域效應取決于小行星撞擊水體形成的沖擊波在水體中傳播特征。海嘯在海面從撞擊點向周圍傳播,波速可達700～800km/h,波長可達數百公里,且傳播過程中能量損失較小、影響范圍大,具有顯著區域效應。一次巨大的深海撞遇,可以給大洋兩岸的大陸產生巨大災難。海嘯在接近海岸時,波速會進一步提高、波長減小,從而沿海地區形成巨大的涌浪,產生巨大的災難。7～8級的構造地震引發的海嘯到達海岸帶后,形成可以達20～30m高的涌浪。根據Nemtchinov等人 （1996）的研究,10m高的海嘯也可波及至2000多公里空間范圍。對于希克蘇魯伯大小的撞遇 （能量為1.6×10Mt TNT）,海嘯破壞半徑大約為10000km;對于直徑4km（3×10Mt TNT）的撞遇,海嘯破壞半徑約1700km,影響面積達9×10km（約為地球表面積的2%）。

（2）區域地殼運動

盡管人類尚未直接觀察到小行星撞遇事件效應,但有許多跡象表明大型小行星撞遇地表可能會導致區域地殼運動,而引起一系列災害效應。通過目前的研究表明,希克蘇魯伯的撞擊,侵蝕了西佛羅里達陸架 （墨西哥灣）的白堊統碳酸鹽巖臺地 （約102.3×10km）,流化了南達科塔州福克斯山地層 （距離撞遇地點約2000km）附近的海岸海洋沉積物,造成了陸地、加勒比地區以及從佛羅里達到加拿大大淺灘北美東部大陸架的大規模滑坡;即使是相對較小的撞擊也能誘發間歇泉的噴發,誘發區域性小地震,并在距離震中很遠的地方擾亂地下熱系統。有人認為,猶他州隆起圓頂撞擊事件導致附近羅伯茨裂谷的大規模石油注入。Norman等通過對南非巴伯頓綠石帶地區的地質特征研究表明,約在32億年前的一次巨型小行星 （約7～58km寬,速度20km/s）撞遇地球,并觸發了超過10.8級地震,地震波穿透地球幾百公里,破壞了巖石結構,并認為這次撞擊可能破壞了巖石圈板塊以及早期地球特有的構造體制,形成更加現代的板塊構造體系。

（3）撞擊濺射與擴散效應

沖擊濺射與擴散過程包括了宏觀和微觀濺射,可以分為撞擊粉塵、硫化物、碳氧化物、水汽、氮氧化物區域濺射效應。粉塵濺射區域效應：一顆大型小行星撞遇陸地表面,甚至是海底,在形成巨大的隕石坑過程中大部分物質被拋入大氣層,濺射物的速度足以飛出低密度火球區域,其飛出高度和距離取決于撞遇時釋放的能量。對于碰撞釋放能量超過200Mt TNT的撞遇事件,所產生的濺射物顆粒、塵埃和碎片會被拋出到大氣層之外,具有區域環境災害效應。Toon等 （1997）估算,10～10Mt TNT撞遇能量可以導致平流層亞微米塵粒含量發生10～10g/cm的變化;SO濺射區域效應：若撞遇區域含有大量的硫或者小行星和彗星含有大量的硫,撞遇過程可能向平流層中釋放大量的SO,并產生大量的大氣硫酸鹽氣溶膠。Toon等 （1997）研究結果表明,潛在的注入量可以達到皮納圖博火山噴發的10倍甚至更多,從而產生更嚴重的區域降溫事件;碳氧化物濺射區域效應：撞遇碳酸鹽地區,由于碳酸鹽分解可以瞬間釋放出大量的CO。對于希克蘇魯伯撞遇地表事件,Pope等人 （1997）估算撞遇到碳酸鹽巖中將釋放500Gt CO（5×10g）;Kawaragi等人 （2009）基于新的沖擊誘導碳酸鹽釋放實驗,認為低角度希克蘇魯伯撞遇碳酸鹽巖將產生足夠的CO和CO,以及足夠的對流層O（由CO促進的光化學反應）,擴散至全球區域,預估可使全球氣溫升高2～5℃;水汽濺射區域效應：如果撞遇海洋,其濺射物還包括大量水汽。由于水汽能有效地吸收向上定向的紅外輻射,并將大約一半的輻射重新向下輻射到地面,對流層上部和平流層受大氣中水蒸氣的增溫效應影響最大。Toon等人（1997）認為,一顆大型小行星或彗星撞擊海洋,注入大氣中的水蒸氣量可能是目前全球水蒸氣含量的1～100倍;氮氧化物濺射區域效應：小行星撞遇加熱富含N和O的大氣會產生氮氧化物氣體,可能會破壞臭氧層,增加到達地表的紫外線輻射量。在大氣中產生的NO量取決于撞擊能量,據估算10t TNT希克蘇魯伯撞遇 （將總能量的1%左右耦合到大氣中）產生了約3×10mol的NO,足以嚴重影響全球環境,造成全球臭氧層的破壞、酸雨以及部分海洋表層的酸化。

小行星撞擊局域和區域效應與撞擊能量有關,比對小行星大小與潛在撞擊危害,不難發現足夠大的撞擊能量可以導致各類災害效應的區域化或全球化,極小的撞擊能量不能產生區域災害效應,見表1。

表1 小行星規模與預期損失Table 1 Asteroid size and expected losses

5 小行星撞遇地表中短期和長期災害效應

小行星撞遇地表災害演化是一個持續的過程,其災害效應作用時間主要取決于災害效應類型。針對小行星撞遇地球災害作用效應持續時間將小行星撞遇地表災害劃分為中短期災害效應和長期災害效應：中短期災害效應是指小行星撞遇地表能量直接釋放所致的災害效應 （包括瞬時災害效應）,效應持續時間相對較短,不能持續演化;長期災害效應是指由小行星撞遇地表間接次生災害所致災害 （鏈）效應持續不斷轉化和轉移的作用過程。例如,在撞遇過程中撞擊坑本身（撞擊能量直接釋放引起）并沒有強大到足以改變地球的自然氣候演變路徑,而撞遇的間接產物（主要是水蒸氣等）可以迅速分布到全球的大部分地區,長期影響全球環流。

5.1 中短期災害效應

光熱輻射效應的時間效應主要體現在瞬時性。數值模擬表明總動能轉化為光和熱的效率為 （1～5）×10。對于地球的大氣層來說,T≈3000K相當于第二個太陽出現在天空中,輻射的起始時間取決于火球形成所需的時間以及達到透明溫度所需的時間。對于隕石坑和希克蘇魯伯大小的撞遇而言,通常是幾秒鐘或更短的時間,隨著撞擊體的迅速冷卻,輻射強度迅速衰減。大約20s內輻射通量大幅減少,100s內下降了兩個數量級,強烈的輻射停止。當彗星或小行星進入大氣層時,會產生強烈的紫外線閃光,比太陽亮很多倍,閃光只持續百萬分之幾秒。高強度的閃光引起的暫時性光敏感度下降,造成閃光盲。小行星撞遇地表形成的閃光效應能夠持續幾分鐘,會對動物視網膜造成永久性損傷。一般來說,距離撞遇點1.5km以外不會直接看到閃光,閃光產生的紫外線熱輻射會導致皮膚非常強烈地發熱,造成“閃光灼傷”。在模擬計算阿波菲斯99942小行星 （直徑300m,約1000t的動能,撞遇角度分別為90°、45°和30°） 在未來可能撞遇的地球事件中,結果表明電離層擾動范圍波及全球性,并持續數小時,在100多公里的高度上電離層擾動范圍達到幾千公里的距離,空氣密度擾動達到百分之幾十。

小行星撞擊濺射成坑過程也屬于中短期撞遇效應。但針對較大的撞擊濺射場景,即使超出碎片濺射物的濺射范圍,較小顆粒的濺射物沉積厚度也足以對人類和建筑物造成破壞,在較遠距離大氣對粉塵粒度的沉積起著重要的作用,其時間作用效應具有長期性,空間上具有全球性。

5.2 長期環境災害效應

小行星撞遇事件雖然比其它自然災害 （如颶風、地震）的發生頻次低很多,但所產生的災難通常會嚴重、影響范圍更廣,且通常會同時導致多個環境擾動產生長期環境災害效應。小行星坑周圍的山體滑坡、崩塌等次生地質災害事件。 撞遇長期環境效應 （圖10）與撞擊粉塵、氣溶膠和氣體 （二氧化碳、硫氧化物、水蒸氣、甲烷）有關。盡管光熱輻射效應、近地表大氣沖擊波效應、地震波動效應會對當地的動植物造成毀滅性的災難,但不足以產生持續影響以致全球性物種大滅絕。撞擊事件會產生一系列不同的環境變化,進而以不同方式和不同時空尺度破壞生態系統,但其導致生物滅絕的能力是環境條件的函數,只有超越生物閾值時才能生效。

圖10 小行星撞擊長期環境災害效應示意圖Fig.10 Schematic diagram of long-term environmental disaster effects of asteroid impact

目前研究表明,撞擊能量≥3×10Mt TNT（可形成直徑超過100km的陸地撞擊坑）的撞遇事件在大氣形成的亞微米塵埃和煙灰會引起廣泛的氣候效應,導致明顯的生物滅絕事件 （海洋物種滅絕15%）。撞擊過程中,若釋放200～300Gt（（2～3）×10g） 的SO并轉化大約5×10g硫酸氣溶膠,則可以達到產生“撞遇冬天”的條件;Pope等人估算在希克蘇魯伯撞遇后的12年中,全球氣溫下降高達31℃;Gupta等以較小的氣溶膠質量為基礎進行計算,表明撞遇產生的硫酸鹽酸性氣溶膠可在大氣層中持續約9年,導致全球氣溫下降12～19℃;Brugger等人使用更復雜的耦合氣候模型,發現根據平流層硫酸鹽氣溶膠停留時間,全球年平均地表溫度在希克蘇魯伯撞遇之后可能會急劇下降至低于25℃,3～16年內普遍低于冰點溫度。目前利用得克薩斯布拉索斯河流域沉積物的TEX86古溫度測量技術研究表明,希克蘇魯伯撞遇事件發生后的前幾個月至幾十年內海洋表面溫度的大幅下降,也說明了撞遇注入平流層的塵埃和氣溶膠阻擋了太陽輻射導致全球范圍內海洋和大陸的光合作用大量消亡,從而成為導致大規模生物滅絕的主要驅動因素。即使是較小的撞遇事件對環境災害的影響也可達數年之久。如,1908年6月30日7時發生的俄羅斯通古斯事件,空爆造成2000 km內約3000萬棵樹木燃燒,數以千計的馴鹿被殺,北半球上空出現巨大的臭氧空洞,數年后才得以恢復。

5.3 區域性地殼運動效應

撞遇產生的地震波動效應,可能會誘發撞擊 臨近河谷的滑坡,通常會堵塞河道,形成堰塞湖;在特定的條件下,堰塞湖一旦發生潰決,下泄洪水將對下游河道、工程及城鎮等產生潛在的危害。此外,滑坡、崩塌為流域提供了大量不穩定泥沙,導致流域產沙增加,甚至持續100年。Bruce等發現地震活動誘發的地質災害,引起的河流侵蝕率為0.2～7mm/a;2008年的汶川地震,震區的森林、草甸以及濕地總面積也減少了1221km。

大型小行星的撞遇事件,可直接改變撞擊區的巖石圈應力狀態,導致區域性地震和火山頻發,形成地震活躍期。甚至會引起撞擊處地幔對流狀態的改變,從而影響大陸板塊運動狀態及地球淺部和深部地質結構;并可能誘發全球性大規模火山爆發和大規模板塊運動引起的超級地震,進一步加劇現有撞遇災害鏈。James和Jafar通過模擬發現巨型小行星的撞擊影響了火星的地幔運動,導致撞擊點下方形成上升流;每次撞擊都不同程度地改變著火星地幔對流模式。Craig等通過對巨型小行星撞擊對地球巖石圈板塊演變的模擬,也表明撞擊產生的能量同樣也會引起撞擊點地幔物質上涌,并驅動早期地球薄弱的板塊俯沖入地幔以下。

6 討論與展望

近地小行星對地球的撞遇是人類生存和發展面臨的重大潛在天體威脅之一。綜合國際撞擊災害研究,小行星超高速超高壓撞遇地表災害效應主要分為三類：光熱輻射、近地表大氣沖擊波和撞擊效應,如圖11所示。從區域分布而言可以分為局部效應和區域效應;從時間尺度可以分為瞬時、中短期和長期效應。光熱輻射的直接災害效應主要包括火災、地表物質氣化、電離、光化學等和局部高溫熔融變質;近地表大氣沖擊波直接災害效應是引起近地表超級風暴,進而引發突出地物倒塌,激起局地粉塵擴散與懸浮,長期效應可以導致生態環境災害鏈的發生最終導致氣候突變和生物滅絕;撞擊效應直接作用包括撞擊波動效應、撞擊局部高壓變質和撞擊濺射效應,撞擊濺射主要是在撞擊坑形成過程羽流物的形成以及濺射物的二次墜落,造成更大范圍人員傷亡以及設施毀壞,撞擊波動效應主要表現為大陸地震和海洋海嘯災害,撞擊波動效應也會引起區域性地殼長期運動,從而進一步引發系列火山災害鏈和地震災害鏈效應。

圖11 小行星撞遇地表災害效應圖Fig.11 Diagram of surface disaster effects of asteroid impact

撞擊坑是上述復雜效應的直觀表現,是撞擊濺射作用的結果狀態,瞬時撞擊坑的出現是小行星超高速超高壓撞擊地表沖擊和光熱輻射集中作用的近地表巖土氣化濺射所致,在撞擊波動效應、地球引力作用和長期地殼運動的共同推動下完成瞬時坑向最終坑的過渡轉化,從而形成目前地球表面撞擊坑形態。

受小行星撞擊事件災害的特殊性,其救援技術也是前所未有的。小行星撞遇地表伴隨強沖擊、高熱輻射和高濃度可吸入微米級塵埃及化學污染,現有的應急救援技術不能適用于小行星撞遇地表災害場景,如何保證救援隊伍進入獨特高熱輻射、高濃度塵埃和污染氣體撞擊現場所需的物資裝備,如何發展廢墟機器人、救援無人機等技術從而具備與小行星撞擊災害現場特種環境工作的能力是確定最優調配策略,實現有限資源的合理調配的關鍵。

目前我國正力爭在2030年實現近地天體的天地一體化監測預警網絡的運行,執行近地天體常態化監測、預警業務。國內關于小行星撞遇地球災害效應研究幾乎屬于空白狀態,與國際上歐美發達國家在此領域的研究水平具有較大差距,開展小行星撞遇地表災害效應評估不僅可以為小行星危害預警提供能力支撐,也可以為實施在軌處置提供決策依據,還能為小行星處置未果開展救援提供支撐條件。

面向未來,需要開展的研究工作包括：①結合近地小行星軌道運行規律和大氣層燒蝕解體空爆規律,加強對近地小行星抵達地表的頻率、能量、區域散布規律研究,為研究小行星地表撞遇災害、評估災害損失提供輸入;②加強對小行星撞遇地表引發的多物理場耦合效應、多災種耦合機理、多時空尺度演化規律研究,深化對小行星撞遇地表災害機理、效應和演化規律的認識;③加強對近地小行星撞遇與地球系統動態演化關聯性研究,揭示小行星撞遇對大氣圈、巖石圈、海洋圈、生物圈的短期、中期和長期影響;④研發小行星撞遇災害數值模擬算法及高性能仿真軟件,開展小行星撞遇災害應對演練,為研究小行星撞遇災害規律、科學評估小行星撞遇危害提供工具手段,提升小行星撞遇災害評估和應對能力。