Падение Чикшулубского астероида на полтора года погрузило Землю во тьму

Рис. 1. Схема Чикшулубского импакта (слева) и осаждения импактных выбросов в местонахождении Танис (Tanis, Северная Дакота) в 3000 км к северу (справа). Астероид (углистый хондрит) диаметром 10–15 км прилетел с северо-востока и упал под углом 45–60° в мелкое море, на дне которого был слой осадочных пород с высоким содержанием серы (Sedimentary target) на гранитном основании (Shocked granitic basement). Кинетическая энергия удара оценивается в 3×10²³ джоулей (6×10⁷ мегатонн в тротиловом эквиваленте, 4×10⁹ Хиросим или миллион «Царь-бомб»). Из места падения разлетелись разнообразные по составу и размеру частиц импактные выбросы (Ejecta). Ударные волны (Shock waves) спровоцировали землетрясения во многих районах, в том числе в Танисе, где огромная волна поднялась из моря вверх по руслу реки (Point bar — обычные речные отложения, сформировавшиеся до импакта). В первые два часа Танис бомбардировали переплавленные импактные сферулы (Impact melt spherules, красные овалы). Они захоронились вместе с речными рыбами в слое песчаников и алевролитов (Siltstone and sandstone), созданном гигантской волной (Tanis K-Pg event deposit). В этом слое отсутствуют частицы, которым требовалось более двух часов, чтобы достичь Таниса и осесть там. Затем в течение нескольких (не более 20) лет поверх слоя со сферулами и осетрами оседали мелкие импактные выбросы: крупицы кварца, подвергшиеся воздействию очень высокого давления (shocked mineral clusts, светло-серые ромбы), богатая никелем шпинель (Ni-rich spinel) и силикатная пыль, состоящая из измельченных пород, выброшенных из кратера, и обогащенная материалом самого астероида, в котором, как и в других углистых хондритах, было много иридия (Ir-rich silicate dust). Изучение этого аргиллитового слоя (Claystone) позволило оценить размер частиц силикатной пыли (Focus interval for grain-size analysis, желтая стрелка на рис. d). Выше лежат палеогеновые лигниты (бурый уголь, Coal). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Уникальное местонахождение Танис сохранило подробную летопись первых часов и лет после падения Чикшулубского астероида, вызвавшего массовое вымирание на рубеже мела и палеогена (66 млн лет назад). Анализ импактной пыли из Таниса показал, что в ней преобладали частицы микрометрового размера (0,8–8,0 мкм), которые удерживаются в атмосфере дольше, чем более мелкие и более крупные. Климатическое моделирование с учетом новых данных по размеру пылевых частиц показало, что полная остановка фотосинтеза из-за наступившей тьмы должна была продолжаться полтора года. Этого вполне достаточно, чтобы вызвать массовое вымирание. При этом средняя температура на поверхности планеты упала на 15°. Воздействие пыли, надолго затмившей солнечный свет, было более пагубным, чем у других компонентов импактных выбросов, таких как сера и сажа.

«Элементы» уже рассказывали об уникальном местонахождении Танис в Северной Дакоте (США), изучение которого позволило узнать важные подробности о катастрофе, постигшей нашу планету 66 млн лет назад. Порожденная землетрясением гигантская волна, поднявшись из моря вверх по реке, похоронила заживо множество осетров с импактными сферулами в жабрах. Недавно по костям этих осетров удалось установить, что в момент катастрофы в Северном полушарии была весна, а в Южном, соответственно, осень (см. Кайнозойская эра началась весной, «Элементы», 24.02.2022).

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, рассматривается аргиллитовый слой толщиной в полтора сантиметра, лежащий непосредственно на 130-сантиметровой толще с осетрами и сферулами (рис. 1). Толща сформировалась очень быстро — в первые десятки минут, максимум два часа после импакта. Это видно из того, что в ней нет мелких компонентов импактных выбросов, которым требовалось два часа или более, чтобы достичь Таниса и осесть там. Аргиллитовый слой сформировался именно из этих мелких компонентов, которые оседали в течение нескольких лет. Выше начинаются палеоценовые лигниты (бурый уголь), состоящие в основном из органики. Считается, что верхняя граница аргиллитового слоя соответствует завершению процесса осаждения импактной пыли. В слое повышено содержание иридия, который происходит из материала астероида. Это та самая иридиевая аномалия, которая прослеживается на границе мела и палеогена по всему миру. Аргиллитовый слой в основном состоит из силикатной пыли, которая образовалась в результате пульверизации гранитных пород, подстилавших осадочную толщу в месте импакта.

Главное достижение авторов обсуждаемой статьи состоит в том, что им удалось намного точнее, чем раньше, оценить размер частиц импактной силикатной пыли. Это важно, потому что от размера пылевых частиц зависит их влияние на климат. Справиться с этой задачей удалось благодаря исключительно хорошей сохранности импактных отложений в Танисе, а также благодаря их четкому разделению на две части: то, что оседало в первые два часа, отделено от того, что оседало позднее, то есть от собственно пылевой фракции. В других местах импактные прослои, как правило, намного тоньше, и разные фракции импактных выбросов в них перемешаны.

Размер пылинок определяли при помощи лазерной дифракционной спектроскопии (см. Laser diffraction analysis). Оказалось, что 95% пыли (по объему, а не по числу пылинок) — это частицы размером от 0,2 до 35,0 мкм, а 67% укладывается в диапазон от 0,8 до 8,0 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Размер частиц импактной силикатной пыли из аргиллитового прослоя в Танисе. По горизонтальной оси — размер пылинок в мкм, по вертикальной — встречаемость пылинок данного размерного класса (в объемных процентах). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Прежние попытки смоделировать влияние импактной пыли на климат основывались либо на значительно более низких оценках (порядка 0,02 мкм, наноразмерные пылинки), либо, наоборот, на более высоких (50–250 мкм, что соответствует крупицам ударно-деформированного кварца и мелким сферулам, см. рис. 1). В первом случае пыль довольно быстро уходит из атмосферы благодаря диффузионному (броуновскому) осаждению. Во втором — атмосфера очищается за счет еще более быстрого гравитационного осаждения. И в результате модели показывали, что импактная пыль, скорее всего, затмевала солнечный свет недостаточно долго, чтобы претендовать на роль главной причины массового вымирания. Эту роль многие специалисты отводили двум другим видам импактных выбросов: саже и сере. Сажа поднялась в воздух из-за грандиозных пожаров, вызванных падавшими с небес раскаленными сферулами, а частицы, содержащие серу, образовались в результате испарения богатых серой осадочных пород в районе импакта.

Новые данные из Таниса показывают, что импактная силикатная пыль могла причинить биосфере намного больше вреда, чем считалось до сих пор, больше, чем сера и сажа. Дело в том, что дольше всего удерживаются в воздухе как раз пылинки размером в несколько микрон. Для быстрого броуновского (диффузионного) осаждения они слишком велики, для гравитационного — слишком малы. Именно такие частицы, согласно новым данным, преобладали в силикатной пыли, поднятой Чикшулубским астероидом.

В заключительной части работы авторы описывают результаты климатического моделирования. Сложные модели для изучения климата минувших эпох, в том числе конца мелового периода, разрабатываются давно (см. В позднемеловую эпоху в Антарктиде росли пышные дождевые леса, «Элементы», 14.04.2020). Авторы воспользовались усовершенствованной версией модели PlanetWRF (M. I. Richardson et al., 2007. PlanetWRF: A general purpose, local to global numerical model for planetary atmospheric and climate dynamics). В модель ввели новые данные по размеру частиц силикатной пыли. Другие ключевые параметры оставили такими же, как в предыдущих работах по моделированию последствий Чикшулубского импакта. В том числе оставили без изменений количественные оценки трех главных типов «климатически активных» выбросов. Согласно этим оценкам, в атмосферу поступило 2000 гигатонн пыли, 325 гигатонн серы и 20,8 гигатонн сажи.

Как и следовало ожидать исходя из медленного оседания микрометровых пылинок, моделирование показало, что пыль была не менее, а возможно и более важным истребляющим фактором, чем сера и сажа.

Комбинированное воздействие пыли, серы и сажи должно было привести к быстрому (в течение полугода) снижению средней температуры на поверхности Земли на 15° (от 17–18° до примерно 3°). Для сравнения, сегодня средняя поверхностная температура около 15°. Правда, при таком сравнении нужно помнить, что в меловом периоде широтный температурный градиент был слабее, то есть в полярных районах было не так холодно, а в тропических не так жарко, как сегодня. Спустя два года после импакта, по мере очищения атмосферы, температура начала повышаться и лет через 10 вернулась к исходному уровню. В дальнейшем могло стать еще теплее из-за парниковых газов (углекислого газа, водяного пара и метана), которые тоже в больших количествах поступили в атмосферу из-за Чикшулубского импакта. Но в обсуждаемой статье эти долгосрочные эффекты не рассматриваются: авторов интересовали только первые годы после катастрофы.

Глобальное снижение температуры на 15° — серьезное испытание для биоты, но всё-таки в одиночку оно вряд ли вызвало бы вымирание такого масштаба. К несчастью для тогдашней земной жизни, кроме Холода на службе у импактной зимы был еще один всадник Апокалипсиса — по имени Тьма.

Рис. 3. Результаты моделирования: распределение интенсивности фотосинтетически активного излучения по поверхности планеты в первые годы после Чикшулубского импакта. Показаны четыре сценария: только пыль, только сера, только сажа и все три компонента вместе. Эффекты трех компонентов не суммируются, а затейливым образом взаимодействуют в рамках сложной климатической модели. Видно, что в сценариях «пыль» и «всё вместе» фотосинтетическая активность растений должна была начать потихоньку восстанавливаться только с наступлением в Южном полушарии второго лета после импакта. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Моделирование показало, что любого из трех компонентов импактных выбросов (пыли, серы или сажи) хватило бы, чтобы на несколько месяцев погрузить планету во тьму, исключив всякую возможность фотосинтеза (рис. 3). Однако затемняющий эффект микрометровой пыли оказался самым длительным. Сажа в одиночку остановила бы фотосинтез менее чем на год, и уже на второе лето после импакта (который, напомним, произошел северной весной) в Северном полушарии из уцелевших семян и корневищ проросла бы свежая зелень. Сера без помощи пыли и сажи держала бы планету во тьме чуть дольше, год с небольшим. Силикатная пыль (вместе с серой и сажей, хотя она и сама бы справилась) заблокировала фотосинтез на полтора года. Восстановление растительности началось в Южном полушарии с приходом второго после импакта южного лета.

Таким образом, Северному полушарию пришлось пережить два лета в кромешной тьме, а Южному — только одно. Это согласуется с данными о более быстром восстановлении экосистем в Южной Америке по сравнению с Северной (M. P. Donovan et al., 2016. Rapid recovery of Patagonian plant-insect associations after the end-Cretaceous extinction), хотя эти данные можно объяснить и иначе (см. Кайнозойская эра началась весной, «Элементы», 24.02.2022).

Обсуждаемая работа — еще один шаг на пути к построению максимально подробной и надежной реконструкции последствий Чикшулубского импакта. Новые данные укрепляют и конкретизируют идею о том, что импактная зима, долгая ночь и вызванный ею глобальный коллапс первичной продукции были главной непосредственной причиной массового вымирания. Избирательность вымирания в море и на суше хорошо согласуется с этой гипотезой (см. лекцию «Массовое вымирание на рубеже мезозоя и кайнозоя», 2021: Часть 1, Часть 2).

Источник: Cem Berk Senel, Pim Kaskes, Orkun Temel, Johan Vellekoop, Steven Goderis, Robert DePalma, Maarten A. Prins, Philippe Claeys & Özgür Karatekin. Chicxulub impact winter sustained by fine silicate dust // Nature Geoscience. 30 October 2023.

См. также о массовом вымирании на рубуже мела и палеогена:
1) Лекция Александра Маркова «Массовое вымирание на рубеже мезозоя и кайнозоя», 2021: Часть 1, Часть 2. Краткий пересказ лекции, опубликованный в «Троицком варианте».
2) Кайнозойская эра началась весной, «Элементы», 24.02.2022.
3) Тропические дождевые леса современного типа возникли благодаря мел-палеогеновому массовому вымиранию, «Элементы», 26.04.2021.
4) Доказана связь кратера Чиксулуб с глобальной иридиевой аномалией на границе мела и палеогена, «Элементы», 16.03.2021.
5) Основная причина мел-палеогенового вымирания — падение астероида, а не формирование Деканских траппов, «Элементы», 05.03.2020.
6) Жизнь вернулась в кратер Чиксулуб почти сразу после падения астероида, «Элементы», 08.06.2018.
7) Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма, «Элементы», 05.10.2015.

Александр Марков