Page 29711.5 Giant Impacts

Every few thousand years, the Earth is hit by a large meteoroid, a body tens of meters or more in size.Such bodies will produce not only a spectacular glare as they pass through the atmosphere but also anenormous blast on impact. Such large meteoroids have a very large kinetic energy, that is, energy ofmotion. If the meteoroid does not burn up on passage through the atmosphere, its remaining kineticenergy is released when it hits the ground.

Meteor Impacts on Earth

About 100 tons of meteoroids strike the Earth every day! Fortunately, the Earth's atmospheresignificantly slows down or burns up the great majority of these, which then drift down as dust and ash(see Astronomy by the Numbers: “The Energy of Impacts”). However, our atmosphere can do little toslow meteoroids that are more than a few feet across, and so although rare, they can potentially causeserious damage. An impact by a meteoroid the size of a football stadium would have the explosive powerof the largest thermonuclear bombs ever built. When a body this size strikes the Earth at orbital speeds,the energy released travels away from the site of impact in a shock wave that blasts out a deep crater, asillustrated in figure 11.22. Were such a body to hit a heavily populated area, the results would becatastrophic. Fortunately, we have been spared such disasters recently, but there have been some closecalls and some truly horrific impacts in the distant past.

Figure 11.22A computer simulation of a crater's formation.

Many giant meteor craters scar our planet. One of the most famous is in northern Arizona (fig. 11.23).About 50,000 years ago, a meteoroid estimated to have been some 50 meters in diameter hit the Earthabout 40 miles east of what is now Flagstaff. Its impact vaporized tons of rock, which expanded andpeeled back the ground, creating a crater about 1.2 kilometers across and 200 meters deep.

Figure 11.23

Photograph of the Arizona meteor crater, which is more than 1 kilometer across. The inset image showsone of the iron meteorites found at the site.ASTRONOMY by the numbersTHE ENERGY OF IMPACTS

The energy released when a meteoroid strikes the Earth can be huge, as we can easily show from theformula for a body's kinetic energy, E, given by the expression.

where m is its mass and V is its velocity.

An iron meteoroid 3 meters (10 feet) in diameter, or a rocky meteoroid 4 meters (13 feet) in diameter, hasa mass of about 100,000 kilograms (about 100 tons). If it were traveling at 30 kilometers per second (=3× 104 meters per second) relative to the Earth, the kinetic energy of impact would be

which is about the same as that released when 10,000 tons of TNT are exploded. This is comparable tothe nuclear bomb that destroyed Hiroshima.

Such an object hitting the Moon would make a crater roughly 100 meters (300 feet) in diameter. Strikingthe Earth, it would be just big enough that some fragments might reach the ground.

Page 298

More recently, in 1908, an asteroid broke up in our atmosphere over a largely uninhabited part of north­central Siberia. This so­called Tunguska event, named for the region where it hit, leveled trees radiallyoutward from the blast point to a distance of some 30 kilometers. The blast was preceded by a brilliantfireball in the sky and was followed by clouds of dust that rose to the upper atmosphere. Sunlightreflected off this dust gave an eerie glow to the night sky for several days. According to some accounts,the blast killed two people. Casualties were few because the area was so remote. Unfortunately, scientistsdidn't visit the site until about two decades later, because of the political turmoil in Russia at that time.When they did reach the site, they found no crater, just the felled trees. Interestingly, trees at the center ofthe damaged area were left standing vertically but with their branches stripped off. Thus, the explosionmust have occurred in the air (see Science at Work: “Ghost Craters, or No Telltale Fragments”).

A more recent event that again did not do major damage because of its remoteness was a brilliant flashdetected in February 1994 over the South Pacific ocean by a spy satellite. Analysis of the flash suggeststhat it marked the breakup of a 3­meter (10­foot) diameter meteoroid. The resulting blast had an energybetween 10 and 20 kilotons of TNT, comparable to the bomb that destroyed Hiroshima. Collisions of thissize occur about once a decade, but usually over unpopulated regions.

Although we have no recent, well­documented cases of people being killed by meteorites, such deathshave almost certainly occurred. Careful searches through newspapers have turned up many very nearmisses. Moreover, reports of meteorites hitting buildings and even cars are surprisingly common.Searching old records from Europe and China, astronomers have found instances of fatalities attributed tometeorites. One of the grimmer of these reports is from a fifteenth­century Chinese chronicle thatdescribes “stones that fell like rain” that killed 10,000 people. Even allowing for exaggeration or

misinterpretation of these old records, meteoroids are certainly far from harmless.

More ancient impact scars occur in many places on our planet. The huge, ring­shaped ManicouaganLake, about 70 kilometers (43 miles) in diameter and pictured in figure 11.24, is a meteor crater, as isWolf Creek Crater in northwestern Australia. Astronomers have found even larger craters but are notsure they are impact features. Two such craters are the vast arc (nearly 500 kilometers across) on the eastedge of Hudson Bay and a basin (about 300 kilometers across) in central Europe. Still other craters havebeen found through seismic studies, hidden under layers of sediment.

Figure 11.24Picture (from Earth orbit) of the Manicouagan Crater in Quebec. This winter view shows the lake thatfills the crater covered with snow.

Q. What might explain why Manicouagan Crater is so much less sharply defined than the Arizona meteorcrater?

answer

Page 299SCIENCE at workGHOST CRATERS, OR NO TELLTALE FRAGMENTS

Hypotheses to explain the Tunguska event offer a good example of how science tests and retests ideas.The lack of a big crater and the absence of meteorites at the site at first seemed to be evidence against theidea that it was caused by a small asteroid. This led some astronomers to propose that a comet mighthave caused the blast. Being icy, a comet would break up more easily—perhaps even while still in theatmosphere—so there would be no crater. Moreover, any fragments that survived would rapidlydisappear, explaining the absence of large rock or iron meteorites.* However, computer simulations ofhow an asteroid travels at high speed through our atmosphere showed what at first seemed a surprisingresult: stony or iron asteroids can also create devastation without leaving a crater or telltale fragments. Atypical asteroid approaches Earth at a speed of 10 to 30 kilometers per second. When it hits ouratmosphere, it compresses and heats the air ahead of it. The hot compressed air obeys Newton's law ofaction–reaction and exerts a tremendous force back on the asteroid that may shatter it. The resultingfragments plunge deeper into our atmosphere, where air resistance heats them further until they vaporize,

creating a fireball at a height of 20 kilometers (12 miles) or so above the ground. No trace of the asteroidsurvives to form a crater or fragments at the ground. All that remains is the 6000 K incandescent air ofthe fireball that blasts downward and out, crushing and igniting whatever lies below it, exactly the way anuclear bomb burst would.

Such calculations do not prove that an asteroid caused the Tunguska event, but they do show that the lackof meteorites does not prove that a comet was to blame.

Mass Extinction and Asteroid/Comet Impacts

At the end of the Cretaceous period, about 65 million years ago, an asteroid or comet hit the Earth. Itsimpact and the subsequent disruption of the atmosphere are blamed for exterminating the dinosaurs andmany less conspicuous but widespread creatures and plants. In fact, the sudden disappearance of largenumbers of life forms at the end of the Cretaceous period defines the end of the Mesozoic era.

The evidence that an extraterrestrial body caused this devastation comes from the relatively highabundance of the otherwise rare element iridium found in sediments from that time. Iridium, a heavyelement similar to platinum, is very rare in terrestrial surface rocks because it dissolves easily in molteniron and is one of the densest elements, so most of it sank to the Earth's deep interior at the time ourplanet formed its core. On the other hand, samples of meteoritic material contain moderate amounts ofiridium because most of these bodies have not formed iron cores. Thus, the presence of so much iridiumin a layer of clay laid down 65 million years ago is suggestive of a link to meteoritic material. Theamount of iridium in the earth sediments at that layer (fig. 11.25) is the quantity that would be dispersedfrom a piece of meteoritic material 10 kilometers in diameter. Therefore, many astronomers andpaleontologists believe the Earth was hit by an asteroid of that size.

Figure 11.25A layer of dark, iridium­rich clay marks the end of the Cretaceous period on Earth. The layer wasprobably formed when an asteroid struck the Earth. Fossils of many species are found below the layer(running diagonally across the image), but have disappeared from the more recent layers above it.

A 10­kilometer diameter asteroid hitting the Earth would produce an explosion on impact equivalent tothat of several billion nuclear weapons. The impact would not only make an immense crater, it wouldalso blast huge amounts of dust and molten rock into the air. The molten rock raining down would raisethe surface temperature as high as that under an electric broiler and ignite global wildfires. The hot

fragments and blast would also create nitrogen oxides, which would combine with water to form a rain ofhighly concentrated nitric acid. This devastating combination of heat, acid rain, and blast would then befollowed by months of darkness and intense cold caused by the dust shroud blotting out the Sun. It seemslikely that the biosphere would be devastated, leading to mass extinctions, just as the fossil record shows.

Page 300

This frightening picture is supported not only by the iridium layer and the sudden disappearance ofdinosaurs but also by a layer of soot, as well as a layer of tiny quartz pellets believed to have beencreated by the melting and blast of a violent impact. Moreover, geologists have found a large circularimpact feature (figure 11.26) about 65 million years old near Chicxulub (cheek­shoo­loob, meaning “fleaof the devil” in Mayan) in the Yucatàn region of Mexico.

Figure 11.26The Chicxulub impact structure from 65 million years ago is buried under a kilometer of sedimentaryrock, so it is difficult to trace on the surface. However, geological maps of subsurface features clearlytrace the edge of a 180­kilometer (110­mile) diameter impact crater.

The Cretaceous mass extinction may have played an especially important role in our own evolution.Before that event, reptiles were the largest animals on Earth. Subsequently, mammals have assumed thatniche. Small mammals may have escaped the fury of the heat and acid rain by remaining in burrows, andthey may have survived the subsequent cold by virtue of their fur. You may be running your fingersthrough your hair, rather than your claws across your scales, because of that impact.

Other mass extinctions have occurred earlier and later than the Cretaceous event, but many scientistsbelieve that massive volcanic eruptions or major changes in sea level might have caused them. Thus, likeso many of the most interesting issues in science, no single accepted explanation has yet emerged.