Jak drtivý byl dopad planetky na konci křídy

…aneb Co se dělo v prvních minutách třetihor?

O dopadu planetky na konci křídy před 66 miliony let bylo na tomto webu pojednáno již mnohokrát. Jaká ale vlastně byla „síla“ této kataklyzmatické události? Celosvětová intenzita exploze při dopadu byla ekvivalentní kinetické energii tělesa, která je definována jako polovina jeho hmotnosti násobená čtvercem jeho rychlosti. Hmotnost asteroidu (odhadovaná na základě množství rozptýleného iridia ve vrstvě K-Pg) přitom činila řádově biliony tun (podle některých odhadů mělo těleso o objemu 2600 km³ hmotnost přibližně 8 bilionů tun)[1], zatímco jeho rychlost, jak vyplývá z mechaniky oběhu těles ve Sluneční soustavě, dosahovala asi 15 až 25 km/s (54 000 až 90 000 km/h)[2]. To je rychlost asi padesátkrát větší než rychlost náboje vylétajícího z hlavně běžné pistole! A touto rychlostí se pohybovalo těleso o velikosti pozemské velehory. Výsledná uvolněná energie při dopadu a impaktní explozi pak vychází na extrémní hodnotu řádově asi 10²⁴ joulů.[3] Toto číslo asi většině lidí s výjimkou fyziků dobrou představu neposkytne, proto je vhodné si jej přiblížit jinak. Jde například o stejnou energii, kterou naše planeta v podobě tepla vyzáří až za celé jedno tisíciletí. Podle jiného údaje jde dále například o množství energie, která by vystačila celé současné lidské civilizaci na dobu mnoha desítek let. Ještě děsivější je přirovnání k obávaným jaderným zbraním – přibližně 100 milionů megatun trinitrotoluenu (TNT) odpovídá zhruba 10 000násobku explozivní energie celosvětového jaderného arsenálu z období vrcholící Studené války a překonává nechvalně proslulou hirošimskou atomovou bombu asi sedm-miliardkrát! Hypotetické porovnání také ukazuje, že při dopadu bylo uvolněno asi 2milionkrát více energie než při odpálení vůbec nejsilnější vodíkové pumy zvané Car-bomba^[4]. Vědci spočítali, že uvolněná energie z dopadu na konci křídy by se dala rozložit po celém povrchu naší planety tak, že na každý kilometr čtvereční by připadlo neuvěřitelných deset atomových bomb od Hirošimy!^[5] V místě dopadu dosáhne hodnota tlaku asi 10 GPa (100 000 atmosfér), což odpovídá plošné hmotnosti zhruba 100 tun na čtvereční centimetr (jde o téměř stokrát vyšší hodnotu, než s jakou se setkáváme v podobě hydrostatického tlaku na dně Mariánského příkopu).[6] Podle jiných odhadů, provedených na základě výzkumu zirkonu ve vrtných jádrech z kráteru Chicxulub, je to dokonce 17,5 až 25 GPa.[7]

———

Z hlediska intenzity překonává impakt z konce křídy mnohonásobně cokoliv, s čím má zatím lidstvo přímou zkušenost. Kredit: Vladimír Rimbala (ilustrace pro autorovu knihu Velké vymírání na konci křídy).

———

Není tedy divu, že vůbec nic živého v okolí stovek až tisíců kilometrů od místa dopadu nemělo šanci přežít okamžité účinky této katastrofické události.^[8] Při této masivní explozi bylo navíc do atmosféry vymrštěno sotva představitelných 10¹⁷ kg materiálu z terčové oblasti dopadu.[9] V jediném okamžiku bylo také do atmosféry uvolněno kolem 300 gigatun síry a 400 gigatun oxidu uhličitého.[10] Ochranná vrstva atmosféry byla tehdy zčásti doslova „vystřelena“ pryč. A i to byl teprve začátek.^[11] Hned po nárazu oslepuje všechny živočichy s očima v širokém okolí intenzivní záření. Vzniklá záře je postupně pozorovatelná až do vzdálenosti kolem 5000 kilometrů na všechny strany od místa dopadu. Rychlostí 330 metrů za sekundu se také šíří jeden z nejhlasitějších zvuků, které kdy na Zemi zazněly.[12] Atmosférická disturbance po dopadu zahájila svoji všesměrnou expanzi rychlostí odpovídající té, kterou se přiřítil samotný asteroid, tedy možná až přes 20 km/s. Tato rázová vlna smetla a rozdrtila všechno, co se jí dostalo do cesty. Původní omračující rychlost desítek kilometrů za sekundu však brzdným efektem atmosféry poměrně rychle ztrácela a zhruba po deseti minutách (kdy vlna dorazila všemi směry do vzdálenosti asi 500 kilometrů od epicentra dopadu) už klesla rychlost tohoto smrtícího vichru pod hranici rychlosti zvuku (tedy přibližně na 1000 km/h). Podle dalších výpočtů pak asi za hodinu od dopadu dosáhla rázová vlna všesměrné vzdálenosti zhruba 1000 kilometrů, přičemž se ještě stále pohybovala rychlostí nejsilnějších známých pozemských hurikánů, tedy až několika stovek kilometrů v hodině.[13] Protože se ale při expanzi vytvořilo v centru kráteru vakuum, impaktní hurikány se po čase obrátily a daly se na další destruktivní cestu, tentokrát zpátečním směrem. Je téměř jisté, že minimálně do vzdálenosti 1800 kilometrů už krátce po dopadu neexistoval jediný stojící strom nebo živý dinosaurus (či jakýkoliv jiný živočich, pokud se nedokázal ukrýt pod zemí, ve skalách a jeskyních nebo pod hladinou dostatečně hluboké vody).^[14] Extrémně silný akustický tlak zase zabíjí všechny živé tvory v mořích, a to na vzdálenost stovek nebo i tisíců kilometrů.[15] Tepelná vlna, šířící se od místa dopadu rychlostí světla, prakticky okamžitě zabíjí jakýkoliv živý organismus, který se nachází dostatečně blízko na to, aby mohl pozorovat nad horizontem rostoucí plazmový oblak. Této smrtící vlně trvá pouhou tisícinu sekundy, než zahubí veškeré nechráněné organismy ve vzdálenosti stovek kilometrů. Objekt o velikosti zmiňovaného asteroidu, letící nejméně desetkrát rychleji než zvuk, navíc po nárazu způsobí, že se pevná zemská kůra v místě dopadu začne chovat jako kapalina.[16] Obří kráter, jehož okraje na dobu desítek sekund až jednotek minut přesáhnou výšku vrcholků dnešních Himálají a svojí plochou 25 500 km² se vyrovná celé Moravě se Slezskem, je v základu dotvořen za pouhých asi pět až deset minut.[17]

———

Míra devastace v okruhu 900 až 1800 kilometrů od epicentra dopadu byla tak závažná, že na území celé Laramidie pravděpodobně nepřežil jediný živočich vážící více než středně velký pes. Kredit: Vladimír Rimbala (ilustrace pro autorovu knihu Velké vymírání na konci křídy).

———

Vracející se materiál, vyvržený při dopadu, se v nižších vrstvách atmosféry krátkodobě (snad po dobu několika minut) zahřívá svým kolektivním třením natolik, že extrémně zvyšuje teplotu atmosféry. Oblak plynu, prachu a úlomků horniny stoupá vysoko do horních vrstev atmosféry. Má podobu mohutného temného sloupu, proti kterému jsou i ty největší atomové „hřiby“ jen načechraným obláčkem. Teplota v jeho okolí dosahuje asi 8500 až 20 000 °C a je vidět nejdříve stovky a později i tisíce kilometrů daleko. Do vzdálenosti 800 kilometrů od dopadu se teplota zvyšuje na 100 až 260 °C[18] (nebo dokonce 300 až 400 °C)[19], tedy víc, než kolik je například v kuchyňské troubě. Žhavý oblak plný prachu se zpočátku žene od místa nárazu závratnou rychlostí 2,3 km/s (8280 km/h). Teplota plazmatu při provedených laboratorních experimentech činila v čase 0,2 mikrosekundy po impaktu asi 18 000 K, extrémně rychle však klesala (na zhruba 6 900 K po dalších 4 mikrosekundách). Tlak v tomto místě byl na začátku expanze odhadnut asi na 103 barů, po uplynutí 0,2 mikrosekundy však už klesl na pouhé 3 bary a po uplynutí času 4,2 mikrosekundy poklesl přibližně na 0,1 baru.[20] Pro život v relativní blízkosti k místu dopadu už však samozřejmě bylo příliš pozdě. Dochází ke globálním požárům, likvidujícím vegetaci na velkých plochách.[21] Teplota ve vyšších vrstvách atmosféry stoupne krátkodobě (snad na dobu několika hodin) až na 1500 °C, u povrchu činí, jak už bylo uvedeno, asi desetkrát méně. Rozsáhlé požáry snad jen během několika desítek hodin^[22] téměř zcela sežehnou veškerou nechráněnou pevninskou biomasu.[23] Okamžitě po dopadu asteroidu došlo k jeho takřka úplnému vypaření, stejně jako k okamžitému vyvržení asi 200 000 krychlových kilometrů horniny z místa dopadu.[24] Právě to může pro biosféru představovat nejvíce smrtící efekt tohoto dopadu.[25] Do vzdálenosti 1500 až 4000 kilometrů je téměř okamžitě zapálena veškerá vegetace^[26] a zcela zničena je nejméně do vzdálenosti 500 až 1000 kilometrů od místa dopadu[27]. Novější propočty ukazují, že vegetace mohla vzplát do vzdálenosti 2500 km v řádu pouhých minut.[28] To je zhruba stejné, jako kdyby se dopad odehrál v portugalském Lisabonu a zanedlouho vzplály například ještě všechny stromy v Praze!

———

Střed obřího kráteru Chicxulub se dnes nachází v blízkosti příbřežního městečka Chicxulub Puerto na cípu Yukatánského poloostrova. Kredit: LawrieM; Wikipedia (CC BY-SA 4.0)

———

Vlna závratného žáru, uvolněná při impaktu, se pohybuje rychlostí přes 300 m/s, s narůstající vzdáleností však její rychlost rapidně klesá. Rychlost větru mnohde dosahuje hodnot přes 70 m/s, a to až do doby zhruba jedné hodiny po dopadu, kdy se kruh rázové vlny rozptyluje zhruba ve vzdálenosti 1000 kilometrů od místa dopadu. Bezmála tři sta metrů vysoké vlny tsunami, pohybující se rychlostí asi 0,5 km/s za několik hodin zpustoší všechna blízká pobřeží do vzdálenosti desítek kilometrů.[29] V tuto chvíli už výrazně potemnělo, rozptýlený prach zakryl sluneční svit (pokud je na západní polokouli právě den) a atmosférické plyny začíná v „prostřeleném“ tunelu v atmosféře nahrazovat vodní pára a další evaporáty. Troposféra se náhle podobá zastíněnému skleníku. Daleko od místa dopadu prší rozžhavené kusy horniny, impaktní sférule, uhlíkové cenosféry[30] a tektity, které zapalují vše, co dosud ještě nevzplálo. Mnohé doletí do vzdálenosti mnoha tisíců kilometrů, některé jsou dokonce vymrštěny do vesmíru.[31] Podle odhadů měl dopad planetky Chicxulub asi 10 000krát větší kinetickou energii, než jakou by uvolnila společná exploze všech atomových zbraní, potřebných k rozpoutání nukleární zimy, jak ji předpovídal v roce 1983 americký astronom a popularizátor vědy Carl Sagan.^[32] Vědecká studie Sagana a jeho spolupracovníků^[33] jasně demonstrovala možné zhoubné účinky globálního jaderného konfliktu, ani ty by se ale zdaleka neblížily peklu, které nastalo na konci křídy. Šlo o explozi natolik kolosální, že zhruba 20 % z celkového objemu vyvrženin v podobě sazí a menších částeček prachu mohlo zůstat v atmosféře po celé roky nebo dokonce desetiletí. Je možné, že se proto tvořily nesmírně mohutné systémy tlakových níží, které roznášely prach a saze po povrchu celé planety. Prachové a písečné bouře, které se snad tehdy mohly rozpoutat, si dnes sotva umíme představit. Rapidní snížení průměrné globální teploty o zhruba 25 až 40 °C[34] také přineslo ohromně silné a prudké přívalové deště, zatímco ve vyšších zeměpisných šířkách se objevily blizardy (silné suché a ledové větry) a sněhové bouře kontinentálního rozsahu, které možná pokryly zemi i několikametrovou vrstvou sněhu za den. Zní Vám to jako výplod bujné fantazie nebo scénář jakéhosi hollywoodského katastrofického filmu s vysokým rozpočtem? Dostupné důkazy v podobě sedimentárního a fosilního záznamu, stejně jako zpřesněné fyzikální výpočty, takovému průběhu událostí opravdu nasvědčují. Je skutečně s podivem, že peklo před 66 miliony let přibližně čtvrtina tehdejších druhů přežila…

———

Impaktní kráter Chicxulub s průměrem 180 až 240 kilometrů je jedním ze dvou největších ringových struktur na povrchu naší planety. S hromadným vymíráním na konci křídy byl napevno spojen až na začátku 90. let minulého století. Kredit: NASA/JPL-Caltech; Wikipadie (volné dílo)

———

Short Summary in English: In 2010, an international panel of scientists proposed that the Chicxulub impact is the main cause of the K-Pg mass extinction. They had determined that a 10 to 15-kilometer asteroid crashed into Earth’s surface at what is now Mexico’s Yucatán Peninsula. The collision would have released the same energy as about 100 teratonnes of TNT, or more than a billion times the energy of the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki. The Chicxulub impact inevitably caused a global catastrophe. Some of the phenomena were brief occurrences immediately following the impact, but there were also long-term disruptions of atmosphere and hydrosphere that devastated the global ecology and contributed to the destruction of ecosystems.

———

Odkazy:

https://www.lpi.usra.edu/science/kring/Chicxulub/regional-effects/

https://sites.northwestern.edu/monroyrios/some-maps/chicxulub-and-ring-of-cenotes/

https://www.nationalgeographic.com/science/article/last-day-dinosaurs-reign-captured-stunning-detail

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Chicxulub_crater

———

[1] Shonting, D.; Ezrailson C. (2016). Chicxulub: The Impact and Tsunami. Springer Praxis Books. (str. 57–61).

[2] Drolshagen, E.; et al. (2020). Velocity distribution of larger meteoroids and small asteroids impacting Earth. Planetary and Space Science. 184: 104869.

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

[4] Sovětská bomba RDS-220 byla odpálena po shození z letadla dne 30. října 1961 nad souostrovím Nová země v Severním ledovém oceánu na severu Ruska. Tato termonukleární puma uvolnila energii ekvivalentní asi 50 až 58 Mt TNT. Ve vzdálenosti 100 kilometrů dokázala tepelná vlna způsobit popáleniny 3. stupně a ještě 900 kilometrů daleko rozbila tlaková vlna okenní tabule. Základna atomového „hřibu“ měla průměr asi 40 kilometrů.

[5] Powell, J. L. (1998). Night Comes to the Cretaceous: Comets, Craters, Controversy, and the Last Days of the Dinosaurs. W. H. Freeman and Company (str. 19).

[6] Shonting, D.; Ezrailson C. (2016). Chicxulub: The Impact and Tsunami. Springer Praxis Books. (str. 50)

[7] Wittmann, A.; et al. (2021). Shock impedance amplified impact deformation of zircon in granitic rocks from the Chicxulub impact crater. Earth and Planetary Science Letters. 575: 117201.

[8] Vajda, V.; et al. (2015). Nano particles as the primary cause for long-term sunlight suppression at high southern latitudes following the Chicxulub impact – evidence from ejecta deposits in Belize and Mexico. Gondwana Research. 27 (3): 1079–1088.

[9] Sanford, J. C.; Snedden, J. W.; Gulick, S. P. S. (2016). The Cretaceous-Paleogene boundary deposit in the Gulf of Mexico: Large-scale oceanic basin response to the Chicxulub impact. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 121 (3): 1240–1261.

[10] Artemieva, N.; et al. (2017). Quantifying the Release of Climate-Active Gases by Large Meteorite Impacts With a Case Study of Chicxulub. Geophysical Research Letters. 44 (20): 180–188.

[11] Zajímavě popisuje rychlost, s jakou se dopad odehrál, sám Walter Alvarez: „…představte si nešťastné letadlo (letící ve výšce 10 kilometrů), které by se dostalo do cesty přilétající kometě. Letadlo by bylo řítícím se tělesem v okamžiku rozdrceno jako hmyz. O třetinu sekundy později by přední část komety nesoucí nerozpoznatelné trosky letadla narazila do země, vytvořila oslepující záblesk světla a šokovou vlnu v samotném dopadajícím tělese i v Zemi. O další třetinu sekundy později už by se zabořila pod zem i zadní část komety… Země by zažila kataklyzmatickou zkázu za dobu kratší než je ta, po kterou čtete tuto větu.“ (Alvarez v roce 1997 ještě píše o kometě, dnes už však pokládáme impaktor s největší pravděpodobností za uhlíkatou planetku).

[12] Alvarez, W. (1997). T. rex and the Crater of the Doom. Princeton University Press. (str. 9)

[13] Frankel, C. (1999). The End of The Dinosaurs. Cambridge University Press. (str. 114)

[14] Toon, O. B.; et al. (1997). Environmental perturbations caused by the impacts of asteroids and comets. Review of Geophysics. 35 (1): 41–78. Oblast zcela zničená rázovou vlnou mohla mít podle výpočtů v závislosti na místních podmínkách poloměr asi 900 až 1800 kilometrů.

[15] Shonting, D.; Ezrailson C. (2016). Chicxulub: The Impact and Tsunami. Springer Praxis Books. (str. 114)

[16] Počítačem vytvořený model dopadu a formování kráteru lze zhlédnout například na webu YouTube. (Gareth Collins, Imperial College London, 17. 11. 2016)

[17] Barton, P. (2016). Revealing the dynamics of a large impact. Science 354 (6314): 836–837.

[18] Goldin, T.; Melosh, J. (2009). Self-shielding of thermal radiation by Chicxulub impact ejecta: Firestorm or fizzle? Geology. 37: 1135–1138.

[19] Frankel, C. (1999). The End of The Dinosaurs. Cambridge University Press. (str. 119)

[20] Navarro, K. F.; et al. (2020). Emission spectra of a simulated Chicxulub impact-vapour plume at the Cretaceous-Paleogene boundary. Icarus. 346 (1): 113813.

[21] Viz odkaz http://www.lpi.usra.edu/science/kring/epo_web/impact_cratering/enviropages/wildfiresweb.html

[22] Viz odkaz http://www.lpi.usra.edu/science/kring/epo_web/impact_cratering/Chicxulub/global-effects/

[23] Robertson, D. S.; et al. (2013). K/Pg extinction: re-evaluation of the heat/fire hypothesis. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 118 (1): 329–336.

[24] Palmer, J. (2016). We Finally Know How Much the Dino-Killing Asteroid Reshaped Earth. Smithsonian.com.

[25] Shonting, D.; Ezrailson C. (2016). Chicxulub: The Impact and Tsunami. Springer Praxis Books. (str. 55)

[26] Shuvalov, V. V. (2002). Radiation effects of the Chicxulub impact event. In: Buffetaut, E., Koeberl, C. (Eds.), Geological and Biological Effects of Impact Events. Springer, Berlin: 237–247.

[27] Viz odkaz http://www.lpi.usra.edu/science/kring/epo_web/impact_cratering/Chicxulub/Regional_Effects.html

[28] Santa Catharina, A.; et al. (2020). Timing and causes of forest fire at the K–Pg boundary, Scientific Reports. 12: 13006.

[29] Range, M. M.; et al. (2022). The Chicxulub Impact Produced a Powerful Global Tsunami. AGU Advances. 3 (5): e2021AV000627.

[30] Indiana University. Asteroid Impact 65 Million Years Ago Triggered A Global Hail Of Carbon Beads. ScienceDaily. 5. května 2008.

[31] Lyons, S. L.; et al. (2020). Organic matter from the Chicxulub crater exacerbated the K–Pg impact winter. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (41).

[32] Carl Edward Sagan (1934 – 1996) byl americký astrofyzik, astronom, spisovatel a popularizátor vědy. Za svou profesionální kariéru učinil mnoho významných objevů a publikoval četné úspěšné knihy pro širokou čtenářskou veřejnost. Poukazoval také často na hrozby jaderného zbrojení a opakovaně varoval společnost před nebezpečím vlastního vyhlazení v případě globální jaderné války.

[33] Ehrlich, P. R.; et al. (1983). Long-Term Biological Consequences of Nuclear War. Science. 222: 1293-1300.

[34] Vellekoop, J.; et al. (2014). Rapid short-term cooling following the Chicxulub impact at the Cretaceous-Paleogene boundary. Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A. 111 (21): 7537–41.

———