Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра - Борис Шустов

Рис. 8.14. Пики суммарной максимальной эндогенной активности для верхней мантии и коры в фанерозое по данным [Балашов, 2002]

Упомянем еще один пока непонятный феномен, для объяснения которого пытаются привлечь импакты. В фурье— и вейвлет-спектрах рядов вымираний и магматической активности выявляется значимая периодичность в 30 ± 3 млн лет. Пример такого вейвлет-анализа показан на рис. 8.15, где наряду с крупными редкими событиями можно видеть череду более мелких [Глазачев и др., 2008].

Рис. 8.15. Вейвлет-спектр временного ряда массовых вымираний морской фауны (виды) в фанерозое: 1 — около 65 млн лет назад («вымирание динозавров»), 2 — массовое пермо-триасовое вымирание, 3 — Кембрийский взрыв

Уже около трех десятилетий идет поиск причин, вызывающих эту периодичность. Одно из возможных объяснений состоит в следующем. Раз в 30 млн лет Солнечная система проходит через галактическую плоскость с большей плотностью звездного населения. В эти периоды возможны частые и сильные возмущения облака Оорта, порождающие «кометные дожди».

8.6.2. К — P-граница, кратер Чиксулуб и массовое вымирание. До 1980 г. удары космических тел вообще не рассматривались в качестве возможных причин смены геологических эпох и типов жизни на Земле. Только после открытия иридиевой аномалии на границе К — Т (современное название — граница К — Р, Cretaceous — Paleogene boundary) Л. Альварес выдвинул гипотезу об ударе 10-километрового астероида, приведшем к массовому вымиранию видов 65 млн лет назад [Alvarez et al., 1980]. Обнаружение зерен ударно-метаморфизированного кварца внутри К — P-слоя [Bohor et al., 1984] подтвердило эту гипотезу, так как только при высокоскоростных ударах можно достичь давлений в десятки ГПа. Через 10 лет после этой публикации в Мексиканском заливе был найден кратер Чиксулуб, который полностью соответствовал как заданному возрасту, так и предполагаемому масштабу события [Hildebrand and Boyton, 1990]. В настоящее время кратер диаметром примерно 180 км погребен под километровым слоем третичных осадочных пород. В момент удара этот район представлял собой континентальную платформу, состоящую из тонкого (не больше нескольких сотен метров) слоя воды, 3–4-километрового слоя осадочных пород (карбонатов и эвапоритов) и кристаллического основания. Хотя на Земле существует несколько кратеров аналогичного масштаба, Чиксулуб является единственным, для которого связь между ударом и массовым вымиранием можно считать окончательно установленной. Тем не менее, возможные причины вымирания до сих пор являются предметом интенсивных дискуссий.

Ни воздушная ударная волна, ни излучение плюма, ни волны цунами (см. выше) не могли привести к глобальной катастрофе. Первичная гипотеза о сильной запыленности атмосферы и «ядерной зиме» не подтверждается современными расчетами. Действительно, образование кратера Чиксулуб сопровождалось выбросом огромной массы расплава и твердых фрагментов в атмосферу. Основная часть этих выбросов имела низкую скорость и образовала непрерывный покров выбросов. Расчеты [Toon, 1997; Pierazzo et al., 1998; Pope et al., 1997] показывают, что полное количество высокоскоростных выбросов (расплава, пара, твердых фрагментов мишени и ударника) не превышает (2–4) 1018 г. Приблизительная геологическая оценка удаленных выбросов дает похожие значения, ∼ 3,8 1018 г [Pope, 2002]. Однако К — Р-слой состоит в основном из сферул размером в десятки и сотни микрон [Smit, 1999], время пребывания которых в атмосфере не превышает нескольких часов или дней. Источником субмикронной пыли может быть конденсат испаренных веществ, небольшая часть расплава и твердых выбросов, а также более крупные высокоскоростные частицы, подвергшиеся абляции при возвращении в атмосферу. Но даже эта пыль не привела к глобальной и долгосрочной блокировке солнечного излучения [Toon, 1997].

По-видимому, дым, углекислый газ и аэрозоли серной кислоты играют более существенную роль в изменении оптических свойств атмосферы и температурного режима на поверхности. По разным оценкам [Ivanov et al., 1996; Pierazzo et al., 1998; Gupta et al., 2002] количество образовавшегося в результате удара углекислого газа (дегазация кальцита в результате ударного сжатия) колеблется в пределах от 0,35 1015 кг до 2,85 1015 кг, количество диоксида серы (дегазация ангидритов) — от 0,08 1015 кг до 1,1 1015 кг.

Такое заметное расхождение в оценках связано, во-первых, с противоречивыми данными по разложению карбонатов (экспериментальные данные дают критические давления в диапазоне 10–110 ГПа, скорость обратных реакций неизвестна) и, во-вторых, с неполнотой данных о структуре мишени в момент удара (толщина карбонатной платформы, ее пористость, соотношение между карбонатами и эвапоритами).

Даже самые минимальные оценки выбросов соединений серы превышают на порядки количество сернистых газов, выброшенных в атмосферу во время извержения вулкана Пинатубо. Количество образовавшихся аэрозолей определяется двумя факторами — скоростью окисления серы до триоксида и количеством воды в верхних слоях атмосферы. По-видимому, при ударе в атмосферу было выброшено достаточное количество воды (в основном это вода, связанная с пористыми осадочными породами), чтобы связать оксиды серы. Тем не менее, скорость окисления может быть достаточно низкой, т. е. время жизни аэрозольных облаков в стратосфере может достигать нескольких лет, в отличие от пыли и частиц сажи, которые вымываются той же водой в течение нескольких дней. Моделирование радиационного переноса в атмосфере, нагруженной аэрозольными частицами серной кислоты [Pope et al., 1997; Pierazzo et al., 2003] показывает, что поглощение длинноволнового излучения с поверхности планеты, с одной стороны, и интенсивное рассеяние коротковолнового солнечного излучения, с другой стороны, могло привести к уменьшению теплового потока на 300 Вт/м2, т. е. к уменьшению температуры поверхности на несколько десятков градусов в течение 5–10 лет.

Позднее, когда атмосфера очистилась от пыли, сажи и аэрозолей, могли возникнуть парниковые эффекты. Содержание углекислого газа в атмосфере 65 млн лет назад превышало его содержание в доиндустриальную эпоху в 2–10 раз. Поэтому выброс углекислого газа в результате удара мог, как максимум, увеличить его концентрацию на 50 %. Это, в свою очередь, могло привести к увеличению теплового потока на 1,2–3,4 Вт/м2, т. е. к повышению температуры на доли градуса, что сравнимо по величине с наблюдаемым в настоящее время потеплением, вызванным увеличением выброса парниковых газов в атмосферу.

Тем не менее, изучение К — Р-границы показывает, что все эти эффекты (как понижение, так и повышение температуры) не привели к дестабилизации палеоклимата, который восстановился в геологически короткое время (< 10 тыс. лет). С другой стороны, даже кратковременное, но интенсивное воздействие может иметь необратимые последствия для фауны. Скорее всего, изменения климата не коснулись глубин океана.

Невзирая на существенный прогресс в развитии моделей фотохимических процессов в атмосфере и общей циркуляции атмосферы, полной картины изменения климата после крупных ударных событий до сих пор не существует, что связано, скорее всего, с нестандартными начальными условиями после удара, когда полное количество выбросов на много порядков превышает типичные величины, известные, например, из вулканологии.

8.6.3. Массовые вымирания и вулканизм. По мнению многих ученых, массовые вымирания видов (по крайней мере, некоторые из них) связаны с ударами космических тел. В качестве альтернативной причины рассматриваются сверхмощные вулканические извержения — супервулканизм. Известно, что 74 000 лет назад на северной Суматре возникла кальдера размером ∼ 100 км, а масса вулканической пыли, выброшенной при извержении в стратосферу, была настолько велика, что температура воздуха, возможно, понизилась на несколько градусов. Еще более мощные извержения происходили, вероятно, на территории, занимаемой ныне Йеллоустоунским национальным парком в штате Вайоминг, США (3 извержения произошли 2,1 млн лет, 1,3 млн лет и 0,64 млн лет назад). Детали воздействия таких извержений на климат пока недостаточно ясны. Самым мощным извержением за последние 200 лет было извержение вулкана Тамбора в 1815 г. На одной из стадий извержения высота эруптивной колонки достигла 40–50 км, т. е. произошел прорыв тропопаузы, и выброшенные мелкие частицы пепла долго оседали, изменяя прозрачность атмосферы. Это извержение известно как вызвавшее «год без лета». Отметим, что катастрофические последствия были намного меньше, чем после упомянутых извержений на Суматре и тем более в Йеллоу-стоунском парке. Полный объем выброса составил∼ 100 км3. Последствия извержения в основном носили локальный и региональный характер. Глобальные изменения температуры были невелики — десятые доли градуса, как и при других мощных извержениях последних столетий — вулканы Кракатау (1883) и Агунг (1963) с выбросами 20 км3 и 1 км3 соответственно [Rampino and Self, 1982]. Совместное действие мощных вулканических извержений и ударов космических тел еще предстоит выяснить.