Концепции строения, эволюционных
ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР
В МИРЕ ПЛАНЕТ
10.1. Элементы планетной космогонии
За последние 300 лет было предложено несколько космогонических гипотез относительно ранней истории Солнечной системы. Нужно было объяснить: почему орбиты всех планет почти круговые и лежат почти в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца; почему массы планет составляют 2 % массы Солнца, но обладают 98 % момента импульса Солнечной системы; почему направление обращения вокруг Солнца одинаково почти для всех планет и совпадает с направлением вращения Солнца и вращением вокруг собственных осей; почему все планеты делятся четко на две группы, отличающиеся физическими данными, и пр.
По теории Декарта, мировое пространство было заполнено эфиром — всепроницающей жидкостью, частицы которой участвуют в непрерывном вихревом движении. Эти вихри и закручивают планеты. И. Ньютон предложил теорию, согласно которой небесные тела возникли из разреженной материи из-за неравномерного распределения плотности. Но он не мог объяснить, почему планеты движутся по орбитам, и заявил, что здесь не обошлось без божественного вмешательства. Его сотрудник У. Уис-тон, стараясь не прибегать к религии, полагал, что сначала Земля была кометой, которая вращалась вокруг Солнца, потом столкнулась с другой кометой, и в результате она стала вращаться и вокруг своей оси. Вопрос о возрасте Земли и незаметных в короткие промежутки времени изменениях, которые могут накапливаться на больших интервалах времени, стал обсуждаться в XVIII в. Французский зоолог Жорж Луи Леклерк, граф Бюффон, считал (1745), как и Ньютон, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца скользящим ударом кометы. Он использовал также идею Лейбница, согласно которой Земля ранее была светящимся телом, а потом остыла. Бюффон даже ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тыс. лет, что противоречило Библии. Он сумел объяснить одинаковое направление вращения планет и расположение их почти в одной плоскости. В 1749 г. он написал работу «История и теория Земли», после чего на него начались гонения, заставившие его отречься от нее. Его идеи, еще наивные, вводили историзм в естествознание, заложили основу естественно-научной космогонии и вызвали первую небулярную гипотезу происхождения планет (от лат. nebula — туман, облако).
Естественно-научные взгляды философа И.Канта сформировались под влиянием идей Ньютона и Бюффона. Кант считал Вселенную (с центром на Сириусе!) подчиненной строгой иерархии, возникшей под действием сил притяжения и отталкивания в первичной туманности (холодном облаке пыли). Поэтому ее возникновение и развитие он описывал по уровням — от планет до туманностей. Главная сила — всемирное тяготение, но могут быть и другие, еще неизвестные силы. Такова, например, предложенная им сила отталкивания, действующая на уровне отдельных частиц и проявляющаяся на начальных стадиях образования. Из-за действия химических сил при соединении частиц материя в пространстве может распределяться неоднородно. Чем больше плотность, больше и притяжение, и возникшие сгустки укрупнялись. Это предположение при разработке теории гравитационной неустойчивости использовал Джинс. По Канту, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности». В этом философ ошибся — движение могло начаться только при косом ударе туманностей. Он не делал большой разницы между планетами и кометами, даже предполагал, что у Земли может возникнуть хвост. Кант обсуждал действия, которые может вызвать теплота недр планеты. Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли (1754), которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности. В предисловии к книге «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских принципов» (1755) Кант писал: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир!».
Из анализа имеющихся данных Кант сделал удивительно верные выводы о возможности существования планет далее Сатурна и даже о том, что его кольца состоят из метеоритов, причем подобные кольца могут быть и у других планет. В одной из частей его книги была изложена позиция на возможность жизни на других планетах, для чего Кант собрал имеющиеся сведения о необходимых для жизни температуре, плотности веществ, силе тяжести. И хотя в обществе тогда были распространены идеи о жизни на звездах, планетах и кометах живых существ, он выделил в качестве пригодных для жизни только Венеру и Юпитер.
П.Лаплас исходил из горячей медленно вращающейся туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса при этом росла скорость вращения и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела. Ученик Лапласа, французский математик Э.Рош, показал, что периоды центрального сгущения туманности должны чередоваться с периодами сокращения ее массы, во время которых про-
исходят отрывы экваториальных колец раскаленного вещества. Но причины отрывов оставались непонятными. Фактически эта гипотеза была разработана математиками как задача теоретической механики с неизменными параметрами. Она не объясняла размеров орбит планет-гигантов и медленности вращения Солнца, не отвечала на вопрос, почему момент импульса планет, масса которых составляет всего 0,13 % массы Солнечной системы, почти в 29 раз больше момента импульса Солнца, если Солнечная система изолирована. Это обстоятельство, казалось, требовало ввести в Солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы.
Небулярная гипотеза Канта—Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении Солнечной системы вплоть до конца XIX в.
Приливная или планетозимальная, гипотеза стала популярной в начале XX в.: американцы Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906), из которого и образовались планеты. Дальнейшее развитие происходило в соответствии с гипотезой Канта—Лапласа. С.Аррениус допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913). В результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части — основу для планет. Но близкое прохождение звезд — столь редкое явление, что может случиться раз в 1017 лет. Дж. Джинс предположил (1916), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала некие «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Поэтому орбиты планет были сначала сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Джинс выделил большую роль Солнца в развитии планет и подошел к решению проблемы перетока вещества в системе тесной двойной звезды как явления не случайного.
Б.Рассел подсчитал (1935) момент импульса приблизившейся к Солнцу звезды — он оказался на порядок меньше среднего момента импульса планет. Ему пришлось предположить, что Солнце в прошлом было двойной звездой. Спутник Солнца вращался от него на расстоянии орбиты Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы Солнечной системы и удалилась сама. Английский астроном Литлтон высказал идею (1936) о принадлежности Солнца в прошлом к тройной звездной системе. Он рассчитал, что при движении двух звезд в разном направлении образующаяся между ними лента вещества могла быть захвачена Солнцем. Советский астроном Н.Н.Парийский, исследуя разнообразные возможности этого процесса при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, получил, что только при скоростях 400—500 км/с возможно получить подходящие орбиты для планет.
В гипотезе шведского астрофизика Х.Альфена (1942) сделано предположение о захвате Солнцем облака межзвездного газа. Атомы газа ионизовались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости. Расчет дал области расположения только внешних планет. Академик О. Ю. Шмидт, один из организаторов освоения Северного морского пути, отказался от изолированности Солнечной системы. Он считал, что если «обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом».
Если считать, что на Землю в сутки падает 1 т метеоритов, то для «вырастания» ее таким путем нужно около 7 млрд лет, а по геологическим данным возраст земной коры оценивается в 3 млрд лет (кора может быть моложе внутренних областей планеты). При образовании планет из метеоритов стало преобладать одно направление вращения планет, орбиты становились почти круговыми. Расчеты Шмидта дали верные расстояния планет от Солнца и определили направление осевого вращения планет; они показали период вращения Солнца в 20 сут (сейчас 25 сут), что считается хорошим результатом. Можно сказать, что Шмидт вернулся к небулярной гипотезе Канта—Лапласа на новом уровне науки, заменив газопылевое облако метеоритным роем. Слипание пылинок приводило к неким твердым фрагментам (планетезималям), которые дали начало протопланетам.
Академик В.Г.Фесенков, один из основоположников астрофизики, считал, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам английского астронома и математика Дж.Дарвина (сына Ч.Дарвина) и русского ученого математика и механика А. М.Ляпунова. Они независимо рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Согласно О.Струве, быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в Солнечной системе в единое целое и избавила космогонию планет от внешних случайных факторов.
Выяснение природы планетарных туманностей, начатое Гер-шелем, имеет особое значение в космогонии планет. Эти туманности возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, тогда как ядра этих звезд достаточно быстро, по космическим масштабам, превращаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные звезды известны давно, но в последние 30 лет стало ясно, как они «вызревают» внутри «нормальных» звезд при
их эволюции. За последние годы удалось обнаружить за пределами нашей системы более 60 планет; ближайшая планета обнаружена в августе 2000 г. в системе звезды эпсилон Эридана, и она имеет размеры, близкие к размерам Юпитера.
Эволюцию газопылевого комплекса по разным моделям при разных начальных условиях рассчитывают теперь на ЭВМ. При определенных значениях массы, плотности и температуры такой газопылевой комплекс начинает сжиматься; возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при сжатии образуются протозвезды (для Солнца это было около 5 109 лег назад). Под действием центробежных сил в экваториальной области Солнца возникли неустойчивые нестационарные потоки газа и пыли, и часть этого вещества оторвалась, унеся с собой избыточный момент количества движения. В экваториальной плоскости Солнца образовался и рос газопылевой диск, появились условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, росли температура и давление, препятствующие дальнейшему сжатию. Во внешних слоях возникли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 106 К, начались термоядерные реакции, и наше Солнце «загорелось» (прошло 108 лет).
Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они «замерзали» (Т= 50 К). Так происходило образование двух групп планет (рис. 10.1). Планеты земной группы образовались почти за те же 100 млн лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью, что привело к неоднородности протекания химических процессов, усиливающейся давлением солнечного излучения и корпускулярным излучением Солнца. В разных частях облака возникали неоднородности, отразившиеся на составе планет. Космологи Я.Б.Зельдович и И.Д.Новиков рассчитали, что сохранение некоторой вязкости (ее роль может играть магнитное поле) может обеспечить возможность усвоения теряемого звездой момента количества движения. Истекающее вещество, которое может коллапсировать к своему центру, при последующих охлаждении и конденсации может служить источником протопланетного материала. Из недифференцированного вещества внешних слоев Сверхновой звезды могут возникнуть внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), в которых сохранились газы с преобладанием водорода, а из внутренних слоев — внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс).
Химическая эволюция протекала по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом — летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации. Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа.
Сгущение их высокотемпературной части привело к образованию ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, образовавшие первичные мантии. Поздние конденсаты — гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения.
В настоящее время распространена кометная гипотеза происхождения планет А. А. Маркушевича (1992). В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов — воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, большие по объему концентрировались в центре туманности (на месте современного Солнца), а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрупнение и разрастание образующихся тел — астероидов, комет, планет. Центральная масса при своей концентрации способствовала выделению теплоты, и ее оказалось достаточно для развития термоядерных реакций горения водорода и гелия. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро. Позже
оно расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, которая не позволяла рассеиваться теплоте в космическое пространство. Так планета приобрела почти сферическую форму.
За счет концентрации в ядре более тяжелых масс скорость ее вращения возрастала и часть расплавленного материала была выброшена центробежными силами за пределы планеты. Выброшенное вещество сформировалось в астероиды, метеориты и спутник — Луну. Оболочка Земли постепенно менялась и исчезала в космосе за счет солнечного излучения, обнажился железосиликатный расплавленный остов планеты. Начались геологические процессы формирования земной коры и остывания атмосферы.
Происхождение регулярных спутников, вращающихся в направлении вращения планеты, аналогично образованию планет. Спутники есть почти у всех планет. Если же спутник вращается в другую сторону, то его происхождение связывают с захватом газопылевого облака. С XVIII в. более пристальный интерес вызывали кометы и спутник Земли — Луна.
На больших расстояниях от Солнца кометы — это глыбы твердого вещества (обычного льда и льда из метана и аммиака) с вмороженными в них частицами метеорного вещества (силикаты и металлы). Масса комет невелика, самые крупные составляют 5-1013—6-1019 кг. При приближении к Солнцу лед начинает испаряться и вокруг ядра кометы образуется оболочка, которая под действием светового давления и солнечного ветра отталкивается в сторону от Солнца, образуя хвост кометы. Этот хвост может тянуться на сотни миллионов километров. Сейчас известно почти 1000 комет, некоторые из них возвращаются к Солнцу по нескольку раз, а другие, появившись раз, уходят в межзвездное пространство. Их орбиты сильно искажены притяжением больших планет, поэтому предполагают, что большие планеты окружены облаком из 100 млрд комет, которые вращаются вокруг Солнца по эллипсам с полуосями около 150 000 а. е. Невооруженным глазом удается увидеть около 6 — 7 комет за 100 лет, хотя их бывает 10—25 за год. Наименьший период обращения у кометы Энке-Баклунда — 3,3 года. Ее открыли в 1786 г. и потому наблюдали уже более 60 раз. Период кометы Галлея 76,03 года, последний раз она прошла перигелий 9 февраля 1986 г., ее наблюдали в Северном полушарии с середины ноября 1985 г. (см. гл. 8). Расчеты показывают, что в 9541 г. до н. э. она прошла от Земли на расстоянии, равном расстоянию от Луны до Земли.
Открытие все новых комет продолжается. В марте 1993 г. была открыта удивительная периодическая комета Шумейкер-Леви (ШЛ-9) — она имела вид цепочки-гирлянды из 21 вторичного ядра, расположенного вдоль прямой линии. Эта комета-поезд из 21 вагона образовалась из-за развала огромного «родительского» ледяного ядра при сближении его с Юпитером в 1992 г. до расстояния 40 тыс. км. Через год после открытия,
в июле 1994 г., эта комета столкнулась с Юпитером (выделив энергию в тротиловом эквиваленте 1 МТ) и закончила свое существование. Что-то подобное (меньших масштабов) произошло на Земле 30 июня 1908 г., когда снежный шар диаметром 120 м, вторичный фрагмент ледяного ядра кометы Энке, столкнулся с атмосферой Земли. В районе Подкамен-ной Тунгуски шар взорвался на высоте 8 —9 км и получил название Тунгусского метеорита (но метеорита не нашли, поэтому более верное название — Тунгусское диво-комета). При этом выделилась энергия, эквивалентная 450 Хиросимам. Если бы это произошло на 4 ч позже, то взрыв произошел бы над Санкт-Петербургом. А 65 млн лет назад с Землей столкнулось ледяное ядро диаметром 10 км, в результате на полуострове Юкатан образовался ударно-взрывной кратер. Поскольку кометы несут до 30 % пыли, которая при взрыве поднимается вверх и закрывает Солнце, через 3 — 4 месяца температура на поверхности Земли снизилась до -50°С. Американские ученые Л. и В.Альваресы полагают, что с этой катастрофой связана гибель динозавров.
Изучение астероидов началось в XX в. Первый астероид — Церера — был открыт итальянским астрономом Лд. Пиацци 1 января 1801 г. Вскоре он «потерял» эту планету, и она вновь была открыта немецким астрономом Г. Ольберсом вместе с двумя новыми. Ольберс установил, что их орбиты более вытянуты, чем у известных планет, и пересекаются. Поэтому он предположил, что это — малые тела, оставшиеся от раскола планеты в прошлом (1804). Диаметр Цереры — 770 км, Паллады — 490, Весты — 380, Юноны — 170 км, а большинства других не превышает 10 км. Сейчас известно более 3000 малых планет, вращающихся вокруг Солнца в среднем на расстоянии 2,75 а. е. Структуру пояса астероидов определяет возмущающее влияние соседних планет, в основном Юпитера и Марса. Эксцентриситеты орбит малых планет достигают 0,83, тогда как у больших — около 0,25. Дальше всех от Солнца вращается Гидальго (до 5,72 а. е.), а ближе всех — Икар (до 28 млн км). Общая масса малых планет составляет 0,001 % массы Земли, они не имеют правильных форм, о химическом составе можно судить по выпадению метеоритов из этого пояса.
Астероиды диаметром более 1 км и с орбитами, пересекающими орбиту Земли, составляют 43 %, и они могут столкнуться с ней. При этом могут возникнуть один раз в 100 тыс. лет кратеры диаметром 10 км. В июле 1968 г. астероид Икар диаметром 1,5 км прошел на расстоянии 7 млн км от Земли. В 1998 г. несколько астероидов пролетали близко от Земли: на расстоянии 15 млн км 1 апреля пролетел астероид FX-2, на расстоянии 10 млн км 12 апреля пролетел астероид ЕР-4, а 8 мая на расстоянии 4,8 млн км находился астероид НТ-31. 22 января 1999 г. астероид AM-10 пролетел от Земли на расстоянии 12 млн км, а 17 января астероид АО-10 находился на расстоянии всего 3 млн км. Астероид VB5 7 января 2002 г. пролетел на расстоянии всего 823 тыс. км, это, вероятно, самый опасный астероид для Земли. Над проблемой защиты от астероидной опасности работают многие ученые Европы, России, США и других
стран. В 1996 г. Парламентская Ассамблея Совета Европы приняла резолюцию 1080 «Об обнаружении астероидов и комет, опасных для человечества». Существуют различные проекты организации защиты Земли. Много ложной информации об открытии «опасных» небесных тел сообщают СМИ, прорицатели и Интернет, но такие пророчества не подтверждаются.