第二节 全球变化与全球巨变

然而，在漫长的天体演化过程中，适合生命乃至人类生存和发展的环境并不是随时随地都存在的。从现在的太阳系看来，只有在地球上才存在这样的自然环境；飞出地球的宇航员必须采取特殊的人为措施才可能生存。即使是地球环境，也不是一成不变的。因为地球作为一个开放的复杂巨系统，总要和外界进行物质和能量的交换，进而引起或大或小的全球性变化。在这里，太阳无疑是一个很重要的因素。众所周知，地球所接收的太阳辐射量的大小随自转和公转状况而定常变化，相应的昼夜交替和季节更换必然导致气温的起伏和生物的枯荣等。而地球自转速度的变化，则可能触发地震及引起一些其它的地质构造变异；地球公转轨道的空间位置和几何形状以及公转周期的变化，则可能是地球上第四纪冰期和间冰期交替的主要原因。

    现在的太阳虽然是一颗正值中年的主序星，但还是存在相当规模的活动性并对地球产生着日益引人注目的影响。太阳内部的磁场上浮到日面局部区域会产生黑子；磁场消散时则会加热色球和日冕大气。如果这种加热足够快，则会引起局部区域的爆发，即产生太阳耀斑。大耀斑能在几十分钟内以电磁波和粒子流的形式突然释放出大量能量，进而引起地球极光、磁暴和电离层骚扰，并导致短波无线电通讯中断。其中的高能质子流还直接危及到宇宙飞行器和宇航员的安全。而通常从冕洞流出的太阳风，则每秒带着大约上百万吨的太阳物质连续不断地向外高速吹扬，也会部分地作用到地球磁层上。以黑子出现情况为主要标志的太阳活动通常具有11年甚至上百年的周期，肯定会在某种程度上影响地球上气候环境的变化。但由于涉及的因素复杂多样，其具体的作用机制和预报方案尚有待于更深入细致的研究。例如，太阳活动与地球上厄尔尼诺现象的关系，就是这方面具有重要意义的课题。

    有可靠文字记载的全球变化，包括已知的定常变化和不十分清楚的异常变化，虽然会在不同程度上影响地球的生存环境，但并未达到生物大量灭绝的地步。在没有文字记载的情况下，甚至在人类出现以前，地球的生存环境如何？则只好从地质历史遗迹中去探讨。地史资料表明，距今大约6亿年以来，地球上曾先后出现过大约四次全球性大变化，例如与温暖期相邻的大冰期，以及与地磁倒转同步的生物大量灭绝等，如图8．1所示。这些全球巨变事件重复出现的时间一般都在几千万年以上，与地球在太阳系内自转和公转的时间相差很大，只有地球跟随太阳围绕银河系中心（银心）做旋转运动的时间，才可与其相比。

    现在知道太阳距银河系中心不到3万光年，太阳系诸天体并以平均220km/s的速度围绕银心运动；而形成银河旋臂的引力势场旋涡分量，在相同距离处则以大约一半的速度也在绕银心做同方向的运动。这意味着近6亿年来，太阳系曾先后穿越过银河系的四条主旋臂，如图8．2所示。找出全球巨变时期日地系统在银河系内所处的位置，便会得到令人惊奇的结果：近6亿年来地球上的四次温暖期、生物大量灭绝和古地磁倒转频繁等事件，都分别出现在地球跟随太阳进入银河系四条主旋臂的时期，特别当考虑到旋臂有相当宽度时更是如此；而当地球跟随太阳穿出旋臂后，则相继地出现各次大冰期。这表明全球巨变事件同旋臂内外的银河系环境有着密切关系。

    现代天文观测表明，旋臂是恒星和星际介质更为密集的区域，其中的浓密气尘复合体则是最易于形成年轻恒星的母体。相应的星系密度理论的解释是：旋臂图案是恒星和星际介质进入引力势场低谷时速度变慢所造成的，类似于高速公路上的汽车行驶到交通路口时速度变慢因而显得密集的情况；任何恒星和星际介质都不可能停留在旋臂内的固定位置上，它们必然要穿进和穿出旋臂，当然太阳系也不例外。否则，包括银河系在内的一切旋涡星系都不可能长期维持相似的结构。在这种情况下，太阳系穿越银河旋臂势必是一个非常复杂而又相当激烈的过程。其中首先值得考虑的是，旋臂内缘的冲击波既可能使太阳风减弱甚至部分倒流，又可能使太阳系诸大体的相对距离有所改变，例如日地距离缩短、掠日彗星和近地小行星增多等。接着值得考虑的是，太阳系进入旋臂内部时，必然出现的银河环境变化。上述诸多因素的综合效应是，太阳的光度略有增大，地球也随之进入温暖期；地球易受到较大直径的小行星的撞击而导致生物大量灭绝。而对于地磁极性倒转则可解释为小行星撞击地球后的伴随效应，例如是地壳被击穿后地幔对流和外地核物质的流动方向发生根本改变的结果。[NextPage]

    阿尔凡雷斯（L．W．Alvarez）等人1980年在意大利中部一些跨越白垩纪和第三纪边界的地层断面中（相当于6500万年前）首次发现铱元素含量异常。类似的异常点后来在世界其它许多地方也均有发现，目前已增加到约50处。在全球范围内这种铱的异常表明，当时有大量的地外物质加入。一般认为这是一个直径约10km的小行星与地球相撞的结果。正是这种撞击引起地球环境的剧烈变化，才导致包括恐龙在内的大量生物的灭绝。此外，有证据说明白垩纪的地面平均温度比现在高出10℃，这意味着上述生物大量灭绝时期基本上是温暖期，而当时的地球已跟随太阳开始进入银河系的第4旋臂，如图8．2所示。

    地史上小行星撞击地球的情况，还可以从地表陨星坑遗迹中找到更多的证据。泰勒（S．R．Taylor） 1982年曾列出地球上90个直径大于0.1km的陨星坑的直径、年龄和地理位置。我们把其中年龄在100万年到6亿年范围内且年龄和直径数据均为已知的71个陨星坑挑选出来并用圆点表示，便得到图8．3。图中的曲线表示直径最大的陨星坑随年龄分布的包络线，而竖虚线则表示地球相继穿越各条银河旋臂的峰值时间。由图可见，直径最大的陨星坑随年龄的分布同日地系统相继穿越银河旋臂的时间有密切的相关性，即在旋臂内地球易受到更大直径的小行星（或彗星）的撞击。这种抽样统计的结果正是全球巨变的银河旋臂成因的证据。

    一般陨星坑的直径大约是撞击天体直径的10倍。但由于地表上各种浸蚀、风化作用和地球内部的有关地质过程的作用，大量陨星坑的直径会随着年龄的增大而减小，直至陨星坑消失。这种趋势在图8．3上表现得相当明显。图中的两条斜虚线实际刻画了引发全球巨变事件的陨星坑直径的上下界。如果将其等效到年龄为零的现代，则相当于引发全球巨变事件的陨星坑直径应在35～110km范围内；若再按上述直径比例关系进行换算，则相当于地球曾受到直径为3.5～11km的陨星（如小行星）的撞击而导致全球巨变。这同公认的直径约10km的小行星与地球相撞而导致恐龙灭绝的估计也是不矛盾的。显然，本书的结果更具有普遍性。

    图8．3还表明，运行到每条旋臂内的地球，至少会产生两三个以上与全球巨变事件相对应的陨星坑。如果再考虑到迄今尚缺乏广大海洋面下的陨星坑资料以及不少陆地上的陨星坑被沉积物所掩埋等情况，估计在每条旋臂内实际与全球巨变事件相对应的陨星坑数目还会更多；即地球在穿越每条主旋臂期间，一般会受到多次地外较大天体的撞击。这同地磁倒转速率（单位时段内的倒转次数）在旋臂内应达到峰值的要求也是一致的。

    当地球跟随太阳穿出旋臂后，所处的银河系环境变得相当均匀，就像图8．2所示的太阳系目前所处的环境那样，不会发生全球巨变事件。但主旋臂以外的空间并非绝对真空地带，还存在主连结带等非均匀因素，地球仍有可能偶尔受到直径较小的天体的撞击，如图8．3内斜虚线以下的各个圆点所示。例如，一个多国科学小组近来发现，大约在215万年前，一个直径约1～4km的“天龙座”小行星曾经撞击过地球海洋，海啸袭击的遗迹扩散到4000km以外，显然使地球的生态环境受到严重破坏，但尚未找到某些物种灭绝的证据。又如，针对分布在地球上不同区域的人类早期文明在公元前2350年前后几乎同时衰落的情况，有的学者认为地球当时曾经受到一场大规模陨石雨的袭击。考虑到当时发生过全球大火（主要依据是森林大火的出土资料）和洪水泛滥（如我国的大禹治水传说）等因素，上述陨石雨很可能是一颗彗星分裂为多个碎块后相继撞击地球的结果。这就意味着类似于发生在1994年7月16日至22日的苏梅克-利维9号（SL-9）彗星撞击木星的事件，早就在地球上出现过。然而，对这类近地小天体，现代人类已有可能提早发现甚至可能采取有效措施（如发射核导弹）使其改变轨道或将其摧毁，从而可以避免文明的再次衰落。