月球第谷坑&澳亞玻璃隕石

□ 蔣迅

月球第谷坑&澳亞玻璃隕石

□ 蔣迅

玻璃隕石

月球上的第谷隕石坑

丁·查普曼

第谷坑是月球上的一座環(huán)形山，澳亞玻璃隕石是在澳大利亞和一些東南亞國(guó)家發(fā)現(xiàn)的一批隕石，這二者之間有什么關(guān)系呢？事實(shí)上，這些隕石很可能是因大約70萬(wàn)年前因月球遭到一顆小行星的撞擊而來(lái)。那次撞擊產(chǎn)生了第谷坑，同時(shí)，一些因撞擊產(chǎn)生出來(lái)的月球物質(zhì)飛落到了地球上。這聽(tīng)起來(lái)似乎有些難以置信，但得出這個(gè)結(jié)論主要靠的是科學(xué)分析。進(jìn)行這項(xiàng)分析的就是美航宇局的一名科學(xué)家丁·查普曼（1922 – 1995）。

成長(zhǎng)歷程

查普曼1922年3月8日在新墨西哥州桑姆那堡出生。他有一個(gè)弟弟和一個(gè)姐姐。在他還很小的時(shí)候，全家搬到了亞利桑那州，1926年又搬到了南加州。他與弟弟和姐姐一起長(zhǎng)大。他和弟弟一起玩，一起賣(mài)雜志，一起送報(bào)。送報(bào)很辛苦，他們必須早上3點(diǎn)半起床去工作，然后去上學(xué)。放學(xué)后他們還一起打籃球，甚至到了癡迷的地步。

查普曼在高中的學(xué)習(xí)成績(jī)很一般。高中畢業(yè)時(shí)，查普曼和兩個(gè)同學(xué)商量一起報(bào)考陸軍航空兵。預(yù)飛訓(xùn)練要求本科學(xué)分，所以他們只好到洛杉磯城市學(xué)院去修課。他的兩個(gè)同學(xué)完成了學(xué)分，考上了陸軍航空兵，而查普曼則被一位教授鼓勵(lì)申請(qǐng)了加州理工學(xué)院。教授對(duì)他的機(jī)敏和智慧印象深刻，并深信他經(jīng)過(guò)加州理工的學(xué)習(xí)后能達(dá)到更高的目標(biāo)。查普曼不但被錄取，還得到了一筆獎(jiǎng)學(xué)金。1941年，查普曼以最高榮譽(yù)從城市學(xué)院畢業(yè)，在加州理工他的成績(jī)也很優(yōu)秀，還是一名籃球明星。他以最高分獲得機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，又以?xún)?yōu)秀生的榮譽(yù)獲得航空工程的碩士學(xué)位。

畢業(yè)后，查普曼得到了美國(guó)國(guó)家航空咨詢(xún)委員會(huì)艾姆斯航空實(shí)驗(yàn)室（即現(xiàn)在的美國(guó)航宇局艾姆斯研究中心）的一個(gè)職位。當(dāng)時(shí)二戰(zhàn)還在進(jìn)行之中，美國(guó)政府為了避免把這里的精英抽去當(dāng)兵，干脆把這里的人都征入海軍編制。就這樣，雖然不是航空兵，查普曼也算是圓了他當(dāng)年的夢(mèng)。二戰(zhàn)結(jié)束后，他又回到了加州理工去攻讀博士學(xué)位，從師漢斯·利浦曼，從事超音速飛行的研究。1948年，他獲到了博士學(xué)位。

查普曼于1948年再次加入艾姆斯航空實(shí)驗(yàn)室，后來(lái)成為那里的航空部主任。他是著名的流體力學(xué)專(zhuān)家和現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)的先驅(qū)，還對(duì)存有爭(zhēng)議的玻璃隕石來(lái)源的理論進(jìn)行過(guò)研究。

作為一名科學(xué)家，查普曼具有一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)：他集出色的數(shù)學(xué)修養(yǎng)和工程師素質(zhì)于一身。他又善于把問(wèn)題簡(jiǎn)化并用文字清晰地表述出來(lái)。

在艾姆斯，查普曼最初的工作是在世界上最大的12.2米x24.4米亞音速風(fēng)洞部門(mén)。不久他被調(diào)到0.305米x0.915米超音速部門(mén)并在那里工作了很長(zhǎng)時(shí)間。查普曼的早期工作主要是表面摩擦、基礎(chǔ)壓力和熱傳導(dǎo)。他還率先以高馬赫數(shù)在風(fēng)洞里使用混合氣體，以避免氣體液化的問(wèn)題。在流體分離的特征及其對(duì)相應(yīng)區(qū)域中熱傳導(dǎo)的影響方面進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

從1944年到1979年，他已成為表面摩擦、邊界層、基礎(chǔ)壓力、分離流動(dòng)、湍流和風(fēng)洞中混合氣體、電弧風(fēng)洞、大氣進(jìn)入動(dòng)力學(xué)、燒蝕分析、防熱、高超音速真實(shí)氣體、計(jì)算流體力學(xué)、激波分析等多方面的專(zhuān)家。但連他自己都沒(méi)有想到，他的這些技能會(huì)在隕石研究方面發(fā)揮作用。

研究隕石

對(duì)查普曼來(lái)說(shuō)，最具有挑戰(zhàn)性的工作是研究玻璃隕石的來(lái)源問(wèn)題。他用的方法就是：統(tǒng)計(jì) + 建模 + 計(jì)算+試驗(yàn)。

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本來(lái)美航宇局對(duì)玻璃隕石的研究興趣來(lái)自于對(duì)隕石的空氣動(dòng)力受熱的性質(zhì)從而用于未來(lái)再入航天器的設(shè)計(jì)上。但出于科學(xué)的好奇心，美航宇局的科學(xué)家們也對(duì)隕石本身產(chǎn)生興趣。

玻璃隕石是具有粗糙玻璃形狀的鱗狀物體，在地球的很多地方都有過(guò)發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家們對(duì)玻璃隕石已經(jīng)研究了好幾百年，提出了多種理論來(lái)解釋玻璃隕石的來(lái)源。最早發(fā)現(xiàn)澳大利亞玻璃隕石的是達(dá)爾文，他說(shuō)在澳大利亞的新南威爾士發(fā)現(xiàn)了一些像鏡片似的“火山炸彈”。這些炸彈具有綠色玻璃似的壓扁的瓶狀，并在表面有條紋。在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)里，這些后來(lái)被稱(chēng)為“奧石”的東西引起了人們的極大興趣和爭(zhēng)論。他們認(rèn)為這些東西一定是一次火山爆發(fā)的結(jié)果：可能是陸地火山（達(dá)爾文的觀點(diǎn)），也可能是月球火山，也可能來(lái)自太陽(yáng)，也可能是來(lái)自木星或其它行星。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)這些“奧石”不僅在澳大利亞有，而且在東南亞一帶也有很多，范圍可能覆蓋了30%的地球表面。人們稱(chēng)之為“澳亞石場(chǎng)”。“奧石”只是“澳亞石場(chǎng)”的一部分。

1960年，查普曼意識(shí)到玻璃隕石的形狀可能是它們?cè)谶M(jìn)入大氣層時(shí)出于受熱和空氣動(dòng)力的結(jié)果。他使用能模擬進(jìn)入大氣條件的電弧風(fēng)洞成功地再現(xiàn)了奧石的形狀，所以他斷定這些奧石來(lái)自外太空，其形狀是它們?cè)诔咚俚剡M(jìn)入大氣層由于氣動(dòng)和受熱而形成。這些所謂的奧石其實(shí)就是平時(shí)人們說(shuō)的玻璃隕石。玻璃隕石這個(gè)詞的英文是“tektites”，來(lái)自希臘文“tektos”，意識(shí)是熔化了的。英裔澳大利亞地質(zhì)學(xué)家弗朗茨·愛(ài)德華·修斯用這個(gè)詞來(lái)指那些未知來(lái)源的散落在地球若干地區(qū)的自然玻璃狀體。在1950年代和1960年代初，人們有兩個(gè)主要的假想：這些玻璃狀體或者是由于某種原因（比如月球撞擊或月球火山而）來(lái)自于月球，或者是一顆小行星撞擊地球造成的。不管哪種猜想正確，我們都可以稱(chēng)它們?yōu)椤安ＡщE石”。

澳亞石場(chǎng)

在澳大利亞的玻璃隕石

澳大利亞和東南亞隕石對(duì)比圖

到底哪一個(gè)假想是正確的呢？查普曼決心去找到答案。在1963年～1965年間，他投入了大量的時(shí)間和精力。我們從他的研究過(guò)程可以清楚地看到，他的科學(xué)素質(zhì)、數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算能力使他獲益匪淺。

查普曼假定的是月球來(lái)源說(shuō)。要是小行星的話(huà)，也沒(méi)處確定源頭。他的工作就按照這個(gè)目標(biāo)開(kāi)始了。首先他要把那次撞擊事件發(fā)生的時(shí)間大概確定下來(lái)。這個(gè)不難，他通過(guò)氬鉀，鈾裂變的衰變計(jì)算，確定這些隕石都只有70萬(wàn)年。這樣的年齡無(wú)疑保證了它們沒(méi)有遭受地球上的化學(xué)和物理的腐蝕。

根據(jù)已有的對(duì)這些隕石的化學(xué)元素的分析進(jìn)行了綜合。下表是他得到的在馬尼拉和澳大利亞西南部?jī)傻氐碾E石的化學(xué)成分的比較。他發(fā)現(xiàn)，盡管有不同的形狀，但是它們的來(lái)源是同一個(gè)，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)成分驚人地相似，雖然這兩地相距至少5000千米。

人們注意到，在這兩個(gè)地區(qū)的玻璃隕石的形狀、大小不同。澳大利亞的隕石有明顯的燒蝕痕跡，而東南亞的隕石缺少這一特征；澳大利亞的隕石比較圓滑，而更北邊的那些隕石更為不規(guī)則。為了解決這個(gè)疑惑，查普曼做了很多空氣動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，得出了大多數(shù)玻璃隕石可能來(lái)自月亮的結(jié)論。如果是來(lái)自月亮的一堆熾熱的巖漿落在地球上，那么落在澳大利亞?wèn)|南部的隕石是那些更熱一些、少粘性一些的中央部分；而那些不規(guī)則的則來(lái)自相對(duì)冷一些的、更粘一些的其他部分。通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，他們甚至確定了這些隕石進(jìn)入大氣層時(shí)的角度和進(jìn)入速度（大約11.263千米/秒）。于是他推斷，這次的隕石散落是從南向北，從而解釋了這兩處隕石的不同。

不過(guò)，他的這個(gè)理論還沒(méi)有被那些不具備大氣進(jìn)入動(dòng)力學(xué)背景的科學(xué)家們認(rèn)同。有人說(shuō)，從月球飛出的物體在其路徑上，以地月之間的距離為半徑的球面上只有1/15000部分被地球擋住，所以擊中地球的可能應(yīng)該非常小。

查普曼接受了兩方面的挑戰(zhàn)。

查普曼和同事們所做的軌道計(jì)算表明，由于地球的引力作用，月球上的濺起物擊中地球的幾率比1/15000要大得多，平均是1/200，不管是從月球上哪個(gè)地方濺起。

從地球上觀測(cè)，月球的隕石坑有150多個(gè)。要確定那次撞擊是從月球的哪里發(fā)生的，必須縮小范圍。因?yàn)樗呀?jīng)知道那些隕石是70萬(wàn)年前落到地球的，所以他可以鎖定那些在那個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的月球上的隕石坑。根據(jù)月球的照片，他選擇了10個(gè)最年輕的隕石坑（70萬(wàn)年算是年輕的哦）。在這些隕石坑附近的濺起痕跡還都清晰可見(jiàn)。因此，他可以確定是否有細(xì)窄的熔化物濺起后是否能達(dá)到地球，這其中包括一個(gè)在月球背面的隕石坑。他的計(jì)算顯示，從這幾個(gè)隕石坑濺起物到達(dá)地球的概率要高于前面的平均值，其中有一個(gè)的概率達(dá)到了1/60。

他還需要知道，熔化物濺起時(shí)，會(huì)不會(huì)是以一個(gè)細(xì)窄的軌道濺出。這一點(diǎn)不難。根據(jù)月球上的濺起痕跡在艾姆斯的試驗(yàn)，如果熔化物濺射出來(lái)的話(huà)，其軌道很窄，而且由于地球的引力而在飛行軌道上不會(huì)過(guò)于分散。軌道分析清楚地顯示，散落的方式會(huì)落在地球表面的一小部分地區(qū)里。

那么到底是從哪個(gè)隕石坑里濺射出來(lái)的呢？他對(duì)數(shù)千個(gè)玻璃隕石進(jìn)行了某種特殊的重力測(cè)量和大量的化學(xué)元素分析。從這些數(shù)據(jù)里，他發(fā)現(xiàn)了它們?cè)诘厍蛏仙⒙涞哪Ｊ揭?guī)律。再使用美航宇局的最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)IBM7094，他分析了月球上所有具有月球射紋的大隕石坑里彈出的隕石的地月軌道，最后用電弧風(fēng)洞來(lái)驗(yàn)證他的模型。他發(fā)現(xiàn)位于月球南半球的第谷坑所產(chǎn)生的地月軌道最接近地球上實(shí)際觀測(cè)到的玻璃隕石，而且只有從第谷濺出的濺射物的某個(gè)角度可以造成澳亞的隕石散落的形狀。他把量角器的這個(gè)角度對(duì)準(zhǔn)了第谷坑，正好落在了一個(gè)濺射痕跡上。查普曼回答了艾倫的挑戰(zhàn)：澳大利亞玻璃隕石來(lái)自于第谷坑的“羅斯濺射”。

當(dāng)然，在查普曼的分析中，做了許多簡(jiǎn)化，所以他沒(méi)有斷言澳亞玻璃隕石一定是來(lái)自第谷坑。然而他非?？隙ǎ@些隕石是來(lái)自月球。在他的嚴(yán)格的分析和計(jì)算的事實(shí)面前，有一些持反對(duì)意見(jiàn)的人有了轉(zhuǎn)變，但仍然有一些重要人物持反對(duì)意見(jiàn)。

最終的確認(rèn)還需要來(lái)自對(duì)“羅斯濺射”的化學(xué)元素分析，但是查普曼在整個(gè)分析過(guò)程中采用的如此豐富的科技手段令所有人佩服。

在對(duì)玻璃隕石做了大量分析之后，查普曼又與同事一起做了燒蝕分析的計(jì)算。1965年7月，他與另一位同事一起發(fā)表了題為《推廣的燒蝕分析及其在熱屏蔽材料及隕石玻璃上的應(yīng)用》的論文。

1952年，查普曼因?yàn)槌錾墓ぷ鳙@得了一年一度的美國(guó)航天航空學(xué)會(huì)（AIAA）的榮譽(yù)獎(jiǎng)。1963年，航宇局授予查普曼“杰出科學(xué)成就獎(jiǎng)”。

查普曼還獲得過(guò)多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，包括獎(jiǎng)勵(lì)他在空間飛行器再入大氣層工作的“洛克菲勒公共服務(wù)獎(jiǎng)”、1972年由美航宇局艾姆斯中心頒發(fā)的獎(jiǎng)勵(lì)他在隕石研究方面工作的艾倫獎(jiǎng)、1980年“美航宇局出色服務(wù)獎(jiǎng)”等。

查普曼在研究隕石

查普曼給約翰遜副總統(tǒng)講解玻璃隕石

查普曼在講解隕石

1969年，查普曼被任命為艾姆斯中心熱氣動(dòng)力學(xué)室的主任；1974年被提升為艾姆斯中心航空學(xué)研究所主任，領(lǐng)導(dǎo)著500多人，從事流體力學(xué)、氣動(dòng)、材料、計(jì)算技術(shù)和化學(xué)方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。在這段時(shí)間里，他的最大成就是建立起了首個(gè)以高速計(jì)算機(jī)為手段的計(jì)算流體力學(xué)的研究梯隊(duì)。1970年，第一個(gè)大規(guī)模平行計(jì)算機(jī)Illiac IV在艾姆斯中心建成并于1973年投入使用。他因此被國(guó)家工程學(xué)院選為會(huì)員。

在美航宇局工作34年后，1980年查普曼從該局退休，同時(shí)接受斯坦福大學(xué)的任聘，成為了斯坦福大學(xué)的教授。1995年10月4日，查普曼因癌癥在家中逝世。享年73歲。★