Enorma mängder sot, upp i luften från globala skogsbränder efter en massiv asteroidattack för 66 miljoner år sedan, skulle ha störtat jorden i mörker i nästan två år, nya forskningsrön. Detta skulle ha stängt av fotosyntesen, kylde planeten drastiskt, och bidrog till massutrotningen som markerade slutet på dinosauriernas tidsålder.

Dessa nya detaljer om hur klimatet dramatiskt kunde ha förändrats efter nedslaget av en 10 kilometer bred asteroid kommer att publiceras den 21 augusti i Proceedings of the National Academy of Sciences . Studien, leds av National Center for Atmospheric Research (NCAR) med stöd från NASA och University of Colorado Boulder, använde en datormodell i världsklass för att måla en rik bild av hur jordens förhållanden kan ha sett ut i slutet av kritaperioden, information som paleobiologer kanske kan använda för att bättre förstå varför vissa arter dog, speciellt i haven, medan andra överlevde.

Forskare uppskattar att mer än tre fjärdedelar av alla arter på jorden, inklusive alla icke-fågeldinosaurier, försvann vid gränsen till krita-paleogenperioderna, en händelse som kallas K-Pg-utrotningen. Bevis visar att utrotningen inträffade samtidigt som en stor asteroid träffade jorden i det som nu är Yucatánhalvön. Kollisionen skulle ha utlöst jordbävningar, tsunamis, och även vulkanutbrott.

Forskare beräknar också att kraften från nedslaget skulle ha lanserat förångad sten högt över jordens yta, där det skulle ha kondenserats till små partiklar som kallas sfärer. När sfärerna föll tillbaka till jorden, de skulle ha värmts upp av friktion till temperaturer som är tillräckligt höga för att utlösa globala bränder och grilla jordens yta. Ett tunt lager av sfärer kan hittas över hela världen i det geologiska rekordet.

"Utrotningen av många av de stora djuren på land kunde ha orsakats av de omedelbara efterdyningarna av nedslaget, men djur som levde i haven eller de som kunde gräva under jorden eller tillfälligt glida under vattnet kunde ha överlevt, " sa NCAR-forskaren Charles Bardeen, som ledde studien. "Vår studie tar upp historien efter de första effekterna - efter jordbävningarna och tsunamin och bräckningen. Vi ville titta på de långsiktiga konsekvenserna av mängden sot som vi tror skapades och vad dessa konsekvenser kan ha betytt för djur som var kvar."

Andra medförfattare till studien är Rolando Garcia och Andrew Conley, båda NCAR-forskarna, och Owen "Brian" Toon, en forskare vid University of Colorado Boulder.

En värld utan fotosyntes

I tidigare studier, forskare har uppskattat mängden sot som kan ha producerats av globala skogsbränder genom att mäta sotavlagringar som fortfarande finns bevarade i det geologiska rekordet. För den nya studien, Bardeen och hans kollegor använde den NCAR-baserade Community Earth System Model (CESM) för att simulera effekten av sot på det globala klimatet framöver. De använde de senaste uppskattningarna av mängden fint sot som hittats i bergskiktet kvar efter nedslaget (15, 000 miljoner ton), såväl som större och mindre mängder, att kvantifiera klimatets känslighet för mer eller mindre omfattande bränder.

I simuleringarna, sot som värmdes upp av solen höjdes högre och högre upp i atmosfären, så småningom bildade en global barriär som blockerade den stora majoriteten av solljus från att nå jordens yta. "Först skulle det ha varit ungefär lika mörkt som en månljus natt, sa Toon.

Medan himlen gradvis skulle ha ljusnat, fotosyntes skulle ha varit omöjligt i mer än ett och ett halvt år, enligt simuleringarna. Eftersom många av växterna på land redan skulle ha förbränts i bränderna, mörkret skulle troligen ha haft sin största inverkan på växtplankton, som underbygger havets näringskedja. Förlusten av dessa små organismer skulle ha haft en krusningseffekt genom havet, så småningom förödande många arter av marint liv.

Forskargruppen fann också att fotosyntesen tillfälligt skulle ha blockerats även vid mycket lägre nivåer av sot. Till exempel, i en simulering med endast 5, 000 miljoner ton sot – ungefär en tredjedel av den bästa uppskattningen från mätningar – fotosyntes skulle fortfarande ha varit omöjlig under ett helt år.

I simuleringarna, förlusten av solljus orsakade en brant minskning av medeltemperaturen på jordens yta, med ett fall på 50 grader Fahrenheit (28 grader Celsius) över land och 20 grader Fahrenheit (11 grader Celsius) över haven.

Medan jordens yta svalnade i studiescenarierna, atmosfären högre upp i stratosfären blev faktiskt mycket varmare eftersom sotet absorberade ljus från solen. De varmare temperaturerna orsakade ozonförstöring och gjorde att stora mängder vattenånga kunde lagras i den övre atmosfären. Vattenångan reagerade sedan kemiskt i stratosfären för att producera väteföreningar som ledde till ytterligare ozonförstöring. Den resulterande ozonförlusten skulle ha tillåtit skadliga doser av ultraviolett ljus att nå jordens yta efter att sotet rensat.

Den stora reservoaren av vatten i den övre atmosfären som bildades i simuleringarna gjorde också att lagret av solljusblockerande sot avlägsnades abrupt efter att ha legat kvar i flera år, ett fynd som överraskade forskargruppen. När sotet började lägga sig ur stratosfären, luften började svalna. Denna kylning, i tur och ordning, fick vattenånga att kondensera till ispartiklar, som tvättade ut ännu mer sot ur atmosfären. Som ett resultat av denna återkopplingsslinga – kylning som orsakade nederbörd som orsakade mer avkylning – försvann det tunna sotlagret på bara några månader.

Utmanar modellen

Medan forskarna tror att den nya studien ger en robust bild av hur stora injektioner av sot i atmosfären kan påverka klimatet, de varnar också för att studien har begränsningar.

Till exempel, simuleringarna kördes i en modell av dagens jord, inte en modell som representerar hur jorden såg ut under kritaperioden, när kontinenterna låg på lite olika platser. Atmosfären för 66 miljoner år sedan innehöll också något olika koncentrationer av gaser, inklusive högre halter av koldioxid.

Dessutom, simuleringarna försökte inte redogöra för vulkanutbrott eller svavel som frigjordes från jordskorpan på platsen för asteroidnedslaget, vilket skulle ha resulterat i en ökning av ljusreflekterande sulfataerosoler i atmosfären.

Studien utmanade också gränserna för datormodellens atmosfäriska komponent, känd som Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM).

"En asteroidkollision är en mycket stor störning - inte något du normalt skulle se när du modellerar framtida klimatscenarier, " Sa Bardeen. "Så modellen var inte designad för att hantera detta och, när vi gick, vi var tvungna att justera modellen så att den kunde hantera några av händelsens effekter, såsom uppvärmning av stratosfären med över 200 grader Celsius."

Dessa förbättringar av WACCM kan vara användbara för andra typer av studier, inklusive modellering av ett "nukleär vinter"-scenario. Liksom globala skogsbränder för miljoner år sedan, explosionen av kärnvapen kan också injicera stora mängder sot i atmosfären, vilket kan leda till en tillfällig global nedkylning.

"Mängden sot som skapades av kärnvapenkrigföring skulle vara mycket mindre än vi såg under K-Pg-utrotningen, " Sa Bardeen. "Men sotet skulle fortfarande förändra klimatet på liknande sätt, kyla ytan och värma upp den övre atmosfären, med potentiellt förödande effekter."