撞擊冬天

撞擊冬天是由於大型小行星或彗星撞擊地球表面而造成長時間氣候寒冷時期的一種假說理論。如果此類地外天體在進入地球大氣層後保持完整並成功撞擊到陸地或較淺水體，其產生的衝擊力就可以掀起大量煙塵、碎屑以及其它懸浮粒子進入大氣；如果小行星或彗星直徑超過5km，那麼即使其發生流星空爆或撞擊點位於較深水域，所攜帶的動能在釋放過程中仍足以拋出大量碎屑在大氣中懸浮。這些撞擊產生的噴射物會增加反照率遮擋來自太陽的熱輻射，使得全球變暗造成反溫室效應，從而引發植被退化和連帶的食物鏈崩潰，如果持續時間較長就可能導致生物集群滅絕。6600萬年前的白堊紀—古近紀滅絕事件可能就涉及到直徑約10km的希克蘇魯伯隕石引發的撞擊冬天，而此次事件導致了近75%的動物滅絕，其中包括含非鳥恐龍、翼龍和中生代海爬在內的幾乎所有體重超過25kg的四足類動物。

## 撞擊的可能性

每年地球都會受到直徑大於5米的流星體撞擊，撞擊產生的爆炸一般發生在50千米以上的高空，其能量大致相當於1000噸TNT炸藥的威力。直徑小於5米的小型隕石撞擊每天都有發生，大部分到達地球表面的隕石都會墜落在無人區，一般不會造成危害。相比與死於小行星或彗星的撞擊，人類更有可能死於火災、洪水或其他自然災害。1994 年的另一項研究發現，在接下來的兩個世紀內，地球被直徑大於2千米的隕石撞擊機率大約為千分之一，這種大小的撞擊事件足以擾亂地球生態系統，並造成大量人口死亡。對於這種事件，我們目前已經觀察到了一個候選星體小行星 1950 DA，它目前有 0.005% 的機會在 2880 年與地球相撞。當我們最初發現這顆小行星時，它與地球相撞的機率是 0.3%，隨著我們對其軌道更加精細的測量，撞擊機率下降了。

有超過300顆短周期彗星的軌道在大行星（如木星和土星）附近，大行星的引力作用可能導致這些彗星從自身軌道上拋出，從而有機率與地球運行軌道重疊。這種軌道的變化也可能發生在長周期彗星上，但短周期彗星發生此類事件的頻率更高。不過，這些星體直接撞擊地球的機率要遠低於近地天體(NEO) 的威脅。此外，Victor Clube 和 Bill Napier 還提出了一個有爭議的理論，即穿越地球軌道上的短周期彗星不需要撞擊就能對地球造成影響，因為它可能會在略過地球時解體，從而為地球表面蒙上一層塵埃面紗。如果出現了這類長久，地球有可能在很長一段時間內出現類似「核冬天」的情景——持續數千年的全球範圍溫度下降（研究者認為這類事件的發生機率相當於1公里直徑星體撞擊地球的機率）。

我們已經探測到17841個近地天體，其中有8059個可能對地球造成傷害，這些威脅星體直徑大於140米，並可能在少於20倍地月距離的位置接近地球。直徑大於1千米的近地物體總數可能有920個，我們已經探測到其中的888個，大約為96.5%。

## 撞擊物的性質

每時每刻地球都在經受外星體的撞擊，這些外來者大多體積極小，甚至難以被注意到。它們可能在到達地球表面前就在與大氣層的摩擦作用下燃燒殆盡了，而那些最終到達了地球表面的殘留物我們稱之為隕石。因此，並非所有撞擊地球的物體都會導致滅絕級別的事件，它們中的大多數都沒有任何威脅。撞擊者在地球大氣層中消耗了大部分的動能，而如果它們受到的氣壓大於等於自身質量，它們就會發生爆炸。地球上的滅絕級事件大約每 1 億年才會發生一次。儘管滅絕事件很少發生，但較大的撞擊仍會造成嚴重破壞。本節將討論撞擊物的體積與構成對撞擊危險性的影響。

### 體積

大直徑小行星或彗星可以對地球表面造成巨大的衝擊，它們造成的爆炸可以達到數千倍於所有核彈同時爆炸的威力。例如6500萬年前造成恐龍滅絕的小行星直徑大約為10千米，這意味著它以近 100,000,000 MT（418 ZJ）的力量擊中地球，這要比美國在廣島投下的原子彈（16 kilotons, 67 TJ）的威力大60億倍。這個撞擊造成了直徑達180千米的希克蘇魯伯隕石坑。對於這種大小的物體，即使它的撞擊點位於海洋（海洋的平均深度為4千米），大量的灰塵和碎屑仍然會被激起並在大氣層擴散。這種大小的小行星、流星或彗星將憑藉其絕對質量在大氣層中保持完整。但是，假如撞擊者的直徑小於3千米，那麼它的組成成分就必須包含大量的鐵合物才足以突破底層大氣（平流層和對流層）。

### 構成

小行星或彗星有三種不同的成分類型：金屬、石質和冰質。物質的構成決定了它們是會在突破大氣層之前分解，還是在到達地表之前分解並爆炸，或是可以成功抵達地球表面。金屬流星體往往由鐵和鎳合金構成，這類星體最有可能撞擊地表，因為它們可以更好地承受在大氣減速期間由衝壓壓力引起的擠壓和碎裂的應力。石質星體，例如球粒隕石，它們在離開高層大氣之前往往會燃燒、碎裂或爆炸。它們至少需要 10 MT 的能量或50米直徑，才有機會突破低層大氣（這是為撞擊速度20km/s作出的估計）。多孔彗星體通常由低密度的矽酸鹽、有機物、冰和揮發性物質組成，由於體積密度低（≤1 克/厘米3 )，它們一般在高層大氣中就燃燒殆盡。

## 機制猜想

撞擊冬天的成因與巨型火山噴發所引發的火山冬天類似。大型撞擊發生後，進入大氣層的大量碎屑會在很長一段時間內遮擋部分太陽輻射，這將導致地球氣溫在隨後的一年內驟降20° C。降溫機制主要來自兩個方面的作用：大量表岩屑的噴發與大規模的火災風暴。

### 表岩屑噴發

Curt Covey 等人研究發現，一顆直徑10千米的小行星（爆炸威力108 MT）可以將大約 2.5x10 15 千克的1 微米大小氣溶膠顆粒送入大氣層，任何更大的物體都會迅速落回地面。隨後，這些顆粒會散布到整個大氣中，並通過吸收或折射的方式阻擋太陽輻射抵達地球表面，機理類似巨型火山噴發產生的含硫氣溶膠冷卻地球的方式，從而導致全球暗化。他們的這項研究參考了多峇巨災理論。

這些岩石顆粒會一直停留在大氣層中，直到最終通過干沉降回到地表。此外，這些顆粒的大小也適合充當雲凝結核，並通過濕沉降或降水回到地面。但即便如此，仍有大約 15% 的太陽輻射可能無法抵達地面。撞擊發生後的20天後，陸地溫度可能會迅速下降約 13°C。大約一年後，溫度可能會反彈約 6°C，但此時北半球約三分之一的面積可能已被冰層覆蓋。

不過，這種影響也可能會被撞擊產生的大量水蒸氣和二氧化碳所緩解甚至逆轉。假如撞擊點位於海洋，大量水蒸氣會進入到大氣中，並造成顯著的溫室效應，從而使全球氣溫升高。

如果撞擊產生的能量足夠，它可能會在對跖點（地球的另一端）產生地幔熱柱（引發火山作用）。如果發生了這種情況，那麼無論撞擊的影響如何，單是大規模的火山噴發就足以為地球帶來火山冬天了。

### 大規模火災風暴

如果撞擊規模巨大（天體直徑大於3千米），那麼隨著撞擊的發生，地球各地會蔓延大規模的火災風暴。這些山火可能會向大氣釋放足夠量的水蒸氣、灰塵、煤煙、焦油和二氧化碳，從而擾亂氣候，並導致阻擋太陽的煙塵雲持續更長時間。但這些事件也可能導致煙塵雲的持續時間縮短，因為此時大氣中存在有更多的水蒸氣，這有助於岩石碎屑形成雲凝結核並隨著降水落回地面。如果它使塵埃雲持續了更長時間，那麼地球的寒冷時期將會延長，從而導致更厚的冰蓋。

## 歷史上的事件

2016年，科學家通過對希克蘇魯伯隕石坑撞擊環的鑽探獲取到了撞擊事件的岩芯。希克蘇魯伯隕石坑是地球上最著名的隕石坑之一，這顆隕石造成了恐龍的滅絕。

科學家證實，構成撞擊環的岩石曾受到了巨大的壓力，在撞擊的熱量與衝擊力作用下，岩石性質在短短幾分鐘內發生了巨大的轉化。峰環由花崗岩構成，而我們知道，花崗岩無法在地表自然形成，它源於地球深處，並在巨大的衝擊壓力下被噴射到地球表面。在該地區淺海床區域，石膏是常見的硫酸鹽岩石，但在撞擊點我們幾乎見不到石膏的蹤跡，它很可能隨著撞擊而蒸發了。撞擊過後是一場巨大的海嘯，它在峰環上方形成了範圍巨大、顆粒層次分明的沙層。

我們可以大致想像出這次撞擊事件的過程：小行星的撞擊形成了大約200公里的深坑，從地球深處噴發出大量熔融狀態的花崗岩，巨大的海嘯襲來，大量含有硫酸鹽的岩石蒸發並進入到大氣中。塵埃和硫酸鹽顆粒在全球的擴散會導致溫度大幅下降，從而破壞食物鏈，並對全球氣候造成災難性的影響。

## 對人類的影響

撞擊冬天對人類和其他物種也將造成毀滅性的影響。隨著太陽輻射的大幅減少，首先死亡的會是光合植物以及依賴這些植物生存的動物。隨後，食物的匱乏最終將導致食物鏈上層動物的大規模滅絕，並可能導致多達 25% 的人口死亡。根據撞擊點的位置和規模，災後清理工作可能需要付出巨大的成本，以至在倖存的人類社會中發生經濟危機。這些因素的相加將使地球上倖存者的生活變得十分困難。

### 農業

撞擊後的地球大氣層中充滿了塵埃和其他物質，來自太陽的輻射將被折射或散射回太空，或被這些碎屑吸收。在撞擊和大規模火災風暴之後，地球發生的下一個災難將是地球上光合作用生命形式的大規模死亡。那些生活在海洋中的倖存者可能會進入休眠狀態，直到太陽再次升起。一些生活在陸地的植物可能有機會在地底的微氣候中保持生命力，就如我們在 Zbrašovské Aragonite Caves 中觀察到的那樣。人類可以藉助化學能源或核能在地底建立培育場，利用生長燈代替太陽光，直到地表環境好轉。與此同時，那些地表植物即使沒有死於缺乏陽光，它們也可能會死於隨後的極度寒冷，或是一直保持休眠狀態。如果有足夠多的人類倖存，那麼作物的缺乏可能會導致嚴重的饑荒，非發達國家的糧食採購成本將大幅上升。除非降溫事件持續超過一年，否則發達國家可能不會遭受饑荒，因為這些國家的罐頭食品和穀物儲量較大。但假如撞擊規模十分巨大（類似K/T撞擊事件），那麼由此帶來農業損失可能無法通過其它方法得到補償。避免饑荒的唯一方法是讓每個國家都為其人民儲存至少一年的食物，但很顯然沒有多少國家有這樣的能力；世界平均穀物庫存水平僅為年產量的 30% 左右。

### 經濟

根據撞擊位置和規模的不同，災後清理工作預計要花費數十億到數萬億美元。例如，對紐約市（世界上人口第 16 大城市）的撞擊可能會造成數十億美元的財務損失，而位於此處的金融機構（股票市場）可能需要數年時間才能恢復正常。不過，撞擊發生在人口聚集地的機率非常低。

## 外部連結

- Geotimes story on the Chicxulub impact and the possibility of an impact winter
- NASA's Near Earth Object Program