罗切斯特大学的研究人员对20亿年前形成弗里德堡陨石坑（Vredefort crater）的撞击进行了更精确的模拟。大约20亿年前，一个撞击器向地球急速飞来，在离现在南非约翰内斯堡不远的地方撞上了地球。这个撞击器，很可能是一颗小行星，创造了现在地球上最大的陨石坑。根据早期的研究，科学家们基本上承认，弗里德堡陨石坑是由一个直径约为15公里（约9.3英里）、速度为每秒15公里的天体造成的。
然而，罗切斯特大学最近的一项研究表明，这个撞击物可能大得多，这将对整个地球产生灾难性的影响。这项研究最近发表在《地球物理研究》杂志上，提高了人们对这次大规模撞击的理解，为更真实地模拟过去和未来在地球和其他星球上发生的撞击事件铺平了道路。
“了解我们在地球上最大的撞击结构至关重要，”Natalie Allen说，她现在是约翰斯·霍普金斯大学的博士生。Allen是该论文的第一作者，该论文基于她在罗切斯特大学本科时与地球和环境科学助理教授Miki Nakajima进行的研究。“能够获得像弗里德堡陨石坑这样的结构所提供的信息是一个很好的机会来测试我们的模型和我们对地质证据的理解，以便我们能够更好地理解对地球和其他地方的影响。”
弗里德堡陨石坑经过20亿年的侵蚀。正因为如此，科学家们很难确定最初撞击时陨石坑的确切大小，因此也很难确定产生陨石坑的撞击器的大小和速度。
一个直径172公里（107英里）的陨石坑将由一个大小为15公里（9.3英里）、以每秒15公里（9.3英里）的速度移动的天体创造。然而，这比目前对弗里德堡陨石坑的估计要小得多。根据新的地质证据和测量结果，科学家们估计，在撞击时，该结构的原始直径应该在250至280公里（155至174英里）之间。
Allen、Nakajima和他们的同事进行了模拟，以匹配陨石坑的最新尺寸。他们的结果显示，一个撞击器必须大得多--大约20至25公里（12.5至15.5英里）--并且以每秒15至20公里（9.3至12.4英里）的速度飞行，才能解释一个250公里大小的陨石坑。
这意味着形成弗里德堡陨石坑的撞击器将比6600万年前导致恐龙灭绝的小行星更大，后者形成了希克苏鲁伯陨石坑（Chicxulub Crater）。那次撞击对全球产生了破坏性影响，包括温室效应、广泛的森林火灾、酸雨和臭氧层的破坏，此外还导致了杀死恐龙的白垩纪-古近纪灭绝事件（简称K-Pg事件）。
如果形成弗里德堡陨石坑的小行星比形成希克苏鲁伯陨石坑小行星撞击的能量更强，那么弗里德堡陨石坑可能会造成更加灾难性的全球后果。
Nakajima说：“与希克苏鲁伯撞击不同，鉴于20亿年前只有单细胞生命体，没有树木存在，弗里德堡撞击并没有留下大规模灭绝或森林火灾的记录。然而，这次撞击对全球气候的影响可能比希克苏鲁伯撞击更广泛。”
她说，来自弗里德堡撞击的灰尘和气溶胶会扩散到整个地球，阻挡阳光，冷却地球表面。“这可能会对光合作用的生物体产生破坏性的影响。在尘埃和气溶胶沉降之后--这可能需要数小时到十年的时间--从撞击中排放出的二氧化碳等温室气体将使全球温度在很长一段时间内可能上升数度。”
模拟结果还使研究人员能够研究撞击所喷出的物质以及这些物质从陨石坑走过的距离。他们可以利用这些信息来确定数十亿年前陆地的地理位置。例如，以前的研究确定，来自撞击体的物质被抛射到了今天的卡累利阿共和国。利用他们的模型，Allen、Nakajima和他们的同事发现，在20亿年前，包含卡累利阿的陆块距离南非的火山口只有2000至2500公里--比今天的两个地区要近得多。
“要约束很久以前的陆地的位置是非常困难的，”Allen说。“目前最好的模拟绘制了大约10亿年前的地图，而且越往后不确定因素越大。澄清证据，如这种喷出物层的映射，可能使研究人员能够测试他们的模型，并帮助完成对过去的看法。”
本科生的研究导致了论文的发表
这篇论文的想法是作为Nakajima教授的《行星内部》（现名为《行星内部物理学》）课程期末考试的一部分产生的，Allen在大三时选修了该课程。
Allen说，将本科生的工作成果转化为同行评议的期刊文章的经历非常有意义，对她申请研究生院有帮助。
“当Nakajima教授找到我，问我是否想一起工作，把它变成可发表的作品时，这真的很令人欣慰，也很有说服力，”Allen说。“我已经制定了自己的研究想法，而它被另一位科学家视为足够令人信服，他们认为它值得发表！”
她补充说：“这个项目远远超出了我通常的研究舒适区，但我认为这将是一个很好的学习经验，将迫使我以一种新的方式应用我的技能。在我准备上研究生时，它给我的研究能力带来了很大的信心。”