太阳系中的微陨石

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

太阳系中的微陨石

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

流星和其他来自太空的碎屑

划过银河的流星[图片来源：APOD]

来自太空的岩石或金属的碎屑冲向地球时，由于与大气层的剧烈冲击和摩擦，会发出火一样的光。有些时候，人造卫星和宇宙飞船坠入大气层，也会产生类似的现象。这种由于从太空冲入大气层的物体急剧瓦解、气化而产生的亮光，就称为流星现象。我们在夜晚看到的大部分流星，是弹子球大小的流星体在距地面80至100千米高度发出的光。地球大气层在那里已经十分稀薄，不过，由于这些流星体的时速通常在几万到十几万千米（即数十千米/秒），剧烈的冲击和摩擦使流星体前方空气的温度急剧上升，成为高温的等离子体，同时，流星体的表面也在高温、高压下剥落、气化成为等离子体。如同火焰一样，流星体前方的这种高温等离子体也会发光。这就形成了我们看到的流星。

经历了这样高温高压的煎熬，流星体却并不一定彻底地灰飞烟灭，它们的一些部分有时会残留下来，并降落到地面。落到地面的物质就称为陨石。大多数的陨石都落到了海洋里。有时候，人们也能在陆地上发现它们，比如借助金属探测器；或者当它们落在没有什么植被遮蔽的不毛之地，或者南极冰盖上时——这时候，不需要什么技术就很容易发现它们。

每天落到地球上的地外物质大约有200000千克，相当于每秒都有好几千克。其中的大部分并不会形成流星，而是以微小的尘埃颗粒——微陨石的形式降落到地面。那么，它们都去了哪里呢？毕竟每天200000千克的物质还是不少的。大体上看，这些物质降落到世界各处的概率是一样的。也就是说，其中的大部分落进了海洋，但也有一些会落在我们的屋顶上！

自己动手收集微陨石

微陨石非常微小，是大小只有微米级的“太空来客”，它们每天都在不断地落到地球上。这里有一个比较简单的办法，读者可以通过它自己找出微陨石，即使住在繁忙的大城市中也没有关系！不过，这个方法只能找出那些金属质的太空碎片。

由于微陨石降落的区域覆盖整个地球表面，读者在自己家的屋顶上就可以找到它们。这些微陨石随着雨水落到屋顶上。因此，只要收集屋顶上的雨水，其中就含有那些来自太空的微小颗粒。不过，这样收集到的雨水很容易被屋顶上的其他东西污染，比如植物的碎屑、尘土、雾霾颗粒和其他从空中沉降的物质。

一般说来，很难把微陨石从这些其他的物质当中分离出来。不过，要找出那些金属质（主要是铁、镍）微陨石的话，就比较容易了。我们用碗在屋顶上收集一点雨水，晾干，剩下的是微陨石和来自地球的各种碎屑的混合物。这时候只要把这些碎屑放到一张纸上，在纸的下面放一块磁铁，然后把纸稍微倾斜，非金属质的颗粒就会落下去，而留在纸上的就是来自太空的金属质微陨石了。当然，在这些落到屋顶上的金属质颗粒中，也还会有一些是来自地球的。要把微陨石同这些金属质颗粒区分开，就得用显微镜了。微陨石可以从它们的外形辨认出来：在落到地面之前，它们曾高速冲击地球大气层，因此，它们通常熔成球形，表面上也常会留下一个个的小洞。

图中是热情高涨的天文学家“捕获”的一颗金属质微陨石。每天都有上千颗这样的微陨石落到我们的屋顶上。通常它们会被雨水冲刷掉，不过只要稍作努力，还是能够收集到这些来自地球之外的小东西的。[图片来源：Ryan Thompson]

这是显微镜下观察到的微陨石的样子。这颗微陨石算是很大的，直径已经超过一毫米了。大多数的微陨石要小上一百倍（跟PM2.5和PM10的颗粒差不多大），不通过特殊设备很难发现。微陨石的形状一般是球形，表面上有很多小洞，跟地球上的尘埃颗粒不一样。[图片来源：Jon Larsen]

微陨石的科学价值

大多数微陨石都可以算是太阳系中最古老的天体了。四十多亿年前，在年轻太阳周围的巨大气体盘中，形成了它们这些尘埃颗粒。这些尘埃颗粒中的绝大多数都经过相互碰撞、融合形成了小行星、卫星和行星。而另外一些则继续在轨道上游荡——或许明天就会落到不知谁家的院子里。

天文学家和地质学家研究微陨石，并不是从屋顶的雨水中收集它们的。他们的方法要更精致、更高效，当然也昂贵得多。为了避免地球大气中（自然或人造的）颗粒的污染，科学家通常到很高的地方收集微陨石——他们通过飞机、气象气球、航天飞机甚至国际空间站上的设备来收集它们。

从科学的角度上看，微陨石之所以重要，在于它们为地球和太阳系中其他天体的起源提供了线索。在冲入地球的微陨石中，有一些诞生于近期的小行星碰撞，而更多的微陨石则是在太阳系中的行星形成之前就诞生了。太阳刚刚形成的时候，它的周围曾环绕着一个巨大的、由气体和尘埃组成的物质盘。这些尘埃颗粒中的大部分，经过不断的相互碰撞，逐渐融合成沙、砾、岩石、小行星、微行星，并最终形成地球这样的行星。而另外一些尘埃颗粒则继续在轨道上游荡。然而，其中一些的寿命不会太长——它们在今天与我们的地球相撞了。通过研究它们的化学组成、年龄、尺寸分布以及它们冲入地球的频率，科学家用微陨石勾勒出我们地球和太阳系其他天体的起源。

这是一颗来自太空的细小尘埃颗粒，即一颗微陨石——图中显示的是它尚未落入地球时的样子。来自太空的尘埃颗粒是太阳系中最古老的天体之一，它们提供了有关地球和其他行星如何形成的信息。这个尘埃颗粒看上去十分粗糙蓬松，与落到地球表面的微陨石在形状上大相径庭。这是因为它还没有经历地球大气带来的毁灭性的冲击和摩擦的缘故。[图片来源：Donald Brownlee/University of Washington]

太空中的微陨石：宇航员和人造卫星的大敌！

无论是冲入地球大气时，还是落到地球表面之后，微陨石对地面上的我们都是完全无害的。然而对于所有地球轨道上的卫星，以及无论是中国的空间站还是国际空间站中的宇航员来说，它们却极其危险。微陨石可不认得哪个是中国移动的通信卫星，哪个是哈勃太空望远镜，哪个是法国的气象卫星——凡是飞到太空中的东西，都无时无刻不在受着它们的威胁。

一个著名的例子是GOES-13，一颗帮助美国政府预报飓风的气象卫星。2013年，一颗微陨石撞击了卫星的动力系统，撞得它失去了平衡，最终整个卫星停止工作。另一个更加危险的事件发生在2012年，一颗微陨石袭击了国际空间站的一个大窗户。虽然这些微陨石都很小，但它们毕竟是以每小时100000千米的速度冲撞过来。幸好，如今的航天部门对这种事件都有所准备。国际空间站上全部的窗户都是由防弹玻璃制成的，并且使用了惠普尔防护（Whipple Shielding）技术：在窗户的前面加装一层透明的防护材料。这种材料与防弹背心性质相类似：它能够把撞击的能量扩散到一个较大的区域上，从而减轻损伤的风险。不过，这种材料在遭到微陨石撞击之后便失去了其强度，每次撞击之后都必须更换。

宇航员特雷西•高德维尔•戴森（Tracy Caldwell Dyson）在国际空间站中欣赏地球风光。这个窗户在2012年遭到了微陨石的撞击。所幸新技术保护了窗户免于破碎。[图片来源：NASA]

持续几十亿年的微陨石“雨”——它们都去了哪儿？

从天而降的微陨石“雨”已经下了几十亿年。目前，地球是以每天200000千克的速度接收着这些太空中的碎片，而在过去，这一数字或许还要更高。出于方便，我们就假定自地球形成以来的四十多亿年里，每天降落到地球上的物质都是200000千克，那么地球的表面会因此铺满一层不到1米厚的太空尘埃。年复一年，风和雨将这些物质中的绝大部分带进了海洋，它们于是沉入了海底。而且，由于地球的表面处在不断的运动当中，随着板块移动（常常会有一个板块沉入另一板块之下的情况发生），大多数落到地面的微陨石最终消失在地表的深处了。不过另外一些“天外来客”，则成为如今地球表面泥沙的一部分；或者还有一些，组成它们的原子，可能现在正是你身体的一部分。

地球上这种通过风、雨和板块运动从陆地上“清除”来自太空的尘埃的过程，在月球上并不存在。人类的探测器首次在月球着陆之前，人们曾怀疑，由于数十亿年的微陨石撞击，月球上或许覆盖着一层厚厚的太空尘埃。那时，人们还不知道这层尘埃的性质。天文学家和地质学家怀疑，这尘埃层可能会有好几米厚，探测器和宇航员也许会在踏上月球的土地之后陷进去。美国宇航局（NASA）当时对此事非常重视。好在月球的表面并不像想象的那么危险。上面确实满是尘土，不过漫步和开月球车还都适宜，插旗子、踏脚印也都正好。不过，这些太空尘埃却是所有在月球上工作的机械和电子设备的大敌，从首次登陆月球直到中国的探月计划一直如此。

在厚厚的微陨石层上，人类留下了月球上第一个足迹。这些微陨石是在过去几十亿年中不断降落到月球表面的。

1969年7月20日，阿波罗11号的指令长尼尔•阿姆斯特朗成为第一个踏上月球土地的人。在这里他说出了那句历史性的“个人的一小步，人类的一大步”的名言。尼尔•阿姆斯特朗是幸运的，因为这“一小步”很有可能是完全不同的结局。在登上月球之前，人们只知道月球被一层微陨石尘埃覆盖着，但并不知道它到底有多厚。在抵达月球之后，尼尔•阿姆斯特朗本来很有可能会陷入数米深的沙尘当中。[图片来源：NASA]