Сажа в небе вызвала 18-месячную «ночь» и стала причиной вымирания динозавров
Ученые из Национального Центра Атмосферных Исследований в США смоделировали резкое изменение климата на Земле на границе мела и палеогена. Оказалось, что выброс в атмосферу огромного количества сажи привел к резкому похолоданию и практически полной остановке фотосинтеза, в результате чего вымерла значительная часть животных, включая динозавров. Работа опубликована в PNAS.
Около 66 миллионов лет назад на Земле произошло массовое вымирание животных, известное как мел-палеогеновое вымирание, в результате которого Земля лишилась около трех четвертей известных видов животных, в том числе практически всех сухопутных динозавров. Основной версией произошедшего сейчас считается падение 10-километрового астероида на полуостров Юкатан. Согласно существующей сейчас модели столкновения астероида с Землей, оно привело к большому количеству землетрясений, цунами и повышению вулканической активности. Кроме того, нагретые за время полета осколки астероида и образовавшиеся в результате столкновения базальтовые ударные сферулы вызвали глобальные пожары на значительной части земной поверхности. В результате них образовалось огромное количество (около 15 мегатонн) сажи, мелкие частички которой нагрелись и поднялись в верхние слои тропосферы.
В своей работе исследователи предприняли попытку смоделировать процессы, происходившие в климате Земли сразу после выброса такого огромного количества сажи в атмосферу. Для этого они усовершенствовали наиболее мощную современную климатическую компьютерную модель Community Earth System Model, дополнив ее компонентом для описания взвесей. Основываясь на известных количественных оценках для массы выброшенной в атмосферу сажи и ее химического состава и учтя одновременное испарение водяного пара, ученые смогли подробно описать, что происходило с климатом в течение 15 лет после падения астероида.
Проведенные вычисления показали, что выброс огромного количества сажи привел к значительному нагреванию верхних слоев тропосферы и резкому охлаждению ее вблизи земной поверхности. Падение температуры составило в среднем 11 градусов над океаном и 28 градусов над сушей. Кроме того, был разрушен озоновый слой, упал уровень осадков, и, главное, почти перестал доходить до поверхности Земли солнечный свет. Резкое падение температуры и отсутствие условий для фотосинтеза привело к тому, что мест, в которых можно было переждать неблагоприятные условия, практически не осталось, что, вероятно, и привело к массовому вымиранию животных. Ученым удалось показать, что к катастрофическим последствиям привел бы даже выброс сажи, в 20 раз меньше предполагаемого.
Моделирование показало, что 18 месяцев спустя «ночь» стала постепенно заканчиваться, а приблизительно через 7 лет после предполагаемого падения астероида верхние слои тропосферы полностью остыли, и водяной пар в них пересытился, что сразу привело к резкому увеличению количества осадков. В результате почти всю взвешенную в тропосфере сажу очень быстро прибило обратно к земле, и климат полностью нормализовался.
Авторы отмечают, что у использованной компьютерной модели есть ряд недостатков, например, она предполагает современное расположение континентов, кроме того, состав атмосферы (особенно содержание в ней углекислого газа) в конце мелового периода довольно сильно отличался от современного. Но несмотря на то, что учет этих эффектов может слабо повлиять на количественные оценки, качественного отличия в полученных данных он не даст.
Раньше мы писали о том, что падение астероида привело лишь к окончательному исчезновению динозавров, а постепенно вымирать они, скорее всего, начали еще за 40 миллиионов лет до этого.
Александр Дубов
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.