Представления о происхождении Солнечной системы.
1. Гипотезы Канта и Лапласа. Или «небулярные гипотезы» (от латинского nebula – туманность). Обе выдвинуты практически одновременно, на рубеже XVIII и XIX веков, немецким философом и естествоиспытателем Иммануилом Кантом и французским астрономом Пьером Лапласом. Основная суть – происхождение Солнца и планет из общей гомогенной массы первичного вещества в едином процессе. Оба автора опирались в построении модели развития Солнечной системы на известные в то время законы физики, в первую очередь – закон всемирного тяготения. Именно силы тяготения должны были обеспечить группировку огромного числа рассеянных пылевых частиц и газовых молекул в ограниченное количество космических тел. Нередко эти две гипотезы рассматривают как одну (гипотезу Канта – Лапласа). Но на самом деле это две самостоятельные гипотезы, которые, при всём их сходстве, различаются некоторыми существенными деталями. Главное отличие в том, что по И. Канту Солнечная система сформировалась из скопления холодного газа и пылевых частиц, изначально неподвижных. А по П. Лапласу – из раскаленного газового облака, которое вращалось.
Основная трудность, которую не смогли преодолеть ни И. Кант, ни П. Лаплас, ни их сторонники – несоответствие между моментами вращения Солнца и планет. По всем расчётам выходило, что если все элементы Солнечной системы возникли из первично единой «туманности», то и моменты их вращения должны были бы быть одинаковыми. Поэтому многие авторы в попытке устранить данное несоответствие, выдвигали другие гипотезы. Эти иные гипотезы, при всём их разнообразии, можно объединить в одну группу.
2. Гипотезы образования планетной системы как случайного события:
- гипотеза Бюффона (планеты образовались в результате выброса солнечного вещества от падения на Солнце кометы);
- гипотезы Чемберлена, Мултона, Джинса – различные вариации на тему образования планет в результате выброса солнечного вещества в результате взаимодействия сблизившихся или столкнувшихся звёзд;
- гипотеза Шмидта – образование планет в результате захвата Солнцем изначально чужеродной ему газово-пылевой туманности.
Общее для всех этих гипотез – представление об образовании Солнечной системы как о случайном событии. Большинство из них опровергнуты как несостоятельные. Кометы слишком малы, чтобы их взаимодействие с Солнцем могло привести к столь значительным последствиям. Воздействие на Солнце другой звезды может оказать влияние, но, по всем расчётам, формирование в результате Солнечной системы в известной нам форме невозможно. Хотя отрыв части солнечного вещества при сближении с другой звездой достаточно вероятен, формирование из него планетных тел, находящихся на устойчивых орбитах, возможно в очень узком диапазоне условий, и при том все орбиты будут находиться лишь внутри современной орбиты Меркурия.
Аргументов, безусловно опровергающих гипотезу Шмидта, нет. Но многих учёных в ней не удовлетворяет уже то, что формирование у звёзд планетных систем не рассматривается как закономерный процесс. И, следовательно, наличие у звезды планетной системы должно рассматриваться как редчайшее исключение. Между тем, новейшие астрономические данные говорят о наличии планет у ряда ближайших к нам звёзд, и нет оснований полагать, что и в более отдалённых частях Вселенной картина будет принципиально иной. К тому же, данные космохимии свидетельствуют о том, что, если взять только так называемую каменно-металлическую составляющую вещества Солнца и планет, то соотношение химических элементов в ней оказывается очень сходным. А это тоже заставляет считать более вероятным изначальное родство между Солнцем и окружающими его планетными телами.
3. Возрождение небулярной гипотезы произошло в середине XX в. и является заслугой шведского астронома Ханнеса Альвена. Он нашёл новый путь к разрешению проблемы несоответствия между угловыми скоростями вращения Солнца и планет. Статья Х. Альвена, опубликованная в 1942 г, поначалу осталась не замеченной (общественности, в том числе и научной, было не до этого). Но с 1950-х гг его идеи постепенно завоёвывают признание. В результате все современные модели происхождения Солнечной системы представляют собой развитие этих идей.
Х. Альвен доказал, что при взаимодействии Солнца с окружающим облаком ионизированного газа должны происходить не только гравитационные, но и магнитные взаимодействия, в результате которых вращение Солнца будет замедляться, а газового облака – ускоряться. Последнего ни И. Кант, ни П. Лаплас учесть в принципе ещё не могли, так как изучение физики электромагнитных явлений в их времена находилось в самом зачаточном состоянии. При этом расчёты показывают, что формирование планетных тел только из газов невозможно. Но достаточно наличия небольшого количества пылевых частиц, чтобы «процесс пошёл». Если считать, что исходная газово-пылевая туманность была единой по составу, можно рассчитать соотношение газовой и пылевой фракций по современному химическому составу Солнца. На газы придётся 98%. Остальное – пылевые частицы трёх видов: льдинки (замерзшие газы – вода, аммиак, метан и др.), минеральные частицы на кремнекислородной (силикатной) основе, металлические частицы.
Следующая стадия процесса – аккреция (слипание) этих частиц. Буквально – «приращение» (термин применяется и к другим процессам увеличения какого-либо объекта за счёт присоединения к нему новых составных частей). В настоящее время предложено несколько различных вариантов реконструкции хода этого процесса, и именно в этой части современные модели разных исследователей в наибольшей мере расходятся. Модели аккреции разработаны ещё в рамках гипотез «случайного» образования Солнечной системы, так что эти отвергнутые идеи всё же внесли свой весомый вклад в создание современных представлений о происхождении планетных систем.
Значение изучения метеоритов и других планет для познания закономерностей развития Земли и общих законов формирования и развития планет.
Метеориты (небольшие космические тела, падающие на поверхность нашей планеты) – важный объект исследования, изучение которого позволяет пролить свет на вопросы происхождения планет и их строения. Из всех космических объектов они наиболее доступны для изучения. Существует две точки зрения на происхождение метеоритов. По одной из них – это продукт незавершённой аккреции (т.е. те частицы, которые так и не вошли в состав более крупных тел). В этом случае они – прямой источник информации о ранних стадиях развития Солнечной системы. Согласно другой – это обломки астероидов. В этом случае исследование метеоритов несёт информацию и о первичном веществе, из которого сформировались планеты, и о начальных стадиях эволюции этого вещества в недрах планетных тел. Современные данные позволяют считать более обоснованной вторую точку зрения.
Средний химический состав метеоритов идентичен химическому составу условной каменисто-металлической составляющей солнечного вещества (то, что осталось бы от солнечного вещества, если бы Солнце потеряло все газы). Это позволяет видеть в них образцы вещества, наиболее близкого к веществу твёрдой составляющей первичной газо-пылевой туманности.
Типы метеоритов:
1. Хондриты (88%). Смесь каменного и металлического материала с резким преобладанием первого. Название от хондр – округлых обособлений, отличающихся друг от друга по составу, структуре и, вероятно, происхождению. Именно их химический состав наиболее близок к «солнечному», поэтому они могут рассматриваться как образцы наименее изменившегося первичного вещества. Изучение вещества хондритов показывает, что оно не нагревалось выше 900°С.
а) углистые хондриты (8% от общего количества метеоритов) – содержат углеродистые соединения и различные летучие вещества, удаляющиеся при нагревании; слагающее их вещество не нагревалось выше 400°С.
2. Ахондриты. Подразделяются на каменные, железо-каменные и железные – т.е. в целом более дифференцированы по составу. Вещество явно несёт признаки кристаллизации из расплава при высоких давлениях, т.е. во внутренних частях более крупных тел. Следовательно, такие метеориты однозначно не могут быть ничем иным, как осколками более крупных космических тел – видимо, астероидов.
Возраст вещества метеоритов – около 4,5 млрд. лет. Время пребывания в открытом космосе – не более 60 млн. лет (определяется по содержанию в поверхностном слое изотопов, образующихся под воздействием космического излучения). Судя по слабой в целом дифференцированности вещества метеоритов, это вряд ли осколки единой крупной планеты. Скорее, вещество метеоритов испытало лишь самую зачаточную дифференциацию в сравнительно небольших телах (астероидах), но далеко этот процесс не зашёл. А попадающие на Землю метеориты – не что иное, как обломки астероидов, возникающие при их соударениях между ними. Косвенно об этом свидетельствуют и их траектории, резко отличающиеся от траекторий движения большей части тел пояса астероидов.
Следовательно, изучение вещества метеоритов позволяет понять в каком направлении развиваются процессы дифференциации вещества в недрах планетных тел. А это, в свою очередь, помогает объяснить причины расслоения глубинных частей Земли на оболочки с различными свойствами (геосферы), реконструировать их происхождение и состав.
Небольшие планеты земной группы – Луна, Меркурий – представляют собой примеры консервации развития планетных тел на достаточно ранней стадии. Развитие их остановилось из-за незначительности ресурсов внутренней энергии. Вероятно, их строение отвечает стадии, пройденной Землёй около 4 млрд. лет назад.
Венера – планета с намного более высокой температурой поверхности, следствием чего является более тонкая и более пластичная литосфера, чем на Земле. В результате для Венеры характерны другие типы тектонических движений. Не исключено, что подобные условия существовали и на Земле на ранних этапах её развития.
Большое значение для развития геологической теории имеет сравнение хода экзогенных (поверхностных) геологических процессов на различных планетах, в зависимости от наличия или отсутствия атмосферы, различий в её составе, температурном режиме и других факторах.
Другой аспект – сопоставление развития планетных тел, в различной степени удалённых от Солнца и потому изначально различавшихся по химическому составу.
Важное значение имеет открытие в последние десятилетия активной вулканической деятельности на спутниках планет-гигантов. Этот вулканизм проявляется в иных условиях, ему может быть свойственен иной, отличный от земного, состав магматических расплавов.
Земля как планета.
Земля – третья (по удалению от Солнца) планета Солнечной системы. О её размерах, плотности сказано выше.
Фигура Земли – неправильное сфероидальное тело, называемое геоидом. Геоид ограничивается поверхностью уровня моря, мысленно продолжаемой под материками. Внешняя газовая оболочка при определении формы геоида не учитывается, так как не имеет резко выраженной границы с окружающим космическим пространством. Теоретическая геометрическая модель формы Земли как планетного тела – эллипсоид вращения – с реальной формой геоида совпадает лишь приблизительно. Отклонения формы геоида от эллипсоида вращения связаны с проявлениями глубинных тектонических процессов, распределение которых в объёме планеты неравномерно. Вероятно, именно форма эллипсоида вращения является усреднённой идеализированной формой Земли в её геологической истории, а все частные отклонения от этой формы возникают и исчезают в ходе тектонических движений.
Физические поля Земли.
Магнитное поле.
Магнитосфера резко асимметрична. Она «сжата» в направлении от Земли к Солнцу, и вытянута в противоположном направлении. В направлении Солнца она простирается на 14 земных радиусов. Из них регулярное магнитное поле – на 10, далее – хаотичное, что обусловлено взаимодействием с «солнечным ветром».
Поле в целом дипольное (т.е., имеются два полюса – северный и южный), но есть и недипольная составляющая, и наложенные внешние. Их изменения вызывают колебания напряженности поля и его ориентировки (положения магнитных полюсов). Изучение истории магнитного поля Земли геологическими методами показало, что время от времени магнитные полюса менялись местами. Это явление получило название инверсий магнитного поля. Следует особо подчеркнуть, что речь идёт о смене положения только магнитных полюсов. Нет абсолютно никаких данных, которые свидетельствовали бы о смене положения полюсов вращения (т.е. географических). Поэтому встречающиеся иногда в негеологической литературе различного рода высказывания о том, что это сама планета, по мнению геологов, «переворачивалась», являются явным недоразумением.
Магнитное поле имеется не у всех планет. Следовательно, природа земного магнетизма нуждается в особом объяснении. Современные модели объясняют возникновение магнитного поля Земли на основе «теории динамо» – вихревых токов в ионизированной жидкой среде, возникающих в недрах вращающегося планетного тела. Следовательно, для формирования у планеты магнитного поля нужны два условия: 1) наличие во внутренних частях оболочек со свойствами жидкости; 2) достаточно высокая скорость вращения вокруг своей оси. На нашей планете оба эти условия имеются. В рамках модели «динамо» находят своё объяснение и инверсии – их проявление геофизики связывают со сменой ориентировки вихревых токов в земном ядре. По их предположениям, магнитное поле у Земли в момент инверсии не исчезает полностью, а распадается на недипольные составляющие, после чего «собирается» в новую дипольную систему. Возможно именно поэтому признаков явного влияния инверсий на биосферу Земли и её развитие, по данным исторической геологии, не обнаружено.
Гравитационное поле.
Такое поле свойственно любому планетному телу. Основные параметры его зависят от массы планеты. Гравитационное поле у Земли, как и у любой планеты, не вполне однородно. Сила тяжести в разных местах поверхности Земли неодинакова. Отклонения от расчетного среднего значения называют аномалиями – положительными и отрицательными. Их распределение зависит от глубинного строения Земли. Поэтому изучение аномалий позволяет понять закономерности этого строения.
Тепловое поле.
Связано с энергией глубинных процессов внутри Земли. Его структура также неоднородна. Это связано в первую очередь с тем, что существует два различных механизма переноса тепла из глубинных частей Земли к поверхности – кондуктивный и конвективный. При кондуктивном переносе происходит только передача тепловой энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, без перемещения самого вещества-теплоносителя. При конвективном переносе нагретые массы, как более лёгкие, поднимаются к поверхности, а относительно холодные опускаются вниз. Конвективный перенос тепла на порядок более эффективен по сравнению с кондуктивным. Кроме того, кондуктивный перенос протекает относительно равномерно по всему объёму планеты, а конвективный сосредоточен в местах, где функционируют восходящие потоки глубинного вещества.
Поэтому количественная характеристика параметров теплового поля Земли величина – величина теплового потока – значительно изменчива. Средние значения должны быть характерны для тех участков поверхности, где на глубинах основной формой является кондуктивный перенос. Над восходящими потоками глубинного вещества закономерно возникают положительные аномалии величины теплового потока. Над нисходящими – отрицательные. Поэтому вариации распределения теплового потока на поверхности в определённой мере позволяют судить о процессах, протекающих в недрах нашей планеты.