在白堊紀(jì)的最后一天，一顆直徑12千米的小行星撞擊墨西哥的尤卡坦半島，改變了地球上生命的軌跡。6600萬年后，科學(xué)家們利用超級計(jì)算機(jī)空前詳細(xì)地重現(xiàn)了那次撞擊事件造成的破壞。計(jì)算機(jī)模型有助于解決一個長期存在的謎團(tuán)，即究竟是什么原因?qū)е隆胺区B恐龍”的滅絕，同時(shí)這些模型還為我們了解地球生命如何應(yīng)對快速的環(huán)境變化提供了新角度。
科學(xué)家們已經(jīng)知道，這顆地球外小行星在地殼上炸出了一個直徑近200公里的隕石坑，撞擊的地點(diǎn)和角度恰到好處，導(dǎo)致大量冷卻氣體和煤煙進(jìn)入大氣層上層。巨大的海嘯席卷海洋，天空一片漆黑，野火肆虐了方圓數(shù)百公里。幾年后，氣溫驟降超過15℃，全世界進(jìn)入了一個漫長的寒冷期，即“撞擊冬季”?？茖W(xué)家們認(rèn)為，撞擊冬季導(dǎo)致地球上四分之三以上的生命死亡。
倫敦大學(xué)學(xué)院的助理研究員Alfio Alessandro Chiarenza表示，這次事件就像“地球上的但丁地獄”，其領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究近日發(fā)表在《美國科學(xué)院院報(bào)》上。
大約在?？颂K魯伯撞擊事件發(fā)生的同一時(shí)期，在如今的印度南部，一座大型火山在源源不斷地噴發(fā)，釋放出超過80萬立方千米的熔巖，并向天空排放出大量氣體，甚至足以改變氣候。盡管大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為是小行星引發(fā)了這次大滅絕事件，但長期以來研究人員一直猜測，這些被稱為德干地盾的火山是否也對地球生命的毀滅起到了推波助瀾的作用。
在新研究中，Chiarenza和同事們利用計(jì)算機(jī)模型復(fù)原了地球古代的氣候，調(diào)整了各種末日場景的變量。這些模擬結(jié)果顯示，僅小行星撞擊就導(dǎo)致地球不適合非鳥恐龍居住?；蛟S，與直覺恰恰相反，實(shí)際上德干地盾火山可能使地球變得更適合居住。
“我認(rèn)為，這是對德干地盾導(dǎo)致大滅絕假說的致命一擊，”古生物學(xué)者、倫敦自然歷史博物館的研究負(fù)責(zé)人Anjali Goswami說，他沒有參與這項(xiàng)新研究。
恐龍大滅絕
白堊紀(jì)-第三紀(jì)滅絕事件得名于事件前后的兩個地質(zhì)時(shí)期，其發(fā)生速度極其驚人。嚴(yán)寒、持續(xù)的黑暗、野火、海嘯、撞擊區(qū)的極端高溫，以及最終的酸雨破壞了整個地球。滅絕事件造成的突然破壞為今天的科學(xué)家們提供了一個寶貴的機(jī)會，讓他們得以研究生命如何應(yīng)對快速變化的巨大壓力。
“這讓我們有機(jī)會了解生物面對非常極端的情況時(shí)會如何應(yīng)對，”耶魯大學(xué)的古生物學(xué)者、恐龍滅絕問題專家Pincelli Hull說。
然而，要想了解大規(guī)?？铸垳缃^最終是如何結(jié)束的，科學(xué)家們首先需要弄清楚其發(fā)生原因。
在過去的十年里，地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，德干地盾曾在70多萬年間爆發(fā)過數(shù)次，這段時(shí)間正好與希克蘇魯伯撞擊事件重合。由于德干地盾火山在大滅絕事件期間噴發(fā)，科學(xué)家們想知道它們是否在滅絕恐龍中起了作用。在地球上的五次大規(guī)模物種滅絕事件中，其中兩次由火山噴發(fā)出的二氧化碳引起的劇烈升溫造成，包括最嚴(yán)重的一次：2.52億年前的二疊紀(jì)-三疊紀(jì)大滅絕由西伯利亞的火山噴發(fā)引起，當(dāng)時(shí)全球96%的海洋生物和近四分之三的陸地生物悉數(shù)滅絕。
6600萬年前，德干地盾可能通過兩種主要方式影響了生命。從更短的時(shí)間尺度來看，火山噴發(fā)釋放的二氧化硫可能使地球降溫，形成酸雨，使地球的海洋以及更廣泛的化學(xué)循環(huán)陷入混亂。隨著時(shí)間的推移，火山噴發(fā)釋放的大量二氧化碳可能會導(dǎo)致氣候持續(xù)變暖，進(jìn)而可能給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來壓力。
去年發(fā)表的兩項(xiàng)研究試圖找出德干地盾火山最大規(guī)模噴發(fā)發(fā)生的時(shí)間，結(jié)果二者相差幾千年。這一差別意味著,一種可能是最大規(guī)模噴發(fā)發(fā)生在小行星撞擊之前，那么火山噴發(fā)就影響了物種大滅絕；另一種可能是發(fā)生在小行星撞擊之后，那么火山噴發(fā)或許在物種滅絕中沒有發(fā)揮作用。
為了驗(yàn)證上述假設(shè)，Chiarenza和同事、布里斯托大學(xué)的氣候?qū)W者Alexander Farnsworth，建造了6600萬年前地球氣候的計(jì)算機(jī)模型。他們測試了14種不同的場景，其中包括小行星撞擊、德干地盾，以及二者的結(jié)合。模擬計(jì)算假設(shè)二氧化碳濃度為5.6%-16.8%之間，比現(xiàn)在高出四倍?？茖W(xué)家們還調(diào)整了太陽光的亮度，將其設(shè)定為比撞擊前低5%-20%。
在其中一些模擬計(jì)算中，Chiarenza和Farnsworth還通過加入比1991年皮納圖博火山噴發(fā)多100多倍的火山灰和氣溶膠，模擬了?？颂K魯伯撞擊產(chǎn)生的短期冷卻效應(yīng)。為了追蹤小行星撞擊和火山噴發(fā)對恐龍的影響，Chiarenza用另一個基于古代氣候數(shù)據(jù)和恐龍化石地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)模型，繪制出了恐龍最有可能的棲息地。
所有的模型都表明，德干地盾火山不可能導(dǎo)致恐龍滅絕?；鹕揭l(fā)的長期變暖不會導(dǎo)致恐龍滅絕，實(shí)際上還擴(kuò)大了恐龍的棲息地范圍。新研究表明，即使是德干地盾導(dǎo)致的最極端場景也沒有徹底摧毀恐龍。
不過，小行星撞擊地球的情景的確極其恐怖。在一些地區(qū)，平均陸地溫度從20℃驟降至零度以下，降水量減少了85%-95%。當(dāng)?？颂K魯伯撞擊事件導(dǎo)致陽光變暗了15%或更多時(shí)，地球上的任何地方都無法支撐非鳥類恐龍的生存。
Goswami說，從新的數(shù)據(jù)來看，“一些物種滅絕的原因變得十分合理了。事實(shí)上，令人驚訝的是，并不是所有物種都滅絕了。”
迅速恢復(fù)
研究小組的模型還揭示了一些意想不到的事情：德干地盾實(shí)際上可能促進(jìn)了生命的恢復(fù)，因?yàn)榛鹕结尫诺亩趸季徍土藝?yán)重的冬季影響。
“這是一個巨大的劇情轉(zhuǎn)折。我認(rèn)為沒有人會認(rèn)為火山活動會減少小行星撞擊帶來的影響。這確實(shí)令人感到驚訝，” Hull說。
最近的研究表明，在數(shù)十萬年的時(shí)間里，德干地盾可能一直在溫和地爆發(fā)，而不是對全球生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的打擊。去年11月，Hull領(lǐng)導(dǎo)的一個小組發(fā)現(xiàn)，在?？颂K魯伯撞擊事件發(fā)生后的數(shù)萬年里，地球海洋迅速酸化，很可能是撞擊后的酸雨導(dǎo)致。然而，在?？颂K魯伯撞擊事件發(fā)生前的近10萬年里，海洋的pH值一直保持平穩(wěn)，即使德干地盾噴發(fā)時(shí)也是如此。
在一項(xiàng)后續(xù)研究中，Hull指出，在撞擊發(fā)生前的30萬年里，全球氣溫逐漸上升和下降約4華氏度，這表明二氧化碳濃度有所上升和下降，但并沒有達(dá)到威脅恐龍的極端程度。
在遠(yuǎn)離印度熔巖流的地方，還有跡象表明德干地盾在促進(jìn)生命恢復(fù)方面發(fā)揮了一定作用。去年10月，丹佛自然科學(xué)博物館的古生物學(xué)者Tyler Lyson領(lǐng)導(dǎo)的一個小組公布了落基山脈的幾個地點(diǎn)的信息，記錄了小行星撞擊地球后北美地區(qū)的動植物群。Lyson的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在小行星撞擊發(fā)生后的10萬年里，生態(tài)系統(tǒng)的生命種類并不多。不過，在此之后，哺乳動物和植物的數(shù)量開始隨著溫和的變暖期不斷增加，而此時(shí)德干地盾可能開始源源不斷地釋放二氧化碳。
Lyson表示，最近的研究不禁令人思考這樣一個問題：“德干地盾究竟是創(chuàng)造者還是破壞者？”
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