Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

11, погибли и поэтому недоступны. Не так давно Дж. Веллекоп и его коллеги обошли это ограничение и получили прямые данные о температуре морской поверхности в горных породах долины реки Бразос, протекающей в Техасе, примерно в 1200 километрах от места удара12. Им удалось извлечь липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT), производимые морскими организмами типа Thaumarchaeota. Эти организмы входят в царство архей – одноклеточных существ, не имеющих ядра и представляющих собой одну из трех основных ветвей жизни на Земле. Сложные органические жирные кислоты, которые производят Thaumarchaeota, образуют клеточные мембраны архей. Их молекулярная структура очень чувствительна к температуре окружающей среды – в течение нескольких часов они реагируют на любое изменение последней. Извлекая эти соединения из пограничного слоя K-Pg, исследователи обнаружили, что средняя температура поверхности моря внезапно падает с 30 °C до 23 °C в пределах 1 см отложения, а затем, примерно на 20 см выше пограничного слоя, возвращается к своему прежнему значению. Этот резкий температурный переход полностью соответствует «импактной зиме», вызванной падением астероида.

Достигнув уровня, характерного для нее перед столкновением, температура продолжает возрастать до 32,5 °C, затем останавливается на высоте 85 см выше границы в образце отложений, и снова снижается до 30 °C. Это также согласуется с одним из ожидаемых последствий. Когда огненное облако, возникшее при ударе, испарило большую часть Мексиканского залива, в атмосферу было выброшено огромное количество водяного пара, а также более 1 триллиона тонн CO2 из кальцита (CaCO3) и других минералов и углеводородов, составлявших значительную долю остальной части залива в том месте, где произошел удар. Внезапный выброс парниковых газов привел к наблюдаемому повышению температуры, которое, по всей видимости, сохранялось по крайней мере на протяжении тысячелетия. С конца XVIII столетия, когда началась эпоха промышленного развития, антропогенный выброс CO2 в атмосферу достиг сопоставимого уровня (приблизительно 1 триллион тонн), а наблюдаемое повышение температуры на границе K-Pg аналогично тому, какое предсказывают современные климатические модели на конец нашего века.

87Sr/86Sr в морской воде

Еще один интересный признак столкновения астероида получен в результате анализа изотопов Стронция (38-й элемент), который имеет четыре стабильных изотопа: 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,00 %) и 88Sr (82,58 %). Содержание 87Sr на самом деле со временем растет (очень медленно), поскольку он возникает в результате бета-распада Рубидия‐87, период полураспада которого составляет 48,8 миллиарда лет. (Это означает, что с тех пор, как образовалась Земля – а это произошло 4,5 миллиарда лет назад, – распалось только 6,3 % 87Rb, поэтому, когда я говорю «медленно», я имею в виду «очень медленно».) Датирование при помощи рубидий-стронциевого метода сыграет важную роль в будущих главах, поэтому стоит уже сейчас потратить немного времени и изучить взаимосвязь этих двух изотопов. Для наших целей важно отметить, что Стронций находится непосредственно под Кальцием в Периодической таблице и, следовательно, химически подобен ему, благодаря чему становится прекрасным заменителем Кальция в маленьких раковинах фораминифер, состоящих из CaCO3.

В веществе земной коры Стронций составляет около 370 миллионных долей (ppm), а 87Sr присутствует в концентрации 25,9 ppm (7 % от общего количества). Рубидий встречается реже, его концентрация достигает 90 ppm, а изотоп 87Rb сегодня составляет 27,83 % от общего количества; в ту эпоху, когда формировалась Земля – с учетом той части, которая к настоящему времени уже распалась, – на его долю приходилось 29,16 % из 91,62 ppm Рубидия, присутствующих в то время (единственный другой изотоп, 85Rb, стабилен, поэтому он не меняется со временем). Это означает, что распад 87Rb дает нам лишь 1,68 ppm современного 87Sr, и даже через миллион лет доля дополнительного изотопа 87Sr, который добавится в результате распада 87Rb, составит всего 0,00035 ppm – это совершенно ничтожная величина. Поэтому любое внезапное изменение соотношения 87Sr/86Sr должно иметь какую-то внешнюю причину.

В морской воде концентрация Стронция и Рубидия сильно отличается от тех, которые характерны для горных пород на суше: у Стронция она составляет 8,1 ppm, а у Рубидия – 0,12 ppm. Но океан очень большой, и если перевести эту долю в абсолютные величины, то окажется, что всего в нем 11 триллионов тонн Стронция и 0,77 триллиона тонн именно изотопа 87Sr. Поэтому для того, чтобы изменить общее соотношение 87Sr/86Sr, необходимо добавить огромную долю одного изотопа к другому. Сегодня соотношение 87Sr/86Sr в морской воде равно 0,7091, тогда как соотношение, поступившее в море в ходе эрозии наземных пород, приближается к 0,716. Таким образом, любое значительное увеличение соотношения 87Sr/86Sr в океанах предполагает невероятное усиление эрозии.

Именно об этом говорят некоторые исследователи, изучавшие соотношения изотопов Стронция на границе K-Pg. Анализ раковин фораминифер, найденных в слоях горных пород, показал, что содержание 87Sr/86Sr постепенно увеличивается – от 0,7077 за 10 миллионов лет до границы до 0,7078 на границе13. Это объясняется последовательным возрастанием площади суши, происходившим в тот период под влиянием тектоники плит (больше земли – больше возможностей для эрозии горных пород). Ряд измерений проведен и на самой границе, и они не очень хорошо согласуются друг с другом, хотя все они, похоже, свидетельствуют о небольшом, но резком увеличении – оценки этого скачка варьируются от 0,000214 до лишь четверти этого числа. Но, опять же, если мы обратим внимание на цифры, упомянутые выше, то увидим, что даже меньшее изменение соотношения, равное 0,00005, требует добавления примерно 5 миллиардов тонн дополнительного 87Sr. Если учесть, сколь скромным оказалось возрастание 87Sr в наземных породах, которые, по всей видимости, стали источником этого избытка, то нам потребуется в общей сложности 65 миллиардов тонн Стронция из эродированных пород или 175 триллионов тонн горных пород в целом15.

Создается впечатление, что эрозия была огромной и внезапной – но Земля велика. Континентальная кора имеет общую массу 2 × 1022 кг, и наша величина – это лишь 0,001 % от общей массы (эквивалент – сантиметр на слое породы толщиной в полтора километра). Но что могло вызвать столь резкую перемену скорости эрозии? Очевидные виновники – это два последствия столкновения с астероидом.

Во-первых, ударная волна, прошедшая по всему миру, скорее всего, превратила большую часть N2 в воздухе в азотную кислоту (HNO3) – и ее стало примерно 60 миллиардов тонн. Выше мы уже говорили о том, что из-за большого скапливания ангидрита на месте столкновения в стратосферу попало огромное количество выбросов, в конечном итоге превратившихся в серную кислоту (H2SO4). Недавние извержения вулканов позволили нам установить, что эти кислоты порождают кислотные дожди, которые идут на протяжении нескольких лет, постепенно осаждаясь из атмосферы. По одной из оценок, на каждый квадратный метр Земли выпало несколько литров сильнокислых дождей, и этого хватит, чтобы увеличить скорость эрозии и объяснить резкий скачок соотношения 87Sr/86Sr.

Другие свидетельства удара

Катастрофический сценарий подтверждается и множеством