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科学好故事 | 细说白垩纪末期大灭绝:小行星撞击地球后发生了什么？

作者：古明地恋

本篇是关于白垩纪大灭绝，你想知道又找不到的内容。

小行星以哪个方向，何等速度，怎样能量撞上地球？小行星是什么质地？陨石坑有多大？炸毁四分之一地球的冲击波？波及全球的大火？57级大的狂风？11级地震和300米高的海啸？撞击冬天持续了多久？恐龙，沧龙，翼龙，菊石在撞击后生活了多久？相信这篇文章会解决你对白垩纪末大灭绝的许多好奇。

序：撞击理论

20世纪70年代末，加州大学伯克利分校的一个科学团队，一个戴着眼镜的核物理诺贝尔奖获得者：路易斯。沃尔特。阿尔瓦雷斯，提出了一个理论。在《地球的沉积物》一书中，他提出在6600万年前的白垩纪﹣古近纪灭绝事件（k-pg）界线存在异常高的铱含量，而这种重金属很少出现于地球表面，却在陨石中十分普遍。由此，一颗小行星造成恐龙的灭绝的主张被提出。

科学家们起初对此表示怀疑。在此之前，假说通常认为火山或冰川是造成这场大灭绝的主要原因。然而，在100多个出现白垩纪灭绝遗迹的地方都发现了大量的铱，支持了阿尔瓦雷斯的观点。那么，这个理论被承认的最后一步，就是找到这个陨石坑了。

为此，阿尔瓦雷斯团队在地球上孜孜不倦地寻找一个符合他们要求的谷地。1990年6月，就在阿尔瓦雷斯发表声明的20年后，地质学家们在墨西哥希克苏鲁伯镇附近的尤卡坦半岛北角发现了一个巨大的陨石坑，这个陨石坑因此得名为“希克苏鲁伯陨石坑”。

通过对这个陨石坑和其他遗迹的分析，我们得以还原66.043百万年前浩劫发生的那一刻，以及紧随其后数十年的情景。

Stage1：撞击前夕

白垩纪末期全球持续变冷，海平面下降。晚白垩世海拔高峰值为50-70米，随之而来的是坎帕——马斯特里赫特阶长期的跌落。在早白垩纪—中白垩纪，一片浅海：著名的“西部内陆海道”覆盖着北美洲的中西部地区，但因为持续板块运动形成落基山，导致大陆的拉伸和断裂，覆盖的海水撤退。到了灭绝前夕，内陆海道仅剩一狭窄延伸的小片区域。而到了古近纪，仅余其中被称为炮弹海（Cannonball Sea）的一小片残余。

白垩纪末期，印度西部下方发生了大规模火山喷发，火山喷发主要分为三个阶段：第一次发生在C30n（地层名），第二次发生在C29r（地层名），第三次发生在C29n（地层名）。第二阶段可能开始于在白垩纪﹣古近纪灭绝事件（K-Pg）边界之前约40万年，为最大的一次并形成了高达80%体积的德干地盾。德干火山相关的全球气候变化，很可能与白垩纪-古近纪界线标志性的大灭绝有关——无论是好事还是坏事。

无论如何，德干火山作用可能在白垩纪﹣古近纪灭绝事件（K/Pg）大灭绝事件之前200 kyr（1kyr=1000年）造成了地表海洋酸化，尤其影响了带有钙质外壳的生物——有孔虫，颗石藻和菊石。岩石中的化石记录证明，在希克苏鲁伯陨石撞击之前，海洋无脊椎动物的物种数就已经在逐渐减少。在灭绝前夕，平旋菊石已经从浅海区域消失，仅存少量快速游动类型分布于远洋海域。

也有文章表明，德干火山带来的热量反而从撞击后的长期冬天救回了一些生命。

Stage2：撞击瞬间（撞击10分钟内）

66.043百万年前，小行星以60度的水平倾角，自东北方向撞向地球。

这次撞击留下了直径近300公里的撞击坑，表明其可能是自40亿年前早期撞击结束以来，在太阳系内部产生的最大的撞击结构之一。

结果表明，希克苏鲁伯陨石坑瞬时直径（D）的合理估算值约为170士25 km。由此计算和实验得出的陨石坑尺度关系表明，撞击事件的深度在17~20公里之间，瞬时陨石坑的深度在45~60公里之间。直径约300公里的希克苏鲁伯多环盆地记录了近40亿年前后期重轰炸期以来太阳内部最大的碰撞之一。在经过充分研究的内行星和卫星表面上，唯一被发现的大小与之相当的盆地是金星上直径280公里的米德盆地。自从大约10亿年前多细胞生命的发展以来，地球可能还没有经历过如此规模的另一次冲击。

这颗小行星由碳酸盐（方解石）和蒸发岩（硬石膏）组成，有7.5英里（约12km）宽，一颗小行星的撞击所需直径约为12公里，时速约为普通速度20公里/秒；彗星所需的直径范围在10-14公里，撞击速度要提升到50公里/秒。这个速度大概相当于子弹速度的20倍~50倍，释放的能量比目前测试过的最大核弹爆炸能量的100万倍还要大。

小行星着陆的位置——希克苏鲁伯，在撞击当天是覆盖着数米深海水的浅海。在撞击的刹那，地表物质便被冲击波掀起，产生巨大的羽流。热量使海水瞬时蒸发，膨胀的羽流便最初主要由浅海被蒸发的水蒸气构成。羽流直冲云霄，巨大的混合在内部进行，在撞击地上方形成一个烟囱状的，含有各种来源于浅海，沉积层，生物体，以及后来陨石破裂的弹射体的烟柱。物质以每秒几公里的速度从羽流的下部被抛到上部，稍后，烟柱开始水平膨胀。

在撞击后大约30秒后，陨石坑大约达到了三分之一的瞬态大小，而羽流已经超出了平流层（离地表10km至50km），继续扩展，水平上达到了撞击坑大小的3倍。

小行星只有微不足道的弹丸部分在撞击口外膨胀。撞击表面后，小行星并没有立即碎裂，而是砸碎地壳，钻入上地幔，在瞬间在地底形成了大约100公里直径的瞬时空腔。小行星钻入地底深度深达30-40千米（有文章表示可达70km深）。

紧接着，巨大的海啸席卷了墨西哥湾，撞击附近的海岸线，并且辐射，穿越原加勒比海和大西洋盆地。海啸在墨西哥湾沿岸发生时高达100到300米，横冲直撞冲进300公里外的内陆，并将海底沉积物冲到海底深处500米。

撞击事件同时产生了辐射整个北美洲的爆炸冲击波，在冲击地附近引发超过每小时1000公里的56级大狂风（地球上最大的风级17级，为200-220km/h，风速高时20km/h为一级），冲刷土壤，撕碎植物和任何生活在附近的生物。直径约为3000公里的地区被空中爆炸破坏。（PS：地球半径 6371.012Km，爆炸波及长度相当于地球的四分之一）。

从火山口升起的烟羽温度超过10000摄氏度，相当于太阳表面温度的2倍，在距离1500 - 4000公里以内引发巨大火灾。如此高的温度对生活在这个范围内的动物来说是毁灭性的。热脉冲相对较短，只持续了5-10分钟，所以有些生物如果受到庇护，就能逃脱这种特殊的影响。当撞击喷出物落下时，产生的熔岩火雨持续了3 - 4天。

撞击还生产了破坏臭氧的氯和溴。超过5个数量级的，混合了溴和其他反应物的氯注入到同温层，比破坏今天的臭氧层所需要的还要多。大气中产生的氮化物也具有破坏臭氧的能力。对臭氧层的影响可能持续了好几年。

Stage3：火焰地球

陆地灭绝模式（数小时——数天）

第一个小时后，撞击引发的11级的地震和可达300米高的巨大海啸是主要的作用，也即所谓的“火球阶段”。这次撞击引爆了数万吨的岩石，还令小行星的残留物被冲击到了大气层，其中某些元素进入了轨道，而其余部分变成密集燃烧着的流星返回地面，包括由更大的喷出物回流而产生的强烈的热脉冲，造成全球森林大火。红外光谱表明，喷出物分布在全球范围内可能导致了短期大面积的大气变暖，地面温度上升引起树木自燃，在撞击后的数周内烧掉了地球上半数以上的植被。

火灾可能从北美南部生成，但白垩纪﹣古近纪灭绝事件（k-pg）界线上的全球岩屑层足以表明整个陆地生物圈都被烧毁了。初步模拟表明，喷出物重返大气层会引起全球红外（IR）脉冲足以在希克苏鲁伯撞击几小时内引发全球大火。大火假设解释了北美古新世早期的陆地生存模式，因为所有幸存的物种都必须在地下或水中躲避高温和火焰。一些地区比较幸运，在撞击发生时，现场被积水覆盖，成为美洲陆地上少数未被烧焦的地区，留下了缺乏木炭和存在未烧焦的有机物的遗址。

全球野火将大部分陆地生态系统化为灰烬，从而导致动物大量死亡。在短期内，北美的昆虫似乎消失了，因为北达科他州化石记录中的树叶被昆虫破坏的频率急剧下降。目前还不清楚这些昆虫是否直接死于撞击事件的高温火焰，或是因为它们的寄主植物被杀死而死亡。有穴居特性的类群，如哺乳动物，可以为它们提供免遭最初数分钟内高温的庇护，从而免于灭绝。

随着植物和地表有机碳的燃烧，大量的二氧化碳，CH4和H2O被排放到空气中，其中一些气体是直接来自于小行星（碳酸盐），而其余来自地球本身。撞击产生了总体积约8万立方千米的喷出物，包括从350亿吨到3500亿吨二氧化碳，40亿吨到560亿吨的硫，以及200亿吨到1400亿吨的水蒸气。

撞击事件改变了全球的环境，即使不是持续1000年，至少也会持续几年。

硫化合物可能是最多的注入平流层的重要气候活跃气体。这次撞击释放的硫的数量比任何已知的火山喷发都要高几个数量级，而喷发的水足以对地球气候产生突然而重大的扰动。

喷出物在撞击之后造成了高层大气的强烈升温，而这种作用可能只持续了一小段时间。几个小时后，硫酸盐连续形成，并保持于平流层中，与水蒸气反应生成产生稳定，长寿命的硫酸盐气溶胶。气溶胶通过吸收长波辐射打乱了平流层的热状态，冷却地球表面，显著扰乱全球多年来的气候，大气环流因此中断了好几年。

酸雨是撞击事件的二次产物。在撞击之后，这场雨可能下了几天，几个月到几年。首先是大气受到撞击事件的冲击加热，产生硝酸雨。这次撞击事件产生了约为1 10^15摩尔的硝酸酸雨，另一个约为3 10^15 mol的硝酸可能是由冲击产生的森林大火产生，而硫酸则是由小行星本身及其后的熔岩，森林火灾引起。

硫酸雨和硝酸雨的结合也不足以使海洋盆地酸化，但它在浅水或缓冲差的河口和大陆上的影响是复杂的。即使所有的硫在撞击中被释放出来，海洋表面的海水酸化也似乎不太可能引发海洋生物的大规模灭绝，但另一方面，在陆地和附近浅水环境的生物如果土壤不肥沃，无力缓冲地下水的酸化，酸雨的后果可能很严重。

Stage4：寒冷地球

水域及陆地灭绝模式（几天—两年）

在最初几天的高温和燃烧后，火焰趋于平静，但更大的危机即将到来。

撞击产生的气溶胶和撞击后产生的烟灰和硫酸盐反射高层大气中的太阳光，从而直接给地球降温；以及森林大火燃烧有机质化石的有机烟雾吸收短波辐射，阻止阳光到达地表，导致地表温度下降，暂时抑制光合作用，引起陆地和海洋食物网的全球崩溃。

阳光减少到20%，大概就是这个感觉。PS，矛形小箭石是“中生代最后的游泳动物群落”的主要（唯一）游泳成员。

模型模拟表明，阳光到达地球表面的数量可能仅剩约20%，这意味着能源供应将减少约300 W·m ^– 2，导致全球范围短期内表面温度的严重下降。在短时间内，地球温度下降了几度到几十度。由此产生的温差可能在相对温暖的海洋和寒冷的大气之间引发大风暴和飓风，增加了尘埃飘散在大气中的时间。

海陆温度分布不均会引起风，而风又增加了尘埃的滞留时间。

几个月到几十年后，大气稳定下来，灰尘开始像雨点一样落下，并在沉积环境中积累起来。这包括全球公认的小行星衍生的微量元素铂族元素（PGE），如铱的峰。比起粉尘，硫酸盐对环境的影响更大。气溶胶的作用会导致数十年的较低海温，即使在大部分尘埃已经从大气中清除之后。

水生环境被水保护，得以免受热量和火的影响，但海洋环境和淡水环境仍然显示出巨大规模的灭绝。

在几个月到几年的一段时间，可能是最少6个月的黑暗期内，撞击冬季便导致了全球范围内浮游植物的大规模死亡。因为水生生态系统与陆地环境不同，强烈依赖于日常光合作用的输出自 养生 物，浮游植物的损失很可能造成水生生态系统灾难性的死亡和灭绝。水生生态系统中灭绝的其他潜在原因包括环境温度和缺氧由于缺乏光合作用的氧气。

在海洋中，受到酸雨和光照的影响，具有钙质外壳的成岩生物颗石藻和浮游有孔虫在碰撞边界崩溃了。直到古新世最初的丹尼阶，它们的丰度仍然很低。流向海底的有机碎屑也急剧减少，在撞击后大约3myr（1 myr=1百万年）仍没有恢复。由白垩纪﹣古近纪灭绝事件（K-Pg）边界的浮游生物支撑的海洋物种灭绝率最高。

菊石，古生代和中生代最多样化和最丰富的浮游生物捕食者连同以它们为食的巨型沧龙，蛇颈龙和上龙灭绝。随后的古近纪，鱼类向它们曾经占据的生态位扩张。

软骨鱼类失去了大约20%的科，而硬骨鱼失去了大约10%的科。两栖动物几乎没有科层面上的灭绝。所有六个白垩纪晚期海龟科幸存下来。

光合作用的缓慢恢复意味着饥饿是导致海洋物种灭绝的主要原因。海洋物种的灭绝率在远洋物种中更高，因为远洋生物几乎完全依赖浮游植物。而底栖生物有更强的抵抗饥饿的能力，而海底的死亡生物量又被消耗在以尸体为基础的食物链。光共生（zooxanthellate）珊瑚受到大灭绝的影响比偶氮黄藻珊瑚更高。

多细胞变温动物（“冷血动物”）的耐饥能力是体型大小的一个函数（图1：Peters [1983，p 。 42]；（Hemmingsen[1960]收集的原始数据）。小型无脊椎动物（10磅至10毫克），包括浮游动物而有些底栖无脊椎动物，生存时间为8—20天。大型无脊椎动物（100克到1公斤）等大型动物，如甲壳纲动物，大型贻贝和许多其他大型底栖动物的生存时间超出了估计的恢复区间的下界6个月；而最大的变温动物，包括特别大的无脊椎头足类，大型鱼类和水生爬行动物 在没有食物的情况下可以生存1到3年。然而，快速自由游动的上龙和沧龙可能是具有较高代谢率的恒温动物，更容易饿死。

因为耐饥性高，灭绝反而促进了某些海洋生物群体的生存，例如腕足类。在中生代海洋动物群中，腕足类成为了一个次要的组成部分，它们撤退到冷水区，远离温暖和食物丰富的近海。对寒冷的适应可能提高了它们在撞击冬季的生存能力。腕足类以浮游植物，细菌、有机碎屑和有机分子为食。它们可能已经适应了食物匮乏环境中的生活，因此数量在灭绝前后于新泽西州和丹麦相对增加。

在海洋里，阳光消失了至少6个月，光合作用可能被抑制了2年之久，但浮游植物此后生产迅速恢复。然而，浮游动物会在撞击后4个月内死于饥饿，因此，完整的食物网并没有在光照重新回归时立即再生。浮游植物在光照恢复后立刻恢复，但被饿死的浮游动物的缓慢恢复可能还有更长的路要走，延缓了生态系统中所有其他动物的恢复。

体型巨大的马斯特里赫特浮游鱼类（长5米，重400公斤）可能以浮游动物和磷虾为食，而不是浮游植物。它们庞大的体型可以让它们在两年的撞击冬季存活下来，活到阳光回来，浮游植物在表层水体中反弹的时候。然而，他们并不能等到足够的以浮游植物为食的浮游动物和磷虾的恢复。

这类滤食动物中，菊石是最主要的受害者。大型的aptychoporan ammonites（一种菊石名）生活在马斯特里赫特晚期（Olivero and Zinsmeister）体腔约1.1米长，估计大小这只活的动物重约6公斤，拥有2年左右的饥饿生存极限，但菊石具有浮游营养性的幼虫，需要以浮游植物和浮游动物，因此最终受到浮游动物损失的影响而灭绝。相反，蛸类和鹦鹉螺的幼体是非浮游营养性的，它携带一个卵黄袋，为幼虫提供一个自给营养来源。同样，一些心海胆等（spatangoid）棘皮动物进化出非浮游性的幼虫，因此两者都越过了灭绝。

淡水环境也与陆地同样受到了高温的影响，但水庇护了它们。只有顶端几厘米左右的水体会受到热量的影响，而微小的影响将在几周内完全消散。

撞击产生的能量爆发和随后的火灾可能会烧掉所有暴露的碳，但库存的地下有机碳可以以微粒或溶解的形式运输到淡水生态系统。当然，内陆水域的死亡率同样很高，但灭绝的比例却低于海洋环境，可能是由于淡水类群具有更好的休眠能力，以及河水通过快速流动来抵消氧气需求的曝气效率更高。在温度适中的条件下，地下水提供了丰富的热容，抵消了一部分高温和降温的影响。

几乎所有的淡水科都只有少量的灭绝，与陆地或海洋相反。白垩纪﹣古近纪灭绝事件（K-Pg）界线淡水鲨鱼科没有灭绝，随着离岸距离的增加灭绝率增加，直至45%在开阔的海洋。

马斯特里赫特的10个鳄类科中，有5个海洋科灭绝了，四个淡水科幸存下来，没有淡水科灭绝。甚至生活在淡水中的幼体也能在K-Pg边界生存下来，如离龙目 （包括鳄龙champsosaurs）一直延续到中新世。在淡水中，大型爬行动物（鳄类动物，离龙目，海龟）可能大到足以抵御因饥饿而灭绝。较小的脊椎动物，包括不到一公斤的鱼类和两栖动物就必须依靠其他的生存机制，特别是休眠。幸存的海洋浮游生物，例如甲藻，通常具有形成休眠体的能力，而灭绝率高的浮游生物，如有孔虫类和颗石藻通常缺乏休眠阶段。

此外，以碎屑为食的类群无论是在海洋还是淡水环境中，它们的灭绝率都很低，但是，淡水类群中的食碎屑生物死亡率比海水更低，因为它们可以从更新的土壤中获取更多有机物质。

Stage5：复苏阶段

（几十年—几千年）

气溶胶和尘埃会在几个月到几十年间缓慢沉降，阳光也在6个月——两年后重返地球，达到可维持光合作用的水平。随后，温度开始回升。

之前撞击喷射的温室气体，如二氧化碳，甲烷和其他有机分子帮助了地球的回暖。二氧化碳等气体比那些尘埃和硫酸盐气溶胶的停留时间更长，并在气溶胶和煤烟沉降到地面，冷却结束后引发了温室效应。变暖可能是在一段时间的冷却之后发生的。对加热程度的估计各不相同，根据二氧化碳数据的估算，温室效应上升的温度在1到1.5摄氏度之间。

在撞击发生后，海洋表层成了温度最低的区域，深层温度高，恰似冬天的水域；撞击发生50年后，表层温度开始回复正常。

随着阳光回归，海洋和淡水的浮游植物迅速恢复，而浮游动物的复原需要更久。然而，在陆地上，植物恢复十分缓慢，因为那里有根植物的生长发育周期至少为一年。在发生火灾的地区，大部分植物都被清除了。

蕨类是北方一些地区，如美国，日本和新西兰的先锋物种。在没有蕨类植物的地区，藻类和苔藓是另外的先驱植被类型。在北美北部，初期的植被由几种类型的蕨类，以及开花的被子植物组成，产生草地。由于传粉动物已经被消灭，那些具有风媒传粉能力而不依赖昆虫的植物从灭绝中活下来的概率更高。落叶树似乎幸存了下来，优于北美的常绿树木，可能是因为他们它们的休眠能力。最终，森林的树冠又回来了。在稍后，由于富含蛋白质的豆类的发展，动物群的重量恢复到较高水平。在130 50 ka（1 ka=1000年）后，美国的碳循环恢复。

在海洋，随着光照恢复和捕食者，竞争者的消失，个别地方类群开始入侵其他地区。如一个撞击前的近岸有孔虫类群既保持原来的环境生态位，也殖民了远洋环境。复苏在所有的地理位置都不一样。例如，一些软体动物的扩张在撞击地区附近要比在世界的其他地方快得多。沉积喂养的双壳类活了下来，而其他双壳类存活（食肉动物和悬浮捕食动物）的比例为38% - 58%。因为没有了菊石，在古新世，双壳类和棘皮动物经常形成大片的群落。但在新西兰，这一切从开始就是欣欣向荣。新西兰的小型海洋生物化石记录证明，在白垩纪末期该地区没有发生过大规模物种灭绝。事实上，这一地区的生物种类还有所增加，可能是因为导致地球上其他地区动物灭绝的寒流在这里发生了有益物种生存的变化。

Stage6：穿越者们

在非鸟类恐龙灭绝之前，几乎没有证据表明它们的多样性在在白垩纪末期全球范围内长期下降。在地狱河地区的南部恐龙存活了下来，保持多样性和丰富性，没有任何衰落的迹象。在西班牙的特雷普盆地，恐龙幸存了下来，在整个马斯特里赫特阶普遍而多样，在K-Pg边界之前没有明显的减少或局部的灭绝。当然，在北美的白垩纪恐龙群中发现了大型食草动物的多样性减少，也许会使群落更容易受到级联效应的影响。结合撞击事件，我们可以得出，恐龙和翼龙一样和陆地生态系统一样在最初的几天内死于大火，海啸及风暴。

年代较晚的一批非鸟恐龙化石发现于K-Pg层下方13厘米处，是一批恐龙角化石，属于一种植食性恐龙，有可能是著名的三角龙的，因此它们可能是最后灭绝的恐龙。然而，成功穿越k-pg界线的恐龙依然存在。

较小的兽脚亚目恐龙可以躲避在天然洞穴（洞穴、大树干、水下/地下），藏在河流小溪边，以及非鸟类恐龙穴居的新证据使得这些动物中至少有一部分能够在一段时间内经受住灾难的影响。 2003年，资深作者（JDS）和他的团队，由国家地理协会赞助探险时，首次发现了丹尼阶（古新世第一个阶）非鸟类恐龙的记录，在位于新西兰克赖斯特彻奇以东865公里的查塔姆岛上。 较大的兽脚亚目恐龙遗骸包括兽脚亚目足指骨II-1（或III-1）， 18.5 cm长，10.2厘米宽，可能属于一种中型的兽脚亚目，其他的骨头（脊椎，部分胫骨）代表这条恐龙长达4米。 因此，有可能在西南太平洋的森林地带，有较小的兽脚亚目恐龙幸存了下来。

中国科学家赵资奎在南雄地区白垩纪﹣古近纪灭绝事件（K/T）边界以外发现的恐龙蛋，说明陨石撞击理论并不适用于南雄地区的恐龙灭绝。根据他对恐龙蛋的研究，气候变化极大地影响了恐龙的食物链和繁殖过程，导致恐龙在20万到30万年的时间里逐渐灭绝，这也是非鸟类恐龙目前推测较长的延续时间。

中生代鸟类也是相似的情况。在K-Pg边界30万年以内的古代鸟类共鉴定出17种，包括反鸟，鱼鸟， 黄昏鸟，和一种类似神翼鸟的鸟类。这里描述的大多数鸟类都是今鸟类而不是反鸟。

这些末日前夕的鸟类是最近已知的最多样化的白垩纪鸟，包括较小的形式和一些中生代已知的最大的飞禽，虽然大小差距比现代要小。丰富的多样性表明鸟类在白垩纪末日之前有过一次大规模的辐射。但没有一种能确定地与新鸟类有关。其中一种，今鸟C（Ornithurine C），是已知的唯一的一种成功跨越K-Pg边界活到丹尼阶的鸟类。

另一个有较明确延续时间的是菊石。在马斯特里赫特地区的最后0.5ma，菊石仍旧较为繁盛，拥有中生代所有的四个亚目，包括六个超科、31（亚）属和57种。最近的数据表明，菊石一直存活在边界上。与恐龙同样的，它们也没有在灭绝后立刻消失。

Surlyk和Nielsen（1999）的一篇论文，《最后的菊石？》挑战了菊石灭绝于白垩纪末的理论，虽然他们没有详细的证据证明它们存活下来。他们的假设后来有了马查尔斯基（2002）的支持， 他在丹尼阶发现了白垩纪末期有名的杆菊石和船菊石（均为异形菊石），尽管数量与马斯特里赫特时代晚期相比少得多。 在他们之前，也有人发表过丹尼阶菊石的论文，但最后均被辨认为再沉积的结果， 但这次，菊石周围没有其他白垩纪生物，而只有新生代特征的藻类，有孔虫和腕足类等，指示菊石也同样延续至丹尼阶，年约200kyr（1 kyr=1000年）。 同样，以它们为食的沧龙和蛇颈龙也可能生存至此，但极有可能因为不耐饥饿死于最初的两年内。箭石也生活到古近纪，甚至延续到始新世。

起源于中三叠世的深海海百合Roveacrinids在白垩纪-古近纪存活了下来，尽管海百合似乎与海洋生物多样性的巨大变化没有关系。在白垩纪-古近纪（K-Pg）界线灭绝事件中，被认为是海百合类的代表的Roveacrinida目在这个时期灭绝了。但波兰的丹尼阶（古新世早期）保存完好的化石证明这些海百合存活到最早新生代。类似的还有喙头类的Opisthodontia，蚓蜥amphisbaenians，腹足类的Aporrhaidae，反羽蟹Costacopluma 以及苔藓虫。当然，这些类群没有一个活过丹尼阶。

中生代的生物就以它们的最终死去为止，画上了句号。

matlab中已知函数值求未知数的值

n组x,y,z,f值带如就可以求abc了,实际只要3组数据就可以了。

A=[x1^2 y1 z1^3;

x2^2 y2 z2^3;

x3^2 y3 z3^3];

F=[f1;f2;f3];

abc=A/F; %abc=[a;b;c

危险化学品事故扩散简化分析假设有哪些

随着化学工业的日益发展，危险化学品使用量也日益增加。危险化学品在生产、储存及运输中发生泄漏造成灾难性事件也随之增加。危险化学品泄漏事故严重威胁着人民的生命和财产安全。本文对危险化学品泄漏扩散模型的研究现状进行分析比较，阐述典型模型在危险化学品泄漏事故及危害评估中的实际应用，为此类事故应急救援提供参考。

1 危险化学品泄漏扩散模型研究现状

国外对危险化学品泄漏扩散模型的研究始于20世纪70年代，直到现在扩散模型的研究也很活跃。在此期间人们提出了许多数学模型，比较成熟的扩散模型[1]包括Sutton模型、Pasquill-Gifford模型、高斯模型和重气扩散模型。我国在这方面起步较晚，直到20世纪90年代初期才开展此方面的研究并取得了一些成果。

Sutton模型[2]依据湍流扩散统计理论，该模型最主要应用在物质的湍流扩散的问题上。由于没有考虑重力对扩散过程的影响，所以该模型只适用于密度较小气体的扩散，另外该模型不适宜应用在可燃气体泄漏扩散，否则会出现较大误差。在环保领域中Sutton模型也得到了广泛的应用。

Pasquill-Gifford模型即适当的边界条件和初始条件的结合，作为一种中性浮力扩散模型，Pasquill-Gifford模型可用于描述中等密度气云的浓度分布。但是Pasquill-Gifford模型由于其自身局限性，在实际运用中受到了限制，但其所提出的扩散系数方程得到了广泛的应用，是现在较为公认的一种扩散系数计算方法。

高斯模型[3，4]的基础是湍流扩散梯度理论。梯度理论采用欧拉法，讨论空间固定点上由于湍流运动引起的质量通量（污染的物浓度）的变化，湍流通量正比于该点的浓度梯度，比例系数称为湍流扩散系数，用常数K表示。依据是在风速、气流相对接近于稳定和均匀的大气条件下，物质沿着风向运动，然后再向各个方向扩散，扩散粒子位移的概率服从正态分布即高斯分布。具体包括高斯烟羽模型和高斯烟团模型两种。该模型适用于和空气密度接近的气体扩散或者是在短时间内与空气混合后密度和空气相近的气云团扩散。由于该模型是最早开发的数学模型，提出的时间早，被研究的次数多，研究得到的数据量大，已经是一个较完善实用的大气扩散模型。

重气扩散模型包括唯像模型、浅层模型、三维模型。唯象模型是R.E.Britten和Mc-Quaid[5]在收集了大量重气扩散的实验室和现场实验结果的基础上以无因次的形式将数据连线并绘制成与数据匹配的曲线或列线图，也称为经验方法，它很好地反映了重气瞬时连续施放的规律。其中BM模型为其代表模型，BM模型是R.E.Britten和Mc-Quai[6]在《重气扩散手册》中的推荐模型。已知泄漏物质的部分参数，通过查询该图表可以得出泄漏物质在某点的浓度。唯象模型的特点是计算简便，精确度一般。

浅层模型，是以重气扩散的控制方程加以简化来描述其物理过程，是对于三维模型和简单箱模型的折中。浅层模型使用了浅层理论的近似值原理，假设在气云主体内，压强分布可以用流体静力学理论来描述，而这种现象是只在气云前边缘处才会出现的特殊情况。模型采用了厚度平均变量来描述流场特征，有利于考虑复杂地形的重气扩散情况。和一般模型相比，浅层模型可以更好地模拟复杂地形重气的扩散，近年来浅层模型进一步开发已成为相关的研究热点。

三维模型[7]是采用计算流体力学（CFD）方法对重气扩散过程进行模拟，最终给出三维非定常态湍流流动过程。这种数值方法通过建立不同条件下的基本守恒方程，如质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程，并结合初始条件和边界条件，将数值计算理论和方法运用到计算过程中，进而求解Naver-stokes方程，实现预报真实过程各种场的分布。近年通过不断的研究和进一步完善、改进，模型已经大范围应用在各种危险气体的扩散问题中。

2 危险化学品泄漏扩散模型的应用

2.1 液氨泄漏事故的模拟分析

2012年潘旭海教授，根据高斯烟羽模型[8]，以氨气连续泄漏扩散为例，基于国内评价标准，采用MATLAB数值分析法来实现对应急区域和事故后果影响区域的划分计算及绘图。根据危险化学品中毒风险剂量响应模型以及通过概率函数法，计算出泄漏源下风向人员中毒概率并绘制风险云图和人员致死概率图。

2.2 高斯模型在确定泄漏事故中救援警戒区的应用

2001年武警学院训练部应用高斯扩散模型[9]来估算连续点源泄漏事故的应急救援警戒区。讨论了常见危险化学品在不同大气条件下发生泄漏事故时的成灾模型。并在离泄漏源一定距离处对有害物质的浓度和不同伤害剂量的范围进行了估算，进而探讨了在发生化学事故后如何确定应急救援警戒区，为消防部队的救援行动提供理论参考。气体潜在危险性范围的划定或应急救援警戒区的确定，是依据气体浓度和作用时间对人体的伤害程度来区分的。一般分为重、中、轻三个区域。重度区为半致死区，是由毒气对人体的半致死剂量Lct50来确定；中度区为半失能区，由半失能剂量Ict50确定。

2.3 苯储罐事故后果模拟计算与分析

2012年赵英程[10]对苯储罐事故特性的分析，利用ALOHA软用来模拟危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等情景。

分析了不同场景下事故后果的严重程度，并根据事故后果进行危险区域划分。

2.4 三维大气扩散模型反化学恐怖危害评估

2004年黄顺祥[11]针对恐怖分子袭击化工厂及储存库等设施，建立了复杂地形上三维大气扩散模式，模拟流场、浓度场和各种剂量场，对事故目标进行危害评估，确定危害区域和危害程度。

2.5 三维模型在城市街区毒气扩散模拟中的应用

2015年陈存杨，朱勇兵[12]为了对毒气扩散过程进行及时、有效的模拟，利用三维模型（CFD），将开源计算流体动力学软件OpenFOAM与PISO算法相结合，进行城市街区毒气扩散模拟研究。以福州大学怡山校区为扩散区虚拟地理环境，选用氯气为假定毒气，利用OpenFOAM对氯气的扩散传播过程进行了模拟，并与商用软件FLUENT在相同条件下的模拟结果进行了对比。

3 结语

本文对比分析了危化品泄漏扩散的几种典型模型及模型实验方法，重点介绍了扩散模型在一些泄漏事故和大气扩散中的应用。由于大气湍流扩散的复杂性，考虑实际情况需要对模型进行修正，使其计算模拟结果更接近真实情况。同时随着科学技术的发展进步，一些新的模型和模拟手段不断出现。危化品泄漏扩散模型的研究可为此类事的预测预警和应急救援提供指导和参考。

高斯烟羽模型是什么?详细一点，谢谢

基于高斯模型的一个变形..用来模拟中质气体的连续泄漏扩散..用来模拟瞬时源的是高斯烟团模型。

环境与健康系列(六)——高架源工业烟羽与地面空气污染

? 原始和现代的平衡点到底在哪？当你经过一个工厂时，尤其是钢铁工厂，浓烟滚滚的烟囱时常会让你本能的感到恐惧。这种感觉出于生物进化的本能，几百万年以来，当遮天蔽日的浓烟弥漫时，通常是火山爆发，一个种群可能会在顷刻间灭绝。

? 但是，在我们看来，上图这种情况反而是不用担心的。出现非常长的条形烟羽，且末端在云内展开的，像个苍蝇拍一样，这种气象条件为中性大气(无逆温层结)+云内清除。所谓中性大气，通俗易懂的讲就是高架烟囱排放出来的污染物，在垂直方向上的扩散速度较慢，但在水平方向传播速度较快。换而言之，这种情况下烟羽向高空其他地方跑，祸水东引，吹向海洋(如下图)，而不向地面扩散，适合污染物的消散。所以生活在地面上的人类不必担心。然而，学过高中物理学的人都知道，物质和能量是守恒的。污染物不会跑向太空，它们仍然存在于世间。污染物首先在云或者烟羽内清除，简单讲就是是水滴碰撞、吞并了直径较小的工业排放的污染物，就像巨型的白细胞吞并细菌一样，然后通过降雨过程返回到大地中，最终的效果是把悬浮的、容易被吸入人体的空气污染物三拳两脚摁死在地面上。

? “菩萨畏因，凡夫畏果”。仅仅是通过观察性实验来对排放源定罪量刑是非常困难的，因为因果关系的确定需要十分严谨的推理证明。在没有数据前，不了解背景条件，应该使用演绎推理，也就是根据假设和既有规则推导出初步结论。我们知道，空气中的污染物主要集中在2000米高度以下，但是在垂直方向上，具体的污染空气和清洁空气之间的边界是变化的，这个不断变化的边界称之为大气边界层。假设日照市为典型的海陆大气边界层，根据第二代空气质量模式ROM对大气的分层，可分为：

? 边界层和混合层虽然不是同义词，但是具有旺盛对流的边界层，空气向上剧烈混合，常形成混合层。需要注意的是，虽然日照市等沿海地区属于海雾多发区，海陆风环流特征明显，但是一般来讲，中纬度地区海陆风环流特征只在夏季较为突出。且海陆风环流较弱，风力较小，常被大尺度的环流如南下的东北冷涡和北上的东南/西南暖湿气流掩盖掉。故海洋层有时不明显。

? 当具备一定的背景资料时，应当使用归纳推理，总结初步的规律。当混合层的高度高于受地表摩擦影响的边界层高度时，湍流边界层内的空气团全部混合均匀。此时假设地面排放的污染物质量不变，由密度和体积的关系可知，边界层高度的减小会伴随着空气污染物浓度的累积，地面PM 2.5 浓度会线性升高。如下图，横坐标为边界层高度BLH，纵坐标为颗粒物浓度，可以看到，当边界层高度低于500米高度时，PM 2.5 浓度开始线性增加。归纳2013-2019年日照地区的边界层高度，如下图，横坐标为边界层高度BLH，纵坐标为颗粒物浓度，可以看到，当边界层高度低于500米高度时，PM 2.5 浓度开始线性增加。故日照市冬季的混合层的高度在500米左右，这基本符合我们的前提假设。

? 为了进一步得出归纳的初步结论，我们对2013-2019年日照市PM 2.5 浓度和臭氧O 3 浓度进行概率分布统计。从下图可以看出，PM 2.5 浓度是典型的单峰高斯正态分布，但是存在高值长尾现象，而臭氧浓度却是非正态的双峰分布。臭氧双峰分布说明近地面臭氧的部分生成过程和光化学反应无关，而是存在高空向下输送，主要在发生正午12点之前。细颗粒物浓度来源主要是线性的近地面累积，如前所述，但也存在非线性的爆发式增长。详情请见笔者前述文章： 。

? 中国的工业烟囱高度一般大于200米，所以加上烟羽本身的长度，足以冲破混合层，向外层的大气扩散均匀。但是烟羽本身的形状是多变的，和高空复杂的气象条件有关。甚至由于局地小尺度湍流涡旋的存在，相邻的两个烟囱排放出来的烟羽长度不一致。我们对各种高架源烟羽的形态进行了归纳，发现了以下情况是清洁天气：一个是水平风速较小，但垂直湍流交换较强，如下图第一张；另一个是中性大气，水平风速较大，但是垂向交换较弱，如下图第二张。

? 经过初步的演绎和归纳。我们最终决定，采用图像法来推断高架源工业烟羽对地面空气污染的关系。当排放源较强时，则空气污染物浓度对气象因子敏感，亦即稀缺因子控制。海陆边界层气象因子复杂，精确的观测高空的气象条件非常困难，耗时耗力，而烟羽轮廓是良好的气象指示物。

? 为了捕捉到高空复杂的气象条件变化，我们采用定时自动摄像机，每隔半个小时拍摄一次照片。而由上文可知，烟羽的轮廓能反应复杂的气象变化，我们就把烟羽轮廓作为气象条件的指示物。由于低云的存在，机器自动识别图像中的烟羽轮廓的效果不理想，需要图像增强和人工标注。图像增强使用了不世出的AI天才何凯明研发的去雾算法。烟羽形状瞬息多变，故采用烟羽轮廓的多边形长度(Polygon Length)，亦即对角线长度来描述其轮廓特征。需要特别注意的是，实际大气颗粒物的扩散范围可能远远超过其可视轮廓，这是因为肉眼看到的烟羽轮廓主要是因为水汽的凝结。

? 控制烟羽长度的因子非常复杂，如风速、风向、湿度、云雾等。由下图可以看出，地面颗粒物浓度与烟羽轮廓长度存在负相关，但是非线性的。天气系统是典型的混沌系统，而复杂系统中非线性特征只有在满足一定条件时才会出现。所以，我们推测：地面颗粒物浓度和烟羽轮廓之间的关系应该可分类。

? 我们使用了逻辑回归模型(Logistic Function)，对地面颗粒物浓度和烟羽轮廓的多边形长度进行拟合。虽然逻辑回归虽然名字叫是回归模型，但却是二分类算法。如下图所示，其中，烟囱的高度(H)是在图像中标注，计算可知 H=385 (像素点)。烟囱高度根据国家标准是200米。以2倍烟囱高度为临界点，可以看出，当烟羽轮廓的多边形长度大于2倍烟囱高度，地面颗粒物浓度才会受扩散条件影响。当烟羽长度小于2倍烟囱高度，扩散对局地的颗粒物的清除效果不明显。

? 我们得到一个地面颗粒物浓度y和烟羽长度x的公式：

? 当烟羽长度小于400米时，可以看出上述公式并不能很好的描述其与PM 2.5 之间的关系。所以我们把不同高度的气象因子也考虑进去，使用决策树模型，进行拟合。下图是2019年3月山钢站点地面PM 2.5 浓度的决策树模型。可以看出，对流层顶(850 hPa约1500米高度)的纬向风(U_850)和烟羽长度(PL)是这颗决策树中统计学上的决定性因子。

? 即使这颗决策树只有6层，陈述和解释起来还是比较繁琐冗长的。但其实我们只需关心决策树的两个主干，亦即地面PM 2.5 浓度最高时和最低时的决策树枝即可。上图中的红圈区域是PM 2.5 浓度最高时的决策树枝：U_850 -5.4 m/s→ PL 509 pixels → PM 2.5 176 μg/m 3 ；蓝圈区域是PM 2.5 浓度最低时的决策树枝：U_850 -5.4 m/s → PL 796 pixels →PM 2.5 67 μg/m 3 。可以推测出，当1500米高度以上自由大气向岸风大于5 m/s(通常为大尺度的东南暖湿气流)，而烟羽较短(300-500米高度)，水平和垂向扩散均较弱，地面颗粒物累积，易发生地面的PM 2.5 重污染。

?除了颗粒物的质量浓度重要以外，颗粒物的数浓度也是对人体健康影响较大的因子。由球形粒子的质量公式 m=ρV= 4ρR 3 /3，可知：PM 2.5 ，亦即2500 纳米以下的颗粒物的质量，是50纳米颗粒物的一万倍以上。500纳米以下的颗粒物约占80%的颗粒物总数量，能穿透肺泡膜；而微米级别颗粒物约占90%的质量。

? 我们在日照市郊区农村进行了颗粒物的数浓度观测。田野空气最清洁的时候颗粒物浓度只有不到3000 个/cm 3 。然而在有些时候颗粒物浓度大于10000个/cm 3 。颗粒物数量最多的时候，反而是看起来晴好的蓝天。大量新的纳米级别的颗粒物生成并增大，但是PM 2.5 浓度却无明显变化。

? 而在城市道路边上，受机动车交通影响，颗粒物浓度可达60000个/cm 3 ，是农村最脏时候的6倍。但是，城市上空，超过300米高度的工业烟羽中，颗粒物浓度只有不到3000个/cm 3 ，与洁净时农村户外空气相当。至于室内空气，在十几平米有人的办公室内约在7000 个/cm 3 ，因人的数量而异。当你看到手机预警，空气质量指数AQI破百的时候，大气颗粒物浓度虽然高，但是基本上是大的颗粒，每立方厘米中只有几千个。当看到清洁的蓝天时，颗粒物浓度可能达到每立方厘米上万个。

? 之所以无法保留原始的田野，只是因为我们还不够现代。工业的粗糙，必然会让我们既丢失田野，也丢失现代。观察性科学实验应该逐步由城市向田野转移，由中心向边缘探出触手。

了解参宿四是怎样的存在，未来发生超新星爆炸会波及到地球吗？

在 1920 年，参宿四是第一颗被测出角直径的恒星（除太阳之外）。从此以后，研究人员不断使用不同的技术参数和望远镜测量这颗巨星的大小，而且经常产生冲突的结果。目前估计这颗恒星的视直径在 0.043 ~ 0.056 角秒，作为一个移动的目标，参宿四似乎周期性的改变它的形状。由于周边昏暗、光度变化（变星脉动理论）、和角直径随着波长改变，这颗恒星仍然充满了令人费解的谜。参宿四有一些复杂的、不对称的包层，引起巨大的质量流失，涉及从表面向外排出的庞大冠羽状气体，使事情变得更为复杂。甚至有证据指出在它的气体包层内有伴星环绕着，可能加剧了这颗恒星古怪的行为

天文学家认为参宿四的年龄只有几千万年，但是因为质量大而演化得很快。它被认为是来自猎户座 OB1 星协的奔逃星，还包含在猎户腰带的参宿一、参宿二、和参宿三等 O 和 B 型晚期恒星的集团。以现行恒星演化的晚期阶段，预料参宿四在未来的数百万年将爆炸成为 II 型超新星，并变成一颗中子星。

基本参数

赤经 05h 55m 10.30536s

赤纬 +07 24′ 25.4304″

赤经自行：26.42 0.25 mas/yr

赤纬自行：9.60 0.12 mas/yr

参宿四

视星等（V）：+0.50（0.0 ~ +1.3）

光谱型：M1-M2Ia-Iab

B-V 色指数 +1.85

U-B 色指数 +2.06

恒星分类：红超巨星

变星类型：SRc（半规则变星）

径向速度（Rv）： +21.0 km/s

恒星视差（π）：5.07 1.10 mas

绝对星等（Mv）：-5.85

恒星质量：11.6 M 注：（此数据为根据演化模型的 640 ly 计算得出的结果）

距地距离：约为 723.942 ly（222 pc）（根据演化模型为 640 ly）

恒星半径：887 203 或 955 217 R

恒星亮度：9 10^4 ~ 1.5 10^5 L

表面温度：3590 K

自转速度：5 km/s

其他命名：猎户座 α，α Orionis，Alpha Orionis，58 Ori，HR 2061，BD+7 1055，HD 39801，SAO 113271，FK5 224，HIP 27989。

简要介绍

参宿四（猎户座 α，Betelgeuse，源自阿拉伯语，意思是腋下）是全天第十亮星（由于它在亮度变化的关系，有时视星等会超过波江座水委一成为全天第九亮星），亮度在 0.0 ~ +1.3 等之间变化，变光周期为 5.5 年，属于脉动变星。它是一颗 M1-M2 型红超巨星，半径在 684 ~ 1172 R 之间变化，而半径的变化使得它的光度也跟着变化（在 0.0 ~ +1.3 等间变化）。绝对星等 -5.85 等，距离地球约 724 ly，质量约为 11.6 M ，表面温度 3590 K，光度约为 90000 ~ 1.5 10^5 L ，是迄今人类发现的体积最大的恒星之一。因为这些原因，使它成为除了太阳之外，人类首度能够解析出表面大小的恒星。

参宿四猎户座αOri

参宿四是第一个直接用恒星干涉仪测定角直径的恒星。1966 年就已发现参宿四是射电星。射电频谱观测表明，参宿四既有大气射电，也有恒星圆面射电。通过 2.1 米望远镜电视分光装置观测，发现参宿四周围已形成极厚的气壳，至少伸展到本星半径约 600 倍处，这表明该星向星际空间抛出了大量物质。还有人认为参宿四至少有两个星周壳层，它们分别离本星约五十和几百个半径处，膨胀速度分别约每秒钟 11 和 17 km。参宿四的距离迄今难于测准（大约 222 pc），因此关于它的真半径、光度等尚缺乏可靠数据。美国基特峰天文台曾用 4 米望远镜结合星像处理技术获得了参宿四圆面的照片。

在天文学上，参宿四是很有趣的。它是最初几个利用到天体干涉仪测量出直径的恒星之一。天文学家发现它的直径是不定的，由最小的 684 R 到最大的 1172 R ，比木星围绕太阳的公转轨道的直径还要大。

演化末期

如今参宿四已走入生命末期，推测在未来数百万年中，可能变成 Ⅱ 型超新星。天文学家预计参宿四最终会以II 型超新星爆发来结束它的生命，或是其质量只足够变成一颗小质量黑洞。但各方对它还有多长寿命并没有一致的意见：有些人认为它的直径不停变化代表着参宿四正在融合它的碳原子，而会在数千年之内变成超新星；不同意这观点的人则认为它可以生存更久。 如果真的发生超新星爆发，其光度将增至原来的数十万倍以上，约为弦月的光度，也有一些预测指，最大光度甚至可以达到满月的 3 倍。

超新星的光将持续数月，在日间也能看见，然后将会逐渐转暗，在肉眼的夜空中消失，猎户的手臂将消失，在数个世纪之后，将会演变成星云。但是，如果这颗中子星的自转轴是朝向地球，那便较为麻烦了，它释出的高能伽玛射线及宇宙粒子将如雨般直达地球，并将削弱臭氧层，在多处天空均会出现极光。（注：已确认参宿四自转轴与地球夹角约为 20 ）

位置结构

在中国的 星座 系统中，都属参宿，首先介绍参宿在天空中的位置、结构以及相关的典故。参宿是冬季星空中最美丽而明亮的星宿之一。在它的北面是五车星官，西面有毕宿大星，东南面有全天第一亮星——天狼星。在参宿的七颗主星中有一颗 0 等星，即本文的主角之一的参宿四；一颗 1 等星，即本文的另一主角——参宿七；五颗 2 等星，即参宿一（猎户座 ζ）、二（猎户座 ε）、三（猎户座 δ）、五（猎户座 γ）、六（猎户座 κ）。

《史记 · 天宫书》说：“参为白虎。三星直者，是为衡石。下有三星，兑，曰罚，为斩艾事。其外四星，左右肩股也。小三星隅置，曰觜，为虎首。”

这段话的意思是说，有三颗星横向排列在星空中，差不多正好在赤道上，称之为衡石，即一块起到平衡作用的石头，因此，衡石的含义，就是赤道的中腰，也是白虎的中腰。这三颗星就是参宿的标志星，参宿之名就源于此。

可见性

参宿四是很容易在夜空中发现的，它就出现在著名的猎户的右肩上，并且肉眼就可以看见它发出的橙红色光芒。在北半球，从每年的一月开始，可以看见它于日落时从东方升起。在 3 月中旬，这颗恒星在黄昏时已经在南方的天空中，而且几乎全球各地的居住者都可以看见，仅仅只有南极洲少数几个位置在南纬 82 更南边的偏远研究站才看不见。在南半球的大城市 (像是雪梨、布宜诺斯艾利斯、和开普敦)，参宿四的高度角几乎可以达到地平线上 49 。一旦来到 5 月，就只能在太阳刚西沉之际在西方地平线上惊鸿一瞥了。

参宿四位置

参宿四的视星等是 +0.50，它的平均亮度是天球上的第十亮星，正好就在水委一的后面。但因为参宿四是一颗变星，它的光度变化范围在 0.0 ~ +1.3 之间，因此有的时候它的光度会超越水委一，成为全天第九亮星。参宿七也是一样，它通常的视星等是 +0.13，但报告指出光度有 +0.03 ~ +0.18 的波动，这也可能使参宿四偶尔会比参宿七明亮而成为全天第九亮星。当它最暗时，会比第十九亮的天津四还要暗，并与十字架三竞争第二十名的位置。

来自 ESO 的甚大望远镜所显示的图像，不仅有恒星的盘面，还有以前不知道的被气体围绕着的烟羽伴随着扩展的大气层。

参宿四的 B-V 色指数是 +1.85，说明这是一个颜色非常红的天体。其光球有着扩展的大气层，光谱中呈现强烈的发射线而不是吸收线，这是一颗恒星外面有着浓厚的气体包壳时出现的现象。取决于光球层径向速度的波动，这些扩展的气体曾经被观察到远离和朝向参宿四移动的运动。这颗恒星的辐射能只有 13% 的是经由可见光发射出来，而大部分的辐射都在红外线的波段。如果眼睛可以感觉到所有辐射的波长，参宿四可能会成为全天空最亮的恒星。

视差

自从白塞尔在 1838 年成功的测量出视差，天文学家就对参宿四的距离极为困惑，不确定性使得许多恒星的参数值很难得到正确的估计。准确的距离和角直径将揭示恒星的半径和有效温度，导出清楚的解读热辐射的光度；光度与同位素丰度结合可以提供对恒星年龄和质量的估计。在 1920 年，当第一次以干涉仪研究恒星的直径时，假设视差是 0.18 角秒。这等同于距离是 56 pc，或是 180 光年，这样不仅获得的恒星半径不正确，恒星的特征也不同。在这之后，有些进行的调查将这神秘的实际距离建议为高达 400 pc，或是 1300 ly。

在依巴谷星表公布之前（1997年），有两份受人尊重的出版物有参宿四最新的视差资料。第一份是耶鲁大学天文台（1991）公布的视差是 π = 9.8 4.7 mas，相当于距离大约是 102 pc，或是 330 ly。第二份是依巴谷输入星表（1993），它的三角视差是 π = 5 4 mas，相当于 200 pc 或是 680 ly，几乎是耶鲁估计值的两倍。这种不确定性，使研究人员对距离估计使用宽松的范围，这种现象引燃了许多的争议，不仅仅是在恒星的距离上，还影响到其它的恒星参数。

图片显示的是美国国家无线电天文台坐落在新墨西哥州索科洛的甚大天线阵 （Very Large Array，VLA）。27 只天线每只的重量是 230 t，需要时可以在阵列中的轨道上移动，以使用孔径合成干涉仪进行详细的研究。

期待已久的依巴谷任务结果终于在 1997 年发表 （释出）。解决了这一个问题，新的视差值是 π = 7.63 1.64 mas，这相当于 131 pc，或是 430 ly。因为像参宿四这种变光星，会造成具体的问体影响到它们距离的量化。因此，大尺度误差很可能是恒星引起的，可能与希巴科斯光度 HP波 段 3.4 mA 级的光中心运动有关。

在这次的争论中，电波天文学的最新发展似乎占了上风。格雷厄姆和同事们使用美国国家无线电天文台 （NRAO） 的甚大天线阵 （VLA），以新的高空间分辨率和多波长无线电对参宿四位置的指引，获得更精确的估计值，加上依巴谷的资料，提供了新的天文测量解答：π = 5.07 1.10 mas，在严谨的误差因子下得出的距离是 197 45 pc 或 643 146 ly。

接下来在计算上的突破将可能来自欧洲空间局即将进行的盖亚任务，它将承担详细的分析每一颗被观测恒星的物理性质，揭示亮度、温度、重力和成分。盖亚将多次测量每一个亮度暗达 20 星等和比 15 等亮的天体位置，精确度达到 24 微角秒，相当于从 1000 km 外测量的人发直径。携带的检测设备将确保能测量像参宿四这种变星在最暗时的极限，这将解决较早时依巴谷任务位置上绝大部分的局限性。事实上，对最近的那些恒星，将能以小于 0.001% 的误差因子来测量他们的距离。即使是靠近银河中心的恒星，距离大约是 3 10^4 ly，距离测量上的误差也将在小于 20% 以内。

光度变化

参宿四的紫外线影像，显示出恒星的不对称脉动，扩展和收缩。

参宿四的紫外线影像

作为胀缩变化恒星"SRc"的次分类，研究人员提供了不同的假设试图解释参宿四反复无常的舞蹈，这导致其视星等在 0.0 和 +1.3 之间的振荡现象。以我们了解的恒星结构认为是这颗超巨星的外层逐渐的膨胀和收缩，造成表面积 （光球）交替的增加和减少，和温度的上升和降低－因此导致测量到这颗恒星的亮度有节奏的在最暗的 +1.3 等和最亮的 0.0 等之间变化着。像参宿四这种红超巨星，因为大气层本来就不稳定因此会通过脉动的方法。当恒星收缩，它吸收越来越多通过的能量，造成大气层被加热和膨胀。反过来，当恒星膨胀时，它的大气层变得稀薄，允许较多的能量逃逸出去并使温度下降，因此启动一个新的收缩阶段。在计算恒星的脉动和模型都很困难的情况下，看来有几个交错的周期。在上个世纪的 1930 年代，Stebbins 和 Sanford 的研究论文指出有一个由 150 ~ 300 天的短周期变化调制成的大约5.7年的规则循环变化周期。

图解的太阳结构显示出光球的米粒斑：

太阳结构显示出光球的米粒斑

1. 核心

2. 辐射层

3. 对流层

4. 光球层

5. 色球层

6. 日冕

7. 太阳黑子

8. 米粒斑

9. 日珥

事实上，超巨星始终显示不规则的光度、极化和光谱的变化，这指出在恒星的表面和扩展的大气层有着复杂的活动。对照于受到监测的大多数巨星都是有着合理的规则周期的长周期变星，红巨星通常都是半规则或不规则的，有着脉动特性的变星。在 1975 年，Martin Schwarzschild 发表了一篇具有里程碑意义的论文，认为光度起伏不定的变化是因为一些巨大的对流细胞（米粒斑的模式）覆盖在恒星表面所导致的。在太阳，这些对流细胞，或是称为太阳米粒，代表热传导的一种重要模式－因未那些对流元素主宰著太阳光球的亮度变化。太阳的米粒组织典型的直径大约是 2000 km 的大小 （大约相当于印度的表面积），深度大约 700 km。

在太阳表面大约有 2 10^6 个这样的米粒斑覆盖着光球，如此巨大的数量产生相对恒定的通量。在这些米粒斑之下，连结著 5000 ~ 10000 个平均直径 30000 km，深度达到 10000 km 的超米粒斑。对照之下，Schwardschild 认为像参宿四这样的恒星可能只有一打左右像怪兽的米粒斑，直径达 1.8 10^8 km 或更大而足以支配恒星的表面，深度达 6 10^6 km，这是因为红巨星的包层温度和密度都很低，导致对流的效率极低。因此，如果在任何时间都只能看见三分之一的对流细胞，它们所观测到的光度随着时间的变化就可能反映出恒星整体的光度变化。

Schwarzschild 的巨大对流细胞主宰巨星和红巨星表面的假说似乎有张贴在天文讨论社区，当哈柏太空望远镜在 1995 年首度直接捕捉到参宿四表面神秘的热点时，天文学家就将它归因为对流。两年后，天文学家揭露至少有三个亮点造成观测到这颗恒星错综复杂的亮度分布不对称，其幅度"符合表面的对流热点"。然后在 2000 年，另一组由哈佛 · 史密松天体物理中心（Cfa） 的 Alex Lobel 领导的小组，注意到参宿四湍流的大气层中冷与热的气流展示出肆虐的风暴。小组推测在恒星大气层中大片活力充沛的气体同时向不同的方向膨胀，抛射出长长的温热气体羽流进入寒冷的尘埃包层。另一种解释是温热的气体在横越恒星较冷的区域时造成激波的出现。这个团队研究参宿四大气层的时间超过 5 年，使用的是哈勃太空望远镜影像摄谱仪在 1998 ~ 2003 年的资料。他们发现在色球层上活动的气泡，在恒星的一边抛起气体，当落在另一边时，好像慢动作翻腾的熔岩灯。

角直径

天文学家面对的第三个挑战是测量恒星的角直径。在 1920 年 12 月 13 日，参宿四成为第一颗在太阳之外曾经被测量出直径的天体。虽然干涉仪仍处在发展的初期，经由实验已经成功的证明参宿四有一个 0.047" 的均匀盘面。天文学家对周边昏暗的见解视值得注意的，除了 10% 的测量误差，小组得出的结论是由于沿着恒星边缘部分的光度强烈的减弱，盘面可能还要大 17%，因此角直径大约是 0.055"。从那时已来，已有其他的研究在进行，得到的范围从 0.042 ~ 0.069 角。结合 历史 上估计的距离，从 180 ~ 815 ly，与这些资料，得到恒星盘面的直径无论何处都在 2.4 ~ 17.8 AU，因此相对来说半径是 1.2 ~ 8.9 AU 使用如同太阳系的标准，火星的轨道大约是 1.5 AU，在小行星带的谷神星是 2.7 AU，木星是 5.5 AU。因此，取决于参宿四与地球的实际距离，光球层可以扩展至超出木星轨道的距哩，但不能确定是否会远达土星的 9.5 AU。

电波的影像显示出参宿四光球层的大小（圆圈）和使恒星不对称的大气层扩展至土星轨道之外的对流力效应。

有几个原因使精确的直径很难定义：

光球收缩和膨胀的节奏，如理论所建议的，意味着直径不是永远不变；

由于周边昏暗造成从中心向外延伸的越远光的颜色改变和辐射衰减越多，而没有明确定义的"边界"；

参宿四被从恒星逐出的物质组成的星周包层环绕着。这些物质吸收和辐射光线造成光球层的边界很难定义；

在电磁频谱内以不同的波长测量，每个波长透露一些不同的东西。研究显示可见光的波长有较大的角直径，在近红外线减至最小，不料在中红外线再次增加。报告的直径差异可已多达 30 ~ 35%，但因为不同的波长测量不同的东西，将一种结论与另一种比较是有问题的；

大气层的闪烁使得地面上的望远镜因为大气湍流的影响降低了解像力的极限角度值。

为了克服这些限制，研究人员采用了各种方案解决。天文干涉仪的观念是 Hippolyte Fizeau 在 1868 年最早提出的。他提出经由两个孔洞观察恒星的干涉，将可以提供恒星空间强度分布的资讯。从此以后，科学的干涉仪已经发展出多孔径干涉仪，可以将多个位置的影像彼此重叠。这些“斑点”的影像使用傅立叶分析综合——一种广泛用于审视天体的方法，包括研究联星、类星体、小行星和星系核。自 1990 年出现的自适应光学彻底改变了高分辨率天文学，同时，像是依巴谷、哈柏、和史匹哲等太空天文台，也产生其他重大的突破。另一项仪器，天文多波束接触器 （he Astronomical Multi-BEam Recombiner，AMBER），提供了新的观点。最为甚大望远镜的一部分，AMBER有能力同时结合3架望远镜，使研究人员可以实现微角秒的空间解析。此外，通过组合三个干涉仪#天文干涉仪取代两个，这是习惯用的传统干涉测量，AMBER 能让天文学家计算闭合相位－天文成像中的一个重要组成部分。

目前的讨论围绕着波长-可见光、近红外线 （NIR）或中红外线 （MIR）－获得最精确的角度测量。最被广泛接受的解决方案，它的出现，是由加州大学柏克莱分校的太空实验室的天文学家在中红外线波段执行的 ISI。在历元 2000 年，这个团体，在约翰韦纳的领导下发表了一份论文，以一般不太被注意的中红外线，忽略任何可能存在的热点，显示参宿四均匀的盘面直径是 54.7 0.3 mas。这篇论文也包含理论上承认的周边昏暗直径是 55.2 0.5 mas－假设与地球的距离是 197.0 45 pc，这相当于半径大约 5.5 AU 的外观 （1180 R ）。不过，有鉴于角直径的误差在 0.5 mas，与哈珀 （Harper） 的数值有 45 pc 的误差结合在一起，光球的半径实际上可以小至 4.2 AU，或是大至 6.9 AU 。

跨过大西洋，另一组由巴黎天文台佩兰 （Guy Perrin）领导的天文学家在 2004 年以红外线对有争议的参宿四光球半径做出 43.33 0.04 mas 的精确测量。“佩兰的报告给了一个合理的剧本，可以一致性的解释从可见光到中红外线的观测。”这颗恒星看似很厚、温暖的大气层使短波的光线散射因而略微增加了直径，波长在 1.3 μm 以上的散射可以忽略不计。在 K 和 L 波段，上层的大气层几乎是透明的。在这些波长上看见的是传统的光球，所以直径是最小的。在中红外线，热辐射温暖了大气层增加了恒星的视直径。"这些参数还未获得天文学家广泛的支持。

使用 IOTA和 VLTI 在近红外线上的研究，强烈的支持佩兰的分析，直径的范围在 42.57 ~ 44.28 mas，最小的误差因子小于 0.04 mas。这次讨论的中心，是由查理斯汤所领导柏克莱团队在 2009 年的第二份论文，报告参宿四的直径从 1993 ~ 2009 年缩减了 15%，在 2008 年测量的角直径是 47.0 mas，与佩兰的估计相距不远。 不同于以前发表的大部份论文，这份研究专注于一个特定的波长 15 年的视野，早期的研究通常只持续 1 ~ 2 年，并且是在多种波长上，经常会产生截然不同的结果。缩减的角度分析相当于从 1993 年看见的 56.0 0.1 到 2008 年的 47.0 0.1 mas ，在 15 年内几乎缩减了 0.9 AU，或大约相当于 1000 km/h。

天文学家都认为我们完全不知道这颗恒星膨胀和收缩的节奏，果真如此，循环的周期可能是什么，虽然汤认为不存在这样的周期，但它也可能长达数十年，其它可能的解释是光球层由于对流或因为不是球体因而稍微有些不对称，造成恒星绕着轴旋转时外观上的膨胀和收缩。当然，除非我们收集了周期的完整资料，我们不会知道 1993 年的 56.0 mas 是表现出恒星膨胀的最大值还是平均值，或是 2008 年的 47.0 事实上是个极小值。在我们得知确切的数值之前，我们可能还要继续观测 15 年或更久的时间 （2025 年），也就是说，相当于木星轨道半径的 5.5 AU，可能将持续很长的一段时间继续被视为它的平均半径。

体积缩小

参宿四体积缩小近15%

爱德华 · 威什诺说，他们并不清楚为什么参宿四体积会缩减，“对星系和遥远的宇宙，包括快走到生命尽头的红超巨星来说，人们仍有太多的未知”。

研究人员表示，他们接下来仍会继续研究参宿四，观察它到底是继续缩小还是转而膨胀。研究人员还指出，尽管参宿四体积在缩小，但它的亮度在过去 15 年中没有明显变暗[2]。

爆炸

2011 年 1 月 22 日 ，澳大利亚南昆士兰大学高级物理学讲师布拉德 · 卡特博士预言，从现在开始，最迟几万年内，地球上的人类也将能够看到 -12 等左右的亮星，尽管这种奇异景象只会维持几周时间。卡特博士称，猎户 星座 的红超巨星参宿四这些年体积不断缩小，质量急剧下降，这是红超巨星重力崩溃的典型征兆，参宿四随时都可能发生超新星爆炸，那时参宿四的绝对星等将至少达到 -17 等。

简单地讲，II 型超新星就是超巨星在内核坍缩过程中挤压造成的剧烈爆炸形成的。

“这颗衰老恒星的内核已经耗尽了它的燃料，正是这些燃料促使参宿四发出光和热，当燃料耗尽时，恒星就会向内坍缩，引发巨大的超新星爆炸。”当这一切发生时，参宿四的绝对星等将至少到 -17 等，当超新星爆炸的光亮传到地球时，在人类的眼中，将如同在地球上空出现了“第二颗金星”。不过，这“第二颗金星”只会维持几月时间，然后就会在接下来的几年中逐渐暗淡和消失。卡特博士说：“这将成为一颗恒星最后的灿烂，当参宿四爆炸后，它将照耀夜空，我们将在几周时间内都能看到它难以置信的光亮，在接下来的几年中，它会逐渐暗淡，最后再也难以被观察到。

超新星光变曲线图（参宿四属Ⅱb型）

卡特博士称，尽管参宿四可能发生超新星爆炸，但也可能在百万年内的任何一天发生爆炸。 就算参宿四爆炸了，它在天空中的表现也不可能是“第二个太阳”。“星战迷”期待的像卢克·天行者在遥远星球塔图因（Tatooine）上所看到的景象不会出现。

太阳与星星的最显著差别在于它看上去比较大——太阳不是光点，而是像金盘一样挂在天上。天文学上常用角直径描述这种天体的“大小”，即计算天体直径在观测点形成的夹角。离我们越近的或者越大的天体，其角直径越大，反过来，离我们遥远的或者个头小的天体角直径较小。虽然参宿四是角直径最大的恒星之一，而且超新星爆发时直径会急剧增大，但是由于参宿四距离我们太远，所以其角直径依然无法与太阳相比。据推测，参宿四爆发时角直径最大可能是 0.416’（按照爆发后超新星直径 3 倍太阳系直径，距离地球 643 光年计算），这不到太阳的 1/4500，即便是太阳系行星中角直径最小的海王星，也是它的 5倍 以上。参宿四即便爆发了，也还只是一个小点。

参宿四超新星爆发效果图

根据天文学家的推算，参宿四爆发时视星等大概是 -12 等左右，也就是说可以达到满月的亮度，在白天也可以看见。新的模拟结果表明其亮度甚至可能超过 3 倍满月亮度。这对于一颗恒星来说绝对是惊人的，但是和太阳相比依然有不小的差距——太阳的视星等高达 -26.74。根据星等和亮度的关系我们可以计算出爆发的参宿四亮度不到太阳的 50 万分之一。在夜里，参宿四或许会给我们留下一道长长的影子，但是如果想让它把黑夜照得亮如白昼，实在是勉为其难了。

爆炸对地球无害

参宿四随时可能发生超新星爆炸的预测在互联网上引发了热烈的讨论，有人甚至将超新星爆炸同玛雅日历中的 2012 年“世界末日”阴谋论联系了起来，还有网民为了应对可能来临的超新星爆炸，甚至在地下室中储满了罐头食品。

不过卡特博士称，超新星爆炸不可能给地球带来任何毁灭性的结果，因为超新星爆炸释放出的细小粒子——中微子对人体并无害处。

卡特博士说：“当一颗恒星爆炸时，首先我们会观察到一种称做‘中微子’的粒子雨，它们将会穿过地球，即使超新星爆炸会照亮我们的夜空，即使超新星 99% 的能量都会释放到这些粒子中，但当这些微小粒子穿过地球和我们的身体时，却绝对不会对我们带来任何伤害。”

一些专家猜测，参宿四一旦发生超新星爆炸，将会成为一颗中子星，或形成一个距离地球大约 650 ly 的黑洞。卡特博士说：“它形成中子星或黑洞的概率相等，如果让我预测，我认为它更可能形成一个 8 倍太阳质量的黑洞。”