14.2: 陨石-来自天堂的宝石
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释陨石的起源以及流星和陨石之间的区别
- 描述大多数陨石是如何被发现的
- 解释原始石陨石与其他类型的陨石有何显著不同
- 解释一下对陨石的研究如何影响我们对太阳系年龄的理解。
任何在地球大气层中猛烈坠落后幸存下来的行星际碎片都被称为陨石。 陨石在任何一个地方都很少落下，但是在整个地球上，每年有成千上万的陨石坠落。 有些陨石是孤独的，但许多是单个较大物体在大气中破裂产生的碎片。 这些来自天空的岩石记录了太阳系的形成和早期历史。
陨石的外星起源
历史上偶尔会发现陨石，但直到十九世纪初，科学家才接受它们的外星起源。 在此之前，这些奇怪的宝石要么被忽视，要么被认为具有超自然的起源。
最早回收的陨石的坠落在神话迷雾中消失了。 许多宗教经文都提到了来自天堂的石头，这些石头有时是击中这些经文作者的敌人的好时机。 至少有一颗神圣的陨石显然以天房的形式幸存下来，天房是麦加的神圣黑石，被伊斯兰教视为族长时代的遗物，尽管可以理解，但这块圣石上的任何碎片都没有经过详细的化学分析。
陨石的现代科学史始于十八世纪末，当时一些科学家提出，一些看上去很奇怪的石头的成分和结构非常奇特，可能不是陆地起源。 只有在法国物理学家让·巴蒂斯特·比奥特（Jean-Baptiste Biot）领导的科学小组调查了1803年观察到的坠落事件之后，“石头确实从天上掉下来” 的想法才被普遍接受。
陨石有时成群落下或阵雨。 当一个较大的物体在猛烈穿过大气层时破裂时，就会发生这种坠落。 重要的是要记住，这样的陨石雨与流星雨无关。 从未发现过与流星雨有关的陨石。 无论陨石的最终来源是什么，它们似乎都不是来自彗星或其相关的粒子流。
陨石坠落和发现
陨石有两种发现方式。 首先，有时会观察到明亮的流星（火球）会穿透大气到低海拔。 如果我们搜查火球烧毁点下方的区域，我们可能会发现一个或多个到达地面的残余物。 换句话说，观测到的陨石坠落可能会导致坠落的陨石恢复。 （有几颗陨石甚至击中了建筑物，或者很少击中人；请参阅下方的 “建立联系：一些打击陨石” 方框）。 我们在 “彗星和小行星：太阳系的碎片” 一章中讨论了2013年的车里雅宾斯克火球，它产生了成千上万颗小陨石，其中许多很容易找到，因为这些黑石落在雪地上。
但是，有许多关于陨石坠落的错误警报。 大多数观察明亮火球的观察者得出结论，其中一部分击中了地面，但情况很少如此。 每隔几个月，新闻媒体就会报道一颗陨石与起火有牵连。 事实证明，这样的故事总是错误的。 陨石在太空中是冰冷的，即使在短暂的火热坠入大气层之后，其大部分内部仍然很冷。 刚掉落的陨石更有可能获得霜冻涂层，而不是起火。
人们有时会发现看起来不寻常的岩石，这些岩石原来是流星状的；这些岩石被称为陨石发现。 现在，公众已经意识到陨石意识，每年都会向专家发送许多不寻常的碎片，事实证明并非所有碎片都来自太空。 一些科学家将这些物体分为两类：“陨石” 和 “流星错误”。 在南极洲以外（见下一段），真正的陨石平均每年出现25颗左右。 其中大多数最终进入了世界各地的自然历史博物馆或专门的气象实验室（图\(\PageIndex{1}\)）。
自20世纪80年代以来，南极的资源极大地增加了我们对陨石的了解。 由于冰在南极洲某些地区的运动，已经从南极回收了一万多颗陨石（图\(\PageIndex{1}\)）。 落在积冰区域的陨石会被掩埋，然后缓慢带到冰层逐渐消失的其他区域。 几千年后，岩石再次出现在地表上，其他陨石也被运送到相同地点。 因此，冰层集中了在大面积和很长一段时间内掉落的陨石。 一旦浮出水面，岩石就会与冰形成鲜明对比，因此比我们岩石星球上的其他地方更容易被发现。
一些引人注目的陨石
尽管陨石经常落到地球表面，但很少有陨石对人类文明产生重大影响。 我们的星球上有太多的水和无人居住的土地，以至于来自太空的岩石通常会掉落在没人看见它们掉落的地方。 但是，考虑到每年降落的陨石数量，有几颗陨石撞击了建筑物、汽车甚至人，你可能不会感到惊讶。 例如，1938 年 9 月，一颗陨石从爱德华·麦凯恩车库的屋顶掉下来，它被嵌入了他的 Pontiac Coupe 的座位上（图\(\PageIndex{3}\)）。
1982 年 11 月，康涅狄格州韦瑟斯菲尔德的 Robert 和 Wanda Donahue 在电视上观看 M* A* S* H*，当时一颗6磅重的陨石从屋顶雷鸣般地冲出来，在客厅的天花板上打了一个洞。 弹跳之后，它终于在他们的餐桌下休息了。
1992 年 10 月的一个早晨，来自纽约皮克斯基尔的十八岁的米歇尔·纳普大吃一惊。 她刚刚购买了自己的第一辆车，即祖母1980年的雪佛兰马里布。 但是她醒来时发现它的后端被损坏了，家庭车道上有一个火山口，这要归功于一颗重达 3 磅的陨石。 米歇尔不确定是否会因为丢失汽车而感到震惊，还是被所有媒体的关注所激动。
1994 年 6 月，何塞·马丁和他的妻子从西班牙马德里开车去打高尔夫度假，当时一颗拳头大小的陨石从汽车的挡风玻璃上坠毁，从仪表板上弹起来，摔断了何塞的小手指，然后降落在后座上。 在马丁之前，已知最近被陨石击中的人是阿拉巴马州西拉考加的安妮·霍奇斯。 1954 年 11 月，她正在沙发上小睡，当时一颗陨石穿过屋顶，从一台大型收音机上弹起来，先击中她的手臂，然后击中腿部。
2013年2月15日，火球在俄罗斯城市车里雅宾斯克附近约20公里的高度爆炸，产生了非常大的陨石雨，不少小岩石击中了建筑物。 但是，已知没有陨石会击中人，而且单个陨石很小，没有造成太大伤害——远不如火球爆炸产生的冲击波，火球打破了成千上万扇窗户的玻璃。
陨石分类
我们藏品中的陨石有各种各样的成分和历史，但传统上它们分为三大类。 首先是铁，由几乎纯金属的镍铁组成。 其次是石头，该术语用于任何硅酸盐或岩石陨石。 第三是稀有的石铁，（顾名思义）由石头和金属铁的混合物制成（图\(\PageIndex{4}\)）。
在这三种类型中，铁和石铁最明显是外星人，因为它们含有金属。 纯铁几乎从来没有天然存在于地球上；它在这里通常以氧化物（与氧气化学结合）或其他矿石的形式存在。 因此，如果你碰到过一块金属铁，它肯定是人造的或陨石的。
宝石比铁更常见，但更难识别。 通常，需要进行实验室分析以证明特定样本确实来自外星人，特别是如果它已经在地面放置了一段时间并受到风化的影响。 最具科学价值的宝石是掉落后立即采集的宝石，或者是用冰保存在近乎原始状态的南极样本。
该表\(\PageIndex{1}\)总结了坠落、发现和南极类别中不同类别陨石的出现频率。
| 班级 | 跌幅 (%) | 发现 (%) | 南极 (%) |
|---|---|---|---|
| 原始石头 | 88 | 51 | 85 |
| 差异化宝石 | 8 | 2 | 12 |
| 铁杆 | 3 | 42 | 2 |
| Stony-Irons | 1 | 5 | 1 |
陨石的年龄和组成
直到测量了陨石的年龄并对其成分进行了详细分析后，科学家们才意识到它们的真正意义。 陨石包括可供实验室直接研究的最古老和最原始的材料。 通过仔细测量放射性同位素及其衰变产物，可以确定石质陨石的年龄. 几乎所有陨石的放射年龄都在450亿至45.6亿年之间，与我们在太阳系中测得的任何年龄一样古老。 少数较年轻的例外是火成岩，这些岩石是从月球或火星的火山口事件中弹出来的（并已进入地球）。
使用目前可获得的最精确的放射性半衰期值计算得出的最原始陨石的平均年龄为45.6亿年，不确定性不到0.1亿年。 这个值（我们在本书中将其四舍五入为45亿年）被用来代表太阳系的年龄，即自第一批固体凝结并开始形成更大天体以来的时间。
将陨石分为铁、石头和石铁的传统分类很容易使用，因为通过观察可以明显看出陨石属于哪个类别（尽管区分流星石和陆地岩石可能要困难得多）。 但是，更具科学意义的是原始陨石和差异陨石之间的区别。 分化的陨石是较大的母体的碎片，它们在分解之前就熔化了，从而使密度更高的物质（例如金属）沉入其中心。 像地球上的许多岩石一样，它们也经历了一定程度的化学改组，不同的材料根据密度进行分类。 差异化的陨石包括铁，它们来自其母体的金属芯；石铁，可能起源于金属芯和石质地幔之间的区域；以及一些由来自其不同母体的地幔或地壳材料组成的石头。
最原始的陨石
有关太阳系最早历史的信息，我们转向原始陨石，即那些由自形成以来没有受到过巨大热量或压力的材料制成的陨石。 我们可以观察小行星反射的阳光光谱，并将它们的成分与原始陨石的成分进行比较。 这样的分析表明，它们的母体几乎可以肯定是小行星。 由于小行星被认为是太阳系形成过程中遗留的碎片，因此它们应该成为原始陨石的母体是有道理的。
到达地球的绝大多数陨石都是原始石头。 其中许多由浅灰色硅酸盐组成，其中混合了一些金属颗粒，但也有一组重要的深色宝石称为碳质陨石。 顾名思义，这些陨石含有碳，但我们也在其中发现了各种复杂的有机分子——基于碳的化学物质，在地球上，碳是生命的化学基石。 此外，其中一些含有化学结合的水，许多在金属铁中耗尽。 碳质（或C型）小行星集中在小行星带的外部。
这些陨石中最有用的有落在墨西哥的阿连德陨石（见图\(\PageIndex{4}\)）、落在澳大利亚的默奇森陨石（均在 1969 年）和 2000 年降落在加拿大塔吉什湖冬季雪堆中的塔吉什湖陨石。 （来自塔吉什湖陨石的脆弱深色物质碎片在白雪中很容易看见，尽管起初它们被误认为是狼粪。）
默奇森陨石（图\(\PageIndex{5}\)）以其产生的各种有机化学物质而闻名。 碳质陨石中的大多数碳化合物都是复杂的焦油状物质，无法进行精确分析。 默奇森还含有16种氨基酸（蛋白质的组成部分），其中11种在地球上是稀有的。 这些有机分子最引人注目的是，它们包含相等的数字，具有右手和左手分子对称性。 氨基酸可以具有任何一种对称性，但地球上的所有生命都是使用左手版本来制造蛋白质进化而来的。 两种氨基酸的存在清楚地表明，陨石中的氨基酸起源于外星。
默奇森中这些天然存在的氨基酸和其他复杂的有机分子 —— 在没有受益于地球庇护环境的情况下形成 —— 表明，太阳系形成时肯定发生了许多有趣的化学物质。 如果是这样，那么也许地球上生命的一些分子基石首先是由原始陨石和彗星传递的。 这是一个有趣的想法，因为我们的星球可能太热了，任何有机物质都无法存活其最早的历史。 但是在地球表面冷却之后，撞击它的小行星和彗星碎片本可以刷新其有机材料的供应。
关键概念和摘要
陨石是来自太空的碎片（主要是小行星碎片），它们存活下来到达地球表面。 陨石根据其发现方式被称为发现或坠落；当今生产力最高的来源是南极冰盖。 根据陨石的成分，陨石被分为铁、石铁或石头。 大多数石头都是原始物体，其历史可追溯到45亿年前太阳系的起源。 最原始的是碳质陨石，例如默奇森和阿连德。 它们可能包含许多有机（富含碳）分子。
词汇表
- 铁陨石
- 一种主要由铁和镍组成的陨石
- 陨石
- 流星的一部分，在穿过大气层后幸存下来撞击地面
- 石质陨石
- 一种主要由石质材料组成的陨石，要么是原始的，要么是差异化的
- 石铁陨石
- 一种差异化的陨石，由镍铁和硅酸盐材料混合而成