Теория шмидта о происхождении земли


Существующие методы исследования позволили установить, что примерный возраст нашей планеты составляет 4,5 млрд лет, но о том, как появилась Земля и какие процессы поспособствовали ее формированию, есть лишь теории и гипотезы. Осталось немного геологических свидетельств данных процессов, а современные наблюдения за особенностями формирования планет в других галактиках охватывают слишком короткий период.

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

Мифология древних

Человек – существо пытливое. Издревле люди отличались от животных не только желанием выжить в суровом диком мире, но и попыткой понять его. Признавая тотальное превосходство сил природы над собой, люди стали обожествлять происходящие процессы. Чаще всего именно небожителям приписывается заслуга сотворения мира.

Мифы о происхождении Земли в разных уголках планеты значительно отличались друг от друга. По представлениям древних египтян, она вылупилась из священного яйца, слепленного богом Хнумом из обычной глины. Согласно верованиям островных народов, землю выудили боги из океана.

Теория хаоса

Ближе всех к научной теории подошли древние греки. По их понятиям, рождение Земли произошло из первородного Хаоса, наполненного смесью из воды, земли, огня и воздуха. Это стыкуется с научными постулатами теории происхождения Земли. Гремучая смесь элементов хаотично вращалась, заполняя все сущее. Но в какой-то момент из недр первородного Хаоса родилась Земля – богиня Гея, и ее вечный спутник, Небо, – бог Уран. Совместными усилиями они наполнили безжизненные просторы разнообразием жизни.


Похожий миф сформировался и в Китае. Хаос Хунь-тунь, наполненный пятью элементами – деревом, металлом, землей, огнем и водой – кружил в форме яйца по безграничной Вселенной, пока в нем не зародился бог Пань-Гу. Пробудившись, он обнаружил вокруг себя лишь безжизненную тьму. И этот факт его сильно опечалил. Собравшись с силами, божество Пань-Гу разломило скорлупу яйца-хаоса, высвободив два начала: Инь и Ян. Тяжелый Инь опустился вниз, сформировав землю, светлый и легкий Ян взмыл ввысь, образовав небо.

Классовая теория формирования Земли

Происхождение планет, и в частности Земли, современными учеными достаточно изучено. Но есть ряд принципиальных вопросов (например, откуда взялась вода), вызывающих жаркие споры. Поэтому наука о Вселенной развивается, каждое новое открытие становится кирпичиком в фундаменте гипотезы происхождения Земли.

Знаменитый советский ученый Отто Юльевич Шмидт, больше известный по полярным исследованиям, сгруппировал все предложенные гипотезы и объединил их в три класса. К первому относятся теории, исходящие из постулата об образовании Солнца, планет, лун и комет из единого материала (туманности). Это известные гипотезы Войткевича, Лапласа, Канта, Фесенкова, недавно переработанные Рудником, Соботовичем и другими учеными.


Второй класс объединяет представления, согласно которым планеты формировались непосредственно из вещества Солнца. Это гипотезы происхождения Земли ученых Джинса, Джеффриса, Мультона и Чемберлина, Бюффона и других.

И, наконец, к третьему классу относятся теории, не объединяющие Солнце и планеты общностью происхождения. Наиболее известна гипотеза Шмидта. Остановимся на характеристике каждого класса.

Гипотеза Канта

В 1755 году немецкий философ Кант происхождение Земли кратко описал следующим образом: первоначальная Вселенная состояла из неподвижных пылевидных частиц различной плотности. Силы гравитации привели их движение. Происходило налипание их друг на друга (эффект аккреции), в конечном итоге приведшее к образованию центрального раскаленного сгустка — Солнца. Дальнейшие столкновения частиц привели к вращению Солнца, а вместе с ним и пылевого облака.

В последнем постепенно образовывались отдельные сгустки вещества – зародыши будущих планет, вокруг которых по подобной схеме сформировались спутники. Образованная таким путем Земля в начале своего существования представлялась холодной.

Концепция Лапласа

Французский астроном и математик П. Лаплас предложил несколько отличный вариант, объясняющий происхождение планеты Земля и других планет. Солнечная система, по его мнению, образовалась из раскаленной газовой туманности со сгустком частиц в центре. Она вращалась и сжималась под действием всемирного тяготения. При дальнейшем охлаждении скорость вращения туманности росла, по периферии от нее отслаивались кольца, которые распадались на прообразы будущих планет. Последние на начальной стадии представляли собой раскаленные газовые шары, которые постепенно охлаждались и затвердевали.

Недостаток гипотез Канта и Лапласа


Гипотезы Канта и Лапласа, объясняющие происхождение планеты Земля, были господствующими в космогонии вплоть до начала ХХ века. И сыграли прогрессивную роль, служа основой естественным наукам, в особенности геологии. Главным недостатком гипотезы является неспособность объяснить распределение внутри Солнечной системы момента количества движения (МКР).

МКР определяется как произведение массы тела на расстояние от центра системы и скорость его вращения. Действительно, исходя из факта, что Солнце обладает более чем 90% всей массы системы, оно должно иметь и высокий МКР. На самом же деле Солнце имеет лишь 2% общего МКР, планеты же, особенно гиганты, наделены остальными 98%.

Теория Фесенкова

Указанное противоречие в 1960 попытался объяснить советский ученый Фесенков. Согласно его версии происхождения Земли, Солнце с планетами образовались в результате уплотнения гигантской туманности – «глобулы». Туманность обладала очень разреженной материей, составленной в основном из водорода, гелия и небольшого количества тяжелых элементов. Под действием силы гравитации в центральной части глобулы возникло звездообразное сгущение – Солнце. Оно быстро вращалось. В результате эволюции солнечного вещества в окружающую его газово-пылевую среду время от времени осуществлялись выбросы материи. Это приводило к потере Солнцем своей массы и передаче создаваемым планетам значительной части МКР. Формирование планет проходило путем аккреции вещества туманности.

Теории Мультона и Чемберлина

Американские исследователи астроном Мультон и геолог Чемберлин предложили схожие гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы, согласно которым планеты образовались из вещества газовых веток спиралей, «вытянутых» из Солнца неизвестной звездой, которая прошла на достаточно близком расстоянии от него.

Учеными было введено в космогонию понятие «планетезималь» – это сгустки, сконденсированные из газов первоначального вещества, которые стали эмбрионами планет и астероидов.

Суждения Джинса

Английский астроном и физик Д. Джинс (1919) предположил, что при сближении с Солнцем другой звезды с последней оторвался сигарообразный выступ, который в дальнейшем распался на отдельные сгустки. Причем из средней утолщенной части «сигары» образовались крупные планеты, а по ее краям – мелкие.

Гипотеза Шмидта

В вопросах теории происхождения Земли оригинальную точку зрения в 1944 году высказал Шмидт. Это так называемая метеоритная гипотеза, впоследствии физико-математически обоснованная учениками известного ученого. Кстати, в гипотезе проблема образования Солнца не рассматривается.

Согласно теории, Солнце на одной из стадий своего развития захватило (притянуло к себе) холодное газово-пылевое метеоритное облако. До этого оно владело очень малым МКР, облако же вращалось со значительной скоростью. В сильном гравитационном поле Солнца началась дифференциация метеоритного облака по массе, плотности и размерам. Часть метеоритного материала попала на светило, другая, в результате процессов аккреции, образовывала сгустки-зародыши планет и их спутников.

В этой гипотезе происхождение и развитие Земли зависимо от воздействия «солнечного ветра» – давления солнечного излучения, которое отталкивало легкие газовые компоненты на периферию Солнечной системы. Образованная таким образом Земля была холодным телом. Дальнейший разогрев связывается с радиогенным теплом, гравитационной дифференциацией и другими источниками внутренней энергии планеты. Большим недостатком гипотезы исследователи считают очень низкую вероятность захвата Солнцем подобного метеоритного облака.

Предположения Рудника и Соботовича

История происхождения Земли до сих пор волнует ученых. Относительно недавно (в 1984 году) В. Рудник и Е. Соботович представили собственную версию происхождения планет и Солнца. Согласно их представлениям, инициатором процессов в газово-пылевой туманности мог послужить близкий взрыв сверхновой звезды. Дальнейшие события, по мнению исследователей, выглядели так:

  1. Под действием взрыва началось сжатие туманности и образование центрального сгустка — Солнца.
  2. От формирующегося Солнца МРК передавался планетам электромагнитным или турбулентно-конвективным путем.
  3. Стали образовываться гигантские кольца, напоминающие кольца Сатурна.
  4. В результате аккреции материала колец сначала появились планетезимали, впоследствии сформировавшиеся в современные планеты.

Вся эволюция проходила очень быстро – на протяжении около 600 млн лет.

Формирование состава Земли

Существует разное понимание последовательности формирования внутренних частей нашей планеты. Согласно одной из них, протоземля представляла собой неотсортированный конгломерат железо-силикатного вещества. В дальнейшем в результате гравитации произошло разделение на железное ядро и силикатную мантию – явление гомогенной аккреции. Сторонники гетерогенной аккреции считают, что сначала аккумулировалось тугоплавковое железное ядро, затем на него налипали более легкоплавкие силикатные частицы.

В зависимости от решения этого вопроса речь может идти и о степени первоначального разогрева Земли. Действительно, сразу же после своего образования планета начала разогреваться вследствие совместных действий нескольких факторов:

  • Бомбардировка ее поверхности планетезималями, что сопровождалось выделением тепла.
  • Распад радиоактивных изотопов, в том числе короткоживущих изотопов алюминия, йода, плутония и др.
  • Гравитационная дифференциация недр (если принять гомогенную аккрецию).

По мнению ряда исследователей, на этой ранней стадии формирования планеты внешние части могли находиться в состоянии, близком к расплаву. На фото планета Земля выглядела бы раскаленным шаром.

Контракционная теория образования материков

Одной из первых гипотез происхождения материков была контракционная, по которой горообразование связывалось с остыванием Земли и сокращением ее радиуса. Именно она служила фундаментом ранних геологических исследований. На ее основании австрийский геолог Е. Зюсс синтезировал все существующие на то время знания о структуре земной коры в монографии «Лик Земли». Но уже в конце XIX в. появились данные, свидетельствующие, что в одной части земной коры происходит сжатие, в другой – растяжение. Окончательно рухнула контракционная теория после открытия радиоактивности и наличия в коре Земли больших запасов радиоактивных элементов.

Дрейф материков

В начале ХХ в. зарождается гипотеза дрейфа материков. Ученые давно заметили сходство береговых линий Южной Америки и Африки, Африки и Аравийского полуострова, Африки и Индостана и др. Первым сопоставил данные Пиллигрини (1858 г.), позднее Биханов. Сама идея дрейфа материков была сформулирована американскими геологами Тейлором и Бейкером (1910) и немецким метеорологом и геофизиком Вегенером (1912). Последний обосновал эту гипотезу в своей монографии «Происхождение материков и океанов», которая вышла в свет в 1915 году. Аргументы, которые приводились в защиту этой гипотезы:

  • Сходство очертаний материков по обе стороны Атлантики, а также материков, окаймляющих Индийский океан.
  • Сходство строения на смежных материках геологических разрезов позднепалеозойских и раннемезозойских пород.
  • Окаменелые останки животных и растений, которые свидетельствуют, что древняя флора и фауна южных материков образовывала единую группировку: особенно об этом свидетельствуют окаменевшие останки динозавров рода листрозавров, найденные в Африке, Индии и Антарктиде.
  • Палеоклиматические данные: например, наличие следов позднепалеозойского покровного оледенения.

Формирование земной коры

Происхождение и развитие Земли неразрывно связано с горообразованием. А. Вегенер утверждал, что материки, состоящие из достаточно легких минеральных масс, как бы плавают на подстилающем их тяжелом пластическом веществе базальтового ложа. Предполагается, что вначале тонкий слой гранитного материала якобы покрывал всю Землю. Постепенно целостность его была нарушена приливными силами притяжения Луны и Солнца, воздействующими на поверхность планеты с востока на запад, а также центробежными силами от вращения Земли, воздействующими от полюсов к экватору.

Из гранита (предположительно) состоял единый суперматерик Пангея. Он просуществовал до середины мезозойской эры и распался в юрском периоде. Сторонником этой гипотезы происхождения Земли был ученый Штауб. Затем возникло объединение материков северного полушария – Лавразия, и объединение материков южного полушария – Гондвана. Между ними оказались зажаты породы дна Тихого океана. Под материками залегало море магмы, по которому они двигались. Лавразия и Гондвана ритмично перемещались то к экватору, то к полюсам. При смещении к экватору суперматерики фронтально сжимались, при этом флангами надавливая на тихоокеанскую массу. Эти геологические процессы многие считают основными факторами образования крупных горных массивов. Движение к экватору происходило трижды: во время каледонского, герцинского и альпийского горообразования.

Вывод

На тему формирования Солнечной системы выпущено много научно-популярной литературы, детских книг, специализированных публикаций. Происхождение Земли для детей в доступной форме изложено в школьных учебниках. Но если взять литературу 50-летней давности, видно, что на некоторые проблемы современные ученые смотрят уже по-другому. Космология, геология и смежные науки не стоят на месте. Благодаря покорению околоземного пространства люди уже знают, какой видится на фото планета Земля из космоса. Новое знание формирует новое представление о законах Вселенной.

Очевидно, что для создания из первородного хаоса Земли, планет и Солнца были задействованы могучие силы природы. Неудивительно, что древние предки сопоставляли их со свершениями Богов. Даже образно невозможно представить происхождение Земли, картинки реальности наверняка превзошли бы самые смелые фантазии. Но по крупицам знаний, собираемым учеными, постепенно выстраивается целостная картина окружающего мира.

Источник: FB.ru

Впервые наиболее соответствующую современным взглядам и достижениям науки гипотезу о происхождении нашей планеты предложил известный советский ученый, академик О. Ю. Шмидт и развили его ученики. По этой теории Земля образовалась путем объединения твердых частиц и никогда не проходила через «огненно-жидкую» стадию. Высокая температура земных недр объясняется накоплением тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов, и лишь в малой степени — теплом, выделившимся при ее образовании.

По гипотезе О. Ю. Шмидта рост Земли происходил за счет частиц, выпадавших на ее поверхность. При этом кинетическая энергия частиц переходила в тепловую. Поскольку выделение тепла происходило на поверхности, большая часть его излучалась в пространство, а небольшая доля шла на нагревание поверхностного слоя вещества. Сперва нагревание возрастало, так как увеличение массы, а вместе с тем и притяжение Земли увеличивало силу ударов. Затем по мере того, как вещество исчерпывалось, процесс роста замедлялся, а нагревание стало уменьшаться. По расчетам советского ученого В. С. Сафронова, наибольшую температуру должны были приобрести те слои, которые находятся ныне на глубине около 2500 километров. Их температура могла превышать 1000°. Но центральные и наружные части Земли были вначале холодными.

Разогрев Земли, как полагают академик В. И. Вернадский и его последователи, целиком обусловлен действием радиоактивных элементов. Вещество Земли содержит небольшую примесь радиоактивных элементов: урана, тория, радия. Ядра атомов этих элементов непрерывно распадаются, превращаясь в ядра других химических элементов. Каждый атом урана и тория, распадаясь, сравнительно быстро превращается в целый ряд промежуточных радиоактивных атомов (в частности, в атом радия) и в конце концов в устойчивый атом того или иного изотопа свинца и несколько атомов гелия. При распаде калия образуются кальций и аргон. В результате распада радиоактивных элементов выделяется тепло. Из отдельных частиц это тепло легко ускользало наружу и рассеивалось в пространстве. Но когда образовалась Земля — тело огромных размеров, тепло стало накапливаться в ее недрах. Хотя в каждом грамме земного вещества за единицу времени (например, за год) выделяется очень мало тепла, за миллиарды лет, в течение которых существует наша планета, его накопилось так много, что температура в очагах недр Земли достигла предельно высокого уровня. Согласно расчетам, поверхностные части планеты, из которых тепло и сейчас продолжает медленно ускользать, вероятно, уже прошли через стадию наибольшего разогрева и начали остывать, но в глубоких внутренних частях разогрев, по-видимому, еще продолжается.

Однако нужно заметить, что, по данным вулканологии и петрографии, мы не находим в земной коре пород, которые образовывались бы при более высоких температурах чем 1200°. И на некоторой глубине их температура обычно ниже, ибо наблюдения показывают, что на воздухе при окислении составных частей, например железа, их температура повышается приблизительно на 50°. Глубинные породы содержат примерно такие же минералы, и, следовательно, температура их образования не выше. Более того, ряд других минералов и обломков углей, включенных в глубинных породах, а также включений в минералах говорят о более низкой температуре глубинной магмы, чем у лавы. Этот разогрев недр никак не отражается на поверхности Земли и на условиях жизни на ней, потому что температура поверхности определяется не внутренним теплом, а теплом, получаемым от Солнца. Из-за малой теплопроводности Земли поток тепла, приходящий из ее недр к поверхности, в 5000 раз меньше потока тепла, получаемого от Солнца.

Вещество Солнца также содержит некоторое количество радиоактивных элементов, но выделяемая ими энергия играет ничтожную роль в поддержании его мощного излучения. Во внутренних частях Солнца давление и температура столь высоки, что там непрерывно происходят ядерные реакции —объединение ядер атомов одних химических элементов в более сложные ядра атомов других элементов; при этом выделяется огромное количество энергии, которая и поддерживает в течение многих миллиардов лет излучение Солнца.

С разогреванием Земли, по-видимому, тесно связано происхождение атмосферы и гидросферы. Вода и газы попали на Землю вместе с твердыми частицами и телами, из которых она образовалась. Хотя температура частиц в зоне планет земной группы была слишком высокая для того, чтобы могло происходить замораживание газов, но и в этих условиях газовые молекулы обильно «налипали» на поверхность частиц. Вместе с этими частицами они вошли в состав более крупных тел, а затем и в состав Земли. Кроме того, как отметил О. Ю. Шмидт, в зону планет земной группы могли залетать ледяные тела из зоны планет-гигантов. Не успев прогреться и испариться, они могли падать на Землю, отдавая ей воду и газы.

Нагревание — лучший способ изгнать из твердого тела находящиеся в нем газы. Поэтому разогревание Земли сопровождалось выделением газов и водяных паров, содержащихся в небольшом количестве в земных каменистых веществах. Прорвавшись на поверхность, водяные пары сгустились в воды морей и океанов, а газы образовали атмосферу, состав которой первоначально существенно отличался от современного. Теперешний состав земной атмосферы в значительной мере обусловлен существованием на поверхности Земли растительной и животной жизни.

Выделение газов и водяных паров из недр Земли продолжается и поныне. При вулканических извержениях в атмосферу в большом количестве выбрасываются водяные пары и углекислый газ, а в разных местах Земли из недр ее выделяются горючие газы.

По последним данным науки, Земля состоит из:

  1. ядра, по своим свойствам (плотности) подобного железо-никелевым соединениям, а ближе всего к железо-силикатному веществу или металлизированным силикатам;
  2. мантии, состоящей из вещества, по физическим свойствам приближающегося к горным породам гранатовых перидотитов и эклогитов
  3. земной коры, иначе говоря, пленки горных пород — базальтов и гранитов, а также пород, близких к ним по физическим свойствам.

Большой интерес представляет вопрос о том, как отразилась теория О. Ю. Шмидта на теории происхождения жизни на Земле, разработанной академиком А. И. Опариным. Согласно теории А. И. Опарина, живое вещество возникло путем постепенного усложнения состава из простых органических соединений (таких, как метан, формальдегид), растворенных в воде на поверхности Земли.

При создании своей теории А. И. Опарин исходил из распространенного в то время представления о том, что Земля образовалась из раскаленных газов и, пройдя «огненно-жидкую» стадию, затвердела. Но на стадии раскаленного газового сгустка метан не мог существовать. В поисках путей образования метана А. И. Опарин привлек схему его образования в результате воздействия горячих водяных паров на карбиды (соединения углерода с металлами). Он полагал, что метан с водяным паром поднимался по трещинам на поверхность Земли и таким образом оказался в водном растворе. Необходимо отметить, что только образование метана происходило при высокой температуре, а дальнейший процесс, приведший к возникновению жизни, протекал уже в воде, т.е. при температуре ниже 100°.

Исследования показывают, что метан в смеси с водяными парами присутствует в выбросах газа только при температурах ниже 100°. При высоких температурах на раскаленной лаве в выбросах метан не обнаруживается.

Согласию теории О. Ю. Шмидта, газы и водяные пары в небольшом количестве с самого начала вошли в состав Земли. Поэтому вода могла появиться на поверхности Земли еще на ранних стадиях развития нашей планеты. В ней с самого начала присутствовали в растворе простейшие углеводы и другие соединения. Таким образом, выводы из новой космогонической теории обосновывают наличие у Земли с начала ее существования как раз тех условий, которые нужны для процесса возникновения жизни по теории А. И. Опарина.

Исследования распространения волн землетрясений, проведенные на рубеже XIX и XX веков, показали, что плотность вещества Земли вначале увеличивается плавно, а затем возрастает скачками. Это подтверждало ранее установившееся мнение о том, что в недрах Земли происходит резкое разделение каменистого вещества и железа.

Как теперь установлено, граница плотного ядра Земли расположена на глубине 2900 километров от поверхности. Поперечник ядра превышает одну вторую поперечника нашей планеты, а масса составляет одну треть массы всей Земли.

Несколько лет назад большинство геологов, геофизиков и геохимиков предполагало, что плотное ядро Земли состоит из никелистого железа, подобного тому, которое присутствует в метеоритах. Считалось, что железо успело стечь к центру, пока Земля была огненно-жидкой. Однако еще в 1939 году геолог В. Н. Лодочников отмечал необоснованность этой гипотезы и указывал на то, что мы плохо знаем поведение вещества при тех огромных давлениях, которые существуют внутри Земли вследствие огромного веса вышележащих слоев. Он предсказывал, что наряду с плавным изменением плотности по мере увеличения давления должны существовать и скачкообразные изменения.

Разрабатывая новую теорию, Шмидт выдвинул предположение, что образование железного ядра произошло в результате разделения вещества Земли под действием силы тяжести. Этот процесс начался после того, как в недрах Земли произошел разогрев. Но вскоре необходимость объяснения образования железного ядра отпала, так как взгляды В. И. Лодочникова получили дальнейшее развитие в виде гипотезы Лодочникова — Рамзея. Скачкообразное изменение свойств вещества при очень высоких давлениях было подтверждено теоретическими расчетами.

Расчеты показывают, что уже на глубине около 250 километров давление в Земле достигает 100 000 атмосфер, а в центре оно превышает 3 миллиона атмосфер. Поэтому даже при температуре в несколько тысяч градусов вещество Земли может быть не жидким в обычном смысле слова, а подобно вару или смоле. Под влиянием длительно действующих сил оно способно на медленные перемещения и деформации. Например, вращаясь вокруг своей оси, Земля под действием центробежной силы приняла сплюснутую форму, как будто она является жидкой. В то же время по отношению к кратковременным силам она ведет себя как твердое тело с упругостью, превышающей упругость стали. Это проявляется, например, при распространении волн землетрясений.

Благодаря податливости земных недр в них происходят медленные перемещения веществ под действием силы тяжести. Более тяжелые вещества опускаются вниз, а более легкие — вверх. Эти перемещения столь медленны, что, хотя они и длятся миллиарды лет, создалась лишь небольшая концентрация более тяжелых веществ, прилегающих к центру Земли. Процесс расслоения глубоких недр Земли, можно сказать, только еще начался и происходит до сих пор.

 

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru

Солнечная система

Для нас Солнечная система является уникальным комплексом, несмотря на то, что в космосе он, несомненно, не единственный. Тем не менее, научные знания людей пока ограничены ее пределами.

Говоря о Солнечной системе, принято иметь в виду Солнце, планеты и малые тела. Рассматривая возраст Земли и других планет, исследуются образцы пород. При этом учитывается соотношение количества радиоактивного урана к содержанию свинца. Свинец — конечный продукт распада урана, и скорость такого распада известна. Соответственно, можно рассчитать, как давно этот грунт возник.

Древнейшие горные породы Земли насчитывают миллиарды лет. Солнцу же, по последним научным данным, 5 млрд лет. Следовательно, Земля возникла ненамного позже Солнца.

Первые гипотезы

Первые научные предположения относительно возникновения Земли были сделаны И. Кантом и П. Лапласом в XVIII веке.

Теория сторонника материализма И. Канта сформировалась на законе всемирного тяготения. По его мнению, планета образовалась из облака холодных частиц-пылинок, которые хаотично двигались.

П. Лаплас изложил более аргументированный взгляд на происхождение Земли. Он считал, что основой явилась вращающаяся газовая туманность. Лаплас ссылался на то, что основная часть массы системы сосредоточена в Солнце, а орбиты планет лежат практически в одной плоскости. Также он учел и вращение планет как вокруг Солнца, так и вокруг собственной оси. В отличие от Канта Лаплас считал, что частицы не были холодными, но, напротив, находились в горячем, практически расплавленном состоянии.

Современные знания опровергают обе эти теории.

Большой Взрыв

Наиболее популярной в настоящее время является гипотеза о Большом Взрыве. Суть ее в следующем. До начала расширения Вселенная находилась в состоянии сингулярности, то есть очень высокой плотности материи. Она представляла собой невероятно горячий огненный сгусток-шар. В определенный момент он взорвался, разбросав с огромным ускорением и на очень большое расстояние частицы материи и энергетические потоки. При такой колоссальной температуре и скорости частицы не могли соединиться между собой в течение примерно миллиона лет. Но постепенно их температура снижалась.

Большой Взрыв

Когда частицы «остыли» примерно до 4 000 °С, стали образовываться атомы. Первыми возникли наиболее легкие химические элементы — водород и гелий. Чем больше снижалась температура, тем более тяжелые соединения атомов возникали. Ученые считают, что, поскольку температура Солнца чрезвычайно высока, в нем до сих пор происходит процесс образования элементов. Это же относится и к другим звездам.

Из возникших атомов образовались облака газа и пыли. Эти частицы сталкивались, гравитационные силы притягивали их друг к другу. Такое притяжение мелких объектов к более крупным создало в результате Солнце, планеты и галактики.

Ученые считают, что Вселенная до сих пор продолжает свое расширение. Расстояние от Земли до далеких галактик продолжает постепенно увеличиваться.

Если обобщить сказанное, теория Большого Взрыва основана на том, что изначально Вселенная была необычайно горячей. Научные знания позволяют установить, насколько она охладилась к настоящему моменту. К началу XXI века температура Вселенной признана равной -270 °С.

От газа к твердому телу

Заслуживает внимания гипотеза советского ученого академика О. Ю. Шмидта. Согласно его теории, планеты Солнечной системы возникли из газопылевого облака. Его частицы достаточно хаотично двигались, каждая по своей орбите, вокруг недавно возникшего Солнца. Постепенно их орбиты стабилизировались и оказались примерно в одной плоскости, облако как бы сплющилось. Частицы двигались теперь в одном направлении. Мелкие частицы присоединялись к более крупным, образуя сгустки материи. Так постепенно возникли планеты.

Газопылевое облако

Формирование планеты

Земля, согласно гипотезе О. Ю. Шмидта, на поверхности была холодной, но внутри нее шел процесс распада радиоактивных элементов. Температура была так высока, что в центре произошло расплавление и родилось ядро. Более легкие вещества поднялись к поверхности и образовали кору.

Эта теория объясняет также, откуда взялись различия в строении планет земной группы и планет-гигантов. Из-за сильного нагрева вблизи Солнца атомы водорода и гелия разлетались далеко в стороны. Поскольку температура там была значительно ниже, они достаточно быстро скапливались в отдаленных участках газопылевого облака и примерзали к твердым частицам. Так создавались планеты-гиганты, имеющие большую массу и больший объем.

Всем спасибо!

Ставьте лайки, если статья вам понравилась, подписывайтесь на канал, у нас еще много удивительных фактов. Задавайте вопросы в комментариях и делитесь статьей в соц. сетях.

Источник: zen.yandex.ru

  

OTTO ЮЛЬЕВИЧ ШМИДТ (1891-1956)

Теория шмидта о происхождении землиДля старшего поколения имя О.Ю. Шмидта связано с предвоенными исследованиями Арктики, эпопеей "Челюскина", первыми станциями "Северный полюс". Геофизики и геологии помнят его работы по Курской магнитной аномалии, большую научно-организаторскую деятельность как вице-президента АН СССР (1939–1942гг), директора Арктического института (1930–1932гг), начальника Главсевморпути (1932–1939гг), директора Института теоретической геофизики (1937–1949гг). Математикам хорошо известна теорема Шмидта в теории групп и монография "Абстрактная теория групп". Велика его роль в становлении Московской алгебраической школы.

С середины 40-х годов и до последних дней жизни О.Ю. Шмидт отдал много сил разработке основ теории образования Солнечной системы, происхождения и эволюции Земли. Почти полвека прошло со времени знаменитых "Четырех лекций о происхождении Земли" О.Ю. Шмидта. Не все предлагавшееся прошло испытание временем, во многом изменились взгляды на характер процессов формирования звезд, обнаружены околозвездные диски, благодаря космическим исследованиям получен огромный материал по составу и строению тел Солнечной системы. Геофизические и геохимические методы исследования значительно пополнили, а во многом и изменили наши представления о начальном состоянии Земли, ее последующей эволюции.

 

Е.Л. РУСКОЛ, В.С. САФРОНОВ

 

 

О.Ю. ШМИДТ — ОСНОВОПОЛОЖНИК СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ
ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЗЕМЛИ

 

О.Ю. Шмидт заложил основы современной теории формирования Земли и планет путем объединения твердых частиц и тел в газопылевом допланетном облаке. Он впер вые сформулировал проблему образования планет как комплексную астрономо-гео лого-геофизическую проблему и посвятил последние 15 лет жизни изучению ее физико-механических аспектов. О.Ю. Шмидт привлек к разработке теории широкий круг исследователей разных специальностей; умело организовал научные дискуссии и создал в Геофизическом институте АН СССР небольшое подразделение для целенаправлен ной работы по углубленному развитию теории. Исследования продолжателей О.Ю.Шмид та получили международное признание.

Биографы О.Ю. Шмидта отмечают, что еще в юношеские годы у него возник интерес к проблеме происхождения Земли и планет, а в середине 20-х годов он начал занимать ся математической разработкой задачи трех гравитирующих тел. Но целенаправленно он занялся проблемой лишь в разгар Великой Отечественной войны, в 1942г, сразу после того как И.В. Сталин снял Отто Юльевича с поста вице-президента Академии наук СССР, "освободив" его от огромной организационной работы. Не случись этого незаслуженного наказания, возможно, развитие планетной космогонии в нашей стране было бы совсем иным, и мы сейчас лишь цитировали бы работы западных ученых. Оглядываясь назад, в 40-е и 50-е годы, мы не видим другой, столь же крупной личности, кто мог бы так же авторитетно и убедительно создать новое направление в науках о Земле и Солнечной системе, опередив на 10—15 лет наиболее развитые страны.

Исследуя Землю как полярный первопроходец и как геофизик-теоретик, О.Ю. Шмидт постоянно ощущал дефицит надежной теории происхождения и начального состояния Земли, из-за которого оставались нерешенными многие актуальные практически задачи. С 1943 г . он стал публично излагать свою теорию аккумуляции Земли из небольших тел, которая тогда называлась "метеоритной" теорией и которая хорошо согласовывалась с геофизикой и геохимией.

До этого времени проблема происхождения планет считалась чисто астрономической. Во главу угла ставились известные четыре закономерности строения солнечной системы: 1) почти круговые и компланарные орбиты планет с одинаковым направлением обращения вокруг Солнца; 2) закономерное увеличение расстояний между планетами; 3) деление планет на две группы (земного типа и планеты-гиганты); 4) дисбаланс в распре делении массы и углового момента между Солнцем и планетной системой. Первые три закономерности говорили о некоем общем допланетном облаке, в котором имело место падение температуры с расстоянием от Солнца – к такой картине ученые пришли задолго до О.Ю. Шмидта. Распределение же массы и момента в Солнечной системе не объяснялось ни в одной астрономической теории. Полная неясность существовала также в отношении свойств допланетного облака и длительности различных этапов процесса. Неясно было также, образовалась ли Земля из массивного сгустка в результате потери большей части массы или она аккумулировалась из меньших объектов; каким было ее начальное состояние.

Анализ всех геофизических и геохимических данных привел О.Ю. Шмидта к однозначному выводу о том, что Земля никогда не проходила через полностью расплавленное "огненно-жидкое" состояние, следовательно, она произошла из более мелких тел (подобных метеоритам). Отсюда вытекало, что допланетное облако не было массивным. Для объяснения его больших размеров (требование большого углового момента при медленном вращении Солнца) О.Ю. Шмидт предположил, что облако было захвачено Солнцем при его встрече с межзвездной туманностью. Именно это утверждение, хотя и подкрепленное новаторской работой о возможности захвата в системе трех гравитирующих тел, вызвало наибольшую критику со стороны астрономов. У подав ляющего числа астрономов существовало убеждение, что планеты являются побоч ным продуктом образования звезд, совместное образование выглядело намного привле кательнее, чем захват. В те годы было модно давать идеологические оценки: непривыч ные или кажущиеся сомнительными взгляды (высказывания) могли быть расценены как "идеалистические". Например, такие ученые, как К. фон Вейцзеккер, Эддингтон, Ф. Хойл и другие на одном большом совещании были возведены в ранг "физических идеалистов", а некоторые ученые за поддержку идеи омоложения звезд в результате аккреции газа — в разряд хойлистов. На семинарах по философии можно было получить упрек в идеализме даже за преподавание гипотезы Шмидта студентам.

О.Ю. Шмидт, конечно, рисковал, когда выступил с подробным изложением своей теории на Всесоюзном совещании по вопросам космогонии в апреле 1951г: ведь не прошло и трех лет с печально знаменитой сессии ВАСХНИЛ 1948г, когда была разгромлена генетика. Если бы на этом совещании, на котором выступили с докладами более 40 известнейших ученых, не победил здравый смысл, критика отдельных спорных положений О.Ю. Шмидта, слившись в общее осуждение, закрыла бы возможности для дальнейшей разработки его преждевременной теории.

О.Ю. Шмидт добился принятия совещанием официальной резолюции, содержавшей весьма ценную программу действий в астрономии и науках о Земле; труды совещания были в сжатый срок опубликованы. Эта книга содержит много новых идей, отражает честную борьбу мнений, и если не считать некоторых ритуальных упоминаний великого Сталина и загнивающего капитализма с его идеалистами-учеными, она многое может дать и современному читателю. Наиболее полное изложение теории О.Ю. Шмидта дано в третьем издании его книги "Четыре лекции о теории происхождения Земли", вышедшей в 1957г, через год после его смерти.

Первое издание книги вышло в 1949г на основе лекций, прочитанных О.Ю.Шмидтом весной 1948г в Геофизическом институте АН СССР для представителей наук о Земле; вскоре, в 1950г  вышло второе издание "Четырех лекций". Затем последовал пятилетний период интенсивного развития теории, вовлечение в работу многих ученых разных специальностей. Весь этот период шли острые дискуссии по различным аспектам проблемы. Тяжелая болезнь и безвременная смерть Отто Юльевича в сентябре 1956г помешали ему написать фундаментальную книгу. Редакционная коллегия под председательством А.И. Лебединского, в которую входили Б.Ю. Левин, Г.Ф. Хильми, B.C. Сафронов и С.В. Козловская, подготовила и издала 3-е издание на основе 2-го с использованием работ О.Ю. Шмидта 1951–1955 гг. и его рукописных материалов.

В те же годы известный американский физикохимик Гарольд Клайтон Юри пришел к выводу о холодной аккумуляции Земли на основе исследований метеоритов и анализа геохимических данных. В 1952г в США вышла его книга " The Planets ", в которой он изложил свои взгляды. Однако ему, как и О.Ю. Шмидту, пришлось долго бороться с распространенным мнением об образовании Земли из гигантской протопланеты. Еще в 60-х гг. в американских книгах о Земле и космосе преобладало изложение такой теории.

Книга О.Ю. Шмидта "Четыре лекции" была переведена на английский язык и издана в 1959г  на Западе издательством Lawrence and Wishart , Она содержит четыре раздела (лекции). 1. Состояние вопроса. Постановка задачи. Основные идеи и факты. 2. Основные закономерности планетной системы как результат эволюции газовопылевого роя. 3. Проблема происхождения газовопылевого облака. 4. Планета Земля. Кроме того, в ней приведены три приложения: формулы для определения знака осевого вращения планеты, начальные данные для известного численного примера захвата в системе трех тел, рассчитанного Н.Н. Парийским, и краткое изложение результатов Г.Ф. Хильми, показавшего возможность такого захвата. Приведена также библиография из 113 названий работ самого О.Ю. Шмидта и других ученых, в том числе его сотрудников.

Важнейшей заслугой О.Ю. Шмидта является то, что он впервые сформулировал проблему происхождения планет как комплексную астрономо-геофизическую проблему. Он также расчленил проблему планетной космогонии на три части (задачи): а) происхождение околосолнечного допланетного облака (туманности); б) образование в этом облаке планет; в) эволюция планет, в первую очередь Земли, от их начального состояния до современного с тем, чтобы вывести геофизические, геохимические и геологические следствия образования планет и связать космогонию с данными наук о Земле.

Первая часть должна решаться вместе с астрономами; лишь в последние годы были открыты околозвездные диски и сделаны серьезные попытки моделировать совместное образование Солнца и облака; О.Ю. Шмидт понимал нереальность решения этой задачи в 40—50-е годы. Вопреки мнению, что решение проблемы образования планет следует отложить до того времени, когда будет решена проблема происхождения звезд, О.Ю. Шмидт считал актуальным исследование именно второй части проблемы. Он называл ее центральной задачей планетной космогонии и подчеркивал, что "центральная задача может быть поставлена и решена до некоторой степени независимо от решения первой задачи (а)". В те годы это разделение второй и первой частей проблемы было очень важным в методологическом отношении.

Наиболее важные результаты, представляющие крупный вклад в планетную космогонию, были получены во второй и третьей частях проблемы. Они и составляют основное содержание теории О.Ю. Шмидта. Постановка третьей задачи — об эволюции планет с момента их образования — предвосхитила современную сравнительную планетоло гию, которая развилась в самостоятельное направление благодаря космическим исследованиям, но это уже происходило после кончины О.Ю. Шмидта.

Остановимся на каждой из трех частей проблемы более подробно.

Происхождение допланетного облака. В распоряжении астрономов было слишком мало фактических данных для решения этой проблемы в 40–50-х годах. Тем не менее О.Ю. Шмидт считал необходимым показать, что главная трудность проблемы, связанная с аномальным распределением момента количества движения в Солнечной системе, может быть устранена. С этой целью он выдвинул гипотезу о захвате Солнцем вещества допланетного облака во время его встречи с галактической темной туманностью, состоящей из пыли или метеоритов. Одновременно он начал разрабатывать, правда, не вполне удачно гипотезу образования двойных звезд путем захвата. Объяснение большого момента количества движения планет при малом моменте количества движения Солнца с помощью гипотезы захвата Солнцем вещества планет логически представляется наиболее простым. Но это еще не означает, что именно таким должен быть естественный физический процесс. Астрономы 40-х годов верили в классическое Канто-Лапласовское представление о совместном образовании Солнца и допланетного облака из единой туманности, хотя еще не было выдвинуто ни одной приемлемой модели совместного образования. Гипотеза захвата подверглась суровой критике. Специалисты в области небесной механики, основываясь на старых результатах Шази, считали гравитационный захват в системе трех тел невозможным. Астрофизики допускали возможность захвата, но считали его крайне маловероятным. Первый, предложенный О.Ю. Шмидтом упрощенный вариант захвата при сближении двух тел в поле тяготения Галактики, оказался неправильным. Тогда О.Ю. Шмидт предложил захват в системе трех гравитирующих тел и доказал его возможность, Обладая замечательной математической интуицией, он построил конкретный пример движения, приводящего к захвату. Численное интегрирование, выполненное Н.Н. Парийским, подтвердило, что захват действительно осуществляется. Для небесной механики установление возможности захвата в классической задаче трех тел было важным новым результатом.

Вскоре возможность захвата была подтверждена аналитическим путем (Г.Ф. Хильми, Ю.Л. Газарян, Г.А. Мерман). Были рассмотрены и другие формы захвата (Т.А. Агекян, В.В. Радзиевский, X . Альвен), однако решение проблемы происхождения допланетного облака таким образом не приблизилось: гипотеза захвата не была опровергнута, но и не была принята. К сожалению, астрономы нередко свое отрицательное отношение к теории захвата без достаточных оснований распространяли на всю теорию. В последующие годы, когда стали складываться более определенные представления о процессе звездообразования, началось конкретное моделирование образования допланетного диска, появилось понятие " protosolar nebula ", т.е. "протосолнечная туманность", объединяющая вещество Солнца и планет. Солнечный туманностью стали называть окру жающий Солнце диск (не включающий Солнце). Современный вариант захвата был рассмотрен Каулой и Кобриком в 1979 г .: здесь протосолнечная туманность коллап- сирует в одиночную звезду – Солнце, а момент приобретается за счет приливного взаимодействия периферии туманности с другой – туманностью, на ранней стадии коллапса.

В целом же гипотезы совместного образования Солнца и допланетного облака представляются сейчас более перспективными, чем гипотезы захвата. Фундаментальный материал по проблеме содержится в больших коллективных международных монографиях " Protostars and Planets ", 1978; " Protostars and Planets II ", 1985 и " Protostars and Planets III ", 1991, издаваемых Аризонским университетом США [4-6]. Одна из моделей совместного образования Солнца и облака умеренной массы разрабатывается в лаборатории, организованной О.Ю. Шмидтом в 1946 г . в институте, носящем теперь его имя. По этой модели в 1986 г . была успешно защищена докторская диссертация Т.В. Рузмайкиной.

Важнейшим стимулом для продолжения исследований совместного образования являются недавние открытия околозвездных дисков из газа и пыли, обладающих кеплеровским вращением вокруг центральных звезд. Здесь уместно напомнить, что одним из сильных аргументов против теории О.Ю. Шмидта в 1951 г., высказанным известным астрофизиком, являлось утверждение: “Но ведь никто никогда не видел звезды, вокруг которой уже вращается облако” (см. “Труды первого совещания по вопросам космогонии”. М.: Изд-во АН СССР. 1951. С. 279). Теперь, к счастью, уже видят.

Образование планет. Идея О.Ю. Шмидта об образовании планет путем объединения твердых частиц и тел (метеоритная или планетезимальная теория) определила успех и перспективность дальнейшего развития теории, В то же время она представляла подлинно революционный шаг в планетной космогонии, так как в течение длительного времени в ней господствовали представления об образовании планет из газовых сгустков. Лишь в самом конце XIX в. метеоритную гипотезу развивал бельгийский ученый Лигондес, а в начале XX в. (1904 –1905 гг.) появилась планетезимальная гипотеза американских ученых Мультона и Чемберлина. Но эти гипотезы не получили дальнейшего развития и были вскоре оставлены. Необходимость повернуть космогонию на этот путь уже в 40-х годах была неочевидной, и решение О.Ю. Шмидта в значительной мере определялось его богатой интуицией.

Огненно-жидкое начальное состояние Земли, образовавшейся из гигантского газового сгустка, противоречило целому ряду фактов, обнаруженных к тому времени. Если бы дело шло лишь о потере, легких и летучих элементов, связанной с небольшими массами планет земной группы, то чем тяжелее элемент, тем больше было бы его содержание в Земле. Однако содержание тяжелых инертных газов криптона и ксенона в Земле составляет лишь стотысячную часть от космического обилия; сильно обеднены в Земле также азот и неон. Земля составлена из таких компонентов, которые в условиях допланетного облака могли находиться в конденсированном состоянии, т.е. входить в состав твердых частиц. Большую роль в выработке правильного взгляда на возможность объяснения состава Земли сыграла работа И.С. Шкловского 1951 г . [8], в которой была показана неэффективность отсортировки легких газов при термической диссипации массивных гравитирующих газовых сгустков солнечного состава. А Земля по прежней концепции как раз и должна была представлять такой сгусток, с массой примерно в 600 раз больше современной, поскольку добавление до космического обилия легких и летучих соединений к тем тяжелым компонентам, которые составляют Землю, приводит именно к таким гигантским величинам (В.Г.Фесенков принимал массу протоземли около ЗОе). Но еще ранее, в 1944 г ., произошло событие, поставившее под сомнение концепцию гигантских протопланет: открытие Койпером линий метана в атмосфере Титана, спутника Сатурна с массой, в 2 раза большей массы Луны. Тогда это было интерпретировано как наличие мошной метановой атмосферы на небольшом теле, что полностью исключало горячую начальную стадию у спутника. В 1981 г . с помощью Вояджеров было найдено, что метан составляет лишь примесь в мощной азотной атмосфере Титана; этот факт не меняет однако сделанного вывода о холодном образовании спутникового тела. Вообще, все спутники планет могли образоваться лишь путем аккумуляции мелких тел и частиц.

Деление планет на две группы – земного типа и планет-гигантов впервые получило естественное объяснение в теории О.Ю. Шмидта: в более близкой к Солнцу прогреваемой зоне образуются планеты земной группы из силикатов и металлов, а в более удаленной и холодной области образуются планеты-гиганты в основном из замерзших летучих соединений СН 4 , NH 3 , С O 2 и др. К началу 50-х годов еще не было ясно, как в рамках модели формирования планет из твердых тел возможно образование Юпитера и Сатурна. В.Г. Фесенков и А.Г. Масевич, указав, что в этих планетах доминирует водород, утверж дали, что теория О.Ю. Шмидта не в состоянии объяснить их химический состав. Л.Э. Гу ревич и А.И. Лебединский полагали, что в зоне планет-гигантов температура была очень низкой и почти весь газ конденсировался на пылинках. Впоследствии было показано, что водород и гелий могли присоединиться к этим планетам лишь в газовой фазе, так как температуры конденсации этих газов слишком низки даже для периферии протопланетного облака. Однако зародыши планет-гигантов могли образоваться лишь путем аккумуляции твердых планетезималей, в которых преобладали льды перечисленных веществ и, конечно, водяной лед; лишь при достижении зародышами массы, достаточной для удержания и прогрессирующего сжатия мощной газовой атмосферы, могла начаться газовая аккреция. Понимание этих процессов развилось уже после О.Ю. Шмидта, но в его время важным был отказ от гипотезы гигантских газовых протопланет для всех планет Солнечной системы, а не только планет земной группы. Объяснение деления планет на две группы (сейчас правильнее говорить о трех группах: земная, Юпитер – Сатурн и Уран – Нептун) было дано Б.Ю. Левиным на основании данных спектроскопии планет-гигантов и данных физики комет [11]. Большая роль водяного льда в составе ядер комет еще не вполне прояснилась в начале 50-х годов, иначе перечисление замерших летучих начиналось бы не с метана, а с воды.

О.Ю. Шмидт дал объяснение основных физико-механических закономерностей планетной системы. Наиболее просто и естественно объясняется движение планет по почти круговым орбитам, дочти в одной плоскости и в одном направлении. Оно является результатом осреднения элементов орбит отдельных частиц. Частицы первоначально двигались по разнообразным эллиптическим и наклонным орбитам. Но при объединении большого числа тел в одну планету эксцентриситет и наклон ее орбиты к централь ной плоскости должны стать очень малыми. В последовавшие десятилетия данное объяснение получило количественную разработку и в численных моделях и в аналитических исследованиях как в СССР, так и за рубежом. Заметную роль играют работы, выполненные в ИФЗ "научными внуками" О.Ю. Шмидта: А.В. Витязевым, И.Н. Зиглиной, Г.В. Печерниковой.

Важнейшей xaрактеристикой роста планеты является скорость процесса на различных его этапах и суммарное «догеологическое» время. Еще в 1945 г . в работе «Астрономический возраст Земли» О.Ю.Шмидт вывел формулу для скорости роста планеты, вычерпывающей вещество, находящееся в ее зоне. При выводе предполагалось, что каждое тело, двигаясь по наклонной орбите вокруг Солнца, за время своего обращения дважды пересекало плоскость орбиты планеты и при этом имело возможность упасть н а планету с вероятностью, равной отношению геометрического сечения планеты к площади кольцеобразной зоны планеты. Формула дает экспоненциальное убывание со временем количества вещества в зоне, еще не вычерпанного планетой. Предполагая, что выпадающее в настоящее время на Землю метеоритное и метеорное вещество является остатком первичного вещества зоны, О.Ю. Шмидт нашел по этой формуле возраст Земли (время роста) равным 7,6 млрд. лет. Эта оценка оказалась уязвимой для критики. Указывалось, что метеориты и метеоры представляют собой продукт распада астероидов и комет, а не первичное вещество зоны Земли. В дальнейшем формула О.Ю. Шмидта стала одним из важнейших соотношений количественной теории роста планет. Она была выведена одним из авторов ( B . C . Сафронов) данной статьи с помощью другого, более строгого метода [12]. Скорость роста планет оказалась в 15-20 раз больше (оцененной О.Ю. Шмидтом): в 2 раза больше из-за того, что он фактически рассматривал только движение тел перпендикулярно плоскости орбиты планеты, и еще на порядок больше из-за того, что в формуле надо брать эффективное сечение столкновения с гравитирующей планетой, которое существенно больше ее геометрического сечения. Земля как планета успела сформироваться за 100 млн. лет и уже в первые 1-2 млрд. лет вычерпала все первичное вещество своей зоны. В последующие годы делались неоднократные попытки ревизовать характерное время аккумуляции Земли, в основном в сторону его сокращения на один – три порядка, однако оценка в 100 млн. лет устояла; она подтверждена и динамическими расчетами и изотопными данными. Такое же характерное время роста Земли получил известный американский ученый Джордж Везерилл с помощью численного моделирования процесса аккумуляции планет земной группы [13].

О.Ю. Шмидт предложил объяснение закона планетных расстояний. Согласно известному закону Тициуса–Боде, расстояния планет от Солнца меняются приблизительно в геометрической прогрессии. О.Ю. Шмидт обнаружил, что удельные моменты планет (квадратные корни из их расстоянии от Солнца) составляют арифметическую прогрессию, точнее сказать одну-две для планет земной группы и другую для планет-гигантов. Деление на две последовательности он считал естественным ввиду резкого различия всех характеристик двух групп планет. Но многие астрономы сочли это недостатком теории, так как в закон были внесены два дополнительных свободных параметра. Тем не менее нельзя не признать, что расстояния внешних планет лучше описываются арифметической прогрессией для R 1/2 чем геометрической прогрессией для R . Теперь стало ясно, что расстояния планет отражают размеры их зон питания, а также условие устойчивости их орбит на больших временах.

О.Ю. Шмидт рассмотрел происхождение вращения планет при весьма общей постановке задачи, до него никем не применявшейся. Он написал условия сохранения момента количества движения и энергии при переходе от начального состояния вещества в зоне данной планеты, т.е. облака частиц, движущихся вокруг Солнца к конечному состоянию или готовой планете. Начальный момент количества движения вещества зоны относительно Солнца перешел в орбитальный момент планеты и в ее вращательный момент. Чем меньше орбитальный момент, т.е. чем меньше радиус орбиты планеты, тем больше должен быть вращательный момент. Но чем меньше радиус орбиты, тем меньше орбитальная энергия планеты и, как считал О.Ю. Шмидт, тем больше тепловые потери в процессе ее образования. Отсюда основной вывод О.Ю. Шмидта: так как потери энергии в этом процессе велики, то вращение планет должно быть прямым (в направлении орбитального движения). Аналогично этому О.Ю. Шмидт считал, что обратное движение далеких спутников Юпитера связано с малыми тепловыми потерями при образовании спутников на больших расстояниях от планеты. Однако дальнейший анализ уравнений сохранения не подтвердил прямой зависимости вращения планеты от тепловых потерь [14] и вращение и потери определялись конкретными условиями объединения тел в планету. С учетом эксцентричности орбит допланетных тел удалось показать, что растущие тела приобретают преимущественно прямое вращение, что их угловые скорости вращения мало отличаются в широчайшем диапазоне масс и что наклоны осей вращения планет к оси эклиптики связаны с нецентральными ударами крупных тел. Такая концепция получила затем развитие в работах А.В.Витязева и Г.В.Печерниковой. Иные подходы к исследованию происхождения вращения развивались А.В.Артемьевым и В.В.Радзиевским и Р.И.Киладзе (приобретение вращения через спутниковые рои). В последние годы за рубежом проведены численные эксперименты для трехмерных систем сталкивающихся тел, в которых найдено, что число тел, формирующихся с прямым вращением, больше числа тел с результирующим обратным вращением, что и наблюдается в Солнечной системе.

В концепции О.Ю. Шмидта образование спутников мыслится как процесс, сопутствовавший формированию планет: “При образовании планет в процессе сближения частиц с крупными зародышами планет некоторые из частиц, сталкиваясь, настолько теряли скорость, что выпадали из общего роя и начинали обращаться вокруг планеты. Таким образом, около планетного зародыша образуется сгущение – рой частиц, обращающихся около него по эллиптическим орбитам. В уменьшенном масштабе в этих роях будут происходить те же процессы, что и при образовании планет. Большинство частиц упадет на планету (присоединится к ней), часть же их будет образовывать околопланетный рой и объединяться в самостоятельные зародыши – будущие спутники планет…”.

На основе этой идеи в последующие годы была развита количественная модель образования Луны (Е.Л. Рускол, У. Каула, А. Харрис), исследованы закономерности в протоспутниковых роях ( B . C . Сафронов, Е.Л. Рускол, Р.И. Киладзе, Г.В. Печерни кова, А.В. Витязев; Ф. Герберт, Д. Дэвис, С. Вайденшиллинг). Развиты также модели околопланетных газопылевых дисков, сопровождавших образование планет-гигантов (Е.Л. Рускол, А. Корадини, Д. Маньи, К. Федерико и др.). Рассмотрена связь процесса образования спутников с происхождением вращения планет.

Возможность слипания малых сталкивающихся тел ставилась под сомнение. Поэтому О.Ю. Шмидт первоначально считал, что в допланетном рое с самого начала присутствовали достаточно крупные тела, которые своим тяготением удерживали падавшие на них другие тела и частицы, В 1950г в работе Л.Э. Гуревича и А.И. Лебединского была исследована эволюция околосолнечного пылевого облака, не содержавшего крупных тел. Вследствие неупругих столкновений частиц облако превратилось в тонкий диск (слой). Достигнув критической плотности, диск стал гравитационно неустойчивым и распался на множество сгущений. Объединение этих сгущений заверши лось образованием роя тел, принимавшегося ранее О.Ю. Шмидтом в качестве исходного состояния облака. Эта работа представляла существенный шаг в изучении ранней стадии эволюции допланетного облака и стала одним из важных звеньев теории Шмидта. Она произвела весьма положительное впечатление на участников дискуссии, обсуждавших теорию Шмидта в 1951г  (см. выше). В дальнейшем было показано, что пылевой слой, принятый Л.Э. Гуревичем и А.И. Лебединским за исходное состояние, образовался в результате естественной эволюции околосолнечного газопылевого облака космического состава – вследствие затухания неупорядоченных движений в газе и оседания пылевых частиц к центральной плоскости облака. Еще при жизни О.Ю. Шмидта это было показано в работе B.C. Сафронова и Е.Л. Рускол. Затем последовал большой цикл работ, посвященных газопылевым дискам с детальным изучением поведения и разделением компонентов. Физическая картина постепенно вырисовывалась благодаря работам С. Вайденшиллинга, А. Корадини с соавторами, П. Голдрейха и У. Уорда, П. Кассена. Т.В. Рузмайкиной, А.Б. Макалкина и др. Целый ряд исследований (в том числе лабораторных) был посвящен проблеме прямого роста твердых частиц в более круп ные агрегаты. В настоящее время среди специалистов практически нет разногласий в отношении главной идеи об аккумуляции планет в газопылевом облаке, в котором строительным материалом служили твердые частицы, т.е. основной идеи О.Ю. Шмидта.

Большую роль в зapубeжнoй космогонии сыграли исследования Г. Юри, который с начала 50-х годов независимо от О.Ю. Шмидта отстаивал идею об аккумуляции планет из твердого вещества (из тел астероидных размеров), основываясь на физико-химических исследованиях структуры и состава метеоритов. Это открыло для космогонии новый богатый источник фактических данных, который далеко не исчерпан до сих пор.

Начальное состояние и эволюция Земли и планет. Отправным пунктом для рас смотрения третьей части проблемы планетной космогонии являлась идея О.Ю. Шмидта о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась теплом, выделившимся при распаде радиоактивных элементов. До этого в науках о Земле было общепринятым представление о горячем, расплавленном начальном состоянии Земли, опиравшееся исключительно на взгляды, господствовавшие в космогонии. Только В.И. Вернадский, благодаря его огромной научной эрудиции, смог подойти к проблеме с более широких позиций. Еще с 1908г он отказался от представления о первоначально горячей Земле и считал, что все внутреннее тепло имеет радиоактивную природу. Идея О.Ю. Шмидта о первоначально холод ной Земле, высказанная уже в космогоническом плане, переворачивала существовавшие представления об эволюции Земли и имела исключительное значение для всех наук о Земле. Некоторые ученые сразу поняли ее перспективность, другие, наоборот, вначале считали ее подрывом всех основ геологии и геофизики и лишь постепенно переходили на эту точку зрения. За рубежом она распространилась позднее. Но уже в 1950г конференция геологов и геохимиков в Санта-Фе высказалась в пользу боль шей вероятности холодного начального состояния Земли.

Следует уточнить, что именно понимается под словами "холодное начальное состояние". Главное в этом понятии — это противопоставление "огненно-жидкому состоянию", что же касается конкретной температуры Земли, то по мере того, как вопрос глубоко и всесторонне изучался, количественные оценки температуры менялись в основном в сторону повышения начальной температуры Земли в определенных ее зонах; было найдено, что и в процессе аккумуляции могли образовываться очаги расплавленной магмы в них и начинаться дифференциация Земли на силикатную мантию и железное ядро.

Начальное состояние Земли определялось в первую очередь ее температурой. Если бы вся гравитационная энергия, выделившаяся при образовании Земли, осталась в ее недрах, Земля нагрелась бы до 40 000 К. Поэтому очень важно, при каких конкретных условиях происходило формирование Земли. Первые оценки нагревания в процессе роста были сделаны в предположении, что вся энергия ударов падавших на Землю тел освобождалась на ее поверхности (Сафронов, 1959); это оправдано, когда падающие тела не крупнее нескольких сотен метров. При таких условиях нагревание планеты определяется временем ее роста. Чем оно дольше, тем большая часть энергии излу чается в пространство и тем ниже температура поверхности (максимум 350-400 К при продолжительности аккумуляции 100 млн. лет). С учетом выделения радиоактивного тепла и энергии сжатия Е.А. Любимовой в такой модели было найдено, что максимальная температура к концу аккумуляции Земли была в центре Земли и приближалась к 1000 К. Столь низкая по сравнению с теперешней температура недр не удовлетворяла требованиям геохимии, так как приводила к довольно позднему формированию земного ядра. Делались попытки повысить начальную температуру Земли, ускорив время аккумуляции на три порядка либо допуская неоднородную аккумуляцию Земли, при которой вначале образуется ее железное ядро, и лишь затем на него аккретирует мантия. Оба эти предположения не согласуются с динамикой допланетного роя. Важным шагом к пониманию начальных этапов роста Земли было выяснение роли крупнейших допланетных тел в термической истории Земли. Заметная часть энергии ударов таких тел не успевала излучиться с поверхности, и оставалась в недрах Земли.

На заключительной стадии аккумуляции тела падали на Землю со скоростями 8-12 км/с и образовывали кратеры с объемом, в 1000 раз превышавшим объем упавшего тела. Сафроновым была рассмотрена задача о нагревании шара с подвижной границей; распределение по глубине выделяющейся энергии удара и аналог теплопроводности оценивались по данным теории кратерообразования, в которую пришлось ввести существенные поправки для крупнейших кратеров (большая доля захоронен ной под кратером энергии удара). Оценки показали, что уже при достижении Землей массы порядка 1/10 современной (т.е. массы Марса), температура у основания слоя, прогреваемого ударами, т.е. на глубинах около 1000 км, повышается до температуры начала плавления вещества.

Весьма важным в этой концепции является представление о иерархии размеров допланетных тел. В последние годы исследования Дж. Везерилла и др. показали, что на заключительной стадии аккумуляции в зоне основного зародыша планеты может вырасти "тело номер 2", достигающее по массе 1/10 доли его массы (Везерилл, 1990). Усилия многих специалистов сейчас направлены на то, чтобы всесторонне изучить допустимость в ранней истории Земли ее столкновения с телом, подобным Марсу. Аргументом в пользу такой катастрофы считается возможность образования массивного протолунного диска из вещества мантии Земли, если удар не был направлен в центр тела. Подробное обсуждение гипотезы "мегаимпакта" и связанных с этим проблем дано Витязевым, Печерниковой и Сафроновым и Рускол.

Концепция роста Земли по О.Ю. Шмидту в ее современном виде позволяет объяснить выделение земного ядра за первые сотни миллионов лет существования Земли, а также продолжающуюся и в настоящее время дифференциацию земных недр. Эта теория увязывается также с происхождением земной гидросферы и атмосферы.

Богатейший материал для построения теории происхождения Земли приходит от космических исследований планет и от лабораторных исследований метеоритов. Природа астероидного пояса, поставляющего на Землю метеориты, еще только начинает изучаться. Тем важнее представляется идея О.Ю. Шмидта о поясе астероидов, высказанная 40 лет назад. Вопреки популярной в то время точке зрения о катастрофическом происхождении астероидов вследствие распада одной планеты (Фаэтона), О.Ю. Шмидт пришел к выводу, что совокупность астероидов – это то, что осталось от не успевшего объединиться в планету множества малых тел в зоне между Марсом и Юпитером. Процесс аккумуляции этой планеты был остановлен на промежуточной стадии из-за близости массивного Юпитера, который успел вырасти раньше и своими гравитационными возмущениями увеличил относительные скорости астероидных тел. В результате процесс как бы повернул вспять, от преобладания слияния сталкивающихся тел к преобладанию дробления и распада. Все данные космохимии подтверждают, что вещество всех астероидов никогда не было объединено в одном планетном теле.

Источник: www.astro.websib.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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