太空里的撞击
我们已经知道,辐射以光子的形式存在,其每次撞击都会破坏单个原子或小原子团。当撞击体较大时——至少是一个粉尘颗粒的大小,其影响会显现在更为宏观的尺度上。如果要你选一个词来概括太阳系的历史,你应该选“碰撞”一词。从太阳系诞生于一片星际尘埃和气体云的那一刻起,就已发生过无数次碰撞。那片云里的原子、分子还有尘埃彼此撞击和结合,形成的天体越来越大并继续相互碰撞,运动速度快的天体把彼此撞得粉碎,而运动速度慢的则继续结合。大约1亿年后,那片尘埃和气体云最终聚合成这些大的天体:太阳、行星、卫星和体积较大的小行星。数十亿块小碎片依然留在太阳系,成为太空旅行的潜在杀手。
让我们快进到今天。你可能会惊奇地发现,虽然太空碎片不断进入地球大气层,但我们每天仍旧高枕无忧地生活在地球上。这是因为频繁出现的小块太空碎片(大小如尘埃颗粒和卵石)已被大气层加热和汽化。体积较大的碎片在穿越大气层时,一部分质量就已经被汽化,剩余的部分落到地面上,伤害人畜,毁坏物体。落到地球上的太空碎片叫作陨石。有关人、动物、建筑物被陨石击中的故事不胜枚举,其中有些是有记载的,但也有很多只是传闻而已。
近地轨道上的撞击
我们曾在近地轨道观察到自然的和人造的太空碎片撞击地球。在国际空间站所在的高度,我们就不再受到地球大气层的保护。范艾伦辐射带可以使一些能量最低的太空粒子发生偏移,但前提是这些粒子必须带电(通常是通过失去电子而带电的)。地球磁场无法改变任何中性粒子的方向,且范艾伦辐射带的强度也不足以显著偏转更大的太空碎片,比如卵石大小以及更大的碎片。因此,太空碎片很可能会撞击环绕地球运行的所有人造设备。在登陆或掉回地球的航天器和空间站的部件上,你能够清楚地看到撞击坑。有些设备暴露在太空中不到10年,起初光滑的表面现在看起来已经像布满陨坑的月球一样坑坑洼洼(见图7.2)。
此外,我们人类自己也制造太空碎片,有些也会撞击近地轨道上的航天器。这些碎片包括固体火箭推进器的发动机在点火时形成的粒子、人类排泄物、航天器表面掉下来的油漆斑块、被陨石或其他人造太空碎片撞碎的太阳能电池板等等。
幸运的是,为了提高安全性,我们可以使用雷达技术来跟踪近地轨道上直径大于0.25厘米的物体。如果有碎片向机动性强的航天器运动,那我们可以操纵航天器避开它。因此,航天器撞上较大碎片的情况极为少见,但近地轨道上估计有超过1亿个微小的太空碎片,它们小到我们现在还无法跟踪,且数量巨大,所以撞上航天器的概率更高。据估计,近地轨道上约有50万个直径在1厘米以上的碎片,总重量达到2 000吨。
大大小小的碎片可能会撞击航天器和空间站的任何部位。尽管可以操纵航天飞机的轨道器来避开已知的入射碎片,但在一架航天飞机的8个舷窗中,总有一个会被跟踪不到的碎片撞坏,返航后需要替换。
图片来源:美国国家航空航天局兰利研究中心(NASA Langley Research Center)
即便是微小的太空碎片也会把航天器撞坏。在近地轨道撞击航天器的自然碎片和人造碎片中,绝大多数的长度不足1毫米,但它们的运动速度介于17 700千米/时和250 000千米/时之间,快到足以击穿航天器和轨道上的其他设备(见图7.3)。流星体撞击航天器的速度通常是69 000千米/时,而人造太空碎片的撞击速度一般只有流星体的一半。这些知识十分重要,所以我们在地球上用实验室设备来模拟这样的高速撞击,从而更好地了解太空碎片撞击航天器时到底会发生什么。
图片来源:美国国家航空航天局
图片来源:美国国家航空航天局
图片来源:美国国家航空航天局
你需要了解撞击会给航天器和宇航服造成哪些破坏,这样你在太空旅行的时候就会知道如何以最稳妥的方式应对。微陨石撞击近地轨道天体时会留下两种陨坑,而其中一种是环形的。当撞击产生的能量大到足以引起被撞击表面汽化并在所有方向上以均等强度爆炸时,就会留下环形陨坑。换句话说,如果撞击力足够大,那么入射体无论以什么角度撞过来,都会击出一个环形陨坑。你可以在图7.2和图7.3b上看到这种环形陨坑。这类撞击尤其危险,因为撞击物会击穿航天器,导致被击穿部位漏气。
另一种是低速撞击造成的长条形陨坑。在这种情况下,入射体不是垂直砸下来,而是以一定角度撞击目标,然后目标及被撞击出来的物质向前方喷射。这跟你以某个角度把石头扔向水面的效果是一样的。入射体不一定会汽化,而是会进入被撞击的天体,甚至弹起来。即便是这样的低速撞击也能击穿薄的外壳,当然比起上一段所描述的强力撞击,航天器被击穿的概率还是要小得多。
即便是卵石大小的流星体撞击航天器或宇航服也会造成灾难性的后果,所以科学家对宇航员访问过的航天器[10]和返回地球的航天器进行了大量研究,以便了解撞击的影响。美国国家航空航天局的长时间暴露装置是一个为收集撞击数据而专门设计的航天器,它从1984年到1990年在绕地轨道上运行。我们用扫描电子显微镜观察它的表面,发现了数百万个撞击坑。还有一颗用于撞击研究的人造卫星在1992年到1993年飞行了近一年。在它暴露在外的140平方米的表面上,我们可以看到1 000多个撞击坑,最大的直径2/3厘米,最小的直径约0.1厘米。幸运的是,这两个航天器在执行任务的过程中一直正常运行。
流星体和太空碎片如果击穿航天器的表面,就会造成空气泄漏,这是极其危险的。因此,国际空间站大约有200个被称作惠普尔护罩(Whipple shield)的保护装置安装在精心设计的位置上。这种护罩由几层材料组成,每层之间都有间隔,从1英寸到几英寸不等(1英寸约等于
2.54厘米)。入射体撞击护罩的外层后,碎成很多小块,同时还带出一些外层的材料。接着,小块碎片击穿由防弹衣材料凯芙拉(Kevlar)或其他类似材料制成的几道坚硬的中间层,再出来的时候会变得更小,同时损失很多能量,所以它在撞击最里层的时候会直接弹开,而不会造成任何破坏。当然,这些护罩需要时常更换。此外,所有载人航天器还装有传感器,用来检测航天器被击穿时的空气损失。所有宇航员都受过特殊训练,知道如何应对这样的紧急情况。
月球上的撞击
对于你可能访问的其他天体——火星、行星的卫星和小行星,几乎所有的陨坑都是环形的。[11]跟近地轨道天体的环形陨坑一样,整个太阳系自然天体的陨坑都是强力撞击留下的,而且撞击力之大,足以使天体表面和撞击体爆炸。幸运的是,我们从地球上或者未来从航天器上看到的太阳系陨坑,大部分都形成于30多亿年以前。但并非所有!
我们有几种方法来探测月球现如今受到的撞击。一种是20世纪60年代和70年代使用的方法,它的工作原理基于这样一个事实:高速撞击会引起行星表面震动。天体的内部运动也会引起表面震动,就像地球上的地震一样。地质学家使用非常敏感的震动传感器——地震检测仪来探测地震。
为了研究月球是否也有月震和被撞击的情况,执行“阿波罗11号”以及12号、14号、15号和16号任务的宇航员在月球表面放置了“月震检测仪”。这些月震检测仪确实探测到了月面的震动。通过测量每台月震检测仪探测到每组震动的时间点,地质学家能够大致确定震源。有些震动源自月球内部,而其余的是由流星体撞击月球表面引起的。通常情况下,月震检测仪每年检测到大约170次流星体撞击。如果以地球为参照系的话,这些撞击的力量从几千克到5 000千克不等。“阿波罗号”月震检测仪测出的平均撞击次数远远小于实际撞击月球的流星体数量。这是因为,大多数撞击体的质量太小,超出了早期月震检测仪的灵敏度。1977年9月,美国国家航空航天局为了省钱,关闭了这些月震检测仪。
第二种方法是通过撞击发出的光进行检测。确实有人声称,人类至少在12世纪的时候就看到过月球表面上的闪光。但是,直到1999年(见图7.4)许多观测者在全球不同地点同步观测时,才通过闪光证实了几次对月撞击。自那以后,观测者已经多次完成对撞击闪光的同步观测。
目前,验证对月撞击的真实性仍是一个挑战。因为闪光的时间十分短暂,而且很难获得理想的望远镜观测时间,所以寻找撞击闪光的各路人马很少能在同一时间观测月球。在这种情况下,人们怎么知道什么时候观测最有可能成功呢?答案是天空中那些美丽的彗星。正如第1章所讨论的,每当彗星接近太阳时,彗星自身的一部分冰就会变成气体,同时把彗核中的一些岩石物质(与冰混合在一起)也带走。这些气体会飘出太阳系,岩石物质则留在彗核的运行轨道上。一颗彗星在接近太阳100次以后,或许就只剩下这些岩石碎片,最终扩散在整个轨道上。
图片来源:美国国家航空航天局
地球和月球每次与一颗彗星的运行轨道相交时,都要在大量的岩石碎片中艰难穿行。在引力作用下,几百块甚至更多的碎片会被拉向地球和月球,从而形成流星雨。太空碎片穿过地球大气层时,与大气发生摩擦而被汽化,留下一道尘埃痕迹,这就是流星。当出现大量流星时,我们就会看到流星雨。这些流星都来自同一个方向,也就是地球向彗星碎片前进的方向。因此,流星雨的出现是可预测的,但很难说每小时到底有多少颗流星飞过。其中还有一些碎片撞向了月球,所以在流星雨出现的时候,天文学家有可能观测到彗星碎片撞击月球的景象,如图7.4所示。
第三种探测方法是通过撞击产生的气体进行检测。入射体撞击月球时,两者之间会发生巨大的能量传递,这会使入射体连同月球表面的一部分被汽化。由此产生的气体要么回到月球表面,要么飘向外太空,它们如果回到月球表面,会进入月球那极其稀薄的大气层。令人赞叹的是,我们能够用轨道航天器探测月球大气层的变化。当流星雨里的碎片击中月球时,钠蒸汽作为月球大气层的一个主要成分,其含量会发生变化。
即便在远离死亡彗星运行轨道的时候,我们每天晚上还是可以看到流星,只不过没有下流星雨时那么密。这些流星是随机进入地球大气层的碎片。说了这么多,你应该了解,等你去月球的时候,很可能会遭遇低质量天体的撞击。一般说来,如果你在地球穿过彗星碎片时前往太空,被撞上的风险更高。
当我们在月球建起人类居住地的时候,想必雷达探测技术已经足够先进,让我们能够预测更为危险的撞击。在一个月球的清晨,你起床后在月联网[13]上查看当天的天气预报。你想先看看太阳辐射的水平(相当于地球上的气温)和当天的撞击次数。这两个参数决定你当天做哪些事情才是安全的。
星际空间里的撞击
对于地月系统以外的星际空间旅行来说,能够保护你免受撞击伤害的只有你乘坐的航天器,而可能撞击航天器的主要是小的太空碎片(流星体)。数十亿个这样的碎片沿着随机轨迹绕太阳运行。
不管在哪儿,人类总是习惯于走一路垃圾就扔一路。在你之前进入太空的人可能会把一些垃圾扔出航天器。好消息是,不同航天器前往地月系统之外的不同目的地时,航线都不一样,所以你不会在你的航线上看到别人丢掉的太空垃圾。相比之下,绕地轨道上的太空碎片经常撞击目前正在绕地运行的航天器。
火星上的撞击
以单位面积计算,火星遭遇高速撞击的次数可比地球多得多。这是因为火星大气层的密度还不到地球的1%,稀薄的空气无法像地球大气层那样将入射的碎片汽化。幸运的是,你去火星的时候,要提防的不是太空碎片,而是遮天蔽日的火星风吹来的尘埃颗粒,尺寸比地球上的沙粒要小得多。
尽管火星风的风速一般只有35千米/时,但其表面任何东西上都会积累大量的尘埃。尘埃的撞击力通常是微不足道的,它们绝对不会把你的宇航服砸出坑来,但风和尘埃的流动会产生电荷,使尘埃附着在各种塑料制品和其他人工制品上。尘埃颗粒的撞击速度决定了尘埃积累的厚度。有趣的是,研究表明,低速尘埃颗粒形成的尘埃层会随着暴露时间的推延而不断变厚,而高速尘埃颗粒——比如240千米/时——反而只能积起薄薄的一层。低速尘埃颗粒会附着在许多物体上,就像柔顺纸会因静电吸附粘在被烘干的衣物上一样。相反,高速尘埃颗粒撞击时产生的能量比较大,会使已经附着在物体上的尘埃颗粒又脱落下来,所以形成的尘埃层相对较薄。
科学与科幻作品
地球引力使大气中的原子和分子聚集在地球周围,这些气体向地球上所有的东西施加100千帕的平均压力。但经过进化,我们一般感觉不到空气压力的存在,即便把门窗关严,我们一样感觉不到。
有风吹过来的时候,我们才会感到气压的存在。显然,风速越快,我们感到的压力就越大。
火星周围的空气比我们的大气层要稀薄得多。因此,火星表面的正常气压大约只有0.6千帕[14],比我们的日常大气压低160倍。
这意味着,面对火星风,我们感到的压力会远远小于地球风。算起来,火星大气压只有地球大气压的0.6%,所以时速160千米的地球风在火星上会可能让人感觉只有16千米/时。因此,火星上的大风暴可不会像《火星救援》里演的那样直接把人吹倒。
对访问火星的人来说,了解撞击的影响很重要。我们相信,可以在地球上用尘埃和较重颗粒组成的风洞,模拟火星风把碎片吹过来的情况,从而探知这种低能量撞击会带来哪些后果。结果表明,我们很难去除附着在宇航服和遮光板上的尘埃,清洁起来困难重重。如果采取擦除的办法,附着物会嵌进塑料遮光板,留下划痕。尘埃积累得越多,遮光板就会磨损得越严重,宇航员也就越不容易透过遮光板看清楚外面。此外,覆盖在移动机械表面的尘埃会产生摩擦,侵蚀运动部件。此外,太阳能电池板上的尘埃会产生电荷,降低电池板的效率。
来自宇航服设计师的忠告:火星上的撞击和辐射会导致织物卷曲或起皱!虽然这算不上什么形象危机,但问题是,反复撞击会使暴露在外的表层变脆变硬。这不仅会让人感到不适,还可能导致织物在受压时开裂。此外,在白天,强烈的太阳紫外线穿过火星那稀薄的大气层并不断击打火星表面,而在地球上,大部分紫外线被地球大气层阻拦在外面。
跟在地球上一样,许多材料在受到强紫外线照射后都会变脆、褪色和破裂。即便是设计师款的宇航服也必须由防辐射材料制成。
小行星上的撞击
你前往小行星时可能遭受的破坏和伤害与前往月球的情况基本相同。也就是说,没有大气层和磁场的保护,小行星也会像月球一样被微陨石撞击。然而,由于小行星的质量比月球小,不像月球那样对太空碎片产生很强的引力,所以小行星被撞击的概率稍微小一些,而且入射碎片的速度也比撞向月球的碎片慢一些。
彗星附近的撞击
如果你前往一颗彗星,那么撞击来源有这样几个。首先是彗核刚刚释放出来的碎片。尽管这些碎片极为稀疏(跟地球沙尘暴中的颗粒相比),但只要有一个碎片撞上你们,就能毁了一整天。要想降低风险,一个办法是从彗星朝向太阳的那一面缓缓接近它,因为这一侧彗发中的颗粒速度比较慢。
一些彗星还会喷出气流。在有些区域,彗星内的气体被太阳加热,可能会从岩石碎片最稀薄的部分喷射出来,形成气流。虽然与地球大气层相比,这些气流的密度很小(见图7.5),但它们仍然会构成严重威胁,只要被其中的几个颗粒撞上,我们就可能小命不保。因此,最好不要访问正在喷射气流的彗星。
图片来源:美国国家航空航天局、加州理工大学喷气推进实验室、马里兰大学(UMD)
- 胸腔内所有柔软的部件,指胸腔内的脏器。
- 骨骼力学的研究表明,骨髓并没有严重削弱骨骼的强度和硬度。几乎任意一个实心物体的强度和结构,比如一块骨骼或一棵树,都取决于它的外半部。正因如此,内里腐烂的树木仍然能够挺立多年不倒。
- 在原文中,关于肌肉变化的前三段里,作者将快肌和慢肌说成两种肌肉类型,这种说法不准确。快肌和慢肌是两种肌纤维,译文已进行合理修正。
- 从肌肉谈到斗鸡眼,是因为在太空中主管眼球运动的肌肉可能由于萎缩而造成内斜视。
- 睡眠的5个阶段分别是:入睡期、浅睡期、熟睡期、深睡期和快速眼动期,其中做梦发生在快速眼动期。
- 原文用“原子”,这种说法不准确,且与本段后面的文字不一致。宇宙射线主要由亚原子粒子组成,也就是后面所说的质子和氦原子核。
- 大学四年级的时候,我组建过一个“宇宙射线实验室”,在里面,我看到宇宙射线穿过面前的云室。当我意识到还有其他宇宙射线正在穿过我的身体时,我感到毛骨悚然。
- 这个外壳通常由几层塑料组成。在受到地球大气层的粒子撞击时,塑料层会解体。有人曾提议在航天器外面包裹一层水壳,因为它也能吸收大量宇宙射线,引发次级宇宙射线簇射。这些水还可以饮用或用于其他用途,用完后可以回收并回注到水壳。
- http://www.nature.com/articles/srep34774。
- 比如国际空间站。
- 地球上的陨坑也是环形的。
- 原文为“26 000”,有误。
- 月联网,原文为“Lunanet”,是作者杜撰的词汇,指未来月球上的互联网。
- 原文“0.06千帕”,有误。
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