1.2.6.Происхождение Солнечной системы

Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. Джордано Бруно в XVI в. первым высказал мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами и эти системы то возникают, то умирают. Только в XVIII в. благодаря трудам выдающихся ученых И. Канта и П. 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 газопылевой туманности, первоначально вращавшей­ся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались плане­ты. С тех пор планетная космогония ушла далеко вперед, и современ­ные представления о формировании Солнечной системы выглядят следующим образом (рис. 1.15).

_ш -' 1 Li-I' *' V. cJJT .. . .

Рис. 1.15. Формирование Солнечной системы. 1 — взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие на газопылевое облако (ГПО);

2. — ГПО начинает фрагментироваться и сплющиваться, закручиваясь при этом;

3. — первичная солнечная небула; 4 — образование Солнца и гигантских, богатых газом планет — Юпитера и Сатурна; 5 — сильный ионизированный газ — солнечный

ветер — сдувает газ из внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6 — образование внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и формирование облаков Оорта, состоящих из камней

допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитацион­ным возмущениям со стороны планет-гигантов. Образование планете­зималей заняло не более 1 млн лет, т. е. произошло по космическим меркам 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 сосредоточивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши пла­нет. Одно из основных условий роста тел — это низкая скорость их столкновения, не превышающая 1 м/сек. Образование группы внут­ренних планет происходило за счет соударений каменных планетези­малей в отсутствие легких газов, которые удалялись солнечным вет­ром. Но планеты-гиганты, вернее, их силикатные ядра становились уже в 2-3 раза тяжелее Земли и сумели удержать водородно-гелиевую га­зовую оболочку. Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров — примерно в 50 раз больше Земли, он присо­единил к себе весь газ из окружающего пространства, и далее аккреция пошла уже намного медленнее.

Сатурн, который расположен дальше от Солнца, рос медленнее. По составу он отличается от Солнца сильнее, чем Юпитер. Точно так же, двухступенчато, росли и остальные планеты-гиганты. Сначала форми­ровались ядра, а затем происходила аккреция газов. Огромное количе­ство 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 пла- петы формируется доспутниковый диск, из которого путем аккреции образуются спутники.

Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос формиро­вания 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 ядра 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 полагает, что первоначальная Земля, сформировав­шаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никели­стого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железоникелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.

Более поздняя гипотеза гетерогенной аккрециизаключается 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, т. е. аккретировались уже «готовые» силикатные фазы и металлы, как полагает А. А. Ярошевский. 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? На этот вопрос однозначного от­вета не существует, но предпочтение 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 компонентов в метеоритах и по­родах Земли. Процесс становления нашей планеты, по современным дан­ным, длился около 500 млн лет и проходил в три фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля 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 XX в. 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 °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 4,6 млрд лет, у Земли были твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее ядро и твер­дая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как извес­тно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердой мантии.

Процесс расслоения, дифференциации недр происходил па всех планетах, но на Земле он происходит и в наше время, обеспечивая су­ществование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфе­ра и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, вы­делявшихся на ранней стадии развития планеты.