sobota, 18 czerwca 2011

Zagadka Ziemi-śnieżki

video


W dotychczasowych „Okruchach Wszechświata” pisało się o dużych obiektach, które zagrażały Ziemi i innym planetom: asteroidach, Planetach od A do X, kometach i pomniejszych obiektach przemierzających przestrzeń kosmiczną.

Tym razem chciałbym powiedzieć coś o dwóch epizodach w życiu naszej planety, które miały ważki wpływ na przebieg ewolucji życia na Ziemi i które mają związek z epizodami Wielkich Wymierań. A co najciekawsze, nie były one spowodowane przez impakty wielkich asteroidów czy innych meteoroidów, ale przez strumienie śmiercionośnego, wysokoenergetycznego promieniowania atomowego – promieniowania gamma – γ, które co najmniej dwa razy w historii spustoszyło naszą planetę (i inne być może też!!!) ogałacając ją z wszelkich form życia bytujących na lądach i w płytkich strefach Wszechoceanu Ziemi.

Supernowe i Hipernowe 

Zaczniemy od teorii rozbłysków γ, które od czasu do czasu są obserwowane przez astronomów – a dokładniej przez ich przyrządy naziemne i kosmiczne. Najgroźniejsze z nich są emitowane przez wybuchy gwiazd Supernowych i Hipernowych.

Gwiazdami Supernowymi stają się wszystkie gwiazdy, których masa przekracza magiczną granicę 1,4 masy Słońca zwaną granicą Chandasekhara. Jak wiemy, gwiazdy istnieją dzięki dwóm ścierającym się siłom: sile grawitacji utrzymującą ją w jednym miejscu, i sile promieniowania dążącej do jej rozerwania.  Istnieją dwie możliwe drogi prowadzące do takiego wybuchu: w jądrze masywnej gwiazdy przestały zachodzić reakcje termojądrowe i pozbawiona ciśnienia promieniowania zaczyna zapadać się pod własnym ciężarem, lub też – w przypadku takiej gwiazdy w układzie podwójnym lub wielokrotnym – biały karzeł tak długo pobierał masę z sąsiedniej gwiazdy, aż przekroczył masę Chandrasekhara, co spowodowało eksplozję termojądrową. W obydwu przypadkach, następująca eksplozja supernowej z ogromną siłą wyrzuca w przestrzeń większość lub całą materię gwiazdy. Utworzona w ten sposób mgławica jest bardzo nietrwała i ulega całkowitemu zniszczeniu już po okresie kilkudziesięciu tysięcy lat, znikając zupełnie bez śladu. Z tego powodu w naszej Galaktyce znamy obecnie zaledwie 265 pozostałości po supernowych, choć szacunkowa liczba tego rodzaju wybuchów w ciągu ostatnich kilku miliardów lat jest rzędu wielu milionów. Najsłynniejszymi Supernowymi są wg. Wikipedii:

Rok 1006 - SN 1006 - niezwykle jasna supernowa w Wilku; obserwowana w Egipcie, Iraku, Włoszech, Szwajcarii, Chinach, Japonii oraz prawdopodobnie Francji i Syrii. Osiągnęła prawdopodobnie jasność ok. -7,5 m, dzięki czemu mogła być widoczna nawet w dzień.
Rok 1054 - SN 1054 - supernowa o jasności ok. -4 m; jej pozostałością jest słynna Mgławica Krab w Byku. Obserwowana w Chinach i Ameryce Północnej. Istnieją przesłanki, że obserwowana była także przez astronomów arabskich. Zaobserwowana 4 lipca.
Rok 1181 - SN 1181 - odnotowana przez chińskich i japońskich astronomów supernowa w Kasjopei. Jej pozostałością jest prawdopodobnie pulsar 3C 58
Rok 1572 - SN 1572, "gwiazda Tychona" - supernowa w Kasjopei, obserwowana przez Tychona Brahe, który w książce "De Nova Stella" po raz pierwszy użył określenia "nova". Zaobserwowana 6 listopada.
Rok 1604 - SN 1604, "gwiazda Keplera" - supernowa w Wężowniku, obserwowana przez Johannesa Keplera; ostatnia jak dotychczas supernowa w Drodze Mlecznej. Posłużyła Galileuszowi jako dowód przeciwko panującemu ówcześnie przekonaniu, że niebo nigdy się nie zmienia. Zaobserwowana 9 października.
Rok 1885 - S Andromedae w Galaktyce Andromedy, odkryta przez Ernsta Hartwiga
Rok 1987 - SN 1987A w Wielkim Obłoku Magellana, obserwowana już w kilka godzin po rozbłysku; była pierwszą okazją do obserwacyjnego zweryfikowania współczesnych teorii pochodzenia supernowych
Rok 2005 - SN 2005ap - najsilniejsza dotychczas zaobserwowana eksplozja.

Ta ostatnie – jak się wydaje – jest czymś, co astronomowie nazwali gwiazdą Hipernową. Czym jest Hipernowa? - Hipernowa (kolapsar) – to hipotetyczny rodzaj wysokoenergetycznej Supernowej powstający, gdy wyjątkowo masywna gwiazda zapada się na skutek ustania w niej reakcji termojądrowych.

Początkowo nazwa ta odnosiła się do eksplozji o energii przekraczającej stukrotnie jasność zwykłej Supernowej (czyli powyżej 10^46 J). Później terminem tym zaczęto wyróżniać wybuchy gwiazd najbardziej masywnych, o masach kilkadziesiąt razy przekraczających masę Słońca. Dokładna wartość wyjściowej masy gwiazdy przed kolapsem (na ciągu głównym), potrzebna do tego, aby jej wybuch spowodował hipernową, nie jest znana, zaś astrofizycy szacują ją na co najmniej kilkadziesiąt mas Słońca, w oparciu o teoretyczne modele budowy i ewolucji gwiazd. Podczas wybuchu hipernowej jądro gwiazdy zapada się bezpośrednio do stadium czarnej dziury. Jeśli gwiazda ta szybko rotuje, to z okolic jej biegunów, wzdłuż osi rotacji, wyrzucane są dwa wysokoenergetyczne strumienie plazmy, poruszające się z prędkością bliską prędkości światła w postaci dżetów. Strumienie te emitują intensywne promieniowanie gamma i są jednym z możliwych źródeł potężnych błysków gamma.

Ponieważ gwiazdy dostatecznie duże, by zapaść się bezpośrednio do czarnej dziury, występują dość rzadko, również eksplozje Hipernowych powinny być niezwykle rzadkim zjawiskiem. Część naukowców zaproponowała oddalonego o ponad 7,5 tysięcy lat świetlnych olbrzyma Eta-Carinae (η Car) jako kandydata na Hipernową w naszej Galaktyce w ciągu najbliższego miliona lat. (Wikipedia)

Wszystkie tu wymienione gwiazdy w czasie swego wybuchu emitują z rejonów swych biegunów tzw. dżety materii i bardzo silnego promieniowania γ. Są one bardzo wąskie i ich stopień rozpraszania jest bardzo mały. W przypadku trafienia w pokrytą życiem planetę wyjaławiają jej powierzchnię zabijając żywe organizmy co do nogi.

Tak było na Ziemi

Zapis kopalny wskazuje na to, że przynajmniej raz Ziemia znalazła się w strumieniu takiego silnego promieniowania γ. Uderzenie promieniowania spowodowało Wielkie Wymieranie na przełomie okresów Ordowiku i Syluru. Doprowadziło to do wymarcia 85% - czyli 100 rodzin – gatunków istot żywych zamieszkujących Wszechocean naszej planety: ramienionogi, mszywioły, trylobity, graptolity i konodonty.

Przyjmuje się, że bezpośrednią przyczyną było zlodowacenie superkontynentu Gondwany i takońska faza górotwórcza. Jednakże wygląda na to, że pierwszą przyczyną tego Epizodu Wielkiego Wymierania było właśnie uderzenie Ziemi przez strumień promieniowania gamma, które najpierw wysterylizowało jej kontynenty z pierwocin życia, które dopiero zaczęło wychodzić na ich brzegi, a także płytkie morza i szelf kontynentalny. Ostały się tylko te organizmy, które zamieszkiwały eufotyczna strefę Wszechoceanu – gdzie nie dosięgły ich mordercze promienie.

Ale to był zaledwie początek – nawała promienista doprowadziła do powstania w ziemskiej atmosferze ogromna ilość tlenków azotu, które spowodowały zwielokrotniony efekt cieplarniany, po którym nastąpiło zlodowacenie. Życie przetrwało, ale tylko w głębinach oceanicznych. A wszystko to działo się 438 mln lat (MA) temu.

Oczywiście życie ma to do siebie, że szybko odrabia poniesione straty i po tym Epizodzie miała miejsce eksplozja gatunków, które w Sylurze definitywnie opanowuje lądy. Są to początkowo sinice i grzyby, które jeszcze bardziej wzbogacają atmosferę w tlen niezbędny do życia. Występuje także burzliwy rozwój fauny morskiej. Jak widać – ten Epizod mimo początkowej hekatomby przyczynił się do rozwoju życia na Ziemi. Ewolucja rozkręciła się na szczątkach poprzedniego życia.

Ale przedtem był jeszcze jeden dziwny okres w dziejach młodej Ziemi, w którym to…

…Ziemia zamieniła się w kulę śnieżną…

W Dolnym Proterozoiku miało miejsce pierwsze w dziejach ziemi zlodowacenie; w ciągu całej ery miało miejsce ich kilka, a największe z nich w Kriogenie (Ziemia-śnieżka) – istnieje hipoteza, że cała planeta pokryta była lodowcem, nie zamrożone były jedynie głębie oceaniczne (podgrzewane ciepłem Ziemi).  Musimy się cofnąć w czasie aż o 850 MA.

Naukowcy powszechnie zgadzają się, że ważnym czynnikiem określającym temperaturę na Ziemi jest ilość dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze. Wzrost poziomu CO2 powoduje wzrost średnich temperatur na całej planecie. Zjawisko to nosi nazwę efektu cieplarnianego (który może, ale nie musi być zależny od wpływu człowieka). Jednak co się stanie, kiedy cieplarnianych gazów zacznie ubywać? W takiej sytuacji cała planeta może się znacznie oziębić. Być może erozja krzemianów może doprowadzić do szybszego niż zwykle wiązania dwutlenku węgla w glebie. Dodatkowo 750 mln lat temu na Ziemi istniały już zdolne do fotosyntezy bakterie. One również są w stanie wiązać CO2, produkując związki organiczne. Nagły wzrost aktywności takich organizmów oraz pochłaniania gazów cieplarnianych przez glebę mógł spowodować tak silny spadek sprawności efektu cieplarnianego, że średnie temperatury na całej planecie znacznie się obniżyły. Powstający lód spowodował jeszcze większe obniżenie temperatury (albedo Ziemi wynosiło prawie 1) i w końcu cała Ziemia zamarzła. Podczas gdy w czasie ostatnich epok lodowych temperatura obniżała się o ok. 3 – 12 °C, to po zamarznięciu całej planety jej średnia temperatura mogła wynosić nawet –50 °C. Tak podaje Wikipedia.

Niby wszystko jest w porządku, ale… No właśnie. Jak dotąd nie mówi się niczego o przyczynie tego zlodowacenia. Ubywanie CO2 z atmosfery mogło mieć swój wpływ. Tym niemniej nie wyobrażam sobie, by tylko CO2 był absorbowany przez sinice i zielenica oraz krzemiany w takiej ilości, że spowodowałoby to efekt zamrażarki. Poza tym lwią część CO2 dają ziemskiej atmosferze wulkany, a w Kriogenie musiało być ich o wiele więcej, niż obecnie. Przyczyna? – bardzo prosta – Ziemia miała wtedy o wiele cieńszą skorupę. Strumień ciepła dopływający z jej wnętrza musiał być o wiele silniejszy od dzisiejszego. Strumień ten opisuje tzw. stopień geotermiczny – przeciętnie wynosi on 33 m/°C (w Polsce 47,2 m/°C) co wynosi mniej więcej 60 mW/m². Uczeni szacują, że spadek temperatury Ziemi w ciągu 1 GA (miliarda lat) wynosił zaledwie 130 K, a zatem nie miał on żadnego znaczenia.

Owszem, dla Ziemi jako całości, z jej ognistopłynnym jądrem o temperaturze 5000 – 6000 K to tak, ale czy dla jej powierzchni? – chyba nie. Gdyby tak było, to nie  mogłoby się pojawić ani jedno zlodowacenie, a tymczasem w historii naszej planety było ich kilka...

A zatem co się stało w Kriogenie?

Mikrofalówka i zamrażarka

Jestem przekonany, że podobnie jak w przypadku Epizodu Wielkiego Wymierania dinozaurów na granicy Kredy i Paleogenu, czyli K/Pg – co miało miejsce 64.800.031 lat temu – asteroid Chicxulub i towarzyszące pomniejsze meteoroidy zadały coup de gràce i tak ginącemu światu dinozaurów, tak w Kriogenie taka przyczyną zlodowacenia Ziemi mogło być uderzenie w naszą planetę całego dżetu powstałego po wybuchu Hipernowej.

Podobnie jak w Epizodzie z granicy O/S doprowadziło to najpierw do podgrzania całej atmosfery, likwidacji warstwy ozonowej i zatruciu jej tlenkami azotu. W dalszym ciągu nastąpiły opady kwaśnych deszczów zatruwających wody Wszechoceanu i śmierć żyjących w nich organizmów. Przetrwały tylko organizmy głębinowe…

W Kriogenie były już organizmy morskie, a w ogóle z Proterozoiku z pochodzą najstarsze znaleziska kopalne zwierząt - prymitywnych tkankowców (fauna ediakarańska). Pod koniec tego okresu pojawiają się jamochłony, gąbki, pierścienice, stawonogi. Życie ograniczone jest wyłącznie do morza. Środowiska ekstremalne powszechnie zasiedlają archeowce i bakterie. Pytanie, które stawiam brzmi – czy na pewno?

Życie I Generacji

Do czego zmierzam – otóż do tego, że przez Ziemią-śnieżką naszą planetę mogły zamieszkiwać istoty wyżej rozwinięte, niż tylko bakteria i prymitywne rośliny i zwierzęta morskie. A co za tym idzie – życie, które my znamy i którego częścią jesteśmy my sami mogłoby być życiem II Generacji. Generacji zrodzonej po katastrofie w Kriogenie.

Oczywiście na to trzeba dowodów. Zastanówmy się – tragedia sprzed 850 MA pozostawiła zaledwie nikłe ślady widoczne do dziś dnia, a przecież była kataklizmem w skali planetarnej, jakiej jeszcze świat nie widział. Niewielu ludzi zdaje sobie sprawę z przepaści Czasu o jakich mówimy!

Współcześnie uczeni twierdzą, że życie zaczęło swój bieg ku wyżej zorganizowanym formom już w Archaiku – czyli po utworzeniu się stałej skorupy Ziemi i Wszechoceanu, w którym bytowały pierwotne bakterie i sinice. A to było 2,5 GA temu!

Życie jakie znamy datuje się właściwie właśnie od ediakariańskiej eksplozji życia po zlodowaceniach Kriogenu. Pytanie zatem brzmi: co się działo pomiędzy 2,5 GA a 850 MA temu? Pytanie jest o tyle ważkie, że jest to odcinek czasu równy aż 1.65 GA – czyli miliard, sześćset pięćdziesiąt milionów lat, a zatem niemal dwukrotnie dłuższy niż odcinek czasu, w którym powstało i rozwinęło się życie w postaci, jaką znamy!

Czy było tak, jak opisuje Robin Cook w swym „Uprowadzeniu” (Warszawa 2005), w którym ludzie spotykają się z istotami powstałymi w czasie istnienia życia I Generacji. Czy byłoby to możliwe? Owszem – być może istniało nawet kilka generacji takiego życia, albo – co jest jeszcze ciekawsze – na Ziemi współżyje z nami równolegle rasa istot rozumnych powstałego jeszcze przed Kriogenem… Istotom tym w przetrwaniu tego kataklizmu (i innych też) pomogła technika i kto wie, czy wszystkie dziwne incydenty i zjawiska nie mają związku z Ich obecnością na Ziemi?

Czy można znaleźć ślady życia I Generacji w zapisie kopalnym? Myślę, że tak, ale będzie to niesłychanie trudne. Jeżeli już gdzieś one mogłyby się zachować, to tylko i wyłącznie na obszarach najstarszych kratonów – a dokładniej tarcz i platform kontynentalnych, bowiem tam występują najstarsze skały osadowe na Ziemi.

Jaka jest nasza przyszłość?

Najgorszy scenariusz przewiduje niespodziewane uderzenie promieniowania γ po wybuchu gwiazdy Supernowej czy Hipernowej w odległości do 8000 lat świetlnych od Układu Słonecznego. Niespodziewane dlatego, że lecące z prędkością światła promienie γ są dla nas niewidzialne dotąd, dopóki nie uderzą w naszą atmosferę. Zastanawiające jest to, że taki dżet mógł trafić także w Marsa – zdzierając z niego atmosferę i wyżarzając na kość oraz Wenus, powodując na niej mega-efekt cieplarniany, który trwa tam do dziś dnia. Pozostałe planety przetrwały bez zmian dzięki ich potężnym polom grawitacyjnym, które utrzymały wyziębione atmosfery.

Tak samo nie będziemy w stanie zobaczyć wybuchającej gwiazdy, która je wyemituje. W bezpośrednim sąsiedztwie Słońca nie ma takich groźnych gwiazd, ale grozi nam przekształcenie się Betelgeuse (Alfa-Orionis, α Ori), która jest czerwonym olbrzymem w gwiazdę  Supernową. Betelgeuse jest odległa tylko o ok. 500 ly… Drugą zagrażającą wybuchem jest gwiazda WR-104 w Strzelcu, która jest odległa o 8000 ly.  Prognozy australijskich astronomów wskazują na to, że może dojść do wybuchu Betelgeuse na przełomie lat 2011/1012, o czym pisałem już w artykule „Nad Ziemią zajaśnieją dwa słońca?”.


Jakie mogą być skutki tego wydarzenia? Jeżeli biegun Betelgeuse nie będzie wycelowany w Ziemię – przeżyjemy. Jeżeli tak… - podzielimy los istot należących do życia I Generacji, albo ordowickich wielkoraków i innych belemnitów… Życie przetrwa, ale tylko i wyłącznie w postaci istot żyjących w pobliżach dennych źródeł hydrotermalnych w strefie abysalnej Wszechoceanu. I odrodzi się na nowo jako życie kolejnej – już III Generacji.

Na jak długo?...

Jordanów, 2011-05-21