W dziejach Ziemi wielokrotnie dochodziło do zderzeń z planetoidami i kometami. Większość obiektów docierających do naszej planety jest niewielka i ulega rozpadowi w atmosferze. Od czasu do czasu zdarzają się jednak znacznie więksi kosmiczni intruzi, których uderzenia mogą powodować katastrofy o zasięgu regionalnym, a w wyjątkowych przypadkach – globalnym.
Ślady takich wydarzeń zachowały się w skorupie ziemskiej w postaci struktur impaktowych, potocznie nazywanych kraterami uderzeniowymi.
Duże obiekty zdolne do tworzenia wielkich kraterów to najczęściej planetoidy lub komety, a w czasie zderzenia określa się je również mianem impaktorów.
Co się dzieje podczas wielkiego uderzenia?
Niewielkie meteoroidy są bardzo skutecznie hamowane przez atmosferę. W przypadku obiektów mających dziesiątki, setki metrów lub kilka kilometrów średnicy sytuacja wygląda zupełnie inaczej.
Duży impaktor zachowuje znaczną część swojej ogromnej prędkości aż do powierzchni. Typowe prędkości kosmicznych zderzeń z Ziemią wynoszą kilkanaście–kilkadziesiąt kilometrów na sekundę. Przy takich prędkościach energia kinetyczna jest olbrzymia. W momencie zderzenia zarówno impaktor, jak i skały podłoża zostają poddane ekstremalnemu ciśnieniu i temperaturze. Część materiału jest kruszona, topiona, a nawet odparowywana.
Powstaje fala uderzeniowa, która rozchodzi się przez podłoże, a ogromne ilości skał zostają wyrzucone z miejsca kolizji. W ciągu sekund lub minut może powstać krater wielokrotnie większy od obiektu, który go utworzył.
Energia największych znanych zderzeń mogła odpowiadać energii milionów, a nawet miliardów bomb podobnych do tej zrzuconej na Hiroszimę.
W przypadku największych impaktów skutki nie kończą się na powstaniu krateru. Do atmosfery mogą zostać wyrzucone ogromne ilości pyłu, stopionych i odparowanych skał oraz gazów. Pożary, tsunami, opad materiału wyrzuconego podczas zderzenia oraz zmiany składu i przejrzystości atmosfery mogą oddziaływać na obszary położone tysiące kilometrów od miejsca uderzenia.
Jedną z najbardziej znanych struktur impaktowych na Ziemi jest Meteor Crater, nazywany również kraterem Barringera, znajdujący się w Arizonie w Stanach Zjednoczonych. Powstał około 50 tys. lat temu, gdy w powierzchnię Ziemi uderzył żelazny meteoroid o średnicy szacowanej na około 40–50 metrów. Uderzenie utworzyło krater o średnicy około 1,2 km i pierwotnej głębokości ponad 170 m.
Krater odegrał szczególną rolę w historii geologii. Na początku XX wieku amerykański inżynier i geolog Daniel Barringer argumentował, że zagłębienie powstało wskutek uderzenia ciała pozaziemskiego, choć hipoteza impaktowa przez wiele lat budziła kontrowersje.
Kratery znikają z powierzchni Ziemi
Na Księżycu kratery uderzeniowe mogą przetrwać miliardy lat. Na Ziemi ich los jest zupełnie inny, bo nasza planeta jest geologicznie bardzo aktywna. Kratery niszczą erozja, wietrzenie, rzeki, lodowce, sedymentacja, ruchy tektoniczne i wulkanizm. Dno oceanów jest dodatkowo nieustannie odnawiane wskutek tektoniki płyt. Roślinność może utrudniać rozpoznanie struktur.
Dlatego liczba znanych ziemskich kraterów jest nieporównanie mniejsza niż na Księżycu, mimo że oba ciała były bombardowane przez tę samą populację obiektów Układu Słonecznego.
Dobrze zachowane młode kratery łatwo zobaczyć na obszarach suchych, ale wielkie i stare struktury bywają niemal całkowicie zatarte. Niektóre rozpoznajemy dopiero dzięki badaniom geofizycznym, wierceniom i analizom skał.
Jedną z najbardziej efektownych struktur uderzeniowych na Ziemi jest Manicouagan w Quebecu w Kanadzie. Powstała około 215 mln lat temu w późnym triasie. Pierwotna struktura miała około 100 km średnicy. Dziś jej najbardziej charakterystycznym elementem jest pierścieniowe jezioro utworzone w obrębie silnie zerodowanej struktury. W jej centrum znajduje się wyniesiony obszar – pozostałość centralnego wypiętrzenia, charakterystycznego dla dużych, złożonych kraterów impaktowych.
Podczas potężnego zderzenia podłoże zostaje początkowo wciśnięte w dół, ale po przejściu fali uderzeniowej skały zachowują się przez krótki czas w sposób zbliżony do bardzo lepkiej cieczy. Centralna część dna odbija ku górze, podobnie jak powierzchnia wody po uderzeniu kropli.
Jak udowodnić, że krater powstał wskutek uderzenia?
Sam kolisty kształt nie wystarcza. Podobne zagłębienia mogą powstawać w wyniku działalności wulkanicznej, procesów krasowych i innych zjawisk geologicznych.
Najważniejszych dowodów dostarczają skały. Podczas kosmicznego zderzenia powstają ciśnienia tak wysokie, że w minerałach i skałach pojawiają się charakterystyczne struktury szokowe. Należą do nich m.in. planarne struktury deformacyjne w ziarnach kwarcu oraz wysokociśnieniowe odmiany krzemionki, takie jak coesyt i stiszowit.
W dużych strukturach mogą występować także brekcje impaktowe, stożki zderzeniowe (shatter cones) oraz skały stopione podczas uderzenia.
Największy znany krater na Ziemi
Największą potwierdzoną strukturą impaktową na naszej planecie jest Vredefort w Republice Południowej Afryki. Powstała około 2,02 mld lat temu, a jej pierwotna średnica jest szacowana na 250–300 km. Obiekt, który ją utworzył, mógł mieć około 10–15 km średnicy.
Przez ponad dwa miliardy lat erozja usunęła znaczną część pierwotnego krateru. To, co obserwujemy dzisiaj, jest w dużej mierze jego głęboko zerodowanym wnętrzem.
Najsłynniejsza ziemska struktura impaktowa znajduje się jednak niemal całkowicie poza zasięgiem naszego wzroku. Około 66 mln lat temu w rejon dzisiejszego półwyspu Jukatan w Meksyku uderzyła planetoida o średnicy około 10–15 km. Powstała struktura Chicxulub o średnicy około 180–200 km.
Dzisiaj krater jest pogrzebany pod młodszymi osadami i częściowo znajduje się pod wodami Zatoki Meksykańskiej. Został rozpoznany dzięki badaniom geofizycznym i wierceniom.
Skutki zderzenia miały charakter globalny. Do atmosfery zostały wyrzucone ogromne ilości pyłu, sadzy i gazów zawierających siarkę. Aerozole i pyły ograniczyły dopływ światła słonecznego, powodując gwałtowne ochłodzenie określane jako zima impaktowa. Spadek ilości światła zakłócił fotosyntezę i doprowadził do załamania łańcuchów pokarmowych.
Zderzenie jest obecnie uznawane za główną przyczynę masowego wymierania na granicy kredy i paleogenu, podczas którego zniknęło około 75% gatunków, w tym wszystkie nieptasie dinozaury.
źródło Don Davis, NASA
Jednym z najważniejszych dowodów na katastrofę sprzed 66 mln lat jest cienka warstwa osadów występująca w wielu miejscach na świecie na granicy kredy i paleogenu. Zawiera ona podwyższoną koncentrację irydu – pierwiastka rzadkiego w skorupie ziemskiej, ale stosunkowo częstego w meteorytach. Odkrycie tej anomalii przez zespół Luisa i Waltera Alvarezów pod koniec lat 70. XX wieku stało się podstawą hipotezy o wielkim impakcie. Później znaleziono również kwarc szokowy, mikrosferule i inne produkty charakterystyczne dla potężnego zderzenia.
Czy podobna katastrofa może wydarzyć się dzisiaj?
Zderzenia są naturalną częścią historii Układu Słonecznego. Im większy obiekt, tym jednak takie zdarzenia są rzadsze.
Dlatego astronomowie systematycznie poszukują i śledzą obiekty bliskie Ziemi (NEO – Near-Earth Objects). Szczególną uwagę zwraca się na planetoidy, których orbity mogą w przyszłości zbliżać się do orbity naszej planety.
W 2022 roku misja NASA DART pokazała po raz pierwszy, że człowiek może celowo zmienić ruch niewielkiego ciała niebieskiego. Sonda uderzyła w Dimorphosa – mały księżyc planetoidy Didymos – i skróciła okres jego obiegu wokół większego składnika układu. Był to pierwszy praktyczny test metody obrony planetarnej polegającej na zmianie orbity potencjalnie niebezpiecznego obiektu.
