Причины крупнейших массовых вымираний

Геологические свидетельства показывают, что жизнь на Земле развивалась и адаптировалась к довольно медленно меняющимся условиям. Однако высококачественные геологические свидетельства, которые простираются вплоть до 500 млн. лет в прошлое показывают, что экспоненциальная диверсификация морской и континентальной жизни на Земле в тот период прерывалась многими вымираниями (e.g., Benton 1995; Erwin 1996, 1997; Raup and Sepkoski, 1986), крупнейшие из которых привели к гибели более 50% видов живых существ на суше и в море и случались в среднем раз в 100 млн.лет. 5 крупнейших событий включают в себя: в конце Ордовикового периода (435 млн. лет назад), позднее Девоновое (357 млн. дет назад), в конце Пермского периода (251 млн. лет назад), позднее Триасовое (198 млн. лет назад) и в конце Мелового периода (65 млн.лет назад). За исключением, вероятно, вымирания на границе Мелового и Третичного периодов, не очень хорошо известно, что именно вызвало другие массовые вымирания. Главные гипотезы такие:

Падение метеорита. Удар достаточно большого астероида или кометы может создать мега-цунами, глобальные лесные пожары и привести к подобию ядерной зимы за счёт пыли, которую он выбросит в атмосферу, причём эта зима будет достаточно суровой, чтобы привести к массовому вымиранию. Крупное столкновение с метеоритом (Alvarez et al., 1980) было призвано объяснить аномальное содержание иридия и массовое вымирание, которое уничтожило динозавров и 47% всех видов на Земле на Мел-Третичной границе 65 млн. лет назад. И действительно, 180-километровый кратер был обнаружен около Чиксулуба на Юкатане погребённым под 1 км отложений ценозоя и датирован 65 млн. лет назад; его, вероятно, произвело столкновение с 10-километровым астероидом или кометой. Однако убедительные доказательства такого столкновения имеются только для вымирания в конце Мела. Также сообщалось об обнаружении косвенных доказательств столкновений в отношении поздне Пермского, поздне Ордовикового, поздне Юрского и поздне Эоценового вымраний.

Вулканизм. Крупное излияние базальтов на плато Деккан произошло в Индии 65 млн.лет назад во время, когда окончательно вымерли динозавры. Пермь-триасовое вымирание (P/T), которое привело к гибели от 80% до 95% всех видов, является крупнейшим известным в истории жизни; оно произошло 251 млн. лет назад, что совпадает по времени с гигантскими сибирскими трапповыми излияниями. Извержение миллионов кубических километров лавы в течение короткого времени могло привести к отравлению атмосферы и океанов, достаточному для массового вымирания. Высказывались предположения, что колоссальные вулканические извержения были причиной позднемелового, позднепермского, позднетриасового и позднеюрского вымираний. (e.g., Courtillot, 1988; Courtillotetal., 1990; Officer and Page, 1996; Officer etal., 1987).

Резкие изменения климата. Быстрые изменения климата могли привести к такому удару по окружающей среде, что это приводило к вымиранию жизни, хотя геологические данные относительно недавних ледниковых периодов показывают, что они имели только очень небольшое влияние на биоразнообразие. Высказывались предположения, что следующие вымирания были связаны с этой причиной: в конце Ордовикового периода, в конце Пермского, и в конце Девонского.

Палеонтологи ожесточённо спорят о том, какая именно из приведённых выше причин был ответственна за крупнейшие массовые вымирания. Однако геологические свидетельства показывают, что различные комбинации таких событий, а именно, ударов больших метеоритов или комет, гигантских вулканических извержений, резких изменений климата и больших отступлений/подъёмов моря, имели место в районе моментов времени больших вымираний. Может ли быть общая причина у всех этих событий?

Орбиты комет показывают, что они принадлежат огромному сферическому облаку (облаку Оорта), которое окружает нашу планетную систему и имеет средний радиус 100 000 астрономических единиц. Статистика показывает, что оно может содержать целых 10¹² комет с полной массой, возможно, равной массе Юпитера. Большой радиус облака приводит к тому, что кометы имеют очень небольшую энергию связи и небольшие скорости (менее 100 м/сек). Относительно небольшие гравитационные возмущения от близлежащих звёзд, как считается, возмущают их орбиты, вырывая некоторые из системы и помещая другие на орбиты, которые пересекают внутренние области Солнечной системы. Прохождение Солнечной системы через спиральные рукава галактики, где плотность звёзд выше, может привести к таким пертурбациям, и следовательно, к бомбардировкам Земли валом комет в течение продолжительного периода времени, более длинного, чем время свободного падения. Некоторыми авторами утверждалось, что массовые вымирания коррелируют с временем прохождения Солнечной системы через галактические спиральные рукава. Однако эти заявления были поставлены под сомнения. Другие авторы предположили, что биоразнообразие и вымирания могут быть под влиянием неких циклических процессов. Raup and Sepkoski (1986) заявили об обнаружения цикла вымираний в 26-30 млн. лет. Хотя эти периоды не многим отличаются от периода в 31 млн. лет, когда Солнце пересекает галактическую плоскость, но нет корреляции между временем пересечений и ожидаемым временем вымираний. Недавно, Rohde and Muller (2005) предположили, что биоразнообразие имеет цикличность в 62 ±3 млн. лет. Однако минимум разнообразия имел место только однажды в течение всего цикла, когда Солнечная система была в точке наибольшего удаления от галактической плоскости в северном полушарии.

Могут ли галактические гамма-всплески приводить к массовым вымираниям, и могут ли они объяснить корреляцию между массовыми вымираниями, ударами метеоритов, вулканическими извержениями, изменениями климата и изменениями уровня моря, или они могут только объяснить те вымирания, когда не было ни вулканических извержений, ни столкновений?

Прохождение джета гамма-всплеска, сметающего межзвёздную материю на своём пути, через облако Оорта может также приводить к пертурбациям, направляя некоторые кометы в сторону Земли.

Удары таких комет и метеоритов могут вызвать большие вулканические извержения, возможно, за счёт фокусировки ударных волн на противоположной удару стороне Земли недалеко от поверхности приводить к наблюдаемым излияниям базальтов, которые датируются в районе 1-2 млн. лет от границ K/T и P/T. Глобальные климатические изменения, резкие похолодания, оледенения и изменения уровня моря могут быть связаны с резким увеличением притока космических лучей в атмосферу в результате выброса больших количеств блокирующих солнечных свет веществ в атмосферу из-за столкновений с кометами и вулканических извержений. Средняя частота гамма-всплесков составляет 1000 в год. Плотность на небе галактик ярче 25 (что составляет среднюю яркость галактик, в которых имеют место гамма-всплески с известным красным смещением) составляет в области глубокого наблюдения телескопа Хаббла примерно 2 x 10~⁵ на квадратный градус. Таким образом, частота наблюдаемых гамма-всплесков из галактик со светимостью, равной светимости Млечного пути, составляет примерно 1-2 x 10~⁷ в год. Чтобы перевести эти данные в частоту гамма-всплесков, происходящих в нашей галактике и направленных прямо на нас, и имевших место в недавнее время по космическим меркам, необходимо принять во внимание, что частота гамма-всплесков пропорциональна скорости формирования звёзд, которая возрастает с ростом красного смещения z как (1 + z)⁴ для z < 1 и является константой вплоть до z ~ 6.

Среднее красное смещение гамма-всплесков с известным красным смещением, которое было измерено аппаратом Swift, составляет 2.8, то есть большинство гамма-всплесков происходили с частотой в 16 раз большей, чем они происходят в современной вселенной. Вероятность того, что гамма-всплеск направлен на нас под определённым углом не зависит от расстояния. Таким образом, средняя частота гамма-всплесков, направленных на нас в нашей галактике равна примерно Jgrb/(1 + ^z)⁴ ~ 0-75 x 10~⁸ в год, или один раз в 130 млн. лет. Если большинство этих гамма-всплесков имеет место не намного дальше, чем на расстоянии до галактического центра, то их эффект является летальным, и их частота согласуется с частотой массовых вымираний на нашей планете за последние 500 млн. лет.