小行星撞击模型揭示了寒冷的未来以及令人惊讶的海洋生物反弹

如果一颗直径 500 米的小行星撞击地球会发生什么？IBS 气候物理中心的科学家模拟了后果，结果显示地球将急剧陷入“撞击冬季”，气温下降 4°C，降雨量减少 15%，臭氧消耗达到 32%。结果会如何？陆地光合作用下降高达 30%，引发全球粮食危机。

但海洋的情况却不同——富含铁的小行星尘埃为浮游生物提供了食物，它们可能会茁壮成长，引发大量藻类的繁殖。这种意想不到的海洋繁荣可能为生物圈提供了生命线。过去的小行星撞击是否影响了人类的进化？未来的研究旨在探索我们的祖先如何经受住这样的灾难。

2 月 5 日，韩国釜山国立大学 IBS 气候物理中心 (ICCP) 的研究人员在《科学进展》上发表了一项最新的气候建模研究，探讨了地球的气候和生态系统如何应对中型（约 500 米）小行星的撞击。

太阳系包含许多近地天体，其中大多数不会构成威胁。然而，有些天体与地球相撞的可能性很小，但意义重大。其中一个天体是小行星贝努，其直径约为 500 米（约 1640 英尺）。根据 2021 年的一项研究（Farnocchia 等人），贝努在 2182 年 9 月撞击地球的概率为 1/2700——这一概率相当于连续抛硬币 11 次，每次都得到相同的结果。

为了确定小行星撞击对我们的气候系统以及对海洋中的陆地植物和浮游生物的潜在影响，ICCP 的研究人员开始使用最先进的气候模型模拟与中型小行星的理想碰撞情景。碰撞的影响表现为向高层大气中大量注入数亿吨尘埃。与之前的研究不同，这项新研究还模拟了陆地和海洋生态系统，以及大气中复杂的化学反应。

图 1：贝努型小行星撞击产生的 4 亿吨尘埃注入对气候和生态的响应。相对于控制模拟，地表温度（左上）、总降水量（右上）、前 24 个月平均陆地净初级生产力百分比变化（左下）以及撞击后 10 至 38 个月平均海洋净初级生产力百分比变化（右下）。来源：基础科学研究所

超级计算机预测：黑暗而寒冷的地球

研究人员使用 IBS 超级计算机 Aleph 运行了几种 Bennu 型小行星与地球碰撞的尘埃撞击场景。作为对 1 亿至 4 亿吨尘埃注入的响应，超级计算机模型模拟显示，撞击后 3-4 年内气候、大气化学和全球光合作用将发生剧烈变化（图 1）。在最强烈的情景中，由于尘埃导致的太阳变暗将导致全球地表温度下降高达 4°C (7.2°F)，全球平均降雨量减少 15%，臭氧层严重损耗约 32%。然而，从区域来看，这些影响可能更为明显。

“冬季的突然影响将为植物的生长提供不利的气候条件，导致陆地和海洋生态系统的光合作用最初减少 20-30%。这可能会导致全球粮食安全遭受严重破坏，”ICCP 博士后研究员、该研究的主要作者 Lan Dai 博士说。

当研究人员查看他们模拟的海洋模型数据时，他们惊讶地发现浮游生物的生长表现出完全不同的行为。与陆地上的快速减少和两年缓慢恢复不同，海洋中的浮游生物在 6 个月内就恢复了，甚至在之后增加到正常气候条件下都看不到的水平。

“我们能够追踪这种对尘埃中铁浓度的意外反应，”ICCP 主任、该研究的共同作者 Axel TIMMERMANN 教授说。铁是藻类的重要营养物质，但在南大洋和东热带太平洋等一些地区，铁的天然丰度非常低。根据小行星和被撞入平流层的陆地物质的铁含量，原本营养匮乏的地区可能会变得富含生物可利用的铁，从而引发前所未有的藻类繁殖。根据计算机模拟，碰撞后海洋生产力的增加将最明显地体现在富含硅酸盐的藻类（称为硅藻）身上。它们的繁殖还会吸引大量浮游动物（小型捕食者，以硅藻为食）。

浮游生物的大量繁殖能否抵消灾难？

“模拟的浮游植物和浮游动物的大量繁殖可能对生物圈来说是一件好事，并可能有助于缓解与陆地生产力长期下降相关的新出现的粮食不安全问题，”Lan Dai 博士补充道。

“平均而言，中等大小的小行星大约每 10 万至 20 万年与地球相撞一次。这意味着我们的早期人类祖先可能之前经历过一些这样的行星转移事件，这些事件可能会对人类进化甚至我们自己的基因构成产生影响，”Timmermann 教授说。

《科学进展》杂志上的这项新研究为气候和生物圈对近地轨道物体碰撞的反应提供了新的见解。下一步，来自韩国的 ICCP 研究人员计划使用基于代理的计算机模型更详细地研究人类对此类事件的早期反应，这些模型模拟了个人、他们的生命周期和他们寻找食物的过程。

编译自/scitechdaily