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.