大的小行星的碰撞引起早期地球表面上大量海水的蒸发，从而速成全球性的致命条件。早在44.4亿年以前，地球可能一直是依靠与光合作用无关的生态系统而适于居住的，只是在迄今38亿年以后才出现了一段短暂的时间间隔，这一间隔发生在专性的光合作用生物体能够不断地进化和古生物学记载表明有高度进化的光合作用生态系统出现这两个时间之间。

在月球上形成巨大的撞击坑的同时，早期的地球也受到巨大的抛射天体（projectiles）的撞击，曾有人断言，正是这些撞击破坏了38亿年以前生命存在的延续性。然而直到最近，在关于天体撞击对生命的不幸的影响进行定量化研究方面所做的工作还很有限。

我们认为，能造成行星上的生命毁灭的重要途径，是由于海水的蒸发。这一过程对生物体的影响，要比其他方面的影响更为强烈，这一点同有多少海水被蒸发掉了和什么样的生态系统是我们所预想的有关。一定类别的生态系统可能经受住持续几百年乃至几千年的热破坏。我们首先讨论碰撞天体的通量（flux），然后讨论碰撞所造成的影响，最后再讨论它们对似乎可售B存在的早期生态系统产生的影响。

对早期地球发生碰撞的天体通量

据信造成了月球形成的火星般大小的天体碰撞，可能使地球在很大程度上熔化或蒸发。不论是有生命的细胞或是复杂的有机分子，都不能经受住这种打击。正是那些撞击早期地球的较小的和较迟一些的抛射天体的通量与生物学问题有关。并没有关于对地球的最早的碰撞的记录存在。相反，关于月球受天体碰撞的记录却保存得很好，而且受到很好的研究。因此，将月球表面作为我们研究的起点是合情合理的。我们用抛射天体在一颗行星上可能引起的等价厚度的增加（假定所有的物质都被保留了下来）来表示碰撞通量（impact fluxes）。当少数最大的天体的重力聚焦和典型的统计量可以忽略不计时，这种测量方法与行星的大小无关。

碰撞通量的地球化学测定

对撞击月球的物质的最小限度的测定，是从月球样品中残留下来的陨石组分得出的。被认为对月球的上表层具有代表性的暴露在月球上的高处的岩石，是由太古的岩石组成的角砾岩、撞击熔体（impact melt）和更古老的角砾岩。一般认为铱（Ir）的丰度表明，陨石的成分为1~2%。有争议的是，Ni的丰度是否可以代表一种不含Ir的或一种在月球表层中已还原成了金属的内组分的类似的陨石成分。研究月球表面上的陨石表明，Ni富集在陨落处的左侧，而陨石的成分在1-2%之间。受到铁石陨石沾染的月球表层的总厚度尚不能很好的确定，粒变岩被认为是由具有42.6亿年历史的埋藏于深处的角砾岩和40亿年之久的近表面角砾岩所构成的。它们都富含铁石陨石，这表明陨石的成分有许多混杂进了上表层。粗视表面浮土层（megaregolith）的厚度，是这种混杂深度的一种估测。Spudis和Davis给出的月球表层的半厚度为35公里。如果陨石的成分在1%到4%之间，这便意味着总的陨石层厚度在0.35公里至1.4公里之间。我们倾向于取0.7公里这一估算数据。

这些碰撞发生的时间也可以确定。如果在月球上有一个岩浆湖存在，那么在受到撞击引起的搅动时，它的上表层就会自上而下冻结。在任一深度处都有一个某种大部分固化了的表层实际存在的日期，这就确定了Ir和Ni在月球表面上的浮土层中保存下来的时间间隔的起点，最古老的j球岩石有45亿年的历史，并表明月球的表层在有行星的历史的初期就业已存在。月球表层的上面部分为亚铁斜长岩，它早在44.4亿年前就固化了。在43.6亿年前（钙稀土 - 元素硫化

物玄武岩的标准年代），月球表面就大部分变成了固体，这时期被认为是月球表层的底部最后固化的日期。许多堆积物都超过了最古老的表面浮土层的年龄——42.6亿年。

外推到地球

地球应该会受到比月球多得多品抛射天体的撞击，因为它具有更大的表面积和更大的万有引力。从统计学上看，地球也可能会受到更大的天体的撞击。针对我们在下面所假定的碰撞速度而言，月球受到1/24的天体的碰撞，而地球则受到其余的23/24的天体的碰撞。月球不会受到16个最大的天体中的任何一个的撞击的几率超过0.5，因为(23/24)¹⁶＞0.5 。因此，如果Imbrium是迄今43亿年以来对月球最大的撞击天体，那么可以惫料，16个更大的天体在同一时期内已撞击过地球。这些碰撞发生的时间和影响范围难以测定，因为它们所涉及的数目太少。举例而言，Imbrium天体对月球的最近一次碰撞，可能是统计学上的侥幸成功。缺乏在迄今38亿年至39亿年之间发生的最近的碰撞“峰值”的可靠证据，相反，可以得出这样的结论：撞击地球的巨大天体的数目并不多。

理论的尺寸 - 数目分布，是一种由月球的记录推断出与地球发生碰＞撞的巨大天体大小的方法。对于碎裂而言，这种质量分布服从幂函数规律。例如，质量超过m的天体的累计数与成m^1-q比例。通过将天体“装进”质量的对数间隔“箱”中，我们就可以想象出这样一种分布性质，当q=2时，在每一个“箱”中有相同的质量。对于q=5/3，在每个“箱”中都有相同的表面积，而绝大部分的质量则集中于最大的天体之中。可以预料，其中质量最大者为这一系综（ensemble）的总质量的2-q次幂。通过某些代数上的运算便可以看出，撞击月球的天体的总质量的平均份额为(1/23)^1/1-q。而经过一次碎裂级联碰撞后的尺寸分布，保持一种准稳定状态。从理论上讲，q的预期值在中等碰撞时的5/3到剧烈碰撞时的2之间的范围内变动。

对与早期地球发生碰撞的天体而言，最切合的残存物等级为直径在130和260公里之间的小行星，它们被认为是更大的天体的碎裂物。这些天体在碎裂事件发生之后会进入地球 - 交叉轨道。这一范围的下限同Imbrium天体大小不相上下，而我们正是从这一天体开始外推的。对此尺寸范围如果这一分布适用，那么撞击地球的最大天体就不需要超过260公里（直径）。

设若接近速度为13公里/秒，这相当于在月球上的碰撞速度13公里/秒和在地球上的碰撞速度17公里/秒，在这种条件下，地球具有的更大的万有引力使碰撞的几率和能量提高了0.74倍。现在的地球 - 交叉小行星的接近速度（对碰撞几率加权）为16.8公里/秒，它要比巨大的早期的小行星的接近速度高一个未知量，因为样品中含有开始时以彗星形式出现的小的小行星和被碰撞抛射出的小的小行星的碎裂物。

因巨大的碰撞引起的全球性生命绝灭

这里我们所涉及的问题，是那些会引起整个行星系中的生命绝灭的巨大碰撞产生的全球性影响。因巨大的碰撞而产生的岩石热量使得海洋汽化，是这种影响中最明显的事例。其他的全球性效应，包括海啸波引起的海洋压力的变化、由陨石碎片和喷出物造成的海洋污染和由于海洋蒸发以及后来又变成雨水而引起的盐浓度变化，对行星 - 生命绝灭效应均无明显的影响，因此对这些因素未作进一步的考虑。陨石坑本身仅具有局部的重要性。例如，根据Maher和Stevenson编制的换算关系，一颗以17公里/秒的速度运行的直径为500公里的小行星，可能造成一个直径为1，500公里的陨石坑，产生出能扩展而覆盖直径为4，000公里的区域的喷出物，其厚度可达0.1公里。陨石坑的边缘部分可厚达3公里。

能量考虑

使海洋或它的透光层蒸发所需之能量的测算，对于是否将终态当作等温的、绝热的或蒸汽 - 饱和曲线来考虑并不敏感。对于起初在摄氏零度的海水，在1巴的压力下等压蒸发所需的能量为2.5×10. 焦尔/公斤；在临界压力下则需要2.1×10⁶焦耳/公斤的能量。这样，要使200米厚的海洋透光层蒸发所需的能量约 ~4×10²⁶焦耳；使整个海洋（海水总重1.4×10²¹公斤）蒸发并将其水蒸气的温度升高到临界点以上需要的能量为5×10²⁷焦耳。而进一步将表面温度升高到典型的硅酸盐岩石的熔点，则需要增加大约一半的能量。

一个直径为440公里，质量为1.3×10²⁰公斤的天体，大致与大的小行星灶神星（Vesta）和智神星（Pallas）大小相当，当它以17公里/秒的速度撞击地球时所产生的能量，相当于使海洋蒸发所需要的能量。而一个直径为190公里，质量为1.1×10¹⁹公斤的天体，则只够使透光层蒸发。我们估计有25%的冲击体的能量消耗于使海水蒸发，25%辐射到宇宙空间，还有50%的能量埋藏在碰撞点附近。对于这样规模大小的碰撞来说，由撞击坑喷射出来的物质，或者被熔化，或者被汽化。岩石蒸汽产生的直接原因是碰撞，其次是由于喷射物的细小微粒返回到大气层中。这样，行星就会很快地被压力约为100巴的热岩石蒸汽和悬浮熔滴所包围。岩石蒸汽团向上辐射到太空、并以2，000 K的有效温度向下辐射到洋面上。对于一种能使海洋蒸发那样规模的碰撞而言，使岩石蒸汽凝聚所需的辐射冷却时间需要几个月。精确的辐射温度并不十分重要，因为大约有一半的岩石蒸汽能量辐射到了宇宙空间，而还有一半的能量为海洋所吸收。

继续对碰撞以后发生的事件进行讨论。由于海水对红外辐射具有很高的不透性，故可使能量集中用于薄层表面的蒸发上。来自岩石蒸汽的辐射使海洋表面融化，而使海洋深处仍处于冷却状态。海洋的对流性混杂（convective mixing）是由于温度梯度造成的。如同水蒸气对温度为2，000 K的黑体辐射具有某种程度的透过性一样，海洋对在其上空的热岩石蒸汽也不能有效地屏蔽。然而水蒸气对海洋却具有足够的不透过性，以致它很快被加热到2，000 K的大气温度，在此期间，大气层的温度大致保持等温在2，000 K（硅酸盐的凝固温度）。在这种状态下，水蒸气团不可能形成。

当岩石蒸汽凝固后，一俟超过某一临界值时，在液态海洋上空的一种稳定的水蒸气团就会向宇宙空间辐射。这一临界值仅仅比地球现在的红外射线通量大约高30%。这恰好是在地球和金星的比较学中经常遇到的“速逃温室”（“runaway greenhouse”）临界值。

对于最低限度的海洋 - 蒸发碰撞，当岩石蒸汽已经变成雨降落时，大约还有一半的海洋仍保持为液态的水。（约有300米的岩石雨滴降落到了海底。）此时，汽团就会由一半的热蒸汽海洋（140巴，＞1，500 K）所构成。此后不久，蒸汽团的上部便会冷却到足以形成一种潮湿的、对流的和不透光的上表层。因此，在速逃温室临界值条件下，这一行星就向宇宙空间或向下辐射，而这一临界值与能量向品洋转移的速率相比可以忽略不计。在最低限度的海洋 - 蒸发碰撞中，当第一滴雨滴降落到地面上时，海洋曲最后一滴水就被蒸发。于是，表面温度就会接近临界温度647 k。

讨论和还不清楚的问题

假定有25%的碰撞能量被用来蒸发海水，那么使整个海洋蒸发所需要的总碰撞能量就需要2×10²⁸焦耳，一个质量为1.3×10²⁰公斤（直径440公里），以1.7公里/秒的速度撞击地球的天体就足够了。在一种标度 - 不变的抛射天体分布图中可见，海洋蒸发可能发生在较晚得多的时期。运用推理，Imbrium碰撞天体的质量为迄今43亿年之后与月球发生碰撞的天体的质量的1/11，得出q=1.91，据此推断，迄今44.4亿年以来与地球发生过碰撞的最大的天体可能是整个累积质量的9%，或者说是3×10²⁰公斤。由统计学上可以预料，在迄今38亿年至43亿年间有一个质量31倍于Imbrium抛射天体（或6×10¹⁰公斤）的天体存在，如果已知在这种标度 - 不变的分布图中所固有的误差，就可以推断出最近一次使海洋蒸发的碰撞可能最早发生在44.4亿年前，而至迟发生在38亿年前。透光层的碰撞蒸发可能迟至迄今38亿年才发生，但不论尺寸分布如何、只要较大的碎裂小行星就足够了。因此，在使海洋蒸发的最近一次碰撞和使透光层蒸发的最近一次碰撞之间有一段长的时间间隔存在，这在统计学上是可能的。

生态系统的幸存

生物系统需要一种能源，现在的生物圈接受到的焓的增长是来源于太阳；在深海中存在的第二种辅助能源，起源于在热液喷口处发生的还原组分的氧化。后一种反应有赖于透光层中产生的氧化剂。可能这两种能源在早期的地球上都可以得到。关于最初的生态系统的详细性质还不太清楚，因为至今尚未发现过比迄今38亿年还更古老的沉积岩。在澳大利亚的Warrawoona群（Group）中，显然在35.6亿年以前就有生命存在；这些生命体显示了生物界的形成、某种类型的游动、趋光性和杂草丛的形成。这样一些复杂而又精细的性质，必然要经历一段相当长的进化历史。此外，在37.7亿年以前的Isua群的沉积物中存在的碳的同位素表明，有机碳与沉积物中的碳酸盐含量之比，同现在人们认为光合作用生物早在Isua时间就已十分丰富的说法是类似的。

推论

仍存在着的生命产生的时间界限的确定，按照古生物学的考虑为其下限，而按照地球物理和行星学的考虑为其上限。需要有一段漫长的进化史前史以逐渐形成Warrawoona化石和碳同位素的必要性表明，早在38亿年以前生命就已经存在。这里还涉及到确定上限的问题。这种上限取决于所论及的生态系统是什么样的类型，因此人们相信的是最早存在的生命形式。光合作用的原核生物是否产生出了能利用氧化还原梯度或反之亦然的生物体？生命是否比较容易产生于地表环境中或深海区？我们并不打算去解决这些生物学上有争论的问题，而是去考察我们的物理学推论所具有的更为广泛的含义。

如果我们将原始的光合作用生物区系看作是唯一重要的生命源，那么透光层中的生命灭绝事件就有可能迟至迄今38亿年才发生。我们关于延续的生命的起源时间的估算，也集中在这段时间。如果我们以原始的深海生命为出发点，情况就不那么清楚，（而且这种情况也较少可能出现，因为无论是在化石记录中或是在近代生命的进化分类学中都缺乏关于这类生物体存在的证据。）在这种情况下，如果最大的撞击物的大小与碎裂小行星近似，或者说在标度 - 不变的分布图中少数最大的天体碰巧在早期与地球发生碰撞的话，时间上限就有可能发生在44.4亿年以前。但是，当进一步将时间倒推时，从统计学上看碰撞的大小和频率应该增大。

因此，早期的生杨体和生态系统还能够幸存下来这一点是格外深奥维妙的，由于这种情况同一般的进化过程相反，延续进化的时间上限可能约在迄今40亿年，但误差相当大。反之，在38亿年以前的一段很长的生命延续期可能意味着深海被生物体所占据。

（Nature，Vol. 342，No. 6246，9，1989. ）