Удивительная Солнечная система

В последнее время теоретиками разработано немало моделей формирования звезд с планетными системами; нет смысла подробно освещать их. Ясно лишь, что классическая модель Хаяши – Накано при всех ее достоинствах все же очень приблизительна: в ней не учитываются вращение звезды, вихревые движения, магнитные поля, изначальная неоднородность вещества протозвездного облака по плотности и температуре и т. д. Этого недостатка лишены более поздние теоретические конструкции. Например, в модели Ларсона (1969 год), построенной для изначально неоднородного протозвездного облака солнечной массы, очень быстро образуется непрозрачное для инфракрасного излучения ядро, а скорость падения на него вещества получается порядка 15 км/с, что гораздо выше, чем в модели Хаяши – Накано. Созданы модели гравитационного сжатия несферического облака (например, цилиндрического), в некоторых моделях учтено влияние магнитного поля и т. п.

Любопытно, что результат моделирования оказался сильно зависящим от принятого численного метода расчетов, так что теоретикам пришлось потратить немало времени на их сверку. Менее удивительно то, что результат оказался весьма сильно зависящим от принятых начальных условий. Скажем, при одних начальных условиях вокруг протозвезды образовывался газовопылевой диск, а при других – тор («бублик»). Это говорит о том, что и в реальности скорее всего реализуются самые разные сценарии.

Протопланетные диски (или нечто трактуемое как диски) действительно обнаружены у ряда молодых звезд. (Первый диск был обнаружен методами инфракрасной астрономии около Веги. В дальнейшем пылевой диск радиусом около 200 а.е. был обнаружен у Фомальгаута; нечто похожее также найдено у других звезд.) Вращающееся вокруг протозвезды вещество приобретает сплюснутую форму под действием тех же неупругих столкновений между частицами, о которых (столкновениях) говорилось в первой главе. Разница между сплющиванием вращающейся «заготовки» галактики и вращающегося протопланетного облака заключена лишь в масштабах. Первые же попытки трехмерного моделирования показали, что протопланетный диск (или тор, все равно) неизбежно будет фрагментировать. Между прочим, в пылевом диске Веги найден сгусток – возможно, формирующаяся планета-гигант.

Совсем не исключено и даже вероятно, что во вращающемся и постепенно сплющивающемся диске (ладно, пусть будет диск) возникнет нечто напоминающее спиральные рукава. Вряд ли их возникновению может помешать мощное излучение центрального светила – протозвезды. Скорее это излучение будет «обжимать» имеющиеся в диске неоднородности и ускорит фрагментирование. (В очень молодых галактиках по сути та же картина: мощнейшее излучение «центрального монстра», куда падает имеющееся в избытке диффузное вещество, подпитывая источник излучения, несомненно, вмешивается в процесс образования спиральных рукавов и их фрагментации.) И пусть нам пока не известны многие детали процессов, приводящих к образованию планет, зато понятно главное: процесс распада протопланетного диска на фрагменты есть процесс естественный и закономерный. Главное, чтобы протопланетный диск вообще имелся в наличии.

Похоже, что он есть в наличии всегда, несмотря на мощное излучение протозвезды и «звездный ветер», состоящий преимущественно из электронов и протонов. Какая-то часть около-звездного вещества непременно будет рассеяна действием этих факторов – но не вся. Но может ли случиться так, что все вещество протозвездной туманности сконцентрируется в протозвезде и на протопланетный диск просто не останется газа и пыли?

Теоретические модели, особенно учитывающие первичную неоднородность облака, однозначно говорят: не может. Протозвезда всегда загорается раньше, чем на нее упадет вещество с периферии. С особенной силой это касается массивных и сверх-массивных протозвезд. Как мы уже знаем, такие протозвезды всегда окружены плотными «коконами» газово-пылевой материи и потому не наблюдаемы как оптические источники. Чем массивнее звезда, тем раньше у нее образуется лучистое ядро, тем мощнее оно излучает и тем раньше излучение останавливает аккрецию (оседание) вещества на ядро. Расчеты показывают, что из протозвездного облака с массой 150 солнечных масс получится в лучшем случае звезда с массой в 65 солнечных, а остальное вещество останется в «коконе», который со временем будет рассеян в пространстве совместным действием излучения и «звездного ветра».

Но не весь! Возле протозвезды, массивная она или нет, останется протопланетный диск, и в нем одновременно с образованием «зародышей» планет (планетезималей) пойдут процессы дифференциации вещества. Легкие элементы будут вытолкнуты подальше от протозвезды, тяжелые останутся. Во всяком случае, необычно большая средняя плотность Меркурия и отсутствие на Венере воды могут быть объяснены именно действием излучения Протосолнца, минимум в сто раз более мощным, чем современное. Так же непринужденно объясняется тот факт, что тела дальней периферии Солнечной системы состоят преимущественно из льдов (вымороженных газов).

Так или иначе, еще до момента «посадки» Солнца на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга – Рессела вокруг него уже обращалось некоторое (причем, по-видимому, довольно значительное) количество планетезималей. Их орбиты были расположены хаотично, что, естественно, приводило к столкновениям. При этом планетезимали росли по массе, уменьшаясь в числе. Материал, выброшенный при столкновениях, впоследствии захватывался той же или иной планетезималью. Прошло относительно немного (естественно, по космогоническим меркам) времени – и «остались сильнейшие»: образовалась семья планет с орбитами, исключающими возможность их столкновения друг с другом. (Кроме пояса астероидов, о нем речь пойдет ниже.)

Что такое «солнечный ветер», знают более или менее все. Полезно сказать еще раз: под его действием (совместно с давлением света) еще на допланетной стадии происходила дифференциация вещества в протопланетном диске. Надо учесть, что «протосолнечный ветер», а также излучение Протосолнца были гораздо сильнее, чем в наше время. Не следует удивляться тому, что средняя плотность планет в целом падает по мере удаления от Солнца. Наибольшая она у Меркурия: 5,43 г/см

; наименьшая – у Сатурна: 0,70 г/см

. Впрочем, газовые планеты – это отдельная песня. Лучше сравнивать твердые тела с твердыми телами. Так вот, средняя плотность Плутона составляет 1,1 г/см

. Примерно такова же плотность трансплутоновых тел. Это означает, что они состоят из смеси каменных пород и льдов с преобладанием последних. Заметную долю составляет наш обычный водяной лед.

На Меркурии и Венере практически нет воды. На Земле ее много, на Марсе – заметно меньше, зато три из четырех галилеевых спутников Юпитера покрыты толстой ледяной корой, состоящей преимущественно из водяного льда; то же можно сказать и о спутниках Сатурна, Урана, Нептуна. Вообще чем дальше от Солнца, тем больше водяного льда. Может быть, в протосолнечную эпоху граница удержания воды проходила где-то между орбитами Земли и Венеры?

Так или иначе, начальное распределение плотности вещества в протопланетном диске и излучение (волновое и корпускулярное) Протосолнца привели к образованию двух классов планет: внутренних и внешних. Первые – твердые тела, окруженные сравнительно тонкими атмосферами. Вторые – пухлые газовые гиганты, имеющие, согласно расчетам, твердые ядра, но состоящие преимущественно из газа практически первичного состава. Орбиты планетезималей, по-видимому, с самого начала не были очень уж эксцентрическими – за исключением тех «невезучих» тел, чье существование давно оборвалось при столкновениях. В этой связи интересно поговорить о происхождении Луны.

Считается, что Луна младше Земли. Разница в их возрасте оценивается (довольно неуверенно) в 60 тысяч лет. Строго говоря, Протолуна, имея массу в десятки раз меньше массы Протоземли, а значит, будучи значительно менее глубокой гравитационной «ямой», и должна была эволюционировать медленнее, а потому гипотеза о раздельном возникновении Земли и ее естественного спутника не опровергнута. Однако в последнее время в научно-популярных книгах и фильмах пропагандируется другая гипотеза: Луна есть не что иное, как тело, сконденсировавшееся из вещества, выбитого из Земли ударом. В рамках этой гипотезы предполагается, что очень молодая Земля испытала столкновение с космическим телом размером примерно с Марс.

Строго говоря, ничего удивительного в таком столкновении быть не может. Скорее всего где-то около современной орбиты Земли первоначально возникло несколько планетезималей. Эти тела, состоящие из пыли, «сползшей» в гравитационные «ямы» первичных неоднородностей в протопланетном диске, должны были сталкиваться. При этом скорость соударения вряд ли была очень высокой, поскольку планетезимали двигались по близким орбитам. Во всяком случае, значительная часть вещества после соударения не выбрасывалась в пространство, а шла на наращивание массы протопланеты. Иное дело, когда вместо соударения тел с характерным поперечником 1000 км в молодую Землю, уже имевшую почти современную массу, врезается тело размером с Марс! При этом должно выброситься довольно много вещества, которое, однако, не приобретет параболической («второй космической») скорости и не покинет Землю навсегда. Расплавленное при ударе вещество останется на околоземной орбите и со временем соберется в единое тело – молодую Луну.

Первоначально ее орбита будет сравнительно низкой – что-нибудь около 20–30 тыс. км от Земли. Однако со временем под действием приливных сил Луна будет мало-помалу выходить на все более высокую орбиту (при этом вращение Земли будет замедляться), пока наконец не отдалится аж на современные 384 тыс. км.

Реалистичен ли такой сценарий? Вполне. Однако надо подчеркнуть: речь идет о гипотезе, не проверенной (да и проверяемой ли в принципе?) и пока не ставшей общепризнанной теорией. Как бы ни любили СМИ разнообразные сенсации, в том числе научные, разумному читателю/зрителю следует соблюдать осторожность. Мы еще поговорим о научных сенсациях, уже ставших в массовом сознании чем-то вроде непреложной истины, несмотря на скепсис ученых.

Читатель хочет знать – и это его право. Наука же, к сожалению, не может снабдить его исчерпывающими ответами на все вопросы, которых становится тем больше, чем активнее наука продвигается вперед. Это нормально. Таково уж свойство человеческого интеллекта, остающееся таким даже в нашу эпоху прогрессирующей деинтеллектуализации обывателя. Не винить же ту любопытную обезьяну, от которой произошел человек, в том, что свою любознательность она передала потомкам!

Приходится признать, что многого мы еще не знаем и, возможно, узнаем не скоро. Кому невтерпеж, тот может самостоятельно измыслить те или иные теоретические концепции (несть числа самодеятельным космогонистам и опровергателям теории относительности) или, допустим, поискать рациональное зерно в астрологии – пожалуйста! Но эта книга о другом.

Вернемся, однако, к Земле. Мы знаем ее достаточно хорошо, чтобы на ее основе понять закономерности процесса формирования и эволюции планет земной группы, – отличия же других планет от Земли будут носить характер поправок. Прежде всего: была ли Земля изначально холодной – или расплавленной?

Эта дилемма волновала ученых долгое время. Согласно теории Лапласа планеты формировались из холодного пылевого облака и были изначально холодными, согласно теории Джинса – наоборот. Температура земных недр составляет в настоящее время примерно 1200 °C; вулканическая лава и газы фумарол практически никогда не нагреты свыше 1100 °C. Из этого следует, что недра Земли находятся преимущественно в твердом состоянии. Но было ли так всегда?

Расчеты показывают: да, было. Разумеется, конденсация пыли в планетезималь неизбежно сопровождалась нагревом, да и столкновения между планетезималями неминуемо высвобождали массу тепловой энергии, однако в настоящее время считается, что Земля никогда не была полностью расплавленной. Не была она, впрочем, и «космически холодной» – просто по закону сохранения энергии. Земля никак не могла излучить в пространство всю тепловую энергию, выделявшуюся сначала при осаждении на нее космической пыли, а затем при начавшемся процессе гравитационной дифференциации вещества.

Гравитационная дифференциация – что это за зверь? По сути это вульгарное «тяжелое – тонет, легкое – всплывает», известное каждому на примере хотя бы воды и льда. Средняя плотность Земли составляет 5,515 г/см

, тогда как средняя плотность земной коры – всего лишь около 2,5 г/см

. Плотность вещества мантии несколько выше, порядка 3,5 г/см

, но все равно далеко не достигает средней плотности Земли. Отсюда сразу следует высокая плотность земного ядра – не менее 8 г/см

. Невозможно предположить, чтобы такая разница в плотностях внутренних и наружных слоев планеты существовала изначально. Следовательно, тяжелые породы опускались на глубину, а легкие – всплывали. Процесс этот продолжается и поныне.

Здесь придется сделать отступление. Как известно, во время Первой мировой войны немцы бомбили Лондон с цепеллинов. Последние, будучи наполнены водородом, сравнительно легко уничтожались даже такими примитивными средствами ПВО, какие существовали в то время. Но однажды случился удивительный казус: цепеллин, пробитый во многих местах и теряющий высоту, упорно не желал гореть, как его предшественники. Впоследствии выяснилось: его баллоны были наполнены гелием.

По нынешним временам, гелий – банальность, но тогда это было не так. Впервые гелий был открыт на Солнце спектроскопическими методами. Считалось, что на Земле его столь мало, что не стоит и возиться с его добычей. Немцы, однако, показали, что это не так.

Откуда же берется земной гелий? В составе «солнечного ветра» содержатся – в виде ионов – гелий-3 и гелий-4. От того-то в лунном реголите немало гелия, нанесенного туда за миллиарды лет. На Земле, однако, этот механизм не работает, поскольку Земля имеет достаточно мощную магнитосферу, защищающую поверхность планеты от солнечных заряженных частиц. Лишь иногда при особо мощных солнечных выбросах некоторой части заряженных частиц, отклоненных магнитным полем Земли к полюсам, удается проникать в атмосферу и вызывать свечение атомов, известное как полярные сияния. В норме, однако, этого нет, и так невозможно объяснить существование земного гелия. Не может он иметь и первичное происхождение, так как весь первичный гелий давно диссипировал (улетучился) в космическое пространство. Следовательно, земной гелий образовался на месте.

Каким образом? В 1896 году А. Беккерель открыл радиоактивность. Смысл этого типа ядерных реакций состоит в перекомбинациях протонов и нейтронов в атомном ядре, в результате чего образуются новые элементы и выделяется большое количество тепла. В появлении земного гелия «повинен» главным образом торий. Его альфа-распад приводит к постепенному накоплению гелия. Выделяющееся при подобных реакциях тепло какое-то время считалось главной причиной высокой температуры земных недр. Немцы добыли гелий для своего несгораемого цепеллина, прокаливая монацитовый песок, который привозили из колоний на судах под видом балласта. Монацит – минерал класса фосфатов, содержащий торий. Под действием нагрева из микротрещин в песчинках выделялось какое-то количество гелия.

Но оставим в покое немцев и их цепеллины. Существуют ли на земле другие реакции с выделением тепла? Конечно. Например, оба изотопа урана, распространенные на Земле, нестабильны. Однако наибольшее тепловыделение происходит при бета-распаде калия-40 – просто потому, что на Земле гораздо больше калия, чем тория, урана и некоторых других нестабильных изотопов. Калий-40 спонтанно превращается в аргон-40, который остается в породе (на этом основан калий-аргоновый метод определения возраста породы). Но можно ли считать радиоактивный распад калия-40 главной причиной высокой температуры земных недр? Какое-то время считалось, что да, можно. Теперь ясно, что эта причина – второстепенная. Распад радиоактивных элементов в настоящее время обеспечивает лишь 15 % нагрева, а 85 % приходится на нагрев вследствие гравитационной дифференциации недр планеты. Лишь в архее и раннем протерозое распад калия-40 мог конкурировать по энерговыделению с гравитационной дифференциацией. Теперь же калия-40 в земных недрах осталось гораздо меньше, чем в те времена.

Не забудем о «железном пике». В состав вещества, формировавшего планеты Солнечной системы, входило немало железа. При плотности 7,8 г/см

железо, даже будучи окисленным, все равно имеет плотность, превосходящую среднюю плотность пород земной коры. Но первичная атмосфера Земли была восстановительной, а не окислительной, как сейчас. Следовательно, железо на очень молодой Земле присутствовало в металлическом виде и медленно «тонуло» в мантии, устремляясь к центру планеты и формируя земное ядро. Причина энерговыделения при этом процессе следует из школьной физики: потенциальная энергия превращается в тепловую.

Выше было сказано, что вещество значительной части Земли пребывает в твердом состоянии. Это так, однако при огромных давлениях земных недр оно ведет себя как чрезвычайно вязкая жидкость, что в полной мере проявляется лишь на больших промежутках времени. Можно привести аналогию (честное слово, не знаю, вполне ли корректную) с выплавкой меди в примитивных сыродутных печах. Процесс этот, освоенный на Ближнем Востоке на рубеже VII–VI тысячелетий до н. э., заключается в том, что великолепную местную руду, являвшуюся по сути почти чистым окислом меди, перекладывали слоями с дробленым углем в чреве простейшей печи, собранной из камней, скрепленных глиной. При небольших размерах поддувала и полном отсутствии дымовой трубы уголь окислялся не до углекислого, а лишь до угарного газа, являющегося мощным восстановителем. Но нас должен интересовать не примитивный (школьный) химизм реакции, а температура внутри печи.

Так вот: она находилась в пределах 800–900 °C, что и подтвердили современные опыты с реконструированными сыродутными печами. Но как же так? Ведь температура плавления меди равна 1083 °С! Выходит, медь в печи не доводилась до расплавленного состояния?

Так и выходит. Плавка и выплавка – это разные слова. Под действием восстановителя медь «отпотевала» из окисла, после чего, находясь в пастообразном состоянии, медленно, каплями, просачивалась на дно печи, где и накапливалась в глиняном поддоне.

Примерно так железо вместе растворенными в нем другими металлами опускалось в ядро планеты. Характерная скорость такого рода движения – несколько сантиметров в год – видна из движения материков.

Позвольте, но при чем тут материки? Опять-таки мне придется сделать некоторое отступление.

В 1912 году А. Вегенер, обратив внимание на сходство береговой линии Африки и Южной Америки, предложил теорию дрейфа континентов. Согласно ей, существовавший некогда единый гигантский материк Пангея раскололся на блоки – сначала на Гондвану и Лавразию, разделенные морем Тетис, а затем и на более мелкие блоки – современные материки. В те времена было, разумеется, невозможно измерить скорость движения материков непосредственно, и геофизики, привыкшие иметь дело с синклиналями, антиклиналями и медленными вертикальными движениями земной коры, приняли идею Вегенера в штыки.

Материки движутся, ползут? А почему, собственно? Как могут одни горные породы скользить по другим? Вы пробовали волочить бетонную плиту по асфальту? Получается примерно то же самое. Не видно вещества, готового сыграть роль «смазки», и не видно сил, способных обеспечить движение.

Позднее, однако, накопилось немало фактов, говорящих о единстве материков в прошлом (следы гондванского оледенения на юге Африки и в Индии, идентичность ископаемой флоры и фауны на материках, разделенных ныне океанами). Введением гипотетических сухопутных «мостов» (впоследствии затонувших) между материками задача не решалась. Пришлось все-таки измышлять способы скольжения материков по твердой подстилке, и задача, как легко понять, была далека от решения, поскольку невозможно решить задачу, которая решения не имеет. Позиции «фиксистов», отрицавших возможность дрейфа материков, оставались как бы не более прочными, чем позиции «мобилистов», постулировавших такой дрейф.

Спор в основном решился в 60-е годы XX века, когда было понято: материки не скользят по твердой поверхности, а движутся вместе с земной корой, нарастающей в области срединноокеанических хребтов и «ныряющей» в мантию в глубоководных желобах. Главное доказательство добыли морские геологи, открывшие на дне океанов полосовые магнитные аномалии. Что это такое?

Земля, как известно, намагничена. При этом магнитные полюса планеты через неравные промежутки времени меняются местами. Магнитное поле ослабевает, затем ненадолго исчезает совсем, после чего вновь усиливается, только северный магнитный полюс теперь становится южным, и наоборот. Горячая лава не имеет магнитных свойств, но, как только остывает ниже точки Кюри, сразу намагничивается геомагнитным полем. Исследуя намагниченность океанского дна (кстати, это можно делать с поверхности океана), ученые сразу же натолкнулись на чередующиеся полосы «правильной» (то есть соответствующей современной полярности геомагнитного поля) и обратной намагниченности горных пород океанского дна. А возраст донных пород, определенный калий-аргоновым методом, оказался наименьшим близ срединно-океанических хребтов и монотонно возрастающим по мере удаления от них. На дне океанов вообще нет коры более древней, чем юрская (порядка 180 млн лет).

Объяснить это можно только одним способом: материки действительно дрейфуют за счет разрастания морского дна в зонах срединно-океанических хребтов. В глубоководных желобах океаническая кора, напротив, «ныряет» в мантию, где производит глубокофокусные (с гипоцентром на глубинах до 600–700 км) землетрясения, весьма ощутимые на больших площадях (чего не скажешь о мелкофокусных землетрясениях, подчас разрушительных, но затрагивающих лишь небольшие участки земной коры). Причина глубокофокусных землетрясений – внезапный и резкий отлом части плиты, изогнутой при погружении.

Далее куски плиты, увлекаемые мантийной конвекцией к земному ядру, погружаются все глубже, мало-помалу размягчаясь, и в конце концов отдают ядру если не все содержащееся в них железо, то по меньшей мере его часть. Лишь материки относительно стабильны и сохраняют в себе железо, которого в них, впрочем, немного по сравнению с ядром – именно поэтому материки «легкие» и «плавают», а океаническая кора в зонах субдукции (погружения) «ныряет» под них, а не наоборот, что было бы весьма печально.

Окончательно убедить наиболее упорных «фиксистов» удалось лишь прямыми измерениями скорости дрейфа материков. В наше время это совсем не проблема. Оказалось, что обе Америки удаляются от Старого Света со скоростью в среднем 4 сантиметра в год (измерения в разных точках дают величины от 3 до 7 сантиметров в год). Активнее всего – порядка 12 см в год – нарастает морское дно вокруг подводного рифта, расположенного в Тихом океане несколько южнее экватора. Есть и «ленивые» рифты, разрастающиеся со скоростью не более 1 см в год.

Итак, основная причина высокой температуры земных недр и мантийной конвекции – гравитационная дифференциация вещества. Считается, что на Земле этот процесс в основном закончится примерно через 1,5 млрд лет, после чего наша планета успокоится – не будет ни мантийной конвекции вещества, ни землетрясений, ни вулканизма. Но можно ли утверждать, что гравитационная дифференциация вещества идет только на Земле?

Ни в коем случае. Вне всякого сомнения, то же самое происходит (либо происходило в прошлом) на всех планетах земной группы, а также на крупных спутниках планет. К сожалению, это пока нельзя измерить непосредственно. Однако шарообразность практически всех космических тел, чей поперечник превышает 250–300 км, есть факт, а как под действием сил собственного тяготения может возникнуть шарообразность тела, если не через нагрев и размягчение его недр?