Мощный взрыв астероида, высвободивший энергию в сто миллионов мегатонн, погрузил Землю в темноту на долгие годы, став причиной вымирания крупных животных, не требуя содействия вулканической активности.
Шестьдесят шесть миллионов лет назад все наземные животные, не живущие в норах, исчезли. Изначально причиной этого события считали масштабные извержения декканских вулканов и падение астероида. Однако, как показал анализ, вулканы не сыграли никакой роли, и об этом мы расскажем ниже.
Еще 15-20 лет назад многие исследователи (а в России такие есть и сегодня) утверждали, что динозавры вымерли потому, что были менее конкурентоспособны, чем млекопитающие. Мол, те поедали яйца неповоротливых ящеров и иными способами мешали им жить, отчего динозавры постепенно и вымерли.
Динозавры были не менее развиты, чем млекопитающие, однако в итоге вымерли
В последние годы стало неоспоримо, что большинство динозавров, если не все, обладали теплокровностью, часто покрытыми перьями и довольно быстрыми. А вот на холоднокровных ящеров из «Парка юрского периода» они были мало похожи. Благодаря своеобразному скелету с воздушными полостями и необычной дыхательной системе они могли вырасти куда более крупными, чем любые наземные млекопитающие.
Древние «ужасные ящеры» таксиномически относились к динозаврам, однако в отличие от современных птиц, некоторые из них обладали не гладкими, а зубастыми клювами, напоминавшими клювы страусов, но значительно большего размера – до десятков тонн и с наличием зубов. Из этого можно легко понять, почему млекопитающие до вымирания наземных динозавров вели ночной образ жизни, скрываясь в норах. От страуса уйти от преследования непросто, а от зубастого хищника, весящего несколько тонн, защититься практически невозможно. Более крупные виды просто не давали им возможности доминировать в течение дня.
Палеонтологи представили убедительные доказательства того, что разнообразие наземных динозавров (не считая птиц) оставалось значительным до 66,04 миллиона лет назад, после чего оно резко и практически моментально уменьшилось до нуля. Кроме того, 93% видов млекопитающих приказали долго жить в тот же самый момент — и мы, например, происходим от немногочисленных выживших видов. Из этого понятно, что млекопитающие вытеснили наземных динозавров не потому, что были чем-то лучше, а потому, что те погибли из-за каких-то внешних событий.
Охота на убийцу. Вулканизм или пять миллиардов Хиросим
Примерно в то же время произошли две масштабные катастрофы, способные объяснить Великое вымирание. На Индостане образовалось обширное извержение лавы площадью полтора миллиона квадратных километров (современные Декканские траппы). Это привело к выбросу огромного количества диоксида серы в атмосферу — газа, обладающего антипарниковым эффектом.
Он надежно перекрывает солнечный свет, вызывая на поверхности планеты период, схожий с вулканической зимой. Извержение, сформировавшее Декканские траппы, характеризовалось выдающейся интенсивностью. В связи с этим, некоторые ученые полагают, что вулканическая зима, последовавшая за ним, также была очень сильной. Снижение температуры способно приводить к гибели видов: большинство крупных вымираний на Земле связано с резким падением температур.
Около 66 миллионов лет назад Землю постигла новая катастрофа, угрожавшая гибели крупных животных. В полуострове Юкатан упал астероид Чиксулуб, его диаметр составлял не менее десяти километров. Столкновение массивного объекта, двигавшегося со скоростью в несколько километров в секунду, с земной породой вызвало взрыв колоссальной мощности оценивается в 100 миллионов мегатонн (примерно пять миллиардов Хиросим). Как и любой крупный астероидный удар, он поднял в стратосферу огромное количество пыли, вызвав астероидную зиму.
Астероид также обладает дополнительными последствиями: он поднимает в атмосферу не только пыль, но и значительные обломки, которые достигают скорости в километры в секунду и совершают суборбитальный космический перелет. Возвращаясь оттуда со скоростью до 6 км/с, эти обломки сильно нагреваются. Некоторые из них, особенно крупные и рыхлые, вызывают вторичные взрывы в атмосфере, другие, более мелкие и плотные, падают на землю раскаленными докрасна. Кроме того, высвободилось 100 миллионов мегатонн энергии, что спровоцировало мощнейшее цунами. Однако все эти последствия, по сути, являются второстепенными: согласно расчетам, астероидная зима представляет куда большую опасность для биосферы, чем глобальный огненный дождь или гигантская волна, охватившая все океаны планеты.
Вымирание могло быть спровоцировано как вулканической, так и астероидной зимой. Однако, как определить, какой из этих факторов сыграл решающую роль? Для этого было бы полезно установить, какое событие произошло первым. К сожалению, извержение Декканских траппов, судя по всему, началось немного раньше вымирания динозавров, на десятки тысяч лет. Хотя его пик активности пришелся уже после. Таким образом, одних только дат недостаточно для понимания произошедшего: необходимы дополнительные данные.
Все моря оказались закислыми, и это произошло очень быстро
Международная группа ученых попыталась найти ответ на этот вопрос, изучив отложения древнего морского дна. В ходе исследования были обнаружены образцы глин, датируемые 66,04 миллиона лет назад, в том числе один особенно толстый и содержащий ценную информацию, на территории современной Голландии. Эти отложения включают в себя оболочки фораминифер — морских одноклеточных организмов с небольшой раковиной. Авторы новой работы изучили, в этих отложениях наблюдались изменения уровня бора, элемент накапливается в раковинах моллюсков и его концентрация связана с кислотностью морской воды. Кислотность количественно оценивается с помощью водородного показателя pH.
В ходе нового исследования установлено, что в течение последних 100 тысяч лет мелового периода pH оставался исключительно стабильным. Это, однако, не является неожиданностью, поскольку за последние 20 тысяч лет истории Земли кислотность океанов демонстрировала значительные колебания. Это обусловлено тем, что кислотность океана чувствительна к концентрации углекислого газа в атмосфере: повышение температуры сопровождается увеличением содержания СО2 в воздухе, а понижение – уменьшением. Таким образом, конец эры динозавров характеризовался удивительно устойчивым климатом, в отличие от современных резких изменений.
Ученые считают, что стабильность кислотности морей в тот период исключает Декканские траппы как причину вымирания динозавров. Если бы извержения этих траппов действительно привели к глобальной вулканической зиме, то pH океанов не мог бы оставаться неизменным. Диоксид серы, выбрасываемый при извержениях, выпадает из атмосферы в виде кислотных дождей. Около 30 тысяч лет до вымирания динозавров извержения Декканских траппов не привели к значительному увеличению количества таких дождей. Таким образом, масштаб извержений в то время не был достаточно большим, чтобы оказать влияние на климат и вызвать вымирание.
Примерно 66,04 миллиона лет назад стабильность исчезла. В течение не более тысячи лет pH океанов, как показывают исследования бора в осадочных породах, снизился на 0,25 единицы. Следует отметить, что тысяча лет – это верхняя граница, поскольку более точная датировка события по другим осадочным породам недоступна.
О чем говорят закисленные океаны
Некоторые могут подумать, что изменение pH на 0,25 единицы не является значительным. Действительно, такой уровень закисления редко приводит к гибели морских организмов напрямую. Еще два десятилетия назад многие выражали обеспокоенность тем, что закисление океана вызовет массовую гибель организмов, обладающих раковинами и известковыми скелетами, таких как моллюски и кораллы. Предполагалось, что вода с пониженным pH начнет разрушать их раковины и скелетные структуры.
В настоящее время очевидно, что это утверждение является излишне упрощенным. Фактически, многие организмы, которые используют карбонаты для построения своего организма, уязвимы к закислению океанов выигрывают. Скорость их роста, а также скорость поглощения ими кальция для формирования скелетных структур в воде с повышенной кислотностью, значительно увеличивается. В период с 1751 по 1996 год снижение pH океанов привело к уменьшению показателя с 8,25 до 8,14. Вместе с тем, вопреки распространенным прогнозам о «растворении» организмов, имеющих карбонатные скелеты, в подкисленных морских средах, биомасса кокколитофорид выросла на 40%.
Некоторые кораллы, ранее считавшиеся находящимися под угрозой исчезновения в связи с подкислением океана, лучше растут в сильно закисленной (до pH 7,3) воде. Несмотря на такие условия, они достигают размеров втрое больше тех, что имеют сегодня, в незакисленных морях.
Повышение кислотности океана является значимым показателем происходящих на планете процессов. В новой научной работе авторы рассчитали, что закисление, зафиксированное в первые тысячелетие после падения Чиксулубского астероида, указывает на существенное изменение состава атмосферы. Уровень CO2 в атмосфере до мощного астероидного взрыва составлял 900 частей на миллион, а после него резко возрос до 1600 частей на миллион. Это колоссальное увеличение.
Сам по себе рост концентрации углекислого газа не может вызвать вымирание. В геологической истории Земли наблюдались гораздо более значительные изменения. Всего 10-15 тысяч лет назад концентрация углекислого газа неоднократно колебалась. Пятьдесят с лишним миллионов лет назад, в эпоху палеоцен-эоценового термического максимума, уровень углекислого газа в атмосфере поднялся примерно вдвое, до уровня выше того, что был во времена вымирания динозавров. pH океанов упал на 0,28 — сильнее, чем после Чиксулуба.
Хотя и так, разнообразие видов на Земле не только не уменьшилось, но и значительно увеличилось. Таким образом, гибель динозавров не была вызвана повышением концентрации углекислого газа. Вероятнее, именно вымирание стало причиной этого повышения».
О чем рассказал взлетевший СО2
Углекислый газ в атмосфере способен не только вызывать глобальные изменения, такие как текущее потепление, но и являться их индикатором. О чем свидетельствует этот факт?
По современным данным, после падения Чиксулубского астероида на планете на протяжении 80 лет наблюдались значительно пониженные температуры. Исследование, проведенное в 2016 году, показало, что в воздух тогда попало по оценкам, содержание серы в этом объеме составляет 325 миллиардов тонн, что потенциально могло бы привести к выбросу до триллиона тонн диоксида серы (SO2).
Несмотря на то, что концентрация СО2 в атмосфере сегодня превышает триллион тонн, выброшенные в верхние слои атмосферы в результате взрыва астероида серные соединения препятствуют проникновению солнечного света на самом деле эффективно. Расчеты показывают, даже если бы в атмосферу от взрыва астероида попало всего 100 миллиардов тонн серы, это привело бы к значительному снижению температуры планеты.
Спустя три года после столкновения с астероидом ожидалось снижение средней температуры на 27 °C. Температура, которая в меловом периоде составляла плюс 22 °C, понизилась до минус 5 °C. При значительно большем выбросе серы, чем предполагалось, глобальное похолодание, несомненно, превысило бы 27 градусов, но точную величину пока оценить затруднительно. Поэтому мы ограничимся расчетами, основанными на выбросе в 100 миллиардов тонн. Является ли снижение средней температуры на 27 °C достаточно серьезным, чтобы вызвать массовое вымирание?
Среднегодовая температура в Москве в настоящее время составляет приблизительно +6 °C. Снижение этого показателя на 27 градусов привело бы к формированию климата, не имеющего аналогов в Северном полушарии. Температура на побережье Антарктиды варьируется от минус 10 °C и ниже. Внутренние районы Антарктиды характеризуются температурой минус 20 °C, что делает этот регион непригодным даже для обитания пингвинов. В этих областях практически отсутствуют крупные животные, а количество мелких многоклеточных организмов крайне ограничено. Таким образом, повторение «чикасулубской зимы» сделало бы территорию Москвы непригодной для жизни.
Некоторые считают, что российская столица не является оптимальным местом для проживания, а средняя температура на планете в настоящее время составляет +15 °C. Это на 7 °C меньше, чем наблюдалось в конце эпохи динозавров. Снижение температуры на 27 °C привело бы к тому, что средняя температура Земли составила бы минус 12 °C. Подобный климат характерен для Земли Франца-Иосифа, где среднегодовая температура и составляет минус 12 °C.
В целом, температура на планете снизилась бы, и она стала бы ощутимо ниже, чем нынешняя температура на острове Врангеля, но не ниже, чем на самых северных российских островах. На Земле Франца-Иосифа обитает менее тридцати видов птиц и млекопитающих, поскольку для остальных условий оказываются слишком суровыми.
Сегодня на планете Земля зафиксирована самая высокая температура имеет среднегодовую температуру плюс 34 °C. Падение ее на 27 °C — это среднегодовые плюс 7 °C, примерно столько же в Саратове. На первый взгляд, в тропических оазисах динозавры могли бы и выжить.
Вопреки распространенному мнению, по данным исследований, наибольшая температура после периода астероидной зимы наблюдалась над морями. Благодаря их высокой теплоемкости, температура там не могла существенно снизиться, и средний показатель над открытым океаном составлял +5,9 °C.
На суше условия складывались более неблагоприятными: в самый холодный год астероидной зимы среднегодовая температура опускалась до минус 32 °C. В континентальных районах тропиков, существовавших в конце эры динозавров, среднегодовая температура после падения Чиксулуба снизилась с плюс 27 °C до минус 22°C, что соответствует температурам, которые сегодня характерны для внутренних территорий Антарктиды. Восстановление допадения Чиксулуба температур произошло не ранее, чем через три десятилетия астероидной зимы.
После падения Чиксулуба средняя температура Земли в первые пять лет не поднималась выше нуля градусов. Это объясняет, почему крупные животные не смогли выжить в это время. В мезозойскую эру климат был теплым, весьма теплым – даже нынешние Антарктида и Арктида обладали климатом, который мы бы сочли умеренным, примерно как в современной Москве).
Создание условий, имитирующих пятилетний период зимних морозов, характерных для тундры, приведет к гибели большинства взрослых растений. Семена, сохранившиеся в почве, позволят покрытосеменным растениям относительно быстро восстановиться. Однако, в течение пяти лет зимы, без достаточного количества растительной пищи, погибнут практически все травоядные животные, особенно крупные особи. За этим последует сокращение численности плотоядных, которые не смогут просуществовать пять лет без травоядной добычи.
Массы погибших животных и растений со временем должны были разлагаться, высвобождая в атмосферу углекислый газ. Однако прежнего объема растительности восстановить не удалось. Другая научная группа установила, что сажа и диоксид серы, выброшенные в стратосферу в результате столкновения с астероидом, уронили уровень солнечного освещения в 100 раз на период до двух лет. Земные растения не могут эффективно фотосинтезировать при освещении в одну сотую нормального солнечного. То есть брать СО2 из воздуха, чтобы получать из него кислород на пару лет, стало некому.
Возвращение солнечного света оказалось постепенным, и нормализация климата не произошла незамедлительно. Многолетняя астероидная зима спровоцировала масштабное распространение морских льдов, характерных для эпохи динозавров. Лед обладает высокой отражающей способностью, что усиливало охлаждение планеты. Восстановление растительности после этого периода оказалось крайне медленным.
Сам удар астероида мог стать еще более значительным источником выбросов углекислого газа. Он, несомненно, высвободил в атмосферу значительное количество углеродсодержащих веществ. К тому же, масштабные пожары, вызванные всепланетным «огненным дождем», также внесли существенный вклад в увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. По предварительным расчетам, вклад Чиксулубского астероида в состав атмосферы Земли мог достигать сотен миллиардов тонн.
В обычных условиях углекислый газ способен повысить температуру планеты, задерживая инфракрасное излучение. Однако в период астероидной зимы этот эффект не проявляется: диоксид серы в атмосфере препятствует проникновению солнечного света в тропосферу. Удержать достаточное количество тепла у поверхности углекислому газу не удается, если количество этого тепла, достигающего поверхности, слишком мало.
Резкое увеличение концентрации углекислого газа, зафиксированное после падения астероида, свидетельствует о том, что именно это событие стало причиной значительного роста парниковых газов в атмосфере, что, в свою очередь, привело к вымиранию динозавров. Хотя вулканическая активность в области Декканских траппов и могла усилить негативные последствия, первопричиной гибели динозавров она не являлась.
Как получилось, что наземные динозавры исчезли, а птицы и млекопитающие, в том числе и мы, — нет
Ситуация в целом понятна. Взрыв мощностью 100 миллионов мегатонн на несколько лет окутал планету непроглядной тьмой и вызвал экстремально холодный климат на долгие годы. Стало ясно, почему погибли три четверти видов растений и 93% видов млекопитающих. Однако, часть живых существ выжила. Как и птицы, выжили из динозавров. Возникает вопрос: почему именно наземные динозавры не смогли пережить это событие?
Для крупных животных добыча пропитания в трудных условиях представляет собой серьёзную проблему. Однако среди динозавров существовало множество небольших особей, сопоставимых по размеру с человеком. Возникает вопрос: почему эти мелкие динозавры не смогли пережить то время и не стали предками более крупных видов?
Наиболее вероятный ответ на этот вопрос можно сформулировать кратко: яйца. Современные исследования подтверждают, что динозавры высиживали яйца, в отличие от холоднокровных ящериц. В Мезозойскую эру не существовало периода, подобного тому, что последовал за падением Чиксулубского астероида, поэтому высиживание яиц могло длиться продолжительное время. Если птицы обычно высиживают яйца от 11 до 85 дней (страус, самая крупная из них, – 42 дня), то у наземных динозавров высиживание шло три-шесть месяцев.
Пока ситуация была благоприятной, длительное пребывание на солнце приносило пользу нептичьим динозаврам. Ученые считают, по мнению исследователей, продолжительное высиживание было связано с периодом, необходимым для формирования зубов у эмбриона. У современных птиц зубы отсутствуют, что позволяет им сократить время высиживания. Однако наличие зубов даёт возможность занимать определённые экологические ниши. Беззубым птицам сложнее добывать крупную пищу или пережёвывать грубую растительность. Таким образом, для многих нелетающих видов зубы были необходимы.
После Чиксулубской катастрофы длительное высиживание яиц из плюса обернулось серьезной проблемой: возникли трудности с пропитанием, исчезли живые растения, погибали травоядные животные, падаль быстро портилась. Выживать могла только особь, постоянно мигрирующая и добывающая скудную пищу у обитателей новых территорий. Перенос отложенных яиц в другое место представлял значительную сложность, а поддержание необходимой температуры в пути было затруднительным, учитывая суровые астероидные зимы. Даже трехмесячное пребывание на одном месте было невозможно: масштаб катастрофы был апокалиптическим, и задерживаться на одном месте было невыгодно.
Птицы, в особенности мелкие виды, отличаются скоростью высиживания яиц, что способствовало их выживанию, и их разнообразие сохраняется и в наши дни вдвое больше, насекомые значительно превосходят млекопитающих по численности. Если честно, утверждение о том, что на планете доминируют млекопитающие, фактически означает, что среди наземных животных, не умеющих летать, доминируют млекопитающие».
Сами млекопитающие не вымерли потому, что их беременные самки носят своих детенышей с собой, то есть они не привязаны к одному месту. Яйцекладущие млекопитающие, типа современных ехидн и утконосов, высиживают яйца под землей, где колебания температур меньше. Это также снижало их шансы на вымирание при похолодании..
Что это все нам дает
Поверхностный анализ результатов новой работы позволяет сделать вывод о ее излишней простоте. Исследование показывает, что столкновение с астероидом, высвободившее энергию, сопоставимую с взрывом пяти миллиардов Хиросим, сопровождаемое огненными дождями, мегацунами и десятилетиями астероидной зимы, способно привести к гибели всех крупных наземных животных. Насколько целесообразно доказывать столь очевидный факт?
Да, это действительно удивительно. Мы уже говорили о том, что в России до сих пор встречаются ученые, которые отрицают связь между вымиранием динозавров и Чиксулубским событием. На Западе многие исследователи пытались объяснить катастрофу, произошедшую 66 миллионов лет назад, вулканической активностью. Установление истинной причины этого события – это не просто абстрактный интерес. Предотвратить извержения вулканов невозможно.
Существующая технология позволяет предотвратить столкновение Земли с крупными астероидами и кометами, однако для этого потребуется разработка ракет, оснащенных термоядерными боеголовками достаточной мощности. Тем не менее, без убедительных научных доказательств того, что именно астероиды представляют наибольшую угрозу для жизни на Земле, инвестиции в системы защиты от них маловероятны.