Огромное количество сажи, поднятой в воздух в результате глобальных лесных пожаров после массивного удара астероида 66 миллионов лет назад, погрузило бы Землю во тьму почти на два года, показывают новые исследования. Это привело бы к отключению фотосинтеза, резкому охлаждению планеты и способствовало бы массовому вымиранию, которое ознаменовало конец эпохи динозавров.
Эти новые подробности о том, как климат мог резко измениться после падения астероида диаметром 10 километров, будут опубликованы 21 августа в Proceedings of the National Academy of Sciences. В исследовании, проведенном Национальным центром атмосферных исследований (NCAR) при поддержке НАСА и Университета Колорадо в Боулдере, использовалась компьютерная модель мирового класса, чтобы нарисовать богатую картину того, как условия Земли могли выглядеть в конце мелового периода. Точка, информация, которую палеобиологи могут использовать, чтобы лучше понять, почему некоторые виды вымерли, особенно в океанах, а другие выжили.
Ученые подсчитали, что более трех четвертей всех видов на Земле, включая всех нептичьих динозавров, исчезли на границе мелового и палеогенового периодов, событие, известное как K-Pg вымирание. Доказательства показывают, что вымирание произошло в то же время, когда большой астероид упал на Землю на территории нынешнего полуострова Юкатан. Столкновение могло вызвать землетрясения, цунами и даже извержения вулканов.
Ученые также подсчитали, что сила удара должна была поднять испарившуюся породу высоко над поверхностью Земли, где она сконденсировалась в мелкие частицы, известные как шарики. Когда шарики упали обратно на Землю, они должны были быть нагреты трением до температур, достаточно высоких, чтобы вызвать глобальные пожары и поджарить поверхность Земли. Тонкий слой шариков можно найти по всему миру в геологической летописи.
"Вымирание многих крупных животных на суше могло быть вызвано немедленными последствиями удара, но животные, которые жили в океанах или те, которые могли закапываться под землю или временно скользить под водой, могли выжить", сказал ученый NCAR Чарльз Бардин, который руководил исследованием. «Наше исследование поднимает историю после первоначальных последствий - после землетрясений, цунами и пожаров. животных, которые остались."
Другими соавторами исследования являются Роландо Гарсия и Эндрю Конли, ученые NCAR, и Оуэн «Брайан» Тун, исследователь из Колорадского университета в Боулдере.
Мир без фотосинтеза
В прошлых исследованиях исследователи оценили количество сажи, которая могла образоваться в результате глобальных лесных пожаров, путем измерения отложений сажи, все еще сохранившихся в геологической летописи. Для нового исследования Бардин и его коллеги использовали модель системы Земли сообщества (CESM) на основе NCAR, чтобы смоделировать влияние сажи на глобальный климат в будущем. Они использовали самые последние оценки количества мелкодисперсной сажи, обнаруженной в слое породы, оставшейся после удара (15 000 миллионов тонн), а также большие и меньшие количества, чтобы количественно оценить чувствительность климата к более или менее обширным пожарам.
В симуляциях сажа, нагретая Солнцем, поднималась все выше и выше в атмосферу, в конечном итоге образуя глобальный барьер, который блокировал попадание подавляющего большинства солнечного света на поверхность Земли.«Сначала было темно, как в лунную ночь», - сказал Тун.
В то время как небо постепенно прояснялось, фотосинтез был бы невозможен более полутора лет, согласно моделированию. Поскольку многие растения на суше уже сгорели в огне, темнота, вероятно, оказала наибольшее влияние на фитопланктон, лежащий в основе пищевой цепи океана. Исчезновение этих крошечных организмов имело бы волновой эффект в океане, в конечном итоге уничтожив многие виды морских обитателей.
Исследовательская группа также обнаружила, что фотосинтез был бы временно заблокирован даже при гораздо более низком уровне сажи. Например, при моделировании, использующем всего 5 миллиардов тонн сажи (около трети наилучшей оценки по измерениям), фотосинтез все равно был бы невозможен в течение всего года.
В моделировании потеря солнечного света вызвала резкое снижение средней температуры на поверхности Земли: падение на 50 градусов по Фаренгейту (28 градусов по Цельсию) над сушей и на 20 градусов по Фаренгейту (11 градусов по Цельсию) над океанами..
В то время как поверхность Земли охлаждалась в сценариях исследования, атмосфера выше в стратосфере на самом деле стала намного теплее, поскольку сажа поглощала солнечный свет. Более высокие температуры вызвали разрушение озона и позволили сохранить большое количество водяного пара в верхних слоях атмосферы. Затем водяной пар вступал в химическую реакцию в стратосфере с образованием водородных соединений, что приводило к дальнейшему разрушению озона. В результате потеря озона позволила бы разрушительным дозам ультрафиолетового света достичь поверхности Земли после того, как сажа рассеялась.
Большой резервуар воды в верхних слоях атмосферы, образовавшийся при моделировании, также вызвал резкое удаление слоя сажи, блокирующей солнечный свет, после того, как он оставался в течение многих лет, что удивило исследовательскую группу. Когда сажа начала оседать из стратосферы, воздух стал остывать. Это охлаждение, в свою очередь, привело к тому, что водяной пар конденсировался в частицы льда, которые вымыли еще больше сажи из атмосферы. В результате этой обратной связи - охлаждение, вызывающее выпадение осадков, вызывающее дальнейшее охлаждение - истончение слоя сажи исчезло всего за несколько месяцев.
Вызов модели
Хотя ученые считают, что новое исследование дает надежную картину того, как большие выбросы сажи в атмосферу могут повлиять на климат, они также предупреждают, что исследование имеет ограничения.
Например, симуляции проводились в модели современной Земли, а не в модели, представляющей, как выглядела Земля в меловой период, когда континенты находились в немного разных местах. Атмосфера 66 миллионов лет назад также содержала несколько иные концентрации газов, в том числе более высокие уровни углекислого газа..
Кроме того, при моделировании не учитывались извержения вулканов или выбросы серы из земной коры в месте падения астероида, что могло бы привести к увеличению количества светоотражающих сульфатных аэрозолей в атмосфере.
Исследование также бросило вызов ограничениям атмосферного компонента компьютерной модели, известной как Климатическая модель сообщества всей атмосферы (WACCM).
«Столкновение с астероидом - это очень большое возмущение - не то, что вы обычно видите при моделировании будущих климатических сценариев», - сказал Бардин. «Поэтому модель не была предназначена для этого, и по ходу работы нам пришлось настраивать модель, чтобы она могла учитывать некоторые воздействия события, такие как нагревание стратосферы более чем на 200 градусов по Цельсию».
Эти усовершенствования WACCM могут быть полезны для других типов исследований, включая моделирование сценария «ядерной зимы». Как и глобальные лесные пожары миллионы лет назад, взрыв ядерного оружия также может привести к выбросу в атмосферу большого количества сажи, что может привести к временному глобальному похолоданию.
«Количество сажи, образовавшейся в результате ядерной войны, будет намного меньше, чем мы видели во время вымирания K-Pg», - сказал Бардин.«Но сажа по-прежнему будет изменять климат аналогичным образом, охлаждая поверхность и нагревая верхние слои атмосферы, что может иметь разрушительные последствия».