[科普中国]-地球曾两年不见太阳 你知道它经历什么吗?

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。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（CharlesBardeen）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。”模拟结果显示，大部分的烟灰1年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。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（BettyPierazzo）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！（编辑：p_vhehwang）