Космос.
ГЛАВА II. КОСМИЧЕСКИЕ КАТАСТРОФЫ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ.
Логично предположить, что наша планета должна была подвергаться метеоритным «атакам» не меньше соседней Луны. Однако на Земле крупные кратеры (следы космической бомбардировки) были открыты сравнительно недавно и в гораздо меньшем количестве. Этот кажущийся парадокс объясняется резким различием природных условий на Земле и её спутнике. На нашей планете в результате вулканизма и тектонических подвижек, под действием воздуха, воды и биосферы древние кратеры разрушались и перекрывались позднейшими отложениями.
На Земле лучше других сохранился кратер в Аризоне, известный учёным ещё с 1880-х гг. Первоначально его считали вулканическим, но многолетние исследования доказали его космическое происхождение. Это след встречи Земли с небесным телом, состоявшейся около 50 000 лет тому назад, а хорошая сохранность кратера объясняется недавним (в геологическом смысле) временем его образования и сухим климатом района. Космическая «бомба» имела диаметр около 60 метров и массу несколько миллионов тонн. Такой «ударник» в равной степени можно считать и крошечным астероидом, и гигантским метеоритом. Его удар при скорости 20 км/с вызвал взрыв энергией 10–20 мегатонн. В результате образовался кратер шириной 1200 м и глубиной около 200 м. Подсчитано: чтобы вырыть яму размером с Аризонский кратер, понадобилось бы затратить около 20 млн. долларов.
Индейцы назвали эту воронку «Каньоном Дьявола». Появившиеся здесь белые поселенцы стали использовать найденное в кратере и его окрестностях космическое железо для изготовления различных предметов, разумеется, не задумываясь о происхождении металла. Лишь в 1891 г. один из металлических обломков попал в руки американского учёного А.Э. Фута, который предположил метеоритную природу металлических осколков. В окрестности кратера в одном из найденных кусков металла Фут заметил мелкие зёрна алмазов, образовавшихся при взрыве. В 1902 г. Аризонским кратером заинтересовался горный инженер Д.М. Барринджер. Он приобрёл всю территорию кратера в собственное владение и до конца жизни (до 1929 г.) занимался его детальным изучением. Барринджер надеялся найти и раскопать само тело железного метеорита, правда, чтобы использовать его в экономических целях!
Позднее Аризонский кратер продолжали исследовать другие ученые. Американский геолог Х.Х. Найниджер на дне и склонах кратера, а также в его окрестностях на расстоянии до нескольких километров нашел несколько тысяч кусков метеоритного железа. Неутомимый исследователь обнаружил также тонко рассеянное космическое вещество в раздробленных породах, выявил импактиты — породы, характерные практически для всех взрывных кратеров. Всего к настоящему времени в районе взрыва собрано 12 тонн метеоритного железа. В 1946 г. вблизи кратера был основан музей, а в расположенном по соседству Флагстафе открыли Астрономический центр Геологической службы США.
В первой половине XX в. на земной поверхности удалось обнаружить несколько десятков кратеров космического происхождения. Правда, все они были значительно меньше Аризонского — не более 220 метров.
Хорошо сохранился ударный метеоритный кратер Монтаракуи на территории Чили в пустыне Атакама. Его диаметр 460 метров, возраст менее миллиона лет. В центральной части впадины — небольшое озеро. Четкие формы кратера объясняются минимальной водной и ветровой эрозией, характерной для высокогорных пустынь.
Кратер в Аризоне, США.
Кратер Каали в Эстонии.
Кратер Пингуалуит на севере Квебека в Канаде.
Среди метеоритных — целая группа кратеров Каали на острове Сааремаа в Эстонии. Происхождение кратеров на острове Сааремаа оставалось загадкой ровно 100 лет, пока за их исследование не взялся горный инженер И. Рейнвальд. С 1927 по 1941 г. исследователь изучал природу кратеров, причём тратил на это всё свободное время и большую часть своего заработка. Прежде всего геолог, как и многие его предшественники, заинтересовался загадкой происхождения округлого озера Каали. Проведённые измерения позволили установить, что озеро имеет в поперечнике 1 10 метров и глубину 16 метров. Озеро было окружено характерным валом. В своих работах Рейнвальд опирался на труды Барринджера. В 1937 г. Рейнвальду удалось обнаружить кусочки метеоритного железа, правда, общим весом всего чуть более килограмма. Для этого пришлось просеять горы грунта, выкопанного из нескольких сухих кратеров. Так была надежно доказана космическая природа кратеров на острове Сааремаа. В 1956 г. эстонский геолог А.О. Аалоэ установил возраст самого большого из группы кратера. Оказалось, что он возник всего 2660 лет тому назад. Вблизи этого кратера основан музей, где проходят научные конференции по проблемам метеоритики.
Со временем стало ясно, что кратеры космической природы (космогенные) от кольцевых структур земного (эндогенного) происхождения можно отличить с помощью высокоточного химического анализа. При этом учёные сравнивают состав пород, находящихся под кратером (цокольных), с веществом самой кольцевой структуры. Не следует думать, что в кратере ищут особые «космические» элементы. Мы уже знаем, что их просто не существует. Анализируют процентное содержание таких редких элементов, как никель, кобальт, осмий, иридий и некоторые другие. Все они в очень малых количествах присутствуют и в космических, и в земных породах, но в метеоритах, астероидах и кометах концентрация этих элементов в сотни, а то и в тысячи раз выше. Более того, та или иная пропорция элементов позволяет порой судить, какого типа небесное тело произвело взрыв — каменное, железное ил и железо-каменное. Наконец, бесспорным доказательством является находка внутри или за пределами взрывных кратеров осколков метеоритов. От земных пород легче отличить фрагменты железных, чем каменных посланцев космоса. Оказалось, что именно железным метеоритам и астероидам значительно чаще других удаётся прорваться к поверхности Земли с космической скоростью.
Взрывы, вызванные столкновением с космическим телом, ученые называют импактными событиями (на английском «impact» — «столкновение»). Часто и кратеры космического происхождения называют импактными, то есть образованными в результате удара.Несколько крупных кратеров импактного происхождения, начиная с 1950-х гг., обнаружили на территории Канады. Одним из первых — относительно большой и хорошо сохранившийся кратер Нью-Квебек. Он представляет собой круглое озеро глубиной 250 м и поперечником около 3,5 км. Кольцевой вал кратера возвышается на 160 м над уровнем окружающих его сельскохозяйственных угодий. Раздробленные и выброшенные взрывом гнейсы находят на расстоянии до 2 км от краёв кратера. Несомненно, значительная их часть унесена водными потоками. Учёные полагают, что этот относительно молодой кратер образовался около полутора миллионов лет назад.
* * *
Астроблемы Большой вклад в поиски метеоритных кратеров на территории Северной Америки внес геолог Р. Дитц. Он же в 1960 г. предложил для обозначения древних метеоритных кратеров, изменённых позднейшими геологическими воздействиями, термин «астроблемы». Это слово с греческого на русский можно перевести как «звёздные раны». Действительно, в далёком геологическом прошлом астероид взрывным ударом глубоко поранил тело Земли. В дальнейшем наша планета, подобно раненым деревьям или животным, постепенно «залечивала» раны, и повреждённое место сглаживалось. Термин «астроблемы» закрепился в научной литературе. Обычно кратеры размером до сотен метров имеют возраст менее миллиона лет. И это вполне объяснимо — они, как и другие мелкие неровности земной поверхности, скорее разрушаются под действием ветра, воды и иных факторов. Напротив, возраст наиболее крупных астроблем поперечником в десятки и более километров измеряется десятками и сотнями миллионов лет. Поэтому астроблемы, родившиеся в фанерозое и имеющие поперечник более 10 км, можно уверенно опознать при космической съёмке и наземном геологическом обследовании. Особенно долго сохраняются следы древних ударов, если они пришлись на поверхность, сложенную твёрдыми кристаллическими породами. Именно такие породы характерны для Канадского щита. Здесь, на севере Канады в провинции Квебек расположен ударный кратер Маникуаган диаметром 100 км! На месте кратера, образовавшегося, вероятно, около 200 млн. лет назад, сформировался водный кольцевой бассейн поперечником 70 км. Твердые кристаллические породы на месте взрывного удара астероида сохранили сложную импактную структуру. Этот кратер оказался наиболее изученным. По расчётам российских учёных, его образование сопровождалось мгновенным высвобождением энергии, равной примерно 1023 Дж, что больше суммарной энергии всех землетрясений на Земле за 10 тыс. лет. Этой энергии достаточно, чтобы расплавить 103 кубокилометра земных пород. За пределами озера сохранились следы космического удара — оплавленные породы, «загрязнённые» метеоритным веществом, деформированные ударом кристаллы кварца и полевого шпата. В наше время известны ещё две огромных астроблемы с точно установленным временем импактного события: стокилометровая Попигайская в России (возникла около 40 млн. лет тому назад) и Садбери в Канаде поперечником 140 км. Садбери — один из древнейших и крупнейших ударных кратеров на Земле. Катастрофическое падение астероида, породившее кратер, случилось примерно 1850 млн. лет тому назад. Подтверждением ударно-взрывного происхождения Садбери являются сохранившиеся в астроблеме стеклянные расплавы и другие плавленые породы — импактиты. Кольцевая структура на севере Среднесибирского плоскогорья в бассейне реки Попигай, притока Хатанги, известна давно. Советские геологи открыли её в 1946 г. Исследования, проведённые группой В.Л. Масайтиса, позволили установить истинную — космическую природу Попигайской котловины. По расчётам, при ударе астероида в кратере было расплавлено около 1750 кубокилометров горных пород. Он мог быть образован при ударе со скоростью около 25 км/с каменного астероида поперечником 5 км. Катастрофа произошла 38,9 миллиона лет назад. К 2007 г. в нашей стране было обнаружено 15 крупных ударных кратеров, хотя, по расчётам учёных, за время фанерозоя в результате космических ударов их могло возникнуть от 100 до 200. Фотографируя земную поверхность с борта космических аппаратов, удалось обнаружить кратеры ещё больших размеров.
Дальнейшие исследования позволили установить, что два округлых озера гораздо большего размера в провинции Квебек также имеют ударное происхождение. Эти кольцевые структуры диаметром 20 и 32 км назвали по месту расположения Клиавотер, что значит «чистая вода». Кратеры образовались около 300 млн. лет назад в результате удара двух крупных космических тел. Такой двойной удар — явление чрезвычайно редкое. Кольцо островов в пределах большего западного кратера укрыто лавами ударного происхождения и имеет поперечник около 10 километров. Центральное поднятие меньшего кратера полностью оказалось под водой.
Природа кольцевой структуры Ришат в Африке пока неизвестна.
Позднее были открыты кратеры Уэллс Крик в США и Босумтви в Гане по 10 км каждый, Нардлинген Рис в Германии (24 км) и другие.
Не всегда удаётся разгадать природу уже известных кольцевых структур. Например, кольцевая структура Ауронга в пустыне Сахара сначала была погребена под более молодыми отложениями, а затем частично вскрыта эрозией. Общий диаметр Ауронги примерно 13 км, а возраст около 350 млн. лет.
Структура Ауронги недостаточно изучена, о её происхождении учёные спорят до сих пор. Французские исследователи взяли там образцы пород, в которых отчетливо видны признаки изменения первоначального строения под действием сильного удара (специалисты это называют ударным метаморфизмом). Поэтому большинство исследователей теперь склоняются к мнению, что кольца имеют космическую природу. А вот кольцевую структуру Ришат, также расположенную в африканской Сахаре, долго считали ударным кратером. Радиолокационные исследования с орбиты помогли учёным увидеть подробности рельефа. Наземные исследования не подтвердили космическую природу Ришат. Никаких свидетельств внешнего удара обнаружить не удалось: поверхность внутри колец почти не заглублена, изменённые взрывом породы отсутствуют. Нет здесь и проявлений вулканизма. Скорее всего, на месте этих колец когда-то происходил процесс поднятия слоев осадочных пород, сопровождавшийся разрушительным действием эрозии. Но и в этом случае остается трудно объяснимой загадкой почти идеально круглая форма структуры Ришат.
К нашему времени на планете обнаружено более 230 кратеров ударно-взрывной космической природы. Из них в России — 35. Изученные земные астроблемы похожи на кратеры Луны, Марса, Меркурия. «Плотность» астроблем в разных частях света очень неравномерна и в большой мере зависит от степени изученности территорий. Поэтому в Европе и в Северной Америке число найденных астроблем значительно больше, чем в Африке. Многие учёные полагают, что предстоит открыть ещё не одну сотню «космических ран» на Земле.Импактные события — грозные явления природы.
Падение на Землю небесных тел в некоторых случаях может привести к катастрофическим последствиям. Их масштабы прежде всего зависят от скорости и массы падающего на Землю тела. Скорость встречи Земли с космическим объектом может быть от 1 1,2 до 72,8 км/с. 11,2 км/с — это II космическая скорость, которая необходима, чтобы преодолеть земное притяжение и улететь в межпланетное пространство. Такую же скорость под действием гравитации Земли разовьёт даже медленно подлетающий к ней метеороид. Максимальная скорость — 72,8 км/с — складывается из орбитальной скорости нашей планеты и скорости летящего навстречу ей метеороида.
Удар космического «странника» сначала принимает на себя воздушная оболочка Земли. Сила торможения в атмосфере будет тем больше, чем больше размер «космического пришельца». Ведь от этого зависят объём и площадь воздушной подушки, которую создаёт перед собой вторгшееся тело. Если масса уплотняющейся воздушной подушки окажется в 10 раз больше массы метеорита, его скорость может быть погашена больше чем на 90%. В некоторых случаях скорость приземления бывает так мала, что даже многотонный «пришелец» не выроет воронки. Характерный тому пример — самый большой из исследованных учёными железный метеорит Гоба массой около 60 т. Этот железный метеорит, скорей всего, вошёл в атмосферу и продолжал двигаться к земной поверхности под очень малым углом, поэтому в процессе постепенного торможения не только погасил почти всю скорость, но сохранил свою форму. Учёные полагают, что каменный метеорит подобной массы мог бы раздробиться в воздухе.
Метеорит Гоба крупным планом.
Метеорит Эскуэль — один из самых красивых палласитов, он найден в 1951 г. на юге Аргентины.
При большей скорости падения метеориты образуют либо ударные, либо взрывные кратеры. Ударные кратеры, размер которых зависит от величины метеорита, появляются при скоростях падения до 4 км/с. При этом участок земной поверхности обычно деформируется, породы дробятся и вылетают из образующегося кратера. При ударе со скоростью 5 км/с и более (высокоскоростной удар) происходит взрыв, величина энергии которого зависит от массы и скорости «ударника» (так специалисты называют врезавшееся тело).
Крупнейшая кольцевая ударная структура Вредфорт в Южной Африке.
Именно они определили зависимость диаметра кратера от энергии метеорита. При массе т, скорости метеорита v энергия Е = mv2/2, диаметр кратера D пропорционален Е1/3. Таким образом, о величине освобождающейся при этом энергии можно судить по размерам обнаруживаемых астроблем. Их истинные размеры удаётся выяснить далеко не сразу.
Например, кольцевая структура Вредфорт находится на юго-востоке Африки приблизительно в 100 км от Иоганнесбурга, в центральной части золотоносного бассейна Витватерсранда. Ярко выраженное в рельефе ядро структуры имеет примерно 40 км в диаметре. Оно сложено древними кристаллическими породами. Плоское ядро окружает приподнятое над ним кольцо более молодых осадочных отложений и застывших лав. Оказалось, что эти молодые геологические слои скрывают значительную часть древнего кратера. Диаметр покровного кольца около 80 км. Дальнейшее изучение изменений в структуре пород под действием взрыва позволило установить первоначальный диаметр кратера. Он достигал 300 км и сейчас полностью охватывает весь золотоносный бассейн Витватерсранда. Специалисты считают, что сохранение крупнейших в мире золотых месторождений бассейна.
Витватерсранда объясняется наличием этого обширного кратера. В частности, древняя структура Вредфорт затруднила вымывание драгоценного металла водными потоками. Астроблема начала свою историю приблизительно 2 млрд. лет назад. Это самая древняя и наиболее изученная ударная структура на Земле.
Сравним высвобождаемую при импактном событии энергию с энергией других грозных явлений природы.
Наша планета получает от Солнца ежегодно колоссальное количество энергии — 5,2∙1024 Дж.
Суммарная годовая энергия землетрясений в 500 000 раз меньше — 1,0∙1019 Дж.
При извержении в 1883 г. вулкана Кракатау в считанные минуты освободилась энергия 1,81∙1019 Дж, а вулкана Тамбора в 181 5 г. — 1,44∙1020 Дж.
При импактных событиях — образовании метеоритного кратера — земная кора может получить гораздо больше энергии:
Для кратера 10 км — 1021 Дж.
Для кратера 50 км — 1023 Дж.
Для кратера 70 км — 1025 Дж.
То есть при образовании не самого большого ударно-взрывного кратера диаметром 70 км выделяется разрушительная энергия, в 10 000 раз большая, чем при самом катастрофичном в истории вулканическом извержении.
Как видим, по энергетике импактные явления вне конкуренции. Причём при импактном событии выделение энергии происходит за считанные секунды или даже за их малые доли, а вулканическое извержение может продолжаться от нескольких минут до многих часов, поэтому и результаты этих грозных явлений природы несравнимы.
Как протекает импактное событие?
Если в момент контакта скорость «ударника» более 5 км/с, он потеряет её, зарывшись в грунт, и большая часть кинетической энергии мгновенно превратится в тепловую и механическую. При скорости более 1 5 км/с в пар превратится не только вещество «ударника», но и окружающие его земные породы. Невероятная скорость этих превращений порождает энергию высочайшей плотности, которая обеспечивает столь же быстрое возрастание температуры и давления. Это в свою очередь дает импульс необычайно скоростного течения тепловых и механических процессов. Достаточно сказать, что скорость механического деформирования горных пород под действием взрыва астероида в миллиарды миллиардов раз (1018!) больше, чем во время землетрясений.
В момент удара и торможения сначала возникает ударная волна сжатия в земных породах и в веществе «ударника». За миллиардные доли секунды сила сжатия достигает поистине фантастических величин — сотен гигапаскалей. Это приводит к мгновенному разогреву контактирующего вещества до десятков тысяч градусов. Максимум через несколько секунд после удара и сжатия наступает разрежение.Происходящее образно описывает Л.П. Хрянина: «От точки взрыва распространяется ударная волна, имеющая шаровидный фронт. Наверху породы сначала вспучиваются, потом появляются яркие языки плазмы. Затем кровля этого «пузыря» раскрывается во все стороны подобно распускающемуся цветку, и тонкие края её падают на землю в перевёрнутом положении. Эта перевёрнутая складка на валу — один из признаков метеоритных кратеров.
Космическая бомбардировка Земли в представлении художника.
Взрыв выбрасывает вверх массу обломков, которые в дальнейшем обрушатся как на дно образовавшегося кратера, так и за его пределы».
Такая последовательность событий связана с тем, что в самом центре, где развивается многотысячная температура, происходит мгновенное испарение вещества и разлёт образующихся газов — т.е. взрыв. Несколько дальше от центра возникает зона плавления вещества земных пород и «ударника» с температурой более 1500 °С, вне её образуется зона механического воздействия — дробления, метаморфизма горных пород. И все это взрывной волной разбрасывается вокруг со скоростью несколько километров в секунду. Раскалённый огненный шар расширяется до тех пор, пока давление внутри него не сравняется с давлением окружающего воздуха. Из-за высокой температуры шар устремляется вверх. При этом он начнёт «выворачиваться наизнанку» и превратится в грибообразное облако, как при ядерном взрыве. При соответствующем размере и скорости «ударника» облако пара вместе с подхваченными им кусками пород и взвесью достигнет стратосферы, где и рассеется. В процессе взрыва могут образоваться и разнестись на огромные расстояния застывшие после расплава стекловидные камешки и шарики — тектиты и микротектиты.
После скоротечного образования кратера формирование астроблемы не заканчивается. Идет кристаллизация расплавленных пород, обрушение краёв кратера, под действием водных потоков и ветра происходит деформация поверхности, перемешивание образовавшихся пород — импактитов. В некоторых случаях импактное событие может спровоцировать землетрясение, подъём и вторжение (интрузию) магмы в образовавшиеся при взрыве трещины в подстилающих породах, вулканические извержения. Но все эти процессы уже длятся многие тысячи и миллионы лет.
На рисунке показан последовательный процесс образования взрывных метеоритных кратеров в слоистой поверхности планеты.
Если учесть все обнаруженные астроблемы на достаточно хорошо изученной территории Северной Америки и Европы и считать, что весь земной шар подвергался космической бомбардировке такой же интенсивности, можно попытаться оценить размеры и число образовавших их астероидов. Это позволяет также найти концентрацию опасных астероидов в околоземном космическом пространстве на протяжении фанерозоя. Некоторые расчёты показывают, что за 570 млн. лет фанерозоя выпало около 200 астероидов размером 3,5 ± 1,0 км. Следовательно, такие падения происходили в среднем каждые 2,9 млн. лет. Разрушительное действие «ударников» зависело от их скорости и состава. Столкновение с железным астероидом при прочих равных условиях значительно опаснее, чем с каменным. Согласно некоторым расчётам максимальный размер астероида, с которым могла столкнуться наша планета за последние почти 600 млн. лет (длительность фанерозоя), достигает 1 5,6 ± 4,7 км. При плотности 4 г/см3 он может иметь массу до 8∙1018 г или 8 трлн. тонн, а энергию удара 7∙1024 Дж. При падении на твердую поверхность Земли взрыв оставит след в виде кратера поперечником 110 км.
Падения крупных астероидов случаются, вероятно, значительно чаще кометных ливней. Причём выпадают они, судя по обследованным взрывным кратерам, не группами, а поодиночке и с разными интервалами.
Крупнейшие астроблемы планеты.
В последнее время российская ученая Л.П. Хрянина и канадский исследователь Д. Мак-Ларен независимо пришли к убеждению, что длительное массовое вымирание в миоцене и в начале плиоцена (на эти две эпохи делится неогеновый период), как и наступление очередного великого оледенения, вызвано падением астероида в Антарктике, в прибрежной зоне Южного океана. Астероид был так велик, что вызвал страшной силы взрыв с образованием одной из самых крупных «звездных ран» на теле планеты — 500-километрового кратера Баурс.
Эта катастрофа случилась менее 30 млн. лет назад. В то время Антарктида была мало похожа на современный ледяной материк. Трудно поверить, но тогда на этом материке ледники лежали только высоко в горах, а всю её равнинную часть покрывали разнотравье, кустарники и широколиственные леса.
Материковое оледенение началось лишь 22–25 млн. лет назад. С чем связано резкое изменение климата Антарктики?
Более 20 млн. лет назад, в начале миоцена, наряду с развитием материкового оледенения Антарктиды море Росса вдруг лишилось ледникового покрова и фауна испытала мощное развитие. Это удалось установить, анализируя осадки, добытые буровой установкой с борта исследовательского корабля «Гломар Челленджер».
К удивлению учёных, в слоях того времени органические остатки составляли до 40%, а в отдельных случаях и до 90%. Толщина слоя, богатого органикой, и некоторые другие данные свидетельствуют, что период потепления в море Росса длился от одного до полутора миллионов лет. Бурение вскрыло также двадцатиметровый слой брекчии — каменных обломков разных размеров и различного состава, сцементированных более мелкими частицами. Поверхность камней покрыта трещинами с острыми крючковатыми краями. Специалисты, изучавшие эти отложения, назвали их реголитом — за сходство со «спекшимся» лунным грунтом, переработанным метеоритной эрозией.
Характер брекчий и изменённая структура лежащих непосредственно под ними слоев мрамора и гнейса свидетельствует о том, что в далёком прошлом здесь взорвался очень крупный астероид. Результатом взрыва, скорей всего, можно объяснить обнаруженную в отложениях этого периода беспорядочную «мешанину» остатков фауны миоцена и плиоцена, а также раздробленность раковин устриц.В дальнейшем в прибрежной части материка и в море Росса с помощью сейсмических исследований удалось обнаружить впадину древнего взрывного кратера диаметром около 500 км (!) и глубиной больше 4 км. Определение возраста пород, лежащих на дне ископаемого кратера, показало, что катастрофическое падение астероида произошло 27–30 млн. лет назад. Это грандиозное разрушительное событие отразилось в геологии Антарктики. Тому далёкому времени соответствует размыв пород в Тасмановом море и отложений шельфа всего материка. Вероятно, с этой катастрофой связано и образование пролива Дрейка, разделяющего Антарктиду и Южную Америку.
Но главное — столь масштабный взрыв должен был привести к изменению климатических условий.
Какая же экологическая катастрофа должна была последовать за взрывом, создавшим в теле планеты 500-километровую рану! Образование кратера Баурс с испарением колоссальных масс воды и твёрдых пород неизбежно привело к резкому похолоданию. К тому же в тот период истории Земли произошли и другие катастрофические столкновения с астероидами.
Исследования советских учёных показали, что на раннем этапе своего существования («догеологический» период) наша планета пережила самую сильную в её истории атаку со стороны ансамбля так называемых планетезималей. Об этом свидетельствуют следы той бомбардировки, сохранившиеся на «теле» нашей космической соседки — Луны. Полагают, что за первые 600 млн. лет на Земле от ударов космических тел размерами несколько десятков километров могло образоваться 25 бассейнов поперечником около 1000 км и тысячи кратеров диаметром более 100 км. Удары и взрывы вызывали разогрев всего тела Земли, приводили к массовому плавлению коры и мантии, а также к подъему по образовавшимся трещинам глубинных потоков магмы, которые заливали возникшие от ударов обширные понижения земной поверхности. В то время наша планета своим видом и свойствами поверхности напоминала Луну.
Антарктида.
Поскольку следы тех далёких событий почти полностью стёрты позднейшими геологическими процессами, свои представления о ранней Земле учёные основывают на сравнительном изучении нашей планеты и других небесных тел, поскольку Луна, Меркурий, некоторые спутники планет-гигантов гораздо лучше сохранили следы своего далекого прошлого.Еще в 1964 г. Р. Дитц выдвинул гипотезу, что самый большой океан планеты — Тихий — представляет собой структуру ударного происхождения. Если это действительно так, то при катастрофическом ударе планета могла лишиться значительной части земной коры. На дне колоссального кратера должны были образоваться радиальные и кольцевые разломы коры, достигавшие мантии. Поскольку давление в мантийных слоях выше, чем в земной коре, магма вытеснялась к поверхности и изливалась в центральной части кратера. Так на месте «ран» могли образоваться своеобразные «пластыри» базальтов. Описанный процесс в наше время можно наблюдать в срединно-океанических хребтах — рифтовых зонах — местах растяжений и разломов в земной коре. По мнению Р. Дитца, эти хребты, в которых образуется новая кора, могут быть способом залечивания ран в земной коре, возникших от ударов наиболее массивных астероидов.
Ясно, что поиск и исследование астроблем на Земле должны быть продолжены, т.к. это имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение для определения вероятности космических катастроф в будущем.
Отчего погибли динозавры?
Окаменевший скелет ихтиозавра, жившего на Земле 230–290 млн. лет назад.
На протяжении многих десятилетий палеонтологи ломали голову в попытках найти объяснение внезапному исчезновению многих видов животных, которое произошло в конце мелового периода истории планеты. Обычно при этом вспоминают о гибели динозавров. На самом деле тогда с лица земли исчезли более сотни видов рептилий, включая летающих ящеров — птеродактилей и предпочитавших водную стихию плезиозавров. А ведь до катастрофы на протяжении почти 150 млн. лет пресмыкающиеся занимали главенствующее положение в животном царстве планеты. На рубеже мелового и палеогенового периодов в океанах погибли почти все виды моллюсков, включая широко распространённых белемнитов и аммонитов, закрученные раковины которых являются украшением многих коллекций окаменелостей. Погиб даже планктон — водные микроорганизмы. Но многие учёные в связи с глобальной катастрофой, случившейся 65 млн. лет назад, вспоминают лишь о гибели гигантов-динозавров. Почему?
Череп тираннозавра.
Луис Альварес с сыном Уолтером у геологического разреза вблизи г. Губбио (Италия).
Такой стереотип сложился благодаря кино и телевидению, не раз показывавших нам этих животных — действительно крупнейших из когда-либо ходивших по земной поверхности. Мир динозавров (в переводе «ужасные ящеры»), процветавших в мезозойскую эру, был многообразен. Особо выделялся среди хищных динозавров мелового периода тираннозавр (Tyrannosaurus rex) — длина его тела превышала 1 5 м. В мезозойскую эру произошёл расцвет морских рептилий, среди которых до мелового периода дожили ихтиозавры («рыбоящеры»), внешне похожие на дельфинов и достигавшие в длину 12 м. Это были первые живородящие рептилии, все другие, существовавшие до них, откладывали яйца. Ещё один вид водных рептилий — плезиозавры — внешне напоминали некоторые виды динозавров. Те и другие обитатели морей были хищниками.
Известный отечественный исследователь массовых вымираний в истории Земли профессор МГУ А.С.Алексеев произвёл оценку «потерь» в эпоху мел-палеогенового кризиса для 9 групп животных, включая динозавров, кораллы, моллюсков, морских звёзд и морских лилий, костистых рыб — всего 3838 видов. Оказалось, что 90% видов этих животных исчезло. Всего же в кризисный период вымерло около 50% родов. Массовое вымирание организмов оказалось столь катастрофическим, что только лишь спустя 12–15 млн. лет разнообразие живых организмов на Земле стало увеличиваться.
Такое поистине великое вымирание можно объяснить только глобальной катастрофой. Наиболее естественным учёным казалось следующее объяснение: гибель гигантских рептилий наступила из-за начавшегося как раз в это время очередного периода оледенения и связанного с ним резкого снижения температуры. Поскольку пресмыкающиеся ящеры, в отличие от теплокровных млекопитающих, не могут поддерживать постоянную температуру тела, наступившие холода привели их к гибели. Все, казалось бы, логично. Но дело в том, что «кладбища» динозавров находят и в отложениях, которые могли накопиться только в районах с тёплым и влажным климатом. Массовое кладбище с окаменелостями сотен тысяч ископаемых существ обнаружили палеонтологи в американском штате Юта. О сенсационном открытии ученые сообщили в журнале «Nature» 5 мая 2005 г. Множество оригинальных находок и реконструкций древних обитателей Земли теперь можно видеть в экспозиции Музея естествознания Университета Юты.
Некоторые исследователи высказывали предположение, что вымирание динозавров связано с геологическими катастрофами — землетрясениями и вулканическими извержениями, которые привели к климатическим изменениям, гибельным для гигантских пресмыкающихся. Но наука не знает случаев глобальных геологических катастроф такой мощности.
По мнению других учёных, всему виной — конкурентная борьба видов за существование, в ходе которой более «продвинутые» и приспособленные к меняющимся условиям млекопитающие «победили» неповоротливых «отсталых» гигантов. Но до настоящего времени в природе сосуществуют и млекопитающие, и пресмыкающиеся.
Сегодня многие специалисты считают причиной этих глобальных потрясений падение на Землю астероида.
Известный физик лауреат Нобелевской премии Луис Альварес из Калифорнийского университета вместе со своим сыном — геологом Уолтером Альваресом исследовали глинистые отложения тех времён, взятые в районе итальянского городка Губбио. Результат оказался поразительным: содержание иридия в 30 раз превышало его концентрацию в выше и ниже лежавших породах. Иридий постоянно поступает к земной поверхности с метеорным веществом и метеоритами. Но здесь его содержание оказалось аномально высоким. Свою гипотезу о космической природе вымирания динозавров, подкреплённую результатами исследований, Альваресы опубликовали в 1980 г. Ещё до американских исследователей голландские геохимики Я. Смит и И. Хертоген в тех же пограничных слоях мелового и палеогенового возраста в Испании обнаружили повышенное содержание иридия и осмия. Причём в глинах, относящихся к тому же геологическому времени, которые были доставлены из Испании и позднее из Бельгии, иридия оказалось больше уже в сотни раз!
В центральной части астроблемы Чиксулуб — маленькое озеро.
Расчеты учёных позволили представить возможный сценарий катастрофы.
65 млн. лет тому назад в Землю с космической скоростью врезалось небесное тело диаметром около 10–15 километров. Вызванный этим взрыв выбросил в атмосферу «гриб» вещества по массе в 100 раз больший массы упавшего тела. Этого было достаточно, чтобы в стратосфере Земли образовался непрозрачный слой пыли и капелек серной кислоты, который почти перекрыл доступ к поверхности солнечного тепла и света. Планета на несколько месяцев, а может быть, и лет погрузилась в ночную тьму. Взрыв мог привести также к разрушению озонового слоя и к заражению окружающей среды окислами азота. В итоге погибла большая часть растений, служивших пищей для травоядных, которые поэтому также почти все вымерли. Гибельная цепь привела к смерти многих хищников. Мы видим, что вымирание происходило по пищевым цепям. Выжили лишь немногие виды мелких животных — млекопитающих, птиц, червей, насекомых, питавшихся продуктами разложения и друг другом. Именно сохранившиеся млекопитающие вскоре заселили нашу планету.
Чтобы установить место падения астероида, вызвавшего катастрофу, надо было отыскать астроблему подходящего размера и возраста. Учёным со временем как будто удалось это сделать. Оказалось, что несколько кратеров претендуют на роль «спусковых механизмов» великого массового вымирания. Большинство учёных, занимающихся этой проблемой, считают, что кратер подходящего размера и возраста — Чиксулуб. Эта кольцевая структура выявлена в 1990 г. на севере полуострова Юкатан в Мексике вблизи деревни Чиксулуб. Астроблема Чиксулуб в наше время на земной поверхности почти не выделяется. Древний кратер давно укрыт позднейшими отложениями горных пород, а его северная половина к тому же находится под водами Мексиканского залива. Однако с помощью разнообразных, прежде всего космических методов удалось выяснить его структуру и примерные размеры.
Принято считать, что диаметр кратера около 200 км. Однако разные специалисты определяют вероятные размеры кратера от 180 до 300 км. Дно кратера сейчас оказалось под слоями известняка на глубине от 300 до 1000 м. Истинные размеры кратера Чиксулуб до настоящего времени являются предметом дискуссии учёных.
Кратерное озеро Маникуаган в Канаде.
В любом случае энергия взрыва, способная «вырыть» такой огромный кратер, была достаточной, чтобы вызвать изменения в природе, которые привели к массовому вымиранию живых организмов. Мелпалеогенный возраст кратера был с достаточной точностью определён изотопным методом. Некоторые геологи считают, что в результате того удара образовался весь Мексиканский залив. Как оказалось, с границей мел-палеогена по возрасту совпадают ещё три кратера. Второй крупной кольцевой структурой примерно такого же возраста является Карский кратер, расположенный на севере Пай-Хоя на Полярном Урале. Его размер с учётом кольцевых террас 120 км. Возраст кратера, определённый разными методами, от 64,4 до 65,5 млн. лет. Есть ещё два кратера меньшего размера — Мэнсон в США (35 км) и Болтыш на Украине (24 км). Найдены несколько небольших астроблем примерно того же возраста поперечником всего несколько километров. Быть может, несколько импактных событий, случившихся в разных местах Земли, внесли свой вклад в глобальную катастрофу конца мелового периода.
У гипотезы глобальной космической катастрофы есть веские подтверждения. Слой отложений с высоким содержанием иридия обнаружен на границе мелового и палеогенового периодов не только в странах Европы, но и на дне Балтийского моря, Атлантического океана, а также в противоположном полушарии — в Новой Зеландии.
Много интересной информации появилось в результате исследования материала, извлечённого при бурении скважины в южной части Атлантического океана. Выяснилось, что на рубеже мел — палеоген резко снизилась биологическая продуктивность океана. Исследование слоя, обогащенного иридием, показало, что после импактного события среднегодовая температура упала на 8 °С. В дальнейшем примерно на 50 000 лет наступил период медленного повышения температуры на 2–10 °С. При таком изменении температурных условий в течение десятков тысяч лет могло случиться сравнительно быстрое вымирание фаунистических групп, включая динозавров.
К настоящему времени уже в полутораста пунктах обнаружено повышенное содержание иридия — этого своего рода «космического маркера». К тому же в этих местах не только содержание иридия, но и концентрация других элементов платиновой группы во многие десятки раз превышает уровень их обычного присутствия в земных отложениях. Обнаруженная концентрация соответствует «загрязнению» осадков метеоритным веществом на 5–7%. По мнению большинства специалистов, катастрофный слой представляет собой осаждённую пыль, поднятую в атмосферу взрывным ударом кометы или астероида.На основании данных о концентрации иридия в отложениях рубежа мел — палеогена учёные пытаются определить массу тела, вызвавшего катастрофу. Ведь пределы содержания редкоземельных элементов в метеоритах разного типа хорошо изучены.
Задача осложнялась тем, что концентрация иридия в пограничном глинистом слое в разных местах различна, а порой даже опускается до нуля. Чем объяснить такие различия?
* * *
Пограничный горизонт Геологические свидетельства мел — палеогеновой катастрофы подробно и комплексно рассмотрел профессор МГУ А.С. Алексеев. Пограничный слой между мелом и палеогеном уникален своей распространённостью по всему земному шару. Слой прослеживается в геологических разрезах на всех материках и в отложениях дна всех океанов. Обычно это очень тонкая прослойка, мощность которой измеряется миллиметрами и сантиметрами. В редких случаях она достигает полуметровой толщины. Чаще всего этот слой сложен чистой глиной или глинистым известняком, а также мергелем, который содержит до 50% той же глины. Поэтому многие учёные называют эту прослойку «пограничный глинистый горизонт» — ПГГ. ПГГ имеет чаще всего чётко выделяющееся ровное основание или, как говорят геологи, резкую подошву. Если нижняя часть слоя — тонкие глины, то вверх растёт доля карбонатов — известняка, мергеля, мела. ПГГ уникален несколькими особенностями. Наивысшая концентрация иридия наблюдается у подошвы ПГГ. Повышено содержание и других элементов — группы платины, никеля, кобальта, золота, мышьяка, меди, цинка, хрома, титана, ванадия. Их соотношение почти такое же, как и в космических телах. Учёные не сомневаются, что это часть рассеянного вещества взорвавшегося астероида. Есть в ПГГ мельчайшие (до 0,6 мм) зёрна кварца и полевого шпата также ударного происхождения. Такие же зёрнышки находят в астроблемах и воронках от ядерных взрывов. В отдельных разрезах ПГГ находят сфероиды (сферулы) — шарики диаметром до 2 мм, аналогичные тем, что обнаружены в районе Тунгусской катастрофы. Они представляют собой застывшие пары импактного взрыва. Другой характерной особенностью отложений ПГГ во всех странах Северной Америки является содержание в них мельчайших кристалликов алмазов взрывного происхождения. Они также повторяют иридиевую аномалию. Очень важным для понимания последствий взрыва было обнаружение сажи — мелких частичек чистого углерода, объединённых в пористые пылинки и мельчайшие шарики. Существенно, что сажевые включения в ПГГ распространены по всей планете. Причём сажи здесь сконцентрировано в несколько раз больше, чем в соседних слоях. Масса сажи так велика, что её возникновение могло быть вызвано штормовыми пожарами, начавшимися после взрыва астероида. Такое количество сажи могли дать пожары, в которых сгорело до 10% от современного уровня биомассы.
На геологическом разрезе в Северной Америке среди осадочных пород хорошо виден тонкий слой ППГ.
Различная концентрация иридия в разных местах может быть обусловлена как минимум двумя причинами:
— во-первых, воздушные массы вряд ли равномерно могли рассеять по планете испарившееся при взрыве вещество «ударника»;
— во-вторых, отложения продуктов взрыва в некоторых местах наверняка в дальнейшем были вскрыты водой или ветром, а потом ими же снесены к новому месту осадконакоплений. Этим же, скорее всего, можно объяснить залегание переотложенного слоя иридия в более поздних горизонтах.
Рассчитанная группой московских учёных глобальная масса иридия в отложениях приблизительно составляет 4,5∙1011 г (450 000 т).
Эти же авторы на основе соотношений иридия с другими принесёнными «ударником» элементами установили, что, скорее всего, гибель динозавров и других видов животных и растений принёс на Землю астероид типа «С». Напомним, что такие астероиды по своей природе близки к каменным метеоритам типа углистых хондритов. Для большей надёжности получаемых результатов в первую очередь учитывали аномальное содержание элементов-маркеров в наиболее полных разрезах морских отложений, сложенных карбонатным материалом, т.к. именно они меньше всего содержат те же элементы земного происхождения.
На фотографии, полученной с помощью электронного микроскопа, хорошо видна сферула диаметром 40 миллимикрон.
Метеоритная бомбардировка планеты в представлении художника.
В отложениях конца мелового периода найдено много следов внутренней активности земной литосферы. В это время отмечено одно из самых грандиозных наступлений океана на сушу (трансгрессия). Уровень океана был на 200–300 м выше, чем в наши дни. В то же время некоторые участки земной коры испытали поднятие. Это подтверждает исследование слоев горных пород в Южном Урале, в Саратовской области, Горном Крыму и в Южной Америке. Однако на исходе мелового периода учёные выявили кратковременные углубления морей в том же Крыму и в Саратовской области, а также в Прикаспии — в районе Мангышлакского полуострова, на севере Западной Европы, в других районах. Такие местные поднятия и опускания отдельных участков земной поверхности говорят о мощных внутренних процессах в земной коре.
На рубеже мел — палеоген найдены отложения, которые геологи называют цунамигенными, т.е. принесёнными огромными волнами цунами. Сначала, в 1987 г., их нашли на территории США в Техасе. Позднее — по всему побережью Мексиканского залива, в географической близости от предполагаемого места импактного события. В разных местах толщина цунамигенных слоев колеблется от 2 до 4 м. Судя по структуре отложений, огромная волна 9 раз накрывала значительные области суши.
Волны цунами оставили свои следы и на противоположной стороне Атлантики. На юге Голландии в подземных каменоломнях Геулхеммерберг на самой границе мел — палеоген обнаружена значительно менее мощная, чем в Америке, «пачка» цунамигенных слоев. Здесь можно наблюдать тонкое чередование слоев (1–1,5 см) грубых песчанистых известняков и чистых глин. Учёные объясняют их происхождение действием наступавших и отступавших штормовых волн цунами на опустившиеся в конце мела низменности. Похожие отложения обнаружены в Польше, в Крыму и других удалённых от импактного взрыва районах. Всё это подтверждает давнее предположение учёных, что столь мощный взрыв должен был привести к образованию цунами и вызвать масштабные наводнения.
Все эти факты указывают на то, что на рубеже мел — палеоген Земля столкнулась с одним или несколькими астероидами, что и привело в конечном счете к катастрофическим последствиям для значительной части биосферы планеты. Взрывы выбросили в воздух колоссальные массы пыли и водяного пара. Взрывная волна вызвала цунами, волны которой одна за другой обрушивались на сушу. Разразившиеся грозы привели к многочисленным пожарам, которые благодаря поднявшимся штормовым ветрам распространились на огромные территории. В результате импактного события и пожаров атмосфера Земли на длительное время стала почти непрозрачной для солнечных лучей. Это, а также начавшиеся кислотные ливни привели почти к полной приостановке процесса фотосинтеза у фитопланктона. Судя по отложениям этого времени, большая часть планктона с известковым скелетом погибла. Поскольку планктон являлся основой пищи для многих морских обитателей, которые в свою очередь были кормом для морских хищников, волна массового вымирания прокатилась по всем океанам. Изменившиеся природно-климатические условия привели к резкому сокращению растительных сообществ на суше. Их место стали занимать папоротниковые и моховые сообщества. Со временем их вытеснили и сменили холодолюбивые леса. Таким образом, исчезла привычная растительная база для рептилий, обитавших на суше и в пресноводных бассейнах. Это привело к полному вымиранию по пищевой цепочке гигантских растительноядных и хищных ящеров и в этой среде обитания. Существовавшие в то время мелкие млекопитающие скрылись в норах, «пересидели» там это страшное время, а когда природные условия несколько улучшились и стабилизировались, вновь «вышли на волю». В дальнейшем, занимая освободившиеся экологические ниши, млекопитающие стали бурно развиваться и распространяться по планете.
Вместе с тем специалисты полагают, что возникший биотический кризис наложился на уже происходивший по другим естественным причинам процесс сокращения разнообразия таких групп, как аммониты, белемниты и некоторые другие. Этот вывод палеонтологи делают на основании исследований окаменевших остатков вымерших организмов в отложениях, сформировавшихся ещё до космической катастрофы. Возможно, причиной начавшегося ранее вымирания был активный вулканизм и его последствия. Или же падение астероидов стало мощной добавкой к гораздо более длительному процессу последовательного падения на Землю нескольких комет.В последнее время гипотеза Альвареса о космической причине гибели многих видов животных в конце мелового периода получает всё более широкое признание и поддерживается многими учёными.
Так представил художник, как крупный астероид врезается в планету Земля.
Массовые вымирания — следствие космических катастроф?
Геолог С.А. Вишневский в одной из своих работ справедливо заметил, что ещё несколько десятилетий тому назад почти все исследователи изучали Землю как тело, изолированное от влияния космоса. Но уже в начале XX в. были такие провидцы, как К.Э. Циолковский, В.И. Вернадский, А.Л. Чижевский и другие, которые в своих пионерских работах обосновали неразрывную связь и взаимодействие Земли и космоса. С середины XX века сначала в астрономии, планетологии, метеоритике, а спустя десятилетия — в науках, изучающих нашу планету, стало проявляться понимание огромного влияния на Землю космических воздействий.
Является ли великое массовое вымирание животных и растений на рубеже мелового и палеогенового периодов исключительным в истории Земли, или катастрофы, приходящие из космоса, вполне закономерны?
Есть по крайней мере два обстоятельства, которые заставляют всерьёз рассматривать космическую угрозу. Во-первых, как нам уже известно, на Земле, Луне, других планетах и спутниках, имеющих твёрдую непластичную поверхность, сохранились следы многократных катастрофических столкновений с другими небесными телами. Говорили мы и о других космических опасностях.
Во-вторых, поданным палеонтологии, на протяжении истории Земли не раз происходили массовые вымирания живых организмов. Только во время фанерозоя это случалось около полутора десятков раз.
Раковины последних обитавших на Земле аммонитов находят в отложениях мелового периода.
Попробуем сопоставить эти ряды событий, а также рассмотрим другие возможные причины биологических катастроф. Вообще говоря, вымирание групп организмов на Земле — процесс естественный и постоянный. Одни группы вымирают, их экологические ниши занимают вновь появляющиеся. Для достаточно продолжительных и спокойных периодов геологической истории скорость и интенсивность этого процесса различны и являются определённым фоном, на котором разыгрываются настоящие биотические кризисы. (Биота — совокупность микроорганизмов, животных и растений.) Во время кризисов происходит кратковременное, по геологическим масштабам, массовое вымирание большого числа организмов, принадлежащих различным систематическим и экологическим группам. В итоге на миллионы лет видовое и родовое разнообразие биосферы на планете снижается.
Начало биотического кризиса совпадает с каким-либо кратковременным событием в природе, которое нарушает спокойное течение жизни, дестабилизирует биосферу. Катастрофические изменения в условиях обитания организмов приводят к «ливнеподобному» массовому вымиранию. Процесс вымирания длится значительно дольше, чем событие, которое его породило. Вымирание может продолжаться сотни тысяч лет. Причём разные группы организмов исчезают с различной скоростью. Такая «замедленная реакция» биосферы даже на очень мощное, но кратковременное воздействие объясняется двумя основными причинами. Во-первых, громадностью и сложностью биосферы, взаимной связанностью её элементов. Поэтому даже на планетарную катастрофу она реагирует не сразу, а постепенно. Во-вторых, биосфера обладает способностью к саморегулированию и потому является системой весьма устойчивой. Биосфера как бы стремится залечить нанесённую ей травму, восстановить нарушенное равновесие. Это стремление присуще и самой биосфере, и тем оболочкам планеты, которые она охватывает (атмосфере, гидросфере, литосфере). Далеко не каждое даже мощное воздействие способно привести к значительным изменениям биосферы. Только если случившееся событие обладает мощностью выше некоторого критического рубежа, наступает кризисная перестройка биосферы, сопровождаемая особенно масштабными вымираниями.
Строение фуллерена — сложной молекулы углерода.
В 1995 г. была опубликована работа Дж. Сепкоски, который обобщил сведения о 34 625 вымерших в фанерозое родах морских животных. По данным этого исследования, на фоне непрерывного вымирания выделяются периоды с очень высоким уровнем вымираний. Их назвали эпохами массовых вымираний. Но среди них есть эпохи наиболее катастрофические. Такие события называют великими массовыми вымираниями. Вымирания меньшего масштаба учёные называют малыми. По характеру развития они бывают постепенными, катастрофическими и ступенчатыми.
Великие массовые вымирания играют очень большую роль в биологической эволюции. Порой они меняют направление развития жизни на Земле. Причем предвидеть, по какому пути пойдёт после катастрофы и массового вымирания развитие жизни, на основании предыдущей истории невозможно.
Для предсказания возможности катастроф различного масштаба в будущем и определения их потенциальной периодичности необходимо установить причины таких событий в прошлом.По мнению А.С. Алексеева, существует цепочка событий, характеризующих биотический кризис, каждое из которых является причиной для последующего. Следовательно, надо говорить о системе причин. Начинать надо с поиска первого звена в цепочке причин. Сегодня учёные установили: в геологической истории не раз случались глобальные катастрофы космического происхождения, некоторые из которых действительно приводили к резким изменениям в ходе геологической и биологической эволюции.
Великие массовые вымирания случались на рубеже периодов ордовик — силур, пермь — триас, триас — юра и мел — палеоген. На шкале геохронологии фанерозоя вы видите, что катастрофические вымирания были около 430, 240, 200 и 65 миллионов лет тому назад. Беспримерным по масштабам было пермско-триасовое великое массовое вымирание, оно произошло около 240–250 млн. лет тому назад. Тогда с лица Земли исчезли примерно половина семейств и свыше 80% родов всех морских животных. Оно, как говорят учёные, «сдвинуло часы эволюции». Это вымирание даже по геологическим меркам отличалось особой длительностью. Космическая природа этой величайшей катастрофы у учёных давно не вызывает сомнения. В слоях горных пород пограничного периода была установлена необычно высокая концентрация сложных молекул углерода — так называемых фуллеренов. Каждый фуллерен представляет собой сферу из 60 (и более) атомов углерода, заполненную атомами благородных газов гелия и аргона. Изотопные соотношения для этих благородных газов сильно отличаются от земных и могут образоваться в атмосферах углеродных звёзд, где давление и температуры достаточно велики, чтобы связать гелий и аргон внутри молекул фуллеренов. Причём возникли они задолго до формирования Солнца и планет. Следовательно, такие сложные молекулы, скорее всего, могли быть занесены из космоса на Землю небесным телом — крупным астероидом или ядром кометы.
Ландшафт Антарктиды.
Если в мел-палеогеновой катастрофе ученые давно «обвиняют» астероид, взорвавшийся на полуострове Юкатан, то место космического удара, вызвав шее великое пермско-триасовое вымирание, долго выявить не удавалось. Было ясно, что врезавшееся в Землю небесное тело должно было иметь поперечник не менее 6–12 км, т.е. сравнимо с астероидом, удар которого 65 миллионов лет назад положил предел эпохе динозавров.
Фотография Антарктиды, сделанная со спутника.
Суперконтинент Пангея существовал в конце палеозоя — начале мезозоя.
Только в начале XXI в. с помощью современных исследовательских методов с высокой степенью достоверности было определено место падения астероида. В 2006 г. в Антарктике был открыт самый большой на Земле метеоритный кратер. Приборы спутника «GRACE» космического агентства NASA отмечали малейшие смещения ледяных пластов. Характер смещений зависит от рельефа, по которому медленно скользят ледяные массы. Так удалось получить представление о строении подлёдной поверхности Антарктиды. В частности, была обнаружена 482-километровая кольцевая структура на Земле Уилкса в Антарктиде. Такой гигантский кратер мог «вырыть» взрывной удар астероида диаметром около 50 километров! Нашлось и иное подтверждение сказанному. Другой летательный аппарат, оснащённый гравиметром — прибором, измеряющим вариации силы земного притяжения, обнаружил в том же районе Антарктиды округлую область диаметром более 300 км с аномально высокой силой притяжения. Это можно было объяснить относительно более высокой массивностью залегающих здесь горных пород. Области повышенной концентрации масс геологи называют масконами (сокращение от английских слов Mass concentration). Благодаря космическим аппаратам масконы впервые были обнаружены на Луне, где их оказалось около двух десятков. Они располагаются под морскими бассейнами, имеющими округлую форму. Затем несколько масконов нашли на Земле. Есть масконы и на Марсе. Однако вернёмся к кольцевой структуре, открытой в Антарктике. Наложение гравитационной «картинки» маскона на радарное изображение кратера показывает их генетическую связь. Маскон центрально расположен в пределах кольцеобразного горного хребта, ограничивающего кратер Земля Уилкса.
Какова природа концентрации масс? Масконы образуются в местах падения на поверхность планеты с космической скоростью наиболее крупных астероидов или комет. Мощный удар вызывает встречный подъём плотных масс мантии и внедрение их в лежащие выше горизонты земной коры. Здесь под кратером мантийные массы остывают и задерживаются. Так рождаются масконы.
Наличие маскона, его сохранность позволяют судить о времени образования кратера. Под действием активных внутренних геологических процессов, характерных для нашей планеты, масконы постепенно разрушаются, а их фрагменты со временем смещаются относительно кратера. К примеру, под сопоставимым по размерам ударным кратером Вредфорт маскон отсутствует. И это вполне объяснимо: кратер Вредфорт на Юге Африки — древнейшая из известных на Земле ударных кольцевых структур — имеет возраст около 2 миллиардов лет.
Лишь на Луне, где внутренняя активность минимальна, крупные кольцевые структуры и масконы под ними могут сохраняться столь длительное время.
Галактика Млечный Путь, вид сбоку.
Состояние кратера и маскона на Земле Уилкса, сведения о геологической истории восточной части Антарктиды свидетельствуют о том, что этот гигантский кратер возник около 250 миллионов лет назад. И хоть удар космического «убийцы» пришёлся на безжизненные районы, последствия взрыва привели к гибели почти всего живого на Земле. Все протекало по уже известному нам сценарию, только в масштабе гораздо большем, чем во время мелпалеогеновой катастрофы. Выброшенные в воздух колоссальные массы продуктов взрыва и водяных паров, последовавшие мощнейшие вулканические извержения, излияние потоков лавы, лесные пожары — все это резко изменило химический состав атмосферы, сделало её малопрозрачной для солнечных лучей. Ядовитые дожди отравили водные бассейны, растительный покров планеты. На много лет на Земле наступила непрерывная зима. Абсолютное большинство видов животных и растений не смогло приспособиться к изменившимся условиям. Началось великое массовое пермско-триасовое вымирание, длившееся не одно тысячелетие. Итогом катастрофы стало уничтожение 90% обитателей моря и 70% позвоночных на суше.
В команде, обнаружившей и исследующей кратер Земли Уилкса, работают ученые NASA и университетов США, специалисты из России и Южной Кореи. Учёные считают, что катастрофа произошла, когда земная суша была единым континентом, названным Пангея. Удар был так силён, что активизировал геологические процессы в глобальном масштабе. Специалисты обратили внимание, что крупнейшие за последние 300 миллионов лет площадные излияния лавы на полуострове Индостан и в Сибири по времени примерно совпадают с двумя наиболее известными катастрофическими космическими ударами.
Ближайшее к нам по времени массовое вымирание было всего 10–11 тысяч лет тому назад, т.е. произошло в четвертичный период, так сказать, на глазах первобытных людей. О нем мы ещё расскажем в связи с гибелью легендарной страны Атлантиды. За очень короткое время этого вымирания исчезла значительная часть родов и видов, по преимуществу наиболее крупных млекопитающих. Обычно говорят о вымерших гигантах Евразии — мамонтах. Но наряду с ними там же вымерли саблезубые тигры и шерстистые носороги, не стало мастодонтов и гигантских ленивцев в Америке, крупных сумчатых животных в Австралии, исчез гигантский лемур на Мадагаскаре и др. В то же время в морских отложениях это вымирание почти не прослеживается. И всё-таки изменение животного мира на суше оказалось настолько значительным, что специалисты назвали его «великой органической революцией».
Существует ли закономерная периодичность в геологических и биологических событиях? Цикличность некоторых процессов в истории Земли геологи установили довольно давно. Так удалось проследить климатические изменения в масштабе планеты с периодами 3, 11 и 22, 90–100 лет. Периодичность изменений климата находит своё отражение в ритмичном строении слоев осадочных пород в земной коре. Эта периодичность связана с циклами изменения активности Солнца.
Циклы изменений климата длительностью 19, 24, A3 и 100 тыс. лет, по теории М. Миланковича, могут быть связаны с изменениями ориентации в пространстве земной оси и вариациями орбитального движения Земли вокруг Солнца. Некоторые учёные полагают, что самые большие циклы в эволюции Земли и её биосфере длительностью в десятки и сотни миллионов лет имеют галактическую природу. Если брать во внимание четыре массовые вымирания, то никакой периодичности не прослеживается. Если же учитывать и малые вымирания, можно усмотреть их некоторую цикличность. Уже давно выдвигалось предположение, что массовые вымирания повторяются с периодом около 30 млн. лет.
Пыль и газ в туманности Карина. Снимок телескопа «Хаббл».
Чередование периодов, когда Солнечная система то погружается на миллионы лет в спиральные ветви Галактики, изобилующие звёздами и межзвёздной материей, то попадает в области, гораздо менее наполненные веществом, не может не сказаться на характере взаимодействия Земли и космоса. По-разному в эти периоды должен происходить обмен веществом и энергией между космосом и сферами планеты: магнитной, воздушной, водной и каменной. Положение Солнечной системы в той или иной части Галактики оказывает влияние на интенсивность и состав идущих от звёзд первичных космических лучей, на напряжённость магнитного поля. Солнце и его ансамбль испытывают «гравитационные удары» при тесном сближении со звёздами и плотными пылевыми облаками. Такие «встряски», по-видимому, не проходят бесследно для процессов в ядре и мантии Земли. Они сказываются на «поведении» литосферных плит, движение которых становится интенсивнее. А это, как мы знаем, приводит к активному горообразованию, землетрясениям, к усилению вулканической деятельности. Влияние Галактики определяет также периодичность глобальной трансгрессии и регрессии (чередование наступлений и отступлений океана), изменяет состав атмосферы и гидросферы. Всё это может настолько ухудшить условия обитания живых организмов, что наступит период массового вымирания.
В 1954 г. профессор МГУ П.П. Паренаго установил, что Солнечная система в течение галактического года перемещается не только в плоскости Галактики, но и поперек её. Солнце со своей свитой оказывается то «выше» галактической плоскости, то «подныривает» под неё. Такие волнообразные колебания следуют одно за другим с периодом около 85 миллионов лет. Геологи, заинтересовавшиеся этим открытием, предположили, что именно поэтому каждые 38–45 млн. лет из-за пересечения Солнечной системой плоскости Млечного Пути и наступают эпохи наиболее активного горообразования.
Л. Альварес и его сотрудники опубликовали свою гипотезу о космической причине мелпалеогенового великого вымирания в 1980 г. Спустя четыре года вышла в свет работа Д. Раупа и Дж. Сепкоски, в которой импактные события предлагались в качестве причины всех массовых вымираний. Они считали общей первопричиной биотических кризисов, повторяющихся, по их данным, с периодом около 26 млн. лет, кометные ливни. «Впрыскивание» комет из облака Оорта авторы объясняли повторяющимся прохождением Солнечной системы через плоскость Галактики либо тяготением Немезиды — гипотетической звезды-спутника Солнца.
По расчётам московских учёных С.С. Григоряна, В.В. Адушкина и И.В. Немчинова, ледяные ядра большинства комет, не достигая земной поверхности, взрываются в воздухе. Порождённая взрывом ударная волна со всей силой обрушивается на поверхность Земли, вызывая гигантские разрушения. В отличие от астероидов встреча Земли со снежно-ледяной кометой не порождает взрывной кратер? (На Луне и других твёрдых телах, лишённых атмосферы, взрыв кометы оставит кратер на поверхности.) Кометная бомбардировка поднимает в земную атмосферу массу рассеянного вещества, экранирующего значительную часть солнечных лучей. Воздействие кометных ливней со временем могло приводить к значительному снижению температуры и распространению покровного оледенения на значительной части Земли. В особенности если кометная бомбардировка приходилась на полярные области, где возникавший ледниковый покров не успевал растаять в промежуток до следующего кометного ливня.
Сопоставление и анализ астрономических и геологических данных позволяет сделать важный вывод: временам наиболее интенсивных кометных бомбардировок соответствуют границы геологических периодов, а менее интенсивным бомбардировкам — границы эпох этих периодов.
В книге «Угроза с неба: рок или случайность?» (под редакцией академика А.А. Боярчука) сопоставлены наличие, размер и возраст астроблем с границами периодов и эпох геохронологической шкалы.
Оказалось, что начала абсолютного большинства геологических периодов и эпох совпадают со временем образования импактных кратеров поперечником более 20 км. Такой кратер мог образоваться в результате удара астероида поперечником 1,5 км со скоростью около 20 км/с. Это не значит, конечно, что всякий подобный удар становился причиной смены геологических эпох и периодов, но в некоторых случаях причинная связь может считаться установленной достаточно надёжно. Ещё предстоит выяснить, кометная или астероидная бомбардировка Земли играли в этом большую роль. Однако так или иначе, это были взрывные удары космических тел.
В середине 1980-х г. известные зарубежные специалисты Д. Мак-Ларен и Л.М. Ван-Валлен в своих работах сопоставили эпохи глобальных вымираний животных организмов с выявленными пиками содержания иридия в геологических отложениях. Во многих случаях учёные независимо друг от друга выявили совпадение этих явлений во времени. Массовые вымирания особенно возрастали в тех случаях, когда в период кометных ливней, продолжающихся миллионы лет, на Землю падали один или несколько очень крупных астероидов. Падение каждого достаточно крупного астероида вызывало пиковый рост вымираний. Если астероид имел меньшие размеры, то спровоцированные его падением вулканизм, климатические изменения и массовые вымирания проявлялись с наибольшей силой только в районе катастрофы.
Изображение сверхновой 1987А спустя 20 лет после образования.
Некоторые гипотезы объясняют наступление периодов похолоданий и покровных оледенений не ударами небесных тел, а другими космическими причинами: изменением угла наклона земной оси, периодическим снижением уровня излучаемой Солнцем энергии.
Мы познакомились с возможными космическими причинами земных катастроф. Надо отметить, что обладающие меньшей энергетикой внутренние силы Земли также могли быть спусковым механизмом кризисов биосферы. В процессе эволюции нашей планеты внутренние области Земли — ядро и мантия, вероятно, изменяются (вполне возможно, циклически).
Активные процессы в них, отражаясь в земной коре, могут приводить к горообразованию, землетрясениям и бурному вулканизму. Всё это, в особенности вулканическая деятельность, могло способствовать определённому изменению климатических и иных условий, что в свою очередь иногда становилось первопричиной биотического кризиса и массовых вымираний.
Сверхновые звезды Есть и другие космические факторы, способные изменить ход биологической эволюции. Например, изменение на планете уровня космической радиации. Такую гипотезу в 1957 г. выдвинули наши известные астрономы И.С. Шкловский и В.И. Красовский. Давно установлено, что при вспышках сверхновых звёзд их расширяющаяся оболочка сталкивается с межзвёздным газом. При этом возникают ударные волны, в которых ядра атомов разгоняются до субсветовых скоростей. Такие сверхэнергичные ускоренные частицы учёные называют космическими лучами. Если взрыв сверхновой звезды произойдёт на расстоянии около 30 световых лет, на нашем небе появится необычайно яркое бело-голубое светило. Оно засияет не только на ночном небе, но будет видно и днём. В максимуме блеска эта звезда станет светить в 1000 раз ярче полной Луны (но в 1000 раз слабее Солнца). Максимум излучения сверхновой звезды, разогретой на поверхности до 40 000 градусов, приходится на ионизирующие ультрафиолетовые лучи, которые со скоростью света через 30 лет «зальют» всю Солнечную систему. Уровень ионизирующего излучения вблизи нашей планеты вырастет в несколько сот раз. Однако это излучение в основном поглотится земной атмосферой. Другое дело — воздействие мощных потоков космических лучей. Эти первичные космические лучи, взаимодействуя с атомными ядрами атмосферы, порождают ливни вторичных космических лучей. Если плотность космических лучей вблизи Земли увеличится хотя бы в 100 раз, то уровень радиации у земной поверхности возрастёт в десятки раз и со временем, в течение тысячелетий, может привести к массовым вымираниям. Подсчитано, однако, что за всю историю Земли таких близких вспышек могло быть не больше десятка. Следовательно, за последние 500–600 млн. лет (все время фанерозоя) подобное опасно близкое событие могло произойти всего 1–2 раза. В то время как на самом деле коренная перестройка жизни на планете происходила не менее 14 раз.