Планета земля гипотезы


Планета Земля уникальная в своём роде. Огромный каменный шар, окружностью примерно в 40 тысяч километров. Приблизительно 71 % поверхности планеты занимает Мировой океан, остальную часть поверхности занимают континенты и острова. На материках расположены моря, реки, озёра, подземные воды и льды, которые вместе с Мировым океаном составляют водную оболочку Земли – гидросферу. Гидросфера и богатая кислородом атмосфера (воздушная оболочка Земли) создали единственное, известное место во Вселенной, где есть жизнь.

Люди всегда искали объяснения непонятному и такому загадочному миру вокруг них. Как возникла Земля? Этот вопрос волновал человечество не одно тысячелетие. Существует немало разных теорий возникновения нашей планеты. Одна из них гипотеза креационизма. Креационизм – это гипотеза возникновения жизни, согласно которой человечество, жизнь, планета Земля, а также мир в целом, рассматриваются как непосредственно созданные Богом. С научной точки зрения гипотезу Божественного возникновения жизни нельзя ни доказать, ни опровергнуть. В течении долгих веков и по сегодняшний день многие свято верят в акт Божественного творения.


Учёные постигают тайны Земли ещё с давних времён, однако именно сейчас их выдающиеся открытия могут рассказать нам невероятную историю возникновения Земли. На протяжении тысячелетий люди не имели представления об истинном возрасте и происхождении планеты. Первые гипотезы, то есть научные предположения, о возникновении Земли стали появляться только в восемнадцатом веке, когда наука накопила достаточное количество сведений о Земле и о Солнечной системе в целом.

Некоторые учёные, чьи гипотезы о происхождении Земли являются наиболее популярными.

Жорж Бюффон. Это французский натуралист, биолог, математик и естествоиспытатель восемнадцатого века.

Жорж Бюффон

Планета земля гипотезы

Жорж Бюффон предположил, что наша планета Земля образовалась из кусочка Солнца, который был оторван от звезды в результате столкновения её с небесным телом (например, с огромной, по своим размерам, кометой). Поверхность Земли тогда представляла собой океан раскалённой лавы глубиной в несколько километров. Температура на поверхности Земли превышала 4000 °C. Эту температуру можно было сравнить с температурой на поверхности Солнца.


мля представляла собой огромный раскалённый огненный шар, который спустя время стал остывать. Жорж Бюффон – это великий французский естествоиспытатель. В своём основном труде «Всеобщая и частная естественная история» он описал множество животных, а также высказал идею о единстве растительного и животного мира. В другой своей работе «Теория Земли» Жорж Бюффон выдвинул гипотезу о происхождении земного шара из солнечного осколка. В тысяча семьсот семьдесят шестом году он был избран почётным иностранным членом Петербургской академии наук.

Совсем иначе объяснял возможность возникновения небесных тел немецкий мыслитель Иммануил Кант.

Иммануил Кант

Планета земля гипотезы

Этот выдающийся философ разработал гипотезу происхождения Солнечной системы из гигантской первоначальной газовой туманности, свою гипотезу он изложил в книге «Всеобщая естественная история и теория неба». Кроме этого, Кант выдвинул идею естественного происхождения человеческих рас, а также изучал роль приливов и отливов на нашей планете. В 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Иммануила Канта кратеру на видимой стороне Луны. А с 2005 года имя Канта носит Балтийский Федеративный университет, который находится в городе Калининграде, в России. В сквере перед этим зданием находится памятник Канту.

Стоит отметить, что гипотеза Иммануила Канта о происхождении Земли не привлекала особого внимания учёных того времени. Наибольшей популярностью в те времена пользовалась гипотеза, выдвинутая Пьером Лапласом. Это французский математик, механик, физик и астроном.

Пьер Лаплас


Планета земля гипотезы

Согласно гипотезе Лапласа, Солнечная система образовалась из постоянно вращающегося газового облака, раскалённого до огромной температуры. Постепенно это облако остывало, сжимаясь, оно образовывало многочисленные кольца, эти кольца уплотнялись, таким образом возникли планеты. Центральный сгусток, по мнению Лапласа, превратился в звезду – Солнце. Кроме этого, Пьер Лаплас подробно исследовал и дал научное объяснение движению таких небесных тел, как Луна, Юпитер и Сатурн. Имя этого выдающегося исследователя было внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Не менее интересную гипотезу о происхождении планет выдвинул Джеймс Джинс. Это британский физик-теоретик, астроном и математик.

Джеймс Джинс

Планета земля гипотезы

Согласно его гипотезе, вблизи Солнца пролетала другая звезда. Солнце, благодаря силе притяжения, вырвало некоторую массу из этой звезды. Сгустившись вокруг Солнца, эта масса дала начало планетам.


Идею о происхождении небесных тел предложил и Отто Юльевич Шмидт. Это советский математик, географ, геофизик и астроном. Родился Шмидт в 1891 году в городе Могилёве, в Республике Беларусь. Долгое время он работал в Московском университете. Участвовал в организации дрейфующей научной станции «Северный полюс-1». Кроме этого, в тысяча девятьсот двадцать восьмом году Шмидт исследовал горную систему на юге Центральной Азии – Памир.

Отто Юльевич Шмидт

Планета земля гипотезы

Согласно гипотезе Шмидта, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и, тем самым, увлекло его за собой. Частицы этого облака вращаясь, сталкивались и объединялись, образовали планеты Солнечной системы. В честь Шмидта были названы мыс на побережье Чукотки, равнина в Антарктиде, остров на архипелаге Северная Земля и многое другое.

В современном обществе, гипотезы вышеперечисленных людей даже бы не стали слушать, так как мы сейчас обладаем куда большими знаниями о нашей Солнечной системе и о Земле в целом, чем раньше знали люди. Однако, мысли и теории этих выдающихся учёных легли в основу современного представления о происхождении Земли и всей Солнечной системы.


Теория Большого взрыва. Согласно ей, вначале была тьма, потом был мощный взрыв, создавший время, пространство и материю. Большой взрыв был вспышкой энергии, в результате чего образовался огромный по своим размерам огненный шар. Спустя время этот шар стал остывать и превращаться в облако материи. Постепенно из этого облака стали рождаться галактики. В одной из которой, галактике Млечный путь, живём мы. Солнечная система находится в одном из рукавов Млечного пути.

Млечный путь

Планета земля гипотезы

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 миллиардов лет назад путём гравитационного сжатия газопылевого облака. В процессе сжатия размер газопылевого облака уменьшался, а скорость вращения его увеличивалась. Центр облака, где собиралась большая часть массы, становился всё более и более горячим. Так зародилось наше Солнце, звезда, которая была окружена частицами пыли и газа.

Кажется, невероятным, но наша планета Земля образовалась из пыли и камней, которые вращаясь вокруг Солнца, сталкивались и образовывали нечто похожее на планету –огненный шар из камней в жидком состоянии. Твёрдой поверхности на планете не было – одно лишь бескрайнее море лавы. В то время температура на поверхности Земли превышала 1200 °C, воздуха не было, был лишь углекислый газ, азот и водяной пар. Согласно теории гигантского столкновения (возможно с гипотетической планетой Тейя) был рождён спутник Земли – Луна. Фаза столкновений продолжалась в течении очень большого количества времени, пока на орбитах не осталось восемь массивных небесных тел, известных нам сейчас, как Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.


Наша планета Земля остывала. Из межпланетного пространства на нашу планету то и дело падали метеориты. Считается, что именно в метеоритах оказалось крайне необходимое составляющее жизни на Земле – вода. В метеоритах содержится лишь небольшое количество воды, однако они бомбили Землю более двадцати миллионов лет. Таким образом вода, собираясь на твёрдом грунте Земли, образовала водоёмы. В последующем, именно в воде и зародилась жизнь.

Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные все выше гипотезы – совершенными. На сегодняшний день остаётся много чего необъяснимого и спорного. Учёным предстоит разрешить немало вопросов, прежде чем мы достоверно узнаем, как возникла Земля. Выяснение этих и других вопросов – дело будущего.

Источник: videouroki.net

Содержание.

1. Введение ………………………………………………2 стр.

2. Гипотезы образования Земли…………………………3 – 6 стр.

3. Внутреннее строение Земли …………………………7 – 9 стр.


4. Заключение……………………………………………10 стр.

5. Список литературы …………………………………..11 стр.

Введение.

Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир, в котором мы живем. Существует множество легенд и мифов, пришедших из древних времен. Но с появлением науки в ее современном понимании, на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении мира.

В настоящее время в науке создалось такое положение, что разработка космогонической теории и реставрация ранней истории Солнечной системы могут осуществляться преимущественно ин­дуктивным путем, основанным на сравнении и обобщении получен­ных совершенно недавно эмпирических данных по материалу ме­теоритов, планет и Луны. Поскольку о строении атомов и поведе­нии их соединений при различных термодинамических условиях нам стало известно очень многое, а о составе космических тел были получены совершенно достоверные и точные данные, то решение проблемы происхождения нашей планеты поставлено на прочную химическую основу, которой были лишены прежние космогониче­ские построения. Следует в ближайшее время ожидать, что реше­ние проблем космогонии Солнечной системы вообще и проблемы происхождения нашей Земли в частности достигнет больших успе­хов на атомно-молекулярном уровне, подобно тому, как на этом же уровне генетические проблемы современной биологии блестяще решаются на наших глазах.

При современном со­стоянии науки физико-химический подход к решению проблем космогонии Солнечной системы является совершенно неизбежным.


этому давно известные механические особенности Солнечной системы, которым классические космогонические гипотезы уделяли главное внимание, должны быть истолкованы в тесной связи с фи­зико-химическими процессами в ранней истории Солнечной системы. Последние достижения в области химического изучения отдельных тел этой системы позволяют нам совершенно по-новому подходить к реставрации истории вещества Земли и на этой основе восстановить рамки тех условий, в которых происходило рождение нашей планеты – становление её химического состава и формирование оболочечной структуры.

Таким образом, цель данной работы – рассказать о наиболее известных гипотезах образования Земли, а также о ее внутреннем строении.

Гипотезы образования Земли.

Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир, в котором мы живем. Существует множество легенд и мифов, пришедших из древних времен. Но с появлением науки в ее современном понимании, на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении мира. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в  18 веке.

Все гипотезы о происхождении Земли можно разбить на две основные группы :

1. Небулярная (лат. «небула» – туман , газ) – в основе лежит принцип образования планет из газа , из пылевых туманностей ;


2. Катастрофическая – в основе лежит принцип образования планет из-за различных катастрофических явления ( столкновение небесных тел, близкое прохождение друг от друга звезд и т.д.).

Небулярные гипотезы Канта и Лапласа. Первой научной гипотезой о происхождении Солнечной системы была гипотеза Иммануила Канта (1755). Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы  притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток – Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы. Таким образом возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных  направлениях, в конечном счете были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым  постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные  скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.


Независимо от Канта другой ученый – французский математик и астроном П.Лаплас – пришел к тем же выводам , но разработал гипотезу более глубоко (1797). Лаплас  полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности ( небулы ) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу этой последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей  вращаться туманности по- следовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных  точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов – мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет.

  Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Обе теории сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под  общим  названием как гипотеза Канта-Лапласа . Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было  в XIX веке множество последователей.

Катастрофическая теория Джинса. После гипотезы Канта – Лапласа в космогонии было создано еще несколько гипотез образования Солнечной системы. Появляются так называемые катастрофические гипотезы , в основе которых лежит элемент случайного стечения обстоятельств. В качестве примера гипотезы катастрофического направления рассмотрим концепцию английского астронома Джинса (1919). В основу его гипотезы положена возможность прохождения вблизи Солнца другой звезды. Под действием ее притяжения из Солнца вырвалась струя газа, которая при дальнейшей эволюции превратилась в планеты Солнечной системы. Джинс полагал, что прохождение звезды мимо Солнца позволило объяснить несоответствие в распределении массы и момента количества движения в Солнечной системе. Но в 1943г. Русский астроном Н. И. Парийский вычислил, что только в случае строго определенной скорости звезды газовый сгусток мог бы стать спутником Солнца. В этом случае его орбита должна быть в 7 раз меньше орбиты самой близкой к Солнцу планеты – Меркурия.

Таким образом, гипотеза Джинса не смогла дать верного объяснения непропорциональному распределению момента количества движения в Солнечной системе . Самым большим недостатком этой гипотезы является факт случайности, что противоречит материалистическому мировоззрению и имеющимся фактам, говорящим о нахождении планет в других звездных мирах. Кроме того , расчеты показали , что сближение звезд в мировом пространстве практически исключено, и даже если бы это произошло, проходящая звезда не могла бы придать планетам движение по круговым орбитам.

Теория Большого Взрыва. Теория, которой придерживается большинство современных ученых, утверждает, что Вселенная образовалась в результате так называемого Большого Взрыва. Невероятно горячий огненный шар, температура которого достигала миллиардов градусов, в какой-то момент взорвался и разбросал во всех направлениях потоки энергии и частиц материи, придав им колоссальное ускорение. Поскольку огненный шар, разлетевшийся на части в результате Большого Взрыва, имел колоссальную температуру, крохотные частицы материи обладали поначалу слишком большой энергией и не могли соединиться друг с другом, чтобы образовать атомы. Однако спустя примерно миллион лет температура Вселенной понизилась до 4000"С, и из элементарных частиц стали формироваться различные атомы. Сначала возникли самые легкие химические элементы – гелий и водород, формировалось их скопление. Постепенно Вселенная охлаждалась все сильнее и образовывались более тяжелые элементы. В течении многих миллиардов лет происходило наращивание масс в скоплениях гелия и водорода. Разрастание массы идет до достижения некоторого предела, после чего сила взаимного притяжения частиц внутри газопылевого облака очень сильная и тогда облако начинает сжиматься (коллапсировать). В процессе коллапса внутри облака развивается высокое давление, условия благоприятные для реакции термоядерного синтеза – слияние легких ядер водорода с образованием тяжелых элементов. На месте коллапсирующего облака рождается звезда. В результате рождения звезды более 99% массы первоначального облака оказывается в теле звезды, а остальные формируют рассеянные облака твердых частиц из которых в дальнейшем формируются планеты звездной системы.

Современные теории.  В последние годы американскими и советскими учеными был выдвинуты ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие  таким  образом убыль  тепла. Одно  из  таких  современных предположений – «теория пылевого облака»,его автор американский астроном Ф. Л. Уайпль (1948). Однако по существу это ничто иное как видоизмененный вариант небулярной теории Канта-Лапласа. Также популярными являются гипотезы русских ученых О.Ю.Шмидта и В.Г. Фесенкова. Оба ученых при разработке своих гипотез исходили из представлений о единстве материи во Вселенной, о непрерывном движении и эволюции материи, являющихся ее основными свойствами, о разнообразии мира, обусловленного различными формами существования материи.

  Любопытно,   что на  новом уровне,  вооруженные   более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые «облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды. В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с привлечением новейших данных; она может сослужить еще хорошую службу в деле объяснения процесса возникновения солнечной системы.

  Каждая  из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими  элементами солнечной системы.

Внутреннее строение Земли.

Материалы, слагающие твердую оболочку Земли непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин составляющих ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10 – 15 км, что соответствует немногим более 0,1 % от радиуса. Возможно , что проникнуть на глубину более нескольких десятков километров не удастся. Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный, магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и другие методы. Наиболее надежным из них является сейсмический. Он основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой Земле при землетрясениях. Подобно тому как рентгеновские лучи позволяют исследовать состояние внутренних органов человека, сейсмические волны, проходя через земные недра, дают возможность составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении физических свойств вещества земных недр с глубиной.

В результате сейсмических исследований было определено, что внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам, и образует слоистую структуру.

clip_image002Из всей массы Земли кора составляет менее 1 %, мантия – около 65 %, ядро – 34 %. Вблизи поверхности Земли возрастание температуры с глубиной составляет примерно 20° на каждый километр. Плотность горных пород земной коры составляет около 3000 кг/м3. На глубине около 100 км температура примерно 1800 К.

Форма Земли (геоид) близка к сплюснутому эллипсоиду — шарообразная форма с утолщениями на экваторе — и отличается от него на величину до 100 метров. Средний диаметр планеты примерно равен 12 742 км. Земля, как и другие планеты земной группы, имеет слоистое внутреннее строение. Она состоит из твёрдых силикатных оболочек (коры, крайне вязкой мантии), и металлического ядра.

Земля состоит из нескольких слоев :

1. Земная кора ;

2. Мантия ;

3. Ядро.

1. Верхний слой Земли называется земной корой и подразделяется на несколько слоев. Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Общая толщина осадочных пород не превышает 15 – 20 км.

Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры :континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 – 40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя : верхний – «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, – «базальтовый». Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 – 20 км. Однако во многих местах не удается установить резкую границу между гранитным и базальтовым слоям. Океаническая кора гораздо тоньше (5 – 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойственен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 км. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Поверхность Мохоровичича ( по имени открывшего ее югославского ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии.

2. Мантия распространяется до глубины 2900км. Она подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича растут, затем на глубине 100 – 120 км под континентами и 50 – 60 км под океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на глубине 250км под континентами и 400км под океанами уменьшение вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область пониженных скоростей – астеносфера, характеризуемая относительно малой вязкостью вещества. Некоторые ученые считают, что в астеносфере вещество находится в «кашеподобном» состоянии, т.е. состоит из смеси твердых и частично расплавленных пород. В астеносфере находятся очаги вулканов. Они образуются, вероятно, там, где по каким-либо причинам понижается давление и, следовательно температура плавления вещества астеносферы. Понижение температуры плавления приводит к расплавлению вещества и образованию магмы, которая затем по трещинам и каналам в земной коре может излиться на поверхность земли.

Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводимости вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов. Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним слоем. Вещество в этих двух слоях находится в твердом по-видимому кристаллическом состоянии.

3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471км. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро ( слой между 2900 и 5100 км) и твердое ядрышко. При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по – видимому в результате высокого давления.

Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 – 3000 °С, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается, вероятно постоянной. Плотность Земли возрастает с 2,6 г/см³ на поверхности до 6,8 г/см³ на границу ядра Земли, а в центральных областях составляет примерно 16 г/см³. давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн. атм, а в центре ядра – 3,5 млн. атм.

Заключение.

Несмотря на многочисленные усилия исследователей разных стран и огромному эмпирическому материалу, мы находимся только на первом этапе понимания истории и происхождения Солнечной системы вообще и нашей Земли в частности. Однако сейчас становится все более очевидным, что возникновение Земли было результа­том сложных явлений в исходном веществе, охвативших ядерные, а впоследствии и химические процессы. В связи с непосредствен­ным исследованием материала планет и метеоритов у нас все бо­лее укрепляются основы для построения естественной теории про­исхождения Земли. B настоящее время нам представляется, что фундаментом теории происхождения Земли являются следующие положения.

1. Происхождение Солнечной системы связано с происхожде­нием химических элементов: вещество Земли вместе с веществом Солнца и других планет в далеком прошлом находилось в усло­виях ядерного синтеза.

2. Последним этапом ядерного синтеза было образование тя­желых химических элементов, включая уран и трансурановые элементы. Об этом свидетельствуют следы вымерших радиоактив­ных изотопов, обнаруженные в древнем материале Луны и метео­ритов.

3. Естественно, что Земля и планеты возникли из того же ве­щества, что и Солнце. Исходный материал для построения планет был первоначально представлен разобщенными ионизированны­ми атомами. Это был в основном звездный газ, из которого при охлаждении возникли молекулы, жидкие капли, твердые тела — частицы.

4. Земля возникла преимущественно за счёт тугоплавкой фрак­ции солнечного вещества, что отразилось на составе ядра и сили­катной мантии.

5. Основные предпосылки появления жизни на Земле были созданы в конце остывания первичной газовой туманности. На последнем этапе остывания в результате каталитических реакции элементов образовались многочисленные органиче­ские соединения, обусловившие возможность появления генетиче­ского кода и саморазвивающихся молекулярных систем. Возник­новение Земли и жизни представляло собой единый взаимосвязан­ный процесс—результат химической эволюции вещества Солнеч­ной системы.

Список литературы.

1. Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова , Основы геологии,

ББК 26.3 К 68 УДК 55

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Земля

3. Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., “Недра”, 1979, 135с.

4. Бондарев В.П. Геология, ББК 26.3 Б 81 УДК 55

5. Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., “Наука”, 1981, 112с

 

Источник: kursak.net

Ранние теории происхождения планеты

Ранние этапы формирования планеты являются наименее изученными, поэтому по мере развития науки стали появляться теории, кратко объясняющие, как создавалась Земля. Первые гипотезы формирования планеты появились еще в 17 в., но многие из них уже опровергнуты исследованиями.

Сейчас большинство ученых придерживаются мнения, что зарождение Земли произошло из пыли и газов на ранних этапах формирования Солнечной системы, но и более ранние гипотезы не могут быть полностью опровергнуты.

Концепция Лапласа

Предложенная П. С. Лапласом в 1796 г. гипотеза образования планеты на протяжении длительного времени признавалась в научном обществе, т.к. была частично обоснована математическими расчетами. Этот исследователь предположил, что формирование Солнечной системы и всех ее элементов произошло в результате вращения первичной туманности.

При сжатии центробежная сила может расти быстрее притяжения, но при их равенстве способна возникнуть ротационная неустойчивость, которая будет провоцировать сплющивание туманности и отделение плотного вещества из ее центра. Выброшенные газы и пыль сформировали плоские кольца, а затем вещества под нарастающей силой тяжести стянулись, образовав планеты.

Гипотеза Канта

Кант выдвинул первую космогоническую гипотезу, в которой предположил, что зарождение всех элементов Солнечной системы, в т.ч. Земли, произошло из пыли и газов. Поспособствовала данному процессу сила тяжести. Сначала в центре сформировалось Солнце, а затем появились планеты.

Недостаток гипотез Канта и Лапласа

Гипотезы о происхождении Земли, выдвинутые Лапласом и Кантом, имеют ряд недостатков. Многие современные астрофизики считают следующее: первичная туманность имела настолько малую плотность, что ее вращение не могло происходить так же, как твердого тела. Это ставит под сомнение возможность влияния вращения на процесс формирования центральной звезды и окружающих ее планет.

Кроме того, вещество не может отрываться скачками в экваториальной части формации. Считается, что данный процесс должен быть непрерывным, как при формировании туманности.

Некоторые исследователи отмечают, что кольцо, масса которого равна планете, не смогло бы сгуститься и впоследствии рассеялось под собственным весом. Ядро Солнца выбрасывает большое количество энергии не за счет сжатия, а благодаря термоядерному синтезу.

Теория Фесенкова

В. Г. Фесенков выдвинул несколько теорий формирования Солнца и Земли. Согласно его раннему предположению, звезда зарождается со сверхвысокой температурой, но в дальнейшем из-за остывания и высокой скорости вращения от нее отделяется газовая масса, из которой формируется планета.

Позже В. Г. Фесенков предположил, что возможно формирование планеты могло произойти из первичного холодного облака пыли и газов. Этому процессу предшествует набор избыточной скорости вращения звезды, приводящий к выбросу вещества и к уплотнению газопылевой среды. Зародыши планеты имели плотность около 10 г/см³.

Теории Мультона и Чемберлина

Геолог Т. Чемберлин и астроном Ф. Мультон предположили, что 65-70 млрд лет назад Солнце не имело спутников в виде планет. Однако в дальнейшем к нему приблизилась другая звезда.

Сила ее тяжести стала причиной формирования большой приливной волны, состоящей из веществ в жидком и газообразном состоянии. Она двигалась следом за близко подошедшей звездой.

Оторванные массы при этом стали удерживаться притяжением Солнца на некотором расстоянии от него. В дальнейшем в процессе конденсации газов элементы соединялись друг с другом.

Сформировались небольшие плотные тела, а затем планеты, спутники, метеориты и т.д.

Суждения Джинса

Д. Джинс считал, что после формирования Солнца близко к нему проходила другая звезда, из которой силой притяжения было вынуто некоторое количество материи. Эта смесь газов сгустилась до образования сначала небольших твердых тел, а затем астероидов, планет и т.д. В дальнейшем сформированные тела могли сталкиваться, пока их орбита не стабилизировалась.

Гипотеза Шмидта

О. Ю. Шмидт вдвинул теорию, что сначала сформировалось Солнце, вокруг которого вращалось облако, содержащее частички замерзшего газа и пыли. Находясь в движении, данные элементы уплотнялись, сталкивались и притягивались друг к другу. Постепенно облако уплотнялось и сплющивалось. Твердые элементы начали двигаться по круговой орбите. В дальнейшем из них формировались такие крупные объекты, как планеты.

Предположения Рудника и Соботовича

Е. Соботович и В. Рудник в 1984 г. выдвинули свою теорию зарождения Земли. Согласно их предположению, изначально на месте нашей Солнечной системы была газово-пылевая туманность. В дальнейшем произошло крупное событие, которое повлияло на нее. Велика вероятность, что им стал взрыв сверхновой звезды, располагавшейся рядом.

Выброс большого количества энергии спровоцировал сжатие туманности и начало формирования центрального сгустка — Солнца. Вокруг центра под действием данного процесса образовались кольца, состоящие из пыли, твердых камней и газов. Сжатие и сила тяжести поспособствовали образованию Земли и других планет.

Взрыв вселенского масштаба

Некоторые исследователи придерживаются теории, что Вселенная зародилась в результате большого взрыва. Существовавшая изначально материя или плазма, отличавшаяся крайне высокой температурой, по какой-то причине взорвалась. Вырвавшаяся раскаленная материя и частицы получили большое ускорение. В разные стороны они разлетались неравномерно.

При этом длительное время температура Вселенной была крайне высокой, поэтому разбросанные частицы не могли соединяться. При снижении температуры до 4000°C были сформированы атомы гелия и водорода, отличающиеся малой массой. По мере охлаждения Вселенной появились более тяжелые химические элементы.

После остывания атомы сформировали первичные туманности, состоящие из газа и пыли, а затем тела разных размеров. Данному процессу поспособствовала гравитация. Считается, что формирование галактик произошло примерно через 1-2 млрд лет после большого взрыва. Из туманности сначала сформировалось Солнце, а затем и планеты.

Появление Земли от газа к твердому телу

Сначала сформировавшееся Солнце окружали газы и мелкие частички пыли. Они двигались хаотично, сталкивались и соединялись. При этом на них продолжало оказывать действие притяжение Солнца, а также выделенные из него тела и атомы. Уплотнение газов и пыли поспособствовало формированию сначала камней, метеоров и астероидов, а затем и таких крупных твердых тел, как планеты.

Формирование планеты

Земля — это не твердый камень, а многослойная структура. После того как объем планеты стал достаточно большим, произошло уплотнение ее ядра.

В молодой планете присутствовало много радиоактивных веществ, в т.ч.:

  • иридий;
  • уран;
  • рений;
  • торий;
  • самарий;
  • люцетий и т.д.

Ядерная реакция, протекающая в ядре, и распад изотопов стали причиной расплавления планеты. На раннем этапе формирования почти вся ее поверхность была покрыта расплавленным океаном лавы.

На протяжении миллионов лет наблюдалась повышенная вулканическая активность. При этом на поверхность расплавленной Земли падало большое количество астероидов, комет и метеоров, которые приносили ряд химических веществ.

Постепенно поверхность Земли начала остывать, что создало условия для формирования коры. Однако примерно через 30 млн лет после завершения формирования Земли произошло ее столкновение с другой планетой — Теей. Это стало причиной высвобождения большого количества энергии.

Две планеты слились и снова вернулись в жидкое состояние. При этом большое количество обломков были выброшены в космос, а затем под действием силы притяжения они сформировали кольцо, из которого в дальнейшем образовалась Луна.

Процесс радиоактивного распада длительное время поддерживал Землю в расплавленном состоянии, но постепенно вулканическая активность снизилась, поверхность остыла и сформировалась кора. На ней начала скапливаться вода, что привело к формированию первичного мирового океана. На его поверхности присутствовало большое количество вулканических островов, но они быстро разрушались под действием морской стихии.

Усиление вулканической активности стало причиной разломов в коре, просачивания в них воды и появления нового типа горных пород, таких как гранит. Этот материал стал основой для формирования современных континентов.

Дрейф материков

Первые материки были сформированы из гранита 3,5 млрд лет назад. Данный материал был устойчивым к воздействию воды и при этом достаточно легким и менее плотным, чем базальт, из которого была сформирована океаническая кора.

Из-за разницы в плотности и весе гранитные материки могли дрейфовать по мантии.

На протяжении всего периода развития Земли они неоднократно соединялись, формируя суперконтиненты, а затем снова раскалывались из-за влияния на них внутреннего тепла планеты.

Возникновение жизни

Считается, что жизнь зародилась в период формирования первых материков. Под водой протекали активные вулканические процессы. «Черные курильщики» выбрасывали горячую воду, насыщенную разными микроэлементами. Кроме того, в океан с метеоритами и астероидами попадали аминокислоты и другие соединения.

Особые условия спровоцировали случайное возникновение первых одноклеточных микроорганизмов, которые питались за счет энергии подводных вулканов.

Изменяющиеся условия стали причиной подъема некоторых видов бактерий к поверхности и развития способности получать пищу путем фотосинтеза. На мелководье возле сформировавшихся материков возникли обширные колонии строматолитов. Эти водоросли вырабатывали большое количество кислорода. Увеличение его количества в воде и атмосфере подтолкнуло формирование многоклеточных организмов.

Источник: o-kosmose.ru

Дуглас Лин
«В мире науки» №8, 2008

В масштабах космоса планеты — всего лишь песчинки, играющие незначительную роль в грандиозной картине развития природных процессов. Однако это наиболее разнообразные и сложные объекты Вселенной. Ни у одного из других типов небесных тел не наблюдается подобного взаимодействия астрономических, геологических, химических и биологических процессов. Ни в одном из иных мест в космосе не может зародиться жизнь в том виде, как мы ее знаем. Только в течение последнего десятилетия астрономы обнаружили более 200 планет.


Формирование планет, издавна считавшееся спокойным и стационарным процессом, в действительности оказалось весьма хаотическим.


Поразительное разнообразие масс, размеров, состава и орбит заставило многих задуматься об их происхождении. В 1970-е гг. формирование планет считалось упорядоченным, детерминированным процессом — конвейером, на котором аморфные газово-пылевые диски превращаются в копии Солнечной системы. Но теперь нам известно, что это хаотичный процесс, предполагающий различный результат для каждой системы. Родившиеся планеты выжили в хаосе конкурирующих механизмов формирования и разрушения. Многие объекты погибли, сгорев в огне своей звезды, или были выброшены в межзвездное пространство. У нашей Земли могли быть давно потерянные близнецы, странствующие ныне в темном и холодном космосе.

Наука о формировании планет лежит на стыке астрофизики, планетологии, статистической механики и нелинейной динамики. В целом планетологи развивают два основных направления. Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются, образуя крупные глыбы. Если такая глыба притянет к себе много газа, она превращается в газовый гигант, как Юпитер, а если нет — в каменистую планету типа Земли. Основные недостатки данной теории — медлительность процесса и возможность рассеяния газа до формирования планеты.

В другом сценарии (теория гравитационной неустойчивости) утверждается, что газовые гиганты формируются путем внезапного коллапса, приводящего к разрушению первичного газово-пылевого облака. Данный процесс в миниатюре копирует формирование звезд. Но гипотеза эта весьма спорная, т. к. предполагает наличие сильной неустойчивости, которая может и не наступить. К тому же астрономы обнаружили, что наиболее массивные планеты и наименее массивные звезды разделены «пустотой» (тел промежуточной массы просто не существует). Такой «провал» свидетельствует о том, что планеты — это не просто маломассивные звезды, но объекты совершенно иного происхождения.

Несмотря на то что ученые продолжают спорить, большинство считает более вероятным сценарий последовательной аккреции. В данной статье я буду опираться именно на него.

1. Межзвездное облако сжимается

Время: 0 (исходная точка процесса формирования планет)

Наша Солнечная система находится в Галактике, где около 100 млрд звезд и облака пыли и газа, в основном — остатки звезд предыдущих поколений. В данном случае пыль — это всего лишь микроскопические частицы водяного льда, железа и других твердых веществ, сконденсировавшиеся во внешних, прохладных слоях звезды и выброшенные в космическое пространство. Если облака достаточно холодные и плотные, они начинают сжиматься под действием силы гравитации, образуя скопления звезд. Такой процесс может длиться от 100 тыс. до нескольких миллионов лет.

Каждую звезду окружает диск из оставшегося вещества, которого достаточно для образования планет. Молодые диски в основном содержат водород и гелий. В их горячих внутренних областях частицы пыли испаряются, а в холодных и разреженных внешних слоях частицы пыли сохраняются и растут по мере конденсации на них пара.

Астрономы обнаружили много молодых звезд, окруженных такими дисками. Звезды возрастом от 1 до 3 млн лет обладают газовыми дисками, в то время как у тех, что существуют более 10 млн лет, наблюдаются слабые, бедные газом диски, поскольку газ «выдувает» из него либо сама новорожденная звезда, либо соседние яркие звезды. Этот диапазон времени как раз и есть эпоха формирования планет. Масса тяжелых элементов в таких дисках сравнима с массой данных элементов в планетах Солнечной системы: довольно сильный аргумент в защиту того факта, что планеты образуются из таких дисков.

Результат: новорожденная звезда окружена газом и крошечными (микронного размера) частицами пыли.

2. Диск приобретает структуру

Время: около 1 млн лет

Частицы пыли в протопланетном диске, хаотически двигаясь вместе с потоками газа, сталкиваются друг с другом и при этом иногда слипаются, иногда разрушаются. Пылинки поглощают свет звезды и переизлучают его в длинноволновом инфракрасном диапазоне, передавая тепло в самые темные внутренние области диска. Температура, плотность и давление газа в целом снижаются с удалением от звезды. Из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем у свободного тела на таком же расстоянии.

В результате пылинки размером более нескольких миллиметров опережают газ, поэтому встречный ветер тормозит их и вынуждает по спирали опускаться к звезде. Чем крупнее становятся эти частицы, тем быстрее они движутся вниз. Глыбы метрового размера могут сократить свое расстояние от звезды вдвое всего за 1000 лет.

Приближаясь к звезде, частицы нагреваются, и постепенно вода и другие вещества с низкой температурой кипения, называемые летучими веществами, испаряются. Расстояние, на котором это происходит, — так называемая «линия льда», — составляет 2–4 астрономических единицы (а.е.). В Солнечной системе это как раз нечто среднее между орбитами Марса и Юпитера (радиус орбиты Земли равен 1 а.е.). Линия льда делит планетную систему на внутреннюю область, лишенную летучих веществ и содержащую твердые тела, и внешнюю, богатую летучими веществами и содержащую ледяные тела.

На самой линии льда накапливаются молекулы воды, испарившиеся из пылинок, что служит пусковым механизмом для целого каскада явлений. В этой области происходит разрыв в параметрах газа, и возникает скачок давления. Баланс сил заставляет газ ускорять свое движение вокруг центральной звезды. В результате попадающие сюда частицы оказываются под влиянием не встречного, а попутного ветра, подгоняющего их вперед и останавливающего их миграцию внутрь диска. А поскольку из его внешних слоев продолжают поступать частицы, линия льда превращается в полосу его скопления.

Скапливаясь, частицы сталкиваются и растут. Некоторые из них прорываются за линию льда и продолжают миграцию внутрь; нагреваясь, они покрываются жидкой грязью и сложными молекулами, что делает их более липкими. Некоторые области настолько заполняются пылью, что взаимное гравитационное притяжение частиц ускоряет их рост.

Постепенно пылинки собираются в тела километрового размера, называемые планетезималями, которые на последней стадии формирования планет сгребают почти всю первичную пыль. Увидеть сами планетезимали в формирующихся планетных системах трудно, но астрономы могут догадываться об их существовании по обломкам их столкновений (см.: Ардила Д. Невидимки планетных систем // ВМН, № 7, 2004).

Результат: множество километровых «строительных блоков», называемых планетезималями.

3. Формируются зародыши планет

Время: от 1 до 10 млн лет

Покрытые кратерами поверхности Меркурия, Луны и астероидов не оставляют сомнения в том, что в период формирования планетные системы похожи на стрелковый тир. Взаимные столкновения планетезималей могут стимулировать как их рост, так и разрушение. Баланс между коагуляцией и фрагментацией приводит к распределению по размерам, при котором мелкие тела в основном отвечают за площадь поверхности системы, а крупные определяют ее массу. Орбиты тел вокруг звезды вначале могут быть эллиптическими, но со временем торможение в газе и взаимные столкновения превращают орбиты в круговые.

Вначале рост тела происходит в силу случайных столкновений. Но чем больше становится планетезималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивнее она поглощает своих маломассивных соседей. Когда массы планетезималей становятся сравнимы с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения. Этим они ограничивают свой рост. Так возникают «олигархи» — зародыши планет со сравнимыми массами, конкурирующие друг с другом за оставшиеся планетезимали.

Зоной питания каждого зародыша служит узкая полоса вдоль его орбиты. Рост прекращается, когда зародыш поглотит большую часть планетезималей из своей зоны. Элементарная геометрия показывает, что размер зоны и продолжительность поглощения возрастают с удалением от звезды. На расстоянии 1 а.е. зародыши достигают массы 0,1 массы Земли в течение 100 тыс. лет. На расстоянии 5 а.е. они достигают четырех земных масс за несколько миллионов лет. Зародыши могут стать еще больше вблизи линии льда или на краях разрывов диска, где концентрируются планетезимали.

Рост «олигархов» заполняет систему излишком тел, стремящихся стать планетами, но лишь немногим это удается. В нашей Солнечной системе планеты хотя и распределены по большому пространству, но они близки друг к другу насколько это возможно. Если между планетами земного типа поместить еще одну планету с массой Земли, то она выведет из равновесия всю систему. То же самое можно сказать и о других известных системах планет. Если вы видите чашку кофе, заполненную до краев, то можете быть почти уверены, что кто-то ее переполнил и разлил немного жидкости; маловероятно, что можно до краев наполнить емкость, не разлив ни капли. Настолько же вероятно, что планетные системы в начале своей жизни обладают большим количеством вещества, чем в конце. Некоторые объекты выбрасываются из системы прежде, чем она достигнет равновесия. Астрономы уже наблюдали свободно летающие планеты в молодых звездных скоплениях.

Результат: «олигархи» — зародыши планет с массами в диапазоне от массы Луны до массы Земли.

4. Рождается газовый гигант

Время: от 1 до 10 млн лет

Вероятно, Юпитер начинался с зародыша, сравнимого по размеру с Землей, а затем накопил еще около 300 земных масс газа. Такой внушительный рост обусловлен различными конкурирующими механизмами. Гравитация зародыша притягивает газ из диска, но сжимающийся к зародышу газ выделяет энергию, и чтобы осесть, он должен охлаждаться. Следовательно, скорость роста ограничена возможностью охлаждения. Если оно происходит слишком медленно, звезда может сдуть газ обратно в диск прежде, чем зародыш образует вокруг себя плотную атмосферу. Самым узким местом в отводе тепла является перенос излучения сквозь внешние слои растущей атмосферы. Поток тепла там определяется непрозрачностью газа (в основном зависит от его состава) и градиентом температуры (зависит от начальной массы зародыша).

Ранние модели показали, что зародыш планеты для достаточно быстрого охлаждения должен иметь массу не менее 10 масс Земли. Такой крупный экземпляр может вырасти лишь вблизи линии льда, где ранее собралось много вещества. Возможно, поэтому Юпитер расположен как раз за этой линией. Крупные зародыши могут образоваться и в любом другом месте, если диск содержит больше вещества, чем обычно предполагают планетологи. Астрономы уже наблюдали немало звезд, диски вокруг которых в несколько раз плотнее предполагавшихся ранее. Для крупного образца перенос тепла не представляется серьезной проблемой.

Другой фактор, затрудняющий рождение газовых гигантов, — движение зародыша по спирали к звезде. В процессе, называемом миграцией I типа, зародыш возбуждает волны в газовом диске, которые в свою очередь гравитационно воздействуют на его движение по орбите. Волны следуют за планетой, как тянется за лодкой ее след. Газ на внешней стороне орбиты вращается медленнее зародыша и влечет его назад, тормозя движение. А газ внутри орбиты вращается быстрее и тянет вперед, ускоряя его. Внешняя область обширнее, поэтому она выигрывает битву и заставляет зародыш терять энергию и опускаться к центру орбиты на несколько астрономических единиц за миллион лет. Эта миграция обычно прекращается у линии льда. Здесь встречный газовый ветер превращается в попутный и начинает подталкивать зародыш вперед, компенсируя его торможение. Возможно, еще и поэтому Юпитер находится именно там, где он находится.

Рост зародыша, его миграция и потеря газа из диска происходят почти в одном и том же темпе. Какой процесс победит — зависит от везения. Возможно, несколько поколений зародышей пройдут через процесс миграции, не будучи способными завершить свой рост. За ними из внешних областей диска к его центру движутся новые партии планетезималей, и это повторяется до тех пор, пока в конце концов не образуется газовый гигант, или же пока весь газ не рассосется, и газовый гигант уже не сможет сформироваться. Астрономы открыли планеты типа Юпитера примерно у 10% исследованных солнцеподобных звезд. Ядра таких планет могут быть редкими зародышами, выжившими из многих поколений — последними из могикан.

Итог всех этих процессов зависит от начального состава вещества. Примерно треть звезд, богатых тяжелыми элементами, имеет планеты типа Юпитера. Возможно, у таких звезд были плотные диски, позволившие сформироваться массивным зародышам, у которых не было проблем с теплоотводом. И, напротив, вокруг звезд, бедных тяжелыми элементами, планеты формируются редко.

В некий момент масса планеты начинает расти чудовищно быстро: за 1000 лет планета типа Юпитера приобретает половину своей конечной массы. При этом она выделяет так много тепла, что сияет почти как Солнце. Процесс стабилизируется, когда планета становится настолько массивной, что поворачивает миграцию I типа «с ног на голову». Вместо того чтобы диск менял орбиту планеты, сама планета начинает изменять движение газа в диске. Газ внутри орбиты планеты вращается быстрее нее, поэтому ее притяжение тормозит газ, вынуждая его падать в сторону звезды, т. е. от планеты. Газ же вне орбиты планеты вращается медленнее, поэтому планета ускоряет его, заставляя двигаться наружу, опять же от планеты. Таким образом, планета создает разрыв в диске и уничтожает запас строительного материала. Газ пытается его заполнить, но компьютерные модели показывают, что планета выигрывает битву, если при расстоянии в 5 а.е. ее масса превышает массу Юпитера.

Эта критическая масса зависит от эпохи. Чем раньше формируется планета, тем больше будет ее рост, поскольку в диске еще много газа. У Сатурна масса меньше, чем у Юпитера, просто потому, что он сформировался на несколько миллионов лет позже. Астрономы обнаружили дефицит планет с массами от 20 масс Земли (это масса Нептуна) до 100 земных масс (масса Сатурна). Это может стать ключом к восстановлению картины эволюции.

Результат: Планета размером с Юпитер (или ее отсутствие).

5. Газовый гигант становится неусидчивым

Время: от 1 до 3 млн лет

Как ни странно, многие внесолнечные планеты, открытые за последние десять лет, обращаются вокруг своей звезды на очень близком расстоянии, гораздо ближе, чем Меркурий — вокруг Солнца. Эти так называемые «горячие Юпитеры» сформировались не там, где они находятся сейчас, т. к. орбитальная зона питания была бы слишком мала для поставки необходимого вещества. Возможно, для их существования нужна трехступенчатая последовательность событий, которая по какой-то причине не реализовалась в нашей Солнечной системе.

Во-первых, газовый гигант должен формироваться во внутренней части планетной системы, вблизи линии льда, пока в диске еще достаточно газа. Но для этого в диске должно быть много и твердого вещества.

Во-вторых, планета-гигант должна переместиться к месту своего нынешнего расположения. Миграция I типа не может обеспечить этого, т. к. она действует на зародыши еще до того, как они наберут много газа. Но возможна и миграция II типа. Формирующийся гигант создает разрыв в диске и сдерживает течение газа через свою орбиту. В этом случае он должен бороться с тенденцией турбулентного газа распространяться в смежные области диска. Газ никогда не перестанет сочиться в разрыв, и его диффузия к центральной звезде заставит планету терять орбитальную энергию. Этот процесс довольно медленный: нужно несколько миллионов лет для перемещения планеты на несколько астрономических единиц. Поэтому планета должна начать формироваться во внутренней части системы, если в итоге ей предстоит выйти на орбиту вблизи звезды. Когда эта и другие планеты продвигаются внутрь, они толкают перед собой оставшиеся планетезимали и зародыши, возможно, создавая «горячие Земли» на еще более близких к звезде орбитах.

В-третьих, что-то должно остановить движение, прежде чем планета упадет на звезду. Это может быть магнитное поле звезды, расчищающее от газа пространство вблизи звезды, а без газа движение прекращается. Возможно, планета возбуждает приливы на звезде, а они в свою очередь замедляют падение планеты. Но эти ограничители могут и не срабатывать во всех системах, поэтому многие планеты могут продолжать свое движение к звезде.

Результат: планета-гигант на близкой орбите («горячий Юпитер»).

6. Появляются и другие планеты-гиганты

Время: от 2 до 10 млн лет

Если удалось сформироваться одному газовому гиганту, то он способствует рождению следующих гигантов. Многие, а возможно и большинство известных планет-гигантов имеют близнецов сравнимой массы. В Солнечной системе Юпитер помог Сатурну сформироваться быстрее, чем это произошло бы без его помощи. Кроме того, он «протянул руку помощи» Урану и Нептуну, без чего они не достигли бы своей нынешней массы. На их расстоянии от Солнца процесс формирования без посторонней помощи шел бы очень медленно: диск рассосался бы еще до того, как планеты успели бы набрать массу.

Первый газовый гигант оказывается полезным по нескольким причинам. У внешней кромки образованного им разрыва вещество концентрируется, в общем, по той же причине, что и на линии льда: перепад давления заставляет газ ускоряться и действовать как попутный ветер на пылинки и планетезимали, останавливая их миграцию из внешних областей диска. К тому же гравитация первого газового гиганта часто отбрасывает соседние с ним планетезимали во внешнюю область системы, где из них формируются новые планеты.

Второе поколение планет формируется из вещества, собранного для них первым газовым гигантом. При этом большое значение имеет темп: даже небольшая задержка во времени может существенно изменить результат. В случае Урана и Нептуна аккумуляция планетезималей была чрезмерной. Зародыш стал слишком большим, 10–20 земных масс, что отсрочило начало аккреции газа до момента, когда в диске его почти не осталось. Формирование этих тел завершилось, когда они набрали всего по две земных массы газа. Но это уже не газовые, а ледяные гиганты, которые могут оказаться самым распространенным типом.

Гравитационные поля планет второго поколения увеличивают в системе хаос. Если эти тела сформировались слишком близко, их взаимодействие друг с другом и с газовым диском может выбросить их на более высокие эллиптические орбиты. В Солнечной системе планеты имеют почти круговые орбиты и достаточно удалены друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Но в других планетных системах орбиты как правило эллиптические. В некоторых системах они резонансные, т. е. орбитальные периоды соотносятся как небольшие целые числа. Вряд ли это было заложено при формировании, но могло возникнуть при миграции планет, когда постепенно взаимное гравитационное влияние привязало их друг к другу. Различие между такими системами и Солнечной системой могло определяться разным начальным распределением газа.

Большинство звезд рождаются в скоплениях, причем более половины из них — двойные. Планеты могут сформироваться не в плоскости орбитального движения звезд; в этом случае гравитация соседней звезды быстро перестраивает и искажает орбиты планет, образуя не такие плоские системы, как наша Солнечная, а сферические, напоминающие рой пчел вокруг улья.

Результат: компания планет-гигантов.

7. Формируются планеты типа Земли

Время: от 10 до 100 млн лет

Планетологи считают, что похожие на Землю планеты распространены больше, чем планеты-гиганты. Несмотря на то что рождение газового гиганта требует точного баланса конкурирующих процессов, формирование твердой планеты должно быть намного сложнее.

До обнаружения внесолнечных землеподобных планет мы опирались лишь на данные о Солнечной системе. Четыре планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — в основном состоят из веществ с высокой температурой кипения, таких как железо и силикатные породы. Это свидетельствует о том, что сформировались они внутри линии льда и заметно не мигрировали. На таких расстояниях от звезды зародыши планет могут вырасти в газовом диске до 0,1 земной массы, т. е. не больше чем Меркурий. Для дальнейшего роста нужно, чтобы орбиты зародышей пересекались, тогда они будут сталкиваться и сливаться. Условия для этого возникают после испарения газа из диска: под действием взаимных возмущений в течение нескольких миллионов лет орбиты зародышей вытягиваются в эллипсы и начинают пересекаться.

Гораздо труднее объяснить, как система вновь стабилизирует себя, и как планеты земной группы оказались на их нынешних почти круговых орбитах. Небольшое количество оставшегося газа могло бы это обеспечить, но такой газ должен был предотвратить изначальное «разбалтывание» орбит зародышей. Возможно, когда планеты уже почти сформировались, остается еще приличный рой планетезималей. В течение следующих 100 млн лет планеты сметают часть из этих планетезималей, а оставшиеся отклоняют в сторону Солнца. Планеты передают свое беспорядочное движение обреченным планетезималям и переходят на круговые или почти круговые орбиты.

Согласно другой идее, длительное влияние гравитации Юпитера вызывает у формирующихся планет земной группы миграцию, передвигая их в области со свежим веществом. Это влияние должно быть сильнее на резонансных орбитах, которые постепенно сдвигались внутрь по мере опускания Юпитера к его современной орбите. Радиоизотопные измерения указывают, что астероиды сформировались первыми (спустя 4 млн лет после образования Солнца), затем — Марс (через 10 млн лет), а позже — Земля (через 50 млн лет): как будто бы поднятая Юпитером волна прошла через Солнечную систему. Если бы она не встретила препятствий, то сдвинула бы все планеты земной группы к орбите Меркурия. Как же им удалось избежать столь печальной участи? Возможно, они уже стали слишком массивными, и Юпитер не смог их сильно сдвинуть, а может быть, сильные удары выбросили их из зоны действия Юпитера.

Заметим, что многие планетологи не считают роль Юпитера решающей в формировании твердых планет. Большинство солнцеподобных звезд лишено планет типа Юпитера, но вокруг них есть пылевые диски. А значит, там есть планетезимали и зародыши планет, из которых могут сформироваться объекты типа Земли. Основной вопрос, на который должны ответить наблюдатели в ближайшее десятилетие, — в скольких системах есть земли, но нет юпитеров.

Важнейшей эпохой для нашей планеты стал период между 30 и 100 млн лет после формирования Солнца, когда зародыш размером с Марс врезался в прото-Землю и породил гигантское количество обломков, из которых сформировалась Луна. Столь мощный удар, конечно же, разбросал огромное количество вещества по Солнечной системе; поэтому землеподобные планеты в других системах тоже могут иметь спутники. Этот сильный удар должен был сорвать первичную атмосферу Земли. Ее современная атмосфера в основном возникла из газа, заключенного в планетезималях. Из них сформировалась Земля, а позже этот газ вышел наружу при извержении вулканов.

Результат: планеты земного типа.

8. Начинаются операции по зачистке

Время: от 50 млн до 1 млрд лет

К этому моменту планетная система уже почти сформировалась. Продолжаются еще несколько второстепенных процессов: распад окружающего звездного скопления, способного своей гравитацией дестабилизировать орбиты планет; внутренняя неустойчивость, возникающая после того, как звезда окончательно разрушает свой газовый диск; и, наконец, продолжающееся рассеивание оставшихся планетезималей гигантской планетой. В Солнечной системе Уран и Нептун выбрасывают планетезимали наружу, в пояс Койпера, или же к Солнцу. А Юпитер своим мощным тяготением отсылает их в облако Оорта, на самый край области гравитационного влияния Солнца. В облаке Оорта может содержаться около 100 земных масс вещества. Время от времени планетезимали из пояса Койпера или облака Оорта приближаются к Солнцу, образуя кометы.

Разбрасывая планетезимали, сами планеты немного мигрируют, и этим можно объяснить синхронизацию орбит Плутона и Нептуна. Возможно, орбита Сатурна когда-то располагалась ближе к Юпитеру, но затем отдалилась от него. Вероятно, с этим связана так называемая поздняя эпоха сильной бомбардировки — период очень интенсивных столкновений с Луной (и, по-видимому, с Землей), наступивший спустя 800 млн лет после формирования Солнца. В некоторых системах грандиозные столкновения сформировавшихся планет могут возникать на поздней стадии развития.

Результат: Конец формирования планет и комет.

Нет единого плана

До начала эры открытия внесолнечных планет мы могли изучать только Солнечную систему. Несмотря на то что это позволило нам понять микрофизику важнейших процессов, у нас не было представления о путях развития иных систем. Удивительное разнообразие планет, обнаруженных за последнее десятилетие, значительно раздвинуло горизонт наших знаний. Мы начинаем понимать, что внесолнечные планеты — это последнее выжившее поколение в ряду протопланет, испытавших формирование, миграцию, разрушение и непрерывную динамическую эволюцию. Относительный порядок в нашей Солнечной системе не может быть отражением какого-то общего плана.

От попыток выяснить, как в далеком прошлом формировалась наша Солнечная система, теоретики обратились к исследованиям, позволяющим делать прогнозы о свойствах еще не открытых систем, которые могут быть обнаружены в ближайшее время. До сих пор наблюдатели замечали вблизи солнцеподобных звезд только планеты с массами порядка массы Юпитера. Вооружившись приборами нового поколения, они смогут искать объекты земного типа, которые в соответствии с теорией последовательной аккреции должны быть широко распространены. Планетологи только начинают осознавать то, насколько разнообразны миры во Вселенной.

Перевод: В. Г. Сурдин

Дополнительная литература:
1) Towards a Deterministic Model of Planetary Formation. S. Ida and D.N.C. Lin in Astrophysical Journal, Vol. 604, No. 1, pages 388-413; March 2004.
2) Planet Formation: Theory, Observation, and Experiments. Edited by Hubert Klahr and Wolfgang Brandner. Cambridge University Press, 2006.
3) Альвен Х., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. М.: Мир, 1979.
4) Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы: Происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990.

Источник: elementy.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.