Формирование Земли.

Остановимся подробнее на формировании Земли. Этот пример можно с некоторыми оговорками распространить на формирование других планет земной группы.

На протяжении длительного времени главенствующей парадигмой было представление о Земле как замкнутой системе. Считалось, что все процессы на Земле являются следствием земных же процессов, без «вмешательства извне». Несмотря на то, что были давно известны соотношение масс Земли и Солнца (1 : 333 000) и зависимость состояния внешних земных оболочек от притока солнечной энергии, как правило, внешними факторами при рассмотрении эволюции Земли пренебрегали.

В принципе подобные модели имеют право на существование, тем более если считать, что вклад внешних сил со стороны Солнца и других небесных тел постоянен. Для решения некоторых типов прикладных задач такой подход вполне оправдан.

Естественнонаучные исследования в XX в. показали, что пренебрегать космическими факторами в ряде случаев нельзя. На первых этапах формирования Солнечной системы многократные столкновения плане- тезималей привели в конечном итоге к формированию планет. Столкновения и в дальнейшем оказывали существенное влияние на внешние оболочки формирующихся планет. Без учета внешних факторов невозможно построить адекватную историю формирования планетных атмосфер. Циклические изменения потока электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца неизбежно модулируют процессы в наиболее чувствительных к внешним воздействиям флюидных оболочках планет (атмосферах и гидросферах).

Однако отдельные стороны планетной эволюции, особенно касающиеся эволюции внутреннего строения планет, можно и целесообразно рассматривать в приближении замкнутой саморегулирующейся системы. По-видимому, должен использоваться комплексный подход: на начальном этапе развития Земли внешние космические воздействия (процессы аккреции и солнечные излучения) представляются определяющими, в то время как на более поздних этапах эволюции эти факторы учитываются лишь эпизодически по мере необходимости, когда ими невозможно пренебречь.

Начальный этап эволюции Земли, согласно современным представлениям, выглядит следующим образом. Серия лабораторных экспериментов показала, что в фазе роста размеров протоземли от нескольких километров до размеров Луны (вчетверо меньших по диаметру по сравнению с современным значением) большая часть летучих элементов и их соединений (вода, метан, окись углерода, циан, гидрокарбонаты и инертные газы), которые присутствовали в падающих на протоземлю планетезималях, оставалась в протоядре будущей планеты.

Этот период формирования Земли назовем фазой А. Скорость столкновений на этом этапе не превышала 2 км/с. Поэтому удары были еще сравнительно слабыми, высокие температуры, способные привести к дегазации вещества, не достигались. На этом этапе протоземля аккумулировала падающее вещество, быстро наращивая массу.

На следующем этапе (фаза В) размер и масса растущей протоземли оказываются больше лунных. В результате из-за возросшей силы гравитации относительная скорость столкновений и масса аккрецирующих импакторов возрастали. Соответственно, при больших, чем 2 км/с, скоростях соударений, началась эффективная дегазация минералов. Это привело к образованию первичной атмосферы, состоявшей преимущественно из водяных паров и углекислого газа (легкая фракция — водород и гелий, присутствовавшие повсеместно в протопланетном диске, должны были улетучиться под влиянием мощного излучения молодого Солнца.)

Компьютерное моделирование показало, что такая атмосфера должна была оказывать существенное влияние на тепловой режим растущей Земли. В момент удара очередной планетезимали приток энергии на некоторое время превышал приток солнечной энергии. Кроме того, при этом в атмосфере оказывалось большое количество пыли.

Пыль, а также метан, водяной пар и углекислый газ, которые являются парниковыми газами, сильно поглощали поток энергии от нагретой поверхности древней Земли. Поэтому потери энергии, обусловленные излучением во внешнее пространство, существенно уменьшались. В результате действия такого суперпарникового эффекта температура поверхности могла достигать 1500—3000 К. При подобных температурах начиналось плавление поверхностных пород, а возможно, и испарение силикатов. Образовывался глобальный расплав — магмовый океан глубиной в сотни километров, где тонули сгустки расплавленного железа от падающих планетезималей.

Поскольку планетезимали содержали углерод, их аккреция в условиях первичной атмосферы должна была обеспечить условия для преимущественно восстановительных реакций на фазе В. В результате силикаты железа (Fe2Si04) разлагались на железо и кремний, которые потом вошли в состав ядра Земли. Летучие же элементы испарялись и переходили в состав атмосферы.

Расчеты показывают, что растущая Земля должна была столкнуться с сотнями объектов размерами до 10 км, десятками тел с диаметрами порядка 100—200 км, и по крайней мере с несколькими объектами с размерами от Луны до Марса (диаметры порядка 2000 км). При этом были неизбежны частичные (а в случае наиболее значительных ударов полные) срывы атмосферы. После такого рода событий атмосфера формировалась каждый раз заново, и на таких этапах превалировали окислительные реакции (возвращение фазы А). После одного из таких столкновений выброшенное в космос вещество послужило основой для формирования Луны. Таким образом, процессы аккреции существенно «переработали» первичное вещество сталкивающихся планетезима- лей, приведя к дифференциации (стратификации) тела древней Земли, формированию расплавных масс. Мантия Земли и сейчас содержит излишек так называемых метеоритных элементов (Mn, V, Cr, Р, W, Со, Ag, Ni, Sb, As, Ge, Mo, Au, Re, Ir). Судя по всему, они были привнесены на Землю и распределились в верхней мантии во время последних периодов аккреции в фазе А.

Постепенно частота мощных столкновений уменьшалась, поскольку объектов, с которыми можно было столкнуться, становилось все меньше. Температура Земли на этом этапе также уменьшилась, поскольку уже отсутствовали частые дополнительные источники импульсного притока энергии (соударения) и «тепловая шуба» (суперпарниковая атмосфера). В результате уже не было глобального магмового океана, поверхность Земли представляла собой затвердевшие расплавы.

Необходимо отметить, что на ранних этапах развития Земли важную роль играло излучение молодого Солнца, приводившее к поверхностной дегазации и потере возможной первичной флюидной водородной оболочки. Таким образом, современная атмосфера Земли является полностью новообразованной. Падение температуры привело к конденсации водяных паров и образованию гидросферы, что уменьшило парниковые свойства атмосферы и дополнительно ускорило процесс уменьшения температуры. В недрах Земли тепло продолжало выделяться за счет распада радиоактивных элементов, приливных эффектов со стороны близкой Луны, гравитационного сжатия и движений в теле молодой планеты.

В рамках описанного сценария за первые 100 млн лет Земля набрала 90 % своей массы за счет множественных столкновений крупных тел. Следующие 100 млн лет (второй этап) темп столкновений существенно упал (основные импакты уже произошли), шла первичная дифференциация Земли. На этом этапе импакты выступали как основной фактор в тектогенезе. На третьем этапе (очередные 100 млн лет) на Землю выпала масса, сравнимая с массой коры. Каменные метеориты, содержащие воду, органику и газы (около 1 % от их массы), в совокупности привнесли основную массу летучих веществ, которые сформировали океан и новую атмосферу. Земля набрала 0,999 % своей массы.

Последний, четвертый, этап продолжается до сих пор. За последние 4 млрд лет на Землю выпало вещество, образовавшее слой толщиной не более 0,5 м. Импакты происходят все реже, но их локальное влияние на земные оболочки может быть иногда существенным.

Таким образом, можно констатировать, что на первых этапах возникновения и эволюции Земли состояние нашей планеты практически полностью определялось космическими факторами. К их числу можно отнести расстояние до взорвавшейся сверхновой, химический состав и состояние вещества в протопланетном диске, температуру среды, частоту и параметры столкновений планетезималей, текущее значение нарастающей массы планеты, приливные деформации со стороны близкой Луны, которая первоначально находилась на низкой орбите, и другие факторы. По мере эволюции Земли как планеты, формирования ядра, мантийных слоев, коры, атмосферы и гидросферы, вклад космических факторов уменьшался, и развитие процессов в земных оболочках все в большей степени определялось собственными параметрами Земли.

В то же время необходимо учитывать, что влияние космических факторов не уменьшилось до нуля, и они продолжают влиять на эволюцию нашей планеты. Стали редкими, но не прекратились столкновения Земли с астероидами, вызывающие раз в десятки миллионов лет катастрофические изменения во внешних оболочках Земли. Солнце оказывает квазипериодическое воздействие на Землю по причине переменной солнечной активности. При этом хорошо изучены только короткопериодические циклы активности Солнца, в то время как есть указания на существование множества долгопериодных циклов, параметры которых только начинают по-настоящему изучаться с использованием, как правило, косвенных данных. В ходе движения вокруг центра Галактики (период обращения, по разным оценкам, 200—240 млн лет) Солнечная система периодически входит в зоны повышенной плотности межзвездного вещества, что усиливает его аккрецию как на Солнце, так и на Землю. Экранирование межзвездной пылью солнечного излучения в такие периоды в принципе может вызывать глобальные похолодания на Земле. Наконец, взрывы близких сверхновых, которые с неизбежностью иногда должны были проходить вблизи Солнечной системы за время ее существования, могли оказывать существенное воздействие на состояние экосистемы Земли. Этот перечень неполон. По-видимому, рассматривая изменения состояния различных земных оболочек, необходимо учитывать сложные, переменные во времени и разнообразные по своим проявлениям, космические факторы. С этой точки зрения Земля является принципиально открытой системой.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Перечислите основные закономерности строения Солнечной системы.
  • 2. Изложите основные этапы стандартного сценария формирования Солнечной системы.
  • 3. Чем отличаются свойства большинства обнаруженных экзопланетных систем от параметров Солнечной системы?
  • 4. За счет чего светило Протосолнце, пока в его недрах еще не начались термоядерные реакции?
  • 5. Какова роль импактных событий на ранней стадии формирования Солнечной системы?
  • 6. На Солнце обнаружено около 80 типов химических элементов, но термоядерные реакции на Солнце могут привести к образованию только нескольких из них. Откуда взялись на Солнце атомы остальных типов?
  • 7. Как могли сформироваться крупные планетезимали, если при столкновениях они должны были разрушиться на мелкие фрагменты?
  • 8. Что такое миграция планет-гигантов? Почему она происходит?
  • 9. Какой процесс астрономы назвали «атакой Юпитера»?
  • 10. Что такое «смена галса» в планетной космогонии?
  • 11. Что такое «ледяная линия» в Солнечной системе?
  • 12. В чем состояли различия между процессами формирования планет-гигантов и планет земной группы?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >