Образование солнечной системы и Земли

ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ
Солнечная система располагается на периферии спиралевидной Галактики,
представляющую собой скопление близко расположенных звезд, именуемую Млечным
путем.
Происхождение звезд и их планетных систем нельзя объяснить без решения
проблемы вещества, из которого они формировались. По современным представлениям
звезды и планеты возникают из газопылевого облака. Этот газ и пыль возникают в
результате взрывов прошедших свой эволюционный путь крупных звезд, называемых
«сверхновыми». Считается, что за всю историю Вселенной сменилось множество
поколений звезд, вещество которых рассеялось по межзвездному пространству. И каждая
новая генерация звезд использовала для своего формирования вещество предыдущих
звезд.
Основываясь на нахождениях в метеоритах следов распада ряда короткоживущих
изотопов таких элементов, как плутоний (244 Pl), иридий (129 Jr ) и алюминий (26Al) сделано
заключение, что незадолго до возникновения солнечной системы произошли взрывы двух
«сверхновых» звезд, из которых последний взрыв явился стимулятором формирования из
межзвездного облака Солнца и его планет.
Основные положения возникновения Солнечной системы разработаны в начале 40х г.г. прошлого столетия академиком О.Ю.Шмидтом.
Все планеты Солнечной системы образовались в результате слипания и
дальнейшего роста (аккреций) входящих в состав газопылевого протопланетного облака
твердых частиц, находящихся в холодном дисперсном состоянии и содержащих, среди
прочих, летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, углерод, метан и т.д.
Первоначальной плотности межзвездных облаков обычно не хватает для
самопроизвольного образования звезд и планет. В качестве начальных импульсов
выступают ударные волны в межзвездной среде, возникающие в результате взрывов
«сверхновых» звезд. Пересечение такими волнами газопылевого облака сопровождается
повышением давления и плотности вещества на их фронтах, что ведет к появлению
сгустков, способных в дальнейшем к сжатию за счет самогравитации. Таким образом,
взрывы «сверхновых» звезд являются не только источником нового вещества во
Вселенной, но и служат механизмом, который запускает процесс формирования новых
звезд и планетных систем.
По-видимому, именно такая ситуация привела к началу формирования нашей
Солнечной системы около 4,7 млрд. лет назад. Этому предшествовал выброс вещества из
ядра Галактики, начавшийся более 5 млрд. лет. Протосолнечное газопылевое облако
получило импульс начального сжатия и вращения, а затем, пополнившись новым
веществом, стало необратимо сжиматься уже под действием собственных гравитационных
полей. Сжатие облака привело к повышению в его центральной части температуры и
давления, и, как следствие этого, к постепенному формированию гигантского газового
сгустка Протосолнца. Сжатие протосолнечного облака сопровождалось стягиванием под
действием центробежных сил периферийных участков к экваториальной плоскости
облака, что привело к превращению его в плоский диск. Возрастание плотности вещества
этого облака увеличивало частоту столкновения входящих в него частиц и их слипание.
Итогом такого взаимодействия явилось появления первых, еще небольших (несколько см
и первых метров) зародышевых тел будущих планет (планетезималей). Последующее
уплотнение роя планетезималей приводило к усилению темпов роста этих тел и
медленного увеличения их размеров (до нескольких десятков и сотен км в поперечнике).
Рост крупных планетезималей шел быстрее мелких за счет проявления их собственных
гравитационных полей. Итогом такого процесса явилось превращение одной из этих
планетезималей в зародыш нашей планеты.
Процесс формирования Солнца шел быстрее, чем формирование планет и
продолжался несколько млн. или первые десятки млн.лет.
Предполагается, что на раннем этаже существования Солнца, для последнего было
присуще быстрое вращение, наличие вокруг него сильных магнитных полей, а также
излучение звездного ветра высокой интенсивности. Эти особенности оказывали влияние
на условия образования планет. Прежде всего сильным высоко энергетическим потоком
заряженных частиц (солнечным ветром) из околосолнечного пространства были удалены
на периферию газопылевого облака его газовые и летучие компоненты. Под действием
магнитных полей Солнца происходит заметная сепарация вещества облака. И, наконец, на
ранней стадии сжатия протопланетного диска происходило разогревание центральных
областей диска, что существенно сказывалось на химической дифференциации вещества
протопланетного облака. В результате действия описанного механизма в центральной
области диска концентрировались преимущественно тугоплавкие и тяжелые элементы и
их соединения: Fe, Ni, Al2O3, CaO, MgO, Ti2O3, SiO2, Cr2O3, FeO и др., а легкоплавкие
соединения и легкие элементы оттеснялись световым давлением к периферии Солнечной
системы.
Т.о., еще до планетообразования первоначальное протопланетное газопылевое
облако было дифференцировано по составу входящих в него компонентов. В будущем это
предопределило зависимость их средней плотности от расстояния до Солнца (Меркурий 5.44, Венера -5.24, Земля – 5.52, Марс -3.94, Юпитер – 1.33, Сатурн – 0.7, Уран -1.3,
Нептун – 1.67 г/см3). С этим же явлением связан факт наличия у внешних планет
массивных газовых оболочек, а у спутников этих планет – мощных покровов льда, серы и
других замерзших легкоплавких соединений.
Рис. 1. Формирование солнечной системы по гипотезе О.Ю.Шмидта
Время формирования Земли до уровня 99% ее современной массы составило
примерно 100 млн.лет. Рост Земли первоначально шел в ускоряющемся режиме аккреции,
а затем, по мере исчерпания запасов твердого материала в околоземном пространстве,
замедлился.
Земля в процессе своего роста существенно разогревалась за счет энергии,
выделяемой при ударах падавших на ее поверхность планетезимелей. Однако температура
в недрах планеты оставалась ниже температуры плавления недифференцированного
первичного земного вещества, т.к. большая часть энергии аккреции излучалась Землей в
окружающее пространство.
Следующий этап в развитии Земли наступил с расслоения земного вещества и
выделения большого количества тепла за счет радиоактивного распада ряда химических
элементов и гравитационной дифференциации. Суть этого процесса заключается в том,
что вещества, обладающие большой плотностью и массой, опускаются на глубину, а более
легкие поднимаются к поверхности. Это привело к разделению земных недр на ядро и
мантию, и завершило первую, догеологическую или астрономическую стадию развития
Земли. С этого времени начинается длительная стадия ее уже геологического развития.
РАДИУС ЗЕМЛИ (ТЫС.КМ)
Рис. 2. Схема внутреннего строения Земли (стрелками показано направление
крупномасштабных вероятных перемещений вещества в толще планеты и
на ее поверхности) (Сивер Р.Динамичная Земля. // В мире науки. – 1983. - № 11).
Внутренние зоны Земли
Слой
Кора
Мантия
Внешнее
ядро
Внутреннее ядро
Толща
(мощность)
км
Зона:глубина
раздела, км
Объем,
%
5-33
2969
Зона А (0-33)
Зона В (33-413)
Зона С (413-984)
Зона Д’ (494-2700)
Зона Д” (2700-2998)
Зона Е (2900-4980)
Зона F (4980-5120)
Зона G (5120-6371)
1.5
2122
1251
82.3
15.4
0.8
Скорость
сейсмических
волн (км/с)
РSволны волны
5.8-7.6 3.2-3.4
7.9-8.2 4.3-4.6
13.6
7.3
8.1
10.4
11.1
-
Вычислен.
Плотность
г/см3
2.8
3.3-3.6
3.6-4.5
4.55-5.11
9.98-11.17
12.7-12.25
12.25-12.51
Зона А-кора. Зона В- подкоровая зона, характеризующаяся пониженными скоростями
волн за счет близости температуры недр в этом слое к температурам плавления. Зона С –
переходный слой с аномально быстрым возрастанием скоростей сейсмических волн из-за
фазовых переходов минералов в более плотные и белее жесткие. Зона Д- однородный
слой, который разделяется на зону Д’ нормального возрастания скоростей за счет давления
вышележащих пород, и узкую зону Д” на границе с ядром с постоянными скоростями
сейсмических волн. Зона Е –жидкого внешнего ядра. Зона F – переходная зона ядра со
сложными изменениями скоростей волн. Зона G – зона твердого внутреннего ядра Земли.