100 великих загадок астрономии

Итак, громадный метеорит, достигавший 10 километров в поперечнике, рухнул на полуостров Юкатан. В ту пору здесь простирался шельф – мелководная материковая отмель. Страшный снаряд моментально разворотил воронку глубиной 30 километров. Энергия удара была очень велика. Чтобы добиться таких же разрушений, следовало взорвать сразу пять миллиардов атомных бомб – вроде той, что сбросили на Хиросиму.

Земная кора не выдержала такого давления. Возник глубокий разлом. Толщу планеты сотрясли невиданные по силе сейсмические волны. Температура на месте катастрофы была так высока, что виновник всех бед – метеорит – полностью испарился. В пар превратились и обширные пласты сульфатов и известняков, из которых сложен Юкатан.

Сразу после падения метеорита начались пожары. Леса выгорели на тысячи километров от эпицентра катастрофы. Вся Северная Америка была объята огнем. После этих пожаров в воздух взметнулось столько пепла и пыли, что на многие месяцы воцарился зловещий мрак. Пыль плохо пропускала солнечный свет. Непроницаемой пеленой она обволокла всю планету. Уцелевшие растения зачахли. Земля заметно остыла. Наступила так называемая «метеоритная зима». Множество животных погибло от бескормицы. Опустевшую планету исподволь, словно саваном, кутал пепел. Он слеживался, образуя слой толщиной несколько сантиметров.

Позднее воздух снова прогрелся. Начались кислотные дожди, поскольку испарилось огромное количество сульфатов. С неба на землю лилась серная кислота. Она разъедала известковые раковины фораминифер. Большая часть этих животных погибла. Эти простейшие организмы были излюбленной пищей многочисленных аммонитов – моллюсков, обитавших в тогдашних морях (для этих «каменных змей» характерна спиральная раковина). «Цепь питания», связывавшая морские организмы, оборвалась. Аммониты вымерли. Схожие процессы происходили и на суше.

За время «метеоритной зимы» в атмосфере накопилось большое количество углекислого газа. Это вызвало «парниковый эффект». Вслед за резким похолоданием началось такое же стремительное потепление на несколько градусов.

Прошли сотни тысяч лет. Жизнь на планете постепенно пришла в норму. Вот только облик Земли разительно переменился. Исчезли все виды динозавров, а также ящеры морские и летающие – плезиозавры и птерозавры. Погибли 70 % всех видов животных. Пострадали в той или иной мере все организмы, населявшие планету. «По-видимому, в конце мелового периода вымерли все животные, весившие более 25 килограммов», полагает палеонтолог Ян Смит из Амстердамского университета.

Впрочем, многие ученые по-прежнему не признают этот сценарий. Все дело в том, пишет российский палеонтолог К.Ю. Еськов, что «вымирание динозавров идет весь поздний меловой период с более или менее постоянной скоростью, но, начиная с некоторого момента, эта убыль перестает компенсироваться возникновением новых видов; старые виды вымирают, а новых им на смену не появляется, и так вплоть до полного исчезновения группы… Иными словами: в конце мелового периода имело место не катастрофическое вымирание динозавров, а непоявление новых им на смену».

Так можно ли примирить сторонников и противников теории Луиса Альвареса? Как сейчас выглядит позднемеловой пейзаж после научной битвы?

В конце 2006 года на очередной ежегодной конференции Американского геологического общества одним из центральных событий стал доклад Герты Келлер из Принстонского университета. Речь шла все о том же «тогда» и «теперь» динозавров, вечно смертных в гипотезах, вечно бессмертных в диспутах ученых.

Доклад Келлер подводил черту под многолетними исследованиями в кратере Чиксулуб и его окрестностях, а также в некоторых других районах Северной Америки. Стремясь разгадать тайну убыли динозавров, Келлер и ее коллеги изучали останки не самих ящеров, а крохотных микроорганизмов, населявших эту местность в конце мелового периода.

«Окаменелые останки динозавров, – объяснила свой принцип работы Келлер, – слишком немногочисленны и разрозненны… Конечно, людям интереснее динозавры, но в действительности воссоздать истинную картину их гибели можно только с помощью окаменелых микроорганизмов той эпохи, потому что только они могут надежно указать время и обстоятельства своей смерти».

Картина эта оказалась очень запутанной. Но черную точку в конце «мелового листа» ставил все же метеорит. Точку. Многоточие. Метеориты…

Более 65 миллионов лет назад по не известной пока причине на нашей планете начался бурный всплеск вулканической и сейсмической активности. Извержения вулканов следовали одно за другим – и так на протяжении полумиллиона лет. Атмосфера планеты наполнилась огромным количеством углекислого газа, что привело к глобальному потеплению. Температура на поверхности воды и суши повысилась в среднем на 7–8 градусов (это означает, что летом она могла быть выше нормы на 15–20 градусов, а зимой – ниже на 8—12 градусов). Наступила климатическая катастрофа. Многие виды живого оказались на грани исчезновения; жизнь была буквально подорвана в своих основах. И именно тогда произошло столкновение Земли с крупным метеоритом, рухнувшим на Юкатан.

Следующая часть доклада Келлер стала главной сенсацией. Впервые ей удалось надежно подтвердить, что динозавры уцелели после этой катастрофы и прожили еще двести с лишним тысяч лет. «И тогда произошло второе за полмиллиона лет столкновение Земли с метеоритом, только намного больше Чиксулубского, – описывает итог обсуждения обозреватель журнала «Знание – сила» Рафаил Нудельман. – Вот оно-то и стало “последней соломинкой” для большей части морских видов и крупных наземных существ – динозавров и им подобных».

Но положит ли оно конец спорам о судьбе динозавров? И где находится кратер, оставшийся на месте падения второго метеорита?

Льды, зной и циклы Миланковича

Понятие «парниковый эффект» знакомо всем. СМИ регулярно сообщают о «глобальном потеплении», вызванном этим эффектом, а политики, не доверяя власти слов, делают решительные выводы, облекая их в такую словесную форму, как Киотский протокол, ограничивающий выбросы углекислого газа в атмосферу.

Фразы «Защитим климат Земли», «Спасем планету от потепления» давно вошли в наш обиход – как и мнение о том, что главной причиной изменений климата является человек, его промышленная деятельность. Но так ли уникально нынешнее потепление, или это естественный процесс, и он обусловлен изменением солнечной активности, а может быть, колебаниями орбиты Земли?

Климат по-прежнему остается одной из научных загадок. За время существования нашей планеты он не раз претерпевал поразительные изменения. Земля то покрывалась льдами и даже превращалась в снежный ком, то сбрасывала белые покровы. Нынешние ледники – лишь свидетели последнего оледенения, отступившего около 10 тысяч лет назад. Но что определяло длительность ледниковых и межледниковых периодов, сменявших друг друга, как день и ночь? Уж конечно, не человек! Смену эпох обусловливали космические факторы – влияние Солнца и планет Солнечной системы. Их взаимное расположение сказывалось на траектории Земли, то сближая ее со светилом, то отдаляя от него.

Если бы вокруг Солнца обращалась одна Земля, если бы она имела форму идеального шара, если бы ее ось вращения сохраняла одно и то же положение, то наша планета описывала бы, согласно законам Кеплера, идеальный эллипс, чья форма не менялась бы во веки веков. В таком случае любая область Земли в определенный день календарного года получала бы одно и то же количество солнечного тепла, в каком бы году мы ни вели наши наблюдения.

Циклы Миланковича

Но действительность лежит за рамками школьной геометрии. Земля – не шар, а эллипсоид, то бишь приплюснутый шар. Ее диаметр в районе экватора несколько больше расстояния между полюсами. Из-за этого под действием притяжения Луны и Солнца возникает особая сила, стремящаяся повернуть ось вращения Земли. Ось покачивается, постепенно описывая круговой конус и совершая один оборот примерно за 26 тысяч лет. Это явление называют прецессией.

Циклически меняются и другие параметры орбиты. Наиболее ощутимы периоды продолжительностью примерно в 100 тысяч лет (изменение эксцентриситета) и 41 тысяч лет (изменение наклона земной оси). Каждые 400 тысяч лет орбита Земли принимает почти идеальную круговую форму.

Все это не может не сказываться на климате нашей планеты, вызывая его колебания. Ведь меняется количество тепла, получаемого различными областями Земли. Еще в XIX веке была высказана догадка, что оледенения наступают, когда отдельные регионы начинают получать меньше тепла, чем обычно.

В 1915 году сербский математик Милутин Миланкович задался целью вычислить, сколько солнечного тепла получали разные регионы планеты за последние 600 тысяч лет, чтобы, может быть, понять причину наступления ледниковых периодов.

Составленные им графики были весьма выразительны. Так, анализируя схему, на которой было показано количество тепла, получаемого в летнее время полярными областями Северного полушария, Миланкович обратил внимание на то, что в отдельные эпохи кривая солнечной радиации была необычайно низка. Он предположил, что именно тогда начинались новые оледенения.

Если лето выдалось аномально холодным и пасмурным, если солнечные лучи не прогревали землю, то снег, выпавший зимой, мог пролежать до следующей зимы. Одно, другое лето, вот уже счет их мерится столетиями, и нарастает слой нерастаявшего снега, смиряя планету, стирая с ее чела признаки жизни. К тому же снег хорошо отражает солнечный свет, а потому эффект охлаждения планеты усиливается. Постепенно там, где ворошилась крупа снежинок, вырастала хрустальная плита льда. Ледник вытягивал тысячи языков, отравляя «морозным ядом» все, что жило вокруг. Он полз на юг, покрывая все большую территорию. Наступала новая ледниковая эпоха.

Кстати, до Миланковича считалось, что оледенения поочередно наступают то в Северном, то в Южном полушарии. Он же настаивал на том, что движитель «климатической машины» находится в Северном полушарии, ведь большая часть суши расположена здесь, а ледники образуются на суше.

Правота выводов Миланковича стала подтверждаться лишь после Второй мировой войны, а свое окончательное признание его гипотеза получила в 1970-е годы, когда геологи из Колумбийского университета Джеймс Хейс, Джон Имбри и Николас Шекелтон, исследуя глубоководные керны, проникли в прошлое на миллион с лишним лет, точно датировав сроки оледенения и продолжительность климатических циклов. Они впервые вычислили сразу несколько подобных циклов, длящихся 100 тысяч лет, 41 тысячу лет, 23 тысячи лет и 19 тысяч лет, и назвали их «циклами Миланковича».

«Мы уверены, что причиной оледенений являются изменения параметров траектории Земли, – писал Джеймс Хейс в 1976 году. – Доказательства настолько очевидны, что какие-либо иные объяснения излишни». Разумеется, подобное было сказано в полемическом пылу. Теория Миланковича по-прежнему подвергается критике. Она не учитывает роль тропиков в Южном полушарии, сложное взаимодействие морских и воздушных течений, промышленную деятельность человека.

По-видимому, механизм смены климата сложнее, чем предполагалось несколько десятилетий назад. Тут играет роль количество солнечного тепла, получаемого всей планетой, а не только отдельной ее областью, которую считали чем-то вроде кнопки спускового механизма или переключателя с «горячо» на «холодно».

Много неясного и с самими циклами. Ни один параметр орбиты не меняется со строгой периодичностью. В действительности мы имеем дело с несколькими квазипериодическими процессами. Вот, например, упомянутый 100 000-летний цикл эксцентриситета. Собственно говоря, его не существует – есть комбинация двух циклов, один из которых длится 125 тысяч лет, а другой – 95 тысяч лет. Поэтому в отдельные эпохи действие одного цикла лишь усиливается действием другого, а в иные времена, наоборот, ослабляется. Так, 400 тысяч лет назад их действие взаимно компенсировалось. Однако чаще всего влияние этих циклов так или иначе сказывалось на климате Земли.

Одну из самых точных моделей, описывающих изменения климата в прошлом, в рамках теории Миланковича создал бельгийский геофизик Андре Бержер. Но любопытно, что она может поведать о будущем?

В ближайшую эпоху минимум 100 000-летнего цикла эксцентриситета наложится на минимум 400 000-летнего цикла. Вследствие этого орбита Земли через 27 тысяч лет станет практически идеально круговой. Количество солнечного тепла, получаемого полярными областями планеты в летнее время года, будет почти неизменным.

Нынешний межледниковый период продлится еще почти 50 тысяч лет – и человек здесь ни при чем. В последний раз такое было около 400 тысяч лет назад. Если же содержание углекислого газа в атмосфере в течение нескольких столетий будет превышать нынешнее в два раза, – а это прогнозируется, к такому может привести наша промышленная деятельность, – тогда новое оледенение вообще не наступит. Межледниковая эпоха не кончится никогда.

Что это принесет Земле? Вы ждете ответа? Но любые очерки о глобальном изменении климата пока не могут заканчиваться простым, четким резюме. Возможно, в задаче со многими неизвестными, которую решают ученые, ответ останется неизвестным еще очень долго.

Однажды в Сибири: падение тунгусского метеорита

Вплоть до сегодняшнего дня ученые гадают, что же произошло в районе Подкаменной Тунгуски более ста лет назад, 30 июня 1908 года, в 7 часов 14 минут утра. В тот день над тайгой внезапно зажглось «второе Солнце» – взорвался огромный огненный шар. Сила взрыва была такова, что почти шестьдесят миллионов деревьев, росших на площади примерно в 2150 квадратных километров, были сломаны, словно спички. «Жутко становится, когда видишь десяти-, двадцативершковых великанов, переломанных пополам, как тростник, с отброшенными на много метров к югу вершинами», – рассказывал первый исследователь этого феномена Леонид Кулик. По счастливой случайности, погиб, как считается, всего лишь один человек, поскольку удар пришелся по абсолютно безлюдной местности.

«Только я замахнулся топором, чтобы набить обруч на кадушку, как вдруг на севере небо раздвоилось, и в нем широко и высоко над лесом появился огонь, который охватил всю северную часть неба, – вспоминал местный русский житель Семенов, находившийся в 65 километрах от центра катастрофы. – В этот момент мне стало так горячо, словно на мне загорелась рубашка. Я хотел разорвать и сбросить с себя рубашку, но небо захлопнулось, и раздался сильный удар. Меня сбросило с крыльца сажени на три».

Взрыв Тунгусского метеорита стал, пожалуй, самой крупной катастрофой в современной истории, вызванной падением на Землю небесного тела. Его последствия ощущались далеко от Сибири. Так, ночное небо над Великобританией было залито светом. В полночь жители Лондона, прогуливаясь по улицам, не освещенным фонарями, могли спокойно читать газету.

Поваленные деревья в районе падения Тунгусского метеорита. Фото 1927?г.

Эпицентр взрыва находился в одном из самых отдаленных районов Сибири, близ реки Подкаменная Тунгуска, среди болот и тайги. А если бы удар пришелся в один из крупных городов? И ведь Тунгусский метеорит – далеко не самый крупный космический объект, когда-либо угрожавший Земле! Как иронично заметила на страницах журнала «Знание – сила» харьковская журналистка Валентина Гаташ, его падение «было чем-то вроде мимолетного космического поцелуя, который заворожил немало исследователей».

Теперь мы понимаем всю смертоносность «космических ласок». Природа же Тунгусского метеорита по-прежнему вызывает споры.

О чем вообще идет речь? О падении астероида или кометы? В принципе, в обоих случаях последствия схожи, но есть и важное отличие. Кометы обращаются по очень вытянутым орбитам, и скорость их движения заметно выше, чем у астероидов. Поэтому при падении на Землю небольшой кометы выделяется такое же количество энергии, как и при падении куда более крупного астероида. В то же время кометы гораздо реже пересекают орбиту Земли, чем астероиды. До сих пор астрономы не располагают ни одним подтвержденным фактом падения на Землю кометы. Так что, если бы выяснилось, что в районе Тунгуски упала комета, это стало бы уникальным событием.

Сейчас большинство ученых полагает, что это был все-таки астероид. Так, в модели, разработанной в 1993 году астрономами НАСА (руководитель Кристофер Чиба), подобные разрушения мог вызвать именно астероид размеров в несколько десятков метров, взорвавшийся в считаных километрах от Земли. К такому же выводу пришли Наталья Артемьева и Валерий Шувалов из московского Института динамики геосфер. По расчетам ученых, на высоте 5—10 километров взорвался и полностью испарился астероид, достигавший в поперечнике от 30 до 80 метров. Мощность Тунгусского взрыва составляла 10–15 мегатонн тринитротолуола. Это соответствует взрыву 1150 бомб, сброшенных на Хиросиму. Некоторые исследователи говорят даже о 50 мегатоннах. Впрочем, в конце 2007 года Марк Босло и Дэвид Кроуфорд из лаборатории в Альбукерке (США) показали, что Тунгусский взрыв мог быть вызван падением объекта гораздо меньших размеров – подобные разрушения мог произвести и взрыв мощностью от 2 до 4 мегатонн. По расчетам итальянских ученых, исследовавших несколько лет назад озеро Чеко, расположенное в восьми километрах от предполагаемого центра катастрофы, диаметр астероида составлял около 10 метров, он весил до 1500 тонн и мчался со скоростью от 3600 до 36 тысяч километров в час под углом в 45 градусов к поверхности Земли.

На сегодняшний день не найдено ни одного обломка этого загадочного небесного тела. Обнаружены лишь микроскопические фрагменты, возможно, внеземного происхождения, например, частицы графита, расплавленные крупицы железа и никеля. Не найден и кратер. Впрочем, еще в 1960 году советский исследователь Владимир Кошелев предположил, что озеро Чеко, напоминающее по форме скорее воронку глубиной около полусотни метров, и есть тот самый кратер – тем более что впервые оно появляется лишь на карте, составленной в 1928 году. А вот на военной карте, датированной 1883 годом, оно не значится. Однако местные жители, когда их опрашивали, повторяли, что озеро было всегда, оно было при их отцах, и дедах, и дедах их дедов.

Отсутствие фактов побуждает исследователей строить самые необычные гипотезы. Так, еще в середине 1940-х годов советский писатель-фантаст Александр Казанцев предположил, что в районе Тунгуски потерпел катастрофу инопланетный космический корабль. В 1951 году польский писатель Станислав Лем в своем романе «Астронавты» описал взрыв в районе Подкаменной Тунгуски космического корабля, прибывшего с Венеры. Сенсационные версии появлялись даже на страницах авторитетного журнала «Nature». Так, в 1958 году физики объяснили катастрофу проникновением к поверхности Земли антивещества, а в 1973 году два астронома предположили, что Земля могла столкнуться с миниатюрной черной дырой, прошившей ее насквозь.

Еще в 1980-е годы советский ученый Андрей Ольховатов, а в 2001 году немецкий астрофизик Вольфганг Кундль предложили геофизическую версию Тунгусского взрыва. По Ольховатову, это был нелокальный природный взрыв наподобие шаровой молнии. По Кундлю, такой же разрушительный эффект мог произвести взрыв примерно 10 миллионов тонн природного газа, вырвавшегося под большим давлением из-под земли сквозь трещины, образовавшиеся в коре. Впрочем, эта гипотеза не объясняет, почему в Ванаваре, расположенной в 65 километрах от эпицентра взрыва, видели яркую вспышку света. Всего насчитывается около 120 гипотез, объясняющих Тунгусский феномен, в том числе имеются версии, лежащие уже за гранью науки, например, взрыв огромного роя мошек.

Между тем это событие – вовсе не такое уникальное, как кажется на первый взгляд. На протяжении миллиардов лет на Землю и другие планеты Солнечной системы падали метеориты. Подобные катастрофы происходили даже на нашей памяти. Так, летом 1994 года форменной бомбардировке подвергся Юпитер. На него рухнули обломки кометы Шумейкеров-Леви-9. События же, напоминающие падение Тунгусского метеорита, повторяются, по оценкам астрономов, каждые 200—1000 лет. Так что не будет ничего удивительного, если еще в этом столетии в каком-либо уголке Земли произойдет что-то подобное.

На протяжении многих веков астрономы смотрели в небо с доверчивым любопытством. Теперь все чаще их побуждает вести наблюдения тревога. Взрыв Тунгусского метеорита был чем-то вроде предупредительного выстрела – знака, поданного космосом перед тем, как он нанесет по нашей планете сокрушительный удар. Когда это будет? В последний раз жертвами метеорита стали динозавры. Сумеем ли мы сделать все возможное, чтобы именно эта жертва была последней? Защитимся ли мы от космической угрозы?