近年来,有不少小行星掠过地球,有的距离地球才几万公里,虽然有惊无险,但人们很担忧,小行星撞击地球到底要多近就会被地球引力捕获,撞向地球,从而引发巨大灾难呢?
其实这只是一种误区。
小行星撞地球一般是没有距离要求的。
因为即便它擦着地球过去,由于其速度很快,也不会被地球所吸引。
这个速度需要多快呢?根据万有引力定律,科学家们得到了在地球上的三个宇宙速度,第一宇宙速度叫环绕速度,为7.9km/s,就是达到这个速度,人造天体或小天体就能够与地球引力抗衡,既不被地球引力拉拽下来,也无法脱离引力而飞向深空,只能绕着地球转;第二宇宙速度叫脱离速度,为11.2km/s,达到这个速度就可以脱离地球引力飞向别的行星;第三宇宙速度为逃逸速度,实际上是在地球这个位置逃出太阳引力的速度,为16.7km/s。
这三个宇宙速度都是从地表计算的,在距离地球表面不同高度,所对应的三个宇宙速度是不一样的,越高所需的速度越小。而这几个速度里面最重要的是第二宇宙速度,这个速度实际上是地球的逃逸速度,也是每个天体的逃逸速度,只不过与速度应该与天体质量成正比,质量越大所需的逃逸速度越大。
其计算公式为:v=√(2GM/R)
这里,v为逃逸速度,G为引力常量,M为天体质量,R为天体半径或者距离天体质心距离。
根据这个公式计算,太阳表面的逃逸速度为617.7km/s。
只要速度达到了,太阳也无法抓住小行星。
2017年10月19日,科学家们发现了一个不速之客,研究认为这是一颗太阳系外流窜过来的小行星,长约400米,宽约40米,呈现出一根雪茄状。这颗小行星被编号为C/2017 U1,昵称奥陌陌(1I/Oumuamua)(见上图)。
这颗小行星以每秒26km的速度从天琴座方向冲进太阳系,2017年9月9日达到了近日点,最后以每秒约40千米的速度向太阳系外飞去。可能有人要问,太阳的逃逸速度为617.7千米,这颗小行星怎么没有被太阳捕获呢?
其实这里有一个角速度守恒定律在起作用,也就是说随着围绕引力中心半径的缩小,其角速度就会相应增加。这颗小行星在进入太阳系时每秒26km的速度,在那个距离是远远大于太阳逃逸速度的,随着接近太阳被太阳引力拉拽,速度越来越快,当靠近太阳时,角速度守恒会使线速度大大提升,当到达近日点时速度依然会大于逃逸速度。
奥陌陌进入太阳系轨迹
奥陌陌距离太阳最近时为0.255个天文单位,已经在水星轨道内了,这时速度达到了87.71km/s,而在这个位置对应的太阳逃逸速度约为83.5km/s;到达地球轨道位置时,速度衰减到49.7km/s,依然是大于逃逸速度的。随着距离太阳越来越远,在太阳引力拉拽下,还会越来越慢,但其初速度一直是大于太阳逃逸速度的,因此它最终能够飞出太阳系,飘向远方。
太阳是太阳系的老大,质量占有了整个太阳系的99.86%,地球质量只是太阳的33万分之一。既然引力大小是由质量决定的,与质量成正比,太阳的引力都捕获不了小行星,何况地球?
因此,撞上地球的小行星只有两种情况。
一种是对准了地球,正好与地球相撞;二是小行星的速度不够,进入地球引力圈被地球吸引掉下。
对准了地球包括擦进了地球大气层。一般来说,小行星撞击到地球大气层有两种情况:一种是像打水漂一样的被弹了出去,这是角度很小的情况下会发生的;还有一种就是角度较大,钻入了大气层,在浓密大气的阻力下很快减速并燃烧,最终撞击在地球上。几乎每天都有的流星、小陨星就是这样来的。
小行星一旦被地球引力捕获或者撞入地球大气圈,很可能发生爆炸碎裂。这种碎裂也有两种情况,一种是在大气层剧烈摩擦高温下炸裂,还有一种就是被地球引力潮汐撕碎。到达引力潮汐撕碎的距离叫洛希极限,其公式见下图:
公式中d表示洛希极限,R为大天体半径,pM为大天体密度,pm为小天体密度。
这是因为当两个天体靠近时,引力会在星体不同部位产生不同的拉拽力,导致星体的变形,小天体受不了这种变形力的拉扯,就会被撕碎。土星环就是因为有一颗小行星或者卫星,进入了土星的洛希极限而被撕碎形成的。
一般来说,砸到地球的小行星很少有一个完整的。由于巨大冲击力导致的高温高压,即便撞击到地表的小行星碎片大部分也会被气化掉。
因此,小行星撞击地球主要不是被地球引力吸过来的,而是运行轨迹正好与地球交叉,专业术语叫做小行星测地线轨迹末端直接指向了地球,地球无法避开只有挨撞了。
现在人类应对小行星撞击的能力还很薄弱,如真有小行星测地线轨迹指向了地球,必须能够提前10年发现,才有可能通过核爆、引力拖曳、撞击、太阳帆、火箭推动等方式改变其轨迹。但从近年掠过地球的小行星来看,都是不速之客,提前几天甚至几个小时才发现。如果是这种情况,或者即便很早发现但由于小行星体积质量太大,各种防范措施都无效,人类将完全无能为力,只能自祁多福坦然面对,等待末日到来。
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