Могли ли гравитационные приливы вызвать великие вымирания Земли без падения астероидов?

Когда речь заходит о массовом вымирании видов, наука часто обращается к космическим причинам. Самый известный пример — гибель динозавров 66 миллионов лет назад. В этом случае геологи располагают неопровержимыми доказательствами: на полуострове Юкатан существует гигантский кратер Чиксулуб диаметром около 200 километров, а в осадочных породах того периода по всей планете находят повышенное содержание редкого металла иридия, характерного для астероидов.

Однако мел-палеогеновое вымирание — единственное в своем роде. Если мы обратимся к другим великим биологическим катастрофам, картина становится неопределенной. Во время Великого пермского вымирания, произошедшего 251 миллион лет назад, исчезло более 90% морских организмов и около 70% наземных видов. Это было самое масштабное вымирание в истории Земли. Геологи фиксируют признаки колоссальной катастрофы: резкое изменение уровня океана, глобальное потепление и излияние огромных объемов лавы, сформировавших Сибирские траппы. Но на Земле нет кратера, который соответствовал бы этому событию по масштабу и времени.

Аналогичная ситуация наблюдается и в более ранние эпохи, например, во время девонского кризиса. Биосфера Земли несколько раз оказывалась на грани полного уничтожения, происходили резкие изменения климата и тектонические сдвиги, но следы столкновения с крупными метеоритами отсутствуют.

Это противоречие заставляет искать другие факторы. Если планета получала колоссальный объем энергии, приведший к глобальным разрушениям, но на ее поверхности нет кратера, логично предположить, что источник энергии не соприкасался с Землей физически. Гравитационное воздействие — единственная физическая сила, способная передавать огромную энергию на расстоянии.

Астрофизик Даниэле Фарджион из Римского университета «Ла Сапиенца» детально описал этот процесс. Согласно его расчетам, причиной нескольких массовых вымираний могли стать близкие пролеты карликовых планет, которые временно входили во внутреннюю область Солнечной системы из ее холодных окраин.

Геометрия космоса и вероятность близких встреч

Чтобы понять, насколько вероятен близкий пролет крупного космического тела мимо Земли, необходимо обратиться к теории вероятностей и геометрии орбит.

Земля представляет собой относительно небольшую мишень в масштабах космического пространства. Для того чтобы произошло прямое столкновение с блуждающим телом, траектории двух объектов должны пересечься с точностью до нескольких тысяч километров в строго определенный момент времени. Это крайне редкое событие.

Однако область пространства вокруг Земли, где гравитация пролетающего тела все еще способна оказать сильное влияние на нашу планету, гораздо больше ее физических размеров. Если мы представим вокруг Земли условную сферу с радиусом, например, в десять раз превышающим радиус нашей планеты, то площадь сечения этой сферы будет в сто раз больше площади земного диска.

Это означает, что при прохождении крупного объекта через внутреннюю область Солнечной системы вероятность его близкого пролета мимо Земли примерно в сто раз выше, чем вероятность прямого столкновения.

В истории Солнечной системы лобовые удары крупных тел действительно случались. Научное сообщество соглашается с тем, что Луна образовалась в результате столкновения молодой Земли с планетой Тейя размером с Марс около 4,5 миллиардов лет назад. Но если такое экстремальное событие, как прямое столкновение с планетой-сиротой, произошло хотя бы однажды, то близких пролетов подобных тел за всю историю Земли должно было быть значительно больше — десятки или даже сотни.

Физика приливных сил при близком пролете

Каким образом пролетающее мимо тело может передать энергию Земле, не соприкасаясь с ней? Ответ кроется в механизме действия приливных сил.

Гравитационное притяжение ослабевает с увеличением расстояния. Земля имеет диаметр около 12 740 километров. Когда мимо нее проходит массивное космическое тело (например, крупная карликовая планета или объект размером с Луну), сторона Земли, обращенная к этому телу, притягивается сильнее, чем центр планеты. В свою очередь, противоположная сторона Земли притягивается слабее всего.

Эта разница в силе притяжения стремится растянуть Землю вдоль оси, направленной к пролетающему объекту. Возникает приливное взаимодействие.

Влияние Луны на водную оболочку Земли хорошо заметно: в открытом океане высота прилива составляет около полуметра. Сила приливного притяжения зависит от массы объекта и обратно пропорциональна кубу расстояния до него.

Но гораздо важнее то, как зависит от расстояния энергия, передаваемая Земле в процессе приливной деформации. Физические расчеты показывают, что приливное воздействие обратно пропорционально кубу расстояния до возмущающего тела: F = M / d³

где M — масса пролетающего объекта, а d — расстояние до него.

При этом энергия, передаваемая Земле в процессе приливной деформации, растет значительно быстрее — она обратно пропорциональна шестой степени расстояния: E_деф = (R_E / d)^6

где R_E — радиус Земли.

Это означает, что даже незначительное сокращение дистанции приводит к колоссальному росту передаваемой энергии. Простая арифметика показывает масштаб этого явления:

• Если уменьшить расстояние между Землей и пролетающим телом в два раза, энергия приливной деформации увеличится в 64 раза.
• Если сократить расстояние в десять раз, передаваемая энергия вырастет в миллион раз.

Даниэле Фарджион провел расчеты для пролета космического тела массой с Луну на расстоянии около шести радиусов Земли (примерно 40 000 километров от центра нашей планеты). Сегодня Луна находится примерно в десять раз дальше.

Согласно расчетам, при таком сближении энергия, переданная Земле в процессе приливной деформации ее океанов и коры всего за несколько часов, составит около 10³⁰ эрг. Это колоссальное число в точности соответствует кинетической энергии астероида, оставившего кратер Чиксулуб. Однако эта энергия выделяется не в точке удара, а распределяется по всей планете, вызывая масштабные движения воды и деформацию земной коры.

Последствия для гидросферы: километровые волны

Первой на гравитационное воздействие пролетающего тела реагирует жидкая оболочка Земли — мировой океан. Вода обладает высокой подвижностью, поэтому приливное растяжение мгновенно группирует огромные массы воды в направлении движущегося объекта.

В открытом глубоком океане высота приливного вала при таком сближении может составлять сотни метров. Сами по себе эти колебания вдали от суши не приводят к мгновенным разрушениям. Однако ситуация кардинально меняется, когда эта гигантская масса воды приближается к береговой линии и вступает на континентальный шельф.

Здесь начинает работать физический эффект, известный как накат волны. При уменьшении глубины скорость движения волны падает, но ее кинетическая энергия никуда не исчезает. Она начинает сжиматься по горизонтали и расти по вертикали.

В результате на побережье обрушивается волна высотой в несколько километров. Она способна проникнуть вглубь суши на сотни километров, полностью затапливая низменности и уничтожая наземную растительность и животных.

Когда пролетающее тело удаляется от Земли, происходит обратный процесс. Вода начинает стремительно отступать, обнажая огромные участки морского дна, которые ранее никогда не выходили на поверхность. Для морских организмов, особенно обитающих на мелководье, это отступление воды оказывается не менее губительным, чем затопление для сухопутных видов. Мелководный шельф мгновенно высыхает, уничтожая целые экосистемы.

Тектонический разогрев: вулканы и траппы

Земля не является абсолютно твердым телом. Под относительно тонкой гранитной и базальтовой корой находится мантия, обладающая пластичными свойствами из-за высокого давления и температуры.

При близком пролете массивного космического тела гравитационные силы деформируют не только океан, но и твердое тело планеты. Земная кора и мантия начинают периодически сжиматься и растягиваться. В масштабах планеты это приводит к возникновению колоссального внутреннего трения между слоями пород.

Этот физический процесс преобразует кинетическую энергию движения пролетающего тела в тепловую энергию внутри Земли. Подобное явление хорошо изучено астрофизиками на примере Ио — спутника Юпитера. Из-за постоянного изменения расстояния до Юпитера приливные силы деформируют Ио, разогревая его недра до такой степени, что этот спутник стал самым вулканически активным телом в Солнечной системе.

На Земле приливной разогрев мантии при близком пролете карликовой планеты приводит к следующим последствиям:

1. Резкое плавление пород. В мантии образуются огромные резервуары жидкой магмы под высоким давлением.
2. Растрескивание коры. Переменные механические напряжения создают глубокие трещины в земной коре.
3. Масштабный вулканизм. Магма устремляется к поверхности не через отдельные вулканы, а через гигантские трещины.

Геологи называют результаты таких процессов траппами. Это огромные территории, залитые многими слоями базальтовой лавы толщиной в несколько километров. Излияние Сибирских траппов совпадает по времени с Великим пермским вымиранием, а Деканских траппов в Индии — с мел-палеогеновым.

Вместе с лавой вулканы выбрасывают в атмосферу миллиарды тонн углекислого газа, серы и пепла. Это приводит к длительному запылению атмосферы, снижению прозрачности воздуха для солнечного света (вулканическая зима) и последующему разрушительному парниковому эффекту.

Палеонтологические свидетельства приливной гипотезы

Приливная модель объясняет несколько странных закономерностей в геологической и биологической истории Земли.

Во-первых, она дает ответ на вопрос, почему во время массовых вымираний некоторые группы животных исчезали почти полностью, в то время как другие практически не несли потерь.

При сценарии с гигантскими приливами и отливами наиболее уязвимыми оказываются строго сухопутные и строго морские прибрежные виды. Первые погибают от затопления, вторые — от внезапного осушения шельфа.

В выигрышном положении оказываются земноводные (амфибии), способные одинаково успешно переносить как пребывание в воде, так и на суше. Также высокую выживаемость демонстрируют летающие организмы, которые могут переждать катастрофический подъем воды на возвышенностях или в воздухе. Палеонтологическая летопись подтверждает, что амфибии и предки птиц переносили великие вымирания значительно лучше других групп животных.

Во-вторых, следы близких пролетов зафиксированы в коралловых архивах. Кораллам для роста необходим солнечный свет, поэтому они очень чувствительны к суточному циклу освещенности. На их известковых скелетах формируются тонкие ежедневные и ежегодные линии роста, подобные годовым кольцам деревьев.

Изучение ископаемых кораллов девонского периода показало, что тогда год длился дольше, чем сейчас (около 400 дней), так как Земля вращалась быстрее. Однако в конце девона произошел странный скачок: скорость вращения планеты резко замедлилась, а Луна скачкообразно отдалилась от Земли.

Обычное приливное трение, создаваемое Луной сегодня, замедляет вращение Земли крайне медленно и плавно — на доли секунды за столетие. Резкое изменение параметров вращения Земли и орбиты Луны указывает на внешнее гравитационное вмешательство. Пролетающая мимо карликовая планета сработала как гравитационный рычаг, изменив орбитальные характеристики системы Земля — Луна.

Источник угрозы: невидимые миры на окраинах системы

Откуда приходят эти карликовые планеты и почему мы не видим их заранее?

Основным источником таких объектов являются внешние области Солнечной системы — пояс Койпера (начинается за орбитой Нептуна) и облако Оорта (сферическая область на самом краю системы). Здесь в условиях экстремального холода обращаются миллионы ледяных и каменных тел разного размера.

Многие из этих объектов обладают крайне низкой отражательной способностью. Они практически не отражают солнечный свет, из-за чего их крайне сложно обнаружить с помощью оптических телескопов. Они остаются невидимыми на протяжении почти всего своего пути.

В качестве примера Даниэле Фарджион приводит карликовую планету 2017 OF201, открытую астрономами на очень вытянутой орбите. Ее диаметр составляет около 700 километров. Период обращения этого тела вокруг Солнца составляет примерно 25 000 лет, и на протяжении 99% этого времени планета находится так далеко, что ее невозможно зафиксировать существующими телескопами.

Иногда орбиты таких тел нарушаются под влиянием гравитации Нептуна или проходящих мимо звезд. Объект срывается со своей стабильной орбиты и направляется во внутренние области Солнечной системы, пересекая орбиту Земли.

Изменение концепции космической безопасности

Гипотеза приливных вымираний заставляет переосмыслить подход человечества к планетарной безопасности.

Сегодня основные усилия ученых сосредоточены на поиске астероидов и комет, траектории которых ведут к прямому столкновению с Землей. Создаются оптические и инфракрасные телескопы для обнаружения объектов диаметром более 140 метров, разрабатываются проекты их отклонения с помощью кинетических ударов (как в эксперименте DART).

Однако если модель Фарджиона верна, то бесконтактные гравитационные сближения представляют не меньшую опасность. При этом объект, способный вызвать приливную катастрофу, может быть гораздо крупнее типичного опасного астероида — его масса может измеряться миллиардами тонн. Изменить траекторию такого тела с помощью современных технологий невозможно.

Для предотвращения подобных катастроф человечеству необходимо сместить фокус внимания на дальние рубежи Солнечной системы. Требуется создание специализированных космических обсерваторий, способных фиксировать слабые тепловые сигналы холодных карликовых планет на границах пояса Койпера задолго до того, как они начнут свое сближение с Землей. Близкий пролет крупного тела не оставляет кратеров на суше, но его последствия для цивилизации могут оказаться фатальными.

Источник: arXiv