通古斯大爆炸是什么原因造成的？

作者：伊卡鲁斯二号



冲击波和强光从半空中打下来，在没有陨石坑的情况下就把很大范围内（图中被映红的部分）的树木烧焦，并使中心点附近的树木呈蝴蝶形辐射状倒下（因为陨石解体时还在前进，所以冲击波是长条形的）。就像一颗核弹在空中爆炸了一样。只不过能量来自陨石的动能而不是核能。


其实并不是陨石爆炸本身释放了能量，而是能量的剧烈释放摧毁了陨石本身，而陨石的碎裂又进一步刺激了更多能量的释放。（敲黑板！）对于动能而言，只要有巨大的过载（加速度），就会瞬间释放巨大的能量。比如跳楼或车祸，下落和高速行驶不会死人，落在气垫上或正常刹车也不会死人，但是撞在硬东西上瞬间停下就会瞬间释放巨大的能量造成伤亡。


是什么东西让陨石瞬间停下来了呢？


要了解这种能量，首先要了解一个东西：激波。在流体中运行的物体，如果速度超过了流体的波速（比如音速），前方的流体就来不及躲开而不断堆积，产生一个高压的区域，这个区域与物体之间就有一个流速从超音速突然减到亚音速的屏障或气压突然改变的边界，称为激波。这个波的两侧气压不同，这种压力差会给物体减速。一个足够钝头的物体的激波通常是弓形的
。[/p]

[p]<img src="https://pic2.zhimg.com/50/v2-d4e99a530f328182e5dfdeec5141a0ff_hd.jpg" data-rawwidth="550" data-rawheight="269" class="origin_image zh-lightbox-thumb" width="550" data-original="https://pic2.zhimg.com/v2-d4e99a530f328182e5dfdeec5141a0ff_r.jpg"/>[/p]
激波是随物体移动的，所以它本身就能传递能量，它和爆炸产生的冲击波是一回事，都是压力瞬间变化的波。超音速飞机甚至能把地上居民的玻璃给震碎。


在激波堆积的热更是会放出巨大的能量。大家都知道压燃式的柴油机吧，空气一压柴油就着了。空气压缩得越严重，气温就越高。周围的冷空气来不及吸收的热就以热辐射的形式放出去了，当温度高到热辐射的波长短到了可见光范围，我们就看到光了。我们平时看到的流星的光就是这么回事，航天器再入时要防热也是因为这个道理（才不是因为“摩擦”呢[/p]
好了，那能量是怎么“突然”释放出来，像核爆炸那样的呢？两个原因：大气密度和正反馈机制。


虽然我知道大家不喜欢看公式，但是必须在这里上一个公式，用来描述物体在空气中受到的阻力：[p]<img src="https://pic3.zhimg.com/50/v2-75ef7e0af89a26a19645bfc79b32f6fa_hd.jpg" data-rawwidth="152" data-rawheight="35" class="content_image" width="152"/>[/p]
Fd是空气阻力，p是空气密度，V是相对速度，Cd是阻力系数，A是向垂直于风向的平面做投影的面积。
可以清楚地看出空气阻力与这些数量都是成正比的，但是和速度的二次方成正比，其他的都是一次方。请牢记这个关系。


然后我们看图：

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地球对流层与海拔的关系图。地球上90%的空气都集中在12000米以下，三万米以上空气基本忽略不计。然而对于高超音速的陨石来说，速度足以让大量稀薄的空气在前方堆积，它从海拔120KM就开始受到空气阻力，从80KM就开始发光了。


随高度下降，空气稠密程度的增加一开始很慢，然而到了两万米后，突然开始剧烈得变得稠密。往后的事情就很好理解了——陨石从外太空向地面以高于第二宇宙速度（题外话：所有从地球引力场外落到地球上的物体，撞击的速度最低是第二宇宙速度，原因自己想）穿过只有几万米厚的低层大气，这和撞上地面没有太大的区别。就像一个在空气中下落了一千米的人，摔在水泥地上还是摔在水里没啥不同。接触到低空大气的时候，陨石就像撞上了迎面而来的一堵墙，其速度急剧降低（不同质量的陨石损失的速度不同，具体对应关系见文末的英文链接）。动能急剧变成激波和热[/p]


仅仅如此还达不到“爆炸”的程度，然而一般的石陨石（尤其是球粒陨石）就是一团散沙，根本无法承受如此巨大的过载与高温。于是在11KM-27KM之间的空中开始被破坏。碎裂处的形状改变，阻力系数增加，于是堆积更多热，陨石就从这里开始被撕成碎片。


陨石一旦碎裂成多块，一个高一生物教给大家的原理就开始发挥作用，那就是相对表面积。物体的体积与宽度的三次方成正比，表面积则与宽度的二次方成正比，物体碎裂后没有增加质量却增加了表面积，根据上面的公式我们可以看到，整体所受的阻力就会增加。同时，这些新增的表面也开始压缩空气产生更多的热能和阻力，这些热能和阻力使得陨石继续碎裂。这个过程是一个正反馈的过程，犹如连锁反应一般失控发展直到陨石携带的动能全部释放进空气，残余部分被降低至终端速度为止。这种能量的瞬间释放便形成了凌空核爆一般的效果[/p]
2013俄罗斯陨石，触碰低空大气时开始崩解，高温产生了亮光，该火球比太阳的视星等还亮，释放出的能量超过了20个“小男孩”原子弹，这股能量传到地面能震塌了厂房屋顶。其实这颗陨石的质量很大，如果它足够坚固，就能保持足够的速度撞击地面（通古斯的那颗也是），但是一旦在空中炸裂，所有的动能会全部丧失。[p[/p]
高温等离子化了周围的空气，余温使火球继续发光。其右侧拖出的白烟是碎裂的陨石碎片，飞不远后它们便不再发光，这是因为其速度已降为亚音速。碎片会沿条带状撒在地上，和一把空气中自由落地的普通碎石一样。


与科幻作品中描绘得不同。多数陨石撞击不会产生那种【一个火球拖着尾巴撞到地上，一道强光闪过，冲击波飞过，尘埃落定后发现地上砸了个大坑】的效果，陨石一般在下落过程中被减速至终端速度，落地前的一段是无光落体，冲击波主要是从天上来的。能撞出可观陨石坑的陨石要么非常坚硬（比如铁陨石，巴林杰就是），要么就是特别大（太重难以被减速），还有少数纯属运气好没碎（速度已经很慢只能砸个小坑）。


低空大气层的巨大空气阻力对于航天器是个非常巨大的危险，所以航天器再入大气层的时候，都会让自己的近拱点擦过地面上空，尽可能切到高空大气里，同时还要让航天器本身有一定的攻角避免在超音速时就落入低空大气，这就是【再入走廊】。[/p]
可是陨石不会调整自己的轨道啊，它自己就那么直勾勾地朝着地面撞过来了，自然是一头撞在低层大气上了。当然还有极少数陨石切得太浅，打水漂一样又飞回宇宙了，被称为掠地火球（Earth-grazing fireball），不过那就是另一码事了。[/p]
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世界三大神秘爆炸之一

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