太陽(yáng)系中的微隕石

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

太陽(yáng)系中的微隕石

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

流星和其他來(lái)自太空的碎屑

劃過(guò)銀河的流星[圖片來(lái)源：APOD]

來(lái)自太空的巖石或金屬的碎屑沖向地球時(shí)，由于與大氣層的劇烈沖擊和摩擦，會(huì)發(fā)出火一樣的光。有些時(shí)候，人造衛(wèi)星和宇宙飛船墜入大氣層，也會(huì)產(chǎn)生類似的現(xiàn)象。這種由于從太空沖入大氣層的物體急劇瓦解、氣化而產(chǎn)生的亮光，就稱為流星現(xiàn)象。我們?cè)谝雇砜吹降拇蟛糠至餍?，是彈子球大小的流星體在距地面80至100千米高度發(fā)出的光。地球大氣層在那里已經(jīng)十分稀薄，不過(guò)，由于這些流星體的時(shí)速通常在幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)千米（即數(shù)十千米/秒），劇烈的沖擊和摩擦使流星體前方空氣的溫度急劇上升，成為高溫的等離子體，同時(shí)，流星體的表面也在高溫、高壓下剝落、氣化成為等離子體。如同火焰一樣，流星體前方的這種高溫等離子體也會(huì)發(fā)光。這就形成了我們看到的流星。

經(jīng)歷了這樣高溫高壓的煎熬，流星體卻并不一定徹底地灰飛煙滅，它們的一些部分有時(shí)會(huì)殘留下來(lái)，并降落到地面。落到地面的物質(zhì)就稱為隕石。大多數(shù)的隕石都落到了海洋里。有時(shí)候，人們也能在陸地上發(fā)現(xiàn)它們，比如借助金屬探測(cè)器；或者當(dāng)它們落在沒有什么植被遮蔽的不毛之地，或者南極冰蓋上時(shí)——這時(shí)候，不需要什么技術(shù)就很容易發(fā)現(xiàn)它們。

每天落到地球上的地外物質(zhì)大約有200000千克，相當(dāng)于每秒都有好幾千克。其中的大部分并不會(huì)形成流星，而是以微小的塵埃顆?！㈦E石的形式降落到地面。那么，它們都去了哪里呢？畢竟每天200000千克的物質(zhì)還是不少的。大體上看，這些物質(zhì)降落到世界各處的概率是一樣的。也就是說(shuō)，其中的大部分落進(jìn)了海洋，但也有一些會(huì)落在我們的屋頂上！

自己動(dòng)手收集微隕石

微隕石非常微小，是大小只有微米級(jí)的“太空來(lái)客”，它們每天都在不斷地落到地球上。這里有一個(gè)比較簡(jiǎn)單的辦法，讀者可以通過(guò)它自己找出微隕石，即使住在繁忙的大城市中也沒有關(guān)系！不過(guò)，這個(gè)方法只能找出那些金屬質(zhì)的太空碎片。

由于微隕石降落的區(qū)域覆蓋整個(gè)地球表面，讀者在自己家的屋頂上就可以找到它們。這些微隕石隨著雨水落到屋頂上。因此，只要收集屋頂上的雨水，其中就含有那些來(lái)自太空的微小顆粒。不過(guò)，這樣收集到的雨水很容易被屋頂上的其他東西污染，比如植物的碎屑、塵土、霧霾顆粒和其他從空中沉降的物質(zhì)。

一般說(shuō)來(lái)，很難把微隕石從這些其他的物質(zhì)當(dāng)中分離出來(lái)。不過(guò)，要找出那些金屬質(zhì)（主要是鐵、鎳）微隕石的話，就比較容易了。我們用碗在屋頂上收集一點(diǎn)雨水，晾干，剩下的是微隕石和來(lái)自地球的各種碎屑的混合物。這時(shí)候只要把這些碎屑放到一張紙上，在紙的下面放一塊磁鐵，然后把紙稍微傾斜，非金屬質(zhì)的顆粒就會(huì)落下去，而留在紙上的就是來(lái)自太空的金屬質(zhì)微隕石了。當(dāng)然，在這些落到屋頂上的金屬質(zhì)顆粒中，也還會(huì)有一些是來(lái)自地球的。要把微隕石同這些金屬質(zhì)顆粒區(qū)分開，就得用顯微鏡了。微隕石可以從它們的外形辨認(rèn)出來(lái)：在落到地面之前，它們?cè)咚贈(zèng)_擊地球大氣層，因此，它們通常熔成球形，表面上也常會(huì)留下一個(gè)個(gè)的小洞。

圖中是熱情高漲的天文學(xué)家“捕獲”的一顆金屬質(zhì)微隕石。每天都有上千顆這樣的微隕石落到我們的屋頂上。通常它們會(huì)被雨水沖刷掉，不過(guò)只要稍作努力，還是能夠收集到這些來(lái)自地球之外的小東西的。[圖片來(lái)源：Ryan Thompson]

這是顯微鏡下觀察到的微隕石的樣子。這顆微隕石算是很大的，直徑已經(jīng)超過(guò)一毫米了。大多數(shù)的微隕石要小上一百倍（跟PM2.5和PM10的顆粒差不多大），不通過(guò)特殊設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)。微隕石的形狀一般是球形，表面上有很多小洞，跟地球上的塵埃顆粒不一樣。[圖片來(lái)源：Jon Larsen]

微隕石的科學(xué)價(jià)值

大多數(shù)微隕石都可以算是太陽(yáng)系中最古老的天體了。四十多億年前，在年輕太陽(yáng)周圍的巨大氣體盤中，形成了它們這些塵埃顆粒。這些塵埃顆粒中的絕大多數(shù)都經(jīng)過(guò)相互碰撞、融合形成了小行星、衛(wèi)星和行星。而另外一些則繼續(xù)在軌道上游蕩——或許明天就會(huì)落到不知誰(shuí)家的院子里。

天文學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家研究微隕石，并不是從屋頂?shù)挠晁惺占鼈兊摹Ｋ麄兊姆椒ㄒ?、更高效，?dāng)然也昂貴得多。為了避免地球大氣中（自然或人造的）顆粒的污染，科學(xué)家通常到很高的地方收集微隕石——他們通過(guò)飛機(jī)、氣象氣球、航天飛機(jī)甚至國(guó)際空間站上的設(shè)備來(lái)收集它們。

從科學(xué)的角度上看，微隕石之所以重要，在于它們?yōu)榈厍蚝吞?yáng)系中其他天體的起源提供了線索。在沖入地球的微隕石中，有一些誕生于近期的小行星碰撞，而更多的微隕石則是在太陽(yáng)系中的行星形成之前就誕生了。太陽(yáng)剛剛形成的時(shí)候，它的周圍曾環(huán)繞著一個(gè)巨大的、由氣體和塵埃組成的物質(zhì)盤。這些塵埃顆粒中的大部分，經(jīng)過(guò)不斷的相互碰撞，逐漸融合成沙、礫、巖石、小行星、微行星，并最終形成地球這樣的行星。而另外一些塵埃顆粒則繼續(xù)在軌道上游蕩。然而，其中一些的壽命不會(huì)太長(zhǎng)——它們?cè)诮裉炫c我們的地球相撞了。通過(guò)研究它們的化學(xué)組成、年齡、尺寸分布以及它們沖入地球的頻率，科學(xué)家用微隕石勾勒出我們地球和太陽(yáng)系其他天體的起源。

這是一顆來(lái)自太空的細(xì)小塵埃顆粒，即一顆微隕石——圖中顯示的是它尚未落入地球時(shí)的樣子。來(lái)自太空的塵埃顆粒是太陽(yáng)系中最古老的天體之一，它們提供了有關(guān)地球和其他行星如何形成的信息。這個(gè)塵埃顆?？瓷先ナ执植谂钏?，與落到地球表面的微隕石在形狀上大相徑庭。這是因?yàn)樗€沒有經(jīng)歷地球大氣帶來(lái)的毀滅性的沖擊和摩擦的緣故。[圖片來(lái)源：Donald Brownlee/University of Washington]

太空中的微隕石：宇航員和人造衛(wèi)星的大敵！

無(wú)論是沖入地球大氣時(shí)，還是落到地球表面之后，微隕石對(duì)地面上的我們都是完全無(wú)害的。然而對(duì)于所有地球軌道上的衛(wèi)星，以及無(wú)論是中國(guó)的空間站還是國(guó)際空間站中的宇航員來(lái)說(shuō)，它們卻極其危險(xiǎn)。微隕石可不認(rèn)得哪個(gè)是中國(guó)移動(dòng)的通信衛(wèi)星，哪個(gè)是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，哪個(gè)是法國(guó)的氣象衛(wèi)星——凡是飛到太空中的東西，都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在受著它們的威脅。

一個(gè)著名的例子是GOES-13，一顆幫助美國(guó)政府預(yù)報(bào)颶風(fēng)的氣象衛(wèi)星。2013年，一顆微隕石撞擊了衛(wèi)星的動(dòng)力系統(tǒng)，撞得它失去了平衡，最終整個(gè)衛(wèi)星停止工作。另一個(gè)更加危險(xiǎn)的事件發(fā)生在2012年，一顆微隕石襲擊了國(guó)際空間站的一個(gè)大窗戶。雖然這些微隕石都很小，但它們畢竟是以每小時(shí)100000千米的速度沖撞過(guò)來(lái)。幸好，如今的航天部門對(duì)這種事件都有所準(zhǔn)備。國(guó)際空間站上全部的窗戶都是由防彈玻璃制成的，并且使用了惠普爾防護(hù)（Whipple Shielding）技術(shù)：在窗戶的前面加裝一層透明的防護(hù)材料。這種材料與防彈背心性質(zhì)相類似：它能夠把撞擊的能量擴(kuò)散到一個(gè)較大的區(qū)域上，從而減輕損傷的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)，這種材料在遭到微隕石撞擊之后便失去了其強(qiáng)度，每次撞擊之后都必須更換。

宇航員特雷西?高德維爾?戴森（Tracy Caldwell Dyson）在國(guó)際空間站中欣賞地球風(fēng)光。這個(gè)窗戶在2012年遭到了微隕石的撞擊。所幸新技術(shù)保護(hù)了窗戶免于破碎。[圖片來(lái)源：NASA]

持續(xù)幾十億年的微隕石“雨”——它們都去了哪兒？

從天而降的微隕石“雨”已經(jīng)下了幾十億年。目前，地球是以每天200000千克的速度接收著這些太空中的碎片，而在過(guò)去，這一數(shù)字或許還要更高。出于方便，我們就假定自地球形成以來(lái)的四十多億年里，每天降落到地球上的物質(zhì)都是200000千克，那么地球的表面會(huì)因此鋪滿一層不到1米厚的太空塵埃。年復(fù)一年，風(fēng)和雨將這些物質(zhì)中的絕大部分帶進(jìn)了海洋，它們于是沉入了海底。而且，由于地球的表面處在不斷的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，隨著板塊移動(dòng)（常常會(huì)有一個(gè)板塊沉入另一板塊之下的情況發(fā)生），大多數(shù)落到地面的微隕石最終消失在地表的深處了。不過(guò)另外一些“天外來(lái)客”，則成為如今地球表面泥沙的一部分；或者還有一些，組成它們的原子，可能現(xiàn)在正是你身體的一部分。

地球上這種通過(guò)風(fēng)、雨和板塊運(yùn)動(dòng)從陸地上“清除”來(lái)自太空的塵埃的過(guò)程，在月球上并不存在。人類的探測(cè)器首次在月球著陸之前，人們?cè)鴳岩桑捎跀?shù)十億年的微隕石撞擊，月球上或許覆蓋著一層厚厚的太空塵埃。那時(shí)，人們還不知道這層塵埃的性質(zhì)。天文學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家懷疑，這塵埃層可能會(huì)有好幾米厚，探測(cè)器和宇航員也許會(huì)在踏上月球的土地之后陷進(jìn)去。美國(guó)宇航局（NASA）當(dāng)時(shí)對(duì)此事非常重視。好在月球的表面并不像想象的那么危險(xiǎn)。上面確實(shí)滿是塵土，不過(guò)漫步和開月球車還都適宜，插旗子、踏腳印也都正好。不過(guò)，這些太空塵埃卻是所有在月球上工作的機(jī)械和電子設(shè)備的大敵，從首次登陸月球直到中國(guó)的探月計(jì)劃一直如此。

在厚厚的微隕石層上，人類留下了月球上第一個(gè)足跡。這些微隕石是在過(guò)去幾十億年中不斷降落到月球表面的。

1969年7月20日，阿波羅11號(hào)的指令長(zhǎng)尼爾?阿姆斯特朗成為第一個(gè)踏上月球土地的人。在這里他說(shuō)出了那句歷史性的“個(gè)人的一小步，人類的一大步”的名言。尼爾?阿姆斯特朗是幸運(yùn)的，因?yàn)檫@“一小步”很有可能是完全不同的結(jié)局。在登上月球之前，人們只知道月球被一層微隕石塵埃覆蓋著，但并不知道它到底有多厚。在抵達(dá)月球之后，尼爾?阿姆斯特朗本來(lái)很有可能會(huì)陷入數(shù)米深的沙塵當(dāng)中。[圖片來(lái)源：NASA]