问题

通古斯大爆炸是什么原因造成的?

回答
关于通古斯大爆炸,那个1908年发生在西伯利亚的惊天巨响,至今仍笼罩着一层神秘的面纱,也正是这份神秘,让无数人为之着迷,也引发了无数的猜想。它就像一场来自宇宙深处的问候,只不过这份问候来得过于粗暴,直接将一片广袤的森林夷为平地。

要说原因,最被大家普遍接受,也最符合科学逻辑的,还是小行星或彗星的空中解体。你可以想象一下,当时那片天空,静谧而安详,突然,一个巨大的火球划破天际,拖着长长的尾巴,就像一颗愤怒的流星。它不是直接砸到地面,而是在离地面大概几公里到十几公里的高度,因为承受不住地球大气层的巨大压力和摩擦,轰然炸开。

这个爆炸的威力,可不是我们平时听说的“砰”的一声,而是相当于一次千百万吨TNT炸药同时爆炸的威力。你可以想象一下,当时在地面的观察者,看到的是什么?是比太阳还要耀眼的火球,是震耳欲聋的轰鸣声,是如同地震般的地面颤抖,甚至是冲击波像巨浪一样席卷而来,将周围的一切都吹得东倒西歪。

爆炸发生后,产生的冲击波以超音速传播,横扫了数千平方公里的森林,将近两亿棵树木瞬间倾倒,而且几乎都是朝着一个方向倒下,那景象,就像是被一只巨手强行推倒的积木。更奇特的是,爆炸中心区域的一些树木,虽然没有倒下,但树皮却被烧焦,枝干也焦黑一片,像是被烤熟了一样。

为什么会是这个原因呢?首先,现场没有发现任何撞击坑。这点很重要。如果是一个完整的陨石撞击地面,通常都会留下一个巨大的坑。而通古斯事件,虽然有巨大的破坏力,却没有找到那个“罪魁祸首”的痕迹。这就排除了许多直接撞击的可能性。

其次,当时的许多目击者报告都提到了一个巨大的火球,以及随之而来的强大冲击波。这些描述都与小天体在大气层中爆炸时的现象非常吻合。而且,这次事件发生后,全球很多地方都观测到了异常的日落现象,天空泛着红光,这可能是由于爆炸产生的尘埃和颗粒被抛入高层大气,反射阳光造成的。

关于这个“罪魁祸首”的具体身份,科学家们也有不同的看法。

石质小行星: 一种说法是,它是一个石质的小行星,在进入大气层后,因为结构不够坚固,被高温高压撕裂,然后爆炸。
彗星: 另一种更流行的说法是,它是一颗彗星。彗星主要由冰和尘埃组成,结构非常松散。当它高速冲入地球大气层时,会在极低的温度下迅速升华和解体,然后在空中爆炸。这种可能性也解释了为什么没有找到金属或岩石碎片。

除了这两种主流观点,当然还有很多其他更为奇特的猜测,比如:

反物质爆炸: 这种说法认为,是一个反物质团块与地球物质接触,发生了湮灭反应,释放出巨大的能量。但这种说法缺乏足够的证据支持,而且反物质的产生和存在本身就是非常困难的。
黑洞: 也有人提出,可能是一个微型黑洞穿过了地球,或者在地球附近发生了某种相互作用。但这同样是非常极端的设想,并且没有实际证据。
外星飞船失事: 还有一种更具想象力的说法,就是这是一起外星飞船的事故。当然,这种说法更多的是出现在科幻小说或民间传说中,并没有科学依据。

可以说,通古斯大爆炸就像是在给科学界留下的一道难题。虽然我们有比较有说服力的理论,但由于缺乏直接的、保存完好的证据(比如那个爆炸的“尸体”),这个事件的每一个细节都充满了探索的空间。也正是因为这样,它才如此引人入胜,激发着人们对宇宙的好奇心和对未知的探索欲。它提醒我们,即便是在看似平静的天空之下,也可能隐藏着足以改变世界的巨大力量。

网友意见

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目前比较被科学界所接受的说法是一个陨星在大约离地6至10公里上空爆炸。

陨星通常是从外太空进入地球,速度通常可达每秒10公里。其在通过大气层时摩擦所产生的热十分巨大,大部分的陨星在到达地面时便已燃烧殆尽或爆炸。一个直径10米的陨石可以产生约2万吨左右的爆炸,相当于投在广岛的原子弹威力。

从20世纪后半开始,对地球大气层的监测让人类开始注意千吨级陨石的空中爆炸。根据美国空军国防支援计划(Defense Support Program)的资料显示,这种爆炸大约一年会发生一次。而类似通古斯那种大小的一千万吨级的是非常罕见的;尤金·舒梅克博士估计这种大小的陨石大约300年才会发生一次。

2013年俄罗斯乌拉尔陨石雨事件为陨石爆炸说提供了强力佐证。比太阳还要明亮的火球,巨大的音爆,和在天空中留下长长的烟雾轨迹无不与通古斯卡巴大爆炸当时的记录相符,只是在通古斯卡上空燃烧爆炸的陨石显然要比2013年的大得多。

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一般认为就是陨石半空爆炸,当然也有一些少数派理论认为是沼气爆炸,这个相关的资料不多,暂且不理会。但陨石爆炸是很常见的。陨石爆炸导致通古斯大爆炸的概念图如下:

红色部分是陨石划过形成的高温火球,蓝色的是冲击波

冲击波和强光从半空中打下来,在没有陨石坑的情况下就把很大范围内(图中被映红的部分)的树木烧焦,并使中心点附近的树木呈蝴蝶形辐射状倒下(因为陨石解体时还在前进,所以冲击波是长条形的)。就像一颗核弹在空中爆炸了一样。只不过能量来自陨石的动能而不是核能。


其实并不是陨石爆炸本身释放了能量,而是能量的剧烈释放摧毁了陨石本身,而陨石的碎裂又进一步刺激了更多能量的释放。(敲黑板!)对于动能而言,只要有巨大的过载(加速度),就会瞬间释放巨大的能量。比如跳楼或车祸下落和高速行驶不会死人,落在气垫上或正常刹车也不会死人,但是撞在硬东西上瞬间停下就会瞬间释放巨大的能量造成伤亡


是什么东西让陨石瞬间停下来了呢?


要了解这种能量,首先要了解一个东西:激波。在流体中运行的物体,如果速度超过了流体的波速(比如音速),前方的流体就来不及躲开而不断堆积,产生一个高压的区域,这个区域与物体之间就有一个流速从超音速突然减到亚音速的屏障或气压突然改变的边界,称为激波。这个波的两侧气压不同,这种压力差会给物体减速。一个足够钝头的物体的激波通常是弓形的。


激波是随物体移动的,所以它本身就能传递能量,它和爆炸产生的冲击波是一回事,都是压力瞬间变化的波。超音速飞机甚至能把地上居民的玻璃给震碎。


在激波堆积的热更是会放出巨大的能量。大家都知道压燃式的柴油机吧,空气一压柴油就着了。空气压缩得越严重,气温就越高。周围的冷空气来不及吸收的热就以热辐射的形式放出去了,当温度高到热辐射的波长短到了可见光范围,我们就看到光了。我们平时看到的流星的光就是这么回事,航天器再入时要防热也是因为这个道理(才是因为“摩擦”呢!)

好了,那能量是怎么“突然”释放出来,像核爆炸那样的呢?两个原因:大气密度和正反馈机制。


虽然我知道大家不喜欢看公式,但是必须在这里上一个公式,用来描述物体在空气中受到的阻力:

Fd是空气阻力,p是空气密度,V是相对速度,Cd是阻力系数,A是向垂直于风向的平面做投影的面积。

可以清楚地看出空气阻力与这些数量都是成正比的,但是和速度的二次方成正比,其他的都是一次方。请牢记这个关系。


然后我们看图:


地球对流层与海拔的关系图。地球上90%的空气都集中在12000米以下,三万米以上空气基本忽略不计。然而对于高超音速的陨石来说,速度足以让大量稀薄的空气在前方堆积,它从海拔120KM就开始受到空气阻力,从80KM就开始发光了。


随高度下降,空气稠密程度的增加一开始很慢,然而到了两万米后,突然开始剧烈得变得稠密。往后的事情就很好理解了——陨石从外太空向地面以高于第二宇宙速度(题外话:所有从地球引力场外落到地球上的物体,撞击的速度最低是第二宇宙速度,原因自己想)穿过只有几万米厚的低层大气,这和撞上地面没有太大的区别。就像一个在空气中下落了一千米的人,摔在水泥地上还是摔在水里没啥不同。接触到低空大气的时候,陨石就像撞上了迎面而来的一堵墙,其速度急剧降低(不同质量的陨石损失的速度不同,具体对应关系见文末的英文链接)。动能急剧变成激波和热。


仅仅如此还达不到“爆炸”的程度,然而一般的石陨石(尤其是球粒陨石)就是一团散沙,根本无法承受如此巨大的过载与高温。于是在11KM-27KM之间的空中开始被破坏。碎裂处的形状改变,阻力系数增加,于是堆积更多热,陨石就从这里开始被撕成碎片。


陨石一旦碎裂成多块,一个高一生物教给大家的原理就开始发挥作用,那就是相对表面积。物体的体积与宽度的三次方成正比,表面积则与宽度的二次方成正比,物体碎裂后没有增加质量却增加了表面积,根据上面的公式我们可以看到,整体所受的阻力就会增加。同时,这些新增的表面也开始压缩空气产生更多的热能和阻力,这些热能和阻力使得陨石继续碎裂。这个过程是一个正反馈的过程,犹如连锁反应一般失控发展直到陨石携带的动能全部释放进空气,残余部分被降低至终端速度为止。这种能量的瞬间释放便形成了凌空核爆一般的效果。

2013俄罗斯陨石,触碰低空大气时开始崩解,高温产生了亮光,该火球比太阳的视星等还亮,释放出的能量超过了20个“小男孩”原子弹,这股能量传到地面能震塌了厂房屋顶。其实这颗陨石的质量很大,如果它足够坚固,就能保持足够的速度撞击地面(通古斯的那颗也是),但是一旦在空中炸裂,所有的动能会全部丧失。

高温等离子化了周围的空气,余温使火球继续发光。其右侧拖出的白烟是碎裂的陨石碎片,飞不远后它们便不再发光,这是因为其速度已降为亚音速。碎片会沿条带状撒在地上,和一把空气中自由落地的普通碎石一样。


与科幻作品中描绘得不同。多数陨石撞击不会产生那种【一个火球拖着尾巴撞到地上,一道强光闪过,冲击波飞过,尘埃落定后发现地上砸了个大坑】的效果,陨石一般在下落过程中被减速至终端速度,落地前的一段是无光落体,冲击波主要是从天上来的。能撞出可观陨石坑的陨石要么非常坚硬(比如铁陨石,巴林杰就是),要么就是特别大(太重难以被减速),还有少数纯属运气好没碎(速度已经很慢只能砸个小坑)。


低空大气层的巨大空气阻力对于航天器是个非常巨大的危险,所以航天器再入大气层的时候,都会让自己的近拱点擦过地面上空,尽可能切到高空大气里,同时还要让航天器本身有一定的攻角避免在超音速时就落入低空大气,这就是【再入走廊】。

可是陨石不会调整自己的轨道啊,它自己就那么直勾勾地朝着地面撞过来了,自然是一头撞在低层大气上了。当然还有极少数陨石切得太浅,打水漂一样又飞回宇宙了,被称为掠地火球(Earth-grazing fireball),不过那就是另一码事了。

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才疏学浅,作为业余爱好者,答案难免有纰漏之处。有人要求权威来源,这几天我把材料找齐一下。对陨石坠落感兴趣的可以先看看这个英文页面,它很容易用翻译软件翻译成中文:Fireball FAQs


最后,送上我很喜欢的NASA做的卡西尼号落幕的动画。最后那段卡西尼号在土星大气中焚毁的效果做得非常真实,流星体基本也是那样的一个过程。

(熟肉)卡西尼号的终曲/NASA at Saturn- Cassini's Grand Finale https://www.bilibili.com/video/av9629269/?from=search&seid=12943925911730483253

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