Происхождение Солнечной системы
Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания . Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том , что многие звезды , как и Солнце, окружены планетами и эти системы то возникают , то умирают . Только в ХVIII веке благодаря трудам выдающихся ученых Иммануила Канта и Пьера Лапласа сформировалась наука о происхождении всех небесных тел - космогония . Они показали , что т. к. движение всех планет подчинено одному закону , то и образование их должно также происходить по единому закону . Именно они высказали идею о газопылевой туманности , первоначально вращавшейся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались планеты .
Звезды типа Солнца - желтые карлики , формируются при сжатии газопылевых облаков. Почему это облако начало сжиматься ? По одной из гипотез на него мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды , ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. По другой - газопылевое облако , в силу своего участия в общем вращении ГМП, начало сжиматься , однако большой момент вращения не допускает дальнейшего сжатия и облако распадается на отдельные сгустки - будущие планеты . Надо отметить , что начальный момент превращения газопылевого облака в протопланетный диск , наименее ясный момент в процессе формирования Солнечной системы . Как бы то ни было, радиус газопылевого облака должен был быть больше радиуса орбиты девятой планеты - Плутона, равной 40 А. Е. Состав облака характеризовался 99% газа и 1% пылевых частиц размером в микроны . Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться массы - будущему Солнцу, в дисковидном облаке возникали мощные турбулентные вихри , ударные волны , гравитационные приливы , перемешивающиеся газ облака , которое, благодаря этому оставалось однородным. Время , необходимое для образования диска из облака оценивается всего лишь в 1000 лет, газ при этом охлаждается и образуются более крупные пылевые частицы , конденсируясь из газа , т.к . давление в облаке очень небольшое . В центральной части диска, благодаря быстрому коллапсу , зажглось Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска, что подтверждается конденсацией льда воды за поясом астероидов . Итак, частицы пыли перемещались к центральной плоскости диска и чем крупнее была пылинка , тем быстрее она “ падала ”. Внешние слои диска теряли газ за счет его нагревания излучением молодого Солнца и мощного потока ионизованной плазмы - солнечного ветра. Когда плотность пылевых частиц в субдиске достигал некоторого критического значения , диск стал гравитационно неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причем, чем выше была плотность в сгущении, тем оно быстрее увеличивалось в размерах . Плотные сгустки, размером с хороший астероид , сталкиваясь, объединялись и увеличиваясь в размерах , превращались в рой планетезималей , размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей возможно только в случае небольшой скорости , соударения и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление. Не исключено , что в облаке Оорта на краю Солнечной системы сохранились еще допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитационным возмущениям со стороны планет -гигантов . Образование планетезималей заняло не более 1 млн . лет, т.е . произошло с космической точки зрения почти мгновенно.
Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей , занявшая уже гораздо больше времени , около 1000 млн .лет. Современное численное моделирование позволяет рассчитывать скорости допланетных тел и распределение их масс . Эти тела двигались по круговым орбитам , сталкиваясь друг с другом, разрушаясь , выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное , оно не разваливалось от ударов , а , наоборот , присоединяло к себе другие частицы и планетезимали. Чем больше было тело , тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами , изменяя их орбиты. Именно в этих , наиболее крупных телах и сосредотачивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет . Одно из основных условий роста тел - это низкие скорости их столкновения , не превышающие 1 м /сек. Образования группы внутренних планет происходило за счет соударений каменных планетезтмалей , в отсутствии легких газов, которые удалялись солнечным ветром . Но планеты -гиганты , вернее их силикатные ядра , достигали уже размеров 2-3 массы Земли и сумели удержать водородно -гелиевую газовую оболочку . Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров - примерно 50 масс Земли , он присоединил к себе весь газ из окружающего пространства и далее аккреция пошла уже намного медленнее, т.к. газ оказался исчерпанным . Сатурн, который расположен дальше от Солнца, рос медленнее и по составу отличается от Солнца сильнее, чем Юпитер. Точно также , двухступенчато , росли и остальные планеты - гиганты . Сначала формировались ядра , а затем происходила аккреция газов. Огромные количества энергии, высвобождавшееся при аккреции , нагревало внешние газовые оболочки планет -гигантов до нескольких тысяч градусов . Любопытно, что когда формировались спутники Юпитера, то ближе к нему расположенные , особенно Ио, и, в меньшей степени, Европа состояли из каменного вещества , т. к. температура на этих орбитах была выше температуры конденсации водяного пара . Дальние спутники - Ганимед и Каллисто, в большей своей части состоят уже из льда воды, т. к. температура была низкой , поэтому в составе далеких спутников планет -гигантов , да и самих наиболее удаленных планет , распространены конденсаты метана , этана, аммиака и воды. Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме , что и сами планеты . Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой ее гравитации на околопланетную орбиту . Так у планеты формируется доспутниковый диск , из которого путем аккреции образуются спутники . Для геологов , конечно , первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем , что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек , в том числе твердого внутреннего ядра , жидкого - внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой - твердой же земной коры. Иными словами , Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества . Когда и как произошла эта дифференциация?
На этот счет существуют две, наиболее распространенные точки зрения . Ранняя из них полагала , что первоначальная Земля , сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей , состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо - никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции . Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том , что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество , слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Эта точка зрения сейчас , пожалуй , наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра , имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? Но этот вопрос однозначного ответа не существует , но предположение отдается второму варианту . Процесс аккреции , столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался большим выделением энергии, с сильным прогревом формирующейся планеты , ее дегазацией , т.е . выделением летучих компонентов , содержащихся в падавших планетезималях . Большая часть летучих при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве , о чем свидетельствует сравнение составов летучих в метеоритах и породах Земли . Процесс становления нашей планеты по современным данным длился около 500 млн . лет и проходил в 3 фазы аккреции . В течение первой и главной фазы Земдя сформировалась по радиусу на 93-95% и эта фаза закончилась к рубежу 4,4 – 4,5 млрд. лет, т. е. длилась около 100 млн . лет.
Вторая фаза , ознаменовавшаяся завершением роста длилась тоже около 200 млн . лет.
Наконец, третья фаза , продолжительностью до 400 млн . лет (3,8-3,9 млрд. лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же как и на Луне.
Какой была первичная, только что родившаяся Земля ? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение . Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной “ огненно-жидкой” Земле . Однако, этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты . Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету.
Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле . Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей ; и падение очень крупных метеоритов , при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс . км. Если же, все-таки , температура превышала точку плавления вещества , то наступала дифференциация - более тяжелые элементы, например, железо , никель , опускались , а легкие , наоборот , всплывали .
Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов - плутония, тория, калия, алюминия, йода . Еще один источник тепла - это твердые приливы , связанные с близким расположением спутника Земли - Луны. Все эти факторы , действуя вместе , могли повысить температуру до точки плавления пород , например, в мантии она могла достигнуть +1500 гр. С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению , особенно во внутреннем ядре . Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю , продолжается он и сейчас . Однако, уже 3,5-3,7 млрд.лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд.лет, у Земли было твердое внутреннее ядро , жидкое внешнее и твердая мантия, т.е . она уже была дифференцирована в современном виде . Об этом говорит намагниченность таких древних горных пород , а , как известно , магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего.
Процесс расслоения , дифференциации недр происходил на всех планетах , но на Земле он происходит и сейчас , обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты .
Строение Луны
Луна - это единственный спутник Земли , всегда обращенный к ней одной и той же стороной и вращающейся вокруг Земли по законам Кеплера - вблизи апогея медленнее, вблизи перигея - быстрее. Однако, вокруг оси Луна вращается равномерно и время ее обращения вокруг оси равняется сидерическому ( звездному) месяцу. Двойная система Земля - Луна сказывается на Земле и Луне. Известно , что влияние Луны вызывает приливы на Земле , но т.к. Земля в 81 раз массивнее Луны, то и приливы на Луне намного сильнее.
Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т.е. периодом движения Луны относительно звезд. Центр масс двойной системы Земля -Луна находится в 4750 км от центра Земли внутри планеты . Поверхность Луны, в том числе и ее обратная , невидимая сторона прекрасно изучена с помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами , неоднократно бывавшими на поверхности Луны и
собравшими несколько тонн лунных пород . Среднее удаление Луны от Земли 384000 км, диаметр Луны 3476 км, средняя плотность 3,33 г / см куб.
Атмосфера на Луне отсутствует из - за малых ее размеров , температура на экваторе днем достигает +130 гр. С, а ночью – 150 гр. С. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17% поверхности, вторые - 83%.. Материки, более светлые участки поверхности Луны - это относительно древние, брекчированные породы, с большим количеством плагиоклаза - анортита . Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров , образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4,0-3,9 млрд.лет назад.
Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых лав, излившихся 3,9-3,0 млрд.лет назад, т. е. они более молодые и метеоритных кратеров на них меньше. Поверхность Луны покрыта рыхлым грунтом - реголитом , образовавшимся при ударах метеоритов и раздроблении пород . Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной метеоритной атаке Земли в этот же интервал времени , 3,9-4,0 млрд.лет назад. Сила тяжести на Луне 1/6 земной и у нее есть очень слабое магнитное поле неизвестного происхождения . Измерения силы тяжести показали скопление плотных масс - масконов под лунными морями. На Луне выделяется кора , мощностью до 60 км и скоростью сейсмических волн Vр - 7,0-7,7 км/ сек; литосфера или верхняя и средняя мантия до глубины 1000 км; нижняя мантия ( астеносфера), частично расплавленная, как и ядро , с глубины 1500 до 1740 км. Через них не проходят поперечные сейсмические волны . Приливные лунотрясения , выявленные с помощью сейсмографов , установленных на поверхности Луны экспедициями “ Апполонов ” с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.
Существует 3 главные гипотезы о происхождении Луны. По одной из них Луна отделилась от Земли , по другой - Луна была захвачена уже “ готовой” силами притяжения Земли , по третьей, разработанной в 60- е годы российской ученой Е .Л .Рускол , Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей . Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии ( США), после длительных компьютерных расчетов показали , что Луна образовалась в результате столкновения Земли по касательной с космическим телом размером с Марс. Выброшенные в космос обломки стали вращаться по круговой орбите , слипаясь в шаровидное тело – Луну. Было это 4,5 млрд. лет назад. Любая из гипотез должна объяснить отличия в химическом составе лунных пород от земных и различия в плотности небесных тел.
В заключение этого раздела необходимо подчеркнуть, что сравнительная планетология дает чрезвычайно много для понимания ранней истории Земли , скрытой от геологов последующими процессами.