Około dwa miliardy lat temu impaktor pędził w kierunku Ziemi, uderzając w planetę na obszarze w pobliżu dzisiejszego Johannesburga w Południowej Afryce. Impaktor – najprawdopodobniej asteroida – utworzył największy dziś krater na naszej planecie. Naukowcy powszechnie przyjęli, na podstawie wcześniejszych badań, że struktura uderzeniowa, znana jako krater Vredefort, została utworzona przez obiekt o średnicy około 15 kilometrów (około 9,3 mil), który poruszał się z prędkością 15 kilometrów na sekundę.
Jednak według nowych badań przeprowadzonych przez University of Rochester impaktor mógł być znacznie większy – i miałby katastrofalne konsekwencje na całej planecie. Badania te, opublikowane w Journal of Geophysical Research, zapewniają dokładniejsze zrozumienie dużego uderzenia i pozwolą naukowcom lepiej symulować zdarzenia uderzeniowe na Ziemi i innych planetach, zarówno w przeszłości, jak iw przyszłości.
„Zrozumienie największej struktury uderzeniowej, jaką mamy na Ziemi, ma kluczowe znaczenie” – mówi Natalie Allen ’20, obecnie doktorantka na Uniwersytecie Johna Hopkinsa. Allen jest pierwszym autorem artykułu, opartego na badaniach, które przeprowadziła jako studentka w Rochester pod kierunkiem Miki Nakajimy, adiunkta nauk o Ziemi i środowisku. „Posiadanie dostępu do informacji dostarczanych przez strukturę taką jak krater Vredefort to świetna okazja do przetestowania naszego modelu i naszego zrozumienia dowodów geologicznych, abyśmy mogli lepiej zrozumieć wpływ na Ziemię i poza nią”.
Zaktualizowane symulacje sugerują „niszczące” konsekwencje
W ciągu dwóch miliardów lat krater Vredefort uległ erozji. Utrudnia to naukowcom bezpośrednie oszacowanie wielkości krateru w momencie pierwotnego uderzenia, a tym samym wielkości i prędkości impaktora, który utworzył krater.
Obiekt o rozmiarach 15 kilometrów i poruszający się z prędkością 15 kilometrów na sekundę wytworzyłby krater o średnicy około 172 kilometrów. Jest to jednak znacznie mniej niż obecne szacunki dla krateru Vredefort. Te obecne szacunki opierają się na nowych dowodach geologicznych i pomiarach szacujących, że pierwotna średnica struktury wynosiłaby od 250 do 280 kilometrów (około 155 do 174 mil) w czasie uderzenia.
Allen, Nakajima i ich koledzy przeprowadzili symulacje, aby dopasować zaktualizowany rozmiar krateru. Ich wyniki pokazały, że impaktor musiałby być znacznie większy – około 20 do 25 kilometrów – i poruszać się z prędkością 15 do 20 kilometrów na sekundę, aby wyjaśnić krater o rozmiarach 250 kilometrów.
Oznacza to, że impaktor, który utworzył krater Vredefort, byłby większy niż asteroida, która zabiła dinozaury 66 milionów lat temu, tworząc krater Chicxulub. Wpływ ten miał szkodliwe skutki na całym świecie, w tym ogrzewanie szklarni, rozległe pożary lasów, kwaśne deszcze i zniszczenie warstwy ozonowej, a także spowodował wyginięcie kredy i paleogenu, które zabiło dinozaury.
Jeśli krater Vredefort był jeszcze większy, a uderzenie bardziej energetyczne niż to, które utworzyło krater Chicxulub, uderzenie Vredefort mogło spowodować jeszcze bardziej katastrofalne globalne konsekwencje.
„W przeciwieństwie do uderzenia w Chicxulub, uderzenie w Vredefort nie pozostawiło śladów masowego wyginięcia lub pożarów lasów, biorąc pod uwagę, że istniały tylko jednokomórkowe formy życia, a dwa miliardy lat temu nie istniały żadne drzewa” – mówi Nakajima. „Jednak wpływ miałby potencjalnie większy wpływ na globalny klimat niż wpływ Chicxulub”.
Pył i aerozole z uderzenia Vredefort rozprzestrzeniłyby się po całej planecie i blokowały światło słoneczne, ochładzając powierzchnię Ziemi. „Mogło to mieć niszczący wpływ na organizmy fotosyntetyczne. Po opadnięciu pyłu i aerozoli – co mogło trwać od godzin do dziesięciu lat – gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek kardonu, które zostały wyemitowane w wyniku uderzenia, podniosłyby globalną temperaturę potencjalnie o kilka stopni przez długi czas”.
Wieloaspektowy model krateru Vredefort
Symulacje umożliwiły również naukowcom zbadanie materiału wyrzuconego przez uderzenie oraz odległości, jaką materiał przebył od krateru. Mogą wykorzystać te informacje do określenia położenia geograficznego mas lądowych miliardów lat temu. Na przykład wcześniejsze badania wykazały, że materiał z impaktora został wyrzucony do dzisiejszej Karelii w Rosji. Korzystając z ich modelu, Allen, Nakajima i ich koledzy odkryli, że dwa miliardy lat temu odległość masy lądowej zawierającej Karelię wynosiłaby zaledwie 2000 do 2500 kilometrów od krateru w Afryce Południowej – znacznie bliżej niż te dwa obszary. Dziś.
– Dawno temu niezwykle trudno jest ograniczyć położenie lądów – mówi Allen. „Obecnie najlepsze symulacje mają odwzorowanie około miliarda lat, a niepewność rośnie im dalej wstecz. Wyjaśnienie dowodów, takich jak mapowanie warstwy wyrzutów, może pozwolić naukowcom przetestować ich modele i pomóc w uzupełnieniu widoku w przeszłość”.
Badania licencjackie prowadzą do publikacji
Pomysł na ten artykuł powstał jako część finału kursu Planetary Interiors (obecnie zwanego Physics of Planetary Interiors), prowadzonego przez Nakajimę, który Allen wziął jako junior.
Allen mówi, że doświadczenie pracy licencjackiej zaowocowało recenzowanym artykułem w czasopiśmie, było bardzo satysfakcjonujące i pomogło jej w ubieganiu się o przyjęcie na studia magisterskie.
„Kiedy profesor Nakajima zwrócił się do mnie i zapytał, czy chciałbym współpracować, aby przekształcić to w dzieło nadające się do publikacji, było to naprawdę satysfakcjonujące i potwierdzające” – mówi Allen. „Sformułowałem swój własny pomysł badawczy i był on postrzegany jako na tyle przekonujący dla innego naukowca, że uważał, że warto go opublikować!”
Dodaje: „Ten projekt był daleko poza moją zwykłą strefą komfortu badawczego, ale pomyślałam, że będzie to wspaniałe doświadczenie edukacyjne i zmusi mnie do zastosowania moich umiejętności w nowy sposób. Dało mi to dużo pewności w moich zdolnościach badawczych jak przygotowywałem się do pójścia na studia podyplomowe”.