Теории возникновения Солнечной системы. Строение и жизнь вселенной

Солнечная система уникальна, а ее происхождение - это на сегодняшний день не открытая до конца тайна, хотя ученые многие века пытаются воспроизвести картину ее создания. Мы можем лишь принимать или отвергать современные точки зрения на происхождение Солнечной системы, но для человечества оно все равно еще многие столетия будет представлять загадку. Тем не менее, есть несколько научных предположений о ее возникновении, которые мы рассмотрим в этой статье.

Немецкий философ Кант в XVIII веке предположил, что Солнечная система образовалась из облака многочисленных холодных частиц, находящихся в беспрерывном и хаотичном движении. Другой ученый, француз Лаплас, в 1796 году высказал предположение о том, что происхождение Солнечной системы связано с постоянно вращающейся туманностью, полностью состоящей из газа.

Интересные гипотезы происхождения Солнечной системы высказывали различные ученые во все времена. В частности, английский астроном Хойл утверждает, что Солнце в момент рождения представляло собой сгусток газопылевой туманности, в котором существовало магнитное поле. Вначале он вращался с большой скоростью, а позже из-за влияния магнитного поля его вращение начало снижаться.

Еще одна была выдвинута О. Ю. Шмидтом. Как предполагает ученый, средой, которая служит для образования планет, является фрагмент межзвездного облака, состоящего из газопылевой смеси. В нем в результате хаотичных столкновений частиц образуются многочисленные сгущения. Крупные образования постепенно увеличиваются в размерах и становятся плотнее. Именно так с его точки зрения образуются «зародыши» будущих планет. Удары, которые происходят при их столкновениях, способствуют тому, что их орбиты становятся похожими на окружности, а со временем их движение вокруг Солнца приобретает устойчивый характер.

Солнечная система и ее происхождение изучаются во многих известных институтах мира. Проходящие ежегодно международные конгрессы включают в программу обязательное обсуждение этого вопроса, а в дискуссиях уже неоднократно принимали участие ведущие российские специалисты из Геофизического института при Академии наук.

Углубленным исследованиям по теме «Солнечная система и ее происхождение» отводится важное место, а средства для их проведения выделяются из государственного бюджета. Наступит момент, и благодаря неустанным трудам ученых завеса тайны приоткроется, чтобы смогло узнать еще больше о происхождении нашей удивительной планеты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

(планетная космогония). Происхождение и эволюция Солнца рассматриваются теориями звездообразования и эволюции звёзд, а при изучении П. С. с. осн. внимание уделяется проблеме образования планет, и прежде всего Земли. Звёзды с планетными системами могут составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звёздами. Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы (СС) обладает рядом закономерностей, указывающих на совм. образование всех планет и Солнца в едином процессе. Такими закономерностями являются: всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру к центр. плоскости планетной системы; осевое вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, к-рая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, к-рый вращается как бы лёжа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родств. группы, отличающиеся по массе, хим. составу и кол-ву спутников ( близких к Солнцу планет земного типа и далёкие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на 2 группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.

Краткая история. Начало развитию планетной космогонии положено гипотезой Канта-Лапласа. И. Кант (I. Kant, 1755) выдвинул идею о формировании планет из разреженного пылевого вещества, обращавшегося вокруг Солнца. Согласно П. С. Лапласу (P. S. Laplace, 1796), материалом для образования планет послужила часть газового вещества, отделившаяся от сжимающегося протосолнца. Наряду с гипотезой Канта-Лапласа предлагались гипотезы, основанные на идее "катастрофич. события". В 1920-30-х гг. известностью пользовалась гипотеза Дж. X. Джинса (J. Н. Jeans), считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако уже в кон. 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить размеры планетной системы. Ряд важных исследований по проблеме образования околосолнечной и формирования в ней планет был проведён в 30-40-х гг. X. Альфвен (Н. Alfven) и Ф. Хойл (F. Hoyle) привлекли внимание к магнитогидродинамич. эффектам, играющим важную роль на ранних стадиях формирования звезды и её окружения. X. Берлаге (Н. Berlage) и К. Вайцзеккер (С. Weizsacker) построили первые газодинамич. модели первичного околосолнечного диска. Начало планомерной разработке теории П. С. с. положено работами О. Ю. Шмидта. В трудах отечеств. школы планетной космогонии выяснены осн. черты эволюции протопла-нетного диска и процессов, сопровождающих формирование планет. К 80-м гг. получен обширный материал наблюдательных данных по современному звездообразованию. Благодаря полётам космич. аппаратов неизмеримо возрос объём информации о строении, составе и свойствах тел СС. Лаб. изучение внеземного вещества и использование при моделировании астрофиз. событий позволили перейти к построению достаточно детальных количеств моделей П. С. с.

Образование Солнца и допланетного диска. Звёзды солнечного типа образуются в газопылевых комплексах с массой М ( М - масса Солнца). Пример такого комплекса - известная туманность Ориона, в к-рой идёт активное . По-видимому, и Солнце образовалось вместе с группой звёзд в ходе перемежающихся процессов сжатия и фрагментации подобной туманности.

Эволюция допланетного диска: а - опускание пыли к центральной плоскости; б - формирование пылевого субдиска; в - распад пылевого субдиска на пылевые сгущения; г - формирование из пылевых сгущений компактных тел (по Б. Ю. Левину, 1964).

Эволюция допланетного диска: динамические аспекты. При моделировании отд. стадий эволюции диска (рис.) и образования планет большое внимание уделяется нач. стадии - опусканию пылинок к центр. плоскости диска и их слипанию в турбулентном газе. Время опускания пыли и образования пылевого субдиска зависит от интенсивности турбулентных движений в газовой составляющей диска и оценивается в - лет. При достижении в пылевом слое критич. плотности в результате гравитационной неустойчивости пылевой субдиск должен был бы распасться на пылевых сгущений. На разных расстояниях от Солнца времена образования пылевых сгущений и их массы могли несколько отличаться, но, по оценкам, в ср. их массы были близки к массам крупнейших совр. астероидов. Столкновения сгущений вызывали объединение (и ) большинства из них и образование компактных тел - плаветезималей. Этот процесс, с космогонич. точки зрения, был также весьма быстрым (лет).

Следующий этап - аккумуляция планет из роя пла-нетезималей и их обломков - занял гораздо больше времени ( лет). Численное позволяет определять одновременно масс и скоростей допланетных тел. Сначала тела двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное (остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений планетезималей). Гравитац. тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центр. плоскости диска. Наиб. массивные тела оказались зародышами будущих планет. При объединении в планеты многих тел произошло усреднение их индивидуальных характеристик движения, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Оценённые аналитически и получаемые в численных расчётах относит. расстояния между планетами, их массы и общее число, периоды собств. вращения, наклоны осей, эксцентриситеты и наклоны орбит удовлетворительно согласуются с наблюдениями.

Процесс образования планет-гигантов был более сложным, многие его детали ещё предстоит выяснить. Их образование осложнялось длительным присутствием газовой и эфф. выбросом вещества во внеш. зоны и даже за пределы СС. Согласно моделям, образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом этапе, длившемся десятки млн. лет в области Юпитера и около ста млн. лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твёрдых тел, подобная той, что была в зоне планет земной группы. Когда крупнейшие тела достигали нек-рой критич. массы (5 Мз, Мз - масса Земли), начинался 2-й этап эволюции - газа на эти тела, длившийся лет. Из зоны планет земной группы рассеивался за лет, в зоне Юпитера и Сатурна он оставался неск. дольше. Образование твёрдых ядер Урана и Нептуна, находящихся на больших расстояниях, заняло сотни млн. лет. К этому времени газ из их окрестностей был уже практически потерян. Темп-ры в этой внеш. части СС не превышали 100 К, в результате, помимо силикатной компоненты, в состав этих планет и их спутников вошло много конденсатов воды, метана и аммиака.

Малые тела СС - астероиды и кометы - представляют собой остатки роя промежуточных тел. Крупнейшие из совр. астероидов (поперечником 100 км) образовались ещё в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие - в большинстве своём обломки крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерывно пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источник мелких твёрдых частиц - и распад кометных ядер при пролёте их вблизи Солнца. Ядра комет, по-видимому, представляют собой остатки каменисто-ледяных тел зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов ещё до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из этих тел приобрели очень вытянутые орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а. е. от Солнца, заметное грави-тац. воздействие оказали ближайшие звёзды. В большинстве случаев воздействие звёзд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окружённой роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстояний а. е. и являющимся источником ныне наблюдаемых комет (облако Оорта).

Происхождение системы регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости её экватора, обычно объясняется процессами, аналогичными тем, к-рые привели к образованию планет. Согласно моделям, в ходе формирования планеты в результате неупругих столкновений планетезималей часть из них могла быть захвачена на околопланетную орбиту, образовав околопланетный доспутниковый диск. Оценки показывают, что характерные времена аккумуляции и разрушения небольших спутников при дроблении много меньше характерного времени образования самой планеты. Вещество в доспутниковых дисках неоднократно обновлялось, прежде чем смогла образоваться относительно устойчивая спутниковая система. Согласно модельным расчётам, массы доспутниковых дисков - от массы планеты, что достаточно для формирования спутниковых систем планет-гигантов. В системе регулярных спутников Юпитера имеется деление на две группы: силикатную и водно-силикатную. Различия в хим. составе спутников показывают, что молодой Юпитер был горячим. Нагрев мог быть обеспечен выделением гравитац. энергии при аккреции газа. В системе спутников Сатурна, состоящих в осн. из льда, нет деления на две группы, что связывают с более низкой темп-рой в окрестностях Сатурна, при к-рой могла конденсироваться вода. Происхождение иррегулярных спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, т. е. спутников, обладающих обратным движением, а также небольшого внеш. спутника Нептуна, обладающего прямым движением по вытянутой орбите, объясняют захватом. У медленно вращающихся планет (Меркурия и Венеры) спутников нет. Они, по-видимому, испытали приливное торможение со стороны планеты и упали в конце концов на её . Действие приливного торможения проявилось также в системах Земля - Луна и Плутон - Харон, где спутники, образуя с планетой двойную систему, всегда повёрнуты к планете одним и тем же полушарием.

Происхождение Луны чаще всего связывают с образованием её на околоземной орбите, однако продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землёй готовой Луны, отделения Луны от Земли. Разрабатывается и компромиссная гипотеза, связывающая появление массивного околоземного доспутникового диска с гигантским выбросом вещества, вызванным столкновением протоземли с крупным телом (с размерами порядка Меркурия или даже Марса). Согласно расчётам, из массивного спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения, и, в конечном счёте, спутники объединились в одно тело - Луну.

Космохимические аспекты (эволюция состава). В основе физ.-хим. исследований ранних стадий эволюции СС лежат данные по составу межзвёздной и межпланетной пыли, планет и их атмосфер, астероидов и комет. Особое место принадлежит лаб. исследованиям метеоритов - образцов астероидного вещества. Вещество, вошедшее в тела СС, проходило неоднократную физ.-хим. переработку и во многом утратило память о ранних стадиях эволюции. Однако отд. тела СС содержат вещество, хранящее ту или иную информацию в виде реликтовых минеральных фракций, включений и т. п. Образцы такого вещества используются как "космохроно-метры", "космотермометры", "космобарометры".

Хим. состав первичного допланетного диска обычно полагают близким к солнечному ("среднекосмическо-му"). В первичном диске газ (в осн. водорода и гелия) составлял 98-99% всей массы. Пыль (фер-ромагнезиальные силикаты и алюмосиликаты во внутр. части диска, к к-рым добавлялись льды во внеш. части) вначале играла второстепенную роль. В ходе образования и эволюции допланетного диска происходили изменения элементного и изотопного состава газовой и конденсированной компонент, разнообразные обмена между этими двумя осн. резервуарами. Согласно моделям, в процессе образования диска в ближней к Солнцу окрестности межзвёздная пыль в ходе аккреции испарялась и лишь после частичного охлаждения газа происходила реконденсация тугоплавких и умеренно тугоплавких соединений. Во внеш. зоне СС в состав первичных тел могла войти межзвёздная пылевая компонента. Лаб. анализы образцов наиб. примитивных углистых хондритов указывают на присутствие в них вещества, близкого по особенностям элементного, изотопного и минерального состава к межзвёздной пыли. В целом определения изотопного состава земных и лунных образцов, метеоритов и межпланетной пыли показывают относит. однородность, а следовательно, хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Это сильный довод в пользу образования допланетного диска и Солнца в едином процессе. Т. о., установленный для Земли, Луны и древнейших метеоритов возраст в 4,5-4,6 млрд. лет можно считать возрастом СС. В то же время изотопный состав газовой и конденсированной компонент в ходе формирования диска и в последующем при формировании планет несомненно менялся. Интерпретация вариаций содержания отд. изотопов в образцах внеземного вещества зачастую неоднозначна и зависит от выбора динамич. модели. Важно, однако, что находки дочерних продуктов распада короткоживущих изотопов и др. позволяют получить оценки длительности отдельных ранних стадий. Полученные оценки, основанные на ряде изотопных систем, включающих вымершие коротко-живущие , не противоречат динамич. оценкам длительности стадий формирования планет лет).

Недра крупнейших первичных тел подвергались разогреву до 300-700 К, а иногда и до 1000-1500 К, что достаточно для частичного и полного плавления. Об этом говорят представители особых классов метеоритов, состав и физ. свойства к-рых указывают на то, что их родительские тела прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева до конца неясны. Возможно, он был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоакт. изотопов; существ. нагрев мог быть обеспечен взаимными столкновениями.

Ограничения на характер процессов в ранней СС получены при исследовании образцов внеземного вещества, взаимодействовавшего с галактич. и солнечными космическими лучами. Так, исследование зёрен метеоритного вещества, облучённого солнечными космич. лучами, позволило сделать вывод, что к моменту формирования протопланет в зоне земной группы газ в осн. был уже потерян. Это важный аргумент в пользу представлений о вторичности атмосфер Земли, Венеры и Марса.

Начальное состояние и эволюция планет. В результате столкновений растущих планет с телами размером 100-1000 км протопланеты испытывали значит. нагрев, дегазацию, и дифференциацию недр. Изотопный анализ (по изотопам урана и свинца) свидетельствует о раннем образовании земного ядра. Его осн. масса, вероятно, сформировалась более 4 млрд. лет назад, т. е. в первые сотни млн. лет существования Земли. Древний характер поверхностей Меркурия и Луны и ряд косвенных данных о строении Марса и Венеры не противоречат концепции раннего образования ядер планет земной группы. Данные о возможном составе планет говорят о том, что образование ядер планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и опускания его к центру планеты изучены недостаточно. Разогрев планет в ходе их роста сопровождался выделением летучих компонент, содержавшихся в веществе падавших планетезималей. В случае Земли водяные пары сконденсировались в воды первичных бассейнов, а газы образовали атмосферу. Согласно изотопному анализу (по изотопам йода и ксенона), осн. масса атмосферы Земли была накоплена к моменту завершения роста планеты. Состав древней атмосферы известен пока плохо.

Процесс хим. расслоения земных недр происходит и в наше время. Лёгкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при вулка-нич. извержениях. Крупномасштабные перемещения вещества в недрах, вызванные тепловой конвекцией и хим. дифференциацией, проявляются в виде подъёмов и опусканий больших участков поверхности, перемещения литосферных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений (см. Сейсмология). О совр. строении планетных недр см. в ст. Планеты и спутники.

Лит.: Protostars and planets, v, 1-2, Tucson, 1978-85; Сафронов В, С., Витязев А. В., Происхождение Солнечной системы, в кн„: Итоги науки и техники, сер. Астрономия, т., 24, М., 1983. А. В. Витязев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

И бесчисленных мелких метеорных частиц и пылинок. Девять планет явл. главными спутниками Солнца, но и у них суммарная масса в 743 раза меньше . Суммарная же масса всех остальных малых тел Солнечной системы, включая облако комет, составляет .

Поскольку Солнце явл. одной из , вопросы его происхождения и развития рассматриваются теорией , а в изучении происхождения Солнечной системы наиболее интересен вопрос об образовании планет, в частности Земли. Выяснение происхождения и развития Земли имеет большое принципиальное и практическое значение.

Предпринимаются попытки поиска планетных систем у ближайших к нам звезд (см. ). В согласии с совр. представлениями о звезды с планетными системами могли бы составлять промежуточный класс между одиночными и двойными звездами. Не исключено, что строение планетных систем и способы их формирования могут быть весьма различными. Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на совместное образование всех планет и Солнца в едином процессе.

Такими закономерностями являются: движение всех планет в одном направлении по эллиптич. орбитам, лежащим почти в одной плоскости; вращение Солнца в том же направлении вокруг оси, близкой к перпендикуляру относительно центральной плоскости планетной системы; вращение в том же направлении большинства планет (за исключением Венеры, к-рая очень медленно вращается в обратном направлении, и Урана, к-рый вращается как бы лежа на боку); обращение в том же направлении большинства спутников планет; закономерное возрастание расстояний планет от Солнца; деление планет на родственные группы, отличающиеся по массе, хим. составу и количеству спутников (группа близких к Солнцу планет земного типа и далекие от Солнца планеты-гиганты, также подразделяющиеся на две группы); наличие пояса малых планет между орбитами Марса и Юпитера.

2. Развитие планетной космогонии

В 1775 г. нем. ученый И. Кант пытался объяснить единообразный характер движения планет формированием их из рассеянного вещества (пылевого облака), простирающегося до границ совр. планетной системы и вращающегося вокруг Солнца.

В 1796 г. франц. ученый П. Лаплас выдвинул гипотезу об образовании Солнца и всей Солнечной системы из сжимающейся газовой туманности. Согласно Лапласу, часть газового вещества отделилась от центрального сгустка под действием возросшей при сжатии центробежной силы, что следует из закона сохранения момента количества движения. Это вещество послужило материалом для образования планет. И Кант, и Лаплас рассматривали образование планет из рассеянного вещества, и поэтому часто говорят о единой гипотезе Канта-Лапласа. Гипотеза Лапласа долгое время владела умами ученых, но трудности, с к-рыми она встретилась, в частности при объяснении медленности совр. вращения Солнца, заставили астрономов обратиться к др. гипотезам. В конце 19 в. появилась гипотеза амер. ученых Ф. Мультона и Т. Чемберлена об образовании планет из мелких твердых частиц, названных ими планетезималями. Они ошибочно считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путем застывания вещества, выброшенного Солнцем в виде огромных протуберанцев. (Такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения.) В то же время в планетезимальной гипотезе были правильно обрисованы многие черты процесса образования планет. В 20-30-х гг. 20 в. широкой известностью пользовалась гипотеза англ. астронома Дж. Джинса, считавшего, что планеты образовались из вещества, вырванного из Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды. Однако в конце 30-х гг. выяснилось, что гипотеза Джинса не способна объяснить огромные размеры планетной системы. Чтобы вырвать вещество из Солнца, звезда должна была пролететь очень близко от него, а в таком случае это вещество и возникшие из него планеты должны были бы кружиться в непосредственном соседстве с Солнцем. Кроме того, вырванное вещество было бы весьма горячим, поэтому оно скорее рассеялось бы в пространстве, чем собралось в планеты. После крушения гипотезы Джинса планетная космогония вернулась к классич. идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества.

В 1943 г. О.Ю. Шмидт выдвинул идею об аккумуляции планет из роя холодных тел и частиц, к-рый, по его представлениям, был захвачен Солнцем. В отличие от предшествующих космогонич. гипотез, рассматривавших образование планет из раскаленных газовых сгустков, согласно гипотезе Шмидта, Земля образовалась из холодных твердых тел и сначала была относительно холодной.

Шмидт считал, что вопросы происхождения допланетного облака, образования планет и их эволюции могут рассматриваться в нек-рой степени независимо. Работами Шмидта и ряда др. советских ученых (Л.Э. Гуревича, А.И. Лебединского, Б.Ю. Левина, В.С. Сафронова) выяснены осн. черты эволюции протопланетного облака и процесса формирования планет.

Весь процесс можно условно разделить на два этапа. На первом этапе из пылевого компонента облака образовалось множество "промежуточных" тел размером в сотни км. Этот процесс мог идти следующим путем. Во вращающемся газово-пылевом облаке пыль под действием гравитации опускалась к центральной плоскости, что вело к образованию пылевого субдиска; при достижении в пылевом слое критич. плотности в результате субдиск распался на множество пылевых сгущений; столкновения сгущений вызывали объединение и сжатие большинства из них и образование компактных тел астероидных размеров. На втором этапе из роя "промежуточных" тел и из обломков аккумулировались планеты. Сперва тела двигались по круговым орбитами в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество - остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся в процессе столкновений "промежуточных" тел с большой относительной скоростью. Гравитационное взаимодействие "промежуточных" тел, усиливавшееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая ср. эксцентриситет и ср. наклон к центральной плоскости диска. Те из тел, к-рые вырывались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных св-в движения отдельных тел, и поэтому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Самые крупные планеты - Юпитер и Сатурн - на осн. стадии аккумуляции вбирали в себя не только твердые тела, но и газы. Анализ процесса аккумуляции планет из роя твердых тел позволил Шмидту и его последователям указать путь к объяснению прямого вращения планет и закона планетных расстояний.

Одним из главных экспериментальных доводов в пользу образования планет земной группы не из газовых или газово-пылевых сгустков, а путем аккумуляции твердого вещества явл. большой дефицит на Земле, а также на Венере и Марсе тяжелых инертных газов Ne, Ar (за исключением радиогенного изотопа 40 Ar), Kr и Xe по сравнению с их солнечным и космич. .

Изучение процесса аккумуляции планет земной группы показало, что практически все твердое вещество из зоны формирования этих планет вошло в их состав и только ничтожно малая доля была выброшена из этой зоны гравитац. возмущениями растущих планет. Количество твердого вещества, выброшенного из зоны планет-гигантов, было больше, но не превышало массу самих планет. Это явл. веским доводом в пользу того, что общая масса протопланетного облака составляла всего неск. % от .

Особой проблемой, служившей пробным камнем для многих космогонич. гипотез, оставалась проблема распределения момента количества движения в Солнечной системе: хотя масса планет составляет менее 1% массы Солнца, в их орбитальном движении заключено более 98% общего момента количества движения всей Солнечной системы.

В 60-х гг. 20 в. появились первые приближенные количеств. теории совместного образования Солнца и протопланетного облака (Ф. Хойл, Великобритания, 1960 г.; А. Камерон, США, 1962 г.; Э. Шацман, Франция, 1967 г.). В этих теориях в той или иной форме рассматривалось отделение вещества от сжимающегося протосолнца вследствие наступления у него ротац. неустойчивости (при уравнивании на экваторе центробежной силы и силы притяжения).

Хойл и Шацман стремились показать расчетами, что протопланетное облако имело минимально допустимую массу. Для объяснения распределения момента количества движения между Солнцем и планетами Хойл использовал интересную идею шведского астрофизика Х. Альвена о возможности магн. сцепления вращающегося Солнца и ионизованного вещества протопланетного облака, благодаря к-рому Солнце может передать момент близлежащим частям протопланетного облака. На б"ольших расстояниях, где магн. поле ослаблено, перенос вещества и момента осуществлялся, по его мнению, с помощью . Эти идеи используются и в современных моделях образования Солнечной системы.

Медленность вращения совр. Солнца Шацман объяснял потерей нек-рой части вещества с поверхности Солнца, происшедшей уже после превращения протосолнца в Солнце. Улетающее ионизованное вещество вплоть до больших расстояний продолжает взаимодействовать с магн. полем вращающегося Солнца и приобретает значит. момент количества движения, к-рый и уносит с собой. Это объяснение медленности вращения Солнца считается наиболее вероятным.

Камерон в своих работах 60-х гг. предполагал, что Солнечная система возникла в результате сжатия (коллапса) межзвездного облака с массой , и развивал теорию эволюции такого облака, обходя молчанием встречающиеся трудности. Массивное протопланетное облако, отделившееся от протосолнца, должно было дополнительно разогреться в результате выделения при его сжатии к центральной плоскости. При этом все вещество облака должно было перейти в газовую фазу. По мере последующего остывания протопланетного облака в нем должна была происходить конденсация сначала наименее летучих, т.е. наиболее тугоплавких, веществ, а затем все более летучих. В более поздних работах Камерон рассматривал протопланетное облако умеренной массы, для к-рого начальная темп-ра в зоне формирования планет земной группы и метеоритов должна была составлять всего неск. сотен o С. В наиболее общем случае "облака малой массы темп-ра должна быть еще ниже. Следствия, вытекающие из этих представлений, были подвергнуты проверке при анализе вещества метеоритов.

Начиная с 70-х гг. 20 в. лабораторные анализы метеоритов, к-рые на протяжении всей своей истории не подвергались сильному нагреву, указывали на присутствие в них вещества, напоминающего, по-видимому, . Его присутствие в количестве хотя бы неск. % теперь уже не вызывает сомнений. Согласно Д. Клейтону (США, 1978 г.), почти вся пыль в первичном протопланетном облаке имела межзвездное происхождение.

Определения изотопного состава земных образцов и метеоритов, а также лунных образцов показали его высокую однородность (за исключением следов фракционирования изотопов при образовании отдельных образцов). Это указывает на хорошую перемешанность осн. массы протопланетного вещества. Однако ряд обнаруженных изотопных аномалий в нек-рых метеоритах свидетельствует о том, что в протопланетном облаке присутствовали порции вещества, не перемешанные с осн. массой вещества. По-видимому, в протопланетном облаке не было полного испарения межзвездной пыли, при к-ром различия изотопного состава были бы сглажены. Еще в 1960 г. исследования изотопного состава Xe из метеоритов выявили присутствие в нем дочернего продукта распада - короткоживущего радиоактивного изотопа 129 I, а в 1965 г. - продуктов распада 244 Pu (периоды полураспада и лет соответственно). Присутствие газообразных химических инертных продуктов распада показывает, что нек-рое время после нуклеосинтеза этих изотопов образовалась твердая фаза, где и произошел распад сохранившейся части этих изотопов. Одним из важнейших процессов нуклеосинтеза и единственным процессом синтеза Pu явл. взрывы . Возникло естеств. предположение, что незадолго до сжатия межзвездного газово-пылевого облака, приведшего к образованию протосолнца с протопланетным диском, неподалеку произошел взрыв сверхновой, инжектирующей в облако свежие продукты нуклеосинтеза. Присутсвие в метеоритах продуктов распада изотопов 129 I и 244 Pu интерпретировалось как указание на то, что между взрывом сверхновой и образованием твердого метеоритного вещества прошло всего неск. периодов полураспада, т.е. время ~ 10 7 -10 8 лет. Этот промежуток времени, названный интервалом формирования, был сокращен до 10 6 -10 7 лет, когда удалось выявить в ряде метеоритов присутсвие продуктов распада еще более короткоживущих изотопов - 26 Al и 107 Pd (периоды полураспада и лет).

Если исходить из идеи о сохранении межзвездных пылинок, понятие "интервал формирования" теряет свой смысл. Конденсация твердого веществав и образование пылинок начинаются еще на стадии разлета продуктов взрыва сверхновой, и количество продуктов распада короткоживущих изотопов, присутствующих в метеоритном веществе, зависит от доли свежей пыли, инжектированной в межзвездное облако либо перед его сжатием (коллапсом), либо в уже сформировавшееся допланетное облако. Камерон и С. Труран (США, 1970 г.) предложили, что взрыв близко расположенной сверхновой не только инжектировал свежее вещество в протосолнечную туманность, но и содействовал ее сжатию.

Достижения астрофизики и планетологии в 70-х гг. 20 в.: первые расчеты коллапса, учитывающие вращение сжимающихся протозвезд; исследование областей совр. звездообразования в Галактике; снимки поверхностей планет Солнечной системы и их спутников, изобилующих ударными кратерами, - наглядно свидетельствуют о правильности общих основ совр. теории формирования планет.

Наряду с исследованиями, определяющими генеральную линию развития планетной космогонии, существуют представления, не пользующиеся широким признанием. Так, Альвен разрабатывает с 40-х гг. 20 в. гипотезу о том, что образование планетной системы на всех этапах определялось в основном эл.-магн. силами. Для этого молодое Солнце должно было обладать очень сильным магн. полем, в тысячи раз более сильным, чем современное. Газы межзвездного облака, падавшего к Солнцу под действием его притяжения, постепенно ионизовались и по мере ускорения своего падения под влиянием магн. поля Солнца переходили от падения к обращению вокруг Солнца. Первыми на больших расстояниях от Солнца должны были ионизоваться металлы и др. вещества, обладающими низкими потенциалами , а последним ближе всего к Солнцу должен был ионизоваться водород. Хим. состав планет дает обратную картину распределения водорода и более тяжелых элементов. Вследствие этого и искусственности ряда др. предположений гипотеза Альвена почти не имеет сторонников.

Англ. ученый М. Вульфсон в 60-70-х гг. 20 в. пытался развивать гипотезу, согласно к-рой приобретение Солнцем протопланетного вещества объяснялось сочетанием приливного воздействия и захвата: Солнце захватило сгустки вещества, вырванного его притяжением из пролетавшей мимо разреженной протозвезды. Как и гипотеза Джинса, эта схема имеет много слабых мест и не пользуется популярностью.

3. Современное состояние планетной космогонии:
Образование Солнца и протопланетного облака

Данные, накопленные астрофизикой, говорят о том, что звезды, в т.ч. и звезды солнечного типа, образуются в газово-пылевых комплексах с массой . Примером такого комплекса явл. известная туманность Ориона, где звезды продолжают образовываться. По-видимому, и Солнце образовалось с группой звезд в ходе сложного процесса сжатия и фрагментации подобной массивной туманности.

Начавшее сжиматься массивное облако, участвующее в общем вращении Галактики, не может сжаться до высокой плотности из-за большого момента вращения. Поэтому оно стремится распасться на отдельные фрагменты. Часть момента вращения при этом переходит в момент относительного движения фрагментов. Процесс последовательной фрагментации, сопровождаемый беспорядочными (турбулентными) движениями, ударными волнами, запутыванием магн. полей, приливным взаимодействием фрагментов, сложен и понят далеко не достаточно. Однако эволюция изолированного фрагмента, имеющего массу и обладающего не слишком большим начальным моментом вращения K (), уже может быть прослежена путем расчетов на ЭВМ. Расчеты показывают, что при большом моменте вращения вместо протозвезды может возникнуть неустойчивое кольцо, разбивающееся на фрагменты. Таким путем, возможно, формируются кратные звезды. При много меньшем значении K более вероятно образование одиночной звезды. В 80-е гг. 20 в. появились детальные расчеты по образованию около сжимающейся протозвезды (Солнца) уплощенного газово-пылевого диска. В экваториальной области сжимающейся протозвезды должна существовать область с интенсивным перераспределением момента вращения. В случае эффективной турбулентности, вызванной продолжающейся аккрецией газа, все новые порции вещества с избыточным моментом выносятся наружу, образуя вращающийся газово-пылевой диск. Часть вещества из сжимающейся оболочки аккрецирует непосредственно на диск. Не исключено, что в зависимости от начальных условий в туманности, влияния соседних фрагментов, а также вспыхивающих поблизости новых и сверхновых звезд массы и размеры образующихся дисков могут варьировать в широких пределах. Важную роль в ранней эволюции таких дисков играет активность молодой звезды - ее излучение в рентг. и УФ-диапазонах, общая светимость и интенсивность . Имеются данные, что рентг. и УФ-излучение молодых звезд солнечной массы может на порядки превышать интенсивность коротковолнового излучения совр. Солнца. С использованием ур-ний гидродинамики были построены модели околосолнечного газово-пылевого диска, вращающегося вокруг такого активного Солнца. Согласно этим моделям, темп-ра в центральной плоскости диска падает с расстоянием от Солнца как r -1 -r -1/2 , составляя 300-400 К на расстоянии r =1 а.е. и лишь десятки кельвинов на а.е. Внеш. разреженные слои диска могли нагреваться коротковолновым излучением Солнца до очень высоких темп-р, что вело к потере газа (его рассеянию в межзвездное пространство). Этому процессу способствовал также интенсивный солнечный ветер. Однако структуру внутренних, более холодных областей диска хорошо отражает модель, положенная в основу исследований Шмидта и его сотрудников.

Процесс образования планет и их спутников

При моделировании отдельных стадий эволюции протопланетного облака и образования планет (рис.) большое внимание уделяется начальной стадии - опусканию пылинок в центральной плоскости диска и их слипанию в условиях допланетного облака. От быстроты роста пылинок зависит время их опускания и образование уплощенного пылевого диска. Последующий распад пылевого диска, образование пылевых сгущений и их превращение в рой компактных тел астероидных размеров с космогонич. точки зрения был весьма быстрым (0,15 аккумулирующиеся тела сливаются в единый звездообразный спутник Солнца. Это явл. еще одним подтверждением правильности модели маломассивного допланетного облака. Численное моделирование в принципе позволяет определять одновременно распределение масс и распределение скоростей допланетных тел. Однако сложность учета гравитац. взаимодействия многих тел долгое время не позволяла получать надежные результаты. Недавно Дж. Везерил (США) проделал весьма трудоемкие расчеты динамики роя тел в "зоне питания" планет земной группы, к-рые подтвердили как характер распределения скоростей на заключительном этапе роста планет, так и время аккумуляции Земли (~ 10 8 лет), оценивавшиеся ранее аналитич. методами. Процесс образования планет земной группы прослежен уже достаточно детально. Получаемым методом численного моделирования расстояния между планетами, их массы, периоды собств. вращения, наклоны осей удовлетворительно согласуются с наблюдениями. Процесс образования планет-гигантов был более сложным, и многие его детали еще предстоит выяснить. Существуют две гипотезы о пути формирования Юпитера и Сатурна, содержащих много водорода и гелия (по своему составу они ближе к Солнцу, чем др. планеты). Первая гипотеза ("контракции") объясняет "солнечный" состав планет-гигантов тем, что в протопланетном диске большой массы образовались массивные газово-пылевые сгущения - протопланеты, к-рые затем в процессе гравитац. сжатия превратились в планеты-гиганты. Эта гипотеза не объясняет удаления из Солнечной системы больших излишков вещества, не вошедшего в планеты, а также причин отличия состава Юпитера и Сатурна от солнечного (Сатурн содержит больше тяжелых хим. элементов, чем Юпитер, к-рый, в свою очередь, содержит их относительно больше, чем Солнце). Согласно второй гипотезе ("аккреции"), образование Юпитера и Сатурна протекало в два этапа. На первом, длившемся ок. лет с области Юпитера и лет в области Сатурна, происходила аккумуляция твердых тел таким же образом, как в области планет земной группы. Когда самые крупные тела достигли критич. массы (ок. двух масс Земли), начался второй этап - газа на эти тела, длившийся не менее 10 5 -10 6 лет. На первом этапе из области Юпитера диссипировала часть газа, и его состав оказался отличным от солнечного; еще больше это проявилось у Сатурна. На стадии аккреции наибольшая темп-ра наружных слоев Юпитера достигала 5000 К, а у Сатурна - ок. 2000 К. Значит. прогревание Юпитером своей окрестности определило силикатный состав его близких спутников. Согласно гипотезе контракции на ранней стадии планеты-гиганты также имели высокие темп-ры, однако динамика процессов в рамках гипотезы аккреции более обоснована. Образование Урана и Нептуна, содержащих всего 10-20% H и He, также лучше объясняется второй гипотезой. К моменту достижения ими критич. массы (за время ~ 10 8 лет) б"ольшая часть газа уже покинула Солнечную систему.

Малые тела Солнечной системы - и - представляют собой остатки роя "промежуточных" тел. Астероиды - это каменистые тела внутр. околосолнечной зоны, кометы - каменисто-ледяные тела зоны планет-гигантов. Массы планет-гигантов еще до завершения их роста стали столь большими, что своим притяжением начали очень сильно изменять орбиты пролетавших мимо них малых тел. В результате нек-рые из них приобрели очень вытянутые орбиты, в т.ч. и орбиты, уходящие далеко за пределы планетной системы. На тела, удалявшиеся дальше 20-30 тыс. а.е. от Солнца, заметное гравитац. воздействие оказывали ближайшие звезды. В большинстве случаев воздействие звезд приводило к тому, что малые тела переставали заходить в область планетных орбит. Планетная система оказалась окруженной роем каменисто-ледяных тел, простирающимся до расстояний 10 5 а.е. (~ 1 пк) и являющимся источником ныне наблюдаемых комет. Существование кометного облака установил нидерландский астроном Я. Оорт (1950 г.). Влияние ближайших звезд может иногда столь сильно возмутить орбиту каменисто-ледяного тела, что оно уйдет совсем из Солнечной системы, а иногда может перевести его на орбиту, проходящую в окрестности Солнца. Вблизи Солнца ледяные тела начинают испарятсья под действием его лучей и становятся видимыми - возникает явление кометы.

Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно присоединились к этим планетам либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены за пределы этой зоны благодаря гравитац. воздействию планет.

Крупнейшие из совр. астероидов - поперечником в 100 км и более - образовались еще в эпоху формирования планетной системы, а средние и мелкие в большинстве своем явл. обломками крупных астероидов, раздробившихся при столкновениях. Благодаря столкновениям астероидных тел непрерыво пополняется запас пылевого вещества в межпланетном пространстве. Др. источником мелких твердых частиц явл. распад комет при пролете их вблизи Солнца.

Недра "первичных" крупных астероидов подвергались, по-видимому, разогреву примерно до 1000 o С, что отразилось на составе и структуре их вещества. Мы знаем об этом благодаря тому, что на поверхность Земли выпадают мел-кие обломки астероидов - , состав и физ. св-ва к-рых указывают, что они прошли стадии нагрева и дифференциации вещества. Причины разогрева астероидов до конца не ясны. Возможно, нагрев был связан с выделением теплоты при распаде короткоживущих радиоактивных изотопов; астероиды могли быть также нагреты взаимными столкновениями.

Нек-рые метеориты представляют собой наилучшие из доступных нам образчиков "первичного" планетного вещества. По сравнению с земными горными породами они несравненно меньше изменены последующими физ.-хим. процессами. Возрасты метеоритов, определяемые по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада, характеризуют в то же время возраст всей Солнечной системы. Он оказывается равным ок. 4,6 млрд. лет. Следовательно, длительность процесса формирования планет незначительна по сравнению с временем их дальнейшего существования.

Происхождение систем регулярных спутников планет, движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора, авторы космогонич. гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, к-рый они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Системы регулярных спутников имеются у Юпитера, Сатурна и Урана, к-рые обладают также кольцами из мелких твердых частиц. У Нептуна нет регулярной системы спутников и, по-видимому, нет колец. Совр. планетная космогония объясняет образование регулярных спутников эволюцией протоспутниковых дискообразных poев частиц, возникших в результате неупругих столкновений вблизи данной планеты планетезималей, двигавшихся по околосолнечным орбитам.

В системе регулярных спутников Юпитера имеется деление на две группы: силикатную и водно-силикатную. Различия в хим. составе спутников показывают, что молодой Юпитер был горячим (нагрев мог быть обусловлен выделением гравитац. энергии при аккреции газа). В системе спутников Сатурна, состоящих в основном из льда, нет деления на две группы, что связано с более низкой темп-рой в окрестностях Сатурна, при к-рой могла конденсироваться вода.

Происхождение иррегулярных спутников Юпитера, Сатурна и Нептуна, т. е. спутников, обладающих обратным движением, а также небольшого внеш. спутника Нептуна, обладающего прямым движением по вытянутой орбите, объясняют захватом.

У медленно вращающихся планет Меркурия и Венеры спутников нет. Они, по-видимому, испытали приливное торможение со стороны планеты и упали в конце концов на её поверхность. Действие приливного трения проявилось также в системах Земля-Луна и Плутон-Харон, где спутники, образуя с планетой двойную систему, всегда повёрнуты к планете одним и тем же полушарием.

Объяснение происхождения Луны потребовало детального исследования св-в околоземного роя частиц, существование к-рого поддерживалось в течение всего времени аккумуляции Земли неупругими столкновениями частиц в ее окрестностях.

Образование роя достаточной массы возможно лишь за счёт многочисл. столкновений наиболее мелкой фракции межпланетных частиц. Динамика роя позволяет подойти к объяснению различий в хим. составе Луны и Земли, черпавших вещество из одной и той же зоны. Преимуществ. попадание в рой мелких частиц могло одновременно привести к обогащению роя силикатным веществом, т. к. именно каменистые тела при столкновениях образуют мелкую пыль (в отличие от металлич. тел). На стадии мелкодисперсного вещества могли быть частично потеряны и летучие вещества, дефицит к-рых был обнаружен в лунных породах. Из спутникового роя могла образоваться система из неск. крупных спутников, орбиты к-рых с разной скоростью эволюционировали под действием приливного трения и к-рые в конечном счете объединились в одно тело - Луну. Анализ состава и определения возраста доставленных в 70-х гг. 20 в. на Землю лунных пород показал, что Луна еще в ходе своего образования или вскоре после этого была разогрета и прошла магматич. дифференциацию, в результате к-рой сформировалась лунная кора. Изобилие крупных ударных кратеров на материковой части лунной поверхности показывает, что кора успела затвердеть ещё до того, как затухла интенсивная бомбардировка Луны формировавшими ее телами. Слияние Луны из неск. крупных тел (протолун) дает быстрое нагревание до 1000 К ее поверхностного слоя толщиной в сотни км, что лучше согласуется с ранней дифференциацией вещества Луны. При медленной аккумуляции Луны из мелких частиц выделившейся гравитац. энергии недостаточно для требуемого нагрева Луны. Альтернативные гипотезы нагрева Луны в результате распада короткоживущих радиоактивных изотопов и нагрева электрич. токами, индуцированными интенсивным солнечным ветром, требуют неприемлемо быстрого образования Луны на самом раннем этапе формирования Солнечной системы. Итак, наиболее вероятным представляется образование Луны на околоземной орбите, однако в литературе продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

Заметное различие ср. плотности планет земного типа связано, по-видимому, со значит. различием общего содержания Fe и содержания металлич. Fe. Высокая плотность Меркурия (5,4 г/см 3) указывает на то, что он содержит до 60-70% металлич. никелистого железа, тогда как низкая плотность Луны (3,34 г/см 3) указывает на отсутствие в ней значит. количеств металлич. железа (менее 10-15%). Содержание богатого железом сплава в Земле составляет ок. 32%, в Венере - ок. 28%.

В 70-е гг. 20 в., одновременно с развитием представлений о последовательной конденсации различных веществ в остывающем протопланетном облаке, появилась гипотеза неоднородной (гетерогенной) аккумуляции планет, согласно к-рой полная аккумуляция нелетучих веществ в несколько крупных тел - ядер будущих планет - успевала произойти до заметного дальнейшего остывания облака и конденсации других, более летучих веществ. По этой гипотезе, формирующиеся планеты с самого начала оказываются слоистыми. В сочетании с предположением о конденсации сначала металлич. железа, а затем силикатов гипотеза гетерогенной аккумуляции объясняла возникновение железных ядер у Земли и Венеры. Однако она игнорировала надежные астрофизич. оценки скорости остывания облака: остывание должно происходить несравненно быстрее, чем аккумуляция продуктов конденсации. Выдвигалась также гипотеза, что ядра Земли и Венеры состоят в основном из силикатов и окислов, перешедших под действием давления вышележащих слоев в плотное металлич. состояние. В этом случае ядра Земли и Венеры содержали бы всего неск. % металлич. железа, т.е. приблизительно столько же, сколько ядро Луны, но меньше, чем ядро Марса (давление в недрах Марса и Луны заведомо слишком мало для перехода силикатов в металлич. состояние). Эксперименты по статич. сжатию вещества до давлений, близких к давлениям в ядрах Земли и Венеры, пока не позволяют сделать определенного вывода о возможности таких фазовых переходов с достаточно большим скачком плотности.

По-видимому, образование ядер у планет земной группы произошло вследствие отделения богатого железом расплава от ферромагнезиальных силикатов. Физикохимия процесса отделения железного расплава и динамика опускания его к центру планеты изучены пока недостаточно. В работах, посвященных анализу процесса расслоения первично однородных планет, наибольшее число расчетов проводится для Земли.

Начальное состояние и эволюция Земли

Земля росла из роя "промежуточных" тел, двигавшихся в широкой области между орбитами Венеры и Марса. Отличия в составе и плотности планетезималей были достаточно велики, на что указывает разность ср. плотностей этих планет. При падении тел на протоземлю они от удара разрушались, происходил нагрев вещества, сопровождавшийся дегазацией и дегидратацией. В результате перемешивания вещества при ударах хим. неоднородности частично сглаживались. Удары тел с размерами в десятки и более км приводили к накоплению существенной доли энергии на большой глубине, что являлось осн. источником нагрева планеты. Дополнит. разогрев происходил вследствие распада радиоактивных элементов и сжатия вещества под увеличивающимся давлением вышележащих (нарастающих) слоев. Согласно расчетам, центральная область Земли к концу ее образования была нагрета до 1000-1500 К, что меньше темп-ры плавления пород на этих глубинах. (В недрах планеты темп-ра плавления увеличивается с глубиной вследствие роста давления.) На глубинах 50-2000 км темп-ра превосходила темп-ру плавления железа, однако в целом ещё дифференцированное вещество вряд ли находилось в жидком состоянии. Поверхность же Земли вследствие быстрой теплоотдачи имела достаточно низкую темп-ру, уже тогда допускавшую существование первичных водных бассейнов. По-видимому, уже на заключит. этапах аккумуляции Земли началась крупномасштабная дифференциация вещества - отделение и уход в нижние горизонты тяжелых компонентов. Гравитац. энергия, выделявшаяся при расслоении Земли, в результате конвективных движений масс переносилась к поверхности Земли и содействовала ее обновлению, о чем говорит отсутствие на земной поверхности древнейших пород, с возрастами 3,8-4,5 млрд. лет. Не исключено, что разрушение первичной коры связано, как и у Луны, с поздней бомбардировкой падавшими телами. Наиболее легкие вещества всплывали ("выдавливались") на поверхность, постепенно слагая наружный слой земного шара - земную кору. Это был длит. процесс (неск. млрд. лет), к-рый в разных местах земного шара протекал по-разному, что привело к образованию участков с толстой корой (материков) и участков с тонкой корой (океанич. впадин). Земная кора отличается и по составу, и по плотности от подстилающего ее вещества мантии Земли. Плотность коры составляет 2,7-2,8 г/см 3 , а плотность верхней мантии (приведённая к нулевому давлению) ок. 3,3-3,5 г/см 3 . Скачок плотности на границе ядра превышает 4 г/см 3 . Плотность вещества ядра несколько меньше плотности Fe при этих давлениях, что указывает на присутствие в нем какой-то более легкой примеси.

Разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменистых веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары сконденсировались в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав к-рой первоначально существенно отличался от современного. Состав совр. земной атмосферы в значит. мере обусловлен существованием на Земле жизни (биосферы). Нек-рую роль в образовании гидросферы и атмосферы, возможно, сыграли падавшие на Землю ледяные ядра комет.

Процесс хим. расслоения земных недр происходит и сейчас. Легкие расплавы в виде магмы поднимаются из мантии в кору. Они частично застревают и застывают внутри земной коры, а частично прорывают кору и в виде лавы изливаются наружу при вулканич. извержениях. Перемещения вещества в недрах Земли проявляются в виде подъемов и опусканий больших участков поверхности, горизонтальных перемещений отдельных плит, на к-рые расчленена земная кора, в виде процессов вулканизма и горообразования, а также землетрясений.

Лит.:
Шмидт О.Ю., Четыре лекции о теории происхождения Земли, 3 изд., М., 1957; Левин Б.Ю., Происхождение Земли и планет, 4 изд., М., 1964; Сафронов В.С., Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет, М., 1969; Вуд Дж., Метеориты и происхождение солнечной системы, пер. с англ., М., 1971; Рускол Е.Л., Происхождение Луны М., 1975; Альвен X., Аррениус Г. Эволюция солнечной системы, пер. с англ. М., 1979; Спутники планет, пер. с англ., М. 1980; Протозвезды и планеты, пер. с англ, ч. 1-2, М., 1982.

(Б.Ю. Левин, А.В. Витязев )

На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в 18 веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту наших космогонических представлений.

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды -- Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Теории происхождения Солнечной системы

Небулярная гипотеза Канта-Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное предположение, так как движение могло начаться только при косом ударе туманностей). Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли, которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности (1755г.).

Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XXв. американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906г.), из которого и образовались планеты.

Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. Ее предположил шведский астрофизик X. Альфен (1942г.). Атомы газа ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости.

Академик-астрофизик В.Г. Фесенков (1944г.) предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому.

Астроном и математик Дж. Дарвин и математик А.М. Ляпунов (40-е г. XX в.) рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы.

Согласно взглядам О. Струве - английского астрофизика (40-е гг. XX в.), 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.

В настоящее время общепризнанной является теория формирования планетной системы в четыре этапа. Планетная система формируется из того же протозвездного пылевого вещества, что и звезда, и в те же сроки. Первоначальное сжатие протозвездного пылевого облака происходит при потере им устойчивости. Центральная часть сжимается самостоятельно и превращается в протозвезду. Другая часть облака с массой, примерно в десять раз меньше центральной части, продолжает медленно вращаться вокруг центрального утолщения, а на периферии каждый фрагмент сжимается самостоятельно. При этом стихает первоначальная турбулентность, хаотичное движение частиц. Газ конденсируется в твердое вещество, минуя жидкую фазу. Образуются более крупные твердые пылевые крупинки - частицы.

Чем крупнее образовавшиеся крупинки, тем быстрее они падают на центральную часть пылевого облака. Часть вещества, обладающая избыточным моментом вращения, образует тонкий газопылевой слой - газопылевой диск. Вокруг протозвезды формируется протопланетное облако - пылевой субдиск. Протопланетное облако становится все более плоским, сильно уплотняется. Из-за гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске образуются отдельные мелкие холодные сгустки, которые, сталкиваясь друг с другом, образуют все более массивные тела - планетезимали. В процессе формирования планетной системы часть планетезималей разрушилась в результате столкновений, а часть объединилась. Образуется рой допланетных тел размером около 1 км, количество таких тел очень велико - миллиарды.

Затем допланетные тела объединяются в планеты. Аккумуляция планет продолжается миллионы лет, что очень незначительно по сравнению со временем жизни звезды. Протосолнце становится горячим. Его излучение нагревает внутреннюю область протопланетного облака до 400 К, образовав зону испарения. Под действием солнечного ветра и давления света легкие химические элементы (водород и гелий) оттесняются из окрестностей молодой звезды. В далекой области, на расстоянии свыше 5 а.е., образуется зона намерзания с температурой примерно 50 К. Это приводит к различиям в химическом составе будущих планет.

В центре Солнечной системы сформировались менее массивные планеты. Здесь солнечный ветер выдул мелкие частицы и газ. А вот более тяжелые частицы, наоборот, стремились к центру. Рост Земли продолжался сотни миллионов лет. Ее недра прогрелись до 1000-2000 К благодаря гравитационному сжатию и участвовавшим в аккумуляции крупным телам (до сотен километров в поперечнике). Падение таких тел сопровождалось образованием кратеров с очагами повышенной температуры под ними. Другой и основной источник тепла Земли - распад радиоактивных элементов, в основном, урана, тория и калия. В настоящее время температура в центре Земли достигает 5000 К, что гораздо выше, чем в конце аккумуляции. Солнечные приливы затормозили вращение близких к Солнцу планет - Меркурия и Венеры. С появлением радиологических методов был точно определен возраст Земли, Луны и Солнечной системы - около 4,6 млрд. лет. Солнце существует 5 миллиардов лет и еще столько же будет излучать практически неизменный поток энергии вследствие протекающих в его недрах ядерных реакций. Затем, в соответствии с законами звездной эволюции, Солнце превратится в красный гигант, и его радиус значительно увеличится, станет больше орбиты Земли.

3.Основные этапы геологической истории: эволюция литосферы, атмосферы, гидросферы и живого мира.

3.1.Эволюция литосферы.
3.2.Эволюция атмосферы.
3.3.Эволюция гидросферы.

1.Строение Вселенной и Солнечной системы.

Вселенной или космосом называется весь окружающий материальный мир (греч. « космос » -мир). Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Материя во вселенной распределена неравномерно и представлена звездами, планетами, пылью, метеоритами, кометами, газами. Доступная для изучения часть Вселенной называется Метагалактикой, включающая свыше миллиарда звездных скоплений галактик (греч. « галактика » -молочный, млечный).

Наша Галактика носит название Млечного пути и относится к типу спиральных и включает свыше 150 млрд. звезд. Она представляет собой широкую белесую полосу звезд. Возраст Галактики ~ 12 млрд. лет.

Масса Солнца -99,87% от всей массы Галактики (Юпитер -крупнейшая планета -0,1%), поэтому оно центр притяжения всех космических тел. Физически Солнце -плазменный шар. Химический состав -70 элементов; главные: водород и гелий; средняя t ° С ~5600 ° С; возраст -6-6,5 млрд. лет. Тепловая энергия Солнца обусловлена термоядерными процессами превращения водорода в гелий.

Тепло и свет излучаемые Солнцем оказывают большое влияние на геологические процессы. Непрерывная взрывная деятельность на Солнце вызывает образование так называемого солнечного ветра (движение в пространстве заряженных частиц), с которым связаны полярное сияние и магнитные явления в атмосфере Земли.

В состав Солнечной системы входят 9 планет, 42 спутника, около 50 тысяч астероидов, множество метеоров и комет.

Орбиты планет располагаются в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца и направлением обращения вокруг Солнца, кроме Венеры и Урана, оно обратное и совпадает с направлением вращения Солнца вокруг своей оси.

2.Гипотезы происхождения Солнечной системы и Земли.

Немецкий философ Эммануил Кассет в 1755 г. высказал идею происхождения Вселенной из первичной материи, состоящей из мельчайших частиц. Образование звезд, Солнца и других космический тел, по его мнению, произошло под воздействием сил притяжения и отталкивания в условиях хаотического движения частиц. Французский математик П. Лаплас (1796 г.) связывал образование солнечной системы с вращательным движением разряженной и раскаленной газообразной туманности, приведшим к возникновению сгустков материи -зародышей планет. По гипотезе Канта-Лапласа, первоначально раскаленная Земля охлаждалась, сжималась, что привело к деформации земной коры.

По гипотезе О. Ю. Шмидта (1943 г.) планетная система образовалась из пылевой и метеорной материи при попадании ее в сферу Солнца. Первоначально холодные Земля и другие планеты постепенно разогревались под воздействием энергии радиоактивного распада гравитационных и других процессов, а затем остывали.

Советский астроном В. Г. Фесенков в 50-е годы предложил решение проблемы с точки зрения образования Солнца и планет из общей среды, возникшей в результате уплотнения газопылевой материи. При этом предполагалось, что Солнце образовалось из центральной части сгущения, а планеты -из внешней частей.

По современным представлениям, тела Солнечной системы формировались из первично холодной космической твердой и газообразной материи путем уплотнения и сгущения до образования Солнца и прото планет. Астероиды и Метеориты считаются исходным материалом планет Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, и Марс -небольшие по размерам; высокая плотность, малая масса атмосферы, небольшая скорость вращения вокруг своей оси); а кометы и метеоры -планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон -огромные размеры, низкая плотность, плотная атмосфера с H 2 , Ge и метаном, высокая скорость вращения). Формирование современных оболочек Земли связывается с процессами гравитационной дифференциации первоначального однородного вещества.

Самая передовая гипотеза -это объяснение возникновения Вселенной теорией Большого взрыва . В соответствии с этой теорией ~ 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньше булавочной головки. По математическим расчетам ее диаметр был равен, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние называется сингулярным -бесконечная плотность в точечном объеме. Неустойчивое исходное состояние вещества привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

Самый ранний этап развития Вселенной называется инфляционным -его период до 10 -33 секунды после взрыва. В результате возникают пространство и время. Размеры Вселенной в несколько раз превышают размеры современной, вещество отсутствует.

Следующий этап — горячий . Выброс тела связан с высвободившейся энергией при Большом взрыве. Излучение нагрело Вселенную до 1027 К. Затем наступил период остывания Вселенной в течение ~500 тысяч лет. В результате возникла однородная Вселенная. Переход от однородной к структурной происходил от 1 до 3 млрд. лет.

3.Основные этапы геологической истории: эволюция литосферы,

атмосферы, гидросферы и живого мира.

Геологическое развитие Земли характеризуется направленностью и необратимостью всех геологических событий, в том числе и тектонических, которые привели к формированию современной сложной структуры литосферы. Известный российский тектонист В. Е. Хаин. Виктор Ефимович (1914 г.р.) в 1973 году выделил этапы ее развития:

I. догеологический (4,6 -4,5 млрд. лет);

II. лунный; от образования земной коры до формирования гидросферы (4,5 -4,0 млрд. лет);

III. катархейский, образуется первичная континентальная литосфера, слагающая ядра будущих материков (4,0 -3,5 млрд. лет);

IV. подзднеархейско-раннепротерозойский или раннегеосинклинальный: образование протогеосинклиналей и первых платформ (3,5 -2,0 млрд. лет);

V. среднепротерозойский -раннерифейский или раннеплатформенный, консолидация первичной континентальной коры, 2,0 -1,4 млрд. лет;

VI. позднепротерозойский -палеозойский или геосинклинально-платформенный; обособление древних платформ и их развитие (1,4 -0,2 млрд.лет);

VII. мезозойско-кайнозойский или континентально-океанический; оформление современных континентов, создание на палеозойских и раннемезозойских складчатых структур молодых платформ; образование молодых океанов (0,2 млрд. лет).

В геологическом развитии последних этапов истории Земли наблюдается определенная направленность: постоянно увеличивается объем литосферы и верхней мантии, а также размеры устойчивых плит, несмотря на прослеживание противоположного процесса -океанизация за счет обрушения и развития облаков материков.

Для направленного развития литосферы характерна цикличность процессов, которые проявляются преимущественно на различных территориях. Т. о. в истории Земли наблюдаются определенные этапы развития литосферы, на протяжении которых тектонические процессы приводят к тектонической перестройке то одних участков литосферы то других.

При этом в истории литосферы можно выделить периоды интенсивных тектонических деформаций, в ходе которых происходжит горообразование. Это явление объясняют длительной аккумуляцией напряжений в литосфере и последующей их разрядкой в виде тектонических процессов.

Этапы тектоногенеза.

Длительные периоды, по завершении которых тектонические процессы, в т.ч. и горообразование, проявляются наиболее интенсивно, называются тектоническими циклами или циклами (этапами) тектоногенеза. Они носят планетарный характер.

В истории Земли выделяют 11 основных циклов тектоногенеза: от раннеархического до альпийского (или кайнозойского) незавершенного. В долембрии они имеют продолжительность 300-600 млн. лет, в фалерозое -140-170 млн. лет, в кайнозое -80 млн. лет.

Каждый тектонический цикл состоит из двух частей: длительного эволюционного развития и кратковременных активных тектонических деформаций , которые сопровождаются региональным метаморфизмом, горообразованием.

Завершающая часть цикла называется эпохой складчатости , для которой характерно окончание развития отдельных геосинклинальных систем и их превращение в эпигеосинклинальный ороген, после чего развивается плит форма или образуются внегеосинклинальные горные сооружения.

Для эволюционных этапов характерно:

— длительное прогибание геос-их (подвижных) областей и накопление в них мощных осадочных и осадочно-вулканических толщ;

— выравнивание рельефа суши (разрушение гор, плоскостной смыв с платформенных равнин и т.д.);

— обширные опускания окраин платформ, прилегающих к геосинклинальным областям, затопление их водами эпиконтинентальных морей;

— выравнивание климатических условий, что связано с широким распространением мелких темных эпиконтинентальных морей и увлажнением климата материков; в нижних слоях атмосферы происходит аккумуляция солнечной энергии; исчезают области определения;

— возникновение благоприятных условий для жизни и широкого расселения фауны и флоры.

Эти этапы эволюционного развития Земли называют таласократическими. Для них характерно широкое развитие морских отложений, развитие растительности и соотв. Формирование угольных залежей, бурное развитие жизни в морях, формирование нефтегазоносных толщ, карб. Пород в теплых морях.

Эпохам складчатости и горообразования присущи следующие черты:

— широкое развитие горообразовательных движений в геос. областях, колебательных движений на платформах;

— проявление мощного интрузивного, а затем и эффузивного магматизма;

— поднятие окраин платформ, прилегающих к эпиогеосинклинальным областям, регрессии эпиконтинентальных морей и усложнение рельефов суши;

— континентализация климатов, успокоение климатических условий, усиление зональности, расширение пустынь и появление областей континентального оледенения (в горах и у помостов).

— ухудшение условий для развития органического мира, в результате чего происходит вымирание господствующих и высокоспециализированных форм и появление новых.

Условия этих эпох складчатости называются геократическими, т.е. этапы относительного увеличения суши.

На Земле развиты континентальные отложения с частыми красно цветными образованиями (иногда карбональными, загипсованными и засоленными), имеющими разнообразный генезис (образование в пустынях, лагунах, солоноватых или пресных озерах, дельтах рек, на равнинах и предгорьях).

3.2.Эволюция атмосферы

Атмосфера не всегда имела современный состав и строение. Первичная гелиево-водородная атмосфера была утеряна Землей при разогреве. Из образовавшего планету вещества, при ее формировании выделялись различные газы. Особенно интенсивно это происходило в процессе тектонической деятельности: при образовании трещин и разломов.

Вероятно, атмосфера и гидросфера разделись не сразу. Некоторое время Землю обволакивал мощный слой из водяного пара и газов (CO, CO 2 , HF, H 2 , S, NH 3 , CH 4); малопроницаемых для солнечных лучей. Эта оболочка имела температуру ~ +100 ° С. При понижении температуры произошло разделение этой оболочки на атмосферу и гидросферу. Свободного кислорода в этой атмосфере не было. Он должен был выделяться из земного вещестьва и образовывался за счет размножения молекул водяного пара, но расходовался на процессы окисления. Из-за отсутствия озона атмосфера не предохраняла Землю от коротковолнового излучения Солнца. Значительное количество соединений водорода на Земле -последствия его преобладания в первичной атмосфере.

Вулканические процессы обогатили атмосферу углекислым газом. Понадобилось длительное время, прежде чем в результате реакции с другими элементами и фотосинтеза произошло поглощение большого количества углерода из атмосферы. В конце PZ состав атмосферы в целом уже мало отличался от современного: она стала азотно-кислородной. Состав современной атмосферы как и в ранние геологические эпохи регулируется организмами.

Атмосфера находится в непрерывном взаимодействии с другими оболочками Земли, обмениваясь веществом и энергией, и постоянно испытывает влияние Космоса и Солнца.

3.3.Эволюция гидросферы.

Гидросфера -водная оболочка Земли, включающая химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную.

Земля -самая водная планета Солнечной системы: более 70% ее поверхности покрыто водами Мирового океана.

Вероятно, гидросфера образовалась одновременно с литосферой и атмосферой в результате остывания и дегазации вещества мантии. Химически связанная вода была уже в веществе холодного газово-пылевого протопланетного облака. Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и перемещалась к поверхности Земли. Первичный океан, возможно, покрывал почти всю Землю, но не был глубоким. Океаническая вода, вероятно, была теплой, высоко минерализованной. Океан углублялся, а площадь его сокращалась. С поверхности Океана испарялась влага, выпадали обильные дожди.

Пресная вода на суше -результат прохождения океанской воды через атмосферу. Выделение воды из магмы продолжается до настоящего времени. При извержении вулканов выделяется в среднем за год 1,310 8 т воды. Термальные источники и фумаролы выносят 10 8 т.

Если допустить, что поступление воды из мантии в литосферу и на ее поверхность было равномерным и составляло в год на 1 см 2 поверхности планеты всего 0,00011г, то и этого достаточно, чтобы за время существования Земли образовалась гидросфера.

Предполагают также поступления воды из космоса в результате падения на Землю ледяных ядер комет, но ее количество в этом случае невелико.

Гидросфера также теряет воду с испарением ее в Космос, где под действием у/ф лучей H 2 O распадается на H 2 и O 2 .

3.4.Эволюция животного мира (биосферы).

Активное взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы при участии солнечной энергии и внутреннего тепла Земли было важнейшей предпосылкой возникновения жизни.

Данные палеонтологических исследований позволяют предполагать, что примитивнейшие организмы сформировались из белковых структур в конце AR 1 (т.е. ~3 млрд. лет назад). Первые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу, возникли около 2,7 млрд. лет назад, а первые многоклеточные животные — не менее чем на 1-1,5 млрд. лет позже.

В условиях отсутствия озонового экрана местами развития жизни вероятно были прибрежные части морей и внутренние водоемы, на дно которых проникал солнечный свет, а вода не пропускала у/фиолетовую радиацию. Из соединений образовались многомолекулярные системы, взаимодействующие со средой.

В ходе эволюции они приобрели свойства живых организмов: размножение, обмен веществ, рост и т.д.

Водная среда способствовала обмену веществ, была опорой для организмов без скелета. Первые живые организмы появились в условиях теплого и влажного климата (в при экваториальной широте), поскольку колебания температуры губительны для зарождающейся жизни.

Длительное время жизнь « размещалась » в географической оболочке пятнами, « пле нка жизни » была очень прерывистой. Со временем масса живого вещества быстро увеличивалась, формы жизни становились сложнее и разнообразнее, области ее распространения расширялись, усложнялись взаимосвязи с другими компонентами географической оболочки.

Широкому и быстрому распространению жизни на Земле способствовали приспособляемость к среде и возможности размножения.