天體化學簡介

天體化學

天體化學(Cosmochemistry)又稱空間化學(SpaceChemistry)，主要研究宇宙空間化學元素及其同位素的起源與分布，各類天體的物質(zhì)組成和化學演化，是空間科學、地球科學和天文學相互雜交滲透而產(chǎn)生的一門新興學科。

19世紀初對太陽光譜的拍攝和少量隕石的研究，開拓了對恒星和其他天體化學成分的研究，從而誕生了天體化學。20世紀50年代以來，相繼發(fā)射了人造地球衛(wèi)星和各種行星際空間探測器，對太陽系空間及各天體的磁場、大氣層、表面物質(zhì)特征、地質(zhì)構(gòu)造和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了探測。太陽系空間和行星探測的豐碩成果，使天體化學產(chǎn)生了許多新的分支學科。

自1969年Apollo登月計劃實施以來，6次Apollo和3次Luna登月探測與取樣，月球的綜合研究使人類從整體上對月表、月壤、月巖、巖漿與火山活動、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化歷史以及地月系起源增添了許多新認識。

對全世界已收集的2000多次降落的隕石和南極洲發(fā)現(xiàn)的16000多塊隕石進行的多學科綜合研究，對元素起源，太陽系物質(zhì)來源，元素宇宙豐度，太陽星云凝聚過程，太陽系演化時間序列，宇宙線時空變化和生命前期有機質(zhì)的化學演化都取得了許多新的實驗證據(jù)與理論依據(jù)。

20世紀60年代以來，前蘇聯(lián)、美國和歐洲宇航局先后對火星進行了20余次探測，發(fā)回了大量火星表面的照片。2004年1月25日美國“機遇號”火星探測車成功登陸火星，發(fā)現(xiàn)了火星上曾存在過水的證據(jù)，使得在火星上尋找生命的希望增大。并利用傳感器探測了火星表層巖石的成分。第一張火星表面圖片1976年7月20日，海盜1號探測器登陸火星拍攝到第一批火星照片，眼前是沙石遍地的場景。“哈勃”望遠鏡捕捉到的火星的全景圖。圖中的山谷和溪流證實火星上曾存在水？火星探測最重要的收獲：讓人們幻想可能存在大量的水甚至生命?！坝職馓枴被鹦翘綔y器發(fā)回的照片，證明火星上曾經(jīng)存在過水?！坝職馓枴痹诨鹦菐r石Humphrey上打的一個洞。（一）、元素豐度元素豐度是指化學元素及其同位素(核素)在宇宙各類物體中的相對含量?？臻g化學測量探討元素及其同位素在地球、月球、太陽系其它天體、太陽、恒星和宇宙線中的分布量，研究元素在各類天體中的豐度與分布規(guī)律是研究元素起源理論的依據(jù)，是解釋各類天體演化過程的基礎。一、元素的豐度和元素的起源

地球化學、地球物理和比較行星地質(zhì)學等學科的發(fā)展，推動了天體化學與地球科學的結(jié)合，使天體化學的研究領域在不斷擴展，研究內(nèi)容逐漸深化，研究手段日益更新，研究成果大量涌現(xiàn)，分支學科相繼創(chuàng)立，天體化學已成為一門新興的，綜合性的基礎科學。

近十多年來，隨著空間技術和實驗室分析技術的迅速發(fā)展，對天體的觀測已從地面發(fā)展延伸到空間探測，從可見光譜分析擴展到紅外、紫外、射電、χ射線與γ射線波段和核素粒子的直接探測，對地外物質(zhì)的元素和同位素豐度進行高精度測定，得到了更準確的元素與核素豐度。

（二）太陽系豐度和宇宙豐度元素的太陽系豐度也稱為宇宙豐度，系指整個太陽系的元素與同位素的原始豐度。這一豐度值是根據(jù)太陽光球的光譜測定和C1型碳質(zhì)球粒隕石的分析得出的。因為C1型碳質(zhì)球粒隕石最接近原始太陽星云的化學組成，它經(jīng)歷的化學分異過程最少，其揮發(fā)性元素豐度比各類隕石均高，與太陽的Na／Ca，S／Ca，Si／Ca豐度比值相等，其非揮發(fā)性元素的豐度可代表太陽系的元素豐度，且能給出光滑的核素豐度曲線。

（三）核素的宇宙豐度特征核素的宇宙豐度具有如下特征：①氫和氦是豐度最高的兩個元素，約占總原子數(shù)目的99％或總質(zhì)量的97%；②隨著原子質(zhì)量數(shù)A的增大，元素的豐度逐漸減小，A＞100時豐度曲線的斜率顯著減緩而Li、Be、B與相鄰元素相比較豐度特別低；

③A為偶數(shù)的元素較相鄰的A為奇數(shù)的元素豐度大，A具有4的倍數(shù)的核素(如12C、16O、20Ne、40Ca等)較鄰近元素的豐度大；④在所有元素中鐵的結(jié)合能最大，因此A從50至70出現(xiàn)以56Fe最大的豐度峰，在A為80與90，130與138，196與208處豐度曲線出現(xiàn)雙峰。

二、元素的起源元素的起源是研究各種元素的形成過程、條件和合成的場所，及其在宇宙中的豐度分布量與規(guī)律。合理地解釋核素豐度的特征是元素起源的理論的基礎。早期提出的假說有：平衡過程假說，中子捕獲假說，中子裂變假說等。

現(xiàn)代元素起源理論綜合了大爆炸宇宙學理論和恒星演化中通過各種核聚變、核反應逐步合成理論。宇宙大爆炸產(chǎn)生了兩個豐度最大的核素1H和4He，以及少量的2H、3He和7Li，而大多數(shù)核素是在恒星內(nèi)部的核過程中產(chǎn)生的，核合成類型與恒星演化過程密切相關。

早一代恒星在其生命的后期將其新近合成和原有的核產(chǎn)物，拋回到星際空間，并入到星際氣體和塵埃中，而新的恒星就是從這些氣體和塵埃中產(chǎn)生的。由于太陽系的年齡遠小于銀河系的年齡，因此原始太陽星云必定已接受了太陽系形成前銀河系中一代或多代恒星的核合成產(chǎn)物。

三、太陽星云的化學演化

為恢復太陽星云的初始成分，探討元素在星云盤中的空間分布規(guī)律，歐陽自遠曾對離太陽1～5AU范圍內(nèi)的行星及各類隕石的平均化學成分進行了綜合比較，將元素的天體化學性劃分為五組：親石元素，親鐵元素，親硫元素，親氣元素及太陽元素。

由于各類元素在水星、金星、地球、月球、火星、木星以及在E、H、L、LL、C3、C2和C1等各類隕石中豐度的差異，和離太陽距離的不同，而呈現(xiàn)出各自的變化特征，由這些特征可以恢復太陽星云中元素的分布。

1）難熔親石元素的豐度(如Si，Mg、Zr、Hf、REE、Ca、Al、V、Ti、Nb、Ta、U、Th等)在地球、月球和普通球粒隕石形成區(qū)豐度略有增大；2）親鐵元素(如Fe、Co、Ni、Os、Ir、Ru、S、As、Se、Te、Cu、Pb、Zn、Ca、Ce、In、Tl、Bi等)的豐度則逐漸增大；3）C、N等元素豐度也隨離太陽距離的增加而增大。

太陽星云是太陽系的母體，它經(jīng)歷了極其復雜的演化過程才形成了目前的太陽系。了解太陽系的物質(zhì)來源，太陽星云凝聚模式，是探討太陽系內(nèi)太陽、行星、衛(wèi)星、慧星和隕石等天體起源的基礎。

四、太陽系的物質(zhì)來源空間化學一方面根據(jù)地球、月球、各類隕石中稀土元素豐度模式對比，發(fā)現(xiàn)它們雖然在稀土元素含量上有較大差別，但稀土元素豐度模式近于一致，表明太陽星云分餾沒有使稀土元素豐度模式變異，證明太陽系各成員來自同一團星云物質(zhì)。

另一方面，太陽、地球、火星、月球及各類隕石中元素的同位素組成是一致的，雖然這些天體經(jīng)歷過不同的演化過程，都經(jīng)歷過統(tǒng)一的同位素均勻化過程，因而太陽系各成員是同源的。

自R．N．C1ayton等人在C2和C3型碳質(zhì)球粒隕石的高溫包體中發(fā)現(xiàn)氧同位素組成異常以來，相繼發(fā)現(xiàn)Mg、Si、Ca、Sr、Ba、Nd、Sm及稀有氣體同位素組成的異常，表明太陽星云凝聚時，可能有太陽系以外物質(zhì)的加入，不僅造成了太陽星云中某些同位素的異常，也促進了太陽星云加速凝聚的過程。

五、太陽星云的凝聚模式太陽星云由于自轉(zhuǎn)加速，內(nèi)部溫度升高，中心形成原太陽，星云盤內(nèi)的物質(zhì)受到加熱，使星云盤內(nèi)的元素產(chǎn)生分餾。根據(jù)各類隕石和行星的化學成分，形成環(huán)境的研究認為，太陽星云盤內(nèi)的各種元素，由于受到太陽光、熱輻射和太陽風的驅(qū)動，因此使之沿徑向呈現(xiàn)出豐度梯度和比值的規(guī)律變化，形成了物質(zhì)在太陽系空間分布的不均勻性。

由于太陽風的驅(qū)趕能力和物質(zhì)的逃逸速度將隨離太陽的距離的增加而減小，因而離太陽較近的部位，難熔元素較富集而揮發(fā)份較貧；在巨行星區(qū)則揮發(fā)組分富集而難熔元素匱乏；在外行星區(qū)不僅難熔元素貧乏，而且揮發(fā)性元素也大量丟失。星云盤內(nèi)各種化學元素的分餾，導致了各行星的化學成分有明顯的差異，也導致了各行星的大小、密度，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同。

現(xiàn)有的太陽星云凝聚模型，按照它們對太陽星云化學成分的假定而劃分為：(1)均一凝聚模型，即假定太陽星云化學成分是均一的，原始冷的星云由于受到加熱而使物質(zhì)氣化、熔融，形成氣體塵埃星云，再通過慢冷卻或快冷卻過程而使元素分餾和凝聚，因而又稱為熱凝聚模型；(2)非均一凝聚模型，即假定太陽星云化學成分是非均一的，可能是冷的星云物質(zhì)直接凝聚形成太陽系各天體，故稱為冷凝聚模型。

在太陽系形成前不久，可能有一顆超新星在原太陽星云附近爆炸。該超新星的外層物質(zhì)被拋入到星際介質(zhì)中，同時伴隨著大量元素合成，而這些新合成的元素也以固體顆?；驓怏w的形式進入到星際介質(zhì)中。正是這些氣體和塵埃組成的冷星云，由該超新星或鄰近的另一顆超新星爆炸引起坍縮形成了太陽系。

根據(jù)太陽系行星的主要參數(shù)與特征，太陽系的九大行星可劃為內(nèi)行星或類地行星(水星、金星、地球和火星)，外行星(土星、木星、天王星和海王星、冥王星)。

詳細的有關水星、金星、地球和火星的化學成分的模式分析表明：1）隨著與太陽距離的增加，F(xiàn)e、Co、Ni、Cr等組成行星核的元素逐漸減少；2）早期難熔元素(REE、Ti、W、Mo等)和形成殼幔為主的元素(Si、Mg、Al、Ca等)有增多的趨勢。

六、行星的化學組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)太陽星云中元素的分餾與凝聚，導致了各行星整體化學組成的差異。太陽星云中元素的分餾呈現(xiàn)出如下特征：隨著與太陽距離的增加，(1)Fe、Co、Ni、Cr等組成行星核的元素逐漸減少；(2)早期凝聚的難熔元素，如REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt等逐漸增多；

(3)形成殼、幔為主的元素如Si、Mg、Al、Ca等也具有增多趨勢；(4)親銅和堿金屬元素，在1~1.5AU范圍內(nèi)有增多趨勢，隨距離增大而豐度減??；(5)氧在遠離太陽有增多特征，近太陽附近為還原環(huán)境，遠離太陽各種凝聚物中氧化環(huán)境增加，鐵的價態(tài)呈現(xiàn)出Fe0—Fe2+一Fe3+的變化；(6)揮發(fā)元素與親氣元素逐漸增多。按水星、金星、地球、火星的次序，行星核占行星總重量的百分比愈來愈小，F(xiàn)eO含量逐漸減少，而Fe3+含量逐漸增多。

類地行星均具有殼、幔和核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而巨行星及遠日行星可能存在固態(tài)硅酸鹽核。水星、金星、地球與火星的殼均由硅酸鹽組成，其平均厚度分別為500km、100km、5~65km及200km；幔由Fe—Mg硅酸鹽組成，厚度分別為200km、3000km、2900km及2000km。

水星、金星與地球的核可能屬鐵—鎳為主的核，半徑分別約2000km、3000k和3470km，火星的核可能由Fe—FeS所組成。類木行星可能具有液態(tài)H2和He組成的層、高壓液態(tài)氧和液態(tài)氫氧混合過渡層及氦海和液態(tài)金屬氫區(qū)，可能具有固態(tài)硅酸鹽核。

一、概述隕石是指星子從行星際空間穿過大氣層后到達地表的流星體殘骸。隕石常以降落處或發(fā)現(xiàn)處命名。隕石的形態(tài)不一，大小各異，但其表面一般都有一層黑色的或深褐色的熔殼，這是隕石降落中與大氣層摩擦產(chǎn)生高溫表面熔化，再經(jīng)冷卻凝固而成的。

七、隕石、星際氣體與塵埃

隕石是人類最早能夠直接接觸到地球外天體碎塊。每天降落到地球表面的地外物質(zhì)約l02一l05t，大約只有1％降落后可成為隕石。地球表面近3／4的面積被海洋覆蓋，再加上荒無人煙的沙漠、高山和叢林，人類能觀察和找到的隕石極少。

當今隕石研究表明，絕大多數(shù)降落至地球的隕石來源于小行星帶，小行星的碎塊及崩解的慧星殘核成為地球上的各類隕石；也有極少數(shù)來自其它天體。迄今為止，在南極地區(qū)已發(fā)現(xiàn)和證實有12塊隕石來自月球表面；在南極和非南極區(qū)共發(fā)現(xiàn)有8塊可能是來自于火星的隕石。

隕石是空間化學研究的重點對象，具有重要的研究意義。因為一方面隕石是目前最易獲取和數(shù)量最大的地外物質(zhì)，另一方面它攜帶著有關太陽系的化學成分、起源與演化、有機質(zhì)起源和太陽系空間環(huán)境等豐富的信息。通過對C1型碳質(zhì)球粒隕石為代表的各類隕石化學成分和形成條件的研究，可以恢復太陽星云元素分布格局，揭示太陽星云的分餾過程。

隕石同位素組成的研究有助于了解太陽星云的凝聚模式和太陽系的起源、演化問題；隕石中已發(fā)現(xiàn)的60多種有機化合物被認為是非生物合成的“前生物物質(zhì)”，通過對它的人工模擬合成和理論解釋，為探索生命前期化學演化過程開拓了新的途徑。

隕石母體在行星際空間中與宇宙線相互作用能產(chǎn)生60多種宇宙成因核素，對這些核素的研究可了解宇宙線的成分、能譜和通量等特征；通過對隕石中長壽命放射性核素組成的測定，可以提供元素起源、星云形成和凝聚以及行星形成和演化的時間尺度，給出整個太陽系形成和演化的時間序列。

全世界已收集的各類隕石共2700多次，在南極洲發(fā)現(xiàn)15000多塊隕石。一般將隕石分為三大類：石隕石(以硅酸鹽礦物為主)、鐵隕石(以鐵鎳金屬為主)和石—鐵隕石(鐵質(zhì)和石質(zhì)的量約各占一半)。目前世界上最大的石隕石是我國的吉林隕石，收集的樣品總重量為2550kg，而其中吉林1號隕石重達1770kg。世界上最大的鐵隕石是非洲納米比亞的戈巴鐵隕石重約60t，我國的新疆鐵隕石(重約28t)是世界第三大鐵隕石。1、球粒隕石與無球粒隕石球粒隕石與無球粒隕石分別為含有和不含有硅酸鹽類球粒的石隕石。球粒隕石是各類隕石中最為常見的類型，根據(jù)化學成分可劃分為5個化學群：E群(頑輝石球粒隕石)、H群(高鐵群普通球粒隕石)、L群(低鐵群普通球粒隕石)、LL群(低鐵低金屬普通球粒隕石)和C群(碳質(zhì)球粒隕石)。H群、L群及LL群統(tǒng)稱為普通球粒隕石。

普通球粒隕石是最為常見的一類球粒隕石。主要由橄欖石、斜方輝石、鐵鎳金屬和隕硫鐵組成。鐵和親鐵元素的含量以及金屬鐵／氧化鐵之比為H＞L＞LL。普通球粒隕石一般均遭受過不同程度的沖擊變質(zhì)作用，主要形成于太陽星云硅酸鹽—金屬分餾與凝聚階段。

碳質(zhì)球粒隕石中的非揮發(fā)性組成代表了太陽星云的平均化學成分，其礦物與化學成分的主要特征是高溫與低溫形成的礦物分別以包體和基質(zhì)的形式組合共存于隕石體中。

有關球粒隕石中球粒的成因，主要有星云直接凝聚和星云凝聚物重熔兩種假說。由于球粒的礦物、化學和結(jié)構(gòu)的多樣性，形成過程的多途徑，所以不應用一種單一假說來解釋，也許其混合模式更為真實。

無球粒隕石可根據(jù)CaO的含量劃分為貧鈣(Ca≤3％)和富鈣(Ca≥5％)的無球粒隕石。根據(jù)成因聯(lián)系又可將無球粒隕石劃分為三類：鈣長輝長無球粒隕石成因系列，頑輝石無球粒隕石成因系列和沒有劃分出成因系列的無球粒隕石。

2、鐵隕石與石—鐵隕石鐵隕石主要由鐵鎳金屬、隕硫鐵以及少量的Fe、Ni、Co、Cr、Ti、Zr、Cu的硫化物、碳化物、氧化物、氯化物、磷化物與磷酸鹽、以及自然銅、石墨等礦物組成。而石—鐵隕石主要由近乎相等的鐵隕石與石隕石組成。

鐵隕石按其結(jié)構(gòu)分類絕大多數(shù)屬于八面體鐵隕石。由鐵紋石、合紋石、鎳紋石，隕硫鐵和隕磷鐵鎳礦等組成。微量元素在鐵隕石的金屬相和硫化物相中含量范圍差別很大：親硫元素(Co、Cu、Zn、As、Se、Te、Hg、Ti、Pb和Bi)等在隕硫鐵中含量高，而親鐵元素尤其是鉑族元素(Os、Ir、Pt、Ru、Rb、Pd、Au)以及W、Mo、Re等富集于金屬相中。

石—鐵隕石較為少見，但它從礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、化學成分和演化歷史上都具有石隕石和鐵隕石的雙重性，石—鐵隕石可劃分為橄欖隕鐵、中隕鐵、古英鐵鎳隕石和古銅橄欖隕鐵四類。有關石—鐵隕石的成因?qū)W說不盡相同，對于橄欖隕鐵目前大多數(shù)學者認為它是固態(tài)的橄欖石和金屬熔體混合而成的，母體可能是行星大小的球粒隕石。

3、星際氣體與塵埃星際空間中并非真空，存在著由星際氣體和塵埃組成的星際介質(zhì)。星際介質(zhì)在宇宙空間中呈現(xiàn)出不均勻的分布，當大量氣體和塵埃聚集時形成彌漫星云，因星云中主要為氣體分子，塵埃僅為10um左右，所以通常為分子云。

星際塵?；蚍Q宇宙塵埃，是一些地外起源的微粒物質(zhì)，該微粒一般包括由Fe、Mn、Si、O等組成的難熔石質(zhì)核，和C、N、O、H組成的不穩(wěn)定的幔。對太陽系范圍內(nèi)的宇宙塵，可更確切地稱為行星際塵埃，它主要來源于小行星帶和慧星。目前所獲得的宇宙塵埃絕大多數(shù)為行星際塵埃。

星際氣體和塵埃一方面是構(gòu)成恒星的原始物質(zhì)，分子云通常是一個形成恒星的區(qū)域；另一方面它來源于恒星區(qū)中天體強烈爆炸和逐漸損失兩個途徑。因此，對星際氣體與塵埃的研究不僅對恒星的起源(包括太陽系的起源)有重要意義，而且也對研究星際分子的形成乃至生命起源有實際意義。

宇宙塵埃的收集有地表、大氣層、行星際空間和微沖擊坑四個途徑。地面樣品系指已沉降在地面經(jīng)過大氣消融過程的宇宙塵埃，可以從海底沉積物、地表土壤、沉積巖、極地冰雪中收集；大氣層樣品是現(xiàn)代沉降的宇宙塵埃，其大多未受大氣加熱消融，漂浮大氣層(主要是平流層)中；行星際空間宇宙塵利用行星探測器、航天飛機收集；微沖擊坑樣品是從宇宙塵在空間物體(如月球、檢測板)上產(chǎn)生的微沖擊坑中提取出的殘留物。

目前所有途徑收集到的宇宙塵埃，均可以分為石質(zhì)(球粒隕石型)、鐵質(zhì)和玻璃質(zhì)三類，其他化學成分依次與石隕石、鐵隕石和熔融的玻璃質(zhì)石隕石相近，宇宙塵一般為不規(guī)則的細粒集合體，地面收集到的宇宙塵具有熔融特征。鐵質(zhì)宇宙塵具有強磁性，部分宇宙塵埃具有殼層結(jié)構(gòu)。

太陽系各行星、衛(wèi)星與小行星體、慧星相互碰撞并形成直徑大小不等的撞擊坑，這是具有固態(tài)外殼的行星、衛(wèi)星、小行星表面分布最廣的地形形態(tài)。地球上也廣泛分布著由地外物體撞擊而產(chǎn)生的撞擊坑，不僅導致地球的構(gòu)造巖漿活動、火山噴發(fā)與某些礦產(chǎn)的成礦作用，而且撞擊產(chǎn)生地面巖石的氣化、熔融與濺射，形成玻璃隕石。

八、地外物體撞擊與生物滅絕事件

地外物體撞擊地球，將突然改變地表的生態(tài)、環(huán)境、誘發(fā)大量生物的滅絕，構(gòu)成了地球演化史中頻繁而影響深遠的災變事件，對探討生態(tài)環(huán)境變化、古生物的演化和地層劃分對比均有重要意義。

1、撞擊坑與玻璃隕石撞擊過程的主要特點是：相對速度大，持續(xù)時間短和相互作用能量大。行星和月球表面撞擊坑的形態(tài)可分為：(1)最簡單的撞擊坑——碗形坑；(2)具有中心隆起或中心環(huán)的撞擊坑；(3)多環(huán)盆地，是大型撞擊體產(chǎn)生的特大型撞擊。

玻璃隕石是撞擊坑靶區(qū)的表土與巖石受撞擊體強大沖擊波高溫高壓的作用使之氣化、熔融并濺射而形成，玻璃隕石是一種天然玻璃，呈塊狀，黑色、棕黑色或淺綠色，表面多具刻蝕構(gòu)造，是一種經(jīng)過熔融而很快冷卻、凝結(jié)的天然玻璃物質(zhì)。

2、誘發(fā)生態(tài)環(huán)境災變與生物滅絕地球的氣候、生態(tài)、環(huán)境曾發(fā)生過周期性有規(guī)律的變化，日—地相對位置的變化可造成時間尺度為幾萬年的周期性氣候變化，但天文因素難以解釋某些非周期性突發(fā)性古氣候波動的成因。地外物體與地球相互作用，特別是地外物體撞擊地球誘發(fā)地表氣候、生態(tài)與環(huán)境的突變，已成為當代空間化學研究的焦點。

地外物體撞擊地球，當?shù)赝馕矬w以高速(15～75km／s)沖入地球大氣層，大氣受到壓縮并產(chǎn)生極強的沖擊波，一方面撞擊體在大氣層中劇烈熔融、氣化和爆炸，絕大部分撞擊體以微細的氣溶膠顆粒飄浮于平流層中，另一方面，超高溫、超高壓的沖擊波撞地表，使近于撞擊體質(zhì)量200倍的地殼巖石、土壤等物質(zhì)氣化、熔融、粉碎與碎裂，并射至地面、平流層甚至高層大氣中。

大量的塵埃物質(zhì)懸浮于平流層中，強烈地改變大氣熱動力狀態(tài)，對大氣成分、氣溶膠含量、大氣光學物理特征乃至全球反射率等氣候條件產(chǎn)生巨大的災變效應，使氣候驟然變冷，漫長的、黑暗的“冬天”降臨，使植物的光合作用受到抑制，引起食物鏈的瓦解，致使部分生物喪失生存條件而滅絕。

超高溫、超高壓的沖擊波使地表大面積森林燃燒，甚至引起全球性大火，導致量的煙霧、炭黑和CO2彌散于大氣層中，更增加了“黑暗的冬天”的嚴峻程度，平流層對陽光輻射幾乎是“不透明”的，氣象學太陽常數(shù)減小的輻度大于95％，地球表面將轉(zhuǎn)變?yōu)槿勘顟B(tài)。

巨大撞擊事件完全具有形成“白色地球”的氣候災變能力。強大的沖擊波還將使大氣中的N2形成NO和NO2，導致地面強烈酸沉降，不僅加劇了地面的侵蝕，惡化了生態(tài)環(huán)境，加劇了生物滅絕。強大的沖擊波使地殼形成巨大的斷裂體系，甚至誘發(fā)深部巖漿成礦作用和火山噴發(fā)，大量的火山灰和火山噴氣，加劇了“黑暗的冬天”效應和生態(tài)環(huán)境的惡化。

巨大撞擊事件對古氣候產(chǎn)生降溫效應的同時，還存在以下增溫效應：大氣中高濃度的撞擊成因塵埃吸收地表長波輻射，使平流層下層加熱；對流層較大的云量使地面氣溫升高；由于長波輻射減弱，對氣候產(chǎn)生負反饋而增溫；森林大火與火山噴氣，使大氣中溫室氣體濃度急劇升高。

根據(jù)地層學、同位素地質(zhì)學與古氣候資料，巨大撞擊事件引起的古氣候降溫一升溫一正常的周期約為數(shù)萬至十幾萬年。大量的研究證明，由地外物體撞擊地球誘發(fā)的氣候、生態(tài)和環(huán)境的災變并相伴產(chǎn)生的生物滅絕事件，是地球演化史中的正常進程。周期性與非周期性災變的組合，構(gòu)成了地球環(huán)境演化與生物進化的復雜過程。

全球性重大的生物滅絕事件，公認如寒武紀—奧陶紀，泥盆紀—石炭紀，二疊紀—三疊紀，三疊紀—侏羅紀及白堊紀—第三紀之間，表示動物各門類自寒武紀以來滅絕百分比變化曲線，圖中峰值即為大的生物滅絕期。

生物大規(guī)模絕滅的成因可分為兩類：一類是地內(nèi)成因即起因于地球環(huán)境和生物本身的變化，包括火山爆發(fā)、古地磁極反轉(zhuǎn)、造山運動影響海陸變化、海洋鹽度及海平面變化、氣溫及氣候區(qū)變化、生物習性特殊化、食物鏈中斷和有害金屬元素中毒等。另一類是地外成因即地外事件導致地球古生物的大規(guī)模滅絕。這些地外事件主要包括超新星爆發(fā)、太陽耀斑爆發(fā)、小行星和慧星撞擊等。

近年來有關地外事件引起古生物的大規(guī)模滅絕，特別是小行星撞擊和慧星撞擊學說較為流行，并為大多數(shù)學者所接受。因此地外事件導致古生物的大規(guī)模滅絕的研究已成空間化學研究的一個新的重要領域。超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的強烈宇宙線有可能影響到地球上生物的滅絕，特別是距太陽系較近的超新星爆發(fā)，對地球環(huán)境將產(chǎn)生的重大影響。

慧星撞擊說：該學說是l973年H．C．Urey提出。絕大多數(shù)慧星位于太陽系的外圍，總數(shù)約1012一l014顆，慧星撞擊地球的概率比小行星較高。慧星高速沖入大氣層時產(chǎn)生高溫高壓沖擊波所誘發(fā)的氣候、環(huán)境災變和生物滅絕過程類似于小行星撞擊。許靖華(1982)認為慧星中富含有毒氧化物以及重金屬元素如鋨、銥和砷等，慧星撞擊后使生物中毒并引起生物大規(guī)模滅絕。3、白堊紀—第三紀(K—R)的生物滅絕在地球歷史上的所有生物大規(guī)模絕滅事件中，白堊紀末的絕滅尤為引人注目。首先這與地球上曾出現(xiàn)的最龐大的動物恐龍有關，恐龍出現(xiàn)在中生代的三疊紀，從侏羅紀至白堊紀統(tǒng)治著整個世界，然而在65Ma前卻突然絕滅，其次生物滅絕規(guī)模很大，同恐龍一起絕滅的還有全部的菊石，以及軟體動物、有孔蟲、珊瑚等科屬，絕滅生物的種數(shù)可達75％。

目前對白堊紀末生物大規(guī)模絕滅的研究最多、最為詳細，其成因也得到絕大多數(shù)學者的認可，即65Ma前一顆小行星或稱為巨型隕石撞擊地球造成了白堊紀末恐龍等生物的大規(guī)模滅絕。支持小行星撞擊學說的主要依據(jù)包括銥(Ir)、餓(Os)和鉑(Pt)等元素異常。因為Ir、Os、Pt等鉑族元素是鑒別地外物質(zhì)的指示劑，隕石中鉑核元素的含量比地殼平均值高出幾個數(shù)量級。

1980年Alvarez等首先發(fā)現(xiàn)了意大利翁布里亞(Umbrian)和丹麥斯蒂文斯(stevns)的K—T界線Ir含量分別高出背景值30和l60倍。目前世界各地K—T界線地層中發(fā)現(xiàn)有110多處Ir異常，有的還伴有其它鉑族元素的異常。

小行星撞擊引起了恐龍等生物絕滅的解釋是：撞擊地區(qū)除含有白云石和石灰石外，還存在著巨大的硬石膏(CaSO4)礦床，當小行星高速撞擊時，高溫高壓的沖擊波不僅使地表的碳酸鹽氣化、熔融產(chǎn)生了大量的CO2，而且地層中的硬石膏產(chǎn)生了大量的SO2。撞擊成因SO2與撞擊誘發(fā)火山爆發(fā)來源的SO2，進入大氣層與水結(jié)合在平流層中形成硫酸氣溶膠，同撞擊產(chǎn)生的塵埃一起強烈散射太陽光，其結(jié)果是導致地表溫度急速下降和一片漆黑，光合作用停止，食物鏈瓦解。

另一方面，沖擊作用產(chǎn)生的CO2將導致溫室效應使氣溫上升，并將持續(xù)數(shù)萬年甚至十幾萬年，進一步惡化了生物生存環(huán)境；另外大氣層中大量的硫酸和各種可能來源的硝酸(沖擊作用波使大氣層加熱，N2形成NO和NO2，森林大火等)及少量鹽酸，降至地表，直接危害著生物的生存。4、其它地質(zhì)界線的生物滅絕近十余年來通過對地質(zhì)界線上有關銥等微量元素異常、沖擊變質(zhì)礦物、撞擊坑、微球粒和穩(wěn)定同位素異常等內(nèi)容的研究，發(fā)現(xiàn)由地外事件引起的諸如K—T界線小行星撞擊導致的生物大規(guī)模絕滅，也許具有廣泛性。但目前中生代、古生代、元古宙及太古宙的各地層界線仍沒有哪一個界線像K—R界線那樣，具有足夠的證據(jù)表明是地內(nèi)還是地外成因或兩者兼而有之。

根據(jù)歐陽自遠等的研究，新生代(65