Mali świadkowie wielkich procesów

Prof. dr. hab. inż. Andrzej Manecki: - Jeszcze nieco ponad dwieście lat temu wśród naukowców panowało przekonanie, że - jeśli pominąć komety - przestrzeń międzyplanetarna jest pusta, a meteoryty są ziemskiego pochodzenia. Wiązano je z wybuchami wulkanów, z huraganami zdolnymi rozrzucać skały na dużej przestrzeni; przez długi czas panował nawet pogląd - za Arystotelesem - że powstają z rozrzedzonego powietrza. Gdy nauka definitywnie uznała pozaziemskie pochodzenie meteorytów, udało się ustanowić związek między charakterystyką materiału meteorytowego a budową naszej Ziemi. Porównując skład mineralny materii kosmicznej z głównymi sferami w obrębie kuli ziemskiej (metaliczne jądro, strefa przejściowa i skalista skorupa), stwierdzono wyraźną analogię, bowiem meteoryty także mogą być trzech typów: żelazne, żelazno-kamienne (przejściowe) i kamienne. Postawiono hipotezę, że te zróżnicowane meteoryty pochodzą z destrukcji większych planetoid, kiedy to nastąpiło stopienie materii pierwotnej i rozwarstwienie stopu (proces ten nazywamy w petrologii dyferencjacją) na podobne strefy, jak w obrębie Ziemi. Równocześnie potwierdzono, że dyferencjacja ziemska nie jest czymś wyjątkowym.

Meteoryty, w których skład wchodzą wszystkie elementy "wyjściowe" i struktury niespotykane na Ziemi, można by uznać za bardziej pierwotne, pokazujące, z jakiej materii składała się pra-Ziemia, zanim uległa przekształceniom. Te meteoryty kamienne, nazwane chondrytami, zawierają zapisaną w minerałach informację o najwcześniejszych etapach formowania się Układu Słonecznego. Badania materii pochodzenia pozaziemskiego prowadzą do rozpoznania nowych faz krystalicznych (minerałów, nanominerałów i ich kumulatów - skał), szczególnie tych nieznanych na Ziemi, oraz do poszerzenia wiedzy o procesach minerało- i skałotwórczych zachodzących w kosmosie. Stwarza to dla planetologii, kosmomineralogii i kosmochemii szansę śledzenia wczesnej historii i etapów tworzenia się Układu Słonecznego, a także, pośrednio, budowy wnętrza naszej planety. Uzyskiwane wyniki ujawniają własności i strukturę materii nieorganicznej budującej planety skaliste, planetoidy, komety, meteoryty, pyły kosmiczne, a także przybliżają warunki, w jakich owe twory powstały. Pojawiają się więc przed nauką perspektywy związane z syntezą faz krystalicznych, przy zastosowaniu "kosmicznych" technologii, czego przykładem jest masowa produkcja diamentów do celów technicznych.

Według zasady kopernikańskiej położenie Ziemi we Wszechświecie nie jest w żaden sposób wyróżnione. Czy rozciąga się to również na jej geologię? Innymi słowy, czy struktura i skład mineralny meteorytów odbiegają od tego, co znamy z badań skał na Ziemi, czy są do tego podobne?

- I tak, i nie. Materia pozaziemska meteorytów, która uległa przemianom i zróżnicowaniu, znajduje analogie wśród naszych skał ziemskich. Są to nieliczne meteoryty zwane achondrytami, pochodzące z Księżyca, Marsa i dużych planetoid. Natomiast meteoryty kamienne, chondryty, odbiegają budową, składem mineralnym i wiekiem od znanych nam skał Ziemi. Są starsze od najstarszych skał naszej planety. Chondryty są najpowszechniejsze wśród meteorytów (85% zaobserwowanych spadków) i najbardziej zagadkowe. Zawierają małe formy kuliste o średnicy kilku milimetrów, częściej jednak poniżej 1 mm, nazywane chondrami.

Chondry - małe krzemianowe, krystaliczne kulki lub tylko ich fragmenty, niekiedy zdeformowane, spękane - to najbardziej tajemnicze obiekty kosmiczne, fascynujące uczonych od dziesiątków lat. Te małe kuliste "kapsułki" zawierają zapis najwcześniejszych etapów formowania się naszego Układu Słonecznego; uważa się je za pramaterię słoneczną. Jak już wspomniałem, chondryty i chondry nie mają odpowiedników wśród skał Ziemi, Księżyca i Marsa. Badania chondr dają mineralogom i planetologom szansę poznania warunków fizycznych i chemicznych, panujących w mgławicy, z której powstały planetozymale, a potem planetoidy i planety, będące w początkowej fazie kumulatami luźnych, swobodnie zawieszonych w przestrzeni kosmicznej chondr. Chondry oglądane nieuzbrojonym okiem to małe, niepozorne, brązowo-szare kulki o chropowatej powierzchni. W większości współczesnych modeli tworzenia się chondr zakłada się, że proces ten odbywał się w mgławicy słonecznej, która miała kształt dysku, składającego się z gazu i pyłu, otaczającego protosłońce. Badania mineralogiczne i kosmochemiczne chondr pomagają zrozumieć charakter procesów zachodzących w mgławicy.

- Wśród nielicznych meteorytów z Marsa szczególną uwagę zwrócił fragment skały marsjańskiej odnaleziony na Antarktydzie (oznaczony symbolem ALH84001). Zawiera on minerały węglanowe, "ślady życia" o formach skupień, mogących wskazywać na ich organiczne (bakteryjne) pochodzenie. Pogląd ten ma tyleż samo zwolenników, co przeciwników. Mars zaliczył dwa epizody obecności wody, są tam typowe skały osadowe. Dla rozwoju prymitywnych bakterii istniały wówczas warunki, choć i tak bakterie miałyby tam niełatwo. Natomiast wiele meteorytów kamiennych, chondrytów, zawiera rozproszoną substancję organiczną, która jest dostarczana na Ziemię od zarania jej dziejów.

Bombardowanie meteorytami świadczy o ożywionej wymianie materii w kosmosie. Jeśli tak - może należy przeprosić się z hipotezą panspermii?

- To pytanie spoza mojego obszaru badań, w który wchodzi nieorganiczna materia pozaziemska, a w szczególności meteoryty i ich mineralne składniki. Mogę jedynie wyrazić własną opinię, opierającą się na logicznej analizie potencjalnego zjawiska i na ocenie meteorytowego "transportu", nie wnikając w możliwość przetrwania czy egzystowania w kosmosie przetrwalników prymitywnych form życia. Gdyby meteoryty dostarczały na Ziemię te zarodki, czymkolwiek by one były, to powinniśmy nadal odkrywać to nowe życie, które gdzieś powinno się ujawnić. Ziemia, a także jej czas nie są szczególnie wyróżnione, trudno więc sądzić, że w zaraniu ziemskiej ewolucji coś do nas docierało, a teraz przestało docierać. Meteoryty przecież nadal trafiają na Ziemię - czyżby więc źródło potencjalnych zarodków "wyschło"?

Jeśli natomiast meteoryty "zgarniają" na swoją powierzchnię te zarodki z kosmosu, to giną one w atmosferze Ziemi, bo ta powierzchnia nie dość że się topi, to jeszcze paruje. Jeśli zarodki miałyby przetrwać lot w atmosferze, to tylko we wnętrzu meteorytu, a wówczas byłyby z nim związane. Niczego takiego nie obserwujemy. W pramaterii znajdującej się w bliskim meteorytom stanie (chondryty węgliste) trudno oczekiwać życia biologicznego, bo działo się to w zaraniu dziejów tych meteorytów i całego Układu Słonecznego.

Według jednej z hipotez komety lodowe przyniosły wodę na Ziemię. Dlaczego tu - a gdzie indziej nie? Przecież inne planety były tak samo intensywnie bombardowane.

- Nasza Ziemia straciła monopol na wodę. Jak wynika z ostatnich badań, woda wypełniała również zbiorniki i tworzyła rwące rzeki na Marsie, a i obecnie zaznacza się tam drobnymi wyciekami. O śladach obecności wody na pozostałych planetach skalistych jeszcze za mało wiemy. Tam, gdzie jest woda, powstają nowe minerały i skały niewymagające do swego utworzenia wysokich temperatur i ciśnień. Takie minerały i skały stwierdzono na Marsie. Oprócz hipotezy, że wodę na Ziemię przyniosły komety, rozważa się obecnie i drugą: że źródłem wody mogły być planetoidy lodowe. Ostatnio trzy takie obiekty zidentyfikowano w Pasie Głównym Planetoid między Marsem a Jowiszem. Tego typu lodowe planetoidy mogły dostarczyć wodę na schłodzoną powierzchnię naszej Ziemi. Może jedna z nich usiłowała nawet wylądować w syberyjskiej tajdze? Skłania to do rozważenia kolejnej hipotezy o przyczynie wielkiego wybuchu tunguskiego z 30 czerwca 1908 roku. Fala uderzeniowa spaliła wówczas i powaliła drzewa w promieniu 100 km. Na miejscu zdarzenia nie stwierdzono krateru uderzeniowego, a poszukiwania meteorytu, mimo licznych prac ziemnych i wierceń, nie dały rezultatu. Moim zdaniem to nie wielki meteoryt ani też kometa o luźnej porowatej strukturze, lecz mała planetoida zbudowana ze zwartego lodu, która mogła wtargnąć w atmosferę Ziemi i eksplodować nad jej powierzchnią, siejąc spustoszenie falą uderzeniową.

Jak wygląda "widmo geologiczne" meteorytów, którymi dysponujemy? Czy można by złożyć z nich obraz hipotetycznej planety, która nie powstała między Marsem a Jowiszem?

- Kiedyś rozważano obraz takiej hipotetycznej planety w pasie między Marsem a Jowiszem. Dziś wiemy, że jest tam tzw. Pas Główny Planetoid. Według astronomów planetoidy to gruz z okresu formowania się Układu Słonecznego - prawdopodobnie grawitacyjny wpływ Jowisza uniemożliwił powstanie planety z tego materiału. Są też i inne obszary występowania planetoid, jak Pas Kuipera. Planetoidy to skaliste (krzemianowe), lodowe, a nierzadko i metaliczne ciała o nieregularnych kształtach. Zainteresowanie tymi ciałami niebieskimi rośnie, są bowiem bogatym źródłem informacji o pochodzeniu meteorytów, stanowią także potencjalne lądowiska sond i statków kosmicznych. Jak wynika z ostatnio wykonanych badań, istnieje związek pomiędzy planetoidami a meteorytami. Badając spektra odbiciowe planetoid, stwierdzono, że są one prawie identyczne jak widma niektórych grup meteorytów, co wskazuje na bardzo podobny ich skład mineralny i na wspólne pochodzenie. Zatem na podstawie badań meteorytów jest możliwe określenie składu mineralnego i przeszłości planetoid, a na podstawie badań chondr, chondrytów i obecnych w nich nanominerałów presolarnych można konstruować hipotezy początków naszego Układu Słonecznego i układów do niego podobnych.

W meteorytach żelazno-kamiennych, pallasytach, których ciałami macierzystymi są planetoidy, można szukać analogii do budowy wnętrza naszej planety. Pallasyty reprezentują strefę kontaktu metalicznego jądra i krzemianowego płaszcza rozbitej planetoidy typu planetoidy Westa.

Czy i z Ziemi materia jest wyrzucana w kosmos, np. przy wybuchach wulkanicznych?

- Aby materia z powierzchni Ziemi znalazła się na orbicie, musi się rozpędzić do co najmniej pierwszej prędkości kosmicznej (7,91 km/s). By się uwolnić od wpływu Ziemi i poruszać w obrębie Układu Słonecznego, jej prędkość początkowa na powierzchni Ziemi powinna wynosić 11,19 km/s (druga prędkość kosmiczna). Jest to wielkość, której, przy całym szacunku dla potęgi wulkanów, nie może osiągać wyrzucana z kraterów lawa. Najlżejszy materiał, popiół - mieliśmy z nim do czynienia niedawno na Islandii - jest wyrzucany na wysokość kilku kilometrów i gdzie mu tam do orbity? A co dopiero ciężka lawa, bomba wulkaniczna, która w powietrzu krzepnie, rotuje i stawia duży opór, a jej lot ma charakter lokalny.

- Tę obróbkę, bardzo efektowną, można niekiedy zaobserwować na niebie podczas pogodnej, a najlepiej i bezksiężycowej nocy. Są to charakterystyczne rozbłyski, tory lotu "spadających gwiazd", jak potocznie określa się ten efekt. Bywa też, że jest to "kula ognista", z jej lotem związane są efekty akustyczne, grzmoty, gwizdy, a z upadkiem - kratery. Obiekty wędrujące w przestrzeni międzyplanetarnej oraz skutki ich spadków na Ziemię mają w literaturze odpowiednie nazwy: meteoroid, meteor, bolid, meteoryt, deszcz meteorytów, mikrometeoryty, pyły kosmiczne itp. W niektórych zaznaczone są przez obecność charakterystycznych minerałów, efekty szokowych ciśnień, spowodowane zderzeniami. Prawdziwa obróbka cieplna zaczyna się dopiero w atmosferze Ziemi, gdzie na wysokości około 100-120 km meteoryty zaczynają trafiać na cząsteczki atmosfery ziemskiej, rozgrzewając się wskutek tarcia. Rozpoczyna się efekt hamowania i ablacji meteoroidu.

Jak wykazały badania - tylko powierzchnia topi się i sublimuje, jonizując otaczające go bezpośrednio powietrze, które zaczyna świecić. Świecenie to trwa przeważnie kilka sekund i gdy kosmiczny obiekt wyhamuje do prędkości 3-5 km/s - gaśnie. Ostatecznie tylko mała część pierwotnej masy meteoroidu, jeśli przetrzyma hamowanie, dociera na powierzchnię Ziemi. Epizod hamowania, topienia i parowania powierzchni meteorów w atmosferze ziemskiej jest, na szczęście dla naukowców, bardzo krótki. Zmiany termiczne nie przekraczają grubości milimetra, toteż wewnętrzna struktura i skład mineralny pozostają niezmienione. Można to łatwo stwierdzić, ponieważ ta zewnętrzna warstewka, tzw. skorupka obtopieniowa, różni się i oddziela wyraźnie od wnętrza meteorytów kamiennych. Natomiast w przypadku meteorytów żelaznych, na ich przekrojach odpowiednio preparowanych (trawionych), gdzie widać pierwotne struktury żelaza niklowego, tzw. struktury Widmanstättena, zanikają one tuż przy powierzchni, a wnętrze meteorytu pozostaje nienaruszone.

Podobno najlepiej zbierać meteoryty na Antarktydzie. Czy odwrotna strona Księżyca nie powinna być wielkim magazynem takich okazów? A inne ciała kosmiczne, np. Mars?

- Przypadek sprawił, że na Antarktydzie znaleziono lodowiec o takiej konfiguracji, że wytapiają się z niego meteoryty. Japończycy i Amerykanie zebrali ich tam sporo. My na razie nie mieliśmy takiego szczęścia w trakcie naszych geologicznych ekspedycji AGH na Spitsbergen. Sporo meteorytów znaleziono w ostatnich latach na afrykańskich pustyniach piaszczystych. Polscy kolekcjonerzy od kilku lat organizują tam wyprawy poszukiwawcze i to z dobrymi efektami. Na Księżycu nie ma meteorytów, bo brak atmosfery nie pozwala im na wyhamowanie. Ich uderzenia zaznaczają się na powierzchni Księżyca różnej wielkości kraterami. Na Marsie mają szanse wyhamowania, toteż ich obecność tam stwierdzono.

Czy ostatnia wyprawa na Księżyc, w której uczestniczył geolog, rzuciła nowe światło na budowę geologiczną tego ciała? Czy w próbkach zebranych przez lunonautów były jakieś szczątki meteorytów?

- Skały księżycowe przywiezione na Ziemię przez amerykańskie misje załogowe Apollo okazały się znacznie bardziej różnorodne, niż przewidywano. Stwierdzono cztery główne odmiany: brekcje impaktowe to skały strzaskane przez meteoryty, skały magmowe to bazalty i anortozyty oraz pył pokrywający powierzchnię nazywany gruntem księżycowym. Astronauci ostatniej księżycowej misji Apollo 17 wylądowali na obszarze wyżyn i gór księżycowych, zbudowanych z popielatoszarych anortozytów. Uczestniczący w tej misji geolog stwierdził obecność tych skał, co było pewnym zaskoczeniem dla mineralogów i petrologów. Na tarczy Księżyca obserwowanej z Ziemi jego srebrzystobiałe powierzchnie są właśnie wyżynami i górami zbudowanymi z tych skał. Czarne plamy to bazalty. A w przywiezionym gruncie księżycowym stwierdzono tylko jedną maleńką blaszkę meteorytowego metalu.

Wygląda na to, że blisko Słońca mamy skały; im dalej, tym więcej lodu. Czy taka jest prawidłowość?

- Tak, im dalej, tym więcej lodu. Ostatnio zwraca się uwagę na obecność w kometach amorficznego lodu wodnego. Co to jest substancja amorficzna? Większość nieorganicznych ciał stałych występuje w przyrodzie w formie krystalicznej, co wyraża się uporządkowaniem atomów i jonów w ich budowie wewnętrznej. Taką budowę mają minerały i ich piękne kryształy. Bywa jednak, że ciecze (np. woda) lub stopy (np. magma) w procesie szybkiego schładzania prowadzącego do ich przejścia w stan stały nie zdążą wykształcić uporządkowanej struktury krystalicznej. Wówczas zestalają się w postaci amorficznej. Zdaniem astrobiologów astralny amorficzny lód wodny może zawierać proste związki organiczne, a nawet sprzyjać ich tworzeniu. Komety, podobnie jak i kamienne meteoryty - chondryty węgliste, mogły przynieść materię organiczną na młodą Ziemię.

W ziemskich kolekcjach znajdują się meteoryty z Marsa, z Księżyca i być może z pasa planetoid. Czy pewnego dnia moglibyśmy dostać w prezencie ciało pozaukładowe? Po czym byśmy je poznali? Czy jego geologia odbiegałaby od dotychczas nam znanych?

- Czy moglibyśmy dostać ciało pozaukładowe - na to pytanie prędzej odpowiedzą astronomowie, zajmujący się obliczeniami orbit. Czy jego skład mineralny i cechy petrograficzne odbiegałyby od nam znanych, możemy tylko spekulować, bo nie mieliśmy takiego okazu w rękach, zatem również trudno jest stwierdzić, po czym byśmy je poznali. Zapewne istotne znaczenie miałyby tu izotopowe badania kosmochemiczne.

Odłamki spadające na Ziemię wydają się gruzem pozostałym po genezie Układu Słonecznego albo zostały wybite z powierzchni innych ciał. Czy też są może czymś jeszcze innym?

- Przyjmuje się, że meteoryty faktycznie są materią z naszego Układu, po różnych etapach obróbki - kumulacji, zderzeń i destrukcji lub kumulacji, dyferencjacji, zderzeń i destrukcji. Natomiast nie można wykluczyć, że pewne nanominerały, a konkretnie nanodiamenty, pochodzą spoza Układu, zarówno w sensie przestrzeni, jak i czasu (czyli sprzed uformowania się Układu). To miniaturowe, nanometryczne cząstki mineralne wielkości milionowych części milimetra. Nanodiamenty zostały odkryte w 1987 roku przez Edwarda Andersona w meteorytach kamiennych, chondrytach, dzięki zastosowaniu nowych metod analitycznych. Wzbudziły w świecie naukowym wielkie zainteresowanie. Anderson tak je obrazowo opisał: "Gdyby bakterie nosiły pierścionki zaręczynowe to diamenty te byłyby w sam raz". Obecne w meteorytach nanodiamenty tworzą się w czasie wybuchów supernowych. Wówczas olbrzymie ilości materii gwiezdnej zostają wyrzucone w przestrzeń kosmiczną, w tym atomy węgla, które kondensując, tworzą nanodiamenty. Oto mali świadkowie wielkich procesów.

- Nasza Ziemia może się poszczycić wielką różnorodnością skał i minerałów w porównaniu z materią meteorytów oraz skałami planet skalistych i ich księżyców. Pracując nad nową edycją mojej encyklopedii minerałów, policzyłem, że w materii pozaziemskiej mamy nieco ponad 300 minerałów, w tym 54 to minerały nieznane w skałach Ziemi. Dla porównania według stanu na rok 2010 w skałach Ziemi zidentyfikowano 4029 minerałów. Świadczy to o bogactwie i różnorodności minerałotwórczych procesów geologicznych zachodzących na naszej planecie, w jej wnętrzu i na powierzchni. Ta stosunkowo nieliczna grupa minerałów "nieziemskich", zwłaszcza te nieobecne w ziemskich skałach, niesie w swym składzie chemicznym i strukturze krystalicznej wiele informacji o procesach mało znanych na Ziemi. Są to m.in. skutki kosmicznych zderzeń tych ciał, czego dowodem są minerały wysokociśnieniowe. Obserwujemy w meteorytach niespotykaną na Ziemi różnorodność polimorficznych odmian pierwiastka węgla, od pospolitego grafitu poprzez różnej generacji diamenty, nieznany na ziemi heksagonalny diament nazwany lonsdaleitem, aż do niedawno odkrytego fullerytu zbudowanego z fullerenów. Wraz ze współpracownikami badałem zdefektowaną strukturę takich grafitów. Wyniki nauki w tym obszarze mają przełożenie na praktykę: synteza technicznych diamentów to kosmiczna technologia podpatrzona w metalicznych meteorytach, gdzie powszechnie występują mikrodiamenty i nanodiamenty. Na początku tego roku grupa japońskich mineralogów i krystalografów zakomunikowała, że metodą wysokociśnieniowej syntezy udało się uzyskać lonsdaleit, który okazał się twardszy od diamentu. Oto kolejne wyzwanie dla uczonych i technologów, by według kosmicznej receptury zacząć produkować lonsdaleit na skalę przemysłową.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Manecki

Absolwent i profesor zwyczajny Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, mineralog, petrograf, polarnik. Autor licznych podręczników akademickich i publikacji, w tym pierwszej polskiej encyklopedii "Minerały Ziemi i materii kosmicznej" oraz monografii o polskim meteorycie Pułtusk. W kraju jest pionierem badań meteorytów i pyłów kosmicznych, m.in. współautorem publikacji o strukturze grafitu meteorytowego. Promotor 14 prac doktorskich z zakresu mineralogii i kosmomineralogii. Przedstawiciel Polski z głosem stanowiącym w International Mineralogical Association (IMA), przez wiele lat pracował w Komisji Kosmomineralogii, aktualnie w Komisji Nowych Minerałów IMA. Przewodniczył Komitetowi Nauk Mineralogicznych przy Wydziale VII PAN, był kierownikiem Katedry Mineralogii, Petrografii i Geochemii w AGH oraz Zakładu Sozologii w PAN. Laureat Nagrody Państwowej I stopnia (zespołowej) za osiągnięcia naukowe. Członek honorowy Polskiego Towarzystwa Mineralogicznego i Polskiego Towarzystwa Meteorytowego. Kierownik trzech naukowych ekspedycji polarnych, współautor anglojęzycznej mapy geologicznej Ziemi Wedel-Jarlsberga na Spitsbergenie.