Теории образования планет

Один из центральных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы, - проблема ее происхождения. Как возникла семья небесных тел, обращающихся вокруг Солнца? Ответ на этот вопрос имеет не только важное естественнонаучное, но и мировоззренческое, философское значение. На протяжении веков ученые пытались выяснить прошлое, настоящее, будущее Вселенной. Нередко их представления были в той или иной степени связаны с господствовавшими религиозными воззрениями. Но уже в глубокой древности зародилась мысль, что Вселенная не была создана никем из богов. Она всегда существовала и будет существовать. Одни миры возникают, развиваются, другие - разрушаются и умирают, 3емля, как и другие миры, сформировалась в результате естественных причин.

Однако такие гениальные догадки настолько опережали эпоху, что не могли быть восприняты современниками. В споре о путях происхождения и развития Земли и планет столкнулись два прямо противоположных и непримиримых суждения о том, что лежит в основе мироздания - дух или вечно существующая материя? Создан ли мир богом или он существует вечно?

В отличие от идеалистов, утверждающих первичность духа и считающих мир продуктом творения высшего разума (бога), материалисты признают первичность материи. Подтверждая свои выводы практикой исследований и наблюдений, основываясь на повседневном опыте, материалисты доказывают, что планеты, в том числе и Земля, могли возникнуть лишь из других форм материи, т.е. сформировались естественным путем. В наше время все значительные космогонические гипотезы являются последовательно материалистическими.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Наиболее последовательно такая точка зрения проведена в работах советского ученого академика О.Ю. Шмидта. До сих пор планетная космогония рассматривалась как чисто астрономическая проблема, а Шмидт показал, что проблемы космогонии можно решить лишь согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего геофизики, геологии, геохимии. Такой подход значительно укрепил наблюдательную базу космогонии, предоставив в ее распоряжение обширные фактические данные наук о Земле.

В основе теории О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако вначале состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Однако беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным обращением облака вокруг Солнца.

Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого «критического» значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобрели почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединили к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет. По произведенным расчетам, 98% своей массы Земля приобрела за 100 миллионов лет.

Таким образом, почти круговые орбиты планет явились результатом осреднения орбит тел, объединившихся в планеты. Деление планет на две группы связано с тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой, и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладали метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет - Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов (рис.3.2).

Рис.3.2. Внутреннее строение и предполагаемый вещественный состав некоторых планет-гигантов: 1- молекулярный водород; 2 - металлический водород; 3 - водяной лед; 4 - ядро, сложенное из каменных или железокаменных материалов

В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов (рис.3.3).

Научная теория происхождения Солнечной системы подтверждается многочисленными наблюдениями. Однако сейчас мы еще не можем сказать, что процесс образования планет досконально изучен. Например, рассматриваемая теория не учитывает влияния электромагнитных явлений, которые, оказалось, играют определенную роль в формировании космических тел. Выяснение этого и некоторых других вопросов - дело будущего.

Таким образом, в настоящее время считается, что планеты возникли в результате объединения твёрдых тел и частиц, образовавшихся во вращающемся вокруг Солнца гигантском протопланетном облаке, состоящем из газа и пыли. Температура в облаке составляла около 1000 К.

Рис.3.3. Строение и предполагаемый вещественный состав планет земной группы: 1 - силикатное вещество; 2- металлическое; 3 - сульфид-металлическое вещество.

Протопланетное облако образовалось в каком-то совместном процессе, механизм которого до сих пор является предметом дискуссии. Но данные геофизики, исследования метеоритов, лунного грунта содержат некоторые доказательства этой гипотезы.

Протопланетное облако содержало газ «звёздного» состава (водород и гелий) и пыль из более тяжёлых элементов. Сжимающееся облако увеличивало скорость вращения, а это создавало благоприятные условия для преимущественного сжатия вдоль оси вращения и накопления пылинок в средней области облака. Тонкий пылевой слой гравитационно неустойчив. Поэтому он распадается на множество сгустков, превратившихся в рой твёрдых тел. Сначала это были тела сравнительно небольшие по массе и размерам, двигавшиеся по орбитам, близким к круговым. Но по мере роста масс увеличивалось взаимное притяжение тел, возрастали их относительные скорости, приобретали эллиптическую форму орбиты. В процессе многочисленных неупругих столкновений и объединений (слипаний) образовались зародыши планет.

Массы зародышей резко отличались от масс других тел, находившихся вблизи них и образовавших для зародышей своеобразную зону питания. Сначала было очень много таких зародышей и окружавших их зон питания. Но постепенно среди этих зародышей стали выделяться те, которые впоследствии стали настоящими планетами. Такие массивные и двигавшиеся почти по круговым орбитам сверхзародыши получались путём объединения ранее возникших зародышей и обобществления их зон питания.

Уменьшение числа зародышей и появление сверхзародышей происходили до тех пор, пока возникающие крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом устойчивости будущей Солнечной системы. Формирование спутников планет, в том числе и нашей Луны, в общих чертах, было сходным процессом. Планетам земной группы и планетам-гигантам понадобилось различное время для своего роста. Например, по некоторым оценкам, наша планета выросла за 1 00 миллионов лет. Планеты - гиганты росли дольше. Это прежде всего связано с наложением зон питания, т.е. с появлением объединённых зон питания протоюпитера и протосатурна, а затем и других будущих планет- гигантов. По мере роста массы протоюпитера тела из его зоны питания начали долетать до протосатурна, а затем, примерно через 150 миллионов лет после начала формирования планет, и в самые отдалённые области планетной системы, а также до орбиты уже сформировавшегося Марса. На определённой стадии своего роста будущие планеты-гиганты, особенно Юпитер, не только «простреливали» телами из своих зон питания Солнечную систему, но и сообщали телам скорости, близкие к параболическим, и выбрасывали их за пределы планетной системы.

При рассмотрении роста сверхзародышей планет-гигантов надо учитывать процесс захвата ими газа, образующего вторую составляющую допланетного облака, собравшегося за пределами орбит планет земной группы. Газ в зонах питания Юпитера и Сатурна вначале тормозил движение тел, уменьшая их относительные скорости, и тем самым задерживал скорость роста зародышей. Но когда зародыши выросли настолько, что могли увеличивать свою массу за счёт захвата (аккреции) газа, преимущественно водорода, их рост ускорился. Некоторая часть газа покинула пределы Солнечной системы.

Направление движения планет вокруг Солнца и различные наклоны осей планет к плоскости эклиптики объясняются следствием роста протопланетных тел. Тела и частицы, падая на формирующуюся планету, передавали ей момент количества движения. Следовательно, направление движения планеты вокруг Солнца есть результирующий момент количества движения множества падений. Преобладающее в Солнечной системе прямое движение планет отражает характер общего вращения тел и частиц вокруг Солнца ещё до возникновения планет. В статистическом процессе усреднения моментов количества движения отдельных тел и частиц могли появиться и аномалии, результатом которых стало обратное движение Венеры. Различные наклоны осей планет в настоящее время объясняют падением крупных тел на зародыши. По наблюдаемым наклонам осей планет удалось оценить массы тел, падавших на зародыши. Так, например, массы тел, участвовавших в формировании Земли, примерно в тысячу раз меньше нынешней массы нашей планеты. Массы тел, падавших на Уран и определивших положение в пространстве оси этой планеты, были сравнимы с массой Земли.

Конечно, не только механические процессы сопровождали стадии образования планет. Сложные переплетения различных физических процессов (тепловые, магнитогидродинамические и др.) участвовали в образовании и эволюции планетной системы. Так, например, крупные массы тел, падая на относительно холодную Землю и глубоко врезаясь в неё, разогревали нашу планету до температуры 1 500 К в области верхней мантии. Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счёт энергии других механических (гравитационное сжатие, приливные воздействия Луны) и немеханических (распад радиоактивных элементов) процессов. Наша Земля росла не просто тихо и холодно, сталкиваясь с небольшими метеоритами, а испытывала мощные удары, разогревалась, частично плавилась, изменяла свою структуру, с юности формировала ядро и оболочки. В настоящее время Земля имеет расплавленное железно-никелевое ядро. Вещества, содержащие более лёгкие элементы (кремний, магний, кальций и др.), постепенно поднимались вверх, образуя мантию и кору Земли. Самые лёгкие элементы вошли в состав океана и первичной атмосферы Земли. Состав атмосферы постепенно изменялся: улетучились самые лёгкие водород и гелий, в результате фотосинтеза появился кислород.

Эволюция атмосферы Земли имеет прямое отношение к тем условиям (температура, наличие воды), которые существуют на Земле сейчас и необходимы для развития жизни на нашей планете. На ближайших планетах Солнечной системы ситуация совершенно другая. На Земле есть вода, в атмосфере много кислорода, средняя температура +15о С. На Венере и Марсе сейчас свободной воды нет (на Марсе вода, возможно, есть в подповерхностном слое вечной мерзлоты), состав воздуха не пригоден для дыхания земных обитателей. Средняя температура на Марсе -60о С, на Венере +460° С.

Всегда ли было так? Не исключено, что в прошлом состав атмосферы на планетах земной группы был иным. В частности, большое значение могло иметь содержание углекислого газа, от которого во многом зависит парниковый эффект. Чем больше диоксида углерода в атмосфере, тем больше может разогреваться атмосфера и поверхность планеты в результате парникового эффекта. Углекислый газ, как и пары воды, пропускает солнечные лучи, но поглощает и переизлучает тепловое излучение поверхности Земли. Количество углекислого газа может изменяться за счёт поступления в атмосферу из карбонатных пород или вывода из неё. На Земле даже происходит длительный, порядка 500 тысяч лет, геохимический цикл, в ходе которого углекислый газ из атмосферы переходит в твёрдые породы, а потом из них снова в воздух. Такой цикл «работает» на Земле, а на Венере и на Марсе он нарушился. В результате этого Марс потерял возможность возвращать углекислый газ в атмосферу, а Венера - выводить его из атмосферы.

Планета, на которой мы живем - Земля, из космоса видна как небольшой голубой шар. Это уникальная планета, хотя бы потому, что именно на ней возникла, развилась до современных форм жизнь. Поэтому рассмотрим подробнее некоторые характеристики Земли.