Текст книги "Космос. Все о звёздах, планетах, космических странниках"

Автор книги: Борис Пшеничнер

Соавторы: Оксана Абрамова
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 23 страниц)

ГЛАВА II.
КОСМИЧЕСКИЕ КАТАСТРОФЫ В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Логично предположить, что наша планета должна была подвергаться метеоритным «атакам» не меньше соседней Луны. Однако на Земле крупные кратеры (следы космической бомбардировки) были открыты сравнительно недавно и в гораздо меньшем количестве. Этот кажущийся парадокс объясняется резким различием природных условий на Земле и её спутнике. На нашей планете в результате вулканизма и тектонических подвижек, под действием воздуха, воды и биосферы древние кратеры разрушались и перекрывались позднейшими отложениями.

На Земле лучше других сохранился кратер в Аризоне, известный учёным ещё с 1880-х гг. Первоначально его считали вулканическим, но многолетние исследования доказали его космическое происхождение. Это след встречи Земли с небесным телом, состоявшейся около 50 000 лет тому назад, а хорошая сохранность кратера объясняется недавним (в геологическом смысле) временем его образования и сухим климатом района. Космическая «бомба» имела диаметр около 60 метров и массу несколько миллионов тонн. Такой «ударник» в равной степени можно считать и крошечным астероидом, и гигантским метеоритом. Его удар при скорости 20 км/с вызвал взрыв энергией 10–20 мегатонн. В результате образовался кратер шириной 1200 м и глубиной около 200 м. Подсчитано: чтобы вырыть яму размером с Аризонский кратер, понадобилось бы затратить около 20 млн. долларов.

Индейцы назвали эту воронку «Каньоном Дьявола». Появившиеся здесь белые поселенцы стали использовать найденное в кратере и его окрестностях космическое железо для изготовления различных предметов, разумеется, не задумываясь о происхождении металла. Лишь в 1891 г. один из металлических обломков попал в руки американского учёного А.Э. Фута, который предположил метеоритную природу металлических осколков. В окрестности кратера в одном из найденных кусков металла Фут заметил мелкие зёрна алмазов, образовавшихся при взрыве. В 1902 г. Аризонским кратером заинтересовался горный инженер Д.М. Барринджер. Он приобрёл всю территорию кратера в собственное владение и до конца жизни (до 1929 г.) занимался его детальным изучением. Барринджер надеялся найти и раскопать само тело железного метеорита, правда, чтобы использовать его в экономических целях!

Позднее Аризонский кратер продолжали исследовать другие ученые. Американский геолог Х.Х. Найниджер на дне и склонах кратера, а также в его окрестностях на расстоянии до нескольких километров нашел несколько тысяч кусков метеоритного железа. Неутомимый исследователь обнаружил также тонко рассеянное космическое вещество в раздробленных породах, выявил импактиты – породы, характерные практически для всех взрывных кратеров. Всего к настоящему времени в районе взрыва собрано 12 тонн метеоритного железа. В 1946 г. вблизи кратера был основан музей, а в расположенном по соседству Флагстафе открыли Астрономический центр Геологической службы США.

В первой половине XX в. на земной поверхности удалось обнаружить несколько десятков кратеров космического происхождения. Правда, все они были значительно меньше Аризонского – не более 220 метров.

Хорошо сохранился ударный метеоритный кратер Монтаракуи на территории Чили в пустыне Атакама. Его диаметр 460 метров, возраст менее миллиона лет. В центральной части впадины – небольшое озеро. Четкие формы кратера объясняются минимальной водной и ветровой эрозией, характерной для высокогорных пустынь.

^{Кратер в Аризоне, США}

^{Кратер Каали в Эстонии}

^{Кратер Пингуалуит на севере Квебека в Канаде} 

Среди метеоритных – целая группа кратеров Каали на острове Сааремаа в Эстонии. Происхождение кратеров на острове Сааремаа оставалось загадкой ровно 100 лет, пока за их исследование не взялся горный инженер И. Рейнвальд. С 1927 по 1941 г. исследователь изучал природу кратеров, причём тратил на это всё свободное время и большую часть своего заработка. Прежде всего геолог, как и многие его предшественники, заинтересовался загадкой происхождения округлого озера Каали. Проведённые измерения позволили установить, что озеро имеет в поперечнике 1 10 метров и глубину 16 метров. Озеро было окружено характерным валом. В своих работах Рейнвальд опирался на труды Барринджера. В 1937 г. Рейнвальду удалось обнаружить кусочки метеоритного железа, правда, общим весом всего чуть более килограмма. Для этого пришлось просеять горы грунта, выкопанного из нескольких сухих кратеров. Так была надежно доказана космическая природа кратеров на острове Сааремаа. В 1956 г. эстонский геолог А.О. Аалоэ установил возраст самого большого из группы кратера. Оказалось, что он возник всего 2660 лет тому назад. Вблизи этого кратера основан музей, где проходят научные конференции по проблемам метеоритики.

Со временем стало ясно, что кратеры космической природы (космогенные) от кольцевых структур земного (эндогенного) происхождения можно отличить с помощью высокоточного химического анализа. При этом учёные сравнивают состав пород, находящихся под кратером (цокольных), с веществом самой кольцевой структуры. Не следует думать, что в кратере ищут особые «космические» элементы. Мы уже знаем, что их просто не существует. Анализируют процентное содержание таких редких элементов, как никель, кобальт, осмий, иридий и некоторые другие. Все они в очень малых количествах присутствуют и в космических, и в земных породах, но в метеоритах, астероидах и кометах концентрация этих элементов в сотни, а то и в тысячи раз выше. Более того, та или иная пропорция элементов позволяет порой судить, какого типа небесное тело произвело взрыв – каменное, железное ил и железо-каменное. Наконец, бесспорным доказательством является находка внутри или за пределами взрывных кратеров осколков метеоритов. От земных пород легче отличить фрагменты железных, чем каменных посланцев космоса. Оказалось, что именно железным метеоритам и астероидам значительно чаще других удаётся прорваться к поверхности Земли с космической скоростью.

Взрывы, вызванные столкновением с космическим телом, ученые называют импактными событиями (на английском «impact» – «столкновение»). Часто и кратеры космического происхождения называют импактными, то есть образованными в результате удара.

Несколько крупных кратеров импактного происхождения, начиная с 1950-х гг., обнаружили на территории Канады. Одним из первых – относительно большой и хорошо сохранившийся кратер Нью-Квебек. Он представляет собой круглое озеро глубиной 250 м и поперечником около 3,5 км. Кольцевой вал кратера возвышается на 160 м над уровнем окружающих его сельскохозяйственных угодий. Раздробленные и выброшенные взрывом гнейсы находят на расстоянии до 2 км от краёв кратера. Несомненно, значительная их часть унесена водными потоками. Учёные полагают, что этот относительно молодой кратер образовался около полутора миллионов лет назад.

* * * 

Астроблемы

Большой вклад в поиски метеоритных кратеров на территории Северной Америки внес геолог Р. Дитц. Он же в 1960 г. предложил для обозначения древних метеоритных кратеров, изменённых позднейшими геологическими воздействиями, термин «астроблемы». Это слово с греческого на русский можно перевести как «звёздные раны». Действительно, в далёком геологическом прошлом астероид взрывным ударом глубоко поранил тело Земли. В дальнейшем наша планета, подобно раненым деревьям или животным, постепенно «залечивала» раны, и повреждённое место сглаживалось. Термин «астроблемы» закрепился в научной литературе.

Обычно кратеры размером до сотен метров имеют возраст менее миллиона лет. И это вполне объяснимо – они, как и другие мелкие неровности земной поверхности, скорее разрушаются под действием ветра, воды и иных факторов. Напротив, возраст наиболее крупных астроблем поперечником в десятки и более километров измеряется десятками и сотнями миллионов лет. Поэтому астроблемы, родившиеся в фанерозое и имеющие поперечник более 10 км, можно уверенно опознать при космической съёмке и наземном геологическом обследовании. Особенно долго сохраняются следы древних ударов, если они пришлись на поверхность, сложенную твёрдыми кристаллическими породами. Именно такие породы характерны для Канадского щита. Здесь, на севере Канады в провинции Квебек расположен ударный кратер Маникуаган диаметром 100 км! На месте кратера, образовавшегося, вероятно, около 200 млн. лет назад, сформировался водный кольцевой бассейн поперечником 70 км. Твердые кристаллические породы на месте взрывного удара астероида сохранили сложную импактную структуру. Этот кратер оказался наиболее изученным. По расчётам российских учёных, его образование сопровождалось мгновенным высвобождением энергии, равной примерно 1023 Дж, что больше суммарной энергии всех землетрясений на Земле за 10 тыс. лет. Этой энергии достаточно, чтобы расплавить 103 кубокилометра земных пород. За пределами озера сохранились следы космического удара – оплавленные породы, «загрязнённые» метеоритным веществом, деформированные ударом кристаллы кварца и полевого шпата.

В наше время известны ещё две огромных астроблемы с точно установленным временем импактного события: стокилометровая Попигайская в России (возникла около 40 млн. лет тому назад) и Садбери в Канаде поперечником 140 км.

Садбери – один из древнейших и крупнейших ударных кратеров на Земле. Катастрофическое падение астероида, породившее кратер, случилось примерно 1850 млн. лет тому назад. Подтверждением ударно-взрывного происхождения Садбери являются сохранившиеся в астроблеме стеклянные расплавы и другие плавленые породы – импактиты.

Кольцевая структура на севере Среднесибирского плоскогорья в бассейне реки Попигай, притока Хатанги, известна давно. Советские геологи открыли её в 1946 г. Исследования, проведённые группой В.Л. Масайтиса, позволили установить истинную – космическую природу Попигайской котловины. По расчётам, при ударе астероида в кратере было расплавлено около 1750 кубокилометров горных пород. Он мог быть образован при ударе со скоростью около 25 км/с каменного астероида поперечником 5 км. Катастрофа произошла 38,9 миллиона лет назад.

К 2007 г. в нашей стране было обнаружено 15 крупных ударных кратеров, хотя, по расчётам учёных, за время фанерозоя в результате космических ударов их могло возникнуть от 100 до 200. Фотографируя земную поверхность с борта космических аппаратов, удалось обнаружить кратеры ещё больших размеров.

Дальнейшие исследования позволили установить, что два округлых озера гораздо большего размера в провинции Квебек также имеют ударное происхождение. Эти кольцевые структуры диаметром 20 и 32 км назвали по месту расположения Клиавотер, что значит «чистая вода». Кратеры образовались около 300 млн. лет назад в результате удара двух крупных космических тел. Такой двойной удар – явление чрезвычайно редкое. Кольцо островов в пределах большего западного кратера укрыто лавами ударного происхождения и имеет поперечник около 10 километров. Центральное поднятие меньшего кратера полностью оказалось под водой.

^{Природа кольцевой структуры Ришат в Африке пока неизвестна}

Позднее были открыты кратеры Уэллс Крик в США и Босумтви в Гане по 10 км каждый, Нардлинген Рис в Германии (24 км) и другие.

Не всегда удаётся разгадать природу уже известных кольцевых структур. Например, кольцевая структура Ауронга в пустыне Сахара сначала была погребена под более молодыми отложениями, а затем частично вскрыта эрозией. Общий диаметр Ауронги примерно 13 км, а возраст около 350 млн. лет.

Структура Ауронги недостаточно изучена, о её происхождении учёные спорят до сих пор. Французские исследователи взяли там образцы пород, в которых отчетливо видны признаки изменения первоначального строения под действием сильного удара (специалисты это называют ударным метаморфизмом). Поэтому большинство исследователей теперь склоняются к мнению, что кольца имеют космическую природу. А вот кольцевую структуру Ришат, также расположенную в африканской Сахаре, долго считали ударным кратером. Радиолокационные исследования с орбиты помогли учёным увидеть подробности рельефа. Наземные исследования не подтвердили космическую природу Ришат. Никаких свидетельств внешнего удара обнаружить не удалось: поверхность внутри колец почти не заглублена, изменённые взрывом породы отсутствуют. Нет здесь и проявлений вулканизма. Скорее всего, на месте этих колец когда-то происходил процесс поднятия слоев осадочных пород, сопровождавшийся разрушительным действием эрозии. Но и в этом случае остается трудно объяснимой загадкой почти идеально круглая форма структуры Ришат.

К нашему времени на планете обнаружено более 230 кратеров ударно-взрывной космической природы. Из них в России – 35. Изученные земные астроблемы похожи на кратеры Луны, Марса, Меркурия. «Плотность» астроблем в разных частях света очень неравномерна и в большой мере зависит от степени изученности территорий. Поэтому в Европе и в Северной Америке число найденных астроблем значительно больше, чем в Африке. Многие учёные полагают, что предстоит открыть ещё не одну сотню «космических ран» на Земле.

Импактные события – грозные явления природы

Падение на Землю небесных тел в некоторых случаях может привести к катастрофическим последствиям. Их масштабы прежде всего зависят от скорости и массы падающего на Землю тела. Скорость встречи Земли с космическим объектом может быть от 1 1,2 до 72,8 км/с. 11,2 км/с – это II космическая скорость, которая необходима, чтобы преодолеть земное притяжение и улететь в межпланетное пространство. Такую же скорость под действием гравитации Земли разовьёт даже медленно подлетающий к ней метеороид. Максимальная скорость – 72,8 км/с – складывается из орбитальной скорости нашей планеты и скорости летящего навстречу ей метеороида.

Удар космического «странника» сначала принимает на себя воздушная оболочка Земли. Сила торможения в атмосфере будет тем больше, чем больше размер «космического пришельца». Ведь от этого зависят объём и площадь воздушной подушки, которую создаёт перед собой вторгшееся тело. Если масса уплотняющейся воздушной подушки окажется в 10 раз больше массы метеорита, его скорость может быть погашена больше чем на 90%. В некоторых случаях скорость приземления бывает так мала, что даже многотонный «пришелец» не выроет воронки. Характерный тому пример – самый большой из исследованных учёными железный метеорит Гоба массой около 60 т. Этот железный метеорит, скорей всего, вошёл в атмосферу и продолжал двигаться к земной поверхности под очень малым углом, поэтому в процессе постепенного торможения не только погасил почти всю скорость, но сохранил свою форму. Учёные полагают, что каменный метеорит подобной массы мог бы раздробиться в воздухе.

^{Метеорит Гоба крупным планом}

^{Метеорит Эскуэль – один из самых красивых палласитов, он найден в 1951 г. на юге Аргентины}

При большей скорости падения метеориты образуют либо ударные, либо взрывные кратеры. Ударные кратеры, размер которых зависит от величины метеорита, появляются при скоростях падения до 4 км/с. При этом участок земной поверхности обычно деформируется, породы дробятся и вылетают из образующегося кратера. При ударе со скоростью 5 км/с и более (высокоскоростной удар) происходит взрыв, величина энергии которого зависит от массы и скорости «ударника» (так специалисты называют врезавшееся тело).

^{Крупнейшая кольцевая ударная структура Вредфорт в Южной Африке} 

Именно они определили зависимость диаметра кратера от энергии метеорита. При массе т, скорости метеорита v энергия Е = mv²/2, диаметр кратера D пропорционален Е^1/3. Таким образом, о величине освобождающейся при этом энергии можно судить по размерам обнаруживаемых астроблем. Их истинные размеры удаётся выяснить далеко не сразу.

Например, кольцевая структура Вредфорт находится на юго-востоке Африки приблизительно в 100 км от Иоганнесбурга, в центральной части золотоносного бассейна Витватерсранда. Ярко выраженное в рельефе ядро структуры имеет примерно 40 км в диаметре. Оно сложено древними кристаллическими породами. Плоское ядро окружает приподнятое над ним кольцо более молодых осадочных отложений и застывших лав. Оказалось, что эти молодые геологические слои скрывают значительную часть древнего кратера. Диаметр покровного кольца около 80 км. Дальнейшее изучение изменений в структуре пород под действием взрыва позволило установить первоначальный диаметр кратера. Он достигал 300 км и сейчас полностью охватывает весь золотоносный бассейн Витватерсранда. Специалисты считают, что сохранение крупнейших в мире золотых месторождений бассейна

Витватерсранда объясняется наличием этого обширного кратера. В частности, древняя структура Вредфорт затруднила вымывание драгоценного металла водными потоками. Астроблема начала свою историю приблизительно 2 млрд. лет назад. Это самая древняя и наиболее изученная ударная структура на Земле.

Сравним высвобождаемую при импактном событии энергию с энергией других грозных явлений природы.

Наша планета получает от Солнца ежегодно колоссальное количество энергии – 5,2∙10²⁴ Дж.

Суммарная годовая энергия землетрясений в 500 000 раз меньше – 1,0∙10¹⁹ Дж.

При извержении в 1883 г. вулкана Кракатау в считанные минуты освободилась энергия 1,81∙10¹⁹ Дж, а вулкана Тамбора в 181 5 г. – 1,44∙10²⁰ Дж.

При импактных событиях – образовании метеоритного кратера – земная кора может получить гораздо больше энергии:

для кратера 10 км – 10²¹ Дж.

для кратера 50 км – 10²³ Дж.

для кратера 70 км – 10²⁵ Дж.

То есть при образовании не самого большого ударно-взрывного кратера диаметром 70 км выделяется разрушительная энергия, в 10 000 раз большая, чем при самом катастрофичном в истории вулканическом извержении.

Как видим, по энергетике импактные явления вне конкуренции. Причём при импактном событии выделение энергии происходит за считанные секунды или даже за их малые доли, а вулканическое извержение может продолжаться от нескольких минут до многих часов, поэтому и результаты этих грозных явлений природы несравнимы.

Как протекает импактное событие?

Если в момент контакта скорость «ударника» более 5 км/с, он потеряет её, зарывшись в грунт, и большая часть кинетической энергии мгновенно превратится в тепловую и механическую. При скорости более 1 5 км/с в пар превратится не только вещество «ударника», но и окружающие его земные породы. Невероятная скорость этих превращений порождает энергию высочайшей плотности, которая обеспечивает столь же быстрое возрастание температуры и давления. Это в свою очередь дает импульс необычайно скоростного течения тепловых и механических процессов. Достаточно сказать, что скорость механического деформирования горных пород под действием взрыва астероида в миллиарды миллиардов раз (10¹⁸!) больше, чем во время землетрясений.

В момент удара и торможения сначала возникает ударная волна сжатия в земных породах и в веществе «ударника». За миллиардные доли секунды сила сжатия достигает поистине фантастических величин – сотен гигапаскалей. Это приводит к мгновенному разогреву контактирующего вещества до десятков тысяч градусов. Максимум через несколько секунд после удара и сжатия наступает разрежение.

Происходящее образно описывает Л.П. Хрянина: «От точки взрыва распространяется ударная волна, имеющая шаровидный фронт. Наверху породы сначала вспучиваются, потом появляются яркие языки плазмы. Затем кровля этого «пузыря» раскрывается во все стороны подобно распускающемуся цветку, и тонкие края её падают на землю в перевёрнутом положении. Эта перевёрнутая складка на валу – один из признаков метеоритных кратеров.

^{Космическая бомбардировка Земли в представлении художника}

Взрыв выбрасывает вверх массу обломков, которые в дальнейшем обрушатся как на дно образовавшегося кратера, так и за его пределы».

Такая последовательность событий связана с тем, что в самом центре, где развивается многотысячная температура, происходит мгновенное испарение вещества и разлёт образующихся газов – т.е. взрыв. Несколько дальше от центра возникает зона плавления вещества земных пород и «ударника» с температурой более 1500 °С, вне её образуется зона механического воздействия – дробления, метаморфизма горных пород. И все это взрывной волной разбрасывается вокруг со скоростью несколько километров в секунду. Раскалённый огненный шар расширяется до тех пор, пока давление внутри него не сравняется с давлением окружающего воздуха. Из-за высокой температуры шар устремляется вверх. При этом он начнёт «выворачиваться наизнанку» и превратится в грибообразное облако, как при ядерном взрыве. При соответствующем размере и скорости «ударника» облако пара вместе с подхваченными им кусками пород и взвесью достигнет стратосферы, где и рассеется. В процессе взрыва могут образоваться и разнестись на огромные расстояния застывшие после расплава стекловидные камешки и шарики – тектиты и микротектиты.

После скоротечного образования кратера формирование астроблемы не заканчивается. Идет кристаллизация расплавленных пород, обрушение краёв кратера, под действием водных потоков и ветра происходит деформация поверхности, перемешивание образовавшихся пород – импактитов. В некоторых случаях импактное событие может спровоцировать землетрясение, подъём и вторжение (интрузию) магмы в образовавшиеся при взрыве трещины в подстилающих породах, вулканические извержения. Но все эти процессы уже длятся многие тысячи и миллионы лет.

^{На рисунке показан последовательный процесс образования взрывных метеоритных кратеров в слоистой поверхности планеты}

Если учесть все обнаруженные астроблемы на достаточно хорошо изученной территории Северной Америки и Европы и считать, что весь земной шар подвергался космической бомбардировке такой же интенсивности, можно попытаться оценить размеры и число образовавших их астероидов. Это позволяет также найти концентрацию опасных астероидов в околоземном космическом пространстве на протяжении фанерозоя. Некоторые расчёты показывают, что за 570 млн. лет фанерозоя выпало около 200 астероидов размером 3,5 ± 1,0 км. Следовательно, такие падения происходили в среднем каждые 2,9 млн. лет. Разрушительное действие «ударников» зависело от их скорости и состава. Столкновение с железным астероидом при прочих равных условиях значительно опаснее, чем с каменным. Согласно некоторым расчётам максимальный размер астероида, с которым могла столкнуться наша планета за последние почти 600 млн. лет (длительность фанерозоя), достигает 1 5,6 ± 4,7 км. При плотности 4 г/см³ он может иметь массу до 8∙10¹⁸ г или 8 трлн. тонн, а энергию удара 7∙10²⁴ Дж. При падении на твердую поверхность Земли взрыв оставит след в виде кратера поперечником 110 км.

Падения крупных астероидов случаются, вероятно, значительно чаще кометных ливней. Причём выпадают они, судя по обследованным взрывным кратерам, не группами, а поодиночке и с разными интервалами.