地球科学

小行星,达摩克利斯之剑

6500万年前,小行星的坠落将导致恐龙的消失。事件是隔离的还是重复发生的?对人类有什么风险?

罗伯特·罗基亚和埃里克·罗宾 科学档案N°51
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1908年6月30日,贝加尔湖西北800公里处的通古斯卡盆地的西伯利亚广大地区发生了巨大爆炸。几百公里之外的目击者在大约十秒钟内看到一个巨大的火球冲过天空,变得比太阳明亮得多并爆炸。在1000公里之外听到了声波。科学家们不得不等到第一次世界大战,布尔什维克革命和白人反革命的结束才到达1927年的爆炸现场。灾难的影响仍然清晰可见:倾倒的树木覆盖了地面在半径25至30公里的圆形区域内。在五到十公里的半径内,所有的树木都被烧毁了。

没有发现陨石坑,从没有发现陨石坑为最疯狂的假设铺平了道路,从摧毁外星飞船到热核爆炸再到反物质块倒塌。实际上,造成这种世界末日景观的原因是一颗直径约五十米的小彗星坠落。它在大气中的完全分解释放出一种能量,据估计约为20兆吨 nt (相当于一个大型热核炸弹)。如果在巴黎或纽约发生这种现象会发生什么?

此类事件是否曾在地质时期发生过?他们是否影响了生活的发展?这些问题在1979年尤为重要,当时在6500万年前的白垩纪-第三纪边界沉积物中发现了异常大量的铱和其他陨石元素(尤其是铂类)。图2)。铱和其他铂类化合物在地球表面上几乎不丰富,表明存在地球外物质。还发现了“震惊的”矿物质和微金刚石。这些极稀有材料的存在只能通过冲击波来解释,该冲击波跟随着大型物体在与地球的高速撞击下发生。这些沉积物还含有含镍磁铁矿晶体。这些是地球上无与伦比的,是大气中高温下地球外物质氧化的结果。它们的地层分布表明它们沉积迅速。最后,在墨西哥尤卡坦半岛以北发现了一个直径超过200公里的火山口(见图3)。

最终,我们以这种方式重建了灾难的场景:在白垩纪末期,直径为十公里的外星物体撞击地球,并散布在整个地球上。其后果是可怕的:碰撞导致白垩纪末期动植物物种的消失(占浮游生物,褐铁矿,贝雷尼特石龙的80%,以及恐龙的80%)消失。这种生物危机是发生在5.6亿年中的第二大危机。

铱的火山成因?

今天,毫无疑问,这场冲突及其后果的现实。然而,在1980年代初期,并不是每个人都立即接受铱异常的地球外起源。让我们看看孤立的影响情景是如何从其他假设中产生的,以及它如何解释白垩纪-第三纪边界的灭绝。

几年来,火山起源经受住了宇宙的考验。这个假设是基于在夏威夷和留尼汪岛的火山烟气中发现铱的。另外,据信可以鉴定出火山喷发产物中的冲击矿物。白垩纪-第三纪界限的这两个标记来自何处?宇宙碰撞还是火山?怀疑仍然存在了好几年。

最后,我们意识到火山喷出的铱量不足以解释沉积物中所含的大量这种金属。此外,火山喷发的各种类铂的丰度报告与气象学报告大不相同。另外,已经认识到假定被冲击的火山矿物不是。最后,火山不会产生含镍磁铁矿。现在已经证明了铱的气象起源。但是,一些地球物理学家认为,尽管接受了宇宙灾难的现实,但仍是火山作用导致白垩纪-第三纪界限的灭绝。

除了关于铱的火山起源的争论仍持续了十年之外,这种金属的宇宙起源还引发了其他争论。外星物质的存在是否必然意味着碰撞?如果真的发生了碰撞,那是一个或多个弹丸的碰撞吗?这种灾难是否可以解释其他标志着生命发展的生物灭绝?

大物体或星际尘埃?

有几种机制解释了沉积物中存在外星物质:与小行星或彗星的碰撞,以及在密集的星际云或超新星附近太阳系通过过程中细粉尘的积聚。 1939年描述的捕获星际物质的机制只有在云层足够密集时才有效,这样太阳风不会对星际物质的积聚产生太大的阻力。这样的云存在于银河系的旋臂中。但是,太阳系在这些武器中的最后一次通过可以追溯到6500万年前,当时恐龙消失了。这也发生在2.5亿年前,当时是地球历史上最大的生物危机,即二叠纪-三叠纪边界危机,其间90%的海洋物种消失了(见图4)。这两个物种的灭绝是否有星际起源?

为了回答这个问题,我们回想起星际介质是由年轻元素组成的,这些元素是在45亿年前太阳系形成之前合成的。因此,这些星际尘埃包含的放射性同位素已不再存在或仅在太阳系中很少存在,例如p 244或铀235。沉积物同位素分析的结论是明确的:白垩纪-第三纪界限确实包含地外物质,但年代久远,可与陨石相提并论。这不是星际问题。该结果被“震惊的”矿物质的存在所证实。它们不能来自星际物质细小尘埃的积聚,而尘埃在地球大气层中的生长速度减慢了。

含镍磁铁矿晶体给出了第三个论点:它们的地层分布表明在几个月甚至几年内迅速沉积,而星际物质云中增生的典型持续时间约为几倍。数万年。

定期彗星阵雨?

生物危机不是随机发生的,而是周期性地重复发生:自5.6亿年前的原始时代开始以来,生活在海洋环境中的物种的五个主要物种的灭绝和20个次生物种的灭绝以相对固定的间隔相继发生。年份。在过去的2.4亿年中尤为明显,这一时期为26至2800万年。但是,该值也是太阳围绕银河平面振荡的半周期的值。两种现象有联系吗?在越过银河平面时,太阳在大型物体(主要是中等密度的云)附近通过。这种接近将破坏与太阳有关的最弱物体的轨道。在太阳系边缘进化的彗星将是第一个经历这种“潮汐效应”的彗星。他们中的一些人将永远离开太阳系,而另一些人将向内转移。其中大约十个会与地球相撞。它们会留下与白垩纪-第三纪界限相似的地质印记(铱,含镍磁铁矿,受冲击的矿物,火山口等)。

为了验证这一假设,我们在与白垩纪末期其他主要生物危机同时发生的沉积物中寻找了异常高水平的铱。结果并不令人信服。发现的痕迹要么位于一个很小的地理区域内,要么相对于灭绝时期而言太滞后。但是,在始于始新世的沉积物(3500万年前)中,在分布于地球表面的多个地点发现了铱异常。这些沉积物还含有冲击矿物和陨石碎片,但与任何重大的生物学后果均不对应。

但是,彗星倾盆大雨的情况并没有完全被拒绝,因为彗星本质上是由水组成的,比小行星含有的铱和其他陨石元素少得多。因此,以相等的质量,它们更难检测。分析技术的改进可能会带来一些惊喜。

在我们目前的知识水平下,仅白垩纪-第三纪界限的灭绝是由于宇宙碰撞造成的。与其他生物危机不同,它们是突然发生的,没有连续的阶段。像后果一样,宇宙碰撞似乎是例外。自5.6亿年前多细胞生命爆炸以来,在沉积物中没有发现这种重要性的事件。仍然存在一个谜。跨越地球轨道的物体普查表明,每隔50至1亿年,发生一次与白垩纪-第三纪界线相当的碰撞。为什么只有一个被识别?

巧合还是幻想?

如何看待灭绝日期与星际介质中太阳系位置之间的重合?他们是偶然的缘故吗?可能是因为这些巧合在几百万年之内仍保持近似,并且无法与白垩纪-第三纪界限的完美地层巧合相比较:铱浓度的异常恰好对应于浮游生物的消失,沉积物年龄的读数不确定,即接近100年。

模糊巧合不仅涉及天文现象。在过去的2.5亿年中,已经记录了9次不重要的生物灭绝事件。对于每个人,我们都可以匹配火山爆发,海平面下降,山脉形成,地球磁场反向,甚至一个或多个撞击坑的情况(见图6)。但是,尚未建立因果关系(白垩纪晚期的灭绝除外)。

当解释太多而巧合太模糊时,它们就会失去示范力量。它们表明了一种可能性,但绝不能视为证明。例如,考虑一个假设,根据该假设,灭绝是大陆性玄武质大量涌出的结果。白垩纪末期的生物危机将是印度Deccan高原形成的结果(请参见V. Courtillot,F。Fluteau和A.-L. Chenet撰写的《火山喷发》)。在陨石撞击时,德干火山活动已经活跃了近一百万年,但是在此期间没有发现灭绝加速。因此,火山作用似乎在白垩纪晚期的灭绝中没有发挥任何作用。

白垩纪-第三纪边界的灭绝是唯一可归因于宇宙碰撞的事件。仅举一个例子,就不可能推断出任何影响的后果。但是,我们可以想像白垩纪-第三纪界限灾难的后果。哪些物种存活了,为什么?

恶果

关于海洋微生物的数据很有说服力:大多数浮游物种在宇宙灾难发生的那一瞬间突然消失,而没有发出警告。地层重合是完美的,精确到毫米或厘米,代表不到100年。在遍布地球的一百多个海洋站点中都观察到了这种一致性。

但是,植物浮游生物可作为动物浮游生物的食物,没有光就无法发育。关于太阳通量减少的假设至关重要。原因是什么?爆炸产生的大量尘埃并注入大气中,使地球陷入了数月甚至数年的黑暗之中。必须向其中添加由森林大火产生的烟灰,森林大火破坏了大陆生物量的50%。浮游生物的消失也可以用酸雨来解释,这是由于森林大火产生的碳和硫氧化物以及火山口中的岩石(碳酸盐,硫酸盐)分解所致。我们为选择浮游生物的消失而做出的选择被宠坏了。

关于海洋和大陆大型动物,情况更为复杂。化石的稀缺性无法确定这些物种灭绝的确切时间。但是,有趣的结果涉及近年来获得的恐龙和铵盐:据信,这些动物数量下降,在白垩纪-第三纪之前就消失了。相反,最近的工作表明,直到白垩纪末期为止,它们表现出极大的多样性。发现最后的样品非常靠近铱层。甚至在白垩纪的最后一处发现了亚铁矿,其中含有铱和镍的磁铁矿。谨慎行事,我们将得出的结论是,古生物学数据与其在白垩纪-第三纪界的突然消失是相容的。

为什么碰撞有这样的选择性作用?一些群体消失了,例如恐龙和炸药,而他们的表亲,鸟类和鹦鹉螺则存活了下来。这个问题仍然没有解决。

天气预报?

经过25年的白垩纪-第三纪界限研究,终于出现了所有被认为最简单的假设:大型小行星的单一撞击。目前,已经排除了可能造成其他生物危机的星际场景。是否会再次发生相同类型的灾难?是的,当然可以,但是没有人能预测下一次碰撞将在一百年,一千年或一千万年内发生。

人类会在那里生存吗?答案使我们所有人都感兴趣,包括资助研究以评估破坏的保险公司!这些结论是如此的庞然大物,以至于人们想知道白垩纪末期所有的生命痕迹是如何无法消除的。有时将宇宙碰撞的影响与在世界冲突中使用所有可用核弹进行比较。造成大多数生物消失的几年的核冬天将是最小的后果,但我们当然是不真实的。核武库仅代表数万兆吨 nt但是,白垩纪-第三纪边界的影响释放了10,000倍的能量(1亿兆吨 nt)!

为避免此类灾难该怎么办?一些科学家列出了所有可能穿越地球轨道的物体,确定了最危险的物体,并提出了摧毁它们或使其偏离轨道的设想。任务非常艰巨,实施的资源非常可观,其结果远远不能保证。大物体的碎片会导致小物体的阵雨。如果它们很小,它们将在大气中燃烧,所有危险都将消除。另一方面,如果它们太大,灾难将增加十倍。我们最好的保护仍然是这种碰撞的稀有性:与直径10公里的小行星碰撞的概率是每亿年1次。我们的文明更有可能被我们自己的失误摧毁,而不是被宇宙飞船摧毁。

但是,一旦发生,与地球的碰撞肯定会导致生命发展的进一步动荡。生物圈整体上取决于这种随机现象,这令人印象深刻。人类物种的存在只是白垩纪-第三纪界限碰撞的最新结果。这种冲击很可能不会发生。它在这条小行星的前进或后退几个小时内几乎不需要什么,并且可以避免碰撞。恐龙将(也许)继续统治地球几百万年,并相应地延迟了哺乳动物的发育和控制。

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