Повивальные бабки Земли

Сначала были сотворены небо и Земля. Потом стал свет и была создана твердь. Вода, зелень, небесные светила, пресмыкающиеся и, наконец, человек - таков приблизительный план сотворения Богом планеты Земля. Как это ни покажется странным, но с некоторыми оговорками эта модель вполне отвечает современным представлениям ученых о развитии и Солнечной системы и нашей планеты. Конечно, научная версия сотворения Земли предполагает не семь, а как минимум тридцать пять миллиардов дней (или сто миллионов лет).

 

 

Эта цифра была впервые рассчитана В.С.Сафроновым, последователем Отто Юльевича Шмидта.

Именно О.Ю.Шмидт впервые у нас в стране пятьдесят лет назад организовал лабораторию, деятельность которой руководитель лаборатории проблем эволюции Земли в Институте динамики геосфер РАН, доктор физико-математических наук Андрей Витязев сейчас оценивает так: "В свое время О.Ю.Шмидт сделал удивительную вещь. Причем, это не разработка известных многим гипотез развития Солнечной системы и формирования Земли, которые оказались ошибочными на сегодня. Заслуга Шмидта была в другом - в том, что он сумел в послевоенной нищей стране организовать минилабораторию, всего навсего пять-семь человек, которым благодаря упорному труду удалось заложить основы модели происхождения и эволюции Земли, получившей впоследствии название стандартной модели формирования планет".

Однако, с начала семидесятых годов, когда была предложена и поддержана большинством ученых эта модель, прошло довольно много времени даже для такой консервативной области как планетная космогония. И на сегодняшний день, по мнению целого ряда авторитетных ученых, есть все предпосылки для создания новой теории происхождения и развития Земли.

Как "слепить" Землю за сто миллионов лет?

Первые десять миллиардов лет жизни нашей Галактики, казалось бы, не предвещали появления Солнечной системы. Межзвездное пространство было заполнено веществом, которое время от времени то собиралось, то рассеивалось следующими поколениями звезд. Но около четырех с половиной миллиардов лет назад произошел взрыв сверхновой звезды. Может быть, он и послужил непосредственным толчком к началу формирования из межзвездного облака нашего Солнца и его планетной системы.

Дело в том, что обычно, исходная плотность межзвездных облаков недостаточна для самопроизвольного развития в них процессов образования звезд и планет. Однако взрывы сверхновых сопровождаются возникновением в межзвездной среде ударных волн, которые приводят к повышению давления и плотности вещества. При этом, могут возникать сгущения, способные в дальнейшем сжиматься уже за счет самогравитации. Примерно так, по расчетам ученых, и происходило зарождение нашей системы, в центральной области которой по мере роста давления и температуры сформировался гигантский газовый сгусток - Протосолнце. Одновременно с сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных сил его периферийные участки стягивались к экваториальной плоскости вращения облака, превращаясь таким образом в плоский диск - протопланетное облако.

Однако формирование Солнца как нормальной желтой звезды из сжимающегося первичного сгустка газов и пыли происходило значительно быстрее, чем формирование планет - "всего" за несколько миллионов лет. Поэтому молодое Солнце неизбежно влияло на условия слипания вещества в окружающем его протопланетном диске. За счет солнечного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц) из околосолнечного пространства были выметены на периферию нашей системы все газовые и летучие компоненты исходного облака. С другой стороны, молодое Солнце таким образом "прогрело" первоначальное газопылевое облако, что еще до начала процесса формирования планет оно оказалось существенно дифференцированным. Так, например, есть определенная зависимость плотности планет от их расстояния от Солнца, и только внешние планеты Солнечной системы обладают массивными газовыми оболочками.

Если бы кому-то довелось наблюдать со стороны все то, что творилось в нашей системе, то наверняка картина напоминала бы раскрученный с большой силой "волчок", центром которого было Солнце. Но постепенно с ростом плотности в этом плоском диске резко возросла вероятность столкновения частиц и их слипания. Так появились первичные тела диаметром всего в несколько метров. Дальнейшее уплотнение первичного роя тел способствовало их дальнейшему росту и постепенному превращению в более крупные тела с поперечными размерами уже на многие десятки и сотни километров. В этих условиях у таких крупных "зародышей" стал появляться самостоятельный характер - собственное гравитационное поле, которое еще более увеличивало возможности захвата мелких тел. Одним из таких зародышей четыре с половиной миллиарда лет назад стала наша Земля.

Просвещенный читатель может заметить, что в рассказанной выше предыстории формирования Земли как будто нет ничего нового, и будет прав. "Уже двадцать-тридцать лет назад при моделировании образования Земли не предвиделось никаких сумасшедших идей, - поясняет Андрей Витязев. - Ясно было, что кванты останутся квантами, а электроны электронами. Когда физик "строит" планету, он прежде всего работает с тремя законами сохранения - массы, энергии и момента. Потом ему нужно поинтересоваться, из чего состоит масса планеты. Так постепенно, из комков и "лепится" планета."

Этот способ моделирования описал в 1969 году в своей книге В.С.Сафронов. В ней утверждалось, что в начале своего развития Земля не была огненно-жидким шаром, а представляла собой достаточно холодное образование. И если внутри нее и были разогретые участки, то это были магматические очаги, но в целом расплавленной Земля не была. Однако в этом фундаменте еще в семидесятые годы образовалась трещина. Дело в том, что по расчетам Андрея Витязева, "В.С.Сафронов существенно занизил оценки размеров крупнейших тел, падающих на Землю". Ученые предполагал, что максимальный диаметр тел, которые сталкивались с нашей молодой планетой, составлял не более ста километров. Однако, по расчетам Андрея Витязева, вполне вероятными были катастрофы, когда встречались тела с лунными размерами. Этот просчет в сложной модели развития Земли неминуемо привел к недоучету температуры, которая была внутри Земли. "В реальности эта цифра оказалась всего-то на какие-то сотни градусов больше, - объясняет Андрей Витязев, - но это уже радикально меняло ситуацию".

И в конце семидесятых годов стало ясно, что эти пресловутые сотни градусов позволили начаться эволюции Земли еще в ходе ее формирования. И в то время, когда внутри планеты уже началась дифференциация вещества, по ее поверхности все еще "стучали" метеориты и астероиды, которые одновременно привносили различные газы, а часть их удаляли. Однако это был всего лишь один из гвоздей, забитых в прошлые теории формирования Земли. За последнее десятилетие произошло еще два события, которые коренным образом изменили наши представления о ранней эволюции Земли. Первое, и, пожалуй, самое интересное - это открытие астрофизиками около сотни газопылевых дисков около молодых звезд солнечного типа. Эти диски оказались такой же массы и таких же размеров как и диск около нашего молодого Солнца. Теперь, на взгляд Андрея Витязева можно говорить, что "происхождение системы планет достаточно общее явление в Галактике. У меня была работа с Галиной Викторовной Печерниковой, в которой мы писали о том, что столкновение тел, которые рождают планеты, можно наблюдать современными средствами и видны не только диски, освещаемые звездой, но и более поздние стадии формирования планет".

Другое открытие заключается в доказательстве того, что наблюдаемые кратеры на твердых поверхностях многих планет и спутников - это лишь последние следы, по которым можно восстановить только часть спектра относительно маломассивных тел, формировавших планеты. А промежуточные по своим размерам тела, которые и определили общее число планет Солнечной системы, особенности их орбит, исчезли в катастрофических столкновениях.

Однако, оставался нерешенным вопрос о происхождении Луны. До недавнего времени было два решения этой проблемы: Луна оторвана от Земли , и Луна была сформирована неизвестно где и была впоследствии "захвачена" Землей. Интерес к нашему спутнику не случаен: по мнению многих ученых, именно ответ на вопрос: почему около Земли вертится Луна с составом близким к ахондритам (к одной из разновидности дифференцированных метеоритов), может оказаться ключевым для понимания ранней истории формирования нашей планеты.

Луна - свалка земной истории

В те далекие времена - четыре с половиной миллиарда лет назад - наша Земля представляла из себя планету по внешнему виду похожую на современную Луну. Огромные кратеры были покрыты сверху мощным слоем пыли и осколков, образовавшихся после ударов метеоритов. Этот унылый пейзаж первозданной Земли часто нарушался падением на ее поверхность разнообразных тел. После их ударов в образовавшихся кратерах появлялись своеобразные озера расплавов. Но и они быстро остывали, затягиваясь сверху твердой коркой.

До недавнего времени считалось, что любое падающее на протоЗемлю тело так и остается на ней, как бы прилипая. Но оказалось, что это слишком большое допущение - что-то ведь и должно "отскакивать" от планеты, тем более современной атмосферы еще не существовало. Андрей Витязев и его сотрудники вычислили, что при ударе о Землю тела оставляли на ней около девяноста девяти процентов своей массы. Но именно за счет ничтожных процентов, которые выбрасывались на многие тысячи километры вверх, и сформировалась Луна. Этот растущий протолунный рой вокруг Земли предусматривал еще О.Ю.Шмидт, однако сейчас выяснилось, что он постоянно подпитывался и веществом с самой планеты. А относительно малая скорость осколков в этом рое увеличивает вероятность захвата в него все нового вещества из допланетного диска и препятствует оттоку из него тел на земную поверхность. Этим, по расчетам ученых, и объясняется большая масса Луны и параметры вращения системы Земля-Луна.

Но почему мы не наблюдаем такую же картину вокруг других планет ? По расчетам Андрея Витязева и его коллег, во внешней зоне Солнечной системы такой механизм образования спутников неэффективен из-за незначительного увеличения плотности доспупутниковых роев, окружавших планеты. Неэффективен он и для Марса, поскольку в его зоне, контролируемой Юпитером, тела имеют большую скорость и, разрушая доспутниковый рой, позволили ему набрать вещество лишь на небольшие Фобос и Деймос. Меркурий и Венера также подвергались бомбардировке тел с большими скоростями и должны были иметь свои доспутниковые рои. Отсутствие же даже небольших спутников у этих планет объясняется их выпадением на Меркурий и Венеру, заторможенных приливным взаимодействием с Солнцем.

Жизнь, как счастливое стечение обстоятельств

Земля оказалась своего рода исключением в ряду планет Солнечной системы. Только она одна приобрела себе массивный спутник за счет остатков ударяющихся о нее тел. Однако, как вы помните, мы предположили, что разгадка понимания ранней истории формирования Земли заключена в тайне образования Луны.

Если бы Луна образовалась не из остатков метеоритов и астероидов, то значит их было не так много, а следовательно их бы не хватило на быстрый разогрев Земли. Но, по мнению Андрея Витязева, как раз этого "добра" падало на Землю достаточно и для самой планеты и для образования ее спутника. Ученые рассчитали, что в то время, когда масса Земли постепенно приближалась к семидесяти процентам от современной, скорости тел, ударяющихся о поверхность планеты протоЗемли, достигли такого уровня, что вызвали не только появление отдельных участков расплава, но и перемешивали своими ударами слой до тысячи километров глубиной! (Современный радиус Земли приблизительно равен шести с половиной тысячам километров).

Но уже при росте массы Земли от с 0,7 до 0,95 процентов ее современной величины, средняя толщина слоя ударного перемешивания уже уменьшается от тысячи до первых сотен километров. Таким образом, на основной стадии формирования протоЗемли лишь низы примитивной мантии не будут подвержены влиянию ударов разнообразных тел. Хотя, на взгляд Андрея Витязева, пока преждевременно говорить о преемственности - примитивной и современной - нижних мантий. Очевидно следующее: вопреки широко распространенным моделям формирования Земли - "холодная начальная Земля" или "магматический океан" - должна рассматриваться компромиссная, но более сложная модель "умеренно горячей первичной Земли".

Стараниями постоянно падающих тел, постепенно, набирая обороты, начался прогрев Земли, достигая тысячи градусов на глубинах около тысячи километров, происходила дифференциация вещества, словом, все то, что можно назвать началом развития планеты. "В этой связи уместно вспомнить некоторые наши расчеты, согласно которым, если происходит выброс одного процента вещества из Земли, то в результате, к концу бомбардировки по массе, это составит одну-две коры современной Земли, замечает Андрей Витязев. Поэтому формирование примитивной коры Земли связано с образованием Луны. Так как в растущей дифференцирующейся Земле соединения железа уходили к центру, а к поверхности поднималось вещество, которое преимущественно и выбивалось метеоритами."

Вполне естественно, что с течением времени под первичной поверхностью Земли - пока примитивной корой, которая подвергалась ударам многочисленных тел - происходила термогравитационная конвекция: тяжелое двигалось вниз, легкое наверх. Это движение так бы и происходило до сегодняшнего дня как это случилось на ранних стадиях с Марсом или Венерой. Однако на их поверхности нет рифтов и движущихся континентов, несмотря на то, что первичный материал, из которого сформировались все планеты солнечной, системы был почти один и тот же.

"На Земле, в отличие от Марса и от Венеры, были водные бассейны, - отвечает Андрей Витязев. - Образовались осадочные породы и затем, в процессе метаморфизации, они превращались в граниты. Иными словами, кроме базальтовых кор на Земле получились граниты". А гранитная кора отличается тем, что она легче и может образовывать достаточно "легкие" континенты, плавающие на более плотных базальтах.

С другой стороны, для того, чтобы происходило движение пусть даже и базальтовых плит по поверхности планеты, необходимо перемещение вещества под ней. На остывшем Марсе этот механизм не работает, в отличие от Венеры. Тем не менее, континентов подобно земным на ней нет. Потому что на Венере отсутствуют все те же океаны. Нет даже льда, который лежал бы на базальтах, и движение одного типа коры относительно другого все равно бы состоялось, пусть бы это и называлось тектоникой ледяных плит.

Вода, главный "виновник" появления гранитов на Земле появилась на нашей планете тоже благодаря уникальному стечению обстоятельств. Которых не было на других планетах. Дело в том, что Земля располагается "всего" на 0,28 астрономической единицы дальше от Солнца, чем Венера. К тому же современный солнечный поток больше первоначального на двадцать процентов. "Много это или мало? - задает риторический вопрос Андрей Витязев. - Казалось бы, небольшая разница, какая средняя температура у вас на планете - минус десять градусов или плюс десять. Но это не все равно для нас. На Венере средняя температура двадцать пять - тридцать градусов, к тому же парниковый эффект приводит к дополнительному разогреву атмосферы. А на Земле постоянная температура плюс пятнадцать и все время существовали теплые области".

Текучая вода на поверхности оказалась только на одной планете, только на ней появились граниты, которые были включены в сложный процесс дифференциации вещества, начавшийся после массивной бомбардировки протоЗемли астероидами и метеоритами. Но стоило только появиться первой гранитной выплавке, как тут же из нее были "построены" первые континенты. Именно они, по мнению профессора, доктора физико-математических наук Валерия Петровича Трубицина (о его работах - в следующей статье этого цикла) подобно ледоколам перемещаясь по Земле, вспарывают ее недра до самого ядра. Только они управляют процессами возникновения или затухания потоков из самых глубин мантии. Не будь на Земле континентов, не было бы того целостного и упорядоченного механизма, который все перемешал внутри нашей планеты. С другой стороны, движение твердых плит строго закономерно, и однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтиненты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Количество континентов, их форма могла быть произвольной, но однажды образовавшись, они уже запустили современный геодинамический "котел" внутри Земли.

Наместники Бога

Но движениями континентов эволюция Земли не исчерпывается. Есть еще и другие "сферы". "При "строительстве" планеты построение модели появления и развития коры, гидросферы или атмосферы представляет очень сложную проблему, - сетует Андрей Витязев. - Дело в том, что когда мы работаем с Землей, то масса ядра составляет одну треть ее общей массы, мантия - две трети. И постепенно решая сложнейшие уравнения, мы понимаем, что ошибка на десять процентов - не очень существенна. Но как только переходим к эволюции земной коры, так нам надо объяснить появление из дифференцирования одной и двух третей массы Земли менее чем одного процента. То есть я должен работать с точностью большей чем процент - это трудно. Мало этого - когда мы переходим к атмосфере, то получается, что я должен решать уравнения с точностью до миллионных долей и больше. До недавнего времени это представлялось невозможным".

Создать мир за семь дней ученые пока не могут, однако дать Земле сто миллионов лет и объяснить появление неба и тверди, воды и небесных светил, света и пресмыкающихся им сейчас вполне по силам. И, судя по всему, создание А.В.Витязевым и его коллегами надежной модели образования и развития молодой Земли, в добавление к уже сформулированной модели В.П.Трубицина, позволит скоро говорить о единой теории эволюции нашей планеты.