8.5: 宇宙对地球演化的影响
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- 202230
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释与其他行星和卫星相比，地球上撞击坑的稀缺性
- 描述最近撞击地球的证据
- 详细介绍大规模撞击如何改变地球上的生命条件，导致恐龙灭绝
- 描述撞击如何影响地球生命的演变
- 讨论如何寻找可能与我们的星球碰撞的物体
在本章前面讨论地球的地质学时，我们只讨论了通过板块构造和火山活动过程表现的内力的影响。 相比之下，在月球上，我们主要看到由小行星和彗星等行星际碎片撞击产生的陨石坑。 为什么我们在地球上看不到更多关于月球和其他世界如此突出的撞击坑的证据？
地球上的火山口在哪里？
地球不可能逃脱被困在月球上的行星际碎片的撞击。 从宇宙的角度来看，月球几乎就在隔壁。 我们的大气层确实会使小块宇宙碎片燃烧（我们将其视为流星 ——通常称为流星）。 但是，我们的空气层无法抵御形成直径数千米的陨石坑的大型撞击，这些撞击在月球上很常见。
因此，在其历史过程中，地球受到的冲击肯定与月球一样严重。 不同之处在于，在地球上，这些陨石坑在积聚之前就被我们活跃的地质学摧毁了。 随着板块构造不断更新我们的地壳，过去火山口事件的证据逐渐被抹去。 仅在过去的几十年中，地质学家才成功识别出许多撞击坑的侵蚀残余物（图\(\PageIndex{1}\)）。 最近，我们认识到，在地球历史上，这些撞击对生命的演变产生了重要影响。
近期影响
行星际碎片与地球的碰撞不是一个假设的想法。 在我们星球表面可以找到相对较新的撞击证据。 1908年6月30日，在西伯利亚的通古斯卡河附近发生了一次经过充分研究的历史性碰撞。 在这个荒凉的地区，距离地表约8公里的大气层发生了引人注目的爆炸。 冲击波使一千多平方公里的森林夷为平地（图\(\PageIndex{2}\)）。 成群的驯鹿和其他动物被杀死，一名男子在距离爆炸80公里的一个贸易站被从椅子上扔下来，昏迷不醒。 正如旨在测量大气压变化的仪器所记录的那样，爆炸波蔓延到世界各地。
尽管发生了暴力事件，但通古斯卡爆炸没有形成任何陨石坑。 被大气压击碎，质量约为10,000吨的石质弹丸在地球表面上空分解，产生相当于5兆吨级核弹的爆炸。 如果它更小或更脆弱，撞击物体就会在高空消耗能量，可能不会引起任何注意。 今天，这种高空大气爆炸由军事监视系统定期监测。
如果它更大或者由更坚固的材料（例如金属）制成，则通古斯卡弹会一直穿透到地球表面，然后爆炸形成火山口。 相反，只有大气爆炸的热量和冲击到达地表，但它在西伯利亚留下的破坏证明了这种撞击的威力。 想象一下，如果同样的岩石撞击物在1908年在纽约市上空爆炸；历史书籍今天可能会将其记录为人类历史上最致命的事件之一。
2013年初冬清晨，成千上万的人直接目睹了一枚较小（20米）的弹丸在俄罗斯城市车里雅宾斯克上空爆炸。 它在一阵比太阳更亮的光线中在21公里的高度爆炸，0.5兆吨级爆炸的冲击波打破了成千上万的窗户，将数百人送往医院。 爆炸发生后，该地区的人很容易收集到岩石碎片（陨石），因为它们落在新鲜的积雪上。
本教科书的原作者之一戴维·莫里森博士对车里雅宾斯克爆炸及其总体影响进行了非技术性讨论。
地球上最近最著名的火山口大约在5万年前在亚利桑那州形成。 在这种情况下，弹丸是一块直径约40米的铁块。 火山口现在被称为流星火山口，是通往大峡谷途中的主要旅游胜地，横跨约一英里，具有与类似大小的月球撞击坑相关的所有特征（图\(\PageIndex{3}\)）。 流星坑是地球上为数不多的相对完好无损的撞击特征之一；一些较旧的陨石坑被侵蚀得很厉害，只有训练有素的眼睛才能区分它们。 尽管如此，已经确认了150多个。 （如果你想进一步了解这些其他冲击伤痕，请参阅本章末尾的推荐在线网站列表。）
大规模灭绝
产生流星陨石坑的撞击对于任何人（在安全距离内）目睹流星陨石坑的确是巨大的，因为能量释放相当于一枚10兆吨级的核弹。 但此类爆炸只在当地造成毁灭性影响；不会产生全球后果。 但是，更大（也更罕见）的影响可能会破坏整个星球的生态平衡，从而影响进化进程。
有据可查的大规模撞击发生在6500万年前，也就是现在所谓的地质历史白垩纪末期。 地球生命史上的这一次以大规模灭绝为标志，在这次灭绝中，我们星球上有一半以上的物种灭绝。 地质记录中有十几次或更多的大规模灭绝，但是这个特殊事件（被称为 “大死”）一直吸引着古生物学家，因为它标志着恐龙时代的终结。 数千万年来，这些伟大的生物蓬勃发展并占据了主导地位。 然后，它们突然消失了（以及许多其他物种），此后哺乳动物开始了发育和多样化，最终导致了我们所有人。
白垩纪末期与地球相撞的物体撞击了现在的墨西哥尤卡坦半岛的浅海。 它的质量肯定超过一万亿吨，这是根据对撞击后笼罩地球的尘云沉积的全球沉积物的研究确定的。 该沉积层于 1979 年首次被发现，富含稀有金属铱和其他元素，这些元素在小行星和彗星中相对丰富，但在地壳中却极为罕见。 尽管它被爆炸从地球表面挖掘出的物质稀释了，但仍然可以识别出这种宇宙成分。 此外，这层沉积物含有许多矿物质，这些矿物质具有巨大爆炸的温度和压力的特征。
导致恐龙灭绝的撞击释放了相当于50亿枚广岛大小的核弹的能量，并挖掘了一个横跨200千米、深度足以穿透地壳的火山口。 这个大型火山口因其中心附近的一个小镇命名为Chicxulub，后来被埋在沉积物中，但其轮廓仍然可以确定（图\(\PageIndex{4}\)）。 造成 Chicxulub 火山口的爆炸将大约 100 万亿吨尘埃带入大气层。 我们可以通过测量灰尘沉降到地表时形成的沉积层的厚度来确定这个量。
如此大量的空中物质本来可以完全阻挡阳光，使地球陷入持续数月的寒冷和黑暗时期。 许多依赖阳光的植物都会死亡，使食植物的动物得不到食物供应。 其他全球影响包括大规模火灾（由爆炸产生的飞扬的炎热碎片引发），这些火灾摧毁了地球上的大部分森林和草原，以及全球雨水长期呈酸性。 造成包括恐龙灭绝在内的大规模灭绝的正是这些环境影响，而不是爆炸本身。
影响与生命的演变
越来越明显的是，地球悠久历史上的许多（也许是大多数）大规模灭绝是由其他各种原因造成的，但就恐龙杀手而言，宇宙撞击无疑起了至关重要的作用，可能是一系列导致恐龙干扰的 “最后一根稻草”快死了。”
但是，一组生物的灾难可能会为另一组生物创造机会。 每次大规模灭绝之后，随着新物种的发展，进化突然爆发，填补该事件开辟的生态壁垒。 六千五百万年前，当许多其他物种灭绝时，我们的祖先哺乳动物开始茁壮成长。 我们是这一进程的幸运受益者。
彗星和小行星的撞击是我们所知道的唯一可能造成真正的全球灾难并严重影响整个地球生命演变的机制。 正如哈佛大学的古生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德指出的那样，这种观点从根本上改变了我们对生物进化的看法。 现在，一个物种生存的核心问题必须不仅仅包括它成功地与其他物种竞争和适应缓慢变化的环境，正如达尔文的自然选择理念所设想的那样。 还需要能够在撞击造成的随机全球灾难中幸存下来。
在地球历史的早期，地球受到了行星形成残留碎片的更大冲击。 我们知道，月球反复被直径大于100千米的物体撞击，比6500万年前消灭大多数地球生命的物体大1000倍。 地球在其存在的头7亿年中肯定经历过类似的大规模撞击。 其中一些可能足够猛烈，足以剥夺地球的大部分大气层并烧毁其海洋。 此类事件将使地球消毒，摧毁任何已经开始的生命。 在我们自己的微生物祖先在大约40亿年前扎根之前，生命可能已经形成并被消灭了好几次。
地球上现存最古老的微生物是嗜热生物（适应非常高的温度）也可以用如此大的撞击来解释。 如果撞击太小而无法对地球进行消毒，仍然会摧毁生活在我们所认为的 “正常” 环境中的任何东西，只有适应高温的生物才能存活。 因此，现存最古老的陆地生命形式可能是地球历史早期反复发生的大规模撞击所造成的某种进化瓶颈的残余物。
对我们未来的影响？
对生命产生如此重大影响的小行星和彗星的撞击不一定已成为过去。 纵观整个行星历史，6,500万年前只是昨天。 地球实际上在某种宇宙射击场中绕太阳运行，尽管重大撞击很少见，但还没有结束。 除非我们想办法预测下一次重大冲击并保护我们的星球，否则人类可能会遭受与恐龙相同的命运，或者因为更频繁的撞击而失去一座城市，比如通古斯卡上空的撞击。 我们的太阳系是外轨道上一些非常大的行星的家园，这一事实可能对我们有益；这些行星的引力场可以非常有效地吸收宇宙碎片并保护我们免受更大、更频繁的撞击。
从20世纪90年代开始，一些天文学家开始分析宇宙撞击危险，并说服政府支持寻找潜在危险的小行星。 现在使用了几台小型但精密的宽视野望远镜进行这项搜索，这被称为NASA Spaceguard Survey。 我们已经知道，目前在与地球的碰撞路线上没有像杀死恐龙的小行星一样大（10-15 千米）的小行星。 太空卫调查现在的重点是寻找较小的潜在撞击物。 到2015年，此次搜索已经发现了超过15,000颗近地小行星，其中包括大多数大于1千米的小行星。 到目前为止发现的这些都不对我们构成任何危险。 当然，我们无法对尚未被发现的小行星做出类似的陈述，但是这些小行星将被逐一发现并评估其潜在危险。 这些小行星调查是天文学家开展的为数不多的真正生死攸关的项目之一，有可能帮助拯救我们的星球免受未来的重大撞击。
都灵撞击危险量表是一种对与小行星和彗星等近地天体相关的撞击危险进行分类的方法。 它是天文学家和公众通过将概率统计数据和已知的动能损伤潜力合并为单一威胁值来评估碰撞预测严重性的通信工具。
普渡大学的 “冲击：地球” 计算器可让您输入即将来临的小行星的特征，以确定其撞击对我们星球的影响。
摘要
与月球和其他行星一样，地球也受到宇宙碎片撞击的影响，包括流星陨石坑和通古斯卡爆炸等最近的例子。 过去更大的撞击与一些大规模灭绝有关，包括6500万年前白垩纪末期消灭恐龙和许多其他物种的大规模撞击。 如今，天文学家正在努力提前预测下一次撞击，而其他科学家则开始研究撞击对地球生命演变和多样性的影响。
词汇表
- 大规模灭绝
- 大量生命物种在化石记录中突然消失，取而代之的是后续层次的新物种化石；大规模灭绝预示着环境的灾难性变化，例如对地球的重大撞击可能产生灾难性变化