ASZTROFIZIKÁVAL A FÖLDTÖRTÉNETI NAGY KIHALÁSOK NYOMÁBAN FOLLOWING UP GREAT EXTINCTS OF GEOLOGY WITH ASTROPHYSICS
Hágen András Újvárosi Általános Iskola. 6500, Baja, Oltványi u. 14.;
[email protected] Összefoglalás A földtörténet folyamán számos aszteroida, üstökös, meteor, vagy kisbolygó ütközött a Föld szilárd kérgébe. Az egyik ilyen égitest a kréta-tercier határán ütközött a Földdel. Ennek az ütközésnek a nyoma a 180 km átmérőjű mexikói Chicxulub-kráter. A fizikai számításoknak köszönhetően meg lehet becsülni a 10 km átmérőjű égitest sűrűségét, a kinetikus energiáját, amelyet a kőzeteknek és a szökőár indításának átadott. Ebből következően a 65 millió éve a Földnek csapódott 10 km átmérőjű, 1,5×1015 kg súlyú, és 523 333 333 333 m3 térfogatú, valamint 2866 kg/m3 sűrűségű aszteroida volt. A becsapódáskor 4,6875×1023 J kinetikus energia szabadult fel. Sokkal kevésbé megkutatott a perm végi kihalás extraterresztikus oka. A kutatók Ausztráliától kevéssel ÉNy-ra található Bedout-nál megtalálták a keresett becsapódás feltételezett kráterét. A kutatók számításai szerint a kráter átmérője 120 km körül lehetett. A perm végi meteor átmérője (d =) 6 km volt. A meteor térfogata 904320000000 m3 volt. A tömege pedig 2,59178112×1015 kg volt. A tömeg és a sebességet illetően meg lehet becsülni a mozgási vagy kinetikus energiát is, ami 8,099316×1023 J. A kisbolygó kutatás során megismertük, hogy a Föld történetében a Naprendszer belső kis bolygóövei voltak, és lesznek is nagy hatással. A kutatások során bebizonyosodott, hogy az Apolló-, és Aten-csoport kisbolygói közül került ki egy – de ha a Shiva-krátert (főbb jellemzői: d = 40 km; r = 20 km, V = 33493 m3, ρ ~ 3000 kg/m3, m = 1,00479×108 kg = 1,00479×105 t, v = 25 km/s = 25000 m/s, Ekin = 3,13996875×1016 J) is hozzávesszük, akkor kettő – aszteroida amely megpecsételte az élővilág jövőjét a kréta végén. Kulcsszavak: perm-triász, kréta-tercier, aszteroida, becsapódás, kinetikus energia. Abstract During the history of Earth numerous asteroids, comets, meteors or planetoids have hit the solid crust of the Earth. One of these orbs hit Earth at the barrier of Crete-tertiary. The trace of this hit is the 180-kilometre-long-diameter Chicxulub crater in Mexico. Thanks to the physical calculuses we can estimate the density, the kinetic energy of the 10-kilometre-long – diameter orb, which the orb transmitted to rocks and the starting of the tsunami. Consequently theasteroid which hit Earth 65 million years ago, was 10 kilometre-long diameter, weighed 1,5×1015 kg and its volume was 523 333 333 333 m3. Its density was 2866 kg/m3. At the time of the hit 6875×1023 J kinetic energy was released. Much less frequently investigated is the extra terrestrial reason of end-perm extinction. Explorers found possible crater of the mannered hit at Bedout, to slightly North-West of Australia. Based on the calculations of the explorers the diameter of the crater could be 120 km. The diameter of the meteor at perm-end was
(d =) 6 km. Its volume was 904320000000 m3 . It weighed 2,59178112×1015 kg. According to weigh and speed, movement-or kinetic energy can be estimated, which is 8,099316×1023 J. During exploration of planetoids we learnt that the smaller planetoids of the solar system were and will also be of great effect on the history of Earth. During investigations it was proved that one of the planetoids of Apollo-, and Aten-group (basic features: d = 40 km; r = 20 km, V = 33493 m3, ρ ~ 3000 kg/m3, m = 1,00479×108 kg = 1,00479×105 t, v = 25 km/s = 25000 m/s, Ekin = 3,13996875×1016 J). Counting on Shiva crater it is two asteroids that sealed the future of living beings at the end of Crete. Keywords: perm-triad, crete-tertiary, asteroid, hit, kinetic energy
Bevezetés A Föld története során számos esetben csapódott meteor, esetleg kisbolygó a földi kéregbe. A földtörténetben öt nagy kihalást tartunk számon (Raup 1986, Raup és Sepkoski 1984), amelyek közül az egyik legnagyobb a 65 millió éve bekövetkezett krétatercier határán bekövetkezett az élővilág nagy részének kihalása. Sokáig kérdéses volt, hogy mi is okozhatta a kihalást, egészen az 1970es évek végéig, amikor is Alvarezék és társai bejelentették, hogy nagy mennyiségű irídiumot tartalmazó réteget találtak. A rétegben az irídium szintje 0,006 mg/kg, miközben átlagos koncentrációja a kéregben csak 0,0004 mg/kg. Ebből következően 1980-ban Walter Alvárez publikálta elméletét, miszerint egy becsapódás végzett az élőlények nagy részével. A következőkben vizsgáljuk meg a becsapódó meteoritot. A kréta-tercier kihalás A kréta-tercier határon képződött a mexikói 180 km átmérőjű Chicxulubkráter. A krátert 65 millió év alatt eltűnt, ugyanis a későbbi korok által lerakott üledékek elfedték.Aláthatatlanná vált krátert Glen Penfield geofizikus fedezte fel, miközben kőolaj után kutatott a Yucatán-félszigeten, az 1970-es évek végén.Abecsapódásról a kráterben talált sokkolt kvarc és a közelében található tektitek mellett a területen tapasztalható gravitációs anomália tanúskodik. Az előzetes vizsgálatok során a kutatók azt állapították meg, hogy a meteor tömege 1,5×1015 kg (1,5×1012 t) (Alvarez et al. 1980). A sebességét illetően, a meteorok jellemzően 10-60 km/s (40-200 km/s) sebességgel érkeznek (jellemzően 25 km/s). A Föld sebessége 30 km/s. A Föld közelében ehhez 42 km/s adódhat, ami a Naprendszer itteni szökési sebessége. Az ennél gyorsabb égitestek kirepülnek a Naprendszerből. Így a Földet max. 30-42 km/s sebességgel érheti egy becsapódás. A sebességek vektorosan adódnak össze. A kisbolygók általában 15-25 km/s, az üstökösök 60 km/s sebességű
becsapódásokat eredményeznek. Nagy valószínűséggel a Chicxulub krátert egy aszteroida (meteor) okozhatta, így a becsapódási sebességét 25 km/s (25 000 m/s) vettem. A kinematikai mozgás képletet felhasználva: Ekin = ½ mv2 Azt kaptam, hogy a meteor becsapódásakor 4,6875×1023 J erő szabadult fel, amely megegyezik Alvarez és társai (1980) által publikált 4×1023 zettajoule energia felszabadulással. Ha ismert a meteor átmérője, abból kiszámítható a sugár is, ami 5 km (5000 m) volt. Ha elfogadjuk azt, hogy a kisbolygó kinézete egy gömbhöz volt hasonló, akkor a Cavalieri-elvet felhasználva, úgy írjuk fel a képletét, hogy: V = 4 * r3 * π/3 Ebből következően a térfogata (V =) 523 333 333 333 m3 volt 5000 m-es sugárral számolva. Így már következtethetünk sűrűségére is, amelynek képlete: ρ = m/V miszerint a 10 km-es átmérőjű, 1,5×1015 t súlyú becsapódó égitest 2866 kg/m3 (~3000 kg/m3) sűrűségű volt. Ez a sűrűség egy átlagos kőzetsűrűség a Földön. A becsapódáskor a kinetikus energia hatalmas lökéshullámmá alakul, megközelítőleg 180 km-es átmérőjű krátert létrehozva. A lökéshullámok a kráter végén (a becsapódás közepétől 90 km távolságban!) hagyományos szeizmikus lökéshullámmá szelídül, amelynek sebessége a hangterjedési (légkörben 340 m/s) sebességével (a kőzetekben 5-8 km/s = 5-8000 m/s) megegyező. Az újabb modell kísérletek szerint a Chicxulub-kráter egy 50 m mélységű sekélytengerben jött létre (Hargitai et al. 2005), ahol természetesen az 50 m víz nem tudta annyira lelassítani, hogy ne fúródjon a földbe. És ha igaz a sekélytenger, akkor meg becsülhetjük azt is, hogy mekkora tsunamit váltott ki a becsapódás. Abból induljunk ki, hogy a Bikini atollon végrehajtott Baker kísérleti atomrobbantás során az 1 km átmérőjű becsapódó test a becsapódástól akár 20 km-re is 1 km magas amplitúdójú hullámokat hozott létre, így a becsapódás központjában relatív 20 km magas hullámot indított útjára, így a 10-14 km átmérőjű kisbolygó 200-280 km magas hullámot indíthatott útjára. Igen ám, de ilyen mélységű óceán nincs a Földön sehol, így elégedjünk meg azzal, hogy ez az amplitúdó hullámformájában „körbe” utazta a Földet, mind É-D, mind Ny-K irányában.
A perm-triász krízis AFöld történetének legnagyobb tömeges kihalására a perm időszak végén, 252 millió évvel ezelőtt került sor.Atömeges kihalás során a tengeri fajok több, mint 96%-a, a szárazföldi fajoknak pedig a 70%-a tűnt el végleg a Föld felszínéről. A kutatók Ausztráliától kevéssel ÉNy-ra található Bedout-nál megtalálták a keresett becsapódás feltételezett kráterét. A kutatók számításai szerint a kráter átmérője 120 km körül lehetett. Ha feltételezzük, hogy ez a meteor a kréta végi Chicxulub-krátert létrehozó meteorhoz hasonló – vagyis meg egyezik a sűrűsége, valamint a tömege – akkor a Bedout-meteor 6 km-es átmérőjű volt. Ha meg egyezik a sűrűségük is, vagyis a Chicxulubéhoz hasonló akkor, ρ = 2866 kg/m3. A Cavalierielv és a sűrűségből megállapítható a tömege is. A meteor térfogata 904320000000 m3 volt. A tömege pedig 2,59178112×1015 kg volt. Ami a sebességét illeti, a meteorok jellemzően 10-60 km/s (40-200 km/s) sebességgel érkeznek (jellemzően 20 km/s). A Föld sebessége 30 km/s. A Föld közelében ehhez 42 km/s adódhat, ami a Naprendszer itteni szökési sebessége. Az ennél gyorsabb égitestek kirepülnek a Naprendszerből. Így a Földet max. 30-42 km/s sebességgel érheti egy becsapódás. A sebességek vektorosan adódnak össze. A kisbolygók általában 15-25 km/s, az üstökösök 60 km/s sebességű becsapódásokat eredményeznek. Nagy valószínűséggel a Bedout-meteor is a Chicxulub-meteor sebességével érkezett, vagyis 25 km/s. A tömeg és mozgási vagy
a sebességet illetően meg lehet becsülni a kinetikus energiát is, ami 8,099316×1023 J.
Meteoritbecsapódás és az éghajlat Az elsődleges éghajlat-alakító tényezők a Föld története során folyamatosan változtak. Változott a Nap sugárzásának intenzitása, a légkör összetétele, a kontinensek elhelyezkedése, a kontinentális lepusztulás, a hegységképződés és a vulkanizmus globális mértéke, változtak a Föld pályaelemei. Ennek megfelelően folyamatosan változott a Föld éghajlata is. Egyes időszakokban a globális átlaghőmérséklet akár 6 °C-kal is meghaladhatta a mait (pl. kambrium, devon, korai eocén), míg más periódusokat a nagymértékű eljegesedés jellemzett (Donnadieu et al. 2004). Az éghajlat hűléséhez meteoritbecsapódások is jelentősen hozzájárultak. A meteorit becsapódásokkor nagy mennyiségű füst, por, törmelék, összefoglalóan aeroszolrészecske kerül a légtérbe, amelyek időszakosan csökkenthetik a felszínre érkező napsugárzást (Mészáros 2001).
Az aeroszolrészecskék szórják és elnyelik a napsugárzást. Minél több van belőlük a levegőben, annál kevesebb energia éri el a felszínt, ami hűvösebb éghajlat kialakulásához vezet. A folyamat sugárzásátbocsátással (τ) jellemezhető, amely fordítva aránylik a légköri homályossághoz (δ): minél nagyobb a homályosság (az aeroszolrészecskék koncentrációja), a napsugárzásnak annál kisebb része jut át a légkörön. Matematikai formában az összefüggés a következő: τ = 1/eδ ahol e a természetes logaritmus alapszáma. A formulából következik, hogy egységi homályosság esetén a sugárzás erőssége 1/e-ed részére csökken. A homályosság egy dimenziónélküli szám, értéke tiszta levegőben 0,1 körül ingadozik. Ez azt jelenti, hogy a légköri átbocsátás 0,9-dal egyenlő, azaz a sugárzásnak 90 százaléka jut a felszínre. Egy-egy vulkánkitörés alaklmával az e logaritmus alapszámának értéke 2,71, akkor a felszínt érő sugárzás intenzitása csak 37%-a a légkörön kívüli erősségnek. δ = 4-nél 1,8% a megfelelő érték. Ilyenkor a bolygó Nap felöli oldalán is éjszakai sötétség uralkodik és a hőmérséklet -20 ºC alá csökken. Erős vulkánkitörések időtartalma, következésképen hatása, jóval hosszabb, mint egyetlen meteorbecsapódás következménye. Ebben az esetben magyarázatot kaphatunk a meteorbecsapódás és a vulkáni tevékenység pusztító hatására. A Föld pályáját időszakosan megközelítő kisbolygók Kisbolygók a ám két olyan találhatók. A ismert a Mars
Naprendszer valamennyi térségében előfordulnak, tartományt is ismerünk, ahol igen nagy számban közelebb elhelyezkedő, ezért sokkal részletesebben és a Jupiter pályája között található fő kisbolygó öv.
A kisbolygók kutatása napjaink egyik legnépszerűbb területe, különösen annak tudatában, hogy a Földünkre is hatással lehetnek a kisbolygók. A főöv réseiből kiszóródó kisbolygók ugyanis olyan pályára állhatnak, amely keresztezi Földünk pályáját, és egy esetleges becsapódás katasztrófális következményekkel járhat. A veszélyes kisbolygó-becsapódások nagyon ritka események. Mivel a kisbolygók pályája a bolygók gravitációs hatása miatt megváltozik, nem csak azokat az égitesteket kell figyelni, amelyek manapság keresztezik a földpályát, hanem a bolygónkat 40-50 millió km-re megközelítő égitesteket is. Ezek alapján a csillagászok három csoportba sorolták a földközeli
kisbolygókat (Mehra 1973). Az Amor-család tagjai nem kerülnek a Földnél közelebb a Naphoz, ám 1,3 Csillagászati egységnél jobban megközelítik csillagunkat, így a jövőben veszélyessé válhatnak Az Apollo-család tagjai a Földnél jobban megközelítik a Napot, így pályájuk keresztezheti a földpályát, ám keringési idejük 1 évnél hosszabb. Az Aten-család tagjai szintén közelebb kerülnek központi csillagunkhoz, mint mi, ám keringési idejük 1 évnél rövidebb. Ez azt jelenti, hogy útjuk nagyobb része a földpályán belül vezet. A kisbolygó kutatás ismertetésből látható, hogy az Apolló-, és az Aten-csoport kisbolygói tartózkodnak időközönként a Föld pályáján. Nagy valószínűséggel ebből a két csoport valamelyikéből szakadt el a Chicxulub-krátert létrehozó aszteroida. Következtetés Az az esemény, amelyet a klasszikus földtan kréta-tercier határnak időtartamát tekintve nincs egyetértés a kutatók között, azok akik elfogadják a meteor becsapódás elméletét, azt vallják, hogy néhány százezer év alatt lezajlott a kihalás (Mexikóban olyan ősmaradványos homokkő-rétegsorokat is feltártak, amelyekben a fajok tömeges kihalása a becsapódási esemény után 300 000 évvel kezdődött meg). E krízis az egyik legnagyobb volt az élővilág történetében. Kiváltó oka a kréta végén a Földnek csapódott 10 km átmérőjű aszteroida lehetett. A kréta végén becsapódó égitest 1,5×1015 kg súlyú, és 523 333 333 333 m3 térfogatú, valamint 2866 kg/m3 sűrűségű lehetett. A becsapódáskor 4,6875×1023 kinetikus energia szabadult fel. A földtörténet legnagyobb kihalása a perm-triász határon következett be. Ha elfogadjuk az extraterresztikus okokat kiváltó tényezőnek, akkor a perm végén becsapódó meteor átmérője 6 km volt. Ha meg egyezik a sűrűségük is, vagyis a Chicxulubéhoz hasonló akkor, ρ = 2866 kg/m3. A Cavalieri-elv és a sűrűségből megállapítható a tömege is. A meteor térfogata 904320000000 m3 volt.Atömege pedig 2,59178112×1015 kg volt.Atömeg és a sebességet illetően meg lehet becsülni a mozgási vagy kinetikus energiát is, ami 8,099316×1023 J. Összehasonlításul nézzük meg, hogy mekkora kisbolygó becsapódás pusztítaná ki az életet. Kutatók kiszámították, hogy egy 440 km átmérőjű „impaktor” az egész világóceánt gőzzé alakítaná, mintegy sterilizálná a Földet. Vizsgáljuk meg, hogy ez számokban mit is jelent: d = 440 km = 440000 m r = 220000 m amelyből
a
térfogata
a
Cavalieri-elv
alapján
kiszámolható:
V = 4 r3 π/3 = 44579626666666667 m3 A a
térfogat ismeretében kisbolygó anyaga
és ha kőzet,
azt akkor
vesszük, hogy a sűrűsége:
ρ = 3000 kg/m3 Ennek tömegét
segítségével is, a
kiszámolhatjuk következő
az égitest összefüggéssel:
ρ = m/V = m = ρ V = 3000 × 44579626666666667 = 133738880000000000000 kg A sebességet létrehozó meteor
illetően sebességét
a
Chicxulub-krátert vettem, amely
v = 25 km/s = 25000 m/s A mozgási energia (Kinetikus energia) azt kapjuk, hogy a kisbolygó
képletét felhasználva, mozgási energiája,
Ekin = 41793400000000000000000000000 = 4 * 1028 J volt. A kisbolygó kutatás során megismertük, hogy a Föld történetében a Naprendszer belső kis bolygóövei voltak, és lesznek is nagy hatással. A kutatások során bebizonyosodott, hogy az Apolló-, és Aten-csoport kisbolygói közül került ki egy – de ha a kréta végén becsapódó Shiva-krátert (főbb jellemzői: d = 40 km; r = 20 km, V = 33493 m3, ρ ~ 3000 kg/m3, m = 1,00479×108 kg = 1,00479×105 t, v = 25 km/s = 25000 m/s, Ekin = 3,13996875×1016 J, Θ = 1607664×1010, ω = 1,25 1/s, Ef = 1,00479 * 1016 J, T = 5,024 s, n = 0,19 1/s = 11,4 1/min) is hozzávesszük, akkor kettő – aszteroida amely megpecsételte a dinoszauruszok jövőjét. Irodalom Alvarez, L.; Alvarez, W.; Asaro, F.; Michel, H. V. 1980 Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction: experimental results and theoretical interpretation. Science. 208:1095-1108. Donnadieu, Y.; Goddéris, Y.; Ramstein, G.; Nédélec, A.; Meert, J. 2004: A ’Snowball Earth’ Climate Triggered by Continental Break-up Through Changes in Runoff. Nature. 428, 303–306. Doi:10.1038/Nature 02408 EIA (2010): Energy Outlook, 2010. Doe/Eia-0484(2010). Hargitai H.; Bérczi SZ.; Gucsik A.; Horvai F.; Illés E.; Keresztúri Á.; Nagy SZ. J. 2005: A Naprendszer kisenciklopédiája. A Naprendszer formakincse (1. – online). Becsapódások folyamata, nyomai és hatásai. ELTE TTK – MTA Kozmikus Anyagokat Vizsgáló Űrkutató Csoport.
72. http://planetologia.elte.hu/atlasz/01becsapodas.pdf Mehra, R. 1973: Resonances and librations of some Apollo and Amor asteroids with the Earth. The Astronomical Journal, 78(1) 142-147. Mészáros E. 2001: A Föld rövid története. Vince Kiadó, 168 p. Raup, D. M. 1986: Biological extinction in Earth history. Science. 231:1528-1533. Raup, D. M.; Sepkoski, J. J. 1984 Periodicity of extinctions in the geologic past. – PNAS. 81:801-805. http://solarsystem.nasa.gov/
