Происхождение Земли и планет

 

Сатурн занимает второе место  по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала 0,69 г/см3. Облачный покров Сатурна похож  на таковой у Юпитера не только по составу частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония, но и по своей структуре, образуя  разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая  планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна  состоит, в основном, из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч км. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного водорода, мощностью 37000 км, и металлического водорода, 8000 км. Силикатное (каменное) ядро Сатурна, радиусом в 10000 км, окружено слоем льда до 5000 км.

 

Наиболее известным элементом  планеты Сатурн являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся  в плоскости экватора планеты. Диаметр  колец составляет 270 тысяч км, а  мощность всего 100 м. Множество колец  представляют собой мельчайшие кусочки  льда воды. Каждое из колец имеет  сложную структуру чередования  темных и светлых полос, вложенных  друг в друга. Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет  предполагать ферромагнитные частицы в «дыму» колец.

 

У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый  большой. Средние по размерам от 420 до 1528 км спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют  неправильную, угловатую форму и  размеры от 20 до 360 км. Титан покрыт атмосферой из азота, метана и этана  с давлением у поверхности  планеты в 1,6 кг/см2, поэтому о ее строении ничего не известно. Ввиду низких температур, до -180 ОС, метан может существовать в жидкой и твердой (лед метана и этана) форме. Предполагается, что под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в верхних слоях атмосферы Титана из углеводородов могут образовываться сложные органические молекулы, которые, опускаясь, достигают его поверхности.

 

Уран превосходит по своим  размерам Землю в 4 раза и в 14,5 раз  по массе. Это третья планета гигант, вращается в сторону противоположной  той, в которую вращается большинство  остальных планет. Мало этого, ось  вращения Урана расположена почти  в плоскости орбиты, так что  Уран «лежит на боку и вращается  не в ту сторону». Уран меньше Юпитера, но плотность, в среднем, у него близка к плотности Юпитера, что заставляет сомневаться в существовании  оболочки из металлического водорода, т.к. давление слишком мало. В атмосфере  Урана как и на других планетах гигантах, преобладают водород и гелий, но также присутствуют частицы льда метана. Уран окружен системой тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем у колец Сатурна. Из 15 спутников Урана 5 средних по размеру и 10 малых, обладающих угловатой формой и похожие на спутники Марса и малые спутники Юпитера и Сатурна.

 

Нептун самая маленькая  из планет гигантов, обладает, тем не менее, самой большой среди них  плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и  мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также  из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система колец, имеющих в разных участках различную мощность. 8 спутников Нептуна с одним крупным Тритоном и 7-ю малыми, на поверхности которых имеются следы водо-ледяного вулканизма.

 

Плутон, девятая планета, считая от Солнца, сильно отличается от планет-гигантов и, наверное, им не принадлежит. У Плутона очень вытянутая  эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона  вокруг Солнца. Разреженная атмосфера  Плутона окружает ледяную поверхность  планеты, состоящей изо льдов  азота, метана и моноокиси углерода, благодаря холоду - -240 ОС, господствующему на этой, самой дальней планете. Крупный спутник Харон (диаметр 1172 км), состоит из смеси льда и силикатов с плотностью 1,8 г/см3 и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной. В настоящее время считается, что Плутон с Хароном могут принадлежать т.н. поясу Койпера, расположенного в интервале 35 - 50 А.Е. прямо за орбитой Нептуна.

 

В заключение этого раздела  необходимо подчеркнуть, что сравнительная  планетология дает чрезвычайно много  для понимания ранней истории  Земли, скрытой от геологов последующими процессами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Формирование  Земли и особенности ее строения

 

       Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?

 

На этот счет существуют две, наиболее распространенные точки  зрения. Ранняя из них полагала, что  первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции. Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? Но этот вопрос однозначного ответа не существует, но предположение отдается второму варианту.

 

Процесс аккреции, столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался большим выделением энергии, с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т.е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих веществ при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты по современным данным длился около 500 млн. лет и проходил в 3 фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93-95% и эта фаза закончилась к рубежу 4,4 - 4,5 млрд. лет, т.е. длилась около 100 млн. лет.

 

Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн. лет. Наконец, третья фаза, продолжительностью до 400 млн. лет (3,8-3,9 млрд. лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне. Вопрос о температуре первичной Земли  имеет для геологов принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной «огненно-жидкой»  Земле. Однако этот взгляд полностью  противоречил современной геологической  жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету.

 

Следовательно, предпочтение нужно отдать не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле. Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и  соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс.км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация - более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали.

 

Но главный вклад в  увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов  плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла - это твердые  приливы, связанные с близким  расположением спутника Земли Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки  плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 ОС. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю  ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако, уже 3,5-3,7 млрд.лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд.лет, у Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т.е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность таких древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего. Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии.

 

Атмосфера и гидросфера Земли  возникли в результате конденсации  газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты. Луна это единственный спутник Земли, всегда обращенный к  ней одной и той же стороной и вращающейся вокруг Земли по законам Кеплера вблизи апогея медленнее, вблизи перигея быстрее. Однако, вокруг оси Луна вращается равномерно и время ее обращения вокруг оси равняется сидерическому (звездному) месяцу. Двойная система Земля-Луна сказывается на Земле и Луне. Известно, что влияние Луны вызывает приливы на Земле, но т.к. Земля в 81 раз массивнее Луны, то и приливы на Луне намного сильнее. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т.е. периодом движения Луны относительно звезд. Центр масс двойной системы Земля-Луна находится в 4750 км от центра Земли внутри планеты. Поверхность Луны, в том числе и ее обратная, невидимая сторона прекрасно изучена с помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами, неоднократно бывавшими на поверхности Луны и собравшими несколько тонн лунных пород. Среднее удаление Луны от Земли 384000 км, диаметр Луны 3476 км, масса 7,33?1025, средняя плотность 3,33 г/ см3. Атмосфера на Луне отсутствует из-за малых ее размеров, температура на экваторе днем достигает +130ОС, а ночью -150ОС. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17% поверхности, вторые - 83%.. Материки, более светлые участки поверхности Луны - это относительно древние, брекчированные породы, с большим количеством плагиоклаза - анортита. Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров, образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4,0-3,9 млрд. лет назад.

 

Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых  лав, излившихся 3,9-3,0 млрд. лет назад, т.е. они более молодые и метеоритных  кратеров на них меньше. Поверхность  Луны покрыта рыхлым грунтом реголитом, образовавшимся при ударах метеоритов и раздроблении пород. Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной  метеоритной атаке Земли в  этот же интервал времени, 3,9-4,0 млрд. лет  назад. Сила тяжести на Луне 1/6 земной и у нее есть очень слабое магнитное  поле неизвестного происхождения. Измерения  силы тяжести показали скопление  плотных масс масконов под лунными  морями.

 

На Луне выделяется кора, мощностью до 60 км и скоростью  сейсмических волн Vр 7,0-7,7 км/ сек; литосфера или верхняя и средняя мантия до глубины 1000 км; нижняя мантия (астеносфера), частично расплавленная, как и ядро, с глубины 1500 до 1740 км. Через них не проходят поперечные сейсмические волны. Приливные лунотрясения, выявленные с помощью сейсмографов, установленных на поверхности Луны экспедициями «Апполонов» с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.

 

Существует 3 главные гипотезы о происхождении Луны. По одной  из них Луна отделилась от Земли, по другой Луна была захвачена уже «готовой»  силами притяжения Земли, по третьей, разработанной  в 60-е годы российской ученой Е.Л. Рускол, Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей. Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии (США), после длительных компьютерных расчетов показали, что Луна образовалась в результате столкновения Земли по касательной с космическим телом размером с Марс. Выброшенные в космос обломки стали вращаться по круговой орбите, слипаясь в шаровидное тело - Луну. Было это 4,5 млрд. лет назад. Любая из гипотез должна объяснить отличия в химическом составе лунных пород от земных и различия в плотности небесных тел.

 

Диаметр Земли 12756 км; масса 5,988?1024 кг; плотность 5510 кг/м3; период вращения 23 ч 56 м 4,1 с; период обращения 365,26 суток; эксцентриситет орбиты 0,017; площадь  поверхности - 510 млн. км2; объем - 1,083?1012 км3.

 

И. Ньютон первым показал, что  форма Земли более сложная, чем  шар, и доказал, что главным фактором в создании формы Земли является ее вращение и, вызванная этим центробежная сила. Поэтому форма Земли зависит  от совместного действия сил гравитации и центробежных. Хорошо известно, что  равнодействующая этих сил называется силой тяжести. Многочисленные геодезические  измерения позволили доказать, что  Земля представляет собой эллипсоид, вычисленный в 1940 г. геодезистом  А.А. Изотовым и названный им эллипсоидом  Красовского в честь Ф.Н. Красовского, известного русского геодезиста. Параметры  эллипсоида Красовского: экваториальный радиус - 6378,245 км; полярный радиус - 6356,863 км; полярное сжатие б = 1/298,25.

 

Реальная форма Земли  лучше описывается фигурой геоида (землеподобная) - эквипотенциальной поверхностью невозмущенного океана, продолженной и на континенты. Сила тяжести в каждой точке поверхности геоида направлена перпендикулярно к ней. Сейчас построена карта геоида, приведенная к сжатию 1/298,25, с помощью как наземных гравиметрических, так и спутниковых наблюдений. На карте ясно видны впадины и выпуклости на поверхности Земли с амплитудой в десятки метров, так что форма Земли скорее напоминает «обгрызанное яблоко». Аномалии геоида обусловлены неравномерным распределением масс с различной плотностью внутри Земли.

 

Находясь на поверхности  Земли, мы можем определить много  параметров, характеризующих Землю: состав вещества (горных пород, вод, океана, атмосферы) и его возраст, температуру, силу притяжения к Земле (ускорение  силы тяжести), величину магнитного поля, и наблюдать множество явлений: извержения вулканов, землетрясения, в  особенности катастрофические, и  измерять времена пробега сейсмических (упругих) волн, видеть свечения полярных сияний и многое другое.