地球之“祸”,生态环境灾变与物种灭绝

文章作者:管理一号 | 2019-03-02
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小行星碰击地球既能带来“祸”,比方诱发地球气候环境灾变、生态体系彻底溃散和地球生物物种大灭绝;也能带来“福”——构成许多可供挖掘的金、铁、钻石、煤等矿山,一起迫使人类不断提高猜测及躲避小行星碰击的才能。

行星与地球的碰击坑

人类赖以生存繁殖的地球和社会的持续发展遭到了许多天然要素和人为要素的潜在要挟。天然要素包含小行星碰击地球、大面积火山爆发和激烈地震与海啸等;人为要素中,如全球性核战争,人类不行持续发展的错误行为等。在地球演化的绵长前史中,小行星碰击地球是诱发地球气候环境灾变、生态体系彻底溃散和地球生物物种大灭绝的首恶。小行星碰击地球诱发的巨大劫难,触及地球上悉数生物物种和人类社会的持续发展,也是人类命运共同体怎么能够得以有序健康发展的一个严重科学问题。

太阳系中的小行星首要散布在火星与木星轨迹之间的小行星带海王星外的柯伊伯带(图1)。

图1  太阳系中的小行星带和柯伊伯带

依据最近的观测与核算,地球邻近的近地小行星约有 18000 个,其间直径大于 1 km 的近地小行星约 800 个、直径大于 140 m 的近地小行星约 8000 个。它们运转的轨迹多种多样,碰击地球的概率也比较高(图2)。

图2  近地小行星的直径、数量和发现时刻的核算

小行星运转速度约为 45km/s,地球环绕太阳公转的速度是30km/s,假设正面相撞,相对速度或许到达 75 km/s,即便小行星从后边“追”上地球,速度也可达 15 km/s。小行星高速冲进地球大气层,紧缩前端的大气层分子,构成强壮的高温高压冲击波,冲击波碰击地上,诱发激烈的地震和海啸,引发森林大火,使碰击的靶岩气化、熔融、破碎和溅射,挖掘出一个巨大的碰击坑。一个直径 1 km 左右的小行星碰击地球,大约能够构成直径 15km 的碰击坑。碰击进程发作的各种气体、尘土和森林焚烧的灰烬充满充满整个大气层,遮住阳光,使整年平均温度下降几度。

地球外表保存有 180个由小行星碰击构成的巨大的碰击坑,散布在 33个国家(图 3)。在地球演化的进程中,每一个碰击坑的构成,小行星都从前扮演过诱发地球气候环境灾变、摧毁地球生态体系的肇事者。因为地球 72%的外表积被海洋掩盖,很难发现海底的碰击坑;地球内力效果发作的板块运动、火山爆发、地震活动及其引发的海啸,损坏和摧毁了一些碰击坑;地球外力的转移、堆积等效果掩埋了一些碰击坑,使地球外表残留的碰击坑十分稀疏。

图3  地球上发现的180个由小行星碰击构成的碰击坑散布

月球的内力效果比较弱小,外表没有大气层,归于超高真空,没有任何大气活动,致使月球外表的碰击坑保存无缺。月球外表大巨细微的碰击坑布满散布,直径大于1 km 的碰击坑超越 3.3 万个,直径大于 10 m的碰击坑估量超越 10亿个(图 4)。水星和火星外表也布满了大巨细微的碰击坑。小行星碰击行星和卫星以及小行星与小行星之间的彼此磕碰,是太阳系中比较遍及且经常性的彼此效果。   

图4  “嫦娥一号”制作的全月球三维立体地势

地球之“祸”,生态环境灾变与物种灭绝

小行星碰击地球,首要小行星以高速冲进地球的大气层,紧缩前端的大气,构成超高温、超高压的冲击波(图5)。

图5  小行星碰击地球暗示

强壮的冲击波将摧毁前进方向上的悉数生命物质,使悉数可焚烧的物质焚烧,引起森林大火乃至全球大火。焚烧构成的灰烬与二氧化碳以及碰击靶岩溅射的尘土、气溶胶和熔融的岩石细微球粒,充满于高层大气中。破碎的岩石碎屑和碎块,溅射散落在碰击坑外围。

超高温高压的冲击波使大气中的氮气构成氧化氮,构成强酸雨的沉降,加快了动植物的逝世和地上的腐蚀。

强壮的冲击波碰击地上,挖掘出一个直径几十千米乃至 200多千米的碰击坑,相当于碰击体100~200倍的地壳岩石与土壤遭到高温高压冲击波的碰击而气化、熔融、破碎、溅射,并发作巨大的海啸与地震,糟蹋地球的生命。

若碰击靶区是海洋,激起几百米的巨浪和最激烈的海啸与地震,沿岸数千千米的区域将沦为浩瀚一片,许多的海水蒸腾、溅射并挖掘出许多海底的堆积物与岩石粉尘抛射到平流层中停留,海洋中许多生物逝世。

 

平流层充满着高浓度的粉尘和烟尘,屏蔽太阳光和热辐射,地球外表承受的太阳辐射将削减90%,地表急剧降温,海平面下降,冰雪掩盖面扩展,植物的光合效果遭到按捺,乃至大批植物逝世,以植物为食的动物因食物链中止而逝世;“漆黑的、冰冷的冬季”俄然来临,新的冰期诞生,加重生物物种的灭绝。

地球阅历绵长时期的生态重建,跟着温室效应的加重,气温的升高,海平面上升,使气候逐步康复正常。某些生物种属的复苏和大批新的物种繁殖、繁殖,地球又康复了蓬勃生机。

6500 万年前,100 多万种生物物种在地球上繁殖繁殖,万类霜天竞自在,一派蒸蒸日上的现象。恐龙是其时地球上形体最大的物种,是地球生物界的霸主。一个直径约 10 km的小行星俄然冲进地球的大气层,紧缩前端的大气,构成高温高压的强壮的冲击波碰击地上。小行星碰击地球的一系列后续效应,导致了地球的生态体系彻底溃散。以恐龙为代表的地球悉数生物物种中,70%的物种在这场劫难中灭绝。

1983年,周磊研讨白垩系—第三系界面生物大灭绝事情的原因。他在我国西藏拉萨邻近岗巴区域的地层中找到了白垩系—第三系界面的海相堆积的界面层。6500万年前,西藏还没有呈现喜马拉雅山脉,归于特提斯海,后期的喜马拉雅运动将海底的堆积层抬升,使白垩系—第三系界面层出露(图 6)。依据周磊对 3 处界面层的精密比照研讨,确证是一个 10 km巨细的小行星碰击地球导致的气候环境灾变与生物物种灭绝事情,有关研讨发现如下。

图6  西藏拉萨岗巴区域白垩系和第三系的界面层

1)在白垩系—第三系地层剖面的界面层中,发现含有许多由小行星碰击靶岩石气化熔融进程发作的熔融状细微球粒。经过界限层中沉降熔融球粒的粒度与总量核算,反演碰击体的能量、熔融靶岩的总量,获得了尘土沉降的持续时刻。

2)在几厘米厚度的界面层黏土中,发现铱、钌、钯、铑、铂、镍、铬、钴等铂族与亲铁元素含量反常高,比上下层位及地壳的平均值高1~3个量级。

3)界限层中某些元素的相比照值显示出典型的小行星(陨石)物质的特征,与地壳元素的相比照值差异极大,标明晰界限层中有地外物质的奉献。核算出构成这一次生物物种灭绝事情的首恶是一颗直径约 10 km 的小行星碰击地球。

4)界限层中发现有极少量的、由植物焚烧构成的炭灰。超强的冲击波使碰击区域的森林焚烧,森林大火点燃大区域乃至全球性大火。国外一些界限层中的炭灰中也发现有森林大火构成的多环芳烃等化合物。

5)界限层中发现有由超强冲击波使地上某些矿藏结构更为细密、构成同质异构的超密矿藏,如石英改动为柯石英。

6)体系测定地层剖面的碳、氧同位素组成,发现界面层的碳、氧同位素组成有显着的骤变。氧同位素的体系研讨标明,碰击后年平均温度显着下降(l2±4)℃。证明有许多森林焚烧的灰烬、碰击靶岩石溅射的粉尘、靶岩石熔融构成的玻璃质细微球粒和气溶胶颗粒等,长时间布满和停留在高层大气中,遮住了 70%的阳光,地球变得漆黑和冰冷,植物不能进行光合效果而大批逝世。以植物为食物的动物,因为食物链的中止而大批逝世。碳同位素的体系研讨标明有许多生物物种的逝世与灭绝。依据碳、氧同位素组成的研讨,阅历近万年,逐步康复正常。

1990 年一次偶尔的发现并证明,6500万年前导致以恐龙为代表的70%地球的物种灭绝的肇事者——直径约 10 km的小行星碰击在如今的墨西哥尤卡坦半岛的魔鬼角,构成直径180 km的希克苏鲁伯碰击坑(Chixulub Crater)。碰击坑的一部分在半岛的陆地上,别的一部分在近邻半岛的海洋里。图 7左下图是艺术家为 6500 万年前小行星碰击后构成的希克苏鲁伯碰击坑制作的重建图。

图7 墨西哥尤卡坦半岛的魔鬼角,构成直径180 km的希克苏鲁伯碰击坑

1990年,在发现墨西哥尤卡坦半岛魔鬼角希克苏鲁伯碰击坑之后,科学家对碰击坑进行了体系的地质勘查,制作了碰击坑的剖面结构图,确认是具有典型的碰击坑结构特征。相继在离碰击坑中心不同的间隔进行钻孔取样研讨,康复了碰击坑的构成进程,发现小行星碰击后发作过激烈的地震和巨大的海啸记载(图8)。

图8 墨西哥尤卡坦半岛魔鬼角希克苏鲁伯碰击坑的地质剖面图和钻孔地质剖面图图

人类之“福”:天外飞来的“金山银山”

任何一件事情有负面也有正面,小行星碰击带来全球性气候环境的灾变和生物物种的灭绝,可是也会给人类带来福祉。

18.5亿年前有一个小行星碰击加拿大萨德贝里区域,构成了一个直径超越 100 km 的萨德贝里碰击坑。后来这个碰击坑被构造运动挤扁,成为椭圆形。笔者调查过萨德贝里碰击坑的构成进程,因为小行星碰击今后,深部发作了许多的裂缝,引发深部基性岩浆上升,构成了超大型的铜镍矿和铂金族元素矿,现在在碰击坑的周围建立了许多采矿的矿山,对加拿大的经济发展发挥了重要效果(图9)。

图9  18.5亿年前构成的加拿大萨德贝里碰击坑

南非盛产黄金和钻石。19 亿年前因为小行星碰击南非维特握特斯兰德盆地构成弗里德佛碰击坑,笔者曾对此碰击抗进行过调查。小行星碰击后发作的碰击断裂带热液活动激烈,构成许多大型的金矿床。构成的断裂带并诱发了深部岩浆喷射,构成许多的金伯利型金刚石矿床。现在在南非弗里德佛碰击坑周围散布有很多的黄金和钻石矿床。

在俄罗斯西伯利亚雅库梯区域发现的碰击坑,是一个 70万年前因为小行星碰击而构成的碰击坑。因为受碰击的地层中富含碳,小行星碰击发作的高温文高压使地层中的碳改动成了钻石,现在已经由一个大型钻石矿挖掘。据俄罗斯科学家估量,这些钻石能够供给全世界运用300年(图10)。

图10  正在挖掘金刚石的俄罗斯西伯利亚雅库梯区域的碰击坑

还有科学家想象,能不能“抓”一个小行星来,让它在月球外围运转以便于矿藏等资源的开发挖掘。一个直径 1 km、质量 20亿 t的金属型小行星,可挖掘 3000万 t镍,150 万 t钴和 7500 t 铂金。科学家发现灵神星(16 Psyche)间隔地球3.7亿 km,这颗直径 200 km的金属小行星首要成分是铁、镍、铂和黄金。假如未来人类将灵神星牵引到月球邻近进行采矿作业,将有用金属运回地球,其资源价值约为1000亿亿美元。

地球外表有些碰击坑逐步构成了湖泊,有些碰击坑在后期的地质效果进程中成为可供挖掘的煤矿、磷灰石矿和油气盆地等,有些碰击坑成为秀美的风景区。加拿大有一个碰击坑成为很大的蓄水库。还有一些国家在碰击坑邻近建造科普馆,将碰击坑开发为旅行和科普教育的基地(图 11)。正如老子所说,“祸兮福所倚,福兮祸所伏”,事物有两面性,要辩证剖析和看待。

图11 有些碰击坑构成了湖泊,供旅行休闲

有备无患:人类科技的“神级助攻”

科学家对小行星碰击地球诱发的严重灾祸事情进行过概率剖析,类似于通古斯大爆炸事情约100 年有 1 次发作概率;关于 6500万年前发作的恐龙灭绝事情,约每1亿年有 1次发作概率。人们忧虑,今后地球还会不会遭到小行星碰击?怎么躲避小行星碰击地球的灾祸?

在人类紧急状态会议中有一项议题就是怎么躲避小行星碰击地球。现在全世界的科学家联合起来监测小行星,准确测定小行星的运转轨迹,提早预告或预警小行星碰击地球的概率并提出躲避小行星碰击地球有关办法。

怎么躲避小行星碰击地球,在网络上也成为人们火热谈论的论题。提出一些施行办法:1)使用导弹或核装置对小行星进行进犯,使小天体改动轨迹;2)用核装置直接摧毁小行星以减小碰击地球的危害性;3)在小行星体外表上装置一台大型火箭发动机,或许一个“太阳帆”,把小行星从碰击地球的轨迹上推开;4)改动小天体色彩以改动它的反照率和吸热率,使小行星自行改动轨迹;5)发射人工天体,把它调整到和小天体平行,并使两者的相对速度为 0,然后用机械力推进小行星,使之改动轨迹等。

现在航天技术彻底有才能躲避小天体碰击地球,在准确核算小行星运转轨迹的基础上,能够发射一艘飞船着陆在小行星上,飞船带着有一个发动机,发动机朝某一个方向悄悄加一点效果力,致使小行星的运转轨迹与地球擦肩而过,地球将安全躲避小行星的碰击。这十分类似于武侠小说中的“四两拨千斤”,只需人类有了预备,必定能够躲避小天体的碰击。科学技术应该是地球悉数生命的保护神。   

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