Jak přežít první hodinu po dopadu

…aneb Pár vět o rozpoutaném pekle před 66 miliony let

Před 66 000 tisíciletími dopadla do oblasti dnešního Mexického zálivu planetka o průměru asi 10 až 15 kilometrů.[1] Řádově biliony tun těžké těleso z kamene a kovu se přiřítilo při dvacetinásobku rychlosti náboje vystřeleného z pušky a po dopadu rozpoutalo peklo v okruhu stovek až tisíců kilometrů od epicentra dopadu.[2] O průběhu této události a některých jejích aspektech jsem na tomto webu již pojednal v mnoha samostatných článcích. Nedávno jsme se seznámili s možnou hlavní příčinou pátého hromadného vymírání na konci křídy, kterou byl asi několik let až desetiletí trvající mráz, vyvolaný zastíněním slunečního záření vyvrženým materiálem z impaktu.[3] Ponuré a tragické impaktní zimě však předcházelo kratší, o to ale drastičtější období globálního zabíjení organismů tepelným zářením. Možná právě tato událost, následující bezprostředně po dopadu a trvající jen minuty až hodiny, byla hlavní příčinou vymírání, které změnilo běh dějin života na Zemi.[4] V roce 2004 byla publikována vědecká práce, která nese výmluvný název „Přežití v prvních hodinách kenozoika“.[5] Tato studie se zabývá právě smrtícími fyzikálními efekty dopadu planetky a jejich účinkem na tehdejší biotu. Ačkoliv některé údaje (odhady hmotnosti planetky, trajektorie jejího letu, množství vyvrženého materiálu apod.) již byly za uplynulých 16 let zpřesněny a aktualizovány, hlavní zjištění v této práci jsou stále platná. Pětice autorů, mezi kterými nechybějí odborníci na geologii, fyziku i paleontologii, v úvodu své práce konstatuje, že smrtícím faktorem byla intenzivní infračervená radiace z vyvržených částeček roztavené horniny, vracejících se po balistické křivce do nižších vrstev atmosféry. Globální tepelná vlna následně zahubila všechny organismy, které nebyly chráněny, a to například vrstvou země, horniny nebo vodním sloupcem. Ani úkryt v podobě doupěte, nory nebo jezera ale nemusel být dostatečným útočištěm, protože žárový pulz zapálil prakticky po celém světě velké rozlohy lesních porostů. Saze z požárů pak kontaminovaly i pevninská vodstva a ztížily nebo znemožnily život několika procentům šťastných obratlovců, kteří se zachránili v prvních minutách sálajícího pekla.[6] Tato zjištění jsou přitom do značné míry konzistentní s interpretací fosilního záznamu, ukazujícího, že šanci na přežití měli nejspíš jen malí tvorové zhruba do hmotnosti 25 kg, schopní schovat se do podzemního nebo vodního úkrytu.[7] Již v době publikování zesnulý Douglas S. Robertson se svými kolegy v úvodu práce uvedl, že pravděpodobně vyřešili dlouho odolávající záhadu selektivity (výběrovosti) vymírání na konci křídy.

———

Podle některých odhadů založených na přesných výpočtech a počítačových modelech nastalo v řádu minut až hodin po dopadu na souších naší planety žárové a ohnivé peklo. Teplota rudě žhnoucí atmosféry se ve výšce 70 kilometrů vyšplhala asi na 500 až 800 °C, při povrchu se mohla na dobu 30 minut zvýšit asi na 100 až 200 °C. Nechránění živočichové byli velmi rychle zahubeni a na mnoha místech propukly rozsáhlé požáry. V té době měla již tak těžce zasažená biosféra před sebou ještě opačnou apokalypsu – několik desetiletí mrazivých podmínek. Kredit: Vladimír Rimbala, ilustrace pro autorovu knihu Velké vymírání na konci křídy (nakl. Pavel Mervart, 2017).

———

Až do začátku 21. století totiž nebylo jasné, proč například krokodýli a želvy, jakožto studenokrevní plazi, a dokonce i ekologicky zranitelné žáby, tuto katastrofu s určitou ztrátou své původní biodiverzity přežily, zatímco dinosauři nikoliv.[8] Nyní už víme, že se do značné míry jednalo i o náhodu a ve hře bylo v jistém smyslu pouhé štěstí – totiž být v osudnou chvíli na správném místě a moci se ukrýt na dostatečně dlouhou dobu. Platilo to ale pouze pro vodní živočichy a relativně malé suchozemské tvory, kteří se mohli schovat pod zem, mezi skály, do jeskyní, pod hustou vodní vegetaci a přímo pod hladinu. Přežít mohla také embrya v některých vajíčkách, dále semena a spory rostlin, případně jejich kořeny, oddenky apod. Všechny ostatní makroskopické suchozemské formy organismů byly nejspíš zahubeny. Ačkoliv někteří dinosauři dokázali vyhrabávat nory a v nich po určitou dobu přebývat, jednalo se nejspíš jen o výjimečné případy. Tyranosauři, triceratopsové ani ostatní velcí dinosauři z jiných kontinentů, žijící před 66,0 milionu let, takové štěstí samozřejmě neměli. Pokud mají pravdu autoři zmíněné studie, pak byl vývoj trvající stovky milionů let celosvětově zvrácen za pouhé minuty až hodiny jednoho osudového dne na přelomu křídy a paleocénu. Tento první den kenozoika (či třetihor, chcete-li) proměnil živý svět v gigantické globální pohřebiště s miliardami ohořelých mrtvol a spálenými lesy prakticky na všech tehdejších pevninách. Z fyzikálního hlediska je jistě možné konstatovat, že ani úkryt nebyl jistotou pro přežití, jeho absence ale znamenala prakticky jistou smrt. Důvodem byla právě krátkodobá událost smrtícího tepelného infračerveného záření, která odezněla zhruba po několika hodinách, mohla ale napáchat vůbec největší škody na biosféře. Možná že všechny další události, tedy dlouhodobý mráz, obří cunami, kolaps trofických sítí a mnoho dalšího už byl jen jakousi „poslední ranou z milosti“ světu zasaženému touto úvodní drastickou pohromou. Důkazem pro tuto teorii jsou zejména objevy impaktních sférulí – malých kuliček roztavené hmoty, která byla vyvržena při dopadu planetky. Tyto objekty jsou ve vrstvě K-Pg objevovány na mnoha lokalitách po celém světě, pravděpodobně se tedy jednalo o globální fenomén.[9] Ohromná kinetická energie těchto přetavených částeček hmoty se při vstupu do atmosféry měnila na energii termální. V roce 1990 odhadl nedávno zesnulý geofyzik H. Jay Melosh, že v atmosféře byla takto uložena energie asi 1,3–5 x 10⁸ J/m², což je mimochodem mnohem víc, než by uvolnila souhrnná exploze všech existujících jaderných zbraní. Stejný autor se domnívá, že teplota se ve výšce kolem 70 kilometrů nad povrchem na několik hodin udržela na děsivé hodnotě 800 až 1100 K (527 až 827 °C).[10]

———

Děsivé podmínky po dopadu planetky mohli přežít pouze menší tvorové, kteří se na nezbytně dlouhou dobu dokázali ukrýt do podzemních nor nebo pod vodní hladinu. Dosavadní malí a slabí zástupci fauny, pobíhající pod nohama obřích dinosaurů, se tak vmžiku stali pomyslnými evolučními vítězi. Pevniny měly nadále patřit zejména savcům a v menší míře i jediným přeživším dinosaurům – ptákům. Kredit: Vladimír Rimbala, ilustrace pro autorovu knihu Dinosauři od Pekelného potoka (nakl. Motto, 2010).

———

Podle odhadů množství sférulí se zdá být pravděpodobné, že dokonce i ve vzdálenostech nad 7000 km od místa dopadu byla teplota vzduchu nad zemí dostatečná k tomu, aby se zde samovolně vznítily porosty dřevin.[11] Insolace (tok sluneční energie na zemský povrch bez atmosféry) od Slunce v zenitu činí v ideální představě necelých 1,4 kW/m² (reálná hodnota insolace zemského povrchu je však v průměru jen asi 342 W/m²), zatímco po dopadu to mělo být na dobu jedné až několika hodin přibližně 10 kW/m². Tato hodnota zhruba odpovídá vnitřku trouby, zapnuté na teplotu grilování (až kolem 260 °C)! Později nicméně sám Melosh tyto odhady poněkud snížil (5 kW/m² po dobu 30 minut, což již nebylo pro spontánní zažehnutí globálních požárů dostačující).[12] Tepelná energie při zemském povrchu byla každopádně koncentrována do vzdálenosti 6000 km od místa dopadu a zároveň na jeho antipodu (protilehlém místě na povrchu Země).[13] Podle výpočtů Meloshe a jeho následovníků byla tepelná energie při povrchu natolik velká, že mohla zažehnout veškerý hořlavý materiál, a to všude, kde nebyl povrch chráněn hustými oblaky. Právě oblačnost byla jedním z mála faktorů, které mohly alespoň nějakou dobu ochránit organismy před smrtící infračervenou radiací. Ta by přicházela z celé oblohy a udržela nebe po dobu až několika hodin strašidelně „rozsvícené“ do ruda. Co se týká dostatečného odstínění pro živočichy na povrchu (kteří se nemohli schovat pod zem nebo do vody), neochránil je ani baldachýn listoví lesních porostů (které ostatně velmi brzy vzplály), ani menší skalní převisy, rokliny nebo osaměle stojící stromy a skály. Jedinou šancí tak byly například jeskyně, ani ty ale vzhledem k rozsahu destrukce nemohly zachránit celé populace větších zvířat. Celosvětové požáry se podle původních odhadů nešířily postupně z jedné oblasti do druhé, ale vzhledem ke globálnímu šíření tepelné vlny vzplály po celé zeměkouli (na všech místech s přítomností hořlavého materiálu) prakticky najednou.[14] V době, kdy hořely porosty pralesů od Colorada po Nový Zéland, už ale byla drtivá většina dinosaurů a mnoha jiných tehdejších obratlovců zahubena tepelným zářením. V místech vzdálenějších od dopadu a prostých hořlavého materiálu (zejména lesních porostů) se teplota při povrchu zvýšila pouze asi o 10 K, což stále umožňovalo menším obratlovcům dýchat, aniž by si přitom poškodili membrány svého respiračního ústrojí. Přesto i zde museli pro přežití najít úkryt, který zabránil tomu, aby jejich kůže absorbovala smrtelné množství tepelného záření. Výpočty ukázaly, že i v případě kompletního shoření biomasy by se podíl kyslíku v atmosféře snížil o méně než 1 %, lokálně by ale mohlo docházet k anoxiím způsobeným požáry (podobně jako v případě některých bombardovaných měst za Druhé světové války). Před těmito událostmi byli ochráněni pouze někteří pod hladinou vody přebývající živočichové.[15]

———

Hromadná panika dinosaurů v představě umělce. Je otázkou, zda na území severoamerické Laramidie dinosauři, ptakoještěři a mnozí další živočichové krátce po dopadu vycítili, že se blíží katastrofa… Od impaktu, a tedy i samotného začátku kenozoické éry zde právě uplynulo 120 sekund. Kredit: Vladimír Rimbala, ilustrace pro autorovu knihu Poslední dny dinosaurů (nakl. Radioservis, 2016)

———

V případě tvorů žijících v norách měly podstatně větší šanci přežít ty druhy, které obývaly pouštní a polopouštní, polární či vysokohorské prostředí v blízkosti mořského pobřeží (kde konvektivní větry vanoucí od moře směrem k ohni mohly rychleji kyslík doplnit).[16] Výpočty dále ukázaly, že ke zvýšení teploty o jediný stupeň K v hloubce pouhých 10 cm pod povrchem by muselo infračervené tepelné záření působit po dobu 2 až 20 hodin.[17] Dá se tedy konstatovat, že jakýkoliv živočich, který se mohl schovat na dobu několika hodin až několika dní pod zem do hloubky alespoň jednoho decimetru, byl teoreticky v bezpečí. Samozřejmě to však platilo jen pro oblasti bez hustší vegetace (požáry a anoxie), ve větší vzdálenosti od mořského pobřeží (cunami) a v širokém okruhu stovek kilometrů od samotného místa dopadu (tlaková vlna apod.).[18] Ve vodě byli dokonce živočichové chráněni již v řádu milimetrových hloubek pod hladinou. Většina infračervené tepelné energie je totiž spotřebována již v několika prvních mikrometrech vody spolu se zahřátím jejího povrchu, a ačkoliv se tepelná energie může dostat i hlouběji vlivem turbulentních proudů a působení větru na vodní sloupec, nejednalo se nejspíš o kritický faktor.[19] Autoři studie konstatovali, že významným důkazem pro jejich hypotézu je rovněž velké množství uhlíku ze spáleného materiálu, objevené ve vrstvě z přelomu křídy a paleogénu na více lokalitách po celém světě. Ačkoli se o jeho relativním množství stále vedou spory, je jisté, že tyto objevy nejspíš dokládají ohromné požáry na globální úrovni. Podle nejodvážnějších předpokladů před 66 miliony let shořela prakticky veškerá nadzemní vegetace, což ostatně podporuje i tzv. fern spike („kapradinová špička“ – náhlé extrémní navýšení kapradinových spor ve fosilním záznamu, svědčící o výrazné plošné devastaci rostlinných společenstev).[20] Autoři dále pojednávají o vzorcích selektivity vymírání, který je v poměrné dobré shodě s jejich scénářem událostí po dopadu. Jejich vývody jsou mimochodem potvrzovány i novějšími objevy, například doloženým vývojem drobných savců na území Colorada v tisíciletích až stovkách tisíc let po dopadu.[21] Ačkoliv mnozí paleontologové s touto verzí událostí nesouhlasí a poukazují na jeho pravděpodobně „přehnanou brutalitu“, je prakticky jisté, že krátce po dopadu se rozpoutalo děsivé peklo, které dalece překonávalo i vize globální jaderné války moderního věku. Nezbývá nám než doufat, že lidstvo bude podobné hrůzy ušetřeno – ať již by mělo mít podobu dalšího kamenného vesmírného návštěvníka či nastat naší vlastní vinou, tedy postupným zničením životních prostředí celého světa nebo již zmíněným osudovým jaderným konfliktem.

———

Přibližně tak nějak mohla vypadat typická oblast na území současné Montany a Jižní Dakoty, ve vzdálenosti zhruba 3500 kilometrů od epicentra dopadu, v řádu dní až týdnů po samotném impaktu. Postapokalyptická krajina posetá popelem, kamením, ohořelými kusy dřeva a tisícovkami spálených mrtvol dinosaurů a dalších nešťastných tvorů, kteří se stali přímými svědky této přelomové události v dějinách života na Zemi. Kredit: Vladimír Rimbala, ilustrace pro autorovu knihu Velké vymírání na konci křídy (nakl. Pavel Mervart, 2017).

———

Short Summary in English: A study published in 2004 showed, that after the K-Pg impact the entire Earth was for several hours bathed with intense infrared radiation from ballistically reentering ejecta. The global heat pulse would then kill almost every unsheltered organism that could not hide below the ground or in the water. This might have had been the main cause of K-Pg mass extinction.

———

Odkazy:

https://blog.nationalgeographic.org/2010/03/04/asteroid-terminated-dinosaur-era-in-a-matter-of-days/

https://www.psi.edu/epo/ktimpact/ktimpact.html

https://www.lpi.usra.edu/science/kring/Chicxulub/

https://www.smithsonianmag.com/science-nature/dinosaur-killing-asteroid-impact-chicxulub-crater-timeline-destruction-180973075/

https://sites.google.com/site/longrich/the-k-t-mass-extinction

———

[1] Renne; P. R.; et al. (2018). Multi-proxy record of the Chicxulub impact at the Cretaceous-Paleogene boundary from Gorgonilla Island, Colombia. Geology. 46 (6): 547–550. doi: https://doi.org/10.1130/G40224.1

[2] Schulte, P.; et al. (2010). The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary (PDF). Science. 327 (5970): 1214–1218. doi: 10.1126/science.1177265

[3] Chiarenza, A. A.; et al. (2020). Asteroid impact, not volcanism, caused the end-Cretaceous dinosaur extinction. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (29): 17084–17093. doi: 10.1073/pnas.2006087117

[4] Robertson, D. S.; Lewis, W. M.; Sheehan, P. M.; Toon, O. B. (2013). K/Pg extinction: Re-evaluation of the heat/fire hypothesis. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 118 (1): 329–336. doi: 10.1002/jgrg.20018

[5] Robertson, D. S.; McKenna, M. C.; Toon, O. B.; Hope, S.; Lillegraven, J. A. (2004). Survival in the first hours of the Cenozoic (PDF). GSA Bulletin. 116 (5–6): 760–768. doi: 10.1130/B25402.1

[6] Longrich, N. R.; et al. (2016). Severe extinction and rapid recovery of mammals across the Cretaceous-Paleogene boundary, and the effects of rarity on patterns of extinction and recovery. Journal of Evolutionary Biology. 29(8): 1495-1512. doi: 10.1111/jeb.12882

[7] Pope, K. O.; Baines, K. H.; Ocampo, A. C.; Ivanov, B. A. (1997). Energy, volatile production, and climatic effects of the Chicxulub Cretaceous/Tertiary impact. Journal of Geophysical Research. 102 (E9): 21645–21664. doi: 10.1029/97JE01743

[8] Novacek, M. J. (1999). 100 Million Years of Land Vertebrate Evolution: The Cretaceous-Early Tertiary Transition. Annals of the Missouri Botanical Garden. 86 (2): 230–258. doi: 10.2307/2666178

[9] Smit J.; Klaver, J. (1981). Sanidine spherules at the Cretaceous-Tertiary boundary indicate a large impact event. Nature. 292 (5818): 47–49. doi: 10.1038/292047a0

[10] Melosh, H. J. (1990). Reentry of fast ejecta: The global effects of large impacts [abs.]. Eos (Transactions, American Geophysical Union). 71: 1429.

[11] Smit, J. (1999). The global stratigraphy of the Cretaceous-Tertiary boundary impact ejecta. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 27: 75–113.

[12] Goldin, Tamara & Melosh, Jay. (2009). Self-shielding of thermal radiation by Chicxulub impact ejecta: Firestorm or fizzle? Geology. 37: 1135-1138. doi: 10.1130/G30433A.1

[13] Boslough, M. B.; Chael, E. P.; Trucano, T. G.; Crawford, D. A.; Campbell, D. L. (1996). Axial focusing of impact energy in the Earth’s interior: A possible link to flood basalts and hotspots. in Ryder, G., Fastovsky, D., and Gartner, S., eds. The Cretaceous-Tertiary event and other catastrophes in Earth history: Geological Society of America Special Paper. 307: 541–550.

[14] Jones, T. P.; Lim, B. (2000). Extraterrestrial impacts and wildfires. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 164: 57–66.

[15] Wolbach, W. S.; Gilmour, I.; Anders, E.; Orth, C. J.; Brooks, R. R. (1988). Global fire at the Cretaceous-Tertiary boundary. Nature. 334: 665–669.

[16] Lillegraven, J. A.; Eberle, J. J. (1999). Vertebrate faunal changes through Lancian and Puercan time in southern Wyoming. Journal of Paleontology. 73: 691–710.

[17] Mitchell, J. K. (1993). Fundamentals of soil behavior (2nd edition). New York, Wiley, 456 str.

[18] Morell, V. (1993). How lethal was the K–T impact? Science. 261: 1518–1519.

[19] Zolotarev, V. M.; Mikhilov, B. A.; Alperovich, L. L.; Popov, S. I. (1969). Dispersion and absorption of liquid water in the infrared and radio regions of the spectrum. Optics and Spectroscopy. 27: 430–432.

[20] Robertson, D. S.; Lewis, W. M.; Sheehan, P. M.; Toon, O. B. (2013). K‐Pg extinction: Reevaluation of the heat‐fire hypothesis. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 118 (1): 329–336. doi: 10.1002/jgrg.20018.

[21] Lyson, T. R.; et al. (2019). Exceptional continental record of biotic recovery after the Cretaceous–Paleogene mass extinction. Science. 366 (6468): 977-983. doi: 10.1126/science.aay2268

———