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    隕石揚起灰塵遮陽光 聯同火山爆發滅絕白堊紀恐龍與植物

    6,600 萬年前「白堊紀-古近紀界線」期間,包括恐龍的七成半物種被滅絕,主流學界共識是隕石元兇,但未能排除有其他因素如連續的火山爆發聯手造成。最新刊於《美國國家科學院院刊 (PNAS) 》就指,當年跌入地球的巨型隕石揚起大量灰塵,使地球陷入黑暗之中近兩年,令植物無法進行光合作用同時冷卻地表溫度,促成大滅絕,標誌著恐龍時代的結束。

    過去的研究曾指,隕石與火山爆發聯手造成當年的大滅絕:跌落墨西哥希克蘇魯伯 (Chicxulub) 的 10 公里長隕石撞擊引起火山大規模爆發、地震以及洪災等。而是次研究團隊計算出,隕石衝擊力將被蒸發的石粒濺到空中,並在高空凝結成小顆粒。當這些顆粒從高空跌落地表時,受空氣摩擦加熱形成火石並大面積摧毀地表。而這些火石痕跡在全球地質記錄中可以發現到。

    有關希克蘇魯伯隕石撞擊事件

    1980 年,諾貝爾物理學獎得主 Luis Alvarez 與兒子 Walter Alvarez 發現,白堊紀與古近紀交接地層的銥 (Iridium, Ir) 含量分別是正常標準的 30 倍及 130 倍。銥是種地球地殼中非常少見的金屬。由於大部分小行星與彗星常發現銥元素, Alvarez 等人提出在白堊紀與第三紀的交接時期,曾有小行星撞擊地球表面。其後有研究團隊真的在墨西哥尤卡坦半島的撞擊隕石坑,証明當年確實有撞擊事件。

    Luis Alvarez 與兒子 Walter Alvarez 找到白堊紀與古近紀交接地層的銥 (Iridium, Ir) 含量分別是正常標準的 30 倍及 130 倍。 via Wikipedia

    該研究由國家大氣研究中心 (NCAR) 主導,並由美國太空總署和科羅拉多大學波德分校支持。研究團隊以電腦模型,繪製出白堊紀末期的地球情況;未來古生物學家可使用這些資訊了解為什麼有些物種尤其海洋生物死亡後,而其他物種卻能倖存下來。主導研究的 NCAR 學者 Charles Bardeen 表示,很多陸上動物可能即時因隕石撞擊死亡,但海洋、能潛水或掘地洞的動物則可以避過此劫;研究正想了解經歷一系列天災後產生的灰燼對倖存生物有什麼長期影響。

    此前,研究人員通過測量仍然保留在地質記錄中的煙塵沉積物,估計全球山火可能產生的煙塵量。 Bardeen 的研究則以 NCAR 的社區地球系統模型 (CESM) 來模擬灰塵對全球氣候的影響。他們使用了最新估計在隕石撞擊後於岩石層留下的 150 億噸灰塵,量化後續山火對氣候敏感性的影響。

    在模擬中,受太陽加熱的灰塵飄到大氣層中,最終形成了屏障阻擋絕大多數陽光照射到地表,使地表溫度降低 28°C 海水溫度則上升 11°C ,其中一位研究人員 Owen Toon 形容為黑得有如月夜一樣。雖然最終天空逐漸變亮,但植物無法進行光合作用達一年半以上。

    另外由於許多地表植物已在大火中焚毀,黑暗可能對浮游植物有最大影響。浮游植物支撐著海洋食物鏈,如果失去這些微生物將對海洋生態產生漣漪效應,最終令大部份海洋生物消失。研究小組又發現,例如在揚起 50 億噸灰塵的模擬中,植物也會暫時無法進行光合作用。

    雖然在摸擬中地表溫度冷卻,但大氣上層的平流層因為灰塵吸收陽光而變得更為溫暖,導致臭氧層被破壞,並令大量水蒸氣累積大氣上層。然後,水蒸氣與平流層產生化學反應,釋放大量氫化合物進一步破壞臭氧層;當灰塵消散後大量紫外線就直接照射地表。

    令團隊意外的是,水蒸氣累積大氣上層亦是令徘徊多年於大氣層中的灰塵消散的原因;隨著灰塵沉入平流層,地球空氣開始冷卻。溫度冷會引致水蒸氣凝結成冰粒,清除更多大氣中的灰塵。這種反饋循環使到灰塵在短短幾個月內就消失。

    學界認為,新研究報告強調大氣灰塵對白堊紀氣候與當時生態的影響力,不過研究也有其局限性。例如,模擬根據在現今地球模型中運行,而不是白堊紀時期地球地理環境,而且 6,600 萬年前的大氣成份也與現今不同,包括當時的二氧化碳含量較高。此外,模擬亦未有將隕石撞擊引起火山爆發釋放硫化合物的影響——大氣中會有更多能反射陽光的硫酸鹽粒子。

    來源:
    Phys.org, Dino-killing asteroid could have thrust Earth into 2 years of darkness, 21 August 2017

    報告:
    Bardeen, C.G., Garcia, R.R. & et al. (2017). On transient climate change at the Cretaceous−Paleogene boundary due to atmospheric soot injections. PNAS 2017 published ahead of print August 21, 2017. doi:10.1073/pnas.1708980114

    文/Alan Chiu 、審核/TC Chow

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