Periodieke inslagen op aarde?

C. de Jager

Het steeds beter wordende overzicht dat we van de aardkorst hebben -- door steeds doeltreffender ondergrondse verkenningsmethoden en door geraffineerdere waarnemingen vanuit de ruimte -- heeft geleid tot de ontdekking van een aantal aardse kraters die door kosmische inslagen veroorzaakt zijn. In deze eeuw zijn enkele tientallen opvallende kraters als inslagkraters geïdentificeerd. Nadat omstreeks 1990 de krater van Chicxulub in Mexico werd ontdekt, zijn onlangs nog enkele diep in zee of onder sedimenten liggende kraters gevonden. Alle tot dusverre gevonden kraters dateren uit de laatste 400 miljoen jaren; oudere zijn door verwering moeilijk of niet meer te vinden. Werden deze kraters door planetoïden of kometen veroorzaakt? En is misschien sprake van een periodieke reeks inslagen?

In de morgen van 25 juli 1178 sloeg 'iets' in de maansikkel, zo heftig dat deze sikkel in tweeën leek te splijten. Volgens de Engelse monnik Gervasius van Canterbury, die met enkele confraters het schouwspel zag, sloegen de vlammen uit de maan. Sommige moderne onderzoekers denken dat de monniken getuige zijn geweest van het ontstaan van de krater Gordiano Bruno -- een krater die, blijkens zijn hoekige en scherpe structuren van vrij recente oorsprong moet zijn. Of het verhaal juist is? Het is niet uit andere bron bevestigd en zal dus wel apocrief blijven.
Dat de maan tot op de dag van vandaag vanuit de ruimte wordt gebombardeerd, is vanzelfsprekend: op de aarde slaan voortdurend meteorieten in en datzelfde moet dus ook gebeuren met onze naaste buur, de maan. De inslaggeschiedenis blijkt bovendien uit het pokdalige gezicht van de maan. Dit toont de gevolgen van het langdurige bombardement beter dan dat op de aarde te zien zou zijn. Analyse van de aantallen maankraters die we tellen in gebieden van verschillende ouderdom leert ons dat de meeste inslagen plaats vonden in de eerste miljard jaren van de levensgeschiedenis van de maan. Wat er nu nog neerregent is, daarmee vergeleken, maar een schijntje.
Op de maan treedt, anders dan op aarde, geen verwering op door water of lucht. Wat eenmaal gevormd is, blijft in grote trekken zo bestaan. Slechts de grote temperatuurvariaties en de voortdurend neerdalende stroom van enorme aantallen kosmische steentjes en stofjes slijpt hoekige kanten enigszins af en dat geeft onderzoekers toch enige mogelijkheid oudere van jongere kraters te onderscheiden. Maar in beginsel blijft elke inslag tot in lengte van tijden zichtbaar. Kleine inslagen veroorzaken putjes, grotere zijn verantwoordelijk voor de maankraters en in de zeer zeldzame gevallen dat een object van enkele honderden km middellijn insloeg, werd een walvlakte gevormd die volliep met gesmolten magma.

1. De Arizona-krater (achtergrond) was de eerste waarvan kon worden vastgesteld dat het een inslagkrater is. Eugene Shoemaker besteedde een belangrijk deel van zijn carrière aan het onderzoek aan deze (en andere) inslagkraters.

Kratervormen

De inslagen vinden plaats met snelheden tussen enkele en 70 km per seconde, en de energie die dit vertegenwoordigt is voldoende om het grootste deel van het ingeslagen stuk te doen verdampen. De plotselinge vergroting van het volume (gas neemt veel meer ruimte in dan het vaste object) veroorzaakt een hevige explosie die materiaal van het ingeslagen object en uit de directe omgeving ervan vanuit het inslaggat de ruimte in doet schieten. Het opgeworpen gruis valt neer tot ver van het punt van inslag. Soms kan maangruis zelfs van de maan ontsnappen en sommige brokstukken kunnen zelfs op aarde neerstorten. Inmiddels zijn ruim tien van zulke maanmeteorieten gevonden.
Als het projectiel niet te groot is, vormt zich een kleine krater. Een voorbeeld daarvan op aarde is de Arizona- of Barringerkrater, die ruim een kilometer in middellijn meet (afb. 1). Hij moet zijn veroorzaakt door een brokstuk dat, als het rond was, een middellijn moet hebben gehad van ca. 50 meter. Opvallend in deze krater zijn: de opstaande wal, veroorzaakt door uitgeworpen en daarna weer neergevallen materiaal en de diepe kuil. Die kuil was direct na de inslag bijna twee maal dieper dan hij nu is, maar hij werd onmiddellijk opgevuld door neervallende en neerglijdende stukken rots, steen en grond uit de omgeving (afb. 2). In de verstoorde grond van de kuilbodem vindt men nog steeds de getuigen van de inslag. Dit zijn grote en kleine steenfragmenten, verbrokkelde rotsblokken, alle gekarakteriseerd door breuken en breukvlakken. Maar ook in nog diepere lagen, in de op zichzelf nog vrij ongestoorde ondergrond, ziet men breuken en scheuren de diepte in lopen. Ook treft men enigszins lensvormige formaties aan, die gevolg zijn van gesmolten en daarna weer gestold gesteente.

2. Schets van een doorsnede van een kleine krater. Een voorbeeld van zo'n krater is die van Arizona (uit: Encyclopedia of the Solar System).

3. Schets van de doorsnede van een grote krater. De eindvorm wordt reeds bereikt na een tijdsinterval van minuten. Een voorbeeld: de krater van Chicxulub (uit: Encyclopedia of the Solar System).

Typisch voor sommige inslagkraters zijn de tot op grote afstand weggeslingerde tektieten. Dit zijn donkere glasachtige lichamen die ontstonden toen zand of andersoortige grond door de grote hitte smolt en snel daarna weer stolde. Dat ze snel gestold zijn blijkt uit de daarin voorkomende slieren: onregelmatige slangen van glas met een andere dichtheid.
De grotere kraters, met een middellijn van vele tientallen tot honderden km, zijn veroorzaakt door inslagen van lichamen met een middellijn van enkele tot enkele tientallen km. Deze kraters hebben wel in hoofdzaak dezelfde structuur als de kleinere, maar vertonen in hun randgebieden vaak een terrassenlandschap, ontstaan als gevolg van inzakking van de omringende bodem (afb. 3). De krater van Chicxulub, onlangs in Zenit beschreven (Zenit 25, p. 82, 1998), is daar een voorbeeld van.

4. Overzicht van de plaatsen op aarde waar tot 1994 kraters werden aangetroffen (uit: Encyclopedia of the Solar System).

Vele kraters op aarde ontdekt

Het is heel wat lastiger om kraters op aarde te ontdekken dan op de maan. Vooral in de tropische oerwouden, met hun alles overwoekerende verwering door de vegetatie en door tropische regens, zijn de resten van een inslag niet lang zichtbaar. Meer kans op ontdekking van kraters heeft men in woestijngebieden en in de toendra's van Canada en Siberië (afb. 4).
Het is in dit verband interessant om te vergelijken hoeveel kraters van vergelijkbare omvang men op een deel van de maan aantreft, vergeleken met een even groot deel van het aardoppervlak. Ruwweg genomen blijken er op de maan per eenheid van oppervlakte ca. tien maal meer kraters voor te komen dan op aarde. Dat leidt tot een eenvoudige conclusie. We zien op de maan alle kraters, die in de ca. 4 miljard jaar waarin de maan in zijn huidige vorm bestaat, gevormd zijn. Als we op aarde op eenzelfde oppervlak tien maal minder kraters zien, dat moeten die van de laatste 400 miljoen jaar zijn. Het is een gevolg van de verwerende invloed van de aardatmosfeer.

Enkele onlangs ontdekte inslagkraters

In 1865 ontdekten Zwitserse mineralogen in een kustgebied van Argentinië, nabij de havenplaats Miramar, glasachtige stenen, die door de bevolking 'escorias' (metaalslakken) werden genoemd. De herkomst bleef onduidelijk tot men begreep met tektieten te doen te hebben. Daarop hebben Amerikaanse en Argentijnse geologen het betreffende kustgebied nader onderzocht. Over een strook van ca. 50 km lengte vond men talloze tektieten, waarvan de grootste een omvang had van twee meter! De grond daar bestaat uit löss, die in de nabijheid van deze tektiet verkleuringen toont die op verbranding duidden. De zichtbare slieren in de tektieten duiden op snelle afkoeling vanuit de vloeibare fase. Breukverschijnselen in de grond en in stenen zijn andere getuigen van de inslag.
Deze inslag, bij Playa los Lobos, moet 3,3 miljoen geleden hebben plaatsgevonden. Er zijn aanwijzingen in de Zuid-Amerikaanse sedimenten, zowel in de Atlantische als de Stille Oceaan, dat om die tijd de temperatuur ter plaatse ca. 2 graden lager was dan voor en na de inslag. Een ander mogelijk gevolg van de inslag is de afwezigheid van een deel van de fauna (bepaalde hoefdieren en buideldieren) in de aardlagen die na de inslag ontstaan zijn. Dit zou op het massale uitsterven van deze diersoorten kunnen duiden, maar biologen staan nog gereserveerd tegenover deze conclusie. Hun argument is dat er altijd wel diersoorten uitsterven en men moet geen overhaaste conclusie trekken uit iets dat een toevalligheid kan zijn.
In de Barentszzee, ca. 400 km ten noorden van Hammerfest, kenden geologen reeds lang een onderzeese structuur die aanvankelijk werd aangezien voor een zoutformatie. Pas onlangs is dit gebied nader onderzocht en nu weten we dat deze zogeheten Mjønir-formatie een inslagkrater is met een middellijn van ca. 40 km (afb. 5). Gesmolten kwartskorrels, gebroken stenen en breukverschijnselen, alsmede tektieten zijn daar het bewijs voor. Plaatselijk moeten even temperaturen van ca. 10.000 graden hebben geheerst. Uit onderzoek van de radioactiviteit blijkt de ouderdom: 150 miljoen jaar. De krater moet zijn veroorzaakt door een lichaam met een omvang van 2 km.

5. De 40 km grote Mjølnir-krater in de Barentszzee. (Illustratie gebaseerd op onderzoek door F. Tsikalas, S.T. Gudlaugsson, J.I. Faleide, en O. Eldholm, vakgroep geologie, Univ. van Oslo, Noorwegen )

De oorzaak: planetoïden of kometen?

De vraag die in dit verband steeds weer gesteld wordt is of de inslagen veroorzaakt worden door planetoïden of door kometen. Eén voorbeeld is goed onderzocht: de krater van Chicxulub is door een planetoïde veroorzaakt. Verder weten we dat de kans groot is dat de aarde door een planetoïde getroffen wordt. Er zijn namelijk veel planetoïden die dicht in de buurt van de aarde kunnen komen: de Near Earth Objects (NEA's) of aardscheerders. Nog niet zo lang geleden is een planetoïde ontdekt, 1998 DK36, die zowel dicht bij de baan van de aarde als bij die van Mercurius komt (afb. 6). Eens zal dit object op de aarde, Venus of Mercurius inslaan. Een statistisch onderzoek van aardscheerders heeft geleerd dat er naar schatting twintig zijn met een middellijn van 5 km, 1500 met een van 1 km, en 135.000 met een van 100 meter. Er moeten er honderden miljoenen zijn van 10 meter middellijn. De aarde wordt, gemiddeld genomen, elke twee jaar getroffen door een object van 10 meter en elke 2000 jaar door een van 100 meter (zie ook afb. 7).

6. (Links) De baan van de planetoïde 1998 DK36 in het zonnestelsel. Het is een buitenbeentje vergeleken met de andere planetoïden. Deze houden zich hoofdzakelijk op tussen de banen van Mars en Jupiter (uit: The NEO News)

7. (Rechts) De kans dat de aarde getroffen wordt door een planetoïde of meteoriet van een bepaalde omvang. Horizontaal: middellijn van het object; verticaal: gemiddeld tijdsverloop tussen twee inslagen, in jaren.

Kometen zijn brozer van structuur, bestaan voor een groot deel uit ijs en andere bevroren gassen, bevatten minder gesteente dan planetoïden. De inslag van Toengoeska in Midden-Siberië (30 juni 1908) was door een komeet veroorzaakt. Hij ontplofte op een hoogte van ca. 8 km boven de grond, een gevolg van de broze structuur. Van kometen kan men dus minder gauw een inslagkrater verwachten dan van een planetoïde. De reden om de kometen niet geheel uit te sluiten als mogelijke kandidaten voor inslagkraters is dat er aanwijzingen zijn voor een vlaagsgewijs optreden van inslagen. Zoiets kan men wel van kometen verwachten, maar niet van planetoïden.

8. De plaatsen van de Chesapeake krater, het strooiveld, Tom's Canyon en de krater van Popigai (uit: The Planetary Report).

Een vlaag van inslagen?

Bij olieboringen in het continentale plat voor de oostkust van de VS, nabij Atlantic City, werden in een van de boorgaten, boorgat 612, de ons nu bekende aanwijzingen van een inslag gevonden: tektieten, geschokt kwarts, breukverschijnselen. Bestudering van microfossielen leidde tot een ouderdom van ca. 35 miljoen jaar. Er werd daar echter geen krater gevonden; eerder leek het er op dat men te maken had met een strooiveld van uitgeworpen materiaal. Nader onderzoek in de wijde omgeving toonde ook op andere plaatsen bij de oostkust van noord en midden Amerika uitgeworpen materiaal van dezelfde ouderdom. Ergens moest in die tijd een enorme inslag hebben plaatsgevonden.
Die krater werd tenslotte in seismisch onderzoek gevonden aan de monding van Chesapeake baai, in de buurt van Newport (afb. 8). Onder 1400 meter water en 350 meter sedimenten ligt daar een krater van 80 km middellijn en met een diepte van 1 km. Hij is ongeveer 35 miljoen jaar geleden ontstaan. Het strooiveld heeft een oppervlak van 8 miljoen km2.
Dat er in die tijd meer gebeurd moet zijn blijkt uit de vondst van een andere krater met dezelfde ouderdom in hetzelfde gebied. Tom's Canyon ligt in zee bij de kust van het noorden van de V.S. Hij heeft een middellijn van 19 km. Die omvang sluit al uit dat we hier met een secundaire krater te doen hebben. Het is onmogelijk dat bij de inslag van Chesapeake een brokstuk van naar schatting een halve tot één km middellijn (een stuk met een gewicht van honderden miljarden kg) zover uitgeworpen kon zijn.
De aandacht werd echter pas goed getrokken toen bleek dat óók de krater van Popigai in Noord Siberie uit die tijd stamt. De krater heeft een middellijn van 85 km. En een meteoriet die bij Massignano in Italie werd gevonden blijkt ongeveer even oud te zijn. De onderstelling is dat hij met Popigai (of Chesapeake?) te doen heeft. Hoewel de leeftijden van deze kraters bepaald niet tot op de dag nauwkeurig kunnen worden vastgesteld, is het verleidelijk om de volgende vraag te stellen: is de aarde 35 miljoen jaar geleden getroffen door een vlaag van hemellichamen?

Scheikundige aanwijzingen

We noemden hierboven reeds enkele directe aanwijzingen voor inslagen: breukverschijnselen, vooral gebroken stenen, gesmolten en daarna gestold kwarts, tektieten. Maar er zijn ook scheikundige aanwijzingen. Een daarvan is het zeldzame element iridium. In de aardkorst komt het weinig voor: het is siderofiel (ijzerminnend) en is met ijzer en andere ijzerminnende elementen naar de aardkern gezakt. In planetoïden en kometen komt het echter in de oorspronkelijke kosmische samenstelling voor. Daar is de abondantie (d.i. de relatieve hoeveelheid) ca. 400 maal groter dan op aarde. Komt men dus ergens, naast de bovenstaande aanwijzingen, veel iridium tegen, dan is dat een extra teken dat we met een inslagkrater te maken hebben.
Een ander element dat op een kosmische herkomst duidt is het heliumisotoop ³He. Het is schaars op aarde: het komt bij ons honderdduizend maal minder voor dan het gewone ⁴He. In kosmisch stof dat lang in de omgeving van de zon heeft vertoefd is de abondantie echter honderden malen groter. Dit komt doordat bij uitbarstingen op de zon het ³He veel sterker dan het gewone ⁴He versneld wordt en uitgeworpen. Dat betekent dat in de ruimte om de zon het zo zeldzaam voorkomende ³He relatief gesproken veel meer voorkomt dan in de zon zelf. In de coronale massauitstotingen (zie juli/augustus-nummer) ziet men een enkele maal zelfs evenveel ³He als ⁴He!
Kosmisch stof dat tussen de planeten cirkelt wordt door dit gas getroffen, het kan deze atoomkernen opnemen en zo wordt het stof verrijkt aan ³He. Veel ³He in het aangetroffen gruis duidt daarom op een kosmische herkomst van het materiaal.
Opmerkelijk is dat in sedimenten van rond 35 miljoen jaar geleden de hoeveelheid ³He langzaam is toegenomen en gedurende ruim een miljoen jaren aanzienlijk groter was dan daarvoor en daarna (afb. 9). Ook zijn er enkele pieken in het iridiumgehalte. Deze pieken worden geassocieerd met de inslagen van Cheasapeake en Popigai.

9. De toename van het 3He-gehalte in de sedimenten die omstreeks 35 miljoen jaar geleden gedeponeerd zijn (trappenlijn), vergeleken met de hoeveelheid die verwacht kon worden ingeval van een kometenvlaag (onderbroken lijn). De pijlen slaan op tijdstippen waarvoor een verhoogd Ir gehalte van de bodem gemeten werd. De doorgetrokken lijn geeft de berekende hoeveelheid ingevangen kosmisch stof tengevolge van de kometenvlaag (uit: The Planetary Report, 1998).

Sommige onderzoekers trekken hieruit een gewaagde conclusie: de aarde zou in die tijd getroffen zijn door een vlaag van kometen. We weten dat de zon omringd wordt door de kometenwolk van Oort, een wolk van ca. 10 biljoen komeetkernen, die traag om de zon cirkelen op afstanden tussen 1 en 2 lichtjaren. Van deze komeetkernen zullen we weinig merken tot een ster in de nabijheid van de wolk komt en de regelmatige omloop door zijn aantrekking verstoort. Dit kan van allerlei tengevolge hebben. Sommige komeetkernen zullen versneld worden in hun loop, sommigen zullen zelfs zodanig versneld worden dat ze de Oortwolk verlaten en de ruimte invliegen. Maar enkelen zullen zo sterk vertraagd worden dat ze praktisch gesproken naar de zon toe 'vallen'. Dit zijn de 'nieuwe kometen' die we vanuit de aarde waarnemen. Jaarlijks ontdekken we een half dozijn van zulke nieuwelingen, maar als de Oortwolk hevig verstoord wordt, zouden het er wel eens veel meer kunnen zijn.
De zon beweegt om het centrum van het melkwegstelsel met een snelheid van ca. 200 km per seconde. Het melkwegvlak is een omvangrijke maar dunne, pannenkoekachtige structuur waarin het aantal sterren veel groter is dan in het gebied waar de zon nu vertoeft -- boven het melkwegvlak. Tijdens de beweging van de zon wordt hij aangetrokken door de massa die zich in het melkwegvlak bevindt. We weten vrij nauwkeurig hoeveel materie zich daar bevindt. De aantrekkende kracht hiervan, gepaard aan de voortgaande beweging van de zon om het centrum van het Melkwegstelsel heeft tot gevolg dat de zon met zijn schare van planeten tijdens het voortgaan een op en neer golvende beweging maakt. Daarbij doorkruist hij ruwweg eens in de 35 miljoen jaar het melkwegvlak. Bij zo'n passage door het melkwegvlak ontmoet hij meer sterren dan buiten het melkwegvlak het geval is, en dan is de kans op verstoring van de Oortwolk dus aanzienlijk groter dan normaal. Een deel van de in hun beweging gestoorde kometen kan zonwaarts koersen en de aarde treffen.

10. Aardse inslagen en de tijdstippen waarop deze inslagen plaats vonden. De zwarte blokjes slaan op de grootste inslagen. De sterrenkundige Stothers meent hier een periodiciteit van ca. 36 miljoen jaar in gevonden te hebben; zie de pijltjes (uit: Monthly Not. R.A.S.).

Als dat zo is, moet er een periodiciteit waarneembaar zijn in de komeetinslagen in de aarde. Het proces zou zich ongeveer om de 35 miljoen jaar moeten herhalen. Laten we daartoe eens nagaan in welke tijden inslagen op aarde plaatsvonden. Afb. 10 toont de tijdstippen van de inslagen uit de laatste honderden miljoenen jaren. Zwarte balkjes duiden op grote inslagen. Voor een objectieve waarnemer is in de afbeelding weinig regelmaat te herkennen, maar de sterrenkundige Stothers, die dit materiaal heeft geanalyseerd, is tot de conclusie gekomen, dat als er een herhaling in de inslagen zit, deze een periodiciteit heeft van ca. 36 miljoen jaar (zie de pijltjes in het diagram) Dat is bijna gelijk aan de tijd tussen twee doorgangen van de zon door het melkwegvlak.
Het is een interessante conclusie die, zoals duidelijk moge zijn, nu nog niet veel meer is dan een hypothese, maar wel een om te blijven vervolgen. We zullen echt nog meer kraters moeten vinden om enige zekerheid te krijgen.

Geen onmiddellijk gevaar

Als er al sprake is van periodieke 'vlagen' van inslagen, hoeven we ons voor de nabije toekomst geen zorgen te maken over een 'bombardement' vanuit de Oortwolk. Amerikaanse en Franse sterrenkundigen hebben de bewegingen van sterren in de nabije omgeving nauwkeurig in kaart gebracht met behulp van de gegevens van de Hipparcos-satelliet (Astronomical Journal 117, blz. 1042). Uit het onderzoek blijkt dat de komende twee miljoen jaar slechts één ster daadwerkelijk door de Oortwolk zal bewegen. Het betreft Gliese 710, die ons over 1,4 miljoen jaar op een afstand van 1,1 lichtjaar zal passeren.
Behalve Gliese 710 zullen nog ongeveer 25 sterren de zon tot op minder dan tien lichtjaar naderen. Maar alleen Gliese 710 zal voldoende invloed op de komeetkernen in de Oortwolk hebben om deze in de richting van de zon af te buigen. Volgens de onderzoekers zullen bij de passage twee à drie miljoen komeetkernen in de richting van de zon 'vallen'. Dat lijkt veel, maar als je bedenkt dat hun aankomsttijden zich zullen uitsmeren over een periode van ongeveer twee miljoen jaar, gaat het om slechts één extra komeet per jaar. Voor een 'vlaag' van inslagen zal de passage van Gliese 710 dus waarschijnlijk niet zorgen.

Literatuur:
The NEO News, 5, (3), 1998
Paag: The Planetary Report 18 (5), 1998
Schultz et al.: Science 282, 1998
Stothers: Monthly Not. R.A.S. 300, 1998
Taylor: Destiny or Chance, 1998
Weissman et al.: Encyclopedia of the Solar System, 1999

Overgenomen uit Zenit, oktober 1999, blz. 427.