地球的伤痕和生命,居然都是它带来的?
2019-11-05 12:00

地球的伤痕和生命,居然都是它带来的?

本文来自公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:王科超,题图来自:视觉中国


10月11日的吉林火流星事件让大家目睹了小行星与地球的一场美丽“邂逅”。不过,在太阳系诞生的45.6亿年的时光里,小行星与地球之间除了美丽的“邂逅”之外,它们之间还有数不清的“爱恨情仇”呢!


仇·恨篇


小行星直径只有1km,其威力可能等于1000万枚原子弹爆炸


在太阳系家族中,小行星绝对是个不安分的危险分子。根据国际天文学联合会小行星中心公布的数据,截止2019年11月4日,已确认的小行星数量超过84万颗,总重量约有地球的万分之一,而且每年都会有数千颗新的小行星被发现。


太阳系内众多的小行星之间发生互相碰撞以及在受到太阳系内各大天体的引力摄动后,小行星都会脱离原来的轨道,开始在太阳系里四处游荡,时不时地与其它太阳系天体来个“亲密接触”,结果使得其它天体伤痕累累,面目全非。


就拿离我们最近的天体——月球来说,夜空中,月光明媚皎洁,像一个美少女注视着人间,但是望远镜中的月亮却满脸疤痕,月球表面大大小小的环形山,大部分都是小行星们惹的祸。


“伤痕累累”的月球表面 (图片来源:维基百科)


小行星个头并不大,最大的直径也不超过1000公里,小的不过几十米。一颗直径1公里大小的小行星,以20千米每秒的速度撞击地球,其威力相当于1000万枚广岛原子弹爆炸的威力,会在地面留下一个直径超过20千米的陨石坑,给地球带来灾难性的后果。


例如:越来越多的科学证据证实,6500万年前正是由于一颗直径约10公里大小的小行星撞击地球,导致了当时包括恐龙在内超过75%的物种灭绝;而1908年发生在俄罗斯西伯利亚地区的通古斯大爆炸也时刻提醒着我们,小行星撞地球同样会威胁现今人类的安全。


太阳系中已知的近地天体 (图片来源:维基百科)


历史上地球遭受过小行星密集的撞击,理论计算表明,地球上直径超过20千米的陨石坑应该有约2万个。若不是地球上活跃的雨水、生物侵蚀和板块俯冲、火山喷发等地质活动将它们填平,地球表面应该也像月球一样布满环形山。尽管如此,地球上还是有很多陨石坑保留至今。


地球的伤疤——陨石坑


美国西部亚利桑那州的荒原上有一个直径1.2公里,深180米的圆坑,十分惹眼,早期人们怀疑它是火山口。1946年,人们在坑附近找到了铁陨石碎片、高温高压形成的柯石英矿物以及陨击在石英颗粒内留下的构造证据等,该圆坑成为地球上第一个被确认的陨石坑。


第一个被证实的陨石坑,巴林杰陨石坑 (图片来源:维基百科)


陨石坑的证据


迄今地球上已被证实的陨石坑有195个。除了少数能从地貌上容易辨认的,大部分陨石坑地貌被严重破坏,难以识别。地质学家们靠从周围的岩石上寻找撞击留下来的蛛丝马迹从而判别是否为陨石坑。


小行星撞击地面是一个瞬时的剧烈作用。超高温、高压造成的冲击变质作用是地球正常地质活动所无法达到的。撞击中心的峰值压力可以达到100~400GPa,相当于地表以下2000公里处的地球内部的压力;温度高达10000度以上,那里的岩石将直接汽化挥发。(所以,不要指望在大型陨石坑里找到陨石了,它们早就蒸发啦!)超高温、高压会在周围的岩石和矿物中留下证据。


《地球陨击资料库》给出判别陨石坑的主要判据有:


1)存在震裂锥。震裂锥是岩石受到冲击变形后留下的一种特殊结构,从不足1厘米到几米之间,呈圆锥形,锥面呈现辐射状三角形条纹沟槽。震裂锥通常散布在陨石坑周围,因此,野外考察来说,这个特征非常容易辨认。


2)矿物存在层状变形特征,这是岩石经过超高压后留在矿物上的微观结构证据,在光学显微镜下可以分辨出来。


3)岩石中常见的矿物转变成高压矿物,例如石英转变成柯石英、斯石英(原子弹爆炸现场就有柯石英和斯石英)。超高压还会完全破坏矿物的晶体结构,使得矿物不经过融化直接转变成玻璃,常见的有长石变为熔长玻璃。


检验这些证据必须在实验室借助科研仪器完成。


震裂锥( 图片来源:维基百科)


凝固的“眼泪”——玻璃陨石


小行星能把地球毁容,就能让地球流 “眼泪”。在我国岭南地区、澳大利亚、东南亚等广阔的区域里,人们经常会找到一些黑色的玻璃质的石头,外形呈现泪滴状、哑铃状、椭球状、透镜状等,广东地区的人们称之为雷公墨。世界上类似的石头还出现在别的地方,欧洲的捷克、德国,非洲利比亚和北美洲地区也出产一种玻璃状的石头,这些石头翠绿鲜艳,表面像珊瑚一样有很多枝杈状的流线,是现代很受欢迎的漂亮装饰品。


一直以来,人们对这种石头是如何产生的疑惑不解。有人说是火山喷发造成的,有人说是闪电融化了地面上的石头造成的,还有人说这是一种来自月球表面的特殊的陨石。直到上世纪60年代,随着探测技术的进步和高压实验的研究,人们对小行星撞击地球的过程有了更清晰的认识。


小行星撞击产生的高温高压会将地球周围的基岩融化,然后抛向空中,融化的岩石在气流的作用下,逐渐冷却凝固,并形成与空气动力学有关的特殊外形。人们将这些石头称为“Tektites”(古希腊语,意思是“融化”),中文将之翻译为玻璃陨石(玻璃陨石不是陨石!),也就是人们常说的雷公墨。


进一步的研究证实,某一区域的玻璃陨石与某一个陨石坑有关,其成分和化学同位素等信息与陨石坑内的岩石一致,更重要的是它们形成的年龄也与陨石坑产生的年龄一致。这些石头的千年之谜终于解开了。


左:玻璃陨石  右:玻璃陨石成因示意图 (图片来源:http://tektites.co.uk)


爱·情篇


小行星撞击:带来伤疤,也带来了生命


小行星撞击给地球带来灾难的同时,其实也为地球带来了生机,在地球早期生命起源和演化进程中扮演了重要作用。科学家们认为,45亿年前地球在太阳星云的内行星盘中形成。早期的地球因放射性元素衰变和吸积太阳系物质积累的能量而呈高温熔融状态,因此,原始地球上缺少水、有机物等组成生命的必要物质。而小行星诞生的位置恰好在行星盘“雪线”附近,小行星中包含了大量的水、有机物等生命必备物质。


1970年代阿波罗登月任务从月球表面采回的陨击熔岩的放射性同位素年龄显示,大多数的陨击熔岩形成于非常短的时间段内,集中在41~38亿年。这表明在距今41~38亿年前,月球遭受了大量小行星的撞击,这一事件被称为晚期重轰击(或称为月球灾难)。模型显示,太阳系的内行星(地球、火星、金星、水星)在这一时期也遭受了小行星的猛烈撞击。


小行星的撞击为地球带来了大量的水、有机物等物质,汇聚进入到了原始的海洋。晚期重轰击之后,地球遭受的撞击频度迅速降低,地球环境趋于稳定,生命开始了持续的演化。


化石证据显示,最早的生命物质出现在38亿年前,与晚期重轰击结束的时间相吻合。此外,地球生命体中的氨基酸手性分子基本以左旋为主,而科学家从1969年陨落的Allende碳质球粒陨石中发现左旋氨基酸要多于右旋氨基酸,这个结果和地球生命的结构正好相吻合。生命体氨基酸的“左倾”特性有可能就是这样开始从小行星中继承而来的。



上:在小行星撞击的影响下,早期地球的表面层布满了熔岩。( 图片来源:Simone Marchi)

下:晚期重轰击事件结束后地球出现生命证据 (图片来源:B.A. Cohen)


跨过3亿公里距离,穿越45亿年时空,小行星与地球之间的“爱恨情仇”终于孕育出生命,谱写成宇宙中最壮丽的诗篇!


作者单位:中国科学院紫金山天文台


本文来自公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:王科超

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