<< Пред. стр. 27 (из 55) След. >>
Список литературы по разделу
распался на отдельные сгущения. Далее в результате взаимных
столкновений происходило слипание отдельных пылинок и
образование твердых тел, для которых американский геолог Т.
Чемберлин еще в 1901 году ввел название "планетезимали". По
оценкам В.С. Сафронова, превращение системы сгущений пыли в рой
твердых тел продолжалось всего 10 000 лет на расстоянии Земли
от Солнца и около 1 000 000 лет на расстоянии Юпитера. При этом
масса планетезималей в области планет земной группы была
значительно меньше, чем в области планет-гигантов.
Все это время протосолнце проявляло очень высокую
активность. При мощных вспышках оно выбрасывало потоки
заряженных частиц; двигаясь вдоль магнитных силовых линий, они
переносили момент количества движения от Солнца к
протопланетному облаку. Кроме того, благодаря столкновениям
высокоэнергичных легких частиц (протонов и нейтронов) с
веществом протопланетного облака, происходили определенные
ядерные реакции. Именно таким путем и образовался большой
избыток легких химических элементов -- лития, бериллия и бора,
которых в земной коре и метеоритах значительно больше, чем в
атмосфере Солнца. В результате взаимных столкновений
планетезималий происходил рост одних и дробление других. Со
временем орбиты крупнейших из них приближались к круговым, а
сами они превращались в зародыши планет, объединяя все
окружающее вещество. Расчеты показывают, что рост Земли до
современных размеров продолжался всего 100 миллионов лет.
Выпадание отдельных сгущений на Землю и ее сжатие привели
к постепенному разогреву ее недр. На момент сформирования Земли
температура в ее центре не превышала 800 oК, на поверхности 300
oК, а на глубине 300--500 км -- около 1500 oК. Со временем все
большую роль здесь играли процессы радиоактивного распада, при
которых выделялось значительное количество энергии. В
результате этого отдельные области земных недр разогрелись до
температуры плавления. Наступила продолжительная фаза
гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические
элементы и соединения опускались вниз, легкие -- поднимались
вверх. Этот начальный этап формирования земной коры продолжался
около 1 миллиарда лет.
На ранней стадии своего развития протоземля была окружена
облаком небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км.
Со временем из них на расстоянии около 10 земных радиусов (60
000 км) сформировалась Луна. Одновременно началось ее медленное
удаление от Земли, которое продолжается и теперь. Оно
сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей
оси. Безусловно, современная планетная космогония встречается
еще со многими трудностями. Приведенная здесь схема развития
Земли (аналогично формировались и другие планеты) -- лишь одна
из возможных гипотез, детально разъясняющих, как именно планеты
и Солнце образовались из одного газопылевого облака и что сами
планеты сформировались из роя холодных и твердых тел*.
Существенно отличается от описанной выше "холодной" модели
образования Солнечной системы -- концепция известного шведского
астрофизика, лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альвена**. Он
строит свою гипотезу, опираясь на теорию космической плазмы.
Кроме того, Альвен считает, что невозможно понять механизм
образования планет без одновременного уяснения процесса
образования их спутников. Исходя из данного принципа, он
приходит к выводу, что история эволюции Солнечной системы может
быть описана с помощью введения пяти стадий развития, частично
перекрывающихся во времени.
1. Ближайшая к нам стадия -- в течение последних 4
миллиардов лет -- медленная эволюция первичных планет,
спутников и астероидов, приведшая к современному состоянию всех
этих тел в Солнечной системе. При исследовании этой, позднейшей
фазы эволюции (постаккреционной эволюции), подготавливается
базис для реконструкции состояния, возникшего в результате
более ранних процессов.
2. Предшествующая рассмотренной стадии -- аккреционная
эволюция сконденсировавшихся частиц, движущихся по кеплеровским
орбитам и образовывающих планетезимали, которые в результате
продолжающейся аккреции увеличиваются в размерах. Эти
планетезимали являются зародышевыми предшественниками тех
массивных тел, которые в настоящее время имеются в Солнечной
системе. Тем самым реконструируются химические и динамические
свойства совокупности первичных твердых частиц.
* См.: Климишин И.А. Астрономия наших дней. М., 1976. С.
450--453.
** См.: Альвен Х. Космическая плазма. М., 1983.
3. Для возникновения движения твердых частиц по
кеплеровским орбитам вокруг Солнца и протопланет необходимо,
чтобы на стадии эволюции, предшествующей аккреции, произошел
перенос углового момента от этих центральных тел к окружающей
среде.
4. Стадия локализации газа и пыли, формирующая среду
вокруг намагниченных центральных тел, в тех областях, где
позднее благодаря процессам аккреции возникают планеты и группы
спутников.
5. Формирование Солнца -- первого центрального тела,
образовывающегося путем аккреции из первичного облака, из
которого впоследствии возникла вся Солнечная система.
Следующий шаг, который делает в анализе Альвен, -
попытка определить, какие именно процессы активно протекали на
различных стадиях эволюции, или по крайней мере привести
примеры процессов, заслуживающих более пристального изучения. В
данной области науки, как, впрочем, и в других областях, очень
трудно полностью обойтись без спекулятивных догадок, но,
высказывая эти догадки, необходимо всегда сохранять тесный
контакт с физической реальностью. Иначе старый миф попросту
заменится на новый.
Прежде всего важно осознать, что в момент образования
Солнечной системы условия в нашей части космического
пространства во многих отношениях отличались от сегодняшних, но
при этом были справедливы те же самые общие законы физики.
Твердые тела, включая мелкие частицы и пылинки, двигались тогда
по кеплеровским орбитам, подобным теперешним. В космическом же
пространстве находилась плазма, параметры которой наверняка
отличались от современных, но это отличие вовсе не было таким
уж кардинальным.
В согласии с изложенными выше принципами Альвен
предпринимает попытку реконструировать позднейшую стадию
эволюции планет и спутников. Он считает: есть достаточно веские
причины полагать, что в течение последних 4 миллиардов лет ни
химический состав, ни элементы орбит планет и спутников
существенно не изменились. На поверхности Земли и некоторых
других небесных тел происходила медленная геологическая
эволюция, а что касается элементов их орбит, то главные их
параметры испытывали так называемые "вековые изменения",
представляющие собой периодические вариации в довольно узких
пределах значений. Здесь имеются два исключения: приливные
эффекты изменили орбиты Луны и Тритона -- спутника планеты
Нептун. Почти во всех других отношениях Солнечная система 4
миллиарда лет назад выглядела абсолютно так же, как и сегодня.
Датирование с помощью радиоактивных изотопов показало,
что этому долгому и устойчивому периоду предшествовал другой
(продлившийся, по всей вероятности, несколько десятков или
сотню миллионов лет), во время которого сформировалась
Солнечная система. Вещество, из которого сейчас состоят планеты
и спутники, собралось воедино из некоторого раннего
зародышевого или "планетезимального" состояния, когда оно было
рассеяно в виде большого числа малых частиц. Последние
двигались вокруг Солнца по кеплеровским орбитам, но при этом
сталкивались друг с другом, и в результате в процессе аккреции
возникли теперешние небесные тела. Кратеры, которые мы
наблюдаем на поверхности Луны и других тел, представляют
наглядные свидетельства "ливня" планетезималей, под
воздействием которого эти тела выросли до своих современных
размеров.
И действительно, сравнивая различные фотографии Луны,
Меркурия, Марса и Фобоса, спутников планет-гигантов, полученные
во время космических полетов, мы обнаруживаем, что кратерная
структура их поверхностей настолько одинакова, что можно
заключить следующее: все эти твердые тела развивались сходным
образом и в некоторых отношениях соответствуют различным
стадиям одного и того же процесса эволюции. Этот факт делает
возможной реконструкцию истории Земли. По Альвену, Земля должна
была пройти через стадию чрезвычайно небольшого тела, по
размерам подобного, к примеру, Фобосу -- самому малому из
известных к настоящему времени небесных тел. На поверхности
Фобоса имеется ряд кратеров, образовавшихся в результате
падения планетезималей. Когда Фобос достиг своего теперешнего
размера, все планетезимали в окружающем его космическом
пространстве оказались исчерпанными. Для Земли же, однако, это
состояние было лишь промежуточным этапом: дождь планетезималей
продолжался, и Земля росла все больше и больше. Когда мы
смотрим на Луну, то видим перед собой как бы "моментальный
снимок Земли" в том возрасте, когда она нарастила за счет
аккреции только 1% своей теперешней массы. Меркурий и Марс
соответствуют более поздним этапам "детства" Земли, когда масса
ее составляла 4%, и, затем, 10% современного значения. Из этих
"фотографий" можно заключить, что ранняя история Земли была
довольно монотонной -- это непрерывный дождь планетезималей.
Следующий вывод: когда планетное тело достигает размеров Марса,
оно начинает удерживать -- или наращивать путем аккреции --
некоторую атмосферу; кратеры на его поверхности постепенно
выветриваются и изменяются под воздействием других
геологических явлений. Эти процессы становятся все более
отчетливо выраженными по мере роста тела, и когда оно достигает
размеров Земли или Венеры, геологическая эволюция к тому
времени стирает с его поверхности все свидетельства аккреции
планетезималей.
Картина планетезимального состояния, полученная Альвеном,
коренным образом отличается от лапласовского. Планетезимали
фактически движутся по сильно эксцентричным и наклонным
орбитам, а вовсе не по круговым орбитам лапласовского диска, по
поводу которого некоторые космологи утверждают даже, что он
есть не что иное, как чрезвычайно тонкий слой частиц, подобный
кольцам Сатурна. Эти различия существенны для понимания
процесса аккреции планет и их спутников, но они не менее
существенны для следующего шага назад во времени -- для
реконструкции процесса аккреции планетезималей из частиц,
сформировавшихся в плазме или захваченных ею.
Одна из центральных проблем во всех попытках
реконструировать происхождение планетезимального состояния
состоит в ответе на вопрос: каким образом частицы попали на
орбиту? Этот процесс должен быть связан с переносом углового
момента от вращающегося центрального тела -- Солнца или планеты
-- к окружающим его планетезималям. На основе научно
достоверных аргументов, заимствованных из различных областей
знания, Альвен доказывает, что в современных условиях
существует плазменный механизм, реализующий перенос углового
момента от центрального тела к окружающей его плазме. В
свободно вращающейся плазме устанавливается равновесие между
основными действующими на нее силами, т. е. между гравитацией,
центробежной силой и электромагнитными силами. Они
уравновешивают друг друга таким образом, что в плазме силе
тяготения совместно противостоят центробежная сила и
магнитогидродинамические силы.
Что будет происходить в такой свободно вращающейся плазме
с частицами, появляющимися в результате конденсации или
захвата? Оказывается, когда эти частицы достаточно велики,
чтобы двигаться независимо от магнитного поля, они будут
образовывать тела, обращающиеся по кеплеровским эллиптическим
орбитам с эксцентриситетом е = 1/3. Если в одной и той же
области пространства возникнет целый ряд таких тел, то они
будут взаимодействовать друг с другом посредством, к примеру,
соударений. Окончательный итог этого процесса состоит в
следующем: сконденсированные тела будут двигаться по круговым
орбитам, причем их расстояние до центрального тела будет
составлять 2/3 расстояния, на котором сконденсировалась
свободно вращающаяся плазма.
В итоге Альвен формулирует важные законы перехода от
состояния свободно вращающейся плазмы в состояние кеплеровского
движения:
1. На первой стадии возникают твердые тела, вращающиеся
по эллиптическим орбитам с е = 1/3.
2. На заключительной стадии эксцентриситет орбит
уменьшается.
3. Имеется некоторый общий коэффициент сокращения, равный
2/3.
К сожалению, в концепции Альвена (как, впрочем, и в любых
других космогонических гипотезах) невозможно проверить
полученные результаты с помощью наблюдательных данных,
относящихся к современной эпохе, поскольку при теперешних
условиях в Солнечной системе вряд ли можно ожидать наличия
подобной конденсации.
Российский геолог академик Н.А. Шило внес важное уточнение
в "горячую" гипотезу происхождения Солнечной системы. Ученый
считает, что она образовалась из горячего спиралевидного
облака, которое превышало в диаметре современную Солнечную
систему и вращалось против часовой стрелки. Оно, в свою
очередь, могло возникнуть в рукаве Галактики в условиях сжатия,
неустойчивости и развития сильных газовых вихрей. В центре
протосолнечного облака -- спирали первого порядка --
образовалось ядро, которое вобрало в себя основную массу (более
98 %) всего вещества спирали. На ее витках, где скапливалось
остальное вещество, возникали местные завихрения --
протопланетные спирали второго порядка; их ядра впоследствии
преобразовались в планеты. На спиралях второго порядка, в свою
очередь, формировались более мелкие вихри, или спирали третьего
порядка, со своими ядрами -- будущими спутниками планет. В
соответствии с направлением вращения всего облака спутники в
основном приобрели движение, согласное с вращением планет и
Солнца, возникшего из центрального ядра.
Такая модель образования Солнечной системы снимает
противоречия в распределении массы и момента количества
движения между Солнцем, планетами и их спутниками. Смутившая
академика Шмидта разница между ними определилась неодинаковой
угловой скоростью вращения ядра спирали первого порядка и ее
ветвей, на которых образовались спирали второго и третьего
порядков с протопланетными и протоспутниковыми ядрами.
Вспомним, что даже и ныне у Солнца, а также, вероятно, и у
планет-гигантов угловая скорость внешних газовых слоев больше,
чем внутренних. В свете этого находит объяснение и сильный рост
удельного вращательного момента по мере удаления планет от
Солнца. По-видимому, тут сказалось различие угловых скоростей
витков спирали первого порядка, различие масс ядер в спиралях
второго и третьего порядков, а также движение сложных вихрей со
своими частными моментами количества движения, наконец,
различие в запасах тепловой энергии.
Модель Н.А. Шило объясняет и сосредоточение спутников в
средней части планетного роя -- у Юпитера и Сатурна. Ближе к
Солнцу спутники или вообще не возникали (Меркурий, Венера), или
их сформировалось мало (Земля, Марс). Центральное ядро отбирало
вещество, удаленное от протопланетных ядер спиралей второго
порядка, не позволяло возникнуть там спиралям третьего порядка.
В некотором же удалении, на витках спирали первого порядка,
гравитационное влияние было слабее, поэтому в сгустках
протопланетного вещества скапливались достаточно большие массы,
развивались сильные вихревые движения -- они формировали
спирали второго порядка, чьи ядра затем превратились в
планеты-гиганты. На витках этих спиралей вихревые движения
преобразовывались в спирали третьего порядка, ядра которых
стали потом планетными спутниками. На самых удаленных витках
спирали первого порядка гравитационное поле центрального ядра
было еще больше ослаблено. Здесь, вероятно, и термический режим
оказался не столь мощным, что возбуждало менее сложные вихревые
движения, и спутников формировалось меньше. Видимо, в зоне
образования Плутона скорости были настолько малы, что на самом
последнем витке спирали первого порядка происходило рассеивание
вещества за пределы солнечной системы.
Гипотеза Н.А. Шило объясняет разброс плотностей и масс
планет. Можно допустить, что концентрация протопланетного
вещества в ядрах спиралей второго и третьего порядков шла при
участии развивавшихся в вихрях центробежных сил. Силы
притяжения ядер проявлялись на фоне мощных закручивающих
движений. Подобные условия образования планет допускают и
начальную дифференциацию протопланетного вещества. Это упрощает
понимание механизма формирования внутренних сфер планет и
истолкование их химического состава. Вероятно, протопланетное
вещество было не холодным, как считал академик Шмидт, а
горячим.
Тепловой режим (по крайней мере Земли) до сих пор
связывают с распадом радиоактивных элементов. Но они в
достаточных количествах есть только в самых кислых породах. А
тех недостаточно, чтобы обеспечить наблюдаемые
тепломассообменные процессы даже в литосферных слоях Земли. Еще
труднее объяснить тепловой режим планет, внутренние сферы
которых состоят из водорода или других легких элементов, а тем
более спутников. Но если принять во внимание сильные вихревые
движения нагретого вещества, энергия которого перешла в планеты
<< Пред. стр. 27 (из 55) След. >>
Список литературы по разделу