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一塊普通的石頭,為何會像核彈一樣爆炸?隕石爆炸的原理是什麼
2022/01/07
2022/01/07

太陽系中隨時都運行著難以計數的小天體,每時每刻我們的地球都面臨著被這些小天體撞擊的風險,幸運的是,由于有大氣層的保護,絕大部分撞擊地球的小天體都對我們構不成威脅。然而大氣層卻無法阻止那些大質量的小天體,它們可以輕易地突破地球的「防線」,並化身為巨大的隕石狠狠地砸在地球上。

雖然很少有人能夠親眼目睹隕石是如何撞擊地球的,但是從相關的視訊資料中,我們都可以看到,隕石砸在地球上之後,通常都會發生非常猛烈的爆炸,並產生巨大的蘑菇雲,整個場面就像是核彈爆炸一樣。那麼問題就來了,隕石砸在地球上為什麼會爆炸?難道隕石不是石頭嗎?

研究表明,隕石的主要成分是矽酸鹽,其本質就是一塊普通的石頭。那麼一塊普通的石頭,為何會像核彈一樣爆炸呢?今天我們就來講一下,隕石爆炸的原理是什麼。

隕石砸在地球上所發生的爆炸,其實是隕石釋放自身動能的現象,根據動能公式 (Ek = 1/2 x MV^2) 可知,一個物體的動能與其自身的質量和速度密切相關,相對而言,速度對動能大小的影響更加明顯。

隕石的速度有多快呢?資料表明,那些遊弋在太空中的小天體,其速度通常都是每秒鐘幾十公里,而在特殊的情況下(比如說小天體與地球正面對撞),它們與地球的相對速度還可以在疊加效果下達到更高。

為了方便理解隕石的動能究竟有多大,我們不妨來做一個簡單的計算,假設有一顆質量為1千克的隕石,以每秒鐘50公里的速度砸在地球上,那麼它釋放的動量就是 1/2 x 1 x 50000^2 = 1.25 x 10^9 焦耳,這大約相當于299噸TNT當量。

需要注意的是,這只是質量為1千克的隕石所具備的威力,而那些在地球上引發災難的隕石,通常都是以多少噸來計算,其中最引人注目的無疑是6500萬年前的那顆使恐龍滅絕的隕石了,根據科學家的推測,這顆隕石的總質量高達2萬億噸,其釋放出的能量大概相當于當年在廣島爆炸的核彈的100億倍。

因此可以說,隕石確實是石頭,而且通常都是一塊普通的石頭,之所以隕石砸在地球上之後,會像核彈一樣爆炸,其實是因為隕石擁有較大的質量以及極高的速度。

那麼這些動能是怎麼形成爆炸的呢?

先來看一個概念——內能,內能是物體的一種固有屬性,是指物體內部所有微觀粒子的能量總和,包括勢能、動能、化學能以及原子核內的能量等等。在隕石撞擊地球的過程中,物體的內能變化主要體現在微觀粒子的勢能和動能上,這裡簡單講一下。

在電磁力的作用下,一個物體內部的微觀粒子之間既存在著引力,又存在著斥力,具體如下圖所示(圖中的橫坐標 r 表示分子間的實際距離,r0 分子間的正常距離)。

正常情況下微觀粒子之間的引力和斥力處于一個平衡的狀態,這時可以認為這些微觀粒子的勢能可以忽略不計,而如果微觀粒子間的距離出現了偏離,這些微觀粒子的勢能就增加了。我們可以看到,微觀粒子之間的距離越近,那麼它們之間的斥力就越大,相應的勢能也就越高。

關于微觀粒子的動能,相信大家都比較熟悉了,簡單地講就是,一個物體的溫度高低是由其內部微觀粒子熱運動的激烈程度來決定,也就是說,一個物體內部微觀粒子的平均動能越高,這個物體的溫度就越高。

當隕石撞上地球時,一部分動能會以衝擊波的方式得到釋放,其他的則在隨後的形變過程中轉化為撞擊區域中所有物質的內能(包括隕石自身以及地球表面上被撞擊區域的物質),使其內部微觀粒子的動能和勢能得到了極大的提高。

微觀粒子的動能的提高,就相當于物質溫度的提高,而當動能轉化完畢後,在強大斥力的作用下,微觀粒子的勢能又會轉化為微觀粒子的動能,這無疑會進一步提升物質的溫度。上述的過程表現在巨觀層面上,就是,這顆砸在地球上的隕石在極短的時間內釋放出了大量的能量,同時又產生了熾熱的高溫,換句話來講,就是這顆隕石像核彈一樣爆炸了。

順便講一下,不少人都認為隕石在墜落過程中的「燃燒」,是因為其自身與空氣的摩擦而產生的熱能導致的,然而事實並不是這樣。實際上的情況是,高速運動的隕石會劇烈地壓縮前方的空氣,從而導致隕石溫度的迅速升高。

其實這也是一個動能轉化成內能的現象,對于一些結構較為鬆散的隕石而言,在墜落過程中,當其內能累積到自身結構無法承受的程度時,就發會生淩空爆炸,在2013年2月15日拍攝到的「車裡雅賓斯克隕石」就是一個典型的例子。




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