【月球表面那麼多隕石坑,為什麼沒看到隕石?】

ADVERTISEMENT

先上結論:絕大部分月球上形成撞擊坑的隕石都是熔融或氣化(melt or vaporized)掉了。

要知道通常隕石撞擊天體表面時候速度最起碼有數十千米每秒,爆破效果比 TNT 都不知道猛多少倍,跟原子彈倒是能比一比……結果大部分隕石就是砸下來然後碎了?我隻能說……你們對隕石的力量一無所知……

隕石撞擊某個天體表面的過程主要分為三個階段

1. 接觸和壓縮(Contact and compression)

高速撞到天體表面的隕石,首先會在接觸面形成衝擊波(shock wave)。

衝擊波同時在隕石內部和天體表面向外傳播,並劇烈壓縮兩者(等值線為壓強,單位 GPa)。

這一電光火石的過程非常快,直徑 20m 的隕石完成這個過程也就 1/1000s 左右,直徑 20km 的隕石也就隻需要一秒鍾(Melosh, 1989, 2011)。

什麼概念呢?引起 1400 多人受傷的 2013 年俄羅斯車里雅賓斯克市小行星撞擊事件那顆隕石隻有不到 20 米,傳說中滅絕了恐龍撞出了直徑 180km 的希克蘇魯伯隕石坑的那顆隕石,也就直徑 10km 而已。

ADVERTISEMENT

隕石在這一過程中可以說是瞬間就被壓縮為高壓狀態(下圖中灰色扁扁的一小坨),壓強通常能達到數百 GPa,而這一壓縮過程中產生的熱量會使隕石迅速熔融或氣化。當然接觸面附近天體表面的物質也一樣被熔融或氣化了。

2. 挖掘(Excavation)

衝擊波進一步擠壓和“打開”撞擊坑,同時把被擠壓的天體表面物質高速濺出(ejeata)。撞擊坑在這一過程中不斷擴大,最終會產生一個過渡撞擊坑(transient crater),直徑可達到隕石原本直徑的幾十倍。這一過程還會伴隨著天體表面附近岩石的衝積變質、破裂和撞擊波引起的震動,但這些都是天體表面原本的岩石的變化,並不是隕石自身的變化。

在撞擊坑擴大的過程中,原本被氣化的隕石和天體自身的岩石一同被快速射出撞擊坑,形成蒸汽熱柱(vapor plume,不知道翻譯成啥好 orz),基本長這樣:

(圖:Meteorite Impact)

這些物質可能飄散到大氣里(會影響周圍的大氣),可能再次落回來。如果撞擊足夠大的話,產生的 vapor plume 可能達到很高的速度(有時會超過該天體的逃逸速度並飛出該天體),這種“撞擊汙染”可能在火星大氣的早期曆史中起過重要作用。

3. 重塑(Modification)

ADVERTISEMENT

上一階段產生的過渡撞擊坑如果比較小,基本會維持原樣,那就會形成最簡單的碗狀撞擊坑,太大的話會因為重力而坍塌,那麼撞擊坑會進一步擴大,而撞擊坑中間部分會回彈隆起,形成中央峰,然後中央峰又會不斷坍塌,再加上外界的風化,大型撞擊坑內部都會比較平坦。這個“大”和“小”的分界點隨著不同天體的表面重力加速度大小而改變,地球表面重力加速度比較大,直徑 3-6km 以上的撞擊坑就可能會坍塌,而月球可以維持到 15km 左右。這個過程已經跟最初的隕石沒什麼關係了。

↓ 月球上的碗狀撞擊坑(直徑 2.5 km)和複雜撞擊坑(直徑 102 km)

然後來說一下 @風塵亂舞 的回答,主要有兩個方面我覺得有需要討論之處。

1.

首先他肯定了會發生“融化和氣化”的可能性,但這並不能解釋為什麼“大型隕石坑很難找到隕石體,而小型隕石坑常常能找到”

恰恰相反,越是大型隕石坑,衝擊波強度越大,熔融氣化得越快,越不可能碎掉。而是否熔融氣化並不是隕石成分決定的,而是撞擊速度決定的。這個閾值是 12km/s,是絕大多數正常降落的隕石都能達到的速度。此外,產生的撞擊坑越大(也就是隕石本身越大越快),熔融氣化的部分也就越多(下圖注意長度比例尺不一致)。

那麼吉林一號隕石那些碎塊又是怎麼回事呢?恰恰是因為不夠大,不夠快,最主要的原因可能是地球大氣層的保護,隕石經過大氣層已經重量減少了很多,速度也已經被拖慢了,和大氣層摩擦加熱之後還可能已經爆了幾次碎了了幾次,最後撞到地表的衝擊力自然不可同日而語。吉林一號隕石最大的那塊不過重 1770kg,撞出的撞擊坑直徑才 2 米……跟我們日常看到的月球上幾公里到幾百公里的撞擊坑完全不是一個尺度的,何況月球幾乎沒有大氣層的保護。至於撞擊模擬實驗中的碎裂,也是因為實驗環境下無法模擬出那麼大那麼重那麼快的撞擊體而已。

ADVERTISEMENT

2.

前面也已經說了,撞擊坑形態是碗狀還是平坦隻是是與撞擊坑大小和天體的表面重力加速度有關,平坦隻是因為太大了塌了而已,並沒有什麼特殊的原因。確實大型高速隕石可能會擊破殼層,撞出幔層物質(月球南極艾肯盆地就有這種可能),也有引起火山噴發的可能性,但並不是說大型撞擊坑直接在撞擊的位置撞出了火山,而是撞擊引起的地質活動容易引起其他地方(尤其是撞擊坑位置對應的天體的反面, antipode)的火山,比如火星奧林匹斯區域的火山群的產生,就有可能是受隔了 180°正對面的大型撞擊盆地希臘盆地的影響……所以火山噴發的岩漿覆蓋了碎裂的隕石體這一說法我覺得不很合理,而且目前為止我也沒找到相關文獻支持……

(圖:Viking: Mars -- Kids Encyclopedia)

Reference

示意圖全部改編自 Melosh (2011) Chapter 6

Melosh, H. J. (1989). Impact cratering: A geologic process.Research supported by NASA. New York, Oxford University Press (Oxford Monographs on Geology and Geophysics, No. 11), 1989, 253 p.1.

Melosh, H. J. (2011).Planetary surface processes(Vol. 13). Cambridge University Press.

客官,這篇文章有意思嗎?

好玩!下載 App 接著看 (๑•ㅂ•) ✧

再逛逛吧 ˊ_>ˋ

ADVERTISEMENT