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从汤加火山爆发谈世界末日:怎样的灾难可能使人类灭绝?

超级火山喷发、恒星爆炸、小行星和彗星……

汤加火山再次剧烈喷发 喷发现场似“核爆” 图片来源:视觉中国

按:南太平洋岛国汤加的洪阿哈阿帕伊岛海底火山14日和15日发生火山喷发,首都努库阿洛法观测到了海啸。据卫星照片显示,火山灰、蒸汽和气体在当地太平洋海面上空升腾,巨大的声响在美国的阿拉斯加都可以听到。据法新社17日消息,汤加海底火山又发生了一次大喷发。日本、美国、加拿大、新西兰、斐济、萨摩亚、瓦努阿图、澳大利亚和智利均发布海啸预警。专家指出,事发地火山口已苏醒,喷发活跃期可持续数周甚至数年。

汤加海域火山持续爆发并引发海啸,是如同灾难大片一般的自然现象。在历史上,我们可以看到,大规模的火山喷发可能会引发大规模的后果——至今为止记录在案的最为猛烈的火山喷发之一坦博拉火山大爆发曾经改变了地球的气候,使得次年(1816年)成为了“无夏之年”。火山爆发导致周边地带发生多起海啸,在欧洲,火山灰导致颗粒无收,很多人死于饥饿;多条河流泛滥,带来了严重的流行性斑疹伤寒。在1816年,空气中高浓度的火山灰和火山气使得瑞士阴雨连绵,在此度假的文人被困于室内,不得已互相发起写作挑战——玛丽·雪莱在此写下了《科学怪人》,拜伦以《黑暗》描述了一个太阳熄灭的世界。空气中的火山碎屑给伦敦带来了多彩的晚霞,这一奇观在画家特纳的的“日落系列”中流传后世……

尽管我们驾驭自然的能力与日俱增,人类还是很容易受到自然灾难的伤害。超级火山爆发并不像后世看来的那么浪漫,它们可能是致命的。近期由莱昂纳多·迪卡普里奥主演的影片《不要抬头》(Don't Look Up)则警示人们一颗彗星直接与地球相撞也将带来毁灭性的后果,导致人类文明历程中的空前浩劫。

人类究竟会不会因为超级火山爆发、彗星撞击地球这样的事件而灭绝?《危崖:生存性风险与人类的未来》作者、牛津大学人类未来研究所高级研究员托比·奥德致力于研究有可能造成人类灭绝或文明永久崩溃的风险,以及如何在这些危险中保卫人类。在下面这篇书摘中,托比·奥德带领我们探寻能够把人类所有成就都抹去的终极自然灾难。

《自然风险》(节选)

文 |[澳]托比·奥德(Toby Ord)

译 | 韦斯琳 

超级火山喷发

超大规模的火山喷发(释放出超过1000立方千米岩石的爆炸)被称为超级火山喷发。与如同圆锥一般高耸在地表的典型火山不同,能形成超级喷发规模的火山往往因为释放出大量的岩浆而塌陷,留下一个被称为破火山口的巨大凹坑。其中最著名的是黄石火山口,它上一次喷发是在63万年前。

超级火山喷发的毁灭性远超史上其他事件。这样的火山喷发会让方圆100千米内的所有东西都被埋在炽热的落石中。厚厚的火山灰像雨一般落满整个大陆。当印度尼西亚的托巴火山在7.4万年前喷发时,1米厚的火山灰像毯子一样覆盖了印度,远至非洲都能发现火山灰的痕迹。但是,就像小行星和彗星一样,真正造成生存性风险的是被黑暗笼罩的天空。

托巴火山喷发释放的黑色火山灰和反射性硫酸盐气溶胶造成了火山冬天,据说在好几年的时间里让全球气温降低了好几摄氏度。即使是1815年印度尼西亚坦博拉火山规模小得多的喷发(不到托巴火山喷发规模的1%),也造成全球温度下降1,远至美国的一些地方出现了农作物歉收和六月飞雪,这一年因此被称为无夏之年

研究超级火山喷发的专家通常认为这一现象不会对人类灭绝直接造成威胁。虽然有一些早期证据表明,托巴火山的喷发也许差一点就摧毁了7.4万年前的人类,但较新的证据越来越多地显示出这不可能发生。

由于托巴火山喷发是我们所知的过去200万年里最大规模的火山喷发,而现在已有比当时多出数千倍的人口分布在更广泛的地区,因此我们可以认为火山喷发已经不太可能导致人类灭绝。其影响可能与直径110千米的小行星大致相当,有可能导致全球农作物持续数年的大面积歉收。由于世界粮食储备只有6个月左右,因此有数十亿人可能会死于饥荒,文明也可能发生全球性崩溃。我认为即使文明真的崩溃了,它也很可能复苏,但如果不能恢复,那就是一场生存性灾难。

虽然地质学家已经发现了几十次超级火山喷发的遗迹,但它们的发生频率仍然极难确定。最新报告给出的中心估计是每2万年一次,但具有很大的不确定性。至于托巴火山那种规模的喷发,同一分析报告得出的中心估计是每80万年一次,但不确定性更大。

接下来的一个世纪会怎样?天文学家已经追踪到越来越多的小行星,他们可以确定未来的100年会比平均水平更安全。不幸的是,火山比小行星难预测得多。尽管我们已经知道曾有过超级喷发的大多数火山的位置,但预测火山是否即将喷发极其困难,一旦出现火山喷发,我们将会措手不及。

对于如何防止或延缓即将发生的超级喷发,人们知之甚少。美国国家航空航天局最近进行了一项非常初步的调查,研究从黄石火山口缓慢排出热量的可能性,但像这样的调查还处于最初阶段,对活火山(特别是有超级喷发历史的火山)任何形式的干扰显然都必须非常谨慎。目前,我们应对超级火山喷发的最佳办法是建立能长久保存的粮食储备或者发展应急粮食生产技术,为减轻损失做好准备。

与小行星和彗星相比,我们对火山喷发风险的了解和管理仍处于初级阶段。由于预测和预防的难度更大,这种风险可能从根本上更难应对。最重要的是,据估计,在接下来的一个世纪里,发生威胁文明的火山喷发灾难的概率是小行星和彗星撞击概率总和的10倍左右。所以,超级火山喷发似乎是更大的风险,需要格外关注。

2021年12月21日,汤加一火山喷发 大量白色气体云升起 图片来源:视觉中国

恒星爆炸

每颗恒星内部都有两股力量在持续对抗。引力使恒星压缩聚合,而辐射压力则使它分离解体。在恒星生命的大部分时间里,这两股力量处于平衡状态,避免恒星坍缩为一个点或消散在太空中。但有些恒星到了某个时刻会出现压力无法对抗引力作用的灾难性情形,以相对论性速度坍缩。它们可以瞬间达到难以置信的高密度,引发新一轮的巨大压力,使恒星爆炸,这就是所谓的超新星爆发现象。在短暂的时间里,一颗超新星放出的光芒可以让整个星系黯然失色。只需几秒钟,它就能释放出相当于太阳在100亿年内所辐射的能量。

超新星最早可见于中国古代天文学家在公元185年的记录,当时一颗明亮的新星突然照亮了他们头顶的天空。直到20世纪30年代,科学家们才开始对超新星有所了解,到了50年代,他们意识到靠近地球的超新星会对地球构成威胁。

仙后座A(Cas A)的超新星遗迹,大质量恒星爆炸的碎片 图片来源:视觉中国

1969年,科学家们发现了一种崭新而独特的恒星爆炸类型。冷战期间,美国发射了一些间谍卫星,通过捕捉特有的伽马射线闪光来探测是否存在秘密核试验。卫星探测到一些短脉冲伽马射线,但其特征与核武器放射出来的完全不同。天文学家们认定,它们不可能来自地球,甚至不可能来自银河系,而一定是来自数十亿光年之外的极其遥远的星系。

是什么引起了这种伽马射线暴?这个谜团仍有待破解。主流理论认为,脉冲较长的爆发是在一种罕见的超新星中产生的,而脉冲较短的爆发则是在两颗中子星碰撞时产生的。每一次爆发所释放的总能量与超新星相似,但集中在两个指向相反方向的窄锥区域中,因此可以在极远的距离上探测到它们。

例如,20083月,100亿光年外的一个星系中的伽马射线暴所发出的光到达了地球,它的亮度仍然足以让肉眼看见。靠近太阳系的超新星爆发或伽马射线暴可能会带来灾难性的影响。虽然伽马射线和宇宙射线本身不会到达地球表面,但它们在我们的大气层中引发的反应可能会构成威胁。最危险的很可能是产生氮氧化物,它将改变地球的气候,并严重侵蚀臭氧层,最后一种影响被认为是最致命的,会让我们连续好几年极大地暴露在紫外线辐射下。

对于这样的事件发生在地球附近并造成全球灾难(通常定义为全球臭氧消耗达到30%或更多)的可能性,天文学家做了估测。(我认为此类事件对文明的威胁比小行星、彗星撞击和超级火山喷发的威胁要小。)平均每个世纪里超新星爆发的概率约为1/5000000,伽马射线暴发生的概率为1/2500000

与探测小行星一样,我们可以通过在宇宙中搜寻最直接的威胁来对接下来100年里这些事件发生的可能性做出更准确的推算。探测伽马射线暴会比较困难,因为我们对它们了解较少,而且它们可以从更远的距离攻击地球。对于超新星爆发和伽马射线暴这两种威胁,我们还没有找到任何潜在的威胁源,但也不能完全排除它们的存在,因此,我们估计接下来的一个世纪出现这类风险的概率比平均水平略有降低。

这类事件发生的概率非常小,似乎顶多是小行星和彗星撞击这类规模相当的灾难发生概率的1/20,超级火山喷发发生概率的1/300。不过,在把这类风险搁置一边之前,我们还是希望消除与这些数字相关的一些不确定性。我们需要更多的研究来确定恒星爆炸导致灭绝的临界点。我们应该开始对100光年之内的潜在超新星进行分类,以确定它们有多大可能性在接下来的一个世纪中爆发。从更广泛的层面上看,我们应该改进我们对这些风险及其剩余不确定因素的模型分析,努力把我们对它们的认识程度提高到与对小行星和彗星的了解相当的水平。

2015年1月17日,位于汤加首都努库阿洛法以北65公里海域的海底火山喷发 图片来源:视觉中国

小行星和彗星

一颗直径10千米的小行星朝着地球的方向快速移动。它们直接碰撞的概率很小千百万年来,它一直在太阳系中穿行,每一次都与地球擦身而过。但经过漫长的时间,碰撞的可能性就会增加,而这一天终于来了。

它在墨西哥海岸附近撞向地球表面,时速超过6万千米。1万亿吨岩石的移动速度是如此之快,撞击时产生的能量相当于同等质量TNT炸药的100倍。在短短几秒钟内,它释放出相当于广岛原子弹爆炸百亿倍威力的能量:等于冷战时期全部核武器的1万倍。它撞出了一个30千米深的坑,直穿地壳这个深度是帝国大厦高度的60倍,珠穆朗玛峰高度的3倍多。方圆1000千米以内的所有东西都被撞击火球释放的热量毁灭。海啸摧毁了加勒比地区。数以万亿吨计的岩石和尘埃被抛向天空深处。其中一些过热的岩石落在几百万平方千米的土地上,烧死动物的同时引发大火,使灾难进一步蔓延。但更致命的是留在空中的灰尘。

尘土翻滚飞扬,一直升腾到大气层顶端,遮挡了阳光。正是这种现象把区域性的灾难变成了大规模的灭绝。慢慢地,这种情况就蔓延至整个世界,地球持续数年被黑暗吞没。伴随着黑暗而来的是严重的全球降温,因为阳光被尘埃挡住,被海床蒸发时释放的硫酸盐气溶胶所反射。寒冷和黑暗杀死地球上的植物,动物挨饿受冻,恐龙亿万年的统治结束,四分之三的地球物种灭绝。

小行星和彗星都有可能造成这样的破坏。小行星是块状的岩石或金属,主要出现在火星和木星的轨道之间。它们的直径从大约1000千米到只有几米不等。彗星是由岩石和冰块混合而成的块状物,直径范围稍窄。许多彗星都位于极度椭圆的轨道上,大部分时间在外行星之间或之外,然后周期性地穿过内太阳系。当它们离太阳足够近时,太阳的辐射会剥落彗星的部分冰层和尘埃,形成一条闪亮的尾巴。进入我们大气层的小行星或彗星碎片,与大气层摩擦产生热量,燃烧起来,被称为流星。落到地球上而留存下来的碎片被称为陨石。

我们最早的祖先一定见过彗星在天空中闪耀,但只能猜测它们真正是什么。古希腊人猜测它们像云彩或彩虹一样,是大气现象。6世纪的印度天文学家正确地猜出它们远在地球之外这个想法在1000年里都未能得到确证。直到1577年,第谷·布拉赫证明了那一年出现的彗星来自月球之外,因为相距遥远的观测者在同一时间看到的彗星几乎处于夜空中的同一位置。

河北保定:古长城上看彗星 图片来源:视觉中国

陨石自古以来就为人所知,但直到19世纪初,科学家才确定它们来自地球之外。与此同时,天文学家开始探测围绕太阳运行的小行星。

1960年,美国地质学家尤金·舒梅克明确指出,地球上的一些坑并不是由地质活动造成的,而是受到了远古时代的巨大陨石的撞击,这些最终落下的碎片让我们看到地球很容易遭受来自宇宙的灾难性冲击。

1980年,由路易斯和沃尔特·阿尔瓦雷斯父子领导的一个科学家小组发现,白垩纪和古近纪之间的地质界限富含铱元素,而这种元素在地球表面极为罕见,在小行星中倒是更普遍。他们想到,这可能是解释白垩纪末期那场大灭绝的确凿证据,恐龙就是在这场大灭绝中消亡的。释放出这么多铱的小行星,其直径应该能达到10千米,使铱飘散到各处的黑暗尘埃云足以抑制光合作用并引起大灭绝。只是当时还没有发现规模和年代符合这次撞击的陨石坑。

10年后,这个陨石坑被发现了。6600万年的地质活动将它掩埋在后来形成的数千米的岩石层之下,但重力测量的结果显示出一个由陨石造成的高密度花岗岩撞击环——一个围绕墨西哥小镇希克苏鲁伯的巨大圆圈。挖掘工作证实了这个陨石坑的年代和成因。

关于这次撞击是否足以导致大灭绝的争论仍在继续,但随着越来越多能对得上的证据的出现,人们逐渐形成了共识。其中20世纪80年代对核冬天的发现尤为重要,其景象就是类似的高空黑色云团使地球变冷变暗。此外,越来越多的证据表明,这种撞击会使海床上的含硫岩石蒸发,释放出大量的硫酸盐气溶胶,让地球变得更冷更暗。

随着人们越来越清楚地认识到地球很容易受到小行星和彗星的撞击,这一威胁开始得到认真的对待。小行星和彗星的撞击先是出现在科幻作品中,后来受到了科学研究的关注。阿尔瓦雷斯关于小行星造成上一次大灭绝的假说启发舒梅克在1981年召开了一次意义深远的会议,撞击灾害学由此创立。科学家们雄心勃勃地提出了寻找和追踪小行星的计划。由于公众越来越关注撞击威胁,美国国会两党开始支持这项计划。1994年,国会指示美国国家航空航天局对90%直径大于1千米的近地天体进行追踪。

至此,人们大部分的注意力都集中在小行星上,因为它们更常见,更容易追踪,转变它们的飞行方向也更容易。天文学家根据大小对它们进行了分类。那些直径在10千米以上的小行星(使恐龙灭绝的那颗小行星就有这么大)有可能引起大规模灭绝。人类有可能在这场天灾中存活下来,但造成我们灭绝的严峻风险显然存在。

在上一次的灭绝事件中,所有体重超过5千克的陆地脊椎动物都被杀死了。直径110千米的小行星可能引起全球灾难,也可能大到足以构成生存性风险,要么直接使人类灭绝,要么导致文明崩溃至不可恢复的地步。虽然这种较小规模的小行星撞击引发生存性灾难的概率要小得多,但这样的小行星撞击地球的概率要高得多,两种概率就抵消了。

现在已经发现并追踪到众多的近地小行星,我们因此对近地小行星的总量有了很好的了解。这些信息告诉我们,平均来说在一个世纪的时间里,直径110千米的小行星撞上地球的概率约为1/6000,直径超过10千米的小行星撞击的概率则是1/1500000

那么,我们这个世纪呢?通过分析已知小行星的确切轨道,天文学家可以确定它们是否真的有可能在未来100年内撞击地球。我撰写本书的时候,直径大于1千米的近地小行星里有95%已经被发现,并没有哪一颗看上去明显会与地球相撞。所以几乎所有剩余的风险都来自我们尚未追踪到的那5%。直径大于10千米的小行星撞击地球的可能性更小,因为天文学家几乎确定已经找到了这一范围内所有的小行星,而且它们不会构成直接的危险。根据我们掌握的轨道信息,直径110千米的小行星在接下来的100年内撞击地球的概率降至约1/120000,直径10千米以上的小行星撞击地球的概率则约为1/150000000

这些概率让人大大松了一口气。虽然的确有这样的风险,但它已经得到详细研究,而且证据显示这种事发生的概率非常小。这是一个人人皆知的风险,但风险并不算大。如果人类会在未来的100年内灭绝,那么几乎可以肯定原因不是小行星或彗星撞击。

虽然不确定因素依然存在,但总的来说,这是一个人类团结一致应对风险的故事。从人们开始对全球灾难的风险有科学认识,到政府开始认真采取应对措施,只用了12年时间。现在28年过去了,几乎所有的大量级小行星都已被追踪。国际合作以联合国认可的组织和国际空间卫士计划联盟为载体开展。这项事业运作良好,美国国家航空航天局得到的资助从2010年到2016年增加了10倍以上。在我看来,小行星和彗星撞击是人们应对得最好的生存性风险。

下一步要做什么?天文学家在追踪小行星方面取得了巨大成功,现在可能是时候将一些人的注意力转向彗星了。虽然很难确定,但我觉得最有可能的是它们构成的风险与剩下未被追踪的小行星带来的风险水平差不多。开展更多研究后,天文学家也许能将短周期彗星纳入用于改进小行星探测和认识长周期彗星的风险框架。

在如此了解小行星撞击概率的情况下,剩余的不确定性主要在于这样一次撞击是否会导致人类灭绝尤其是直径范围在110千米的小行星。因此,利用最新的气候模型与核冬天模型,构建反映撞击后冬天效应持续时间和严重程度的模型是很有价值的。

其他自然风险

我们面临的其他潜在灾难并不少。即使只谈有足够科学证据支持的自然风险,也还是有很多风险我这里无法详细阐述。

有些威胁从长远来看是真正的风险,但在未来一千年里都不会发生。其中最重要的是太阳最终会变得更亮,这将带来非常高的灭绝风险,但这种现象只在大约10亿年后才会出现。冰期(冰河时代)的再度出现将给人类带来巨大的困难,但这在未来一千年里不会发生。人类退化或转变为新物种等演化情况在未来一千年里也不会构成威胁。

众所周知,有些风险发生的可能性非常小。例如恒星穿过太阳系时可能会扰乱行星轨道,导致地球冻结或沸腾,甚至撞上另一颗行星,但这在未来20亿年内发生的概率只有1/100000。这种情况也可能由于行星轨道动力的混乱不定而发生,但概率同样微乎其微。一些物理理论认为,太空的真空状态本身可能是不稳定的,可能会坍缩形成真正的真空。这种坍缩将以光速扩散,摧毁所有生命。然而这种情况在每一个世纪里发生的概率不会高于1/10000000,人们普遍觉得这种可能性还要更低。

有些威胁不至于危及人类的生存,它们不太可能导致人类灭绝或文明的永久崩溃。飓风或海啸等许多地方性或区域性的灾难就是如此,一些涉及全球的风险也是同样的道理。例如,地球的整个磁场会发生很大的变化,有时甚至会完全反转方向,我们在磁场方位重新调整的过程中会更多地暴露在宇宙射线之下。然而这种情况出现得足够频繁,以致我们可以断定它不是关乎人类存亡的风险(自人类和黑猩猩分化以来,500万年中这种情况大约发生了20次)。这类风险只有一项经过充分研究的影响,那就是癌症的发病率似乎会略微增加,因此它也不是会导致文明崩溃的那种风险。

最后,有些风险是自然产生的,但人类活动大大加剧了它们的影响,因此,它们介于自然风险和人为风险之间,其中包括自然产生的流行病。我不把它们列为自然风险,而是纳入人为风险。

《危崖:生存性风险与人类的未来》
[澳]托比·奥德(Toby Ord) 著 韦斯琳 译
 中信出版社·新思文化2021-10-21

本文书摘部分节选自《危崖:生存性风险与人类的未来》第三章《自然风险》,经出版社授权发布,较原文有删节。

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