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地球曾两年陷入“暗无天日” 到底发生了什么?

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  在地球的漫长历史中,曾发生过多次类似地狱般的插曲,甚至好莱坞最夸张的灾难片与之相比都像在“阳光明媚的午后进行野餐”。其中,白垩纪末期的物种灭绝是最著名的,因为它导致恐龙灭绝,并为哺乳动物的崛起打开了大门,虽然大多数人类都认为这是好事。

地球曾两年陷入“暗无天日” 到底发生了什么?

  虽然这个故事是人们耳熟能详的,但在那次灾难中究竟发生了什么仍然需要我们搞明白。在巨大的小行星坠入尤卡坦半岛之前,许多物种似乎都陷入了麻烦,也许部分原因是由于长期以来印度发生的大规模火山爆发。这导致有些人质疑,小行星撞击的影响是否像科学家们所描述的那样致命。但我们也在细节上填补小行星撞击对地球造成的影响,其中包括令人震惊的海啸、肆虐的野火以及令人震惊的气候效应。那么这种影响有多致命呢?

  不久前的日全食曾导致美国许多地区陷入长达2分钟的黑暗之中,由此引发许多怪诞的推测。但最近有研究显示,与大约6550万年前导致恐龙灭绝的小行星撞地球形成的漫长黑暗时代相比,这无异于“小巫见大巫”。研究人员说,当这颗10公里宽的小行星撞击地球时,地球陷入了持续了近两年“暗无天日”的状态。

  在某种程度上,这种黑暗是由全球野火产生的大量烟灰遮住阳光导致的。没有阳光照射,地球上的植物就无法进行光合作用,地球也会急剧降温。根据这项研究,这两个关键因素可能会颠覆全球食物链,并导致恐龙时代末期的大规模灭绝事件。研究人员表示,这项发现可能有助于科学家理解:为什么在小行星撞到现在的墨西哥尤卡坦半岛后,超过75%的物种灭绝了,包括非鸟类恐龙(比如霸王龙)以及大型海洋爬行动物(如蛇颈龙)。

  杀手小行星

  研究人员称,当太空岩石撞击地球时,可能会引发地震、海啸甚至火山爆发。这颗小行星以如此大的力量撞上地球,促使其岩石在大气层中汽化。在那里,蒸发的岩石会凝结成小颗粒,它们被称为球粒。当球粒重回到地球上时,它们与空气分子相撞,摩擦和加热促使其足以达到在世界各地点燃火焰的温度。研究人员说,事实上,在地质记录中仍然可以发现一层薄薄的球粒。

  这项研究的首席研究员、美国国家大气研究中心(NCAR)项目科学家查尔斯·巴丁(Charles Bardeen)表示,大多数大型中生代陆地动物都死于小行星直接撞击导致的后果,但生活在海洋或地下洞穴或水下的动物暂时可能幸存了下来。他说:“我们的研究主要针对小行星撞击地球引发的初步影响之后,即地震、海啸以及火山喷发之后。我们想看看大量烟灰产生的长期后果,以及这些后果对那些幸存动物的影响。”

  地球没有光合作用

  巴丁表示,尽管研究人员在20世纪70年代末发现了这颗小行星的证据,但在太空岩石撞击地球后,地球在黑暗中被笼罩了多长时间仍然没有达成“普遍共识”。巴丁和同事们使用了最新地质记录中精细烟灰的估计值——即7500亿公斤到35万亿公斤之间。然后,研究人员根据这些数据进行了几次不同的模拟。他们将数字插入到基于NCAR的社区地球系统模型(CESM)中,这是一种现代化学-气候模型,涵盖与大气、陆地、海洋和海冰相关的各种因素。这个模型使科学家能够模拟小行星撞击后数年烟灰产生的影响。

  巴丁在电子邮件中称:“不同的研究已经假定了各种类型的粒子,包括灰尘、硫酸盐和烟灰。所有这些粒子都能阻挡足够的阳光,导致地面温度下降。与此同时,烟灰能够强烈吸收阳光热量,加热平流层,并将到达地表的阳光降低到非常低的水平。”

地球曾两年陷入“暗无天日” 到底发生了什么?

  模拟结果显示,大部分的烟灰在1内都会从大气中脱落,但仍有足够的烟灰留在空气中,在接近2年的时间里阻挡了99%的太阳光线,两极烟灰清除的速度最快。而海洋中的光合作用在阳光照射达到1%时就会结束,因此研究人员将这个数据作为植物生命的门槛。

  新的研究结果表明,烟灰对地球造成了灾难性的影响。巴丁说:“我们的研究表明,在长达两年的时间里,陷入黑暗的地球足以使光合作用停止。这将产生毁灭性影响,尤其是在海洋中,因为海洋依赖于浮游植物作为食物的主要来源,而失去浮游植物对整个食物链来说将是灾难性的。”研究人员还发现,即使烟灰的含量达到了这个估计值的1/3,光合作用仍会停止一年。

  其他的灾难性影响

  除了停止光合作用外,这种遍布全球的烟灰还会阻止太阳的大部分热量到达地球。研究人员发现,在经历了撞击三年后,陆地和海洋的温度将分别下降28摄氏度和11摄氏度。在最初的几年里,地球上的大部分陆地温度都在零度以下,只有部分海岸和热带地区才会脱离霜冻。相比之下,被称为平流层的上层大气会变暖,因为那是烟灰流动的地方,它吸收了太阳大部分热量。

  这些炙热的温度将耗尽臭氧,并允许大量水蒸气在平流层盘旋。研究人员称,当水蒸气在平流层发生化学反应时,会产生氢化合物,从而进一步破坏臭氧层。而随着臭氧消失,烟灰消散,有害的紫外线会直接射入地球内部,对地球生命造成危害。

地球曾两年陷入“暗无天日” 到底发生了什么?

  图:模拟结果显示,在小行星撞击地球的第二、第三以及第四年内,阳光照射到地球表面(颜色)的百分比。注意,模拟中使用了现代地球为模板,但在6600万年前,情况会有所不同。

  巴丁认为,由于地面很冷,而烟灰又会加热周围空气,这会大大减缓水的循环,使全球降水量减少3/4,持续时间可能长达6年。甚至连季风也会停止。地球成为黑暗、冰冻、荒芜的世界。只有极少数地方足够明亮、足够温暖、足够湿润,足以让植物继续生存。

  对于那些设法在这种荒芜环境中生存的生物,必要的生存条件实际上可以很快恢复正常。在平流层中,烟灰的含量不断下降,当达到临界点时,它们很快就会被清理掉。巴丁说,当平流层最终冷却下来的时候,那里的水汽会凝结,并开始下雨,突然把烟灰全部洗掉。随着烟灰消散,那里的空气会变冷,进而导致水蒸气凝结成冰颗粒,这些颗粒会冲走更多的烟灰。研究人员发现,一旦这个冷却周期重复多次,薄烟灰层在几个月内就会消失。

  在模拟中,这个过程会发生行星撞地球7年之后,阳光和大部分降水会恢复。此时,地表温度仅比最初低5摄氏度,在接下来的10年里也能恢复正常。

  巴丁对他的朋友贝蒂·皮拉佐(Betty Pierazzo)大加赞扬,后者是亚利桑那州图森市非营利性机构“行星科学研究所”的资深科学家,他曾获得NASA的资助,为这项研究提供了早期研究证据。不幸的是,皮拉佐在白垩纪末期小行星撞击研究开始之前就去世了。

  巴丁还指出很多限制研究的因素,包括模型是基于现代地球建立的,而在白垩纪末期,地球的各个大陆都处于不同的位置,而且地球上也有不同的大气性质,例如各类气体的浓度有所差异。小行星撞击本身也会产生大量的硫酸盐气溶胶,它们会散射足够的阳光导致气候变冷,但不会像烟灰那样把太阳遮住。大量的二氧化碳也会被添加到大气中,在短期冰冻结束后,在长期变暖的过程中,大气中会释放大量的二氧化碳。

  这些东西如何与烟灰效应相结合呢?目前还不清楚,但有趣的是,烟灰的场景似乎已经够糟糕了,因为它本身已经引发物种大灭绝。很难想象它如何会变得更糟!

责任编辑:Didi
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