Образование планет, конденсация и аккумуляция межзвездного вещества

Как сказано выше, конденсация межзвездной пыли привела к формированию гигантских колец вокруг Солнца, из которых и возникли планеты. Мы можем лишь строить догадки о том време­ни, когда, вскоре после своего рождения, Солнце было особенно активным и его масса очень быстро уменьшалась за счет разноса вещества солнечным ветром. Эта аномальная активность, по дан­ным астрофизиков, длилась всего около 1 млн лет. Быстрый вы­нос летучих элементов из внутренних частей Солнечной системы был следствием мощных вспышек на Солнце и солнечного ветра. Несмотря на этот процесс, в околосолнечных сферах осталось достаточное количество летучих, позволившее сформироваться Земле. Естественно, что планеты, находившиеся вблизи Солнца, ныне относимые к земной группе, т. е. Меркурий, Венера, Земля и Марс, сформировались в более горячих условиях, нежели внеш­ние планеты.

Существует довольно много моделей, рассматривающих пре­вращение колец диска из межзвездного вещества в планеты. Од­нако все их разнообразие может быть сведено к двум основным моделям. По одной из них, кольца, окружающие Солнце, распа­даются на крупные части, которые, сжимаясь, превращаются в планеты. Согласно другой модели, в кольцах межзвездной пыли происходит слипание, «склеивание» частиц, образующих подобие снежного кома — прообраза будущих планет, которые впослед­ствии сжимаются. Под действием центробежной силы легкие частицы с внешней стороны диска уносятся в пространство, тогда в плоскости колец диска частицы также будут перемещаться на­ружу, а самые внутренние части колец, притягиваясь к Солнцу, падают на него, после чего диск приобретает массу, близкую к массе реальных планет.

Таким образом, различие двух моделей состоит в том, что в одной из них огромные шары протопланет коллапсируют до раз­меров современных планет, а в другой — слипание планетезима- лей приводит к формированию таких же по массе планет. В пос­леднее время наметилась тенденция объединения этих моделей в одну, способную удовлетворительно объяснить особенности планет Внутренней и внешней групп. Для первой группы планет предпоч­тительнее выглядит модель слипания планетезималей, тогда как образование внешних планет-гигантов лучше объясняется прото- планетной моделью. Различие в составе внешних планет, которые состоят преимущественно из водорода, кислорода, углерода и в меньшей степени из силикатов, тогда как во внутренних планетах последние преобладают, хорошо согласуется с их большей уда­ленностью от Солнца, очень низкой температурой и меньшей си­лой притяжения. Именно вследствие низкой температуры проис­ходит конденсация в виде твердого вещества метана, аммиака и воды. Так как льды из этих веществ обладают меньшей плот­ностью, чем силикаты, внешние планеты характеризуются малой плотностью и огромными размерами.

По мнению некоторых исследователей, начиная с В. С. Сафро- нова (1969), процесс превращения диска межзвездной пыли в сгустки планет произошел очень быстро и занял около 100 млн лет. Поскольку объектом изучения для нас является Земля, то нам далеко не безразлично, каким путем и в какой интервал вре­мени произошло ее разделение на оболочки-геосферы.

В настоящее время существуют две основные теории, которые все больше сближаются, дополняя друг друга. Модель гомоген­ной аккреции предполагает, что из межзвездного, хорошо переме­шанного вещества образовались первично гомогенные планеты Солнечной системы и лишь впоследствии, эволюционируя, они приобрели структуру, состоящую из ряда оболочек, которые мы и наблюдаем, например, на Земле (ядро, мантия, кора). Однако этой моделью не так просто объяснить наличие метеоритов разно­го состава — каменных, железных и железокаменных. Весьма проблематичной с точки зрения первоначально гомогенной Земли остается формирование ее геосфер в процессе дифференциации, когда изначально холодная Земля начала разогреваться, в резуль­тате чего выделилось железное ядро и силикатная мантия. Опре­деленные ограничения на эту концепцию накладывает слишком маленький промежуток времени между образованием Солнечной системы (4,6—4,7 млрд лет), возрастом наиболее древних лунных пород (4,5—4,6 млрд лет), а также метеоритов и древнейших гра- нитоидов на Земле (около 4 млрд лет), что практически не остав­ляет времени для дифференциации.

Модель гетерогенной аккреции, впервые предложенная в 1967 г. Э. В. Соботовичем, А. П. Виноградовым, а также А. Ринг- вудом из Австралии и К. Турекяном и С. Кларком из США, объясняет указанные выше трудности, и суть ее заключается в том, что геосферы Земли формировались одновременно с ее об­разованием и аккреция планетезималей проходила вместе с кон­денсацией газово-пылевой туманности, сопровождавшейся пони­жением температуры. В результате процесса фракционирования наиболее высокотемпературная фаза, состоящая из железных пла­нетезималей, практически не содержащих радиоактивных элемен­тов, образовала ядро Земли. И только после того, как железные планетезимали почти исчерпались, начали слипаться планетези­мали типа каменных метеоритов, состоящих из различных алюмо­силикатов. Чем больше внешние оболочки Земли «нарастали» на внутренних сферах, тем больше в них содержалось радиоактивных элементов, так же как и у Луны.

Одновременно с образованием оболочек Земли происходила их дифференциация, имевшая экзотермический характер, а так как мантия, по мере ее нарастания, служила все более эффективным теплоизолирующим экраном, то вследствие перегрева внешнее ядро приобрело пластичное состояние. По мнению Э. В. Соботови- ча (1979), расплавление внешней оболочки ядра началось еще тогда, когда планетезимали соударялись с орбитальной скоростью, достаточной для плавления их приповерхностного слоя. Иными словами, причиной плавления была кинетическая энергия сталки­вающихся и слипающихся железных планетезималей. По-види­мому, и после образования ядра процесс дифференциации продол­жался, вызывая перераспределение металлической и алюмосили- катной фаз, в результате которого и сформировалась расслоенная структура Земли. Важно подчеркнуть, что, согласно изложенным выше моделям аккреции, время образования ядра не должно пре­вышать первые сотни миллионов лет.

В этот же временной интервал сформировались протомантия и протокора. Возникшая на основе последней земная кора явля­ется уже продуктом достаточно длительной дифференциации пер­вичных верхов мантии и коры, которые, будучи наиболее обога­щенными радиоактивными элементами, могли подвергаться про­цессам многократного переплавления и метаморфизма. Важную роль в разогреве коры играла метеоритная бомбардировка Земли, особенно сильная в период 4,3—3,8 млрд лет назад, но с кульми­нацией около 4,0 млрд лет, которая и способствовала ее усилен­ной дегазации.

С Землей неразрывно связан ее спутник — Луна, происхожде­ние которой объясняется несколькими гипотезами, но важно пом­нить, что Луна сформировалась не позднее 4,2 млрд лет назад, что состав ее пород очень похож на состав земной мантии и что у Луны нет магнитного поля и железного ядра. Существующие гипотезы предполагают: t) образование Луны из того же газово- пылевого облака одновременно с Землей; 2) отрыв Луны от Зем­ли на ранней стадии формирования последней; 3) захват Луны как постороннего тела Землей; 4) скользящий удар о Землю космического тела размером с половину Земли и выброс вещества мантии Земли в околоземное пространство с последующим фор­мированием Луны из этого вещества. Последняя гипотеза поль­зуется сейчас большой популярностью.

Таким образом, Земля как планета сформировалась около 4,6 млрд лет назад. С момента начала сжатия облака межзвезд­ного вещества газово-пйлевой туманности под воздействием вспышки сверхновой звезды прошло около 0,5 млрд лет, а мо­жет быть, и меньше. За этот временной интервал сформировались основные земные протосферы и началась та часть истории Земли, длительностью 0,5—0,6 млрд лет, которая скрыта от исследовате­лей, так как возраст древнейших пород не превышает 4,0 млрд лет.