Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид
Поиски виновника
В Периодической таблице химических элементов Осмий, Иридий и Платина занимают соответственно 76, 77 и 78-й номера. Это одни из самых тяжелых элементов со стабильными изотопами. Они редки во Вселенной (см. гл. 16), а на поверхности Земли встречаются еще реже, потому что, как и многие другие тяжелые элементы, опустились в ядро планеты во время расплавленной стадии ее формирования. Более того, считается, что источником значительной части этих элементов, обнаруженных сейчас на Земле, служит дождь из измельченного метеоритного материала – межпланетной пыли, который сбрасывает на поверхность Земли из космоса около 10 000 тонн в год.
Поскольку скорость накопления этой пыли в Солнечной системе считается очень стабильной, по содержанию редких металлов можно измерить скорость седиментации в кернах океанических отложений и в слоях горных пород, некогда скрытых в морских глубинах и с тех пор поднявшихся вверх, на землю. Эти элементы можно сравнить с постоянно тикающими часами. Если скорость седиментации высока и на дно океана за короткое время опускается много отложений, эти тяжелые элементы распределятся по слою породы неплотно, потому что у них не будет времени для накопления. Когда же скорость седиментации низкая, их концентрация будет выше, поскольку за тот же период накопится меньше океанического мусора. Уолтер Альварес проявил интерес к тому, может ли это явление послужить в качестве часов для изучения эпохи на границе K-Pg.
В Апеннинских горах, примерно в 160 километрах к северу от Рима, недалеко от города Губбио, есть обнажение слоистого известняка. Раньше он находился на дне океана, но выдвинулся на сушу, когда африканский континент, движущийся на север, столкнулся с европейским. В этих породах содержатся сведения о накоплении отложений на морском дне за период, охвативший время от 185 до 30 миллионов лет назад. Внимательное изучение слоев, прилегающих к границе K-Pg, показывает, что и фораминиферы (одноклеточный планктон, заключенный в крошечные раковины), и их собратья-кокколиты, подобные растениям, претерпевают полную популяционную метаморфозу в пределах сантиметра или двух от пограничного слоя; практически все виды, обнаруженные ниже границы, внезапно исчезают, а выше этой линии их заменяют уже другие виды. Сама граница отмечена слоем глины толщиной в сантиметр. Альварес заинтересовался скоростью седиментации в слое глины (которая, как известно, варьируется от 0,01 до 3 миллиметров в столетие). Была ли скорость на этой резкой границе выше или ниже, чем в соседних слоях породы?
Он извлек образцы горных пород чуть выше и чуть ниже пограничного слоя, а также семь образцов со всей длинной (325-метровой) летописи мелового периода и два из глиняного слоя. Образцы подверглись нейтронно-активационному анализу – да, точно так же, как картины, о которых мы рассказывали в главе 7: их облучали нейтронами, чтобы вызвать образование радиоактивных изотопов и измерить испускаемые гамма-лучи, энергия которых позволяла связать изотопы с конкретными элементами. Всего было исследовано двадцать восемь различных элементов – от обычных, таких как Алюминий и Железо, до редких, таких как Лютеций и Тантал. И хотя двадцать семь элементов на протяжении всей долгой истории породы менялись медленно и параллельно – в том числе в пограничном слое, – один из них выбивался из колеи.
Исключением был Иридий. В большинстве слоев горных пород, взятых как образец, его концентрация составляла около 0,3 миллиардной доли. Это сопоставимо с тем, что удалось обнаружить другим исследователям в иных осадочных породах, и просто служит отражением того факта, что из космоса непрерывно изливается материал, богатый Иридием. А вот в пограничном слое глины это значение составило 9,1 миллиардной доли, иными словами, увеличилось в 30 раз (3000 %)! Ни у одного из остальных двадцати семи элементов количество не изменилось даже в 2 раза! На высоте 10 см над пограничным слоем уровень Иридия упал в 10 раз, а на 1 метр выше границы уровни вернулись к норме.
Чтобы проверить, не вызвана ли эта аномалия каким-то странным локальным процессом, Альварес и его команда проанализировали тот же слой, залегавший на границе K-Pg, в образцах из обнажения в Дании, в 1600 километрах к северу. Эти осадочные слои залегали в значительно более мелких водах, поэтому несколько отличались по составу от пород Губбио, но слой глины на границе снова был чистым. При этом фоновый уровень Иридия вдали от границы показал содержание, равное 0,26 миллиардной доли, а на самой границе концентрация подскочила на 16 000 %! Представьте, что вместо маленького стакана воды, который вы ожидаете найти, вам в руки падает 40-литровая канистра – вот примерно такое сравнение будет в данном случае подходящим. В своей статье 5 Альварес также приводит неопубликованный результат исследований, согласно которому в образце из Новой Зеландии, расположенной на другом конце света, обнаружено аналогичное резкое увеличение содержания Иридия прямо на границе K-Pg.
После того как были рассмотрены все возможные источники этой поразительной аномалии, напрашивался только один вывод: по всей видимости, произошло не внезапное изменение скорости седиментации, а внезапное изменение скорости аккреции – иными словами, весь этот лишний Иридий пришел из космоса. Принимая во внимание то, что только в этом слое Иридий был распространен по всему миру, и то, что его концентрация, измеренная в упавших на Землю метеорах, составляла примерно 500 миллиардных долей, исследователи сочли, что прилетевший «виновник» должен был иметь диаметр около 7 км и массу около 300 миллиардов тонн. Зная стандартную относительную скорость между Землей и любым приближающимся астероидом, легко вычислить кинетическую энергию такого столкновения: она составит примерно 100 миллиардов триллионов джоулей, что в 10–20 миллиардов раз больше энергии атомной бомбы, уничтожившей Хиросиму в конце Второй мировой войны. Такое событие, безусловно, должно было отразиться на всем мире, и история о том, как в течение нескольких недель после удара погибла значительная часть всех живых существ на Земле, звучала вполне правдоподобно.
Впрочем, эта гипотеза гибели динозавров все же была спорной. Более того, первым автором статьи, в которой сообщалось об этих результатах, был не Уолтер Альварес, а его отец Луис Альварес, недавно получивший Нобелевскую премию по физике (и проделавший большую работу по опознанию Иридия). Интересно, насколько легко было бы опубликовать статью, если бы не репутация первого автора? Я хорошо помню коллоквиум, на котором мы говорили об этой гипотезе. Луис Альварес провел его осенью 1980 года на физическом факультете Колумбийского университета. Нобелевские лауреаты нашего факультета (все трое) сидели, как обычно, в первом ряду. Вопросы были резкими и агрессивными, и в конце выступления многие из моих коллег вышли, качая головами и как бы говоря: «Разве не печально, как великие умы угасают с возрастом?» (Луису тогда было всего семьдесят.) Мне же, напротив, показалось, что метеорная гипотеза звучит великолепно!
За последние сорок лет доказательств, подтверждавших правоту этой гипотезы, становилось все больше, и наконец их количество стало ошеломляющим. Ее главный конкурент – гипотеза о массивных извержениях вулканов, которые происходили на протяжении миллионов лет и привели к образованию платобазальтов – траппов плато Декан, расположенных на западной окраине Индии. Возможно, извержения действительно оказали долгосрочное воздействие на климат, учитывая большие выбросы CO2, которые, судя по всему, должны были сопровождать такой выброс лавовых потоков, но в том, что смертельным ударом для динозавров стал именно астероид, нет никаких сомнений.
Место столкновения
Когда Альварес и его коллеги выдвинули гипотезу о столкновении, отсутствовало одно важное доказательство: кратер. Астероид размером около 10 км, ударившийся о Землю с ожидаемой скоростью, должен был оставить кратер глубиной не менее 20–30 км и шириной более 160 км. Небесные тела Солнечной системы, лишенные атмосферы и жидкой воды, такие как Луна, Меркурий, Марс и спутники внешних планет, имеют множество кратеров такого размера и даже более широких и глубоких. Но из-за непрестанных эрозионных воздействий воды и ветра – не говоря уже о медленном смещении тектонических плит – кратеры на поверхности Земли остаются незаметными на протяжении очень долгого времени (с геологической точки зрения). Знаменитый ударный кратер к востоку от Флагстаффа, штат Аризона, диаметром менее полутора километров и глубиной 180 м, как полагают, был образован космическим булыжником диаметром около 30 м. Ему примерно 50 000 лет, не больше. Поскольку эрозия и дрейф континентов играли свою роль в тысячу с лишним раз дольше, считалось, что даже гораздо больший кратер, ожидаемый от астероида-убийцы, вряд ли получится найти.
