白垩纪、第三纪交界时的酸雨

发布时间：89年04月28日

P. J. Crutzen 编译崔沿江

地球上的生命处于不断变化的状态，由于环境压力的变更，一些新的物种诞生了，而另一些物种则灭绝了。物种的平均寿命是1百万到1千万年。不过，其过程是不稳定的，最大的灾难是6500万年前白垩纪、第三纪（K/T）之交发生的大批生物的灭绝。对这一事件的流行解释，是设想一颗巨大的陨星和地球相碰撞，产生全球范围的尘雾阻挡了太阳光。普林（Prim）和费格里（Fegleg）最近提出一个不同的假设，他们设想陨星的碰撞使得地球大气所受的污染比现代最严重的烟雾污染严重1千倍，其降下的硝酸导致了物种的灭绝。

在K/T交界时发生的物种灭绝的图式是复杂的、戏剧性的。虽然K/T之交大灾难最大的受害者是恐龙，但所有海生物种的60 ~ 75%也灭绝了。热带物种受到的影响最大。钙质的海生有机物比硅质海生有机物更加脆弱。在陆地，爬行动物和其它重于25公斤的动物受到最沉重的打击。但另一方面，栖居湖泊的动物却和陆地的高等植物和许多哺乳动物一样，生存得相当好很明显，任何关于物种灭绝的满意解释，都必须既能解释大批物种的灭绝，也能解释许多物种的生存。

以前的假设

直到最近，地质学家才适当考虑大批物种灭绝的地外原因。以前的假设，包括有考虑到超新星爆发的结果的，以及考虑到在地极磁场倒转时期巨大的太阳闪耀结果的影响的。这些假设与目前的讨论有关，因为它们对于最近所设想的机制来说，包含一些重要的成分。例如，这些假设涉及到大量的氮氧化物，它们由X射线以及银河或太阳的宇宙射线的突发所引起，这对于生物圈来说，将导致两种潜在的灾难性后果。首先，太阳辐射将被大气中的强烈地吸收，减少了它到达地表的强度，使得地面的光合作用速率和表面温度急剧降低。第二，氮氧化物（NO和NO₂）是破坏平流层臭氧的高效催化剂，导致有寄的太阳紫外辐射到达地表。但问题是没有任何地质记录或天文记录来证实这种机制。

在白垩纪和第三纪沉积物之间有一粘土层，对它进行的化学分析表明，它含有非常丰富的铱。阿尔瓦里兹（L. W. Alvarez）等认为，铱的异常是由于一巨大的陨星（小行星或彗星）与地球碰撞的影响造成的。由于铱在世界范围内均有分布，所以陨星很可能拥有10公里的直径。碰撞的能量为10²³~ 10²⁴焦耳（相当于太阳几个星期对地球辐射的能量），使大气层和大部分地表的温度升高了许多度。这碰撞大得足以使大量的尘埃升入大气，阻挡了太阳光线到达地表。阿尔瓦里兹等还估计，这种碰撞的间隔时间大约为3千万年，与洛普（Raup）和塞帕克斯基（Sepkoski）所确定的大批物种灭绝的平均间隔时间非常接近。

循着普林及其同事早些时候的想法，普林和费格里兹最近的研究论述了在K/T之交物种灭绝的选择性问题。他们设想一颗巨大的彗星冲撞地球，产生多达10⁴¹个NO分子（3×10¹⁸克）（根据对冲撞能量的估计，在我看来，10⁴¹前面的系数小于10这更合理些）。火流星自身没有产生这么多分子，还有由从海洋和海底地壳喷射出岩屑的高速飞行产生的冲击波形成的。他们估计原来火流星的能量至少有1/8被传输到大气层，主要是通过细小微粒传输的。能量通过大气的全面扩散（这个过程可在一年内完成）之后，大气层就负载着100 ppmv（即单位体积浓度为百万分之一百）的NO₂。这个数字大约比现代一些城市空气污染最严重的程度还多一千倍。结果使得地球表面完全昏暗，全球气候变冷，食物链遭到严重破坏。

然而，这不光是这类碰撞的唯一灾难性环境结果。普林和费格里指出，浓度为100 ppmv的NO₂足以毒害直接暴露在大气中的任何动物和植物。更有甚者，氮氧化物在随后的数月时间里将与水发生反应，产生大量的硝酸，引起强酸雨的降落（全球平均pH值约为1），摧毁了大部分生物圈。特别是，他们宣称降下的硝酸将大大降低75米深以上海水的碱性，致使许多钙质海洋有机物分解。虽然岩屑飞溅物可以使这种酸性得到部分中和，但是，硝酸的形成和沉降，主要发生在微粒降至海面上之后。浅海由于碳酸盐岩抵抗酸化而得到缓冲，在那里生活的有机物得到很好保护，免于灭绝。最敏感的动物种类是陆生食草动物和把蛋产在露天的动物。那些进行冬眠以及把蛋产在洞穴里的动物则得到较好的防护，这与地质记录相吻合。所以，普林和费格里的模式可以解释为什么钙质的表面物种先灭绝，而深海有机物和硅质有机物幸存的原因。

再发现

尽管大部分的世界森林可能被由巨大碰撞引起的高热和冲击波，以及随之而来的气象化学条件和气候条件所摧毁，但是，许多物种还是可以从种子堆中重新生长起来。（如果发生过世界范围的森林大火，这可以从在K/T交界层中大约10¹⁷克灰烬推断出来，那么，抗火物种一定受到很好的保护），普林和费格里进一步指出，在碳酸盐贫乏的地区，硝酸的沉积可以运输环境中的、尤其是近海水域中的剧毒痕量金属。关于这一点，他们认为，他们提出的解释物种灭绝的机制可以通过测量在K/T交界处粘土里所含的浅海有机物化石中的痕量金属来加以检验。

另一个影响生物圈的重新生长和进化的重要环境因素，是大气中二氧化碳的含量。甶于许多有机物从海面迁移，严重扰乱了海洋的碳循环，大气中二氧化碳的含量会大大升高，超过一千年的水平，致使温室效应加剧。看看艾米利亚里（Emiliani）等人的设想，他们提出大多数物种的灭绝是由于热带物种难以承受的全球性热浪引起的，热浪的起因被认为是由于大量的水分充斥大气，造成温室效应而引起的。

普林和费格里没有谈到由于这一事件增加到地球表面上的大量固氮的后果，这些固氮相当于数千年来生物的固氮量。它能有多少可以进行脱氮作用生成NO₂和NO_？速度有多快？如果产生了NO并逸入大气，那么，普林和费格里所指出的效应持续的时间，可能大大超过他们预想的时间（他们原以为没有几年），并且，大量的臭氧可以在对流层通过烟雾反应，包括由于厌氧腐败有机物产生的大量CH₄的氧化作用所产生。

温室气体

如果产生的是N₂O，结果会很不相同。N₂O在大气中的寿命是150年，而且它在海洋中的溶解度远低于CO₂。碰撞后的大气可能含有高浓度的N₂O、CO₂，HNO₂和CH₄吗？如果是的话，那么地球可能变得相当地温暖，因为这些均是重要的温室气体。同时，平流层的臭氧可能大量减少，因为N₂O的氧化是腐蚀臭氧的催化剂（NO和NO₂）的主要来源。

考虑在K/T交界粘土层发现的10¹⁷克灰烬的含义是重要的。从已知森林大火的散发因素推知，森林大火产生了超过10¹⁹克的CO₂，10¹⁸克的CO，10¹⁷克的CH₄，活性碳氢化合物和氮氧化物（NO+ NO₂）以及10¹⁶克的N₂O。这将导致比现在的大气多出15倍的CO₂，4千倍的CO，30倍的CH₄和7倍的N₂O，结果造成显著的温室效应（地表温度上升了大约10℃）和强烈的、世界范围的光化学烟雾。所以，查明在K/T交界层灰烬（森林的或化石燃料的）的来源，以及究竟在哪段时间产生的，这具有关键的意义。