Il presente articolo è stato inserito nella sezione d'archivio Pianeta Terra

 

Il cratere Chicxulub è la "pistola fumante" dell'indiziato principale responsabile dell'estinzione di massa che ha eliminato i dinosauri. Nuovi studi basati su dati geologici e geofisici indicano che l'impatto potrebbe essere avvenuto in condizioni tali da comportare i peggiori effetti sull'ambiente.

Il cratere di Chicxulub è forse la struttura terrestre da impatto asteroidale più studiata, benchè la sua scoperta sia piuttosto recente. Nel 1978 il geofisico Glen Penfield, dipendente della PEMEX Petroleum (la compagnia petrolifera di stato del Messico) individuò una distribuzione delle anomalie magnetiche a forma di arco presso la costa caraibica della penisola dello Yucatan. Questo iniziale indizio, scaturito da indagini eseguite per tutt'altri scopi, incuriosì Penfield che iniziò a cercare i risultati di precedenti indagini geofisiche nell'area, riuscendo a rintracciare una carta degli anni '60 riportante le anomalie gravimetriche rilevate nella stessa area. La forte correlazione tra la distribuzione delle anomalie magnetiche e gravimetriche portò Penfield ad ipotizzare l'esistenza di una struttura da impatto di notevoli dimensioni (180 km di diametro) sepolta sotto i sedimenti superficiali e ubicata per metà in mare e per metà sulla terraferma.

Successive indagini consolidarono l'ipotesi dell'impatto e il cratere Chicxulub divenne l'indiziato principale cui ascrivere la responsabilità, forse parziale ma certamente non secondaria, di una delle estinzioni di massa che hanno colpito più volte la vita terrestre. A causa della coincidenza cronologica tra l'impatto e i dati paleontologici indicativi dell'estinzione dei dinosauri il cratere è oggi diffusamente citato come la firma lasciata dal "killer" dei dinosauri, che ancora non ha tuttavia un volto ben preciso: meteorite o nucleo cometario?

Chicxulub non è il cratere terrestre più recente tra quelli di grande diametro ma è tra i meglio conservati essendo rimasto sepolto sotto una coltre di sedimenti fin dai primi momenti dopo il catastrofico impatto e perciò protetto dall'erosione. Gli indizi utili a definire le modalità di un impatto asteroidale e le possibili conseguenze passano in generale per dati di carattere geofisico e geologico, cioè rilievi eseguiti nell'area dove si trova il cratere e nelle aree circostanti, talvolta anche in siti piuttosto distanti dal centro del cratere. La morfologia quasi inalterata nonostante i 66 milioni di anni trascorsi dalla sua formazione rende il cratere Chicxulub particolarmente adatto ad essere studiato per ottenere informazioni sulla dinamica dell'impatto.

I rilievi eseguiti nel sito di Chicxulub sono stati sia di tipo diretto, cioè analisi molto dettagliate di rocce prelevate dal cratere tramite perforazioni a varia profondità (per esempio analisi petrografiche per individuare tracce di esposizione a elevate pressioni da impatto), che di tipo indiretto, cioè misurazioni dei campi magnetico e gravitazionale locali nonchè della velocità con cui le onde sismiche si propagano nel sottosuolo. L'insieme di tutti questi dati è finalizzato ad ottenere un quadro il più preciso e completo possibile della struttura da impatto. Il quadro così ottenuto costituisce la base da cui partire per ipotizzare gli scenari plausibili del fenomeno, tenendo naturalmente conto anche dei fattori astronomici.

Studi di questo tipo sono tutt'altro che semplici. Una difficoltà, tanto per citare la più immediata, sta nel riuscire a discernere quali tra le caratteristiche geologiche oggi riscontrabili nel sito siano effettivamente state generate dall'impatto oppure fossero preesistenti. La distinzione è cruciale: certe caratteristiche geologico-morfologiche particolari possono indicare, se ascritte all'impatto, un angolo di incidenza dell'impattore più o meno lontano dalla verticale e, di conseguenza, influenzare in modo determinante la stima della quantità di materiali vaporizzati e immessi nell'atmosfera. A loro volta queste stime conducono a differenti scenari post-impatto. Si stima che impatti asteroidali perpendicolari alla superficie siano molto rari, circa 1 caso su 15 avviene con un angolo compreso tra 75° e la verticale e solo 1/4 degli impatti avviene con angoli compresi tra 60° e la verticale. La determinazione dell'angolo d'incidenza è quindi un aspetto non secondario nel fenomeno.

Per poter risalire dalle caratteristiche strutturali dell'area del cratere alle probabili condizioni dell'impatto e in particolare al probabile angolo d'incidenza occorre risolvere problematiche di non trascurabile complessità: si tratta di simulare l'impatto e verificare quanto le sue conseguenze si accordino con i dati rilevati nel cratere e nel suo intorno.

La simulazione può esser condotta tramite un "modello" numerico, cioè ipotizzando una situazione iniziale definita geometricamente e fisicamente (un certo numero di strati con differenti valori di spessore, densità, rigidità, una certa distribuzione di piani di discontinuità, fratture, faglie e così via). L'impattore a sua volta va ipotizzato con certe caratteristiche di base, principalmente dimensione e densità. Infine occorre definire il valore di velocità dell'impattore e la direzione del suo moto rispetto alla superficie terrestre al momento dell'urto.

In generale il numero di parametri ed i limiti entro cui essi possono variare rendono il modello e la simulazione del fenomeno più o meno complessi e onerosi dal punto di vista computazionale. In particolare le difficoltà di calcolo divengono notevoli quando la simulazione è condotta in 3 dimensioni, dove in sostanza si tratta di suddividere il modello in piccoli volumi omogenei per caratteristiche, vincolati gli uni agli altri da relazioni ben precise e calcolare l'effetto prodotto su ciascun volume al momento dell'impatto e negli istanti successivi. Ogni piccola porzione in cui è suddiviso il modello è influenzata dall'urto in modo diverso in funzione della sua posizione, dei valori dei parametri che la contraddistinguono e da quanto accade alle porzioni confinanti. Non è un lavoro semplice ma permette di valutare l'influenza dell'angolo di incidenza dell'impattore.

In ogni caso anche una volta ottenuto un risultato apparentemente in buon accordo con i dati rilevati, non è detto che la simulazione abbia riprodotto davvero quanto accaduto in realtà; il risultato è solo uno tra i molti possibili (virtualmente infiniti) e anche una volta stabiliti precisi limiti di plausibilità è bene tenere sempre presente che la simulazione è affetta da margini di incertezza non eliminabili poichè si è costruito il modello in base ad un certo numero di assunzioni di partenza e non di dati "certi" e poiché il modello è per sua natura composto da piccoli volumi, cioè è “discretizzato” in singole unità, mentre la realtà geologica non lo è.

Un recente articolo (Collins G. S., Patel N., Rae A. S. P. et al. 2020. Nature Communications)¹ ha presentato il risultato di una simulazione tridimensionale dell'impatto elaborata con un programma di calcolo sviluppato da uno degli autori anni addietro specificatamente per simulare gli impatti asteroidali e successivamente potenziato, migliorato e raffinato (codice iSALE²).
I dati ottenuti dalle indagini condotte sul sito di Chicxulub hanno evidenziato asimmetrie strutturali nel cratere, tra queste alcune non sono riconducibili a condizioni geologiche preesistenti all'impatto e sono state pertanto prese come termini di riferimento con cui confrontare i risultati forniti dalla simulazione numerica.

La simulazione è stata condotta ipotizzando svariate situazioni differenti, dal diametro dell'impattore (da 16 a 21 km) alla sua velocità (da 12 km/s a 20 km/s) e, naturalmente, all'angolo rispetto alla superficie orizzontale (da 90° a 30°) fino ad individuare le condizioni iniziali per cui la simulazione producesse un risultato finale in accordo con le caratteristiche rilevate nel cratere.
L'animazione che segue riporta la ricostruzione dell'impatto lungo una sezione trasversale del modello 3D. In grigio scuro il mantello superiore, in grigio chiaro la crosta terrestre, in marrone chiaro i sedimenti superficiali, in rosso la roccia fusa e in gradazioni di azzurro la roccia con strutture da chock d'impatto (al colore più intenso corrispondono le strutture causate dalle massime pressioni). La griglia in nero evidenzia le deformazioni subite dai volumi di roccia. L'animazione è accelerata, lo scorrere del tempo è mostrato nell'angolo in alto a destra.

 

 

Al di là dei risultati discussi nell'articolo (di cui si parla più avanti) l'animazione è molto utile per rendere contezza delle apocalittiche dimensioni del fenomeno, ben oltre gli ordini di grandezza con cui l'uomo è abituato a confrontarsi. L'impattore artefice di Chicxulub non è altro che un proiettile se paragonato alla Terra, con un diametro appena superiore ad una decina di km (al massimo 20) e una velocità compresa tra 10 km/s e 20 km/s circa, tutt'altro che impressionante, astronomicamente parlando. Eppure gli effetti immediati dell'urto sono devastanti.

La simulazione mostra con chiarezza che l'intero spessore della crosta continentale, 30 km di roccia compatta con una pellicola di sedimenti superficiali, viene trapassato. In venti secondi il "buco" giunge a lambire la discontinuità tra crosta e mantello superiore (discontinuità di Mohorovicic), questa si inflette seguendo l'affossamento subito dal mantello sottostante. I bordi del cratere iniziale si innalzano oltre i 30 km, ben al di sopra del limite troposferico, e ricadono in chilometrici brandelli, in parte fusi, a decine e decine di chilometri dal punto dell'impatto. Sono passati circa 2 minuti e mezzo dall'istante zero, il mantello rilascia l'energia accumulata e si gonfia sospingendo verso l'alto per 5-6 km i resti della crosta soprastante. Le pareti dell'immane vuoto si richiudono sotto l'effetto della gravità e il centro inizia a risalire per effetto del "rimbalzo elastico" (come la crosta gravata dalla calotta glaciale si rigonfia nei periodi interglaciali caldi, a scioglimento avvenuto e in tempi molto lunghi).

Un ipotetico osservatore molto distante avrebbe visto a questo punto lievitare in un minuto una gigantesca struttura montuosa fino all'altezza di 11-12 km (ben più dell'Everest). Nel minuto e mezzo successivo il bubbone si allarga e collassa lasciando sul luogo dell'impatto la struttura circolare più o meno come la troviamo oggi, mentre imponenti sciami sismici accompagnano gli ultimi sussulti della crosta terrestre e del mantello superiore. Sono passati in tutto circa 10 minuti, la fase parossistica dell'impatto è terminata ed è già iniziata la fase secondaria: uno tsunami probabilmente globale, l'immissione in atmosfera di enormi quantità di vapor d'acqua, CO₂, polveri e la propagazione di un'onda di calore. Questi fenomeni, ritenuti plausibili ma di entità e portata ancora tutte da definire, esulano dalla ricostruzione in oggetto ma la loro quantificazione dipende dalle modalità dell'impatto.

L'animazione che, va ricordato, non è una ricostruzione artistica ma il risultato di una modellizzazione numerica tridimensionale appoggiata a procedimenti computazionali ben precisi e vincolata da specifiche condizioni fisiche, evidenzia molti dettagli. Tra questi vi è la posizione dei volumi di roccia che hanno subito la fusione e la distribuzione degli indicatori delle pressioni dovute all'impatto (strutture e microstrutture nei campioni di roccia), entrambi dei veri e propri “traccianti”.

Le conclusioni tratte nell'articolo sono derivate da una serie di simulazioni condotte, come detto, in condizioni via via diverse. La sezione di fig. 1 riporta il risultato finale (cioè una volta che nell'area è terminata la quasi totalità delle sollecitazioni meccaniche dovute all'impatto) di due delle simulazioni. In questo caso è stato ipotizzato un impattore di diametro 16 km, densità di 2630 kg/m³, velocità all'impatto di 12 km/s. In (a) il risultato per una traiettoria inclinata di 45° e in (b) di 90° (impatto verticale).

E' subito evidente la simmetria della struttura del cratere nel caso di impatto verticale (b) e l'asimmetria nel caso di impatto inclinato (a) dove l'impattore proviene dalla destra della sezione. In particolare sono la distribuzione dei volumi che hanno subito fusione (punti rossi) e la distribuzione degli indicatori di pressione da shock (gradazioni di azzurro, vedi riquadri ingranditi) a fornire importanti indicazioni da confrontare con i dati sperimentali raccolti nel cratere.

La fig. 2 riporta i risultati delle simulazioni che gli autori ritengono tra quelli maggiormente in accordo con i dati di campagna. E' stato ipotizzato un impattore con densità di 2630 kg/m³, velocità all'impatto di 20 km/s. In (a) il risultato per una traiettoria inclinata di 30° sull'orizzontale con diametro dell'impattore di 16 km e in (b) di 60° con diametro dell'impattore di 13 km.

Il notevole valore (e difficoltà di elaborazione) della ricostruzione risiede, come detto, nel fatto che essa sia tridimensionale, ciò rende i risultati direttamente confrontabili con la distribuzione dei valori misurati sul campo per i vari parametri. Tra i particolari val la pena notare come anche il mantello superiore abbia risentito dell'impatto: inizialmente la superficie di contatto con la base della crosta terrestre (la discontinuità di Mohorovicic) si è infatti infossata per poi “rimbalzare” verso l’alto alla ricerca di un nuovo stato di equilibrio.

Inoltre un rapido sguardo all’andamento delle linee che formano la griglia permette di farsi un’idea della pervasività del fenomeno: sono presenti ripiegamenti drammatici, persino inversioni di giacitura (cioè superfici che originariamente formavano la base degli elementi della griglia dopo l’impatto si trovano a formare il tetto) fino a distanze di almeno 60 km dal punto dell’impatto.

La fig. 3 riporta i “fotogrammi” di 4 momenti successivi della simulazione con l’impattore avente diametro di 16 km, velocità 20 km/s e angolo di incidenza di 30° con l’orizzontale.

La fig. 4 riporta le risultanze delle simulazioni in 4 diverse condizioni e con vista dall’alto, elemento di estrema importanza che una ricostruzione bidimensionale non può fornire. E’ chiara l’asimmetria morfologica del cratere e della disposizione degli elementi che hanno subito fusione (in rosso) nonché delle strutture da chock pressorio (in blu) quando l’impatto non avviene verticalmente (riquadri a, b, c). L’accordo con i dati di campagna non è solo qualitativo ma anche quantitativamente convincente.

Lo studio mostra quindi che l’ipotesi di un impatto non verticale all’origine del cratere Chicxulub è senz’altro consistente con le misure e i dati sperimentali rilevati nell’area e nel suo sottosuolo. In particolare la simulazione numerica indica che un angolo della traiettoria dell’impattore con la superficie compreso tra 60° e 45° (e direzione da nordest verso sudovest) è probabile. In base ad altri studi si ritiene che queste siano le condizioni con la maggiore capacità di vaporizzare CO2 e zolfo dai sedimenti originariamente presenti nel sito di Chicxulub, circa una massa totale doppia o tripla rispetto a quella vaporizzata da un impatto verticale e circa un ordine di grandezza superiore a quella vaporizzata da un impatto con un angolo molto basso (15°).

Insomma ai poveri dinosauri sembra sia andata proprio male: la sfortuna non solo pare che abbia mirato bene ma che abbia anche fatto in modo di massimizzare gli effetti distruttivi su scala globale e a lunga scadenza piuttosto che quelli immediati (già comunque catastrofici) e su scala locale.

1 - https://www.nature.com/articles/s41467-020-15269-x#Sec1

2 - https://isale-code.github.io/

 

QUI un'indagine sul possibile mandante del genocidio dei dinosauri, condotta dal prof. Zappalà negli anni '80!