Urania LI, Nr 8 (sierpień 1980), s. 237–243

KAZIMIERZ M. BORKOWSKI — Toruń


ASTRONOMICZNE  ASPEKTY
WYGINIĘCIA  DINOZAURÓW


Astronomia przeżyła w ostatnich latach to, co niektórzy nazywali rewolucją wysokich energii. Rozwinęły się nowe dyscypliny (radioastronomia i astronomia promieni X) a wraz z nimi przekonanie, że w naszym Wszechświecie gwałt jest zjawiskiem powszechnym a nie wyjątkowym. Wiemy, że gwiazdy, a nawet galaktyki są „dewastowane" przez eksplozje, którym towarzyszy emisja wysokoenergetycznych cząstek i promieniowania elektromagnetycznego w ilościach znacznie przewyższających przypadek normalnych gwiazd i galaktyk. Wspomniana rewolucja doprowadziła do powszechnej akceptacji tak niezwykłych koncepcji fizycznych, jakimi są np. gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Czy wywoła to jakieś zmiany w sposobie myślenia w innych dziedzinach nauki? Czy katastrofy kosmiczne, takie jak wybuch supernowej, mogą wpływać na przebieg ewolucji życia na Ziemi?

Coraz lepiej zdajemy sobie sprawę z tego, jak mało wiemy o najbliższej nam gwieździe. Dość spekulatywne jeszcze rozważania zdają się przekonywać, że niewątpliwie życiodajne Słońce mogło w dalekiej przeszłości czynić ogrom zniszczeń w biosferze Ziemi. Inne przesłanki sugerują, że podobny skutek niosły tak niewinnie wyglądające na co dzień meteory i spektakularne komety.

Wśród ponurych zdarzeń w dziejach Ziemi, osnutych ciągle mgłą tajemnicy, znajdują się wymarcia o szerokim zasięgu, które wyeliminowały z ówczesnej fauny m.in. dinozaury w przeciągu stosunkowo krótkiego czasu pomiędzy okresami kreda i trzeciorzęd. O ogromie tamtej katastrofy świadczy fakt, że nie przetrwał jej żaden naziemny kręgowiec o wadze przewyższającej około 25 kg. Paleontologia dowodzi, że olbrzymie gady były niegdyś dominującymi formami życia na naszej planecie (np. Franciszek Bieda „Paleozoologia", t. 2, Wydaw. Geologiczne, Warszawa 1969). W ostatnich dwóch stuleciach w osadach mezozoicznych znaleziono około 5000 fragmentów szikieletów tych stworzeń. Zdobią one światowe muzea budząc powszechny podziw i refleksję nad zagadką ich zniknięcia.

Z badań stratygraficznych wynika, że znacznie ponad połowę gatunków organizmów zarmieszkujących Ziemię wyginęło w generalnym kryzysie w końcu ery mezozoicznej. Chociaż wtórne efekty związane z odżywianiem się organizmów są trudne do odizolowania, to wydaje się, że wielkie kręgowce — jak dinozaury, pterozaury i olbrzymie krokodyle — oraz plankton morski, zostały wyniszczone w wyniku pierwotnych przyczyn. Rozciągłość kryzysu w czasie ocenia się na kilkadziesiąt do pół miliona lat. Mógł się on pojawić w postaci dwóch prawie jednoczesnych impulsów, z których jeden wpływałby bardziej na rośliny, a drugi — na naziemne kręgowce. Trzeba też wiedzieć, że w historii Ziemi tego typu zagłady organizmów żywych były zjawiskiem rzadkim.

Stało się jasne, że dinozaury wyginęły wskutek globalnego kryzysu biologicznego, ale nie są znane czynniki, które były za to odpowiedzialne. Z odrobiną niepokoju zastanawiamy się więc, czy przypadkiem wyniszczające zmiany w środowisku nie są zjawiskiem powtarzalnym. Może owe wielkie zmiany w biosferze Ziemi powrócą jutro?

W ostatnich latach więcej uwagi skupiono na modelach teoretycznych tłumaczących wpływ czynników o zasięgu globalnym. Koincydencje zjawisk takich jak ruchy mórz, globalne zmiany temperatur (Savin 1977) czy wzrost aktywności wulkanicznej, były rozpatrywane jako źródła wyginięcia jaszczurów. Nie wydają się one jednak realne, ponieważ ich skala czasowa jest znacznie większa niż rozpatrywanego zjawiska. W ostatnich dwóch milionach lat biosfera była wystawiona na względnie nagłe zmiany klimatów lodowcowych i międzylodowcowych. Okres ten charakteryzowały też zmiany linii brzegowych i temperatury, jak i poziomu aktywności wulkanicznej, które były przynajmniej tak duże, jak te które wystąpiły w końcu kredy i na początku paleocenu. Nie wywołały one jednak porównywalnych zniszczeń we florze i faunie Ziemi. W dalszym ciągu zajmiemy się zatem czynnikami pozaziemskimi.

Z licznej literatury dotyczącej zdarzenia w końcu kredy zwracają uwagę dwie pozycje przeglądowe, na których opiera się również niniejsze opracowanie: D.A. Russel (Ann. Rev. Earth Planet. Sci, 1979, t. 7, 163) i praca zbiorowa tzw. grupy K-TEC opublikowana w 1977 r. (Syllogeus, nr 12, 1977). Autorzy ci, oraz inni (których nazwiska cytujemy niżej w nawiasach), wskazują na różne możliwe przyczyny.

Komety i wielkie meteory

Następstwa dla biosfery wynikające z upadku komety do oceanów ziemskich rozważał H.C. Urey. Wśród nich znajdujemy nagłe i prawdopodobnie śmiercionośne rozgrzewanie atmosfery i powierzcbniowych wód oceanów. Autor zauważa jednak, że deszcz tektytowy, który wystąpił na obszarze australoazjatyckim ok. 700 000 lat temu i mógł nieść energię bliską przyjętej w jego obliczeniach, wywołał tylko niewielkie zmiany stratygraficzne.

Dyskutowano także upadki wielkich meteorytów jako możliwe czynniki masowej zagłady organizmów żywych. Rozkład prehistorycznych kraterów podpowiada, że asteroidy o średnicy ok. 4 km mogły wpadać do oceanów średnio co 10–100 milionów lat, wywołując fale uderzeniowe z łatwością osiągające 5 km wysokości. Zdaniem D.J. McLarena turbulentność fali i towarzyszący wicher, po których nastąpiłby gigantyczny spływ wód z lądu, wywołałby burzliwe otoczenie na czas znacznie dłuższy, niż mogłoby to znieść wiele organizmów. Hipoteza upadku bolidu tłumaczy też fakt przetrwania wielu gatunków, ale nie bardzo pasuje do struktury flory i fauny pozostałych po kryzysie kredowo-paleoceńskim. Analizy biologicznych skutków kolizji Ziemi z obiektami kosmicznymi są warte zachodu, gdyż kilka takich zjawisk prawdopodobnie wydarzyło się w czasie liczonym od początku ery paleozoicznej.

Słońce

Podejrzenie, że Słońce może być źródłem katastroficznych zniszczeń w biosferze Ziemi w końcu kredy uzsadnia się dwojako. W odróżnieniu od stanu sprzed kilku lat, obecnie lepiej zdajemy sobie sprawę z tego, jak ograniczona jest nasza wiedza o strukturze Słońca i o procesach podtrzymujących jego świecenie oraz jak nieprzewidywalny charakter ma jego aktywność (np. Eddy 1978, Jan Mergentaler „Słonce — Ziemia", WT, Warszawa 1978). Ponadto, w przeciwieństwie do hipotezy wymagającej przypadkowego pojawienia się pobliskiej supernowej, o czym będzie mowa w następnym punkcie, Słońce znajdowało się cały czas „na posterunku" — wystarczająco blisko Ziemi, by stać się nie tylko źródłem życia, ale być może czasem źródłem śmiercionośnym.

Dobrze wiadomo, że warstwa ozonu w atmosferze Ziemi chroni biosferę przed potencjalnie śmiertelnym nadfioletowym promieniowaniem Słońca. Warstwa ta jest narażona na częściowe lub całkowite zniszczenie w wyniku zbieżności w czasie kolosalnego rozbłysku słonecznego (104 razy intensywniejszego niż obserwowane współcześnie) ze zjawiskiem zmiany biegunowości magnetosfery Ziemi albo na skutek promieniowania z pobliskiej supernowej. W każdym przypadku biosfera wystawiona byłaby na praktycznie nietłumione promieniowanie nadfioletowe Słońca, krótkookresowe niestabilności atmosfery, zredukowane promieniowanie widzialne w wyniku pochłaniania przez dwutlenek azotu oraz na globalne ochłodzenie klimatu o ok. 0,5°C. Sądzi się, że takie ochłodzenie nie powinno prowadzić do, kontynentalnego zlodowacenia w okresie końca kredy i początku paleocenu, ponieważ ówczesne temperatury na dużych szerokościach geograficznych przewyższały 0°C znacznie bardziej niż obecnie.

Pole magnetyczne Ziemi, podobnie jak pole Słońca, co jakiś czas zmienia biegunowość. Z prac paleomagnetycznych wynika, że w okresie zmiany najpierw przez około 10 000 lat zmniejsza się natężenie pola dipolowego, następnie odbywa się nagła zmiana polarności biegunów i ponowny powolny wzrost natężenia (Carrigan i Gubbins 1979). Jedno z wielu takich zjawisk nastąpiło 66,5 mln roku temu (Harrison i inni, 1979) — na granicy kredy i trzeciorzędu — poprzedzone wyjątkowo długim (ok. 20 mln lat) okresem pola jednokierunkowego.

Pozostaje do rozstrzygnięcia problem: czy jest możliwe, ażeby w dalekiej przeszłości Słońce generowało tak olbrzymie wybuchy, jak tego wymaga hipoteza zagłady dinozaurów? Wiedzę o Słońcu opieramy na bezpośrednich, teleskopowych obserwacjach (głównie plam) w okresie zaledwie kilkuset lat. Dzięki pracom Eddy'ego (1977) w wynikach tych obserwacji znaleziono świadectwa o dużej dynamice zmian aktywności Słońca w niedalekiej przecież przeszłości. Godzi się wspomnieć, że niebagatelne znaczenie w takich studiach mają prace Heweliusza (patrz J.E. Weiss i N.O. Weiss, Q. J. Astr. Soc., 1979, 20, 115). Dalsze analizy historycznych zapisów przedteleskopowych obserwacji wielkich plam (widzialnych gołym okiem), szczególnie pochodzących ze starożytnych Chin, obserwacji zórz i zawartości węgla aktywnego w drzewach — sięgające wstecz do około 5300 lat p.n.e. — prowadzą do wniosku, że przez ostatnie 7 tys. lat Słońce wykazywało zmiany aktywności (w tym też cykl 11-letni), z których te długookresowe wydają się zbiegać z poważnymi zmianami klimatycznymi na Ziemi (ochładzanie w minimach aktywności). Skoro w tym krótkim okresie występują tak silne fluktuacje aktywności, to niebezpodstawne jest przypuszczenie, że w czasie 10000 razy dłuższym występowały zmiany znacznie drastyczniejsze.

Najbardziej energetycznymi zjawiskami towarzyszącymi aktywności Słońca są rozbłyski. Energia wyzwolona w takim zjawisku osiąga maksimum w ciągu kilku minut po czym powoli spada w przeciągu dni. Z całej gamy różnorakich emisji rozbłysku największe znaczenie dla Ziemi mają promienie X i nadfioletowe, jak również strumienie protonów. Te ostatnie mogą zniszczyć warstwę ozonową, zakłócić równowagę termiczną atmosfery i wywołać zmiany klimatyczne poprzez wpływ na nieprzezroczystość i albedo atmosfery. Z obserwacji astrofizycznych wiadomo, że istnieją gwiazdy o wiele rzędów wielkości słabsze od Słońca, generujące rozbłyski znacznie energetyczniejsze niż Słońce. Z ich zachowania można wnosić, że również od Słońca można oczekiwać rozbłysków o energii więcej niż trzy rzędy wielkości większej od obserwowanych współcześnie.

Te dwa argumenty pozwalają uznać za prawdopodobną hipotezę, że bezpośrednią przyczyną wyginięcia dinozaurów był gigantyczny rozbłysk na Słońcu stowarzyszony z zanikiem pola magnetycznego Ziemi. Istnieje pewna nadzieja doświadczalnego potwierdzenia tak olbrzymich wybuchów w śladach pozostawionych w skałach księżycowych (Roy, 1977).

Supernowe

Przyczyny wybuchów gwiazd supernowych są ciągle przedmiotem intensywnych studiów. Eksplozje następują u gwiazd o masach większych niż 1,5 mas Słońca, w końcu fazy spalania helu. Na skutek grawitacyjnego zapadania się gwiazdy zostają przekroczone krytyczne wartości gęstości i temperatury jądra, co prowadzi do niestabilności wybuchowej. Wybuchająca gwiazda — supernowa — przez prawie dwa tygodnie wypromieniowuje tyle energii co miliard słońc, a towarzyszy temu wyrzut materii z prędkością bliską świetlnej. Materia ta rozproszona w przestrzeni międzygwiezdnej stanowi później materiał, z którego rodzą się nowe gwiazdy i planety. Jest wielce prawdopodobne, że większość materii, z której jesteśmy zbudowani, ma pierwotne źródło w pozostałościach po supernowych.

Ekspandująca otoczka resztek po supernowej tworzy mgławicę, która promieniuje intensywnie w zakresach X i radiowym przez tysiące lat. W wyniku kataklizmu w miejscu wybuchu może pozostać małe, ale o olbrzymiej gęstości jądro (gwiazda neutronowa) — pulsar.

Mniej więcej co setna gwiazda staje się supernową. Ocenia się, że w Galaktyce supernowe pojawiają się średnio co 50 lat. Są również optymistyczne przypuszczenia, sięgające nawet odstępu 10 lat. Z tych umiarkowanych ocen wynika, że można dopuścić, iż w sąsiedztwie Słońca — w odległości 15 pc — pojawiła się supernowa w ostatnich 70 mln lat (1 parsek — 3,26 roku świetlnego).

W przypadku eksplozji supernowej w odległości 15 pc chmura promieni kosmicznych osiągnęłaby Ziemię po 100 do 1000 lat, powodując wzrost dotychczasowego strumienia o czynnik do 1000. Na powierzchni Ziemi oznaczałoby to dozę do 3,0 R (rentgenów) na rok, która utrzymywałaby się przez tysiące lat. Smiertelna dawka promieniowania dla zwierząt laboratoryjnych wynosi 200–700 R i w tych warunkach mogłaby być nagromadzona po 10—20 latach, a zatem w czasie życia osobniczego wielu gatunków. Poza tym ów zwiększony strumień promieni kosmicznych spowodowałby destrukcję warstwy ozonu nawet w 90%, co pociągnęłoby za sobą drastyczny wzrost strumienia szkodliwego promieniowania nadfioletowego.

Inne, bardziej spekulatywne modele teoretyczne przewidują relatywistycznie rozszerzającą się otoczkę supernowej o grubości 1 pc, która po osiągnięciu Ziemi wywołałaby wzrost intensywności promieni kosmicznych o cztery rzędy wielkości i wzrost dozy do 300 R na rok na przeciąg około 10 lat. Stanowiłoby to oczywiście poważny problem dla życia na Ziemi.

Bezskuteczne byłyby poszukiwania oznak domniemanej supernowej wśród znanych pulsarów znajdujących się wewnątrz tzw. pierścienia Lindblada — wolno (6 km/s) ekspandującego pierścienia neutralnego wodoru międzygwiazdowego. Sądzi się, że nawet gdyby udało się wykryć owego pulsara-winowajcę, to i tak będzie niemożliwe stwierdzenie, iż to ten poszukiwany. Pozostałości po supernowych znalezione w sąsiedztwie Słońca są o rzędy wielkości za młode jak na kandydatów na świadectwo zagłady dinozaurów. W rzeczywistości po żadnej normalnej supernowej nie można oczekiwać pozostawienia wykrywalnych śladów na dłużej niż około 100 tys. lat. Po tym okresie zlewają się one ze środowiskiem międzygwiazdowym i stają się nierozróżnialne.

Poąsumowując trzeba stwierdzić, że statystycznie rzecz ujmując jest możliwe, iż pobliska supernowa wyzwoliła mechanizm biologicznego wyniszczenia w końcu kredy. Brak jest natomiast jakichkolwiek dowodów rzeczowych na poparcie tej hipotezy. Russel (1979) tę właśnie hipotezę uważa za najbardziej godną wiary.

Opracowano na podstawie materiałów źródłowych opublikowanych w latach 1977–1979 w American Scientist, Ann. Rev. Astron. Astrophys., Earth Planet. Sci. Letters, Q. J. Royal Astr. Society, Science, Syllogeus, The New Solar Physics.

Urania LII, Nr 3 (marzec 1983), s. 86

Upadek  bolidu przyczyną
wymarcia  dinozaurów


    Nagłe zniknięcie ponad 70% gatunków organizmów żyjących na lądzie i w morzu 65 mln lat temu, w końcu okresu kredy, było największym znanym kataklizmem ekologicznym w dziejach Ziemi. Hipotezy proponowane dla wyjaśnienia tajemnicy kredowej katastrofy obejmują wylew Oceanu Arktycznego, odwrócenie biegunowości pola magnetycznego Ziemi, promieniowanie pochodzące z pobliskiej gwiazdy supernowej i upadek bolidu. O najważniejszych z nich pisaliśmy już na tych łamach (Urania" 1980, 8, 237–243).  J. S m i t  i  J. H a r t o g e n,  L.W. A l v a r e z  i in., a także R. G a n a p a t h y dorzucili niedawno szereg mocnych argumentów przemawiających za ostatnią z wymienionych hipotez — zderzeniem się Ziemi z dużym asteroidem. Argumenty te są oparte na analizach zawartości metali szlachetnych (Ir, Os, Au, Pt, Ro, Ru, Pd, Ni i Co) w iłach pochodzących z przełomu kredy i trzeciorzędu. Normalna zawartość tych pierwiastków w skorupie ziemskiej jest znacznie mniejsza niż obfitości występujące w skali kosmicznej, dlatego ich koncentracje mogą wskazywać na materiał pochodzenia pozaziemskiego. Wskazano kilka linii dowodowych przeczących hipotezie o supernowej, precyzując jednocześnie scenariusz katastrofy wynikłej z upadku bolidu o średnicy 11 (5–15) km i wadze ok. 2,5·1015 kg. Upadek taki (najprawdopodobniej do oceanu) spowodowałby wyrzut materiału w ilości ok. 60 mas obiektu. Globalnie rozproszony w atmosferze pył utrzymywałby się tam przez kilka lat. Wynikająca stąd ciemność byłaby przyczyną zahamowania fotosyntezy prowadzącego przypuszczalnie do skutków biologicznych pasujących bardzo dobrze do wyniszczeń znanych z wykopalisk tamtego okresu.
   Wg Nature 1980, 285, 198 oraz Science 1980, 208, 1095 i 209.

K. M. BORKOWSKI