Будь яка гіпотеза, що претендує на пояснення процесу народження Землі, повинна перш за все враховувати такі особливості Сонячної системи:
Майже всі планети обертаються навколо Сонця в одному напрямку і майже в одній площині. Напрямок орбітального руху планет співпадає з напрямком осьового обертання Сонця, а площина сонячного екватора близька до середньої площини планетних орбіт.
Системи супутників планет повторюють принаймні деякі із загальних закономірностей планетної системи. Правда, є незрозумілі винятки — «зворотні» рухи деяких з супутників планет-гігантів.Порушують загальну структуру зворотнє обертання Венери, аномально великі розміри Місяця в порівнянні з Землею, «лежаче» положення Урану, вісь обертання якого розташована майже в площині його орбіти, а також орбіта Плутона, площина якої сильно нахилена до площини екватора Сонця.Головна ж трудність для будь-якого космогоністичного пояснення — незрозумілий розподіл моменту кількості руху між Сонцем і планетами. З якоїсь причини Сонце обертається дуже повільно і тому на долю планет припадає 98% всього сумарного моменту кількості руху Сонячної системи. Якщо Сонце і планети колись складали єдине тіло, — то цей розподіл є незрозумілим.
В історії планетної космогонії здавна намітилися два шляхи пояснення перерахованих фактів, два типи космогонічних гіпотез. Ця двоїстість існує і сьогодні.
Планетна система виникла в результаті згущення первинної туманності, що колись оточувала Сонце. Це був процес тривалий, поступовий, вирішальну роль в якому грало гравітаційне поле Сонця. Така суть всіх небулярних (небулярний означає «туманний» (від латинського «nebula» — туман, хмара)). гіпотез, починаючи зі знаменитої гіпотези Канта.
Гіпотези другого типу — катастрофічні. Вони ведуть свій початок від гіпотези Ж. Бюффона, сучасника І. Канта, що вважав, що планети виникли як «бризки» при катастрофічному падінні на Сонце велетенської комети. У всіх подальших, більш правдоподібних катастрофічних гіпотезах збереглася первинна ідея: планетна система — це плід якоїсь космічної катастрофи.
Із сучасних небулярних гіпотез найбільшою і цілком заслуженою популярністю користується гіпотеза академіка О. Ю. Шмідта. За концепцією О. Ю. Шмідта, розвинутою дослідженнями його учнів (Б. Ю. Левіна, В. С. Сафронова та ін.), Наша планетна система і, зокрема, Земля виникли кілька мільярдів років тому в результаті згущення оточуваної навколо Сонця допланетної газопилової хмари.
О. Ю. Шмідт показав, що «протопланетна» газопилова хмара повинна перетворитися на сукупність великих, «злиплих» з частинок хмари протопланет. Справді, обертаючись навколо Сонця по різних самостійним орбітах, частинки (їх було дуже багато!) Неминуче стикалися одина з одною. При цьому вони обмінювалися енергією і моментом кількості руху. В результаті зіткнення і злипання частинок у вакуумі «усереднювалися» параметри їх орбіт. Але до злипнувшихся часток приєднувалися нові: як сніжний ком, що котиться з гори, росли первинні зародки планет. І чим більшим ставало тіло, тим більше круговою (через «усереднення») була його орбіта. «Усереднювались» і нахили орбіт, що врешті-решт призвело до «поплотнішання» первинної хмари, до утворення планет, орбіти яких лежать майже в одній площині (рис. 5).
Рис. 5. Винекнення планет за гіпотезою О. Ю. Шмідта
У близьких до Сонця областях протопланетної хмари його частинки сильно нагрівалися і їх леткі компоненти (затверділі легкі гази) випаровувалися, або, точніше, переганяється. Тому поблизу Сонця утворилися, невеликі тіла з тугоплавких важких елементів — Меркурій, Венера, Земля, Марс — планети земного типу. Навпаки, в далеких холодних частинах протопланетного хмари легкі елементи (спочатку в твердому, «замороженому» стані) збереглися, і тому там утворилися планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун, в основному складаються з водню і його сполук. На краю протопланетної хмари, де воно сходило нанівець і речовини було мало, сконденсувалась невелика планета Плутон, О. Ю. Шмідту і його послідовникам вдалося пояснити і ряд інших закономірностей Сонячної системи, зокрема емпіричний закон планетних відстаней, що зв’язує радіус орбіти планети з її номером , відлічуваним в порядку віддалення від Сонця. Як і в багатьох інших космогонічних гіпотезах, в гіпотезі О. Ю. Шмідта виникнення систем супутників представляється як процес, аналогічний виникненню планет. Говорячи ясніше, і супутники з’явилися як згущення в навколопланетних частинах первинної туманності.
Гіпотеза О. Ю. Шмідта не пояснила, однак, аномальний розподіл моменту кількості руху в Сонячній системі (98% на планети і всього 2% на Сонці). О. Ю. Шмідт вважав, що протоплану хмару було захоплено Сонцем при його зверненні навколо ядра Галактики. Дійсно, в міжзоряному просторі ми бачимо безліч газопилових хмар. Може бути, пролетівши крізь одну з них, Сонце захопило його «по дорозі» з собою? Розрахунки, проте, показали, що ймовірність такого захоплення дуже мала, і ні О. Ю. Шмідту, ні його прихильникам не вдалося знайти докази того, що в даному випадку сталося саме захоплення. В даний час прихильники гіпотези О. Ю. Шмідта схильні вважати, що газопилова протопланетна хмара швидше за все відокремилося від стискального і поступово все швидше і швидше обертаючогся протосонця.
Цікавими космогонічні ідеї, висунуті в 1960 р англійською астрофізиком Ф. Хойлем. Уявімо собі протосонце, що швидко обертається навколо осі, в ту далеку епоху ще зовсім молода, зірка. Якщо вона з якихось причин поступово стискалася, то її швидкість обертання безперервно зростала.Зрештою настала епоха так званої ротаційної нестійкості, коли під дією відцентрових сил з екватора протосонця (його радіус був тоді, на думку Ф. Хойла, дорівнював радіусу орбіти Меркурія) почалося витікання речовини, яка утворила протопланетну хмару, що мала форму сплющенного диска.
Припустимо, що протосонце володіло сильним магнітним полем, а речовина протопланетної хмари хоча б частково містила іонізований газ. У такому випадку в цьому газі виникає власне магнітне поле, що взаємодіє з магнітним полем протосонця. В результаті між диском і центральним згущенням (майбутнім Сонцем) встановлюється сильне магнітне «зчеплення», внаслідок якого речовина диска віддаляється від центру, поширюючись на всю Сонячну систему, а протосонце, втрачаючи момент кількості руху, продовжує стискатися далі і врешті-решт перетворюється на сучасне , повільно обертове Сонце.
Значить, по Ф. Хойлу, магнітне гальмування обертового протосонця навколишньою туманністю призведе до переходу моменту кількості руху від протосонця до хмари, а отже, і до згустившихся з нього планет. Ця дотепна схема, яка пояснює розподіл моменту кількості руху між Сонцем і планетами, сама, однак, потребує подальшого обгрунтування.
Розрахунки показують, що у гарячих зірок атмосфера охоплена інтенсивною конвекцією і при цьому магнітне поле розташовується майже цілком усередині зірки. Значить, якщо протосонце було гарячим, то «намагнітити» протопланетну хмару воно не могло. В іншому випадку протопланетна хмара «розкручується» магнітним полем зірки настільки швидко, що протопланетний диск просто не встигає сформуватися і прийняти на себе істотну частку моменту кількості руху. Ці та інші недоліки гіпотези Ф. Хойл змусили дослідників шукати інші схеми еволюції протопланетної хмари.
З гіпотез, висунутих останнім часом, найбільш правдоподібною вважається гіпотеза Е. Шацмана.Вона найбільш близька до старої гіпотези Лапласа, хоча на відміну від останнього Е. Шацман використовує у своїй гіпотезі не тільки механічні, але й електромагнітні сили.
На думку Е. Шацмана, протопланетна туманність з самого початку перебувала в стані конвективно-турбулентного перемішування. Вона стискалася відносно повільно і витікання речовини з екватора обертання туманності в протопланетний диск відбувалося поступово, починаючи з відстаней, відповідних орбіті Плутона, до сучасної орбіти Меркурія. Центральне згущення туманності (протосонця) на останній стадії стиснення володіло високою активністю. Воно викидало в простір безліч заряджених частинок, які переміщувалися уздовж силових ліній магнітного поля протосонця і рухалися з його кутовою швидкістю до великих відстаней, тим самим сповільнюючи його обертання.Завдяки цьому «магнітному» гальмуванню зрештою протосонце передало момент кількості руху протопланетній хмарі, а через нього планетам. Зауважимо, що в гіпотезі Е. Шацмана маса протопланетного диска лише на 10% перевищувала сучасну масу Сонця, що, на думку В. С. Сафронова, полегшує подальше теоретичне обгрунтування цієї гіпотези.
Труднощі, що виникли при поясненні походження й еволюції протопланетної хмари, змушують деяких дослідників шукати вирішення проблеми утворення планет в іншому напрямку.
Може бути, формування планетної системи йшло подібно утворенню галактик і зірок по В. А. Амбарцумяну, т. Е. З якихось надщільних тіл? Чи не виникла Земля і планети в результаті якихось катастрофічних вибухів, викликаних розпадом дозоряної речовини? Подібні ідеї захищав відомий радянський дослідник комет С. К. Всехсвятский. «Мається багато підстав вважати первинні планети (протопланети), — пише він, — тілами зоряної природи … Сонце могло бути компонентом подвійної системи, збереженим після того, як другий компонент розділився на більш дрібні частини внаслідок вибуху …».
Дійсно, планети-гіганти і Сонце близькі за хімічним складом. У планет земного типу легкі елементи могли зникнути в процесі еволюції. Відомі зірки в подвійних системах, за масою близькі до великих планет. Значить, гіпотетичний супутник протосонця по масі міг бути близький до сумарної маси всіх планет. Вибух цього супутника (і тут гіпотеза С. К. Всесвятського змикається з ідеями В. А. Амбарцумяна), ймовірно, відбувся за рахунок вибухового перетворення, що перебував усередині нього дозоряної речовини. «Осколки» супутника були малі і тому вони швидко охололи, в результаті чого виникли складні молекулярні сполуки і тверді оболонки майбутніх планет. «Подальший процес, — пише С. К. Всехсвятский, — повинен був мати характер окремих підйомів активності, коли накопичувані під корою гази проривали її. З плином часу оболонка метаморфізувала, ускладнювалася, що призводило до все більш тривалого проміжку активності і, отже, накопичення більшої енергії руйнувань … ».
І сьогодні, як показав С. К. Всехсвятский у багатьох своїх роботах, в Сонячній системі спостерігаються еруптивні, вибухові процеси — на його думку, прояв залишків «зіркової» енергії у нині затверділих планетних тіл. Звичайно, схема утворення Землі, запропонована С. К. Всехсвятським, лише перша і поки що мало чим обгрунтована спроба пов’язати ідеї В. А. Амбарцумяна про еволюцію зірок і галактик із сучасною планетною космогонією. Слід підкреслити, що гіпотеза О. Ю. Шмідта цінна, зокрема, тим, що вона краще, ніж будь-які інші гіпотези, узгоджується з фактами.
По одному з варіантів еволюції Сонячної системи, розрахованому учнем О. Ю. Шмідта В. С. Сафроновим, в протопланетній хмарі вже в первинну епоху її існування відбулося розділення пилу і газу, причому пил поступово осідав до центральної площини планетної системи. Одночасно росли розміри пилинок приблизно до 1 см у поперечнику. Отже, в екваторіальній площині Сонця скупчився щільний шар пилу. При досить високій «критичній» щільності цей шар розпався на кільця, з кілець виникли згущення — планетезимали. На відстані земної орбіти їх поперечники в середньому досягали декількох десятків кілометрів, у зоні майбутніх планет-гігантів вони були набагато більше (сотні тисяч кілометрів у діаметрі).
Планетезімалі ущільнювалися, великі з них росли за рахунок дрібних і зрештою за десятки тисяч років перетворилися на тверді тіла. Зростання планет до сучасних розмірів тривало набагато довше (для Землі близько 100 млн. Років). Можливо, що із зони планет-гігантів багато твердої речовини було викинуто на периферію Сонячної системи. Інші планетезимали ще дуже довго падали на поверхні формуючихся планет. Їх падіння на Землю приводило поступово до розігріву земних надр.
Все ж багато в народженні Землі залишається поки неясним. Але як би не виникла Земля, роль Сонця в її народженні і подальшої еволюції була величезною. Його поле тяжіння (і магнітне поле), його різні випромінювання визначають всю історію Землі.
Стан планети Земля після її народження
Первозданна Земля мало була схожа на сучасну. Однак протягом всієї довгої історії нашої планети важкі хімічні елементи були і залишаються її основою. Ця риса різко відрізняє Землю (та інші планети) від решти космосу. Там безроздільно панують водень і гелій. Ми живемо в воднево-гелієвої світі з незначною домішкою більш важких елементів. Але в цю «домішку» входять всі планетні системи і їх мешканці, а тому для нас вона — аж ніяк не другорядна деталь Всесвіту.
Звідки взявся матеріал, з якого творяться планети і життя? Яке походження хімічних елементів? Первинний синтез важких елементів відбувався на самих ранніх стадіях еволюції Всесвіту. Але і зараз в космосі йдуть творчі процеси, речовина ускладнюється, і схоже на те, що це «ускладнення» тільки починається.
Синтез важких елементів насамперед відбувається в надрах зірок і Сонця при тиску 10 млн. МПа і стиску речовини в його надрах до щільності 100 г / см 3, які і нагріли Сонце до температури 14 млн. Градусів — така обстановка в Центральних областях Сонця. Тут, в безладній штовханині протонів та інших часток, здавалося б, все хаотично. Насправді в центральних областях Сонця йде односторонній спрямований процес — з протонів в ході так званого протон-протонного термоядерного циклу творяться альфа-частинки — ядра атомів гелію.
Характерно, що перетворення водню в гелій, або, інакше кажучи, синтез гелію, супроводжується ще одним вкрай важливим для нас процесом — перетворенням сонячної речовини у випромінювання. Щодоби Сонце зменшується в масі на 4 млн. Тонн. Такою кількістю речовини можна було б навантажити чотири тисячі поїздів по п’ятдесят вагонів кожний. І все це речовина переходить в світло, у випромінювання, за рахунок якого і існуємо ми з Вами. Значить, якщо зірка, за масою і будовою схожа на Сонце, спочатку складалася лише з чистого водню, через деякий час її склад неминуче «ускладниться», так як усередині неї утворюються атоми гелію.
На цьому творчий процес не закінчиться. Як вже говорилося, в ході подальших ядерних реакцій, що виражаються головним чином у захопленнях атомними ядрами нейтронів, утворюються атоми вуглецю, кисню, неону та інших елементів. Якщо зірка масивна і в її центрі температура набагато вище, ніж в надрах Сонця, то в зірці можуть синтезуватися атоми заліза та інших аналогічних елементів. Нарешті, при спалахах наднових зірок, коли температури і щільності в зіщуленої після вибуху зірці досягнуть важко представляємих значень, можливий синтез практично всіх хімічних елементів до найважчих включно.
На думку Б. Фаулера та інших дослідників, синтез важких елементів міг відбуватися в допланетній речовині при її опроміненні потоком частинок високої енергії, які випускаються і формуються магнітоактивним Сонцем. У роботах Р. Бернас та інших вчених передбачається, що літій, берилій і бор утворилися в зовнішніх шарах протосонця на останній стадії його стиснення.
Таким чином, у сучасному космосі не все руйнується. Навпаки, в надрах незліченних зірок йдуть творчі процеси, повільно, але неухильно ускладнюють світ. До моменту народження Землі в космосі, або, точніше, в околицях Сонця, було достатньо «будівельного матеріалу», з якого сформувалася наша планета. Словом, є кілька гіпотез, що пояснюють, звідки взявся «важкий» матеріал Землі.Набагато важче уявити собі в деталях перші кроки її еволюції. Доведеться запропонувати читачеві два варіанти формування первинної Землі, що зводяться, втім, до одного результату.
За гіпотезою О. Ю. Шмідта, «народившись» у вигляді невеликого згустку частинок протопланетної хмари, Земля приблизно через 100 млн. Років досягла 98% її сучасної маси (решта 2% були набрані за наступні 100 млн. Років).Головним джерелом розігріву первинно холодної Землі О. Ю. Шмідт вважав радіоактивний розпад складових її речовин. Тут космогонічна гіпотеза О. Ю. Шмідта перегукується з давніми висловлюваннями В. І. Вернадського, який писав, що атомна радіоактивна теплота, а не залишкова теплота остигаючої планети, як це думали ще зовсім недавно, є основним джерелом тієї теплоти, яка пояснює всі геологічні процеси, що йдуть на Землі.
У кожному грамі земної речовини радіоактивного тепла виділяється дуже мало (приблизно одна двадцятимільйонна частка калорії на рік). Але за мільярди років його, на думку О. Ю. Шмідта, накопичилося так багато, що температура надр Землі могла піднятися майже до 3000 ° С. Є місцеві осередки розплавлених порід і в земній корі. З них і вивергається вогненно-рідка лава. Подальший розвиток гіпотези О. Ю. Шмідта призвів, однак, до висновку (роботи В. С. Сафронова та ін.), Що роль радіоактивності в розігріві первинної Землі була незначною: радіоактивне тепло за час формування нашої планети могло розігріти її центральні області не більше ніж до 200 ° С. Ось чому в даний час вважається, що основним джерелом нагрівання зростаючої Землі були удари, що формували її з частинок і тіл. Серед цих тіл (планетезималей) були дуже великі (до 1000 км у поперечнику). Їх удари не тільки нагрівали Землю, але створювали кратери і інтенсивно перемішували земну речовину. За попередніми розрахунками, на глибині 300-500 км температура досягла 1500 ° С, а середня температура Землі була близька до 1000 ° С. Розігрів Землі призводив до того, що більш важкі речовини опускалися вниз, а більш легкі піднімалися нагору. Через велику в’язкості твердого речовини над розплавленої областю і під нею рухатися крізь цю речовину могли лише великі включення з поперечником у кілька десятків кілометрів. Цей процес гравітаційної диференціації привів поступово до розшарування Землі, до утворення її щільного ядра і менш щільних оточуючих ядро ??оболонок.
Яким же чином гіпотеза О. Ю. Шмідта пояснює походження атмосфери та гідросфери Землі? У первинному протопланетном хмарі (принаймні в більшій його частині) температура була така низька, що водяні пари, вуглекислота, метан, аміак та інші леткі речовини «наморожують» на твердих частках хмари. Разом з ними вони увійшли і до складу зароджується Землі. Коли ж під дією ударів і радіоактивного розпаду Земля розігрілася, затверділі гази повернулися в газоподібний стан.Вирвавшись на поверхню Землі, водяні пари згустилися у води морів і океанів, частково увійшли до складу атмосфери Землі. Але в цій первинній атмосфері в основному панували порівняно важкі гази — вуглекислота, метан, аміак. Земна атмосфера поповнюється і зараз: при вулканічних виверженнях викидаються вуглекислий газ і водяні пари. В інших випадках в різних місцях Землі з її надр виділяються метан та інші гарячі гази.
В «гарячому» варіанті народження Землі наша планета спочатку була Звездоподобние тілом, «осколком» вибухнула зірки — супутника Сонця. Подальший хід подій можна уявити собі так. Гаряче хмара газу, поступово випромінюючи зі своєї поверхні тепло, остигало. Приблизно за кілька десятків тисяч років газоподібна Протоземля перетворилася на гаряче вогненно-рідкий тіло. У цьому тілі під дією гравітації важкі речовини опустилися до центру, а легкі, навпаки, спливли до поверхні. Маса Землі була недостатньо велика, щоб утримати найбільш легкі гази, а тому вже на перших етапах еволюції Землі водень і гелій були нею безповоротно втрачені. Первинна атмосфера могла складатися лише з порівняно важких летких речовин, наприклад, вуглекислого газу.
Швидко «розшарується», Земля продовжувала остигати і з часом покрилася твердої корою.Усередині ж планета цілком або частково залишилася вогненно-рідкої, в чому легко переконатися, спостерігаючи лавові потоки, що минає з надр Землі при сучасних вулканічних виверженнях. І донині тривають деяка «утруска» Землі і часткові переміщення її поверхневих шарів, — звідси землетруси та інші тектонічні явища. Подальша термічна історія Землі виражалася в поступовому охолодженні всієї планети — від поверхні і до центру.
Ця груба схема еволюції Землі в довоєнні роки здавалася настільки очевидною, що всякі ідеї про первинний холодному стані Землі відкидалися з порога як дивацькі. Сьогодні «гарячі» космогонічні гіпотези оцінюються інакше. Багато що в них представляється неясним. Насамперед неясно, як саме відокремилося гаряче газова хмара від Сонця або від вибухнула його зірки-супутника. Поки що є лише загальні якісні міркування, не підкріплені кількісними розрахунками. Зате є розрахунки, які показують, що газова хмара масою, приблизно рівною масі Землі, швидше повинно було розсіятися в просторі, ніж згуститися в рідку планету. Є й інші серйозні заперечення проти «гарячого» народження Землі.Свого часу вони були сформульовані ще О. Ю. Шмідтом.
«Гарячий» варіант народження Землі добре пояснює високу температуру її центральних областей (охолодження первинної вогненно-рідкої Землі йшло з поверхні). Але зате незрозуміло, чому досі триває диференціація, «утруска» речовини Землі: адже у вогненно-рідкій масі вже давним-давно важкі речовини опустилися б до центру, а найбільш легкі сконцентрувалися б у поверхні.
Таким чином, проблема походження Землі поки не може вважатися остаточно вирішеною. Однак для нас зараз, мабуть, найбільш важливо інше. І «гаряча» і «холодна» схеми догеологічного розвитку Землі приводять до висновку про неминуче розшаруванні земної кулі. Саме така, розшарована на геосфери, і постає Земля перед сучасним геологом.