IL Cratere Chicxulub

Se c’è un’estinzione di massa che è nota a tutti – grandi e piccini – è senz’altro quella dei dinosauri, avvenuta circa 66 milioni di anni fa. Per la verità non furono solo i dinosauri a scomparire dalla scena dell’evoluzione biologica, ma circa il 75% delle specie viventi all’epoca. Questo evento è tecnicamente noto come estinzione del Cretaceo-Paleogene (o evento K/Pg): il Cretaceo è l’ultimo periodo dell’era Mesozoica (che significa “vita di mezzo”), mentre il Paleogene è il primo dell’era Cenozoica (“vita nuova”) o Terziaria. Fu proprio grazie all’estinzione dei grandi rettili che i mammiferi iniziarono la loro ascesa, occupando le nicchie ecologiche che si erano improvvisamente liberate. Quella del Cretaceo-Paleogene non è l’unica estinzione di massa documentata dai fossili e nemmeno la più antica: ad esempio quella avvenuta circa 250 milioni di anni fa fra i periodi Permiano e Triassico, rispettivamente delle ere Paleozoica (“vita antica”) e Mesozoica è stata anche più accentuata, con un’estinzione del 90% delle specie viventi. Tuttavia l’evento K/Pg è una delle poche estinzioni di massa di cui è stato possibile stabilire, con ragionevole certezza, anche la causa.

Chicxulub

La svolta per capire la causa di questa estinzione di massa, evidente per la diminuzione del numero di fossili nello strato di transizione fra Cretaceo e Paleogene, si ebbe nel 1980 in seguito alle analisi effettuate dal fisico e premio Nobel Luis Walter Alvarez su antichi sedimenti marini – databili fra 185 e 30 milioni di anni fa – affioranti nella Gola Del Bottaccione nell’Appennino umbro (a poca distanza da Gubbio). Alvarez e colleghi (fra cui il figlio Walter Alvarez, geologo di professione), scoprirono, infatti, la presenza di uno strato di argilla scura (databile a circa 66 milioni di anni fa), dello spessore di circa 1 cm, con una concentrazione molto elevata di iridio (circa 30 volte superiore al normale). La scoperta di questa anomalia fu casuale: Alvarez e colleghi cercavano un modo per stabilire in quanto tempo si era depositato lo strato di argilla e pensarono di andare alla ricerca dei metalli che le micrometeoriti depositano sulla Terra a un tasso annuale costante. L’iridio è un metallo siderofilo e nella crosta terrestre è rarissimo perché sprofondato, insieme al ferro, nel nucleo del nostro pianeta durante la fase di differenziazione gravitazionale. Al contrario, l’iridio è molto abbondante nelle meteoriti – e quindi negli asteroidi di cui le meteoriti sono i frammenti – di un fattore 1000 volte superiore rispetto alla crosta terrestre. Da qui la formulazione dell’ipotesi che l’estinzione dei dinosauri fu causata dalla caduta di un asteroide che alterò il clima terrestre portando all’estinzione dei meno adatti a sopravvivere. L’ipotesi di Alvarez e colleghi fu pubblicata in un famoso paper sulla rivista Science, dal titolo “Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction“. L’abstract di questo paper contiene già tutti i punti fondamentali che sono stati origine di dibattito scientifico in questi ultimi 40 anni. Scrive Alvarez (al posto di Terziario va inteso il Paleogene):

<<I metalli del gruppo del platino nella crosta terrestre sono scarsi rispetto alla loro abbondanza cosmica; trovare una concentrazione di questi elementi negli strati sedimentari di acque profonde può quindi indicare la presenza di un flusso di materiale extraterrestre. L’analisi dei sedimenti in Italia, Danimarca e Nuova Zelanda mostra, rispettivamente, aumenti di iridio di circa 30, 160 e 20 volte al di sopra del livello di fondo proprio al tempo dell’estinzione del Cretaceo-Terziario, avvenuta 65 milioni di anni fa. Nel paper vengono illustrati i motivi per cui è ragionevole supporre che questo iridio sia di origine extraterrestre, ma non proveniente da una supernova vicina. Viene invece suggerita un’ipotesi che spiega sia l’estinzione di massa, sia l’abbondanza anomala dell’iridio. L’impatto con la Terra di un grande asteroide near-Earth inietterebbe nell’atmosfera circa 60 volte la massa dell’oggetto sotto forma di roccia polverizzata; una frazione di questa polvere rimarrebbe nella stratosfera per diversi anni e verrebbe distribuita dai venti in tutto il mondo. L’oscurità risultante sopprimerebbe la fotosintesi e le conseguenze biologiche previste corrispondono abbastanza bene all’estinzione osservata nella documentazione paleontologica. Una previsione di questa ipotesi è stata verificata: la composizione chimica dell’argilla di confine fra Cretaceo e Terziario, che si pensa provenga direttamente dalla polvere stratosferica, è nettamente diversa da quella dell’argilla mista ai calcari degli stessi periodi che, invece, sono chimicamente simili tra loro. Quattro diverse stime indipendenti del diametro dell’asteroide danno un valore medio di 10 ± 4 chilometri.>>

Nel 1980 non erano note strutture da impatto compatibili con questa ipotesi. Il cratere da impatto dello scenario ipotizzato da Alvarez venne scoperto nel 1991 e ora è noto come cratere di  Chicxulub. Si tratta di una struttura circolare di circa 180-200 km di diametro, parzialmente sepolta al di sotto della penisola dello Yucatan nel Golfo del Messico. Il cratere non è visibile, ma la sua presenza può essere messa in evidenza dalle anomalie gravitazionali e magnetiche che genera le struttura, come è ben illustrato nel paper di Hildebrand e colleghi che ne illustrava la scoperta: “Chicxulub Crater: A possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yucatán Peninsula, Mexico“. Il nome dato al cratere deriva dalla località di Chicxulub Puerto, che si trova sulla costa settentrionale della Penisola dello Yucatán, al centro della struttura.

Figura 1 – Mappa dell’anomalia gravitazionale generata dal cratere Chicxulub (il nord è in alto). La costa è mostrata come una linea bianca. Questa immagine è stata costruita a partire dalle misurazioni dell’accelerazione di gravità prese dalla Petróleos Méxicanos a partire dal 1948 nel corso della ricerca del petrolio nel Golfo del Messico. I punti bianchi rappresentano le posizioni delle grotte piene d’acqua chiamate cenote, dalla parola Maya dzonot (“acqua sacra”). Un anello di cenote è associato al bordo esterno del cratere. Le doline che formano il cenote si sono sviluppate quando il livello del mare era più basso durante la glaciazione del Pleistocene, riempiendosi d’acqua quando il livello del mare è tornato al livello attuale.

La craterizzazione da impatto è un processo geologico che si ritrova in tutti i corpi con superfici solide del Sistema Solare, da Mercurio a Plutone. Dall’estinzione del K/Pg si capisce che gli impatti di asteroidi e comete hanno giocato un ruolo importante nell’evoluzione geologica e biologica della Terra. Quali sono i processi fisici che avvengono in un impatto fra la Terra e un corpo extraterrestre? Esaminiamoli seguendo le tappe dell’evento di collisione.

Fisica degli impatti

Il processo di impatto inizia quando il corpo extraterrestre entra in contatto con l’atmosfera superiore della Terra, ad una quota di circa 150 km dal suolo: si tratta della regione al di sotto del quale, per via dell’attrito con l’aria, non esistono più orbite stabili per i satelliti artificiali. Se il corpo appartiene al Sistema Solare, la velocità d’impatto deve essere compresa fra 11 e 72 km/s, mentre l’angolo d’impatto più probabile che la traiettoria forma con il suolo è di 45°. I piccoli impattori (asteroidi o comete di circa 10-50 metri di diametro), vengono completamente distrutti mentre attraversano l’atmosfera a velocità ipersonica e non danno luogo alla formazione di crateri da impatto, ma alla semplice caduta di frammenti che diventano meteoriti una volta toccato il suolo terrestre. Considerando la faccia avanzante del meteoroide, la distruzione del corpo (air-burst) avviene quando la pressione del punto di stagnazione – dove la velocità del flusso d’aria è zero – diventa superiore alla forza di coesione del corpo stesso. L’energia cinetica del corpo in parte si converte in calore fondendo l’impattore, in parte alimenta l’onda d’urto che si propaga in atmosfera e il rimanente viene irraggiato nel canale visibile e infrarosso dalla sfera di plasma che si forma alla quota dell’air-burst. Esempi classici di eventi di questo tipo sono la caduta di Chelyabinsk, avvenuta il 15 febbraio 2013 o la più famosa catastrofe di Tunguska del 30 giugno 1908.

Nel caso di impattori di maggiori dimensioni, la perdita di velocità per effetto del frenamento atmosferico è trascurabile e arrivano a colpire il suolo con sufficiente energia cinetica da scavare un cratere e condizionare l’ambiente a livello locale, regionale o globale a seconda dell’energia dissipata nell’impatto. Quando l’impattore colpisce il suolo l’energia cinetica viene trasferita al target che viene rapidamente riscaldato e compresso insieme al proiettile. In un evento come quello di Chicxulub ci si possono aspettare pressioni di oltre 100 GPa e temperature superiori ai 10.000 K (praticamente il doppio della temperatura fotosferica del Sole). Nell’impatto l’energia cinetica posseduta dall’asteroide prende diversi canali: energia termica (vaporizzazione impattore + target), energia dell’onda d’urto (al suolo e in atmosfera), energia sismica, energia cinetica dei frammenti espulsi dal cratere, energia luminosa emessa dalla sfera di plasma che si genera nell’impatto. L’onda d’urto si genera nel punto di contatto fra target e proiettile e si propaga in tutte le direzioni, a simmetria sferica. Un’onda d’urto è un’onda di compressione che viaggia a una velocità maggiore della velocità del suono nel mezzo. A differenza di un’onda sonora, che è un fenomeno di propagazione elastica nel mezzo, un’onda d’urto è un processo fortemente anelastico in cui la stessa materia del mezzo viene trascinata via: si forma così un’apertura nel terreno che viene chiamata il cratere da impatto transiente. Continuando a propagarsi, l’onda d’urto perde energia e alla fine restano solo onde elastiche che si propagano nel terreno (energia sismica). Il cratere transiente collassa, il fondo si riempie di detriti e il bordo crolla verso l’esterno dando vita al cratere definitivo, che può essere semplice (con la forma a scodella), oppure complesso ossia con il picco centrale dovuto al “rimbalzo” degli strati sottostanti. Se il cratere è abbastanza grande ci possono essere anche più bordi concentrici. Grossi volumi di rocce e detriti sono scagliati tutto intorno al cratere formando uno strato di ejecta. I frammenti maggiori possono provocare crateri secondari.

Figura 2 – Confronto fra il cratere transiente, il cratere definitivo semplice e quello complesso, dotato di picco centrale (Crediti: Collins et al., Meteoritics & Planetary Science 40, 2005).

L’energia infrarossa emessa dalla sfera di plasma sul luogo dell’impatto genera un’onda termica che può incendiare gli alberi anche a grande distanza, mentre l’onda d’urto atmosferica può abbattere edifici e infrastrutture. Dietro l’onda d’urto atmosferica si innescano forti venti dovuti alla bassa pressione che si crea dietro al suo passaggio, venti che possono spazzare via ciò che è sopravvissuto. Queste vale anche nel caso di esplosione in atmosfera.

Può essere interessante fare un confronto fra due piccoli impattori con la stessa energia cinetica, ma con diversa coesione interna: in quale dei due scenari le conseguenze saranno peggiori per un ipotetico osservatore posto a 10 km dall’epicentro? Consideriamo allora, come primo scenario, un asteroide di 60 m di diametro fatto di roccia porosa (densità di 1500 kg/m3), che arriva ortogonalmente alla superficie terrestre a 20 km/s. In questo caso si ha la frammentazione a circa 5 km di quota senza la formazione del cratere. A 10 km dall’epicentro, per effetto dell’onda d’urto atmosferica, si ha l’abbattimento del 90% degli alberi e il crollo degli edifici, specie quelli a più piani. Come secondo scenario consideriamo invece un asteroide metallico (densità 8000 kg/m3) di 34 m di diametro che cade sempre ortogonalmente a 20 km/s. L’energia cinetica iniziale è la stessa per i due asteroidi, ma in questo secondo caso c’è la formazione di un cratere da impatto di tipo semplice con circa 1,3 km di diametro e una profondità di circa 280 m. A 10 km dall’epicentro si avvertirà un terremoto del IV-V grado Mercalli e l’onda d’urto atmosferica romperà soli i vetri delle finestre, quindi molti meno danni rispetto all’esplosione in atmosfera. Nessun problema per gli ejecta del cratere che cadranno prima di arrivare a 10 km di distanza. Come si vede lo scenario più pericoloso per il nostro ipotetico osservatore è il primo, con l’esplosione dell’asteroide in atmosfera. In effetti è anche intuitivo: con la caduta al suolo una buona frazione dell’energia cinetica viene dissipata nella formazione del cratere e non è più disponibile per altri canali a maggiore raggio d’azione. Se si vuole provare a simulare i vari scenari d’impatto per diversi valori di diametro, velocità, densità del target e inclinazione della traiettoria dell’asteroide si può usare l’Earth Impact Effects Program che, pur usando semplici equazioni di fisica, riesce a descrivere ragionevolmente bene gli eventi, almeno in prima approssimazione.

Asteroide o cometa?

Per la stima delle dimensioni dell’impattore a partire dal diametro del cratere definitivo, il modello più semplice che si può utilizzare è la relazione che lega i diametri dei crateri ottenuti nel corso di test nucleari e l’energia sprigionata dalla bomba impiegata. Si trova che il diametro del cratere è circa proporzionale alla radice cubica dell’energia. Da qui si ottiene che l’energia dell’impatto è circa proporzionale al cubo del diametro del cratere. Per un cratere di circa 200 km di diametro come Chicxulub, si trova che per la sua formazione è stata necessaria un’energia cinetica di circa 160 milioni di Mt, pari all’esplosione simultanea di circa 10 miliardi di bombe atomiche come quella che ha distrutto Hiroshima. Usando la formula dell’energia cinetica, assumendo un asteroide roccioso e con una velocità d’impatto di circa 30 km/s, si trova un diametro di circa 10 km. Qua una domanda sorge spontanea: come si può affermare con ragionevole certezza che si sia trattato di un asteroide e non di una cometa?

Il dato principale da cui partire per discriminare fra asteroide e cometa è il contenuto misurato di iridio presente nello strato K/Pg: la massa totale di iridio dello strato che avvolge l’intero pianeta è stimabile in circa 250 milioni di kg. Si può dimostrare che un asteroide con una composizione simile a quella di una condrite carbonacea del diametro di 10 km può depositare circa 230 milioni di kg di iridio, in buon accordo con quanto si osserva. Al contrario, una cometa avrebbe un diametro di soli 7 km perché colpirebbe con una velocità maggiore e la quantità di iridio depositata sarebbe di soli 10 milioni di kg (un 50% della cometa sarebbe costituita da ghiaccio d’acqua). Come si vede una cometa non potrebbe depositare la quantità di iridio stimata per lo strato K/Pg. Che si sia trattato di un corpo simile a una condrite carbonacea di tipo CM o CR è provato anche dal recupero di una meteorite fossile di questo tipo dai sedimenti K/Pg marini del Nord Oceano Pacifico; inoltre, anche il rapporto fra gli elementi del gruppo del platino (Palladio Pd, Iridio Ir, Rodio Rh, e Platino Pt), specialmente quello Rh/Ir è coerente con una condrite carbonacea CM o CR. Per maggiori dettagli su questo punto si può leggere il paper del 2021, “The Chicxulub Impactor: Comet or Asteroid?“.

Quindi, c’è la ragionevole certezza che si sia trattato di un asteroide con la composizione chimica di una condrite carbonacea: un near-Earth asteroid per definizione. Considerato che questi asteroidi hanno origine nella main-belt fra Marte e Giove è in questa regione del Sistema Solare che ne va cercata l’origine. Fra le famiglie di asteroidi presenti nella main-belt, quella dell’asteroide (298) Baptistina è molto interessante. Si tratta di una famiglia relativamente giovane, con un’età inizialmente stimata in 160 milioni di anni, risultato della collisione fra un asteroide di 170 km di diametro con uno da 60 km di diametro. Considerato che Baptistina ha un diametro di circa 20 km, era plausibile pensare che uno dei frammenti generato nella collisione potesse essere il responsabile dell’evento di Chicxulub (vedi il paper su Nature del 2007, “An asteroid breakup 160 Myr ago as the probable source of the K/T impactor“). In effetti con questa età della famiglia c’è tutto il tempo affinché i frammenti generati nella collisione vengano immessi su orbite del tipo near-Earth in grado di collidere con la Terra, un processo che richiede tempi dell’ordine di alcune decine di milioni di anni. Purtroppo una nuova determinazione dell’età della famiglia usando i dati del satellite WISE ha dato un valore dell’età della famiglia compreso fra 140-320 milioni di anni e le ultime determinazioni della composizione chimica di Baptistina indicano un corpo simile a una condrite ordinaria, non a una carbonacea. L’origine dell’asteroide di Chicxulub resta un mistero.

Figura 3 – Un profilo dell’abbondanza dell’iridio in una colonna stratigrafica dei sedimenti di Gubbio che include il valore anomalo al limite K/Pg; ppt sta per parti per mille (Crediti: David A. Kring).

Panspermia dall’impatto di Chicxulub?

Abbiamo detto sopra che durante la formazione del cratere grandi volumi di roccia sono scagliati in tutte le direzioni a formare lo strato di ejecta. Una parte di questi frammenti può possedere una velocità superiore a quella di fuga della Terra (circa 11 km/s), ed essere scagliato nello spazio entrando in orbita eliocentrica. Questi frammenti di roccia possono portare con se dei microorganismi che, se si trovano abbastanza in profondità al di sotto della superficie sono in grado di sopravvivere al bombardamento da parte della radiazione UV e X del Sole e della radiazione cosmica. In questo modo forme di vita primitive possono essersi trasferite dalla Terra verso gli altri corpi del Sistema Solare, in particolare le lune ghiacciate di Giove e Saturno – Europa ed Encelado – con i loro oceani nascosti al di sotto della spessa crosta di ghiaccio. Nonostante tutti gli inevitabili fattori di incertezza, dalle stime che si possono fare (vedi il paper del 2010, “Transfer of Life-Bearing Meteorites from Earth to Other Planets“) risulta che effettivamente diverse particelle dell’impatto di Chicxulub potrebbe essere cadute sulle luna dei nostri giganti gassosi contaminandole con forme di vita primitive, anche se non è chiaro come possano avere raggiunto l’oceano sottostante la crosta. Solo l’esplorazione diretta degli oceani nascosti di queste lune potrà dirci se le eventuali forme di vita presenti possono avere un’origine terrestre o meno. In ogni caso, queste considerazioni ci fanno capire quanto possano essere di ampia portata le conseguenze di un impatto planetario su un pianeta brulicante di vita come la Terra.

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