Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Метеориты помогли эволюции?

С момента своего возникновения Земля регулярно подвергалась бомбардировкам. На ее поверхность рухнуло множество метеоритов. Большая часть этих «звездных камней» происходит из пояса астероидов, пролегающего между Марсом и Юпитером. Этот пояс составляют многочисленные малые планеты, которые иногда сталкиваются друг с другом, распадаясь на отдельные обломки. Под действием сил притяжения планет-гигантов – Юпитера и Сатурна – эти отколовшиеся глыбы порой движутся по очень вытянутым траекториям, пересекающим орбиты Марса и Земли. Результатом подобных «нарушений правил движения» и становятся кратеры, усеивающие поверхность планет земного типа.

К числу самых распространенных метеоритов, достигающих Земли, относятся так называемые L-хондриты. Они составляют до 38 % всех обнаруженных на нашей планете метеоритов и отличаются низким содержанием металлического железа (L = Low, «низкий»).

Уже в середине 1960-х годов астрономы установили, что все эти L-хондриты составляли когда-то одну-единственную планету, которая распалась на множество мелких частей около полумиллиарда лет назад. Сказать более определенно, когда случилась эта катастрофа, ученые не могли. Лишь в середине 2000-х годов работающая в Германии российская исследовательница Екатерина Корочанцева разработала метод, позволивший выяснить точное время коллизии. Она произошла в ордовикском периоде, 470 миллионов лет назад (плюс-минус 6 миллионов лет).

Гигантский кратер от удара метеорита в Аризоне

На основе новой датировки ученые детально реконструировали тогдашние события. Речь шла о столкновении малой планеты, достигавшей около 200 километров в поперечнике (именно она, как шутливо говорят астрономы, стала «матерью всех L-хондритов»), с небольшим астероидом диаметром примерно 5 километров. Это была одна из крупнейших катастроф в истории Солнечной системы за последние два миллиарда лет. Малая планета распалась на миллионы частей. Вскоре этот рой обломков покинул привычную орбиту и устремился в сторону Земли, чтобы просыпаться на нее дождем.

Первые космические снаряды упали на нашу планету примерно через 50 тысяч лет после коллизии. Сразу несколько метеоритов рухнули в мелководное море, расположенное на территории современной Скандинавии (его глубина не превышала 300 метров). Космические глыбы медленно увязли в илистых отложениях, покрывавших морское дно.

Миллион лет спустя космический град достиг своей кульминации. Всё – от камней до песчинок – летело на Землю. В течение 1–2 миллионов лет на планету падало в сотни раз больше метеоритов, чем обычно. На протяжении всего этого периода ее атмосфера была затянута густой завесой пыли, взметнувшейся в небо. Ученые пока затрудняются оценить, как это повлияло на климат Земли. Вероятно, это привело к глобальному похолоданию. Некоторые районы планеты превратились в безжизненную пустыню.

По прошествии нескольких миллионов лет дошла очередь и до громадных снарядов. По оценкам некоторых ученых, в то время на Землю упало около двух тысяч глыб диаметром более 100 метров. Дюжина метеоритов достигала в длину около 10 километров. Примерно таких же размеров был и метеорит, который, как полагает ряд исследователей, уничтожил динозавров 65 миллионов лет назад.

Следы той бомбардировки находят в разных частях света. Так, на дно моря, которое простиралось тогда на территории современной Эстонии, рухнули глыбы диаметром 30 метров. На Англию, Китай и Аргентину упали километровые громады, прилетевшие из космоса. Они рухнули на континентальный шельф.

Всего обнаружено уже около десятка кратеров диаметром от 2 до 30 километров, образовавшихся 450–470 миллионов лет назад. Это – кратеры Гранбю, Тверен и Локне в Швеции, Кярдле в Эстонии, Эймс (Оклахома, США), Кэлвин (Мичиган, США), Слейт-Айлендс в Канаде. По статистике, за этот период на нашу планету должно было упасть не более двух крупных метеоритов.

Энергия подобных соударений была очень большой. Так, подсчитано, что при образовании кратера Слейт-Айлендс диаметром 30 километров выделилось такое количество энергии, какое могло бы выделиться при взрыве 10 миллионов бомб наподобие той, что была сброшена на Хиросиму.

По мнению геолога Джона Парнелла из Абердинского университета, падения этих метеоритов сопровождались сильнейшими землетрясениями. Обширные участки побережий сползли в море, вызвав мощные цунами. Оползни опустошили значительную часть морского дна, а ведь большинство живых организмов тогда обитало здесь. Катастрофа следовала за катастрофой. Казалось, вот-вот погибнет весь мир.

Но, как ни странно, именно в эту эпоху жизнь достигает невиданного прежде разнообразия. Разумеется, нельзя установить однозначную связь между событиями, происходившими тогда в небе и на земле. Может статься, речь идет о случайном совпадении. Но эта оговорка не пользуется популярностью у большинства ученых. Трудно представить себе, что эволюция не сумела бы использовать такой открывшийся ей шанс, как космическая катастрофа.

Профессор Лундского университета Биргер Шмиц полагает, что именно с этим событием связано стремительное изменение флоры и фауны нашей планеты в период среднего и позднего ордовика. Как отмечено на страницах журнала «Nature Geoscience», эта бомбардировка, очевидно, привела к стремительному повышению сложности жизни. Появилось множество новых видов, семейств и родов животных.

В свое время, после «кембрийского взрыва», задавшего основные направления развития высших форм жизни на нашей планете, эволюция словно взяла паузу. Застопорилась.

Возникшие в кембрийском периоде экосистемы были устроены достаточно просто. Большинство животных вело малоподвижный образ жизни. Они находились на дне моря и фильтровали питательные вещества, содержавшиеся в воде.

Многочисленные метеориты, обрушившиеся на планету, похоже, изрядно всколыхнули этот сонный мирок. заставили его обитателей меняться, приспосабливаться к неожиданно изменившимся условиям обитания. Как подчеркивают исследователи, во время этой бомбардировки образовалось большое число новых экологических ниш, которые и заняли вновь появившиеся организмы. В свою очередь, многие сообщества видов, населявших к тому времени нашу планету, были дестабилизированы ударами из космоса, и их потеснили новые виды. Например, именно в это время брахиоподы (плеченогие) теснят трилобитов.

Итак, вслед за «кембрийским взрывом», разительно изменившим облик планеты, произошел еще один, «ордовикский взрыв». Настоящий взрыв жизни!

Впрочем, вскоре после этих событий начинается массовое вымирание всего живого. Многие виды брахиоподов вновь исчезают. Гибнет около половины всех видов живых организмов. Возможно, причиной тому было резкое изменение климата, вызванное космической бомбардировкой. Во всяком случае, в конце ордовикского периода неожиданно наступило оледенение.

…Последствия той катастрофы ощущались и сравнительно недавно. Так, именно ей обязан своим происхождением кратер Попигай в Сибири. Его диаметр – 100 километров, а возраст – 35 миллионов лет. В последние миллионы лет на поверхность Земли не раз обрушивались метеориты метровой величины – все те же L-хондриты. В общей сложности около трети всех метеоритов, упавших на Землю за минувшие 470 миллионов лет, образовались во время той катастрофы. Похоже, она имела поистине судьбоносное значение для нашей планеты.

Динозавров погубил метеорит?

Около 65 миллионов лет назад произошло великое вымирание динозавров. На протяжении почти 135 миллионов лет на Земле не наблюдалось случаев столь массовой гибели всего живого. Все это время планетой чуть ли не безраздельно владели ящеры. А затем наступила стремительная сдача ими позиций.

Назывались самые разные причины их исчезновения. Резкое изменение климата, за которым последовала гибель многих видов растений, составлявших рацион динозавров. Эпидемии опасных болезней. Истребление хищными рептилиями травоядных с последовавшим затем вымиранием хищников. Появление млекопитающих, пожиравших яйца ящеров. Вспышка сверхновой звезды неподалеку от Солнечной системы…

В 1980 году американские ученые Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии по физике за 1968 год, и его сын Уолтер выдвинули неожиданную идею: динозавры вымерли потому, что на Землю упал огромный метеорит. Тогда со всех сторон посыпались возражения. Нет, динозавры погибли отнюдь не внезапно! Катастрофа тут ни при чем. Это был эволюционный процесс. Он растянулся на несколько миллионов лет.

Скептики не успокоились даже после того, как на полуострове Юкатан обнаружили засыпанный землей кратер Чиксулуб (он назван так по имени деревушки, расположенной посреди него), хотя по своему возрасту и размерам тот явно вписывался в гипотезу Луиса Альвареса. Его диаметр составляет примерно 180 километров. Исследования этого кратера будут продолжаться еще долго. Между тем все новые находки, сделанные учеными, доказывают, что некогда здесь произошла грандиозная катастрофа. Вот как рисуют ее сторонники «астрономической» гипотезы.

Причиной гибели динозавров могло стать падение громадного метеорита

Итак, громадный метеорит, достигавший 10 километров в поперечнике, рухнул на полуостров Юкатан. В ту пору здесь простирался шельф – мелководная материковая отмель. Страшный снаряд моментально разворотил воронку глубиной 30 километров. Энергия удара была очень велика. Чтобы добиться таких же разрушений, следовало взорвать сразу пять миллиардов атомных бомб – вроде той, что сбросили на Хиросиму.

Земная кора не выдержала такого давления. Возник глубокий разлом. Толщу планеты сотрясли невиданные по силе сейсмические волны. Температура на месте катастрофы была так высока, что виновник всех бед – метеорит – полностью испарился. В пар превратились и обширные пласты сульфатов и известняков, из которых сложен Юкатан.

Сразу после падения метеорита начались пожары. Леса выгорели на тысячи километров от эпицентра катастрофы. Вся Северная Америка была объята огнем. После этих пожаров в воздух взметнулось столько пепла и пыли, что на многие месяцы воцарился зловещий мрак. Пыль плохо пропускала солнечный свет. Непроницаемой пеленой она обволокла всю планету. Уцелевшие растения зачахли. Земля заметно остыла. Наступила так называемая «метеоритная зима». Множество животных погибло от бескормицы. Опустевшую планету исподволь, словно саваном, кутал пепел. Он слеживался, образуя слой толщиной несколько сантиметров.

Позднее воздух снова прогрелся. Начались кислотные дожди, поскольку испарилось огромное количество сульфатов. С неба на землю лилась серная кислота. Она разъедала известковые раковины фораминифер. Большая часть этих животных погибла. Эти простейшие организмы были излюбленной пищей многочисленных аммонитов – моллюсков, обитавших в тогдашних морях (для этих «каменных змей» характерна спиральная раковина). «Цепь питания», связывавшая морские организмы, оборвалась. Аммониты вымерли. Схожие процессы происходили и на суше.

За время «метеоритной зимы» в атмосфере накопилось большое количество углекислого газа. Это вызвало «парниковый эффект». Вслед за резким похолоданием началось такое же стремительное потепление на несколько градусов.

Прошли сотни тысяч лет. Жизнь на планете постепенно пришла в норму. Вот только облик Земли разительно переменился. Исчезли все виды динозавров, а также ящеры морские и летающие – плезиозавры и птерозавры. Погибли 70 % всех видов животных. Пострадали в той или иной мере все организмы, населявшие планету. «По-видимому, в конце мелового периода вымерли все животные, весившие более 25 килограммов», полагает палеонтолог Ян Смит из Амстердамского университета.

Впрочем, многие ученые по-прежнему не признают этот сценарий. Все дело в том, пишет российский палеонтолог К.Ю. Еськов, что «вымирание динозавров идет весь поздний меловой период с более или менее постоянной скоростью, но, начиная с некоторого момента, эта убыль перестает компенсироваться возникновением новых видов; старые виды вымирают, а новых им на смену не появляется, и так вплоть до полного исчезновения группы… Иными словами: в конце мелового периода имело место не катастрофическое вымирание динозавров, а непоявление новых им на смену».

Так можно ли примирить сторонников и противников теории Луиса Альвареса? Как сейчас выглядит позднемеловой пейзаж после научной битвы?

В конце 2006 года на очередной ежегодной конференции Американского геологического общества одним из центральных событий стал доклад Герты Келлер из Принстонского университета. Речь шла все о том же «тогда» и «теперь» динозавров, вечно смертных в гипотезах, вечно бессмертных в диспутах ученых.

Доклад Келлер подводил черту под многолетними исследованиями в кратере Чиксулуб и его окрестностях, а также в некоторых других районах Северной Америки. Стремясь разгадать тайну убыли динозавров, Келлер и ее коллеги изучали останки не самих ящеров, а крохотных микроорганизмов, населявших эту местность в конце мелового периода.

«Окаменелые останки динозавров, – объяснила свой принцип работы Келлер, – слишком немногочисленны и разрозненны… Конечно, людям интереснее динозавры, но в действительности воссоздать истинную картину их гибели можно только с помощью окаменелых микроорганизмов той эпохи, потому что только они могут надежно указать время и обстоятельства своей смерти».

Картина эта оказалась очень запутанной. Но черную точку в конце «мелового листа» ставил все же метеорит. Точку. Многоточие. Метеориты…

Более 65 миллионов лет назад по не известной пока причине на нашей планете начался бурный всплеск вулканической и сейсмической активности. Извержения вулканов следовали одно за другим – и так на протяжении полумиллиона лет. Атмосфера планеты наполнилась огромным количеством углекислого газа, что привело к глобальному потеплению. Температура на поверхности воды и суши повысилась в среднем на 7–8 градусов (это означает, что летом она могла быть выше нормы на 15–20 градусов, а зимой – ниже на 8—12 градусов). Наступила климатическая катастрофа. Многие виды живого оказались на грани исчезновения; жизнь была буквально подорвана в своих основах. И именно тогда произошло столкновение Земли с крупным метеоритом, рухнувшим на Юкатан.

Следующая часть доклада Келлер стала главной сенсацией. Впервые ей удалось надежно подтвердить, что динозавры уцелели после этой катастрофы и прожили еще двести с лишним тысяч лет. «И тогда произошло второе за полмиллиона лет столкновение Земли с метеоритом, только намного больше Чиксулубского, – описывает итог обсуждения обозреватель журнала «Знание – сила» Рафаил Нудельман. – Вот оно-то и стало “последней соломинкой” для большей части морских видов и крупных наземных существ – динозавров и им подобных».

Но положит ли оно конец спорам о судьбе динозавров? И где находится кратер, оставшийся на месте падения второго метеорита?

Льды, зной и циклы Миланковича

Понятие «парниковый эффект» знакомо всем. СМИ регулярно сообщают о «глобальном потеплении», вызванном этим эффектом, а политики, не доверяя власти слов, делают решительные выводы, облекая их в такую словесную форму, как Киотский протокол, ограничивающий выбросы углекислого газа в атмосферу.

Фразы «Защитим климат Земли», «Спасем планету от потепления» давно вошли в наш обиход – как и мнение о том, что главной причиной изменений климата является человек, его промышленная деятельность. Но так ли уникально нынешнее потепление, или это естественный процесс, и он обусловлен изменением солнечной активности, а может быть, колебаниями орбиты Земли?

Климат по-прежнему остается одной из научных загадок. За время существования нашей планеты он не раз претерпевал поразительные изменения. Земля то покрывалась льдами и даже превращалась в снежный ком, то сбрасывала белые покровы. Нынешние ледники – лишь свидетели последнего оледенения, отступившего около 10 тысяч лет назад. Но что определяло длительность ледниковых и межледниковых периодов, сменявших друг друга, как день и ночь? Уж конечно, не человек! Смену эпох обусловливали космические факторы – влияние Солнца и планет Солнечной системы. Их взаимное расположение сказывалось на траектории Земли, то сближая ее со светилом, то отдаляя от него.

Если бы вокруг Солнца обращалась одна Земля, если бы она имела форму идеального шара, если бы ее ось вращения сохраняла одно и то же положение, то наша планета описывала бы, согласно законам Кеплера, идеальный эллипс, чья форма не менялась бы во веки веков. В таком случае любая область Земли в определенный день календарного года получала бы одно и то же количество солнечного тепла, в каком бы году мы ни вели наши наблюдения.

Циклы Миланковича

Но действительность лежит за рамками школьной геометрии. Земля – не шар, а эллипсоид, то бишь приплюснутый шар. Ее диаметр в районе экватора несколько больше расстояния между полюсами. Из-за этого под действием притяжения Луны и Солнца возникает особая сила, стремящаяся повернуть ось вращения Земли. Ось покачивается, постепенно описывая круговой конус и совершая один оборот примерно за 26 тысяч лет. Это явление называют прецессией.

Циклически меняются и другие параметры орбиты. Наиболее ощутимы периоды продолжительностью примерно в 100 тысяч лет (изменение эксцентриситета) и 41 тысяч лет (изменение наклона земной оси). Каждые 400 тысяч лет орбита Земли принимает почти идеальную круговую форму.

Все это не может не сказываться на климате нашей планеты, вызывая его колебания. Ведь меняется количество тепла, получаемого различными областями Земли. Еще в XIX веке была высказана догадка, что оледенения наступают, когда отдельные регионы начинают получать меньше тепла, чем обычно.

В 1915 году сербский математик Милутин Миланкович задался целью вычислить, сколько солнечного тепла получали разные регионы планеты за последние 600 тысяч лет, чтобы, может быть, понять причину наступления ледниковых периодов.

Составленные им графики были весьма выразительны. Так, анализируя схему, на которой было показано количество тепла, получаемого в летнее время полярными областями Северного полушария, Миланкович обратил внимание на то, что в отдельные эпохи кривая солнечной радиации была необычайно низка. Он предположил, что именно тогда начинались новые оледенения.

Если лето выдалось аномально холодным и пасмурным, если солнечные лучи не прогревали землю, то снег, выпавший зимой, мог пролежать до следующей зимы. Одно, другое лето, вот уже счет их мерится столетиями, и нарастает слой нерастаявшего снега, смиряя планету, стирая с ее чела признаки жизни. К тому же снег хорошо отражает солнечный свет, а потому эффект охлаждения планеты усиливается. Постепенно там, где ворошилась крупа снежинок, вырастала хрустальная плита льда. Ледник вытягивал тысячи языков, отравляя «морозным ядом» все, что жило вокруг. Он полз на юг, покрывая все большую территорию. Наступала новая ледниковая эпоха.

Кстати, до Миланковича считалось, что оледенения поочередно наступают то в Северном, то в Южном полушарии. Он же настаивал на том, что движитель «климатической машины» находится в Северном полушарии, ведь большая часть суши расположена здесь, а ледники образуются на суше.

Правота выводов Миланковича стала подтверждаться лишь после Второй мировой войны, а свое окончательное признание его гипотеза получила в 1970-е годы, когда геологи из Колумбийского университета Джеймс Хейс, Джон Имбри и Николас Шекелтон, исследуя глубоководные керны, проникли в прошлое на миллион с лишним лет, точно датировав сроки оледенения и продолжительность климатических циклов. Они впервые вычислили сразу несколько подобных циклов, длящихся 100 тысяч лет, 41 тысячу лет, 23 тысячи лет и 19 тысяч лет, и назвали их «циклами Миланковича».

«Мы уверены, что причиной оледенений являются изменения параметров траектории Земли, – писал Джеймс Хейс в 1976 году. – Доказательства настолько очевидны, что какие-либо иные объяснения излишни». Разумеется, подобное было сказано в полемическом пылу. Теория Миланковича по-прежнему подвергается критике. Она не учитывает роль тропиков в Южном полушарии, сложное взаимодействие морских и воздушных течений, промышленную деятельность человека.

По-видимому, механизм смены климата сложнее, чем предполагалось несколько десятилетий назад. Тут играет роль количество солнечного тепла, получаемого всей планетой, а не только отдельной ее областью, которую считали чем-то вроде кнопки спускового механизма или переключателя с «горячо» на «холодно».

Много неясного и с самими циклами. Ни один параметр орбиты не меняется со строгой периодичностью. В действительности мы имеем дело с несколькими квазипериодическими процессами. Вот, например, упомянутый 100 000-летний цикл эксцентриситета. Собственно говоря, его не существует – есть комбинация двух циклов, один из которых длится 125 тысяч лет, а другой – 95 тысяч лет. Поэтому в отдельные эпохи действие одного цикла лишь усиливается действием другого, а в иные времена, наоборот, ослабляется. Так, 400 тысяч лет назад их действие взаимно компенсировалось. Однако чаще всего влияние этих циклов так или иначе сказывалось на климате Земли.

Одну из самых точных моделей, описывающих изменения климата в прошлом, в рамках теории Миланковича создал бельгийский геофизик Андре Бержер. Но любопытно, что она может поведать о будущем?

В ближайшую эпоху минимум 100 000-летнего цикла эксцентриситета наложится на минимум 400 000-летнего цикла. Вследствие этого орбита Земли через 27 тысяч лет станет практически идеально круговой. Количество солнечного тепла, получаемого полярными областями планеты в летнее время года, будет почти неизменным.

Нынешний межледниковый период продлится еще почти 50 тысяч лет – и человек здесь ни при чем. В последний раз такое было около 400 тысяч лет назад. Если же содержание углекислого газа в атмосфере в течение нескольких столетий будет превышать нынешнее в два раза, – а это прогнозируется, к такому может привести наша промышленная деятельность, – тогда новое оледенение вообще не наступит. Межледниковая эпоха не кончится никогда.

Что это принесет Земле? Вы ждете ответа? Но любые очерки о глобальном изменении климата пока не могут заканчиваться простым, четким резюме. Возможно, в задаче со многими неизвестными, которую решают ученые, ответ останется неизвестным еще очень долго.