СЕЛФ

О.Н. Каравашкина и С.Б. Каравашкин

26

Некоторые аспекты эволюции Земли

В.С. Сафронов усовершенствовал модель Шмидта, введя в нее гравитационную дифференциацию газопылевого облака уже на раннем этапе его существования. Он представляет сборную модель в своей интерпретации следующим образом. "Солнце и планеты образовались в едином процессе из газопылевой (98- 99% газа) туманности за 1 млн. лет для Солнца и менее чем за 100 000 лет для планетезималей (первичных сгущений, которые впоследствии сложились в планеты - авт.). При сжатии околосолнечной туманности сначала образовалось более плотное горячее ядро. Затем вследствие неустойчивости на краю ядра, в его экваториальной плоскости отделилось небольшое количество вещества, из которого сформировалось уплощенное газопылевое облако-диск. Вещество, продолжавшее падать на диск, способствовало разрастанию диска до размеров, близких к размерам современной планетной системы. Ядро, от которого передавался вращательный момент, сжавшись, превратилось в Солнце. Согласно расчетам, проведенным учеными разных стран, эта стадия протекала в течение одного миллиона лет. В возникшем допланетном диске пылевые частицы опускались сквозь газ к центральной плоскости, образовав обогащенный пылью слой. Было показано, что такой слой гравитационно неустойчив и должен распасться на множество пылевых сгущений. Объединяясь при столкновениях, сгущения сжимались и превращались в сплошные твердые тела поперечником порядка 10 км в зоне планет земной группы. Продолжительность этой стадии была не более ста тысяч лет. Далее последовала более длительная эволюция роя допланетных тел. Относительные скорости тел определялись их гравитационными возмущениями при сближениях и первоначально были малы. Тела при столкновениях преимущественно объединялись. При этом скорости тел, согласно расчетам, росли пропорционально радиусу крупнейших тел. Когда последние достигли размеров Луны, скорости увеличились почти до 1 км/с и тела стали дробиться при соударениях. Большие тела своим тяготением удерживали осколки и продолжали расти, присоединяя к себе другие… Самые крупные тела росли относительно быстрее других и стали зародышами будущих планет. Они эффективно поглощали вещество, оказывавшееся на их пути. При этом расширялись их зоны питания и гравитационного влияния, им становилось тесно, и меньшие из них превращались из поглощающих в поглощаемые. К концу этого процесса осталось всего лишь 9 больших планет, отстоящих одна от другой на таких расстояниях, что их движение оставалось устойчивым на протяжении миллиардов лет. В зоне Земли процесс аккумуляции тел в планету длился около 100 млн. лет. Под действием корпускулярного "ветра" и коротковолнового излучения молодого Солнца газ из зоны Земли был удален за время около 10 млн. лет, поэтому заключительная стадия ее роста протекала, по-видимому, в отсутствии газа. Но в зонах Юпитера и Сатурна газ задерживался дольше, и достаточно массивные твердые ядра этих планет (согласно оценкам разных авторов, начальные массы этих ядер были порядка 3- 5 масс Земли) присоединяли к себе оставшийся газ.

Образование малых тел Солнечной системы явилось побочным продуктом основного процесса… Во время аккумуляции планет вокруг некоторых из них образовались спутниковые рои - в результате захвата своим гравитационным полем частиц, подвергшихся неупругим столкновениям в их окрестностях. Аккумуляция спутников в этих роях протекала аналогично аккумуляции самих планет. В зонах планет-гигантов скорости были настолько большими, что часть тел была выброшена из Солнечной системы, а часть образовалась на далекой периферии, образовав так называемое кометное облако Оорта. В зоне астероидов процесс формирования планеты был прерван более крупными телами, залетавшими из зоны Юпитера. Сталкиваясь с астероидами, эти тела захватывали с собой преобладающую часть астероидов, а при сближении с оставшимися они увеличивали их относительные скорости своими гравитационными возмущениями. В результате столкновения между астероидами стали сопровождаться не объединением их, а дроблением. Падающие на Землю метеориты являются преимущественно продуктами дробления астероидов…

Основным фактором, определившим начальное состояние Земли, были размеры тел, из которых она формировалась. Чем крупнее были падавшие тела, тем эффективнее они нагревали Землю. Расчеты показали, что начальная температура центральных областей Земли составляла около 1500 К, т.е. была в несколько раз ниже температур плавления для этих глубин. Но по мере роста Земли верхняя ее оболочка нагревалась сильнее, и температура на глубинах 100- 1000 км могла приближаться к температуре плавления. Разрушение падающих тел приводило к выделению воды и газов, составивших первичную атмосферу и гидросферу. Наиболее крупные тела, упавшие на Землю, создали в ней значительные термические и химические неоднородности, простиравшиеся на тысячи километров, несомненно оказав существенное влияние на характер ранней эволюции" [36, с. 10- 14].

По В.С. Сафронову, предположение О.Ю. Шмидта, а также В.И. Вернадского о радиоактивном разогреве недр почти до 3000 ^oС вряд ли возможно, его должно было хватить лишь на разогрев центральных областей до 200 ^oС [35, с. 46]. "Вот почему в настоящее время считается, что основным источником нагревания растущей Земли были удары формировавших ее частиц и тел… Разогрев Земли приводил к тому, что более тяжелые вещества опускались вниз, а более легкие поднимались наверх… Этот процесс гравитационной дифференциации привел постепенно к расслоению Земли, к образованию ее плотного ядра и менее плотных окружающих ядро оболочек" [35, с. 47]. (Это важный момент, который мы хотели бы особо отметить в контексте проводимых нами в последующем построений.)

При всей своей подробности и яркости, данная гипотеза В.С. Сафронова также довольно противоречива в своем предположении то объединения, то распада тел под действием одних и тех же законов и сил. В одних и тех же условиях и событиях астероиды распадаются, а планеты слагаются из их материала; тела, аккумулирующие пылевую составляющую, теряют газовую, и вплоть до утверждения, что в процессе аккумуляции часть тел была выброшена за пределы Солнечной системы. Вторым крупным противоречием является утверждение, что при достижении телом размеров Луны скорость планетезималей превышает 1 км/с, что руководит уже не аккумуляцией, а распадом вещества. Из такого положения следует, что тела крупнее Луны образоваться в принципе не могли. Далее, минералоги утверждают, что практически все метеориты сгорают в плотных слоях атмосферы при падении на Землю, а остатки, долетевшие до поверхности, несут на себе следы сильного оплавления; таким образом, метеориты гораздо более обогащают атмосферу, чем твердь даже такой небольшой планеты как Земля, и при всем сходстве химического состава, механически явственно отличаются от земных минералов. Четвертым важным противоречием следует назвать то, что согласно данной группе гипотез аккреционный разогрев не приводил к расплавлению пород планеты. В таком случае планета должна состоять из слежавшихся разнородных глыб, чего, при всем разнообразии пород и минералов, не наблюдается; напротив, наблюдается горячее состояние планетных недр, проявляющееся в вулканизме, который установлен для всех доступных наблюдению планет Солнечной системы и даже для некоторых спутников, а для начальной стадии планет установлено, что вулканизм имел гигантские масштабы.

Это последнее противоречие пытается устранить школа Чусиро Хаяши. "В работах школы Хаяши процесс образования планет тоже моделируется на основе идеи об их аккумуляции из твердых тел и частиц. Отличие же состоит в следующем. Японские ученые полагают, что в течение всего процесса роста Земля оставалась окруженной газом первичной туманности, который, по их мнению, улетучился значительно позднее. Они нашли, что при таких условиях и начальное состояние Земли должно быть совсем другим - вокруг нее должна была образоваться мощная (в 2000 раз мощнее современной) непрозрачная первичная атмосфера, из-за которой температура поверхности Земли на этой стадии должна была превышать 4000 К. При этом возникают значительные трудности с последующим "удалением" такой гигантской атмосферы с помощью солнечного ветра или ультрафиолетового излучения солнца. Японские ученые полагают, что эта первичная атмосфера была удалена в первые 500 млн. лет жизни Земли. Однако недавние наблюдения молодых звезд солнечного спектрального класса указывают, что необходимые интенсивности (на порядки большие современных) солнечного ветра и коротковолнового излучения присущи лишь самым ранним стадиям развития звезды - в первые десятки миллионов лет ее жизни. Образцы лунного реголита, хранящие память о первых миллиардах лет Солнечной системы, также свидетельствуют лишь о пятикратном увеличении мощности солнечного ветра в ту эпоху. Таким образом, идея массивной атмосферы на Земле не поддерживается современными астрофизическими данными. Неясно также, как согласовать столь высокую температуру земли, получающуюся в такой модели, с данными наук о Земле. Как указывают исследования, проведенные членом-корреспондентом АН СССР А.И. Тугариновым, вряд ли можно сомневаться в существовании водных бассейнов (хотя бы и не столь обширных, как сейчас) уже в первые сотни миллионов лет жизни Земли" [36, с. 13- 14]. Однако если, по Хаяши, древняя атмосфера была в 2000 раз плотнее, то с повышением давления иной была и точка кипения воды, так что этот довод Сафронова не представляется убедительным. Подробнее о гипотезе Хаяши мы будем говорить в последующих главах.