9.3: 冲击坑
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- 202410
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 比较和对比关于月球陨石坑如何形成的想法
- 解释撞击坑的形成过程
- 讨论如何使用火山口计数来确定月球地貌的相对年龄
火山与撞击坑的起源
月球为理解我们行星系统的历史提供了重要的基准。 大多数固体世界都显示出撞击的影响，通常可以追溯到我们系统形成过程中产生的大量碎片仍然存在的时代。 在地球上，我们活跃的地质学抹去了这段悠久的历史。 相比之下，在月球上，大部分撞击历史都被保存下来。 如果我们能理解月球上发生的事情，我们也许能够将这些知识应用于其他世界。 月球之所以特别有趣，是因为它不仅是任何月亮，而且是我们的月球——一个与地球共享历史超过40亿年的邻近世界，并保留了被我们活跃的地质学摧毁的记录。
直到二十世纪中叶，科学家们才普遍认识到月球陨石坑是撞击的结果。 由于撞击坑在地球上极为罕见，地质学家没想到它们会成为月球地质学的主要特征。 他们推理（也许是在不知不觉中），由于我们在地球上的陨石坑是火山岩，因此月球陨石坑的起源必须相似。
19 世纪 90 年代美国地质调查局的科学家格罗夫·吉尔伯特是最早提出月球陨石坑是撞击造成的地质学家之一。 他指出，大型月球火山口 —— 环绕山脉的圆形特征，地面通常低于周围平原的高度 —— 更大，形状与地球上已知的火山口不同。 陆地火山口更小更深，几乎总是出现在火山山的顶部（图\(\PageIndex{1}\)）。 解释月球陨石坑的唯一选择是撞击起源。 他的精心推理虽然当时没有被接受，但为现代月球地质学科学奠定了基础。
吉尔伯特得出结论，月球陨石坑是由撞击产生的，但他不明白为什么它们都是圆形而不是椭圆形的。 原因在于逃生速度，即一个物体永久脱离另一个物体的重力所必须达到的最低速度；它也是射弹在接近地球或月球时将达到的最低速度。 在较大天体的重力吸引下，传入的大块至少以逃生速度撞击，地球的逃生速度为每秒 11 千米，月球的逃生速度为每秒 2.4 千米（每小时 5400 英里）。 无论弹丸相对于地球或月球已经达到的速度，通常为每秒 10 千米或更高，都会增加逃生速度。
在这种速度下，冲击的能量会产生剧烈的爆炸，从而以对称的方式挖掘出大量材料。 地球上炸弹坑和炮弹坑的照片证实，爆炸坑本质上总是圆形的。 直到第一次世界大战之后，科学家才意识到撞击坑和爆炸坑之间的相似之处，但遗憾的是，吉尔伯特没有活着看到他的撞击假设被广泛接受。
火山口过程
让我们考虑一下高速冲击是如何产生火山口的。 当这么快的射弹击中一颗行星时，它会穿透自身直径的两到三倍然后停止。 在这几秒钟内，它的运动能量被转移到冲击波（扩散到目标物体中）和热量（蒸发大部分弹丸和周围的一些目标）。 冲击波使目标的岩石破裂，而膨胀的硅酸盐蒸气会产生类似于在地面引爆的核弹的爆炸（图）。 挖出的火山口的大小主要取决于撞击速度，但通常是弹丸直径的10到15倍。
上面描述的那种冲击爆炸会导致一种典型的火山口，如图所示。 中央洞穴最初是碗形的（“火山口” 一词来自希腊语中的 “碗” 一词），但地壳的反弹部分填满了它，形成了平坦的地板，有时还会形成中心峰。 在边缘，山体滑坡形成了一系列露台。
火山口的边缘因爆炸的力量而向上移动，因此它会升至地面和相邻地形之上。 轮缘周围是一条弹射毯，由爆炸抛出的材料组成。 这些碎片会向后掉落，形成一个粗糙的丘陵区域，其宽度通常与火山口的直径差不多。 另外，速度更快的弹射物掉落在距离火山口更远的地方，通常会挖出小型的二级陨石坑，然后它们会撞击地面（图/(9.2.4\)）。
其中一些弹射流可以从火山口延伸数百甚至数千公里，从而产生明亮的火山口射线，这在接近满相拍摄的月球照片中非常突出。 最亮的月球火山口射线与开普勒和第谷等大型幼陨石坑有关。
观察月球
月球是天空中最美丽的景点之一，也是唯一一个距离足够近，无需航天器访问即可显示其地形（山脉和山谷等表面特征）的物体。 一台相当小的业余望远镜可以很容易地显示月球上只有几千米的陨石坑和山脉。
即使通过一副好的双筒望远镜看，我们也可以观察到月球表面的外观随着其相位的变化而发生了巨大变化。 在整个阶段，它几乎不显示任何地形细节，你必须仔细观察才能看到不止几个陨石坑。 这是因为阳光直接照亮表面，而在这种平坦的照明中，不会投射阴影。 更具启发性的是第一或第三季度附近的景色，那时阳光从侧面流入，导致地形特征投射出清晰的阴影。 在可以获得有关地表浮雕的最大信息时，在如此倾斜的光照下研究行星表面几乎总是更有意义的。
但是，全相位的平面照明确实会突出月球上的亮度对比，例如玛丽亚和高地之间的亮度对比。 请注意，在图中，有几个大型母马陨石坑似乎被白色物质包围，可以穿过地表延伸数百公里的光线条纹或光线清晰可见。 这些较轻的特征是弹射物，是从形成火山口的冲击中溅出来的。
顺便说一句，用双筒望远镜或望远镜看月球没有危险。 反射的阳光永远不会明亮到足以伤害你的眼睛。 实际上，阳光照射的月球表面的亮度与地球上阳光照射的深色岩石景观大致相同。 尽管月亮在夜空中看起来很明亮，但平均而言，其表面有大气层和白云，其反射率要比地球低得多。 从深空气候观测站航天器拍摄的月球在地球面前经过的照片很好地说明了这种差异（图）。 自从航天器从地球轨道内的某个位置拍摄图像以来，我们看到两个物体（满月和满地球）都被完全照亮。 顺便说一句，你看不到月球的太多细节，因为曝光设置为提供明亮的地球图像，而不是月球的图像。
不用双筒望远镜或望远镜就能看到的关于月球的一件有趣的事情通常被称为 “旧月怀里的新月”。 看看月亮是一个薄的新月，尽管阳光只照在新月上，但你通常可以分辨出整个月盘的微弱圆圈。 磁盘的其余部分不是由阳光照亮，而是由地球反射的阳光照亮。 整个地球在月球上的光比照在地球上的满月亮亮大约50倍。
使用火山口计数
如果一个世界几乎没有侵蚀或内部活动，比如过去30亿年的月球，则可以使用其表面的撞击坑数量来估计该表面的年龄。 这里所说的 “年龄” 是指自该表面发生重大干扰（例如产生月球玛丽亚的火山喷发）以来的时间。
我们无法直接测量地球和月球上陨石坑的形成速度，因为形成大型陨石坑的撞击之间的平均间隔比整个人类历史的时间间隔要长。 亚利桑那州的流星陨石坑是我们最著名的这么大的火山口（图\(\PageIndex{6}\)），大约有 50,000 年的历史了。 但是，火山口速率可以根据月球玛丽亚上的陨石坑数量估算，也可以根据当今太阳系中存在的潜在 “射弹”（小行星和彗星）的数量来计算。 这两种推理都得出了大致相同的估计。
对于月球来说，这些计算表明，大约每20万年应产生一个直径为1千米的火山口，每隔几百万年应产生一个10千米的陨石坑，每十亿年应产生一到两个100千米的陨石坑。 如果火山口速率保持不变，我们就能计算出我们在月球玛丽亚看到的所有陨石坑需要多长时间。 我们的计算表明，这将花费数十亿年的时间。 该结果与通过对返回样本进行放射性测年确定的玛丽亚年龄相似，即33亿至38亿年的年龄。
这两项计算结果一致的事实表明，天文学家最初的假设是正确的：目前数量的彗星和小行星已经影响行星表面数十亿年了。 对其他行星（及其卫星）进行的计算表明，在此期间，它们受到的行星际撞击次数也大致相同。
但是，我们有充分的理由相信，早于38亿年前，冲击率肯定要高得多。 将月球高地上的陨石坑数量与玛丽亚的陨石坑数量进行比较时，这一点立即显而易见。 通常，高地上的火山口是玛丽亚类似地区的10倍。 然而，对高地样本的放射性测年表明，它们仅比玛丽亚大一点，通常为42亿年而不是38亿年。 如果撞击速度在整个月球历史上一直保持不变，那么高地必须至少老10倍。 因此，它们必须在 380 亿年前形成，早在宇宙本身开始之前。
在科学中，当一个假设得出难以置信的结论时，我们必须回过头来重新审视这个假设——在本例中是恒定冲击率。 如果撞击率随着时间的推移而变化，比38亿年前的轰炸要严重得多，那么矛盾就解决了（图）。 这次 “猛烈轰炸” 产生了我们今天在高地看到的大部分陨石坑。
我们一直在探索的这个想法——大型撞击（尤其是在太阳系的早期历史中）在塑造我们所看到的世界方面发挥了重要作用——并不是我们对月球的研究所独有的。 当你阅读有关行星的其他章节时，你会看到进一步的迹象表明，当今我们系统的许多特征可能是由于其暴力过去造成的。
摘要
一个世纪前，格罗夫·吉尔伯特认为月球陨石坑是由撞击造成的，但直到最近，人们才对陨石坑的形成过程有了很好的了解。 高速撞击会产生爆炸，挖掘出大小相当于撞击物10至15倍的陨石坑，带有凸起的边缘、弹射层，通常还有中心山峰。 在过去的30亿年中，火山口速率大致保持不变，但之前要高得多。 火山口计数可用于推导月球和其他具有固体表面的世界上地质特征的大概年龄.