太陽系的“信使”——流星與隕石

（本文發表于2024年第1期）

> 星行電征 視覺中國 / 供

作者簡介李剛，地質礦產工程師，研究方向為巖石學、礦物學、礦床學和地學科普。

“四月辛卯夜，恒星不見，夜中星隕如雨”。兩千多年前的古籍《左傳》中，記錄了在一個星辰寥落的夏夜里發生的一場流星雨。無獨有偶，后來的《史記》里也有“星墜地則石也”的記載。說明古人對流星和隕石的觀察記錄很早就開始了，并對其成因提出了猜測性解釋。到了近現代，隨著觀測技術的進步和天文理論的發展，人們一步步揭開了“星隕如雨”的秘密。

星空“焰火”——流星

太陽系中的地外小天體（主要為小行星、彗星）或其碎塊被地球引力捕獲后會向著地球運動，穿過大氣層隕落到地面。在落向地面的過程中，天體碎塊受到地球引力的加速作用，進入大氣層時的速度超過11.2千米/秒，即第二宇宙速度。高速運動的碎塊劇烈壓縮前方空氣使其溫度快速升高至2000℃以上，巨大的熱量導致碎塊在瞬間燃燒并產生明顯的光跡，這就是我們所看見的流星。流星的視亮度超過-4等（-4等相當于凌晨金星的亮度）時被稱為“火流星”。火流星的光芒更亮，尾跡比一般流星更長更持久，觀賞性極強。一閃而過的流星，流星體只有幾厘米大小，而那些明亮的火流星，流星體大小有幾十厘米，有的甚至超過1米，質量則有可能達到數噸。而當流星成群出現時，就稱為“流星雨”。

流星雨的母體一般為彗星。彗星是太陽系形成初期遺留下的小天體，內部含有大量易于揮發的水冰和氣體冰。20世紀50年代，天文學家惠普爾建立了經典的“臟雪球”模型用來描述彗星的結構：一個冰與石的混合體。彗星分為周期彗星和非周期彗星，周期彗星沿扁平的橢圓形軌道繞太陽公轉，公轉周期短于200年的稱為短周期彗星，主要來自海王星外圍的柯伊伯帶；公轉周期超過200年的稱為長周期彗星，目前普遍認為它們來自太陽系邊緣的奧爾特云。著名的哈雷彗星公轉周期為76年，是第一顆被確認的短周期彗星；2020年觀測到的新智彗星是少有的能用肉眼看到的大彗星，其公轉周期在6000年以上。而非周期彗星的軌道為拋物線或雙曲線，在經過近日點一次后便飛離太陽系一去不返。也有理論認為它們其實并非太陽系成員，而是來自于鄰近恒星系的星際天體。在運行的大部分時間里，彗星距離太陽都很遠，而當靠近太陽時，受太陽輻射等因素影響，冰因受高溫而升華成氣體并裹挾著大量塵埃從彗星表面噴發，逐漸散布在彗星運行軌道上形成一個橢圓形的塵埃帶。當地球的軌道與這個塵埃帶交會時便會捕獲一些塵埃，塵埃落向地面時就產生了流星雨。可以這樣想象，地球就像是一輛在橢圓形軌道上循環運行的“清潔車”，不斷清除散布在軌道上的“垃圾”，并將這些“垃圾”轉化成一場絢麗的星空“焰火”。

由于地球軌道和彗星軌道通常都有固定的交會時間，所以出現流星雨的時間也是固定的，并以年為周期循環。比如，地球在每年5月和10月靠近哈雷彗星的軌道，對應出現的是寶瓶座流星雨和獵戶座流星雨。周期彗星每次回歸都會在軌道上留下新的塵埃，伴隨彗星回歸，其對應的流星雨也會出現遠超平時規模的爆發現象。

流星雨往往會以星座冠名，那么漫天飛舞的流星雨怎么會和固定不動的星座產生聯系呢?原來形成流星雨的眾多塵埃在進入大氣層時，各塊塵埃的下落軌跡是近于平行的，但因為透視變形的影響，從地面上看起來就像是從空中的一個點發射出來的，這個點被稱為輻射點。由于不同流星雨的輻射點位置不同，故而國際天文學聯合會（IAU）統一了命名規則，使用流星雨輻射點所在的星座或附近的恒星來命名流星雨，比如寶瓶座流星雨和獵戶座流星雨。

但是，也有極少數流星雨的母體為小行星。為什么小行星會成為流星雨的母體，至今還沒有定論。有觀點認為，這類小行星是彗星解體后留下的殘骸，所以會展現出與彗星類似的性質。還有觀點認為，這類小行星之前可能遭遇過嚴重的碰撞，從而產生了大量濺射物散布在運行軌道上，具備了產生流星雨的條件。

目前已經命名的流星雨數量超過800個，其中，象限儀座、英仙座、雙子座流星雨并稱為北半球三大周期性流星雨，每小時天頂流星數量均超過100顆。每年1月3日左右，地球軌道與2003 EH1小行星軌道交會時，會發生象限儀座流星雨。值得注意的是，1928年，國際天文學聯合會在確認現代88個星座時，將象限儀座取消并劃入鄰近的牧夫座、武仙座等星座，但是象限儀座這個星座名字卻通過流星雨這種方式保留下來（實際輻射點位于現在的牧夫座）。每年8月12日前后，地球軌道與斯威夫特—塔特爾（109P/Swift-Tuttle）彗星軌道交會時，會出現以火流星數量多而聞名的英仙座流星雨。以古希臘神話中太陽神之子法厄同的名字命名的3200 Phaethon小行星，是所有已命名的小行星中最靠近太陽的，它的近日點距離甚至只有水星的一半，在每年12月14日前后，地球軌道與其軌道交會時，會出現流量大而穩定、流星速度較慢的雙子座流星雨。

> 疊加合成的雙子座流星雨

星隕成石——隕石

流星體在下墜穿過地球大氣層時，高溫高壓的氣流會對其進行剝蝕和減速，大多數較小的流星體都會在大氣層中燒蝕殆盡，這與流星體進入大氣層時的速度、質量大小和機械強度等因素有關。如果流星體穿越大氣層后燃燒未盡，而剩余物質降落到地面，就成為隕石。流星的母體一般是彗星，而絕大多數隕石的母體來自火星和木星之間的小行星主帶，極少數來自月球或火星，還有些微小隕石來自彗星。小行星主帶中密布的小行星之間會發生相互碰撞以及受到太陽系內各大天體的引力攝動而改變原來的軌道，其中一些小行星會被地球引力捕獲隕落到地面成為隕石。來自月球或火星的隕石則是小行星撞擊月球或火星表面時濺射出來的巖石碎塊降落到地表而形成，數量稀少，尤為珍貴。隕石是人類直接認知太陽系天體的珍貴實物標本，對研究太陽系的形成和演化具有重要意義。

根據隕石中兩類主要礦物的相對比例，隕石總體上可以劃分為三大類：石隕石、鐵隕石和石鐵隕石。石隕石的主要礦物成分是硅酸鹽礦物，鐵隕石的主要礦物成分是鐵鎳金屬礦物，石鐵隕石的主要礦物成分是接近等量的硅酸鹽礦物和鐵鎳金屬礦物。另外，根據隕石母體是否經過熔融分異，可以把隕石劃分為未分異隕石和分異隕石。

> 碳質球粒隕石

> R型球粒隕石

石隕石是最常見的一種隕石，橄欖石、輝石和長石三種硅酸鹽礦物含量占75%~90%，鐵鎳金屬礦物占10%~25%。按照不同的結構特征，石隕石又可分為球粒隕石和無球粒隕石兩大類。球粒隕石屬于未分異隕石，內部含有大量毫米級的硅酸鹽礦物球粒（球粒主要由橄欖石和輝石組成），球粒隕石的母體是從太陽系原始星云中直接凝聚出來的產物，它的平均化學成分在一定程度上可以反映太陽系原始星云的組成。球粒隕石又可細分為幾個亞類：普通球粒隕石、碳質球粒隕石、頑輝球粒隕石、R型球粒隕石和K型球粒隕石。

普通球粒隕石是最常見的球粒隕石類型，主要礦物是橄欖石和輝石，次要礦物是鐵紋石、鎳紋石和隕硫鐵。碳質球粒隕石的名稱容易使人產生誤解，其實它的碳含量只比其他球粒隕石略高一點。碳質球粒隕石的鋁（Al）、鈣（Ca）、鈧（Sc）和稀土元素（REEs）含量高于太陽系的平均值，其他類型的球粒隕石則低于平均值，這是確定碳質球粒隕石的最主要指標。它的另外一個重要特征是氧同位素組成。通過測定地球上氧同位素（氧17和氧18）組成的比值獲得一條地球分餾線，碳質球粒隕石的氧同位素比值低于地球分餾線，而其他類型的球粒隕石則大多高于地球分餾線。頑輝球粒隕石含有特征礦物隕硫鈣礦，這種礦物在地球上沒有，在其他類型的隕石中也不存在。

> 古銅鈣長

無球粒隕石

> 橄輝無球粒隕石

無球粒隕石可以劃分為四類：原始無球粒隕石、分異無球粒隕石、月球隕石和火星隕石。橄欖古銅無球粒隕石和輝石無球粒隕石的化學成分接近球粒隕石，稱為原始無球粒隕石，其實質是隕石母體熔融程度低，保留了一些球粒隕石的化學特征。分異無球粒隕石中有三種較為特殊，即古銅鈣長無球粒隕石、鈣長輝長無球粒隕石和紫蘇輝石無球粒隕石，合稱為HED無球粒隕石（HED是取三種隕石英文名稱的首字母合寫而成），研究證實三者均來自于小行星主帶中非常大的小行星之一——灶神星。月球隕石可分為高地斜長巖、月海玄武巖、沖擊碎屑巖和克里普巖。火星隕石可分為輝熔長無球粒隕石、透輝橄無球粒隕石、純橄無球粒隕石和斜輝無球粒隕石。HED群中鈣長輝長無球粒隕石的氧同位素比值低于地球分餾線，火星隕石的氧同位素比值高于地球分餾線，而月球隕石的氧同位素比值則與地球分餾線重合。

> 橄欖隕鐵

> 鐵隕石中的

維斯臺登構造

鐵隕石主要由鐵紋石和鎳紋石組成，還含有隕硫鐵礦、隕磷鐵礦、隕碳鐵鎳礦等礦物。鐵隕石按照結構不同可分為六面體鐵隕石、八面體鐵隕石和富鎳無結構鐵隕石。鐵隕石經切割拋光后，會呈現出由鐵紋石和鎳紋石組成的條帶狀交錯紋理，稱為維斯臺登構造或魏德曼花紋。其形成機制是鐵隕石的母體在極度緩慢的降溫條件下冷卻，冷卻速率通常在1~100℃/百萬年范圍內，據此推算，維斯臺登構造的形成時間大約需要幾千萬年至上億年。

石鐵隕石由硅酸鹽礦物和鐵鎳金屬礦物混合組成，二者含量大致相等，可分為橄欖隕鐵和中鐵隕石。橄欖隕鐵中含有半透明的圓形、不規則狀橄欖石晶體，大小一般為幾厘米，經過切割的橄欖隕鐵切片觀賞價值極高，黃綠色的橄欖石嵌于銀灰色的鐵鎳合金之中，如璀璨繁星閃耀夜空。

隕石墜落地球還形成了一種特殊的景觀——隕石坑。隕石坑是較大隕石以超高速度撞擊固體星球表面而形成的凹坑或環狀地質構造，并使星球表面撞擊處發生變形甚至變質作用。隕石撞擊作用的特殊之處集中體現在兩個方面：一是作用時間短，成坑過程往往僅有幾十秒；二是釋放能量巨大，能產生極端高溫高壓環境。隕石坑不僅存在于地球，在太陽系的其他石質行星及衛星等表面都廣泛發育。地球上的生物大滅絕事件、月球的形成等可能都與隕石撞擊作用有關。

隕石撞擊作用會在地貌、礦物巖石、地球化學方面留下獨特的標志，成為判定隕石坑的依據。而地貌、地球化學標志只能作為輔助性指示標志，礦物巖石標志才是關鍵性判定標志。例如，環形凹坑地貌的形成，可能是由于構造運動引起的地殼差異性升降造成，或者火山噴發也能形成這種地貌。礦物巖石標志中以面狀構造、高壓礦物、擊變玻璃最為重要。例如，面狀構造分為面狀裂隙和擊變面狀頁理，石英、鋯石等礦物受到沖擊作用都會形成面狀構造。石英擊變面狀頁理只能通過沖擊作用形成，是隕石坑最主要的判定標志，地球上已發現的隕石坑絕大多數都發育有石英擊變面狀頁理。

迄今為止，地球上確定的隕石坑數量為190個，直徑從100米到300千米不等。中國目前被國際學界認可的隕石坑只有遼寧岫巖隕石坑和黑龍江依蘭隕石坑。岫巖隕石坑直徑1.8千米、深150米，是大約5萬年前由一顆直徑約60~100米的隕石撞擊而形成的，坑內發現了多種判定隕石坑的礦物巖石標志，如石英面狀構造和柯石英、金剛石等高壓礦物，它在2010年被收錄進《地球撞擊數據庫》，是中國第一個獲得國際學術機構認可的隕石坑。

荒原遺珍——隕石富集

> 遼寧岫巖隕石坑

隕石降落地球是隨機事件，理論上隕石會均勻地分布在地表。但由于地球表面有約70%的面積被海洋覆蓋，再加上還存在其他大面積不適合尋找隕石的高山、森林等地區，使得我們能夠進行隕石收集的區域非常有限。不過，由于具有地形、氣候、地質作用等多種特殊條件，南極和沙漠成為隕石相對富集的區域。

從1969年日本科考隊首次在南極發現隕石起，在此后的50多年時間里，包括中國在內的多國科學家陸續在南極收集到5萬多塊隕石，發現了50多個隕石富集區。南極巨大的冰蓋形成于約3400萬年前，低溫、干燥的氣候有利于隕石長期保存，加之墜落在冰蓋的隕石被封存在冰層中，極大地減緩了隕石的風化速率。通常情況下，地表隕石的居地年齡（隕石隕落至地球后的留存時間）不足幾萬年，而南極隕石的最大居地年齡長達280萬年。更重要的是，南極的地形地貌、冰川運動、下降風作用等因素共同作用形成了隕石富集區域，富集區大部分沿著橫貫南極的山脈分布，少部分位于東南極的冰原島峰。南極隕石富集常與藍冰區域緊密關聯。所謂藍冰，是降雪經歷粒雪化、成冰作用過程形成冰層，冰層在上覆壓力作用下密度增加，內部氣泡減少，在光的散射作用下形成視覺上的藍色。隕石在藍冰中儲存，并隨著冰流從冰原高地向海邊流動，在遇到山脈阻擋時流速減緩，強烈的下降風將表層冰雪吹走，淺層藍冰在陽光照射下消融，隕石逐漸暴露于冰層表面。這種富集模式稱為山前阻擋模式。另一種富集模式為山后峽谷模式，以東南極的格羅夫山最為典型。格羅夫山具有逐漸下降的階梯狀地形，并發育有廣闊的藍冰區，儲存隕石的藍冰隨冰流從東南冰原臺地流向西北方向的蘭伯特裂谷，形成隕石富集區域。目前，在格羅夫山區已發現12000多塊隕石，成為南極發現隕石頗多的區域之一。此外，盛行風的搬運作用可以在迎風坡和一些凹地形成質量較小、個體不完整的隕石碎片富集區。南極的強風可以移動質量小于100克的隕石，而強風和冰磧共同作用可以搬運質量小于200克的隕石。

沙漠地區的隕石富集與地形和氣候直接相關。沙漠地區風力地質作用強烈，風積物堆積形成形狀多樣、規模不一的沙丘。盛行風的推進使分散隕石（主要是小塊隕石，一般質量小于100克）隨風化碎屑物一起向沙丘方向運移。當遇到凸起的沙丘地形阻擋時，隨風遷移的小塊隕石就在迎風坡發生富集。同時，距離沙丘由近到遠，基本呈現隕石質量由小到大散落分布的規律，小塊隕石大多位于更加靠近沙丘位置的風向前緣。

方寸之間，天地盡藏。無論是火星和木星之間的小行星形成的大小隕石，還是柯伊伯帶、奧爾特云中的彗星化作的璀璨流星，它們都攜帶著異常豐富的科學信息，作為太陽系的“信使”跨越茫茫太空奔赴地球，為人類認識和研究太陽系的起源與演化提供了最重要而獨特的窗口。

> 在南極收集的隕石

作者： 李 剛

編輯： 張佳楠

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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