VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Импактные события в жизни Земли
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Целью данного проекта является изучение импактных событий. При подготовке проекта был проведён анализ формирования ударных кратеров, и какие полезные ископаемые при этом образуются. Также в процессе изучения данной темы были проведены эксперименты в домашних условиях.
Объектом исследования проекта являются импактные события, т.е. столкновения крупного метеорита или иного небесного тела с Землёй или другой планетой. Данная тема представляет интерес, так как космические тела, попадающие к нам на Землю, позволяют узнать что-то новое о “мире космоса”. Кроме этого, мы можем получить такие полезные ископаемые, которых в природе не существует и которые могут появиться только при одновременно сильном и высокотемпературном ударе.
Актуальность выбранной темы в том, что ежегодно на Землю падает не менее 1000 метеоритов. Степень опасности от околоземных объектов различна и зависит от их размеров, минимальных расстояний сближения с Землёй и вероятности столкновения с ней. Результатом эксперимента стали образованные кратеры на разных поверхностях (песок, земля, вода). От удара на поверхности образовывались воронки, брызги и, конечно, волны, которые в реальной ситуации достигают огромных размеров.
Данная тема интересна тем, что, изучая прилетающие космические объекты и их следы на поверхности Земли, можно узнать много нового об окружающей нашу Землю среде.
Вступление
Д анная тема мне очень интересна, так как космические тела, прилетающие к нам на планету из космоса, позволяют нам узнать что-то новое об окружающем Землю “другом” мире, то, что обычный человек, возможно, никогда не сможет увидеть своими глазами. При изучении обломков космических тел мы можем узнать о других планетах и сделать выводы о наличии жизни на них. Кроме этого эти объекты помогают нам получать новые полезные ископаемые, которые в обычных условиях никак не зарождаются, так как невозможно повторить подобный температурный и силовой удар. Изучение импактных событий и сопоставление результатов этих исследований с планетологическими данными позволяют лучше понять историю нашей планеты.
Импактное событие (англ. impact — «удар, столкновение») — столкновение крупного метеорита, астероида, кометы или иного небесного тела с Землёй или другой планетой. На месте такого столкновения, как правило, образуется кратер. В 1960 году американский геолог Р. Дитц предложил называть крупные ударные кратеры на поверхности Земли (более 2 км в диаметре) астроблемами (от др. греч. αστρον — «звезда» и греч. βλημα — «рана», то есть «звёздная рана»). Точность и образность этого термина обеспечили ему мгновенное и повсеместное признание.
Основной задачей моего исследования является изучение астроблем и их влияние на нашу планету, что является актуальным в любое время. Учёные, анализируя влияние и последствия импактных событий, могут разобраться в глобальных изменениях на Земле, таких как вымирание динозавров, изменение климата, преобразования рельефа. Кроме этого, можно получить полезные ископаемые с необыкновенными свойствами, которые могли образоваться только после вмешательства “внешних сил”.
Целью проектной работы является:
анализ обломков космических тел;
изучение этапов формирования ударных кратеров на основе проведённого эксперимента;
изучение полезных ископаемых, образующихся при импактном событии.
История изучения
О дним из первых учёных, связавших кратер с падением метеорита, был Дэниел Бэрринджер (1860—1929). Он изучал ударный кратер в Аризоне, ныне носящий его имя.
Дэниел Бэрринджер
Аризонский кратер Берринжера
Однако в то время эти идеи не получили широкого признания, как и тот факт, что Земля подвергается постоянной метеоритной бомбардировке.
В 1920-е годы американский геолог Уолтер Бачер, исследовавший ряд кратеров на территории США, высказал мысль, что они вызваны некими взрывными событиями в рамках его теории «пульсации Земли».
В 1936 году геологи Джон Бун и Клод Албриттон продолжили исследования Бачера и пришли к выводу, что кратеры имеют импактную природу.
Теория ударного происхождения кратеров оставалась не более чем гипотезой вплоть до 1960-х. К этому времени, ряд учёных, в первую очередь известный а мериканский учёный геолог, планетолог Юджин Шумейкер*, провели детальные исследования, полностью подтвердившие импактную теорию. В частности, были обнаружены следы веществ, называемых импактитами (например, ударно-преобразованный кварц), к
Юджин Шумейкер
оторые могли образоваться только в специфических условиях импакта.
Ш умейкер считается основателем нового направления — астрогеологии и прославился на весь мир как один из первооткрывателей кометы Шумейкера-Леви 9, которая врезалась в Юпитер. Шумейкер - первый человек, чьи останки были п
Место падения аппарата "Лунар Проспектор"
охоронены на Луне. Его прах отправили на борту аппарата Lunar Prospector (c англ. “Лунный Геолог”) - американская автоматическая межпланетная станция для исследования Луны, созданная в рамках программы НАСА «Discovery». Станция была запущена 7 января 1998 года и завершила работу 31 июля 1999 года.
Кратер на южном полюсе спутника, куда упал аппарат, получил название «кратер Шумейкер».
*
Южное полушарие Юпитера с множественными пятнами — следами столкновений
Юджин Шумейкер - Eugene Merle Shoemaker; 28 апреля 1928, Лос-Анджелес, Калифорния - 18 июля 1997, Алис-Спрингс, Австралия
Последствия падения космических тел
В результате накопленного к тому времени опыта, исследователи стали целенаправленно искать импактиты, чтобы идентифицировать древние ударные кратеры. К 1970-м годам было найдено около 50-ти импактных структур. На территории России первой найденной астроблемой стал Пучеж-Катунский кратер 80-километрового диаметра, локализованный в 1965 году в 80 км севернее Нижнего Новгорода.
Морфология истинного дна Пучеж-Катунского кратера
Космические исследования показали, что ударные кратеры — самая распространённая геологическая структура в Солнечной системе. Это подтвердило тот факт, что Земля подвергается постоянной метеоритной бомбардировке.
При столкновении Земли с астероидом диаметром в несколько километров выделяется такая же энергия, как и при взрыве нескольких миллионов атомных бомб. Несмотря на то, что Земля значительно больше всех известных астероидов и комет, столкновение с телом размером более 3 км может привести к уничтожению цивилизации.
Основные поражающие факторы падающих небесных тел:
- ударная волна в атмосфере при взрыве объекта на небольшой высоте, аналогичная ударной волне при ядерном взрыве.
- цунами, если метеорит упадёт в океан.
- ударная волна в земной коре — при падении астероида достаточно крупного размера, атмосфера не сможет погасить его огромную скорость, такой удар вызовет земл етрясение невиданной силы.
- резкое похолодание. Падение крупного тела вызовет выброс в атмосферу кубокилометров породы, которая поднимется в стратосферу и задержит попадание энергии Солнца на Землю. После падения начнутся пожары, которые усугубят ситуацию. Последствия аналогичны вулканической зиме, примером которой может служить извержение вулкана Тамбора в 1815 году.
V. Актуальность темы и современные примеры
Ежегодно на Землю выпадает не менее 1000 метеоритов. Степень опасности от околоземных объектов различна и оценивается по некоторым методикам в зависимости от их размеров, минимальных расстояний сближения с Землёй и вероятности столкновения с ней.
Крупные космические объекты, диаметр которых составляет более километра, грозят человечеству явной глобальной катастрофой в случае столкновения с Землей.
Судя по геологическим данным (разведано несколько сотен ударных кратеров), столкновения с крупными небесными телами в истории нашей планеты случалось неоднократно. Сравнительно меньшие объекты также представляют серьёзную угрозу Земле, поскольку их взрывы вблизи населённых пунктов в результате ударной волны и нагрева могут привести к значительным разрушениям, соизмеримым с поражением от атомного взрыва. Только по случайности падение в ненаселённый район Тунгусского метеороида 1908 года не вызвало таких последствий.
Вид из Екатеринбурга, примерно 200 км от эпицентра взрыва
15 февраля 2013 году близ Челябинска упал достаточно обычный метеорит.
До падения масса челябинского аэролита равнялась от 7 до 13 тысяч тонн, а его параметры достигали предположительно 19.8 м. Проведя анализ, учёные выяснили, что на поверхность Земли всего свалилось порядка 0.05% от начальной массы, это 4-6 тонн. В настоящее время собрано из данного количества чуть более одной тонны, учитывая и один из крупных осколков аэролита массой в 654 кг, поднятого со дна Чебаркульского озера.
Показания инфразвуковых станций свидетельствуют, что в минуту сильного торможения челябинского аэролита, когда до Земли оставалось примерно 90 км, произошёл мощнейший взрыв силой равный тротиловому эквиваленту 470-570 килотонн, что сильнее в 20-30 раз атомного взрыва в Хиросиме, однако по взрывной мощи он уступает падению Тунгусского метеорита больше, чем в 10 раз.
Падение челябинского метеорита сразу стало сенсацией. В современной истории этот космический объект является первым упавшим метеоритом в столь плотно населённый район, вследствие чего, повлекший за собой значительный ущерб. Так при взрыве метеорита были выбиты стёкла более 7 тысяч домов, более полутора тысяч человек обратились за медицинской помощью, из них 112 госпитализированы.
Помимо значительного урона, падение метеорита также принесло и положительные результаты. На сегодня это событие лучше всего задокументировано. К тому же одна видеокамера запечатлела фазу падения в Чебаркульское озеро одного из больших осколков астероида.
У чёные достаточно быстро выяснили место появления метеорита. Он появился из основного пояса астероидов нашей Солнечной системы, зоны посреди орбит Юпитера и Марса, где пролегают пути большинства малых тел. По упавшим на поверхность Земли осколкам челябинского метеорита учёные «определили» его жизненную историю. Оказывается, челябинский метеорит является сверстником нашей Солнечной системы. При исследовании пропорций изотопов урана и свинца выяснилось, что ему приблизительно 4.45 миллиарда лет.
С начала 1990-х годов проблеме импактных событий уделяют все большее внимание в различных странах мира, проводятся специальные научно-технические конференции. Принят ряд постановлений и резолюций по данной проблеме, важнейшей из которых является Резолюция 1080 «Об обнаружении астероидов и комет, потенциально опасных для человечества», принятая в 1996 году в Совете Европы.
Т ак как плотность населения Земли и количество создаваемых людьми потенциально опасных объектов (атомные электростанции, химические комбинаты) растут, то риск катастрофических последствий от падения даже небольших небесных тел будет только возрастать.
Возникновение кратера
Кратер Тихо на Луне (фото НАСА)
Импактные события преобразуют горные породы в процессе, называемом импактным, или ударным метаморфизмом. Ударный кратер — углубление, появившееся на поверхности космического тела в результате падения другого тела, меньшего размера. Особенности строения кратеров определяются рядом факторов, среди которых основными являются энергия соударения (зависящая, в свою очередь, от массы и скорости космического тела, плотности атмосферы), угол встречи с поверхностью и твёрдость веществ, образующих метеорит и поверхность. Метеориты массой свыше 1000 тонн практически не задерживаются земной атмосферой; метеориты меньшей массы могут существенно тормозиться и даже полностью испаряться, не достигая поверхности. Средняя скорость, с которой метеориты врезаются в поверхность Земли, составляет от 20 км/с до 70 км/с. Их кинетическая энергия превышает энергию, выделяющуюся при детонации обычной взрывчатки той же массы. Энергия, выделяющаяся при падении метеорита массой свыше 1 тыс. тонн, сравнима с энергией ядерного взрыва. Метеориты такой массы падают на Землю довольно редко.
При встрече метеорита с твёрдой поверхностью его движение резко замедляется, а вот породы мишени (места, куда он упал), наоборот, начинают ускоренное движение под воздействием ударной волны. Она расходится во все стороны от точки соприкосновения: охватывает полусферическую область под поверхностью планеты, а также движется в обратную сторону по самому метеориту (ударнику). Достигнув его тыльной поверхности, волна отражается и бежит обратно. Растяжения и сжатия при таком двойном пробеге обычно полностью разрушают метеорит. Ударная волна создает колоссальное давление — свыше 5 миллионов атмосфер. Под её воздействием горные породы мишени и ударника сильно сжимаются, что приводит к взрывному росту температуры и давления, в результате чего в окрестностях соударения горные породы нагреваются и частично плавятся, а в самом центре, где температура достигает 15 000°C, — даже испаряются. В этот расплав попадают и твердые обломки метеорита. В результате после остывания и затвердевания на днище кратера образуется слой импактита горной породы с весьма необычными геохимическими свойствами. В частности, она весьма сильно обогащена крайне редкими на Земле, но более характерными для метеоритов химическими элементами — иридием, осмием, платиной, палладием. Это элементы, относящиеся к группе железа (греч. σίδηρος).
На дне кратера возникает круглая впадина с довольно крутыми бортами, но существует она какие-то доли секунды — затем борта немедленно начинают обрушиваться и оползать. Сверху на эту массу грунта выпадает и каменный град из вещества, выброшенного вертикально вверх и теперь возвращающегося на место, но уже в раздробленном виде. Так на дне кратера образуется брекчия — слой обломков горных пород, сцементированных тем же материалом, но измельчённым до песчинок и пылинок. Столкновение, сжатие пород и проход взрывной волны длятся десятые доли секунды. Формирование выемки кратера занимает на порядок больше времени. А ещё через несколько минут ударный расплав, скрытый под слоем брекчии, остывает и начинает быстро затвердевать. На этом формирование кратера заканчивается.
При сильных столкновениях твёрдые породы ведут себя подобно жидкости. В них возникают сложные волновые гидродинамические процессы, один из характерных следов которых — центральные горки в крупных кратерах. Процесс их образования подобен появлению капли отдачи при падении в воду небольшого предмета. При крупных столкновениях сила взрыва столь велика, что выброшенный из кратера материал может даже улететь в космос. Именно так на Землю попали метеориты с Луны и с Марса, десятки которых обнаружены за последние годы.
При мгновенном испарении части вещества происходит образование плазмы, что приводит к взрыву, при котором породы мишени разлетаются во все стороны, а дно вдавливается.
При касательном ударе возникают бороздообразные кратеры небольшой глубины со слабым разрушением подстилающих пород, такие кратеры достаточно быстро разрушаются вследствие эрозии. Примером может служить кратерное поле Рио Кварта в Аргентине, возраст которого составляет около 10 тысяч лет.
При направлении столкновения, близком к вертикальному, возникают округлые кратеры, морфология которых зависит от их диаметра. Небольшие кратеры (диаметром 3—4 км) имеют простую чашеобразную форму, их воронка окружена валом, образованным задранными пластами подстилающих пород (цокольный вал), перекрытый выброшенными из кратера обломками (насыпной вал, аллогенная брекчия).
При больших диаметрах возникает центральная горка над точкой удара (в месте максимального сжатия пород). При ещё бо́льших диаметрах кратера (более 14—15 км) образуются кольцевые поднятия. Эти структуры связаны с волновыми эффектами (подобно капле, падающей на поверхность воды). С ростом диаметра кратеры быстро уплощаются.
Размер кратера может зависеть от мягкости поверхностных пород (чем мягче, тем, как правило, меньше кратер).
У старых астроблем видимая структура кратера (горка и вал) зачастую разрушена эрозией и погребена под наносным материалом, однако по изменениям свойств подстилающих и перенесённых горных пород такие структуры достаточно чётко определяются сейсмическими и магнитными методами.
Примеры ударных кратеров
Чиксулуб, Мексика, Юкатан, диаметр 170 км, возраст 65 млн. лет.
Чиксулу́б (на языке майя: Чикшулу́б — «демон клещей», название указывает на издревле высокую распространенность паразитиформных клещей в этой местности) — древний ударный кратер диаметром около 180 км и изначальной глубиной до 17-20 км, находящийся на полуострове Юкатан, и входящий в список крупнейш их кратеров на Земле. Предполагается, что кратер образовался около 65 млн. лет и вызвал цунами высотой 50—100 метров, ушедшие далеко вглубь материков. Кроме того, по поверхности Земли прошла ударная волна от взрыва высокой температуры, вызвавшая лесные пожары по всему миру, в результате которых произошёл выброс большого количества сажи и угарного газа в атмосферу. Поднятые частицы пыли и сажи вызвали изменения климата, подобные ядерной зиме, так что поверхность Земли несколько лет была закрыта от прямых солнечных лучей пылевым облаком. В результате нехватки света у растений замедлился фотосинтез, что могло привести к уменьшению концентрации кислорода в атмосфере (на время, пока Земля была закрыта от поступления солнечного света).
Кроме того, падение метеорита, как предполагается, вызвало мощную сейсмическую волну, несколько раз обогнувшую земной шар и вызвавшую излияния лавы в противоположной точке поверхности Земли. Физик Луис Альварес и его сын геолог Уолтер Альварес предположили в своей теории, что именно это событие вызвало гибель динозавров. Одним из главных свидетельств метеоритной гипотезы является тонкий слой глины, повсеместно соответствующий границе геологических периодов. В конце 1970-х Альваресы и коллеги опубликовали работу, свидетельствующую об аномальной концентрации иридия в этом слое, в 15 раз превышающей номинальную. Предполагается, что этот иридий имеет внеземное происхождение.
Кроме того, в пограничном слое найдены частицы ударно-преобразованного кварца и тектитного стекла, которое формируется только при астероидных ударах и ядерных взрывах.
Гипотеза Альваресов получила поддержку части научного сообщества, но не является общепринятой: дебаты об её истинности продолжаются.
П опигай, Россия, Якутия и Красноярский край, диаметр 100 км, возраст 35,7 млн. лет.
Кратер Попига́й (попигайская астроблема) - метеоритный кратер в Сибири, в бассейне реки Попигай.
Диаметр кратера - около 100 км, расположен он на севере Сибири, частично в Красноярском крае, частично - в Якутии. Территория кратера практически не заселена, единственный населённый пункт - посёлок Попигай - находится в северо-западной части кратера на расстоянии около 30 км от его центра.
Кратер был образован в результате удара астероида 36 миллионов лет назад. В породах кратера найдены остатки хондрита. Близость времени его образования ко времени образования нескольких других ударных кратеров — Чесапикского, кратера в каньоне Томса (США), кратера Маунт-Ашмор - приводит некоторых специалистов к предположению об их взаимосвязи, то есть о множественной метеоритной бомбардировке, которая могла стать одной из причин общего похолодания климата в тот период.
Полезные ископаемые
Согласно международной классификации импактитов (International Union of Geological Sciences, 1994 г.), импактиты, локализованные в кратере и его окрестностях, делятся на три группы (по составу, строению и степени ударного метаморфизма):
- импактированные породы — горные породы мишени, слабо преобразованные ударной волной и сохранившие благодаря этому свои характерные признаки;
- расплавные породы — продукты застывания импактного расплава;
- импактные брекчии - обломочные породы, сформированные без участия импактного расплава или с очень небольшим его количеством.
С импактным событием связаны некоторые месторождения полезных ископаемых, к примеру, залежи меди и никеля в кратере Садбери и золотоносные породы гор Витватерсранд.
Котловина Попигайского кратера была открыта в 1946 году Д. В. Кожевиным, в 1970 году была выдвинута гипотеза об её метеоритном происхождении, основанная на изучении обнажений породы (Пёстрые скалы), где на поверхности видны отложения, подвергнутые ударному плавлению и дроблению. В результате геологоразведочных работ были открыты месторождения алмазов Скальное (140 млрд. каратов) и Ударное (7 млрд. каратов).
Обнажение мега брекчии “Пестрые Скалы” в западном борту Попигайской астроблемы, которое представляет один из самых впечатляющих выходов импактитов данной формации. Обнажение венчается “шляпой” “поздних” тагамитов (t), которые с резким неровным контактом и временным перерывом отложились на мега брекчию. На дальнем плане слева – скальные выходы мощного тагамитового покрова, который налегает на мега брекчию по направлению к центру кратера.
В сентябре 2012 года были обнародованы сведения о том, что в районе кратера находится крупнейшее в мире месторождение импактных алмазов. Месторождение было засекречено, а его изучение заморозили в связи с тем, что в то время в стране строились заводы по производству синтетических алмазов. Летом 2013 года планировалась новая экспедиция.
К ак же образуются эти необыкновенные импактные алмазы? Семикилометровый астероид со скоростью около 30 км в секунду 35 млн. лет назад врезался на скорости, на границе современного Красноярского края и Якутии в кристаллические жесткие архейские породы с возрастом 3 млрд. лет, которые содержали очень много графита. Был такой удар, при котором давление составляло 1,5 млн. атмосфер, температура три–четыре тысячи градусов. Эти условия существовали примерно одну секунду. Но этой секунды хватило, чтобы перевести графит в вещество, которое мы называем импактными алмазами — самым твердым известным веществом на земле. На сотни метров разбросаны в зоне кратера эти алмазы, их называют якутиты. Алмазные пилы их не пилят, их можно обрабатывать ими же самими.
О перспективах уникального в планетарном масштабе и фантастически крупного месторождения Томтор, что на северо-западе Якутии. На маленьком участке этого месторождения, «Буранном», разведены запасы, которые стоят по современным оценкам четверть триллиона долларов.
Доктор геолого-минералогических наук из Новосибирска С.А. Вишневский много лет занимался исследованием Попигайской астроблемы. Относительная изученность кратера, своеобразие и неповторимость, позволила ему на заседании специальной комиссии ЮНЕСКО в Париже в 1991 году добиться решения отнести Попигайскую астроблему к памятникам природы планетарного значения первой величины.
Выводы
Изучение импактных событий имеет огромную важность для науки. Исследование вещества метеорита и определение его возраста позволяют определить возраст планет и изучить историю Солнечной системы. При подготовке своей работы я изучил различные теории учёных, проанализировал способы формирования кратеров и на основе полученных знаний провёл ряд экспериментов в домашних условиях. Это позволило мне понять, как связано формирование кратера с углом падения метеорита, силой удара и наглядно увидеть последствия падения, например, как образуется цунами.
Данная тема мне чрезвычайно интересна, так как, изучая прилетающие космические объекты и следы, на поверхности земли, можно узнать что-то новое об окружающей нашу Землю среде. И даже, несмотря на то, что космонавтами становятся избранные люди, каждый человек может прикоснуться к “другому” миру.
Список использованных материалов:
Большая российская энциклопедия, изд-во Российская энциклопедия,
Википедия. Интернет – энциклопедия.
А.И.Еремеева “История метеоритики. Истоки. Рождение. Становление”, изд-во Феникс, 2006 г., 896 стр.
С.Н.Зигуненко “Угроза из космоса. Метеориты в истории человечества”, изд-во Вече, 2014 г., 304 стр.
Н.В.Короновский “Земля. Метеориты, вулканы, землетрясения”, изд-во Век-2, 2014 г., 176 стр.
А.Б.Максимов “Тунгусского метеорита”, изд-во Эксмо, 2018 г., 288 стр.
Ю.С.Осипов, С.Л.Кравец “ Большая российская энциклопедия”, том 11, изд-во Российская энциклопедия, 2010г., 767 стр.
В.И.Старостин, П.А.Игнатов “Геология полезных ископаемых”, изд-во Академический проект, 2004 г., 512 стр.
В.И.Фельдман “Петрология импактитов”, изд-во МГУ,1990 г.
В.И.Цветков “Звёздное небо. Галактики, созвездия, метеориты”, изд-во Эксмо, 2018 г., 64 стр.
Приложение 1
В иды импактитов:
Зювит
Протванит
Жаманшинит
Импактный алмаз
Молдавит
Мушкетовит
Палласит
Тектит
Филиппинит