如果“唐抬头”彗星真的与地球相撞会怎样？

2021年底上映的电影《别 抬头 》 ，描绘了一颗彗星与地球相撞的假想危机情况。科学家、政治家和商人如何处理这种危机局势，以及他们之间发生的事情是合理的。除了电影有趣的情节外，对彗星与地球相撞时发生的事情的科学分析也很有趣。尤其是彗星与地球相撞的速度有多快，它的破坏性有多大，是那些对科学感兴趣的人不能忽视的领域。为了解决这个问题，了解相对速度的基本概念将帮助您解决它。

车祸决定的相对速度

以车祸为例。一辆汽车以100 公里/小时的速度在高速公路上行驶。但是假设另一辆车以120 公里/小时的速度从后面跑，并从后面与它相撞。（图1上）这就是所谓的碰撞事故情况。那么，这两辆车相撞的速度是多少呢？20km /sec 是后面来车的速度减去前面的车的速度。它相当于它从1.57 m的高度落下时撞击地板的速度，这大约是一个人的高度。

如果以100 公里/小时的速度行驶的汽车与以120 公里/小时的速度倒车的车辆正面相撞怎么办？（图1中间）在这种情况下，两辆车的碰撞速度为220公里/小时，这是两辆车的速度之和。这个速度相当于它从50层楼顶高度190m的高度落下时撞击地面的速度。这是一场乘客无法生存的事故。这次，考虑在十字路口以100公里

/小时的速度在南北方向行驶的汽车与以120公里/小时的速度在东西方向行驶的汽车相撞的情况。（图 1 底部）要找出两辆车相撞的速度，请画一个宽100高120的矩形，并测量对角线的长度。冲击速度为156公里/小时。这是它从96 m 的高度（一座25层建筑的屋顶高度）落下时撞击地板的速度。它比与相反方向的汽车相撞要少，但比从后面撞车要快得多。即使在这种情况下，也不能指望居住者幸免于难。

图1。即使车辆以相同速度行驶，碰撞速度也会根据碰撞方向而变化的示例。红色箭头所指的碰撞速度就是绿色汽车所表示的碰撞速度。（上图）当以较高速度向同一方向行驶的汽车跟在它后面并与之相撞时。（中）在相反方向奔跑并相互碰撞时。（下）相互直角奔跑并相互碰撞时

当两个运动物体发生碰撞时，碰撞的速度就是两个物体的相对速度。当彗星与地球相撞时，这种相对速度的概念在计算碰撞速度时也很重要，就像电影“不要 抬头 ”一样。与地球相撞的彗星必须通过与地球相同的位置，因为相对速度，即地球与彗星的轨道速度之差，占碰撞速度的很大一部分。再加上彗星被地球引力吸引的速度增加，你就得到了彗星撞击地球的速度。

决定彗星轨道速度和方向的因素

撞击前地球轨道速度的大小和方向取决于彗星的形成地点和飞行方向。彗星的形成主要有两个地方。一是距离太阳4.5到75亿公里的“柯伊伯带”，二是距离太阳超过3000亿公里的“奥尔特云” 。（图2）

柯伊伯带是由海王星以外的岩石和冰组成的小天体群。它呈圆盘状展开，中间有一个孔。其中大部分位于不会明显偏离太阳系行星轨道的地方。因为它们受到太阳引力的影响，它们也围绕着太阳旋转。从北极看太阳系时，大部分都是逆时针方向运行，就像太阳系中的行星一样。在柯伊伯带中产生的彗星的轨道与其他行星的轨道并没有显着偏离。

奥尔特云被认为比柯伊伯带更远，并且呈球形分布。它们还以相对较慢的速度绕太阳运行，因为它们也略微受到太阳引力的影响。但是它们的球形分布意味着它们没有固定的绕太阳运行的方向。因此，从奥尔特云飞来的彗星可以来自任何地方，其轨道方向可以与太阳系中行星的轨道方向大不相同。

图2。柯伊伯带和奥尔特云。_ _ 柯伊伯带是一组呈空心圆盘状分布的小天体，距离太阳4.5至75亿公里。奥尔特云是一组数十亿颗彗星，据信分布在距离太阳超过3000 亿公里的地方。（图片来源：维基共享资源）

与地球相撞的案例数量

当柯伊伯带中产生的彗星与地球相撞时，当彗星轨道上离太阳最近的位置与地球轨道重叠时，碰撞速度最低。在这种情况下，随着彗星接近地球，它以更快的速度跟随地球并与地球相撞。这可以比作在高速公路上被一辆更快的汽车从后面撞到。如果一颗彗星来自柯伊伯带中点，并与地球轨道在同一平面上公转，那么地球的相对速度和彗星在地球附近的轨道速度为11.8公里/秒。与地球相撞的速度为16.3公里/秒，接近地球引力加速的第三宇宙速度（16.7公里/秒，即逃离太阳系的速度）被添加到此。[1]

如果彗星在接近比地球更接近太阳的位置时发生碰撞，则碰撞速度会更大。除了彗星在其轨道位置的较高速度外，当它以与地球轨道方向略有不同的角度接近地球并与地球相撞时，碰撞速度也会增加。这就像一辆汽车撞到一个角度时比从后面撞到时更快。当然，即使在这种情况下，最终的撞击速度也略大于轨道速度的相对速度，因为地球的引力会吸引彗星。当一颗与金星一样接近太阳的彗星与地球相撞时，碰撞速度达到25公里/秒。它达到37公里。[一]

图3。柯伊伯带彗星接近地球撞击时的相对速度（红色箭头）。地球的轨道速度和彗星的轨道速度在方向上的差异越大，相对速度就越大。彗星碰撞的速度与地球引力拉彗星的速度相加。(1) 彗星到太阳的最近距离是地球-太阳距离，(2) 彗星到太阳的最近距离是金星-太阳距离 (3) 彗星到太阳的最近距离是水星 - 如果两者之间的距离太阳

考虑来自奥尔特云的彗星与地球相撞的情况。奥尔特云距离太阳超过 3000 亿公里（2000 天文单位） 。从这里飞来的彗星也在地球围绕的圆盘平面上以相同的方向运行。但是，如果彗星运行的表面和地球运行的表面差别很大，那么碰撞速度就会增加。

假设彗星运行的平面垂直于地球运行的平面。如果这颗彗星（图 4 中的深黄色一侧）在距离太阳最近的时候与地球相撞，撞击速度将为52.8 公里/秒。[2] 碰撞速度考虑了由于地球引力的吸引而增加的速度。这类似于两辆汽车以直角行驶并在十字路口相撞的情况。极端情况是彗星和地球在相反方向运行时发生碰撞。（图4灰色侧）如果彗星在距离太阳最近的时候与地球相撞，碰撞速度为72.8公里/秒。[2] 与逆行车辆相撞时，可与最高碰撞速度相比较。

图4。一颗来自3000 亿公里外的奥尔特云彗星与地球相撞的例子。如果它们在同一平面但方向相反，则与地球相撞的速度为72.8公里/秒。如果彗星运行的表面与地球运行的表面垂直，则彗星与地球相撞的速度为52.8公里/秒。