Динозавры вымерли за несколько часов: ученые пересчитали физику теплового импульса Чикшулуба

Шестьдесят шесть миллионов лет назад на Землю упал астероид диаметром около десяти километров. Место удара применительно к современной карте мира находится на полуострове Юкатан в Мексике. Каменное тело влетело в планету на огромной скорости и, в результате мощнейшего столкновения, сформировало кратер Чикшулуб диаметром почти двести километров.

Главная загадка этой катастрофы заключается не в самом ударе. Падение уничтожило все живое в радиусе двух тысяч километров, но массовое вымирание затронуло всю планету. Ученые долго не могли объяснить, почему животные, находившиеся на противоположной стороне Земли за тысячи километров от места падения, погибли в первые же часы после катастрофы.

Новое исследование физиков и геогеологов из Университета Пердью, опубликованное в научном журнале JGR Biogeosciences, дает ответ на этот вопрос. Причиной глобальной гибели сухопутных организмов стал особенный физический процесс: раскаленный газ и крошечные частицы пыли создали условия, при которых атмосфера Земли удерживала тепло и излучала его обратно на поверхность.

Тридцать лет научных споров: почему старые теории не работали

В 1990 году американский физик Джей Мелош предложил первое логичное объяснение глобальной гибели динозавров.

Согласно его расчетам, при падении астероида часть земной породы мгновенно расплавилась и испарилась. Этот столб горячего газа и капель расплавленного камня вырвался за пределы атмосферы в космос. Находясь в невесомости, капли остыли и превратились в миллиарды мелких стеклянных шариков — ученые называют их сферулами.

Далее эти сферулы под действием гравитации начали падать обратно на Землю по всей поверхности планеты. Влетая в плотные слои атмосферы на скорости в несколько километров в секунду, они испытывали мощное трение о воздух. В результате трения их кинетическая энергия превращалась в тепло. Мелош предположил, что воздух на высоте 70-80 километров раскалился настолько, что стал выделять интенсивное инфракрасное излучение. По его теории, это излучение было достаточно сильным, чтобы мгновенно поджечь леса по всему миру и вызвать гибель всех животных, находившихся на открытой местности.

Однако в 2010-х годах другие группы ученых провели компьютерное моделирование и поставили эту теорию под сомнение. Они пересчитали перенос тепла в атмосфере и пришли к выводу, что модель Мелоша содержала ошибку.

Физики указали на то, что нагретый воздух на большой высоте излучает тепло во все стороны одинаково. Половина этого тепла действительно направлена вниз, к поверхности Земли. Но вторая половина уходит вверх — в холодный космос, где безвозвратно рассеивается. Из-за этой утечки энергии верхние слои атмосферы должны были быстро остывать. Поток тепла, доходивший до земли, получался слишком слабым: его мощности не хватало для того, чтобы поджечь сухую древесину или нанести смертельные ожоги крупным животным.

Ученые попали в тупик. Геологические раскопки по всему миру показывали, что в слое пород, соответствующем времени падения астероида, присутствует огромное количество сажи от пожаров и застывших капель породы. Однако законы физики в имеющихся компьютерных моделях утверждали, что глобального нагрева поверхности произойти не могло.

Ошибка в расчетах: сколько породы испарил астероид

Авторы нового исследования нашли ошибку в прежних компьютерных симуляциях. Оказалось, что старые программы неправильно оценивали то, как силикатные минералы — основная составляющая земной коры — ведут себя при сверхвысоких давлениях и температурах.

Раньше считалось, что для полного превращения камня в газ требуются колоссальные показатели давления, которые возникают только в самом центре места удара. Но недавние лабораторные эксперименты по сжатию материалов показало: силикаты переходят в газообразное состояние гораздо охотнее. Порог испарения породы оказался значительно ниже.

Ученые пересчитали объем испаренной породы с учетом новых данных. Для астероида диаметром 13 километров, падающего под углом 60 градусов (именно такой угол считают наиболее вероятным), цифры изменились принципиально:

• Объем камня, превратившегося в газ, составил 1139 кубических километров.
• Это почти в пять раз больше, чем предполагали все предыдущие модели.
• Масса образовавшегося пара превысила три триллиона тонн.

Этот огромный объем раскаленного газа поднялся выше атмосферы Земли. И именно здесь начался процесс, который ранее никто не учитывал.

Разделение материалов: как образовалась незаметная пыль

Когда гигантский столб испаренной породы вырвался в космос, он начал быстро расширяться и остывать. При остывании часть газообразного силиката успела соединиться в крупные капли и застыть, образовав те самые стеклянные шарики — сферулы размером в четверть миллиметра (около 250 микрон).

Однако из-за слишком быстрого расширения в вакууме остыла только часть газа. Около 44% массы испаренного камня просто не успело сформировать крупные капли. Газ остался газом, пока не начал остывать дальше. В результате из этого остаточного пара сконденсировалась невероятно мелкая силикатная пыль. Размер ее зерен составлял от 0,1 до 2,8 микрона. Для сравнения, толщина человеческого волоса — около 70 микрон. Эта пыль была в десятки раз тоньше человеческого волоса.

Когда вся эта масса вещества начала падать обратно на Землю, произошло естественное сортирование материалов по размеру и весу.

Крупные стеклянные шарики (сферулы) обладали большей массой. Они падали быстрее и начинали резко тормозить на высоте от 70 до 80 километров над землей, где атмосфера становится достаточно плотной.

Крошечная пыль была слишком легкой. Она не могла падать с такой же скоростью. Она осталась в самых верхних слоях атмосферы — на высоте более 80-90 километров, образовав плотное и непрерывное облако, окружившее всю планету.

Геологические доказательства этого процесса ученые нашли при изучении древних пластов породы. Например, на известном раскопе Танис в штате Северная Дакота сохранялся четкий порядок слоев. В самом нижнем слое, сформировавшемся в первые минуты и часы после удара, находятся только крупное стеклянное зерно. Но строго над ним лежит слой глины без каких-либо крупных шариков. Анализ показал, что эта глина состояла как раз из той самой микроскопической силикатной пыли, которая зависла в воздухе и затем постепенно оседала на землю.

Физика теплового барьера: почему тепло не ушло в космос

Именно эта микроскопическая пыль разрешила многолетний спор ученых и объяснила, почему старые модели не работали.

Пыль, зависшая в самых верхних слоях атмосферы, обладала огромной суммарной площадью поверхности. Расчеты показали, что ее оптическая плотность превысила показатель в 620 единиц. Это технический термин, который простыми словами означает следующее: слой пыли стал полностью непрозрачным для инфракрасных лучей. Способность атмосферы пропускать тепловое излучение наружу, в космос, упала практически до нуля.

В результате изменилась вся физика процесса торможения падающих материалов:

1. Сферулы (стеклянные шарики) входят в атмосферу на высоте 70-80 километров и раскаляются от трения о воздух.
2. Они выделяют колоссальное количество тепла.
3. Тепловое излучение пытается распространиться во все стороны. Половина энергии идет вниз, к земной поверхности.
4. Вторая половина энергии направляется вверх, но на высоте 90 километров упирается в плотный слой микроскопической пыли.
5. Пыль не пропускает тепло дальше. Она поглощает его и излучает обратно вниз, к поверхности Земли.

Таким образом, утечка энергии в космос оказалась полностью перекрыта. Тепловое излучение оказавалось заперто между слоем пыли вверху и поверхностью планеты внизу.

Благодаря этому эффекту задержки тепла мощность инфракрасного потока, достигшего поверхности Земли, выросла с прежних 5-6 киловатт на квадратный метр до 18 киловатт на квадратный метр. Кроме того, атмосфера больше не могла быстро остыть: высокий уровень нагрева сохранялся у поверхности на протяжении нескольких тысяч секунд — то есть более часа.

Математика гибели: что происходило на поверхности Земли

Чтобы понять, что означают 18 киловатт на квадратный метр, не нужны сложные сравнения. Достаточно обратиться к цифрам и показателям физической стойкости живых тканей.

Для организма человека и большинства крупных млекопитающих критическим является тепловой поток мощностью 10 киловатт на квадратный метр, воздействующий в течение всего двух с половиной минут (150 секунд). Такое воздействие вызывает глубокие ожоги кожи, мгновенный перегрев внутренних органов и приводит к стопроцентной смертности.

Наземные животные конца мелового периода, находившиеся на открытом пространстве, в первые часы после падения астероида получили дозу теплового излучения, которая превышала этот смертельный порог в 17 раз.

Даже если у крупных динозавров была плотная и толстая кожа, она не могла защитить их от такого воздействия. Излучение нагревало непосредственно сами тела животных. Они погибали от тяжелейших ожогов и критического нарушения терморегуляции задолго до того, как до них могли дойти ударная волна или последствия похолодания.

Второй процесс, вызванный этим нагревом — глобальные пожары.

Для того чтобы загорелся сухой цельный ствол дерева, требуется длительный нагрев мощностью около 20 киловатт на квадратный метр. Однако мелкие и легкие сухие материалы — сухая трава, опавшая хвоя, мох и лишайники — воспламеняются при гораздо меньшем уровне энергии. Для их возгорания достаточно всего 8 киловатт на квадратный метр при воздействии в течение 30-60 секунд.

Поскольку поток энергии у поверхности Земли достиг 18 киловатт на квадратный метр, подлесок и сухая трава вспыхнули одновременно на всех континентах. Это сразу же вызвало каскадный эффект: сплошной пал сухой травы и лесной подстилки привел к сгоранию крупных лесных массивов по всей планете.

Почему некоторые виды смогли выжить

Новое физическое объяснение дает ответ на еще один важный вопрос палеонтологии: почему вымирание носило избирательный характер и щадило определенные группы животных?

Инфракрасное тепловое излучение — это поверхностный фактор. Оно эффективно нагревает только те объекты, которые находятся на прямой линии видимости. Излучение не способно проникать вглубь плотных веществ, таких как почва или вода. Поток энергии был смертельным, но он продолжался ограниченное время — несколько часов.

Благодаря этому выжить смогли те организмы, которые обладали физиологической возможностью скрыться от прямого воздействия из пространства над ними:

• Норовые животные: мелкие млекопитающие, прятавшиеся в подземных норах, оказались в полной безопасности. Слой почвы толщиной всего в 10-15 сантиметров полностью поглощал тепловое излучение, не позволяя земле прогреться на глубину.
• Обитатели водоемов: крокодилы, пресноводные черепахи, амфибии и рыбы выжили, потому что находились в воде. Вода обладает высокой теплоемкостью и отражает или поглощает инфракрасные лучи в верхних сантиметрах слоя, сохраняя температуру на глубине стабильной.
• Предки современных птиц: из всех групп динозавров выжили только мелкие птицеподобные организмы, которые умели зарываться в грунт, гнездились в норах или жили у воды.
• Растения: многие виды растений сохранились благодаря тому, что их семена, споры и корневые системы находились под защитой слоя земли.

Итог: главный фактор вымирания

В последние годы среди ученых велась дискуссия о том, что стало главной причиной вымирания динозавров: падение астероида или масштабные извержения вулканов на территории современной Индии (так называемый деканский трапповый вулканизм). Вулканы выделяли огромное количество газов, что вызвало долговременные изменения климата и закисление океанов.

Однако новые физические расчеты показывают, что именно удар Чикшулуба стал главным и непосредственным фактором гибели сухопутной фауны. Вулканические процессы могли ослабить экосистемы за сотни тысяч лет до катастрофы, но они действовали слишком медленно.

Непосредственным механизмом уничтожения сухопутной жизни стал именно импульс тепла. Астероид испарил три триллиона тонн породы, а физические законы разделения материалов сформировали из этого пара слой тончайшей пыли. Эта пыль заблокировала выход тепла в космос, увеличила мощность излучения у поверхности в три раза и превратила атмосферу в источник смертельной энергии, уничтоживший всех крупных животных на суше за считанные часы.

Источник: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences