Возникновение и развитие нашей планеты рисунок. Когда и как образовалась земля. Ранние теории происхождения Вселенной

Волновал умы ученых многие тысячелетия. Было и есть множество версий - от сугубо теологических до современных, сформированных на основе данных исследований дальнего космоса.

Но так как при образовании нашей планеты присутствовать никому не довелось, остается рассчитывать только на косвенные «улики». Также большую помощь в снятии завесы с этой тайны нам оказывают мощнейшие телескопы.

Солнечная система

История Земли неразрывно связана с появлением и вокруг которой она вращается. А потому начать придется издалека. По предположениям ученых, после Большого Взрыва понадобилось один или два миллиарда лет для того, чтобы галактики стали примерно такими, какие они есть сейчас. Солнечная система же возникла, предположительно, на восемь миллиардов лет позже.

Большинство ученых сходятся на том, что она, как и все подобные космические объекты, возникла из облака пыли и газа, поскольку вещество во Вселенной распределяется неравномерно: где-то его было больше, а в другом месте - меньше. В первом случае это приводит к образованию туманностей из пыли и газа. На каком-то этапе, возможно, посредством внешнего воздействия подобное облако сжалось и начало вращаться. Причина произошедшего, вероятно, кроется во взрыве сверхновой где-то в окрестностях нашей будущей колыбели. Однако если все образуются примерно одинаково, то эта гипотеза выглядит сомнительной. Скорее всего, достигнув определенной массы, облако начало притягивать к себе еще частицы и сжиматься, а вращательный момент приобрело из-за неравномерного распределения вещества в пространстве. Со временем этот крутящийся сгусток становился все более плотным посередине. Так, под влиянием огромного давления и повышающихся температур, и возникло наше Солнце.

Гипотезы разных лет

Как уже было сказано выше, люди всегда задавались вопросом о том, как образовалась планета Земля. Первые научные обоснования появились лишь в семнадцатом веке нашей эры. В то время было совершено множество открытий, в том числе и физических законов. По одной из таких гипотез, Земля образовалась в результате столкновения кометы с Солнцем как остаточное от взрыва вещество. По другой - наша система возникла из холодного облака космической пыли.

Частички последней сталкивались между собой и соединялись, пока не сформировались Солнце и планеты. А вот французские ученые предположили, что указанное облако было раскаленным. По мере остывания оно вращалось и сжималось, образуя кольца. Из последних и сформировались планеты. А в центре появилось Солнце. Англичанин Джеймс Джинс предположил, что когда-то мимо нашего светила пролетала другая звезда. Она и вырвала своим притяжением вещество из Солнца, из которого впоследствии и сформировались планеты.

Как образовалась Земля

По мнению современных ученых, Солнечная система возникла из холодных частиц пыли и газа. Вещество сжималось и распалось на несколько частей. Из самого крупного куска и образовалось Солнце. Этот кусок вращался и разогревался. Он стал похожим на диск. Из плотных частиц на периферии этого газово-пылевого облака и образовались планеты, в том числе и наша Земля. Между тем в центре зарождающейся звезды под действием высоких температур и огромного давления пошли

Существует гипотеза, возникшая в ходе поиска экзопланет (похожих на Землю), что чем больше у звезды тяжелых элементов, тем менее вероятно зарождение близ нее жизни. Это связано с тем, что большое их содержание приводит к появлению вокруг светила газовых гигантов - объектов вроде Юпитера. А такие великаны неизбежно перемещаются в сторону звезды и выталкивают с орбит маленькие планеты.

Дата рождения

Образовалась Земля примерно четыре с половиной миллиарда лет назад. Вращающиеся вокруг раскаленного диска куски становились все тяжелее. Предполагается, что изначально их частички притягивались благодаря электрическим силам. А на каком-то этапе, когда масса этого «кома» достигла определенного уровня, он стал притягивать все в округе уже с помощью гравитации.

Как и в случае с Солнцем, сгусток стал сжиматься и раскаляться. Вещество полностью расплавилось. Со временем сформировался более тяжелый центр, состоящий, в основном, из металлов. Когда образовалась Земля, она стала медленно остывать, и из более легких веществ формировалась кора.

Столкновение

А затем появилась Луна, но не так, как образовалась Земля, опять же, по предположению ученых и по найденным на нашем спутнике минералам. Земля, уже остыв, столкнулась с чуть меньшей по размерам другой планетой. В итоге оба объекта полностью расплавились и превратились в один. А выброшенное взрывом вещество стало вращаться вокруг Земли. Из него и получилась Луна. Утверждают, что минералы, найденные на спутнике, отличаются от земных своей структурой: как будто вещество было расплавлено и снова застыло. Но ведь то же произошло и с нашей планетой. И почему это жуткое столкновение не привело к полному уничтожению двух объектов с образованием мелких осколков? Загадок много.

Путь к жизни

Затем Земля снова начала остывать. Опять сформировалось металлическое ядро, а затем тонкий поверхностный слой. А между ними - относительно подвижная субстанция - мантия. Благодаря сильной вулканической деятельности сформировалась атмосфера планеты.

Изначально она, конечно, была абсолютно непригодна для дыхания человека. Да и жизнь была бы невозможна без появления жидкой воды. Предполагается, что последнюю на нашу планету занесли миллиарды метеоритов с окраин Солнечной системы. По всей видимости, через некоторое время после того, как образовалась Земля, случилась мощнейшая бомбардировка, причиной которой могло стать гравитационное воздействие Юпитера. Вода была заключена внутри минералов, а вулканы превратили ее в пар, и она выпадала на образовывая океаны. Затем появился кислород. По мнению многих ученых, это произошло благодаря жизнедеятельности древних организмов, которые смогли появиться в тех суровых условиях. Но это уже совсем другая история. А человечество с каждым годом становится все ближе и ближе к получению ответа на вопрос, как образовалась планета Земля.

Земная кора, или литосфера . Хотя есть основания считать, что возраст Земли составляет около 4,5 миллиардов лет, в вопросе о том, как образовалась наша планета и вся Солнечная система, частью которой является Земля, еще нет ясности. Все, чем мы располагаем, - это теория, которая постоянно меняется по мере сопоставления с вновь получаемыми нами сведениями о Солнечной системе.

Основные положения этой теории сводятся к тому, что вся Солнечная система - Земля, другие планеты и Солнце - образовалась одновременно и как единое целое. Такой процесс образования системы не представляет собой что-то уникальное или хотя бы необычное, а является вполне заурядным. Подобные процессы происходят во Вселенной и в настоящее время. Исходным материалом для образования Солнечной системы явилась туманность - огромное вращающееся дискообразное облако, состоящее из холодного газа и "пыли". Из этой холодной и распыленной массы по мере ее уплотнения и выделялись группы отдельных сгущений, из которых в конце концов образовались Солнце и планеты. Одно из этих сгущений, которое позднее стало Землей, имеющей ныне диаметр 13 400 километров, первоначально имело диаметр в несколько миллионов километров, настолько далеко друг от друга находились составляющие его частицы. Но эти частицы постепенно приближались друг к другу под действием сил тяготения и теряли энергию в результате бесчисленных столкновений. Более крупные частицы "падали", подобно градинам, в направлении центра сгущения, и при этом гравитационном сжатии выделялось такое большое количество тепла, что в итоге происходило резкое уплотнение массы с образованием твердого тела.

Твердое тело Земли первоначально было очень горячим (То есть, возможно, было разогрето по мере образования Земли теплом радиоактивного распада и гравитацией. - Прим. ред ). Предполагается, что частицы железа, входившие в состав этой юной, горячей, уплотняющейся Земли, плавились и образовывали тяжелые капли, которые опускались к центру Земли. Там происходило накопление железа и других минералов, в результате чего было создано ныне существующее ядро Земли.

Более легкие частицы, "падавшие" не глубоко, образовали толстый слой, окруживший более тяжелое ядро. Этот слой был в большей степени каменным, чем металлическим, и состоял из силикатных минералов. Так образовалось то, что мы называем мантией; о ней уже говорилось в первой главе.

Толстый слой силикатов, плохо проводящий тепло, препятствовал, как и в данное время, оттоку тепла от нагретой внутренней части Земли. Но, хотя температура мантии стала высокой, плавления в ее глубоких частях не происходило, так как вес вышележащих толщ создавал слишком высокое давление. Но в верхней (или внешней) части мантии, где слой перекрывающих пород был значительно тоньше и давление меньше, породы частично плавились. Правда, плавились только минералы с наинизшей точкой плавления, другими словами, плавление было избирательным. Оно и создавало магму. Поскольку магма образовалась лишь из некоторых минералов окружающей породы, то по составу она отличалась от этой исходной породы. Состав ее приближался к базальтовому слою, и вес был немного меньше, чем у окружающей нерасплавленной породы.

Более легкие массы вновь образованной базальтовой магмы имели тенденцию к поднятию. Очагов таких масс было очень много, и поднятие их происходило медленно. Постепенно они затвердевали на поверхности Земли, где температуры были более низкими. По мере затвердевания постепенно образовывалась кора, состоящая из базальтов и покрывающая всю Землю. Таким образом, базальтовая кора является продуктом избирательного плавления, и ее состав несколько отличается от состава мантии. Это избирательное плавление некоторых компонентов первичных горных пород, вероятно, представляло собой первый процесс длинной цепи процессов постепенной дифференциации первичной магмы и формирования горных пород, слагающих земную кору.

Вторым процессом было химическое выветривание, третьим - образование гранитных пород, которые легче базальта. Очевидно, все эти три процесса идут до сих пор.

Атмосфера и гидросфера . До сих пор мы излагали теорию образования внешней части литосферы. А как образовались атмосфера и гидросфера? Хотя на первый взгляд это кажется странным, обе эти подвижные оболочки образовались в основном тем же способом, что и твердая кора: путем поднятия магмы к поверхности (или на поверхность) Земли. Это оказалось возможным потому, что всякая магма содержит газы. Выше мы сказали, что магма образовалась местами в результате плавления глубинной породы под действием тепла, поступавшего из нагретых внутренних частей. В процессе плавления некоторые минералы легко разлагались на составные химические элементы. Этот процесс отличался от сортировки кристаллов минералов по весу. Распад вещества происходил под действием температуры, давления и химически активной среды в магме. Среди других веществ, высвобождавшихся таким образом, были водород (Н 2), азот (N 2), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО 2) и вода (Н 2 О). Поднимающаяся магма выносила эти вещества на поверхность, и там они из нее выделялись. Таким образом началось создание атмосферы Земли, атмосферы, которая на этих ранних этапах была целиком вулканической. Она состояла из метана, водяного пара, аммиака, водорода, азота, и, возможно, некоторого количества окиси и двуокиси углерода. Те же элементы и вещества содержатся в газах, выделяемых современными вулканами. Наиболее существенным отличием древней атмосферы от современной было то, что весь кислород в ней был связан в различных химических соединениях. Свободного кислорода не было. Это очень важно, так как бедная кислородом атмосфера оказывает большое влияние на образование живого вещества, как мы увидим в седьмой главе.

Что касается гидросферы, то не трудно понять, что она образовалась из атмосферы, содержавшей большое количество водяного пара, поступавшего из вулканов. Водяной пар конденсировался и выпадал в виде дождя. При стоке дождевой воды формировались потоки, заканчивавшиеся в озерах, занимавших понижения земной поверхности. Озера росли и сливались, образуя океан. В ходе этого процесса начался круговорот воды.

При соприкосновении атмосферы, содержавшей углекислый газ и воду, с молодыми базальтовыми породами, выходящими на поверхность, должно было начаться их выветривание. Вновь образующиеся потоки несли продукты выветривания, частицы пород и растворенные вещества в новые озера. Веществом, растворенным в воде растущих и затопляющих поверхность суши озер, была соль (на самом деле смесь многих солей), присутствовавшая в воде зарождавшегося океана. Так было положено начало засолению морской воды, которое мы наблюдаем сейчас.

Хотя такая последовательность событий представляется правдоподобной, потому что она хорошо согласуется с нашими знаниями о Земле, все же это только теория, и далеко не доказанная. Кроме того, очень мало известно, сколько времени все это продолжалось - сколько времени потребовалось для того, чтобы атмосфера и океан приобрели свой современный состав и размеры. Есть основания полагать, что в течение по крайней мере последних полмиллиарда или миллиарда лет существенных изменений в составе этих подвижных оболочек не произошло.

Таким образом, представляется вероятным, что составные части земной коры были созданы в ходе вулканической деятельности, проявлявшейся одновременно с выветриванием пород, опусканием и повторным расплавлением пород на большой глубине - иначе говоря, протекавшей одновременно с круговоротом вещества. Вероятно также, что составные части атмосферы и гидросферы "испарились" понемногу из горячих глубин Земли. Они поднялись вверх в виде газов, растворенных в поднимающейся магме, и выделились при извержениях вулканов. Такой перенос вверх происходил начиная с самых ранних этапов истории Земли, и до сих пор на поверхность Земли поступает "новая" вода. К настоящему времени большая часть воды, выделяемой вулканами, - это "старая" вода, которая многократно находилась в круговороте и была нагрета вулканическим теплом, будучи в толще Земли. Но если только полпроцента воды, выделяемой вулканами, представляет собой "новую" воду, то, согласно расчетам, при такой скорости поступления воды на поверхность вся гидросфера, включая океан и все остальное, могла бы быть создана за четыре миллиарда лет.

Эта теория происхождения земной коры, водной оболочки и газовой оболочки Земли очень хорошо согласуется с принципом актуализма, которому подчинены все геологические процессы. Отсюда следует вывод о том, что даже в наиболее отдаленные времена действовали те же процессы, что и сейчас, и характер их проявления был во многом сходен с современным.

Луна . Характер и история Луны имеют связь с нашей теорией происхождения Земли. Данные о Луне, полученные благодаря программе "Аполлон", начатой в 1969 г., до сих пор не выявили ничего не сопоставимого с представлениями об истории Земли, созданной по геологическим данным. По всей вероятности, Луна, очень малый член Солнечной системы, была образована таким же путем, как и Земля, и независимо от Земли. Представляется, что по крайней мере ее внешняя часть подвергалась когда-то расплавлению. Найденные там породы большей частью темноокрашенные магматические породы, частично базальты, частично породы, подобные габбро. Это свидетельствует о поднятии легких компонентов к поверхности в процессе застывания, в то время как более тяжелые компоненты опускались вниз. Мы думаем, что по крайней мере частично это происходило и при образовании земной коры.

Но на этом сходство с Землей кончается. Луна покрыта слоем (толщиной 1,5-3 метра) вещества, обычно называемого "лунной пылью". Мы зовем его лунным реголитом. Он состоит из продуктов механического разрушения нижележащих коренных пород. Некоторые из них представляют собой большие или малые обломки, но большая часть пылевидная. Такое механическое разрушение вызвано не физическим выветриванием, как на Земле, - это результат бомбардировки малыми и большими метеоритами лунной поверхности. Некоторые из них достигали огромной величины. Удары метеоритов вызвали также и образование лунных кратеров. Конечно, метеориты попадают и в атмосферу Земли, самое меньшее 20 миллионов ежедневно. Но большей частью они очень малы и "сгорают" - распадаются - в результате трения при прохождении через атмосферу. Время от времени крупные метеориты попадают и на поверхность Земли, и когда это случается, в месте падения образуется кратер.

Лунная пыль - реголит Луны - не обнаруживает никаких следов химического выветривания, обычных для рыхлого чехла земных пород. Причиной этого является отсутствие на Луне атмосферы и гидросферы. Отсутствие это нетрудно объяснить. Земля имеет достаточно большую массу, чтобы сила ее тяготения удерживала газы, составляющие ее атмосферу. Но масса Луны составляет только 0,012 массы Земли и недостаточна для удержания каких-либо газов. Поэтому на поверхности Луны не происходит химическое выветривание.

В первой главе отмечалось, что континентальная кора Земли гораздо толще, чем океаническая, и отличается от последней по составу. В пятой главе было рассказано, как отдельные континенты медленно увеличивают свои размеры. .Наша карта современной поверхности Земли отличается от карт поверхности Земли, существовавшей, скажем, сто миллионов лет назад. Такие большие изменения трудно понять, если не представить себе сначала общую картину строения Земли.

Континенты не остаются на месте, а движутся. Достойно изумления, что впервые предположение о таком движении было выдвинуто около 350 лет назад, и с тех пор выдвигалось еще несколько раз, однако эта идея получила признание ученых только после 1960 г. Большинство людей считало, что жесткость коры исключает движение континентов. Теперь все мы знаем, что это не так. Чтобы понять, что происходит с континентами, давайте рассмотрим некоторые доказательства их движения.

Доказательства движения континентов . Доказательства того, что по крайней мере некоторые континенты, разобщенные сейчас, раньше соединялись, или того, что они изменили положение, включают следующее:

1. Контуры некоторых континентов, обращенных друг к другу и разделенных океаном, позволяют предположить, что в прошлом они соединялись, как две части головоломки. Наиболее очевидный пример этого - Южная Америка и Африка. Так как истинной окраиной континента является не современная береговая линия, а скорее внешний край континентального шельфа, проверять соответствие континентов лучше не по обычной карте, а по карте, показывающей шельфы (рис. 16).

2. На некоторых парах континентов обнаруживается соответствие другого рода - особые типы пород, древние горные пояса, одинаковые ископаемые животные и растения. Все эти совпадения позволяют предполагать, что такие континенты когда-то соединялись.

3. Ископаемые животные и растения, которые должны были жить в теплом климате, встречаются на некоторых континентах, на таких широтах, где современный климат гораздо холоднее.

4. Убедительные доказательства широкого распространения древних ледников встречаются в породах, возраст которых около 250-300 миллионов лет, в восточной части Южной Америки, в Южной Африке, Индии, Австралии, на таких широтах, где сейчас теплый климат препятствует образованию ледников. Подобные следы древнего оледенения найдены в Антарктиде, где ледники существуют и ныне. Представляется, что все эти континенты были некогда частями одного континента, который распался на куски. Они двигались порознь. Некоторые из них переместились в более теплые климатические пояса, а Антарктида заняла свое исключительное положение на Южном полюсе.

5. Во многих пластах содержатся свидетельства того, что континенты переместились по отношению к магнитному Северному полюсу. Это положение требует разъяснения.

Магнитные данные . Если мы хотим знать точное направление, мы пользуемся компасом. Стрелка, будучи намагниченной, располагается вдоль линий магнитного поля Земли; она указывает на магнитный Северный полюс. Подобно этому, некоторые горные породы являются естественными компасами. Переносящиеся водным потоком кристаллы магнитных железистых минералов, соответствующие по размеру частицам песка или алеврита, ведут себя подобным же образом. Когда они осаждаются в русле, они ориентируются вдоль линий север - юг, и во многих случаях эта ориентировка сохраняется, даже когда осадок в конце концов становится осадочной породой.

Подобное воздействие претерпевают магнитные железистые минералы в магматических породах, например, в базальтах. Когда магма или лава остывает, она достигает такой температуры, ниже которой эти минералы могут приобрести намагниченность, параллельную магнитному полю Земли. Эта магнитная ориентировка (не имеющая ничего общего с ориентировкой самого кристалла в породе) сохраняет ориентировку магнитного поля, существовавшего тогда, когда остывали породы. Такие железистые минералы представляют собой как бы стрелки компасов, указывающие положение магнитного полюса.

Ученые обнаружили указатели прежнего направления магнитного поля в слоях различного возраста и не поленились измерить их в сотнях точек и в целой серии различных стратиграфических горизонтов (соответствующих серии различных моментов времени в прошлом). Результирующие направления отличаются от тех, которые компас показывает в этих же точках в настоящее время. Подобные направления свидетельствуют, что по крайней мере за последние 200 миллионов лет или около того континенты испытали значительные перемещения не только по отношению к полюсу, но и по отношению друг к другу. Путь, пройденный тем или другим континентом, может быть прослежен, по крайней мере в общих чертах, если не вполне точно.

В ходе исследований ориентировки древнего магнитного поля выявился поразительный факт. Было обнаружено, что во многих слоях Земли, накопившихся за последние несколько миллионов лет (промежуток времени, охваченный исследованиями), намагниченность частиц обратна современной.

Магнитные частицы в породах указывают в сторону не Северного, а Южного полюса. Радиометрические датировки тех же пластов показывают, что обратная ориентировка фиксируется на всем земном шаре в одни и те же промежутки времени. Очевидно, в это время само магнитное поле Земли, контролирующее эту ориентировку, имело обратное направление, и два его полюса менялись местами. Такие "обращения" магнитного поля происходили неоднократно.

Что заставляло магнитное поле изменять направление? Мы пока не знаем, но предполагается, что изменения могли быть вызваны движениями в жидкой части железосодержащего ядра Земли. Во всяком случае, они проявлялись на всей Земле сразу.

Оказалось возможным построить календарь изменений магнитного поля для всего земного шара. Этот календарь (рис. 20) показывает промежутки времени, в течение которых магнитное поле было нормальным (таким, как в нынешнее время), и промежутки, когда оно было обращенным. Обращения (инверсии) магнитного поля Земли, открытие которых сделало возможным создание указанного календаря, представляют собой явление, совершенно отличное от колебаний ориентировки магнитного поля, измерения которых легли в основу вывода о движении континентов.

Рис. 20. Хронологическая шкала обращений магнитного поля Земли, построенная по данным радиометрических определений возраста пород, для которых измерялось направление намагниченности

Сравнивая магнитный календарь с геохронологической шкалой (табл. 1), можно увидеть, что отрезок времени длиной в 4,5 миллиона лет, который охватывает этот календарь, включает весь голоцен, весь плейстоцен и часть плиоцена. Вооруженные знанием того, что магнитные обращения случаются и запечатлеваются в ориентировке магнитного ноля в затвердевших базальтах на континентах, мы можем теперь воспользоваться этим при рассмотрении магнитной ориентировки базальтов на дне океана.

Срединные океанические рифты . Самым замечательным в серии открытий, сделанных после 1950 г. в изучении океана, было признание того, что дно океана не представляет собой плоскую монотонную равнину; формы его так же разнообразны, как и формы поверхности континентов. Среди многих форм есть и глубокий рифт - долина, продолжающаяся почти непрерывно на протяжении более 6000 километров, местами глубиной более 1000 метров, которая делит на две части Атлантический океан (рис. 22) и пересекает Индийский и Тихий океаны.

Рис. 21. Широтный профиль дна средней части Атлантического океана. Виден рифт (в данном месте глубиной около 1800 метров), по которому происходит поднятие базальтовых лав

Рифт занимает центральную, наиболее приподнятую часть срединного океанического хребта. Это странное соотношение отчетливо видно на рисунке 21. Рифт гораздо глубже глубокой долины, изображенной на этом рисунке, он продолжается под поверхностью на 50-100 километров в глубь Земли, и по всей его длине на поверхность дна океана поступает огромное количество тепла из глубин.

Рис. 22. Рифт, разделяющий на две части дно Атлантического океана. Он разбит на отдельные фрагменты, смещенные влево или вправо по поперечным линиям, представляющим собой разломы, которые продолжаются в глубь земной коры. Продолжение рифта за пределами Атлантического океана на рисунке 25

Под тонким покровом рыхлых осадков, выстилающих большую часть дна глубоководных областей океана, по обеим сторонам рифта ложе океана сложено базальтами. Когда исследовательские корабли, оборудованные магнитометрами, начали производить измерения магнитной полярности базальтов, слагающих дно океана на глубине несколько километров, курсируя в западном и восточном направлениях поперек зоны рифта на сотни километров, магнитометрическая съемка дала поразительные результаты. Оказалось, что на дне выявляются чередующиеся полосы, или зоны нормальной (северной) и обращенной (южной) намагниченности. Эти полосы параллельны рифту, причем на различных сторонах рифта они представляют зеркальное отображение (рис. 23). Последовательность узких и широких полос совпадает с верхней частью календаря изменений магнитного поля Земли, изображенного на рисунке 20. Основываясь на этом совпадении, возраст каждой полосы можно считать таким же, как возраст соответствующего подразделения указанного календаря. Самые молодые полосы базальта залегают непосредственно вблизи рифта, к ним примыкают более древние. С удалением от рифта вправо и влево мы встречаем все более и более древние полосы.

Рис. 23. Схема, показывающая полосчатое строение базальтов, образующихся в зоне срединно-океанического рифта при затвердевании поднимающейся магмы (показанной широкой стрелкой). Базальт постоянно перемещается вправо и влево от зоны рифта (показано тонкими стрелками) по мере наращивания Дна океана. Каждая полоска сохраняет направление магнитной полярности, приобретенное ею при затвердевании. Штриховкой показаны полосы с нормальной намагниченностью, светлые полосы имеют обращенную намагниченность

Эта поразительная закономерность может обозначать лишь одно обстоятельство. Очевидно, происходит непрерывное образование новой земной коры в результате затвердевания лавы, поднимающейся из глубин в зоне рифта. Кора должна перемещаться из области рифта в противоположных направлениях, часть к западу, а часть к востоку, как два конвейера, движущиеся наружу от общей оси (рис. 24). Вновь образующаяся лава сохраняет нормальную или обращенную полярность, которая запечатлевается в ней в результате воздействия магнитного поля Земли в момент остывания. Каждый раз, когда поле Земли меняет ориентировку на обратную, начинается новая зона. Происходит это потому, что зоны выделяются не по составу лавы (которая, постоянно поднимаясь и застывая, всегда имеет одинаковый состав), но исключительно по полярности зерен магнитных минералов, содержащихся в ней. Другими словами, без магнитометрической съемки мы не могли бы выделить этих полос.

Рис. 24. Серия из четырех конвейеров, движущихся во взаимно противоположных направлениях. Сравните рис. 23

Какова же скорость этого необычайного процесса? Современная скорость рассчитывается по шкале магнитных обращений (рис. 20), и оказалось, что кора в западной части Атлантического океана движется сейчас на северо-запад со скоростью 1-2 сантиметра в год.

Если мы примем скорость постоянной и равной 1,5 см/год, то одно только перемещение этой части должно было расширить Атлантический океан за последние 100 миллионов лет на 1500 километров. Движение восточной окраины рифта на восток должно было еще больше увеличить ширину Атлантики. Действительно, имеются доказательства того, что 150-200 миллионов лет назад (то есть в, позднетриасовое, или раннеюрское, время) Атлантический океан не существовал, а восточный берег Северной Америки, имел жесткое соединение с северо-западной Африкой.

Однако кора в области Атлантики движется сравнительно медленно. Расчеты с помощью шкалы обращений магнитного поля Земли показывают, что в Индийском океане скорость движения достигает 3 см/год, а в некоторых частях Тихого - 6 см/год и более. Ширина черных полос на рисунке 25 показывает площади новообразованной коры вдоль срединно-океанических рифтов за последние 10 миллионов лет. По ним можно судить об относительной скорости движения в различных океанах.

Рис. 25. Главные плиты коры движутся, как показано стрелками, удаляясь от рифтовых зон (черные полосы), в которых происходит поднятие лавы, и по направлению к зонам (заштрихованные полосы), где происходит медленное погружение коревого вещества в глубь тела Земли. Ширина черных полос показывает ширину зон земной коры, образовавшихся за последние 10 миллионов лет. Общая площадь этих зон составляет 5% площади поверхности Земли. За это время такие же по площади участки коры подверглись разрушению, погрузившись в недра Земли (в областях, показанных штриховкой). Проекция карты выбрана таким образом, чтобы сохранить масштаб по возможности одинаковым.

Посмотрев еще раз на рисунок 22, мы увидим множество линий, направленных с востока на запад, по которым Атлантический рифт подвергся смещению. Эти отчетливые, глубоко проникающие разрывы вызваны напряжениями, возникающими в коре под действием противоположно направленных движений. Они представляют собой одну из разновидностей геологических образований, называемых разломами. Трение при движении блоков коры по разломам является причиной многочисленных землетрясений.

Система желобов и горных цепей . Таким образом, ясно, что части земной коры движутся. Движутся не только сами континенты, но и целые плиты земной коры толщиной от 50 до 100 километров, на спине" которых плавают континенты. Можно сравнить плиту коры, несущую на себе частично погруженный в нее континент, с широкой глыбой льда, в которую вмерзло бревно и которая плавает в озере вместе с другими льдинами.

Но куда движутся континенты? Если материал коры создается одна полоса за другой, в области срединно-океанических рифтов, то что-то, видимо, должно происходить с корой, чтобы размеры ее не увеличивались и соответствовали размерам Земли. Где-то она должна разрушаться с такой же скоростью, с какой она создается.

Участки ее разрушения не трудно найти. Вокруг всего земного шара прослеживается система узких длинных полос, показанных штриховкой на рисунке 25. Они тянутся от Антарктиды к мысу Горн, вдоль западных окраин обеих Америк, через Алеутские острова, Японию, Филиппины, Новую Гвинею и Новую Зеландию. Ветвь, отходящая от этой системы, тянется на запад, через Индонезию, Гималаи, Иран, Турцию и область Средиземноморья.

Эта огромная система состоит из трех элементов: 1) глубоководные желобы на дне океана, достигающие 11 километров глубины - величина, превосходящая высоту самых высоких гор; 2) дугообразные ряды вулканических островов, подобные ожерелью; 3) длинные цепи высочайших гор Земли. Цепь, которую образуют все три элемента, представляет собой зону нестабильности. Нестабильность указанной зоны убедительно доказывает тот факт, что почти все самые сильные и самые глубокие землетрясения происходят в данной зоне. Наиболее значительными землетрясениями последнего времени были землетрясения в Чили, Калифорнии, Аляске, Иране и Турции.

В целом эта гигантская цепь дополняет собой океанический рифт огромной протяженности. С обеих сторон к ней движутся плиты коры. Они изгибаются вниз и поглощаются Землей и в глубине переплавляются (рис. 26), подобно восковой свече, которую держат горизонтально и медленно вводят в горячее пламя. Разрушение в результате плавления на одном конце происходит с такой же скоростью, с какой образуется кора на другом конце. Поэтому общая площадь коры остается постоянной. Процессы образования коры приурочены к океаническим рифтам, а процессы ее разрушения - к системе желобов и гор. На обширных площадях между этими зонами процессы происходят не так активно и состоят главным образом в эродировании пород, накоплении осадков и постепенном поднятии или прогибании земной коры.

Рис. 26. Схема, показывающая образование и разрушение земной коры и столкновения плит коры. Видны участки четырех плит (А, Б, В, Г); стрелками показано направление их движения. Океанический рифт (Р) осложнен разломами. В краевой части плиты А на модели прорезано отверстие, через которое видно, что в передней части плита Б погружается под плиту А, а в задней части соотношение обратное. В другом случае столкновения плита В погружается под плиту Г. Столкновение плит сопровождается землетрясениями и горообразованием. Масштаб схемы не выдержан. Длина соответствующего ей участка земной коры может достигать 5000 км. Континенты на схеме не показаны

Геометрия плит коры . Мы сравнивали плиты коры, часть из которых показана на рисунке 25, с отдельными частями головоломки. Сравнение не слишком близкое, так как части головоломки сохраняют свои контуры, а плиты коры надстраиваются с "хвостовой стороны" и разрушаются путем расплавления с переднего края. Поэтому их форма не остается постоянной. Некоторые из них сейчас, возможно, представляют лишь осколки существовавших ранее, а другие (как, например, Евразия) могут состоять из нескольких более древних плит, спаянных воедино. Аналогия с конвейерной лентой хотя и полезная, но тоже не очень близкая, поскольку плиты поворачиваются. Например, различная ширина черных полос на рисунке 25 показывает, что в течение последних 10 миллионов лет Тихоокеанская плита повернулась по часовой стрелке. В этом отношении плиты в большей степени напоминают огромные льдины, которые движутся по течению в озере, постоянно соприкасаясь и сталкиваясь друг с другом, и медленно поворачиваясь, и даже тая по краям, и снова замерзая. Очень вероятно, что цепи высочайших гор Земли являются результатами столкновений между плитами коры. Например, система Альп, обнаруживающая признаки сильного изгибания, смятия и выжимания пластов, некогда горизонтальных, могла быть образована при столкновении движущейся к северу Африканской плиты с Евразийской. Таким же образом Гималаи могли образоваться при столкновении Индийской плиты с Евразийской. Гималаи все еще активны, поднимаясь со скоростью около 30 сантиметров в столетие. Слои осадочных пород, типичных для многих континентальных шельфов (рис. 16), не могли бы выдержать, окажись они зажатыми между двумя огромными массами, каждая толщиной в десятки километров, сближающимися хотя и медленно, но с огромной инерцией. Маленькая лодка, зажатая между двумя тяжело груженными баржами, скорее всего будет раздавлена до неузнаваемости, хотя бы баржи и двигались со скоростью менее 6-8 километров в час.

Когда мы говорим о баржах, плавающих в воде, мы должны помнить, что мы описываем не континенты, свободно плавающие и движущиеся в базальтах. Мы говорим о толстых плитах базальта, которые движутся в каком-то еще более тяжелом веществе, залегающем ниже, и несут на себе континенты. Поэтому по линии желобов и хребтов сталкиваются не только континенты, но и целые толстые плиты коры с покровом глубоководных осадков, описанных в пятой главе. Некоторые горы (как, например, Альпы) включают большие массивы метаморфических пород, химический состав которых указывает на принадлежность их к глубоководным океаническим отложениям, подвергшимся сжатию. Эти осадки были слишком легкими, чтобы погружаться, и вероятно, нагромождались вдоль желоба, по мере того как базальтовая плита, подстилавшая их, погружалась в глубины Земли. Подобно пене, плавающей на поверхности воды, эти отложения продолжали плавать и в результате подверглись такому интенсивному сжатию, что были превращены в метаморфические породы.

С помощью магнитных данных, которые мы описали раньше и которые показывают положение магнитных полюсов в прошлом, мы можем проследить, возвращаясь в прошлое время, вероятное положение континентов до 100 миллионов лет назад, то есть до мелового времени. Тогда континенты находились ближе друг к другу, чем сейчас, и Атлантический океан был гораздо уже. Попытки проследить движение дальше в глубь времен (до ранней юры или еще более раннего времени) дали нам гораздо менее четкие результаты. Одна из карт мира, восстанавливающая ситуацию, которая могла бы быть 200 миллионов лет назад (рис. 27), показывает современные континенты объединенными в единый "мировой континент", который затем распался на куски, как подтаявший весной лед на озере. На рисунке показаны предполагаемые пути движения отдельных кусков, по которым они достигли своего современного положения.

Рис. 27. Карта, иллюстрирующая пока еще не доказанное положение о том, что около 200 миллионов лет назад (в начале юрского периода) на Земле существовал огромный единый континентальный массив, который затем распался на плиты. Последние перемещались в направлениях, указанных стрелками, и создали существующие ныне континенты. Подбор соответствующих друг другу фрагментов проводился с помощью ЭВМ

Какой бы интересной и многообещающей ни была эта карта, нужно отдавать себе отчет в том, что она пока целиком принадлежит к области теоретических построений. Однако сами плиты, возможно, гораздо старше 200 миллионов лет. Действительно, они могли впервые образоваться уже 2,5 миллиарда лет назад. Если это так, то период их существования охватывал больше половины всей истории Земли.

Что заставляет их двигаться? Читатель не может представить себе этот подвижный ряд рифтов, желобов, движущихся плит коры и горных цепей, не задаваясь вопросом, что же заставляет их двигаться? Каков механизм этого движения и откуда берутся огромные запасы энергии, управляющие им? Имея представление о системе в целом, мы не знаем, что заставляет ее работать. Несомненно, энергия ее имеет своим источником внутреннее тепло, которое поступает на поверхность интенсивнее всего в области океанических рифтов. Представляется вероятным, что большая часть этого тепла создается радиоактивным распадом во внешней части тела Земли.

Но если даже внутреннее тепло действительно дает необходимую энергию, каким образом эта энергия приводит в движение плиты коры? Было предложено несколько объяснений. Одно объяснение, получившее широкую поддержку, - это механизм конвекции, процесс, который можно наблюдать в кастрюле с очень густым супом, нагретым до кипения. Нагреваясь у дна кастрюли, жидкость медленно поднимается, образуя беспорядочно размещенные вертикальные токи или ячейки. Достигая поверхности, она охлаждается, растекается и опускается в других местах, освобождая место для поднимающихся более горячих масс.

Предполагается, что конвекция происходит в мантии Земли. В простейшем виде эта идея заключается в следующем: медленно поднимаясь в области океанических рифтов, тяжелое вещество, обладающее свойствами жидкости, достигает коры и растекается под ней. Удаляясь от рифтов, оно увлекает с собой расположенные выше плиты коры. Области под желобами и горными цепями соответствуют опускающимся звеньям конвекционной системы. Текучее вещество мантии, несколько охлажденное, опускается, уравновешивая восходящий поток нагретого вещества в области рифтов.

Представление об этом механизме является чисто гипотетическим и вызывает серьезные возражения. Предлагались и другие, менее простые объяснения. Но нам придется подождать, пока возникнет более совершенная идея, которая удовлетворит большинство ученых.

Теперь, когда мы представили себе движение плит коры, мы видим более ясно, каким образом гранитные породы континентов отделяются от более тяжелых базальтовых пород. Плиты коры, состоящие из базальтов с включенными в них более легкими материковыми породами, опускаются по системам желобов. Погрузившись на достаточно большую глубину, они частично расплавляются, образуя более легкую магму, чем чисто базальтовая. Эта магма, естественно, стремится двигаться к поверхности, и образовавшиеся породы в конце концов подвергаются химической сортировке процессами выветривания. Таким образом, движение плит способствует тому, что с течением времени континентальная кора делается легче и приближается по своему составу к гранитам.

Мы заканчиваем обзор наших представлений о том, как образовалась планета Земля, как создались континенты и необыкновенная система активных рифтов, движущихся плит и горных цепей. Мы проследили, хотя и бегло, каким образом Земля пришла к своему современному состоянию физического тела, на поверхности которого протекают столь разнообразные процессы. Следующий наш шаг - понять, каким образом поверхность Земли оказалась населенной огромным количеством разнообразных живых организмов.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ:

Abelson P. H., 1966, Chemical events on the primitive earth: "Nat. Acad. Sci. Proc." v. 55, p. 1365-1372. McLaughlinD. В., 1965, p. 669-698 in Kay, Marshall, Colbert E. H., Stratigraphy and life history: John Wiley 8; Sons, New York.

Urеу H. C., 1952, The origin of the earth: "Sci. American", v. 187. p. 53-60.

ЛУНА:

Mutch T. A.. 1970, Geology of the Moon: Princeton University Press. Princeton, N. J.

МАГНИТНЫЕ ОБРАЩЕНИЯ:

Сох Allan, and others, 1967. Reversals of the Earth"s magnetic field: "Sci. American", v. 216, p. 44-54.

ДВИЖЕНИЕ ПЛИТ ЗЕМНОЙ КОРЫ И КОНТИНЕНТОВ:

Воtt M. H. P., 1971. The interior of the Earth: St. Martin"s Press, New York. Ernst W. G.. 1969, Earth materials: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.

Hammond A. L., 1971, Plate tectonics...: Science, v. 173, p. 40-41, 133-134.

Heirtz1er J. R.. 1968. Sea-fооr spreading: "Sci. American", v. 219, p. 60-70.

Menard H. W., 1971, p. 1-14 in Turekian К. К., ed., Late Cenozoic glacial ages: Yale University Press, New Haven.

Mоrgan W. J.. 1968, Rises, trenches, great faults, and crustal blocks: "Jour. Geophys. Research", v. 73, p. 1959-1982.

Wilson J. Т., and others, 1972, continents adrift: W. H. Freeman and Co., San Francisco. (Paperback) (Reprints of 15 articles from Scientific American about the movement of crust plates.)

Примечания:

Р. Ф. Флинт излагает тектоническую теорию плит. Эта теория пользуется большим распространением, но не является единственной. - Прим. ред.

Возникла около 4600 млн. лет назад. С тех пор ее поверхность постоянно изменялась под воздействием различных процессов. Земля, видимо, сформировалась спустя несколько миллионов лет после колоссального взрыва в космосе. Взрыв создал огромное газа и пыли. Ученые считают, что его частицы, сталкиваясь друг с другом, объединились в гигантские сгустки раскаленного вещества, которые со временем превратились в ныне существующие планеты.

По мнению ученых, Земля возникла после колоссального космического взрыва. Первые материки, вероятно, сформировались из расплавленной породы, вытекавшей на поверхность из жерл . Застывая, она делала земную кору толще. Океаны могли образоваться в низинах из капелек , содержавшейся в вулканических газах. Из этих же газов, вероятно, состояла и первоначальная .

Думают, что Земля поначалу была невероятно горячей, с морем расплавленных горных пород на поверхности. Примерно 4 млрд. лет назад Земля начала медленно остывать и разделилась на несколько слоев (см. справа). Самые тяжелые породы опустились глубоко в недра Земли и образовали ее ядро, оставаясь невообразимо горячими. Менее плотное вещество образовало ряд слоев вокруг ядра. На самой поверхности расплавленные породы постепенно затвердели, образовав твердую земную кору, покрытую множеством вулканов. Расплавленная порода, вырываясь на поверхность, застыла, образуя земную кору. Низкие участки заполнялись водой.

Земля сегодня

Хотя земная поверхность кажется твердой и незыблемой, изменения еще происходят. Они вызываются разного рода процессами, одни из которых разрушают земную поверхность, а другие ее воссоздают. Большинство изменений протекает крайне медленно и обнаруживается лишь специальными приборами. Для образования новой горной цепи требуются миллионы лет, по мощное извержение вулкана или чудовищной силы землетрясение могут преобразить поверхность Земли за считанные дни, часы и даже минуты. В 1988 г. землетрясение в Армении, длившееся около 20 секунд, разрушило здания и убило более 25 000 человек.

Строение Земли

В целом Земля имеет форму шара, слегка сплюснутого с полюсов. Она состоит из трех основных слоев: коры, мантии и ядра. Каждый слой образован разными типами горных пород. На рисунке внизу изображена структура Земли, но слои показаны не в масштабе. Внешний слой называется земной корой. Ее толщина от 6 до 70 км. Под корой располагается верхний слой мантии, образованный твердыми породами. Этот слой вместе с корой называется и имеет толщину около 100 км. Часть мантии, лежащая под литосферой, называется астеносферой. Она имеет толщину примерно 100 км и, вероятно, состоит из частично расплавленных пород. мантии изменяется от 4000°С вблизи ядра до 1000°С в верхней части астеносферы. Нижняя мантия, возможно, состоит из твердых пород. Внешнее ядро состоит из железа и никеля, видимо, расплавленных. Температура этого слоя может достигать 5500°C. Температура субъядра может быть выше 6000°С. Оно твердое из-за колоссального давления всех прочих слоев. Ученые полагают, что оно состоит в основном из железа (подробнее об этом в статье « «).

История нашей планеты еще хранит в себе немало загадок. Ученые разных областей естествознания вложили свою лепту в изучение развития жизни на Земле.

Считается, что возраст нашей планеты составляет около 4,54 миллиарда лет. Весь этот временной промежуток принято делить на два основных этапа: фанерозой и докембрий. Эти этапы называются эонами или эонотемой. Эоны в свою очередь делятся на несколько периодов, каждый из которых отличается совокупностью изменений, происходивших в геологическом, биологическом, атмосферном состоянии планеты.

1. Докембрий, или криптозой — это эон (временной промежуток развития Земли), охватывающий около 3,8 миллиардов лет. То есть, докембрий — это развитие планеты от момента образования, формирования земной коры, протоокеана и возникновения жизни на Земле. К концу докембрия на планете уже были широко распространены высокоорганизованные организмы с развитым скелетом.

Эон включает в себя еще две эонотемы — катархей и архей. Последний, в свою очередь, включает в себя 4 эры.

1. Катархей — это время образования Земли, но не было еще ни ядра, ни земной коры. Планета была еще холодным космическим телом. Ученые предполагают, что в этот период на Земле уже была вода. Катархей длился около 600 млн. лет.

2. Архей охватывает период в 1,5 млрд лет. В этот период на Земле еще не было кислорода, происходило формирование залежей серы, железа, графита, никеля. Гидросфера и атмосфера представляли собой единую парогазовую оболочку, которая плотным облаком окутывала земной шар. Солнечные лучи сквозь эту завесу практически не проникали, поэтому на планете царил мрак.2.1 2.1. Эоархей — это первая геологическая эра, которая длилась около 400 млн.лет. Важнейшее событие эоархея — формирование гидросферы. Но воды было еще мало, водоемы существовали отдельно друг от друга и пока не сливались в мировой океан. В это же время земная кора становится твердой, хотя астероиды еще бомбят Землю. На исходе эоархея образуется первый в истории планеты суперконтинент — Ваальбара.

2.2 Палеоархей — следующая эра, которая также длилась приблизительно 400 млн.лет. В этот период формируется ядро Земли, возрастает напряженность магнитного поля. Сутки на планете длились всего 15 часов. Зато повышается содержание кислорода в атмосфере за счет деятельности появившихся бактерий. Остатки этих первых форм палеоархейской эры жизни были найдены в Западной Австралии.

2.3 Мезоархей также длился около 400 млн.лет. В мезоархейскую эру нашу планету покрывал неглубокий океан. Участки суши представляли собой небольшие вулканические острова. Но уже в этот период начинается формирование литосферы и запускается механизм тектоники плит. В конце мезоархея наблюдается первый ледниковый период, во время которого на Земле впервые образуются снег и лед. Биологические виды по-прежнему пока представлены бактериями и микробными формами жизни.

2.4 Неоархей — завершающая эра архейского эона, длительность которой составляет около 300 млн. лет. Колонии бактерий в это время формирует первые на Земле строматолиты (известняковые отложения). Важнейшее событие неоархея - образование кислородного фотосинтеза.

II. Протерозой — один из длиннейших временных отрезков истории Земли, который принято делить на три эры. Во время протерозоя впервые появляется озоновый слой, мировой океан достигает практически современного объема. А после длительнейшего гуронского оледенения на Земле появляются первые многоклеточные формы жизни - грибы и губки. Протерозой принято делить на три эры, каждая их которых содержала по несколько периодов.

3.1 Палео-протерозой — первая эра протерозоя, которая началась 2,5 млрд. лет назад. В это время полностью формируется литосфера. А вот прежние формы жизни вследствие увеличения содержания кислорода практически вымерли. Этот период получил название кислородной катастрофы. К концу эры на Земле появляются первые эукариоты.

3.2 Мезо-протерозой длился приблизительно 600 млн.лет. Важнейшие события этой эры: формирование континентальных масс, образование суперконтинента Родиния и эволюция полового размножения.

3.3 Нео-протерозой . Во время этой эры Родиния распадается примерно на 8 частей, суперокеан Мировия прекращает свое существование, а на исходе эры Земля практически до экватора покрывается льдами. В неопротерозойскую эру живые организмы впервые начинают приобретать твердую оболочку, что в дальнейшем послужит основой скелета.

III. Палеозой — первая эра фанерозойского эона, начавшаяся приблизительно 541 млн. лет назад и длившаяся около 289 млн. лет. Это эпоха появления древней жизни. Суперконтинент Гондвана объединяет южные материки, чуть позже к нему присоединяются остальные части суши и появляется Пангея. Начинают формироваться климатические пояса, а флора и фауна представлена, в основном, морскими видами. Только к концу палеозоя начинается освоение суши, и появляются первые позвоночные.

Палеозойскую эру условно делят на 6 периодов.

1. Кембрийский период длился 56 млн. лет. В этот период формируются основные горные породы, у живых организмов появляется минеральный скелет. А важнейшим событием кембрия является возникновение первых членистоногих.

2. Ордовикский период — второй период палеозоя, длившийся 42 млн. лет. Это эпоха образования осадочных пород, фосфоритов и горючих сланцев. Органический мир ордовика представлен морскими беспозвоночными и сине-зелеными водорослями.

3. Силурийский период охватывает следующие 24 млн. лет. В это время вымирают практически 60% живых организмов, существовавших прежде. Зато появляются первые в истории планеты хрящекостные и костные рыбы. На суше силур знаменуется возникновением сосудистых растений. Суперконтинеты сближаются и образуют Лавразию. К концу периода отмечено таяние льдов, уровень моря повысился, а климат стал мягче.

4. Девонский период отличается бурным развитием разнообразных форм жизни и освоением новых экологических ниш. Девон охватывает временной промежуток в 60 млн. лет. Появляются первые наземные позвоночные, пауки, насекомые. У животных суши формируются легкие. Хотя, по-прежнему, преобладают рыбы. Царство флоры этого периода представлено пропапоротниками, хвощевидными, плаунами и госеменными.

5. Каменноугольный период часто называют карбоном. В это время Лавразия сталкивается с Гондваной и появляется новый суперконтинент Пангея. Образовывается и новый океан — Тетис. Это время появления первых земноводных и рептилий.

6. Пермский период — последний период палеозоя, завершившийся 252 млн. лет назад. Предполагают, что в это время на Землю упал крупный астероид, что привело к значительному изменению климата и вымиранию практически 90% всех живых организмов. Большая часть суши покрывается песками, появляются самые обширные пустыни, которые только существовали за всю историю развития Земли.

IV. Мезозой — вторая эра фанерозойского эона, продолжавшаяся почти 186 млн.лет. В это время материки приобретают практически современные очертания. А теплый климат способствует бурному развитию жизни на Земле. Исчезают гигантские папоротники, а им на смену появляются покрытосеменные растения. Мезозой - это эпоха динозавров и появления первых млекопитающих.

В мезозойской эре выделяют три периода: триас, юра и мел.

1. Триасовый период длился чуть более 50 млн. лет. В это время Пангея начинает раскалываться, а внутренние моря постепенно мельчают и высыхают. Климат - мягкий, зоны выражены не ярко. Почти половина растений суши исчезает, так как распространяются пустыни. А в царстве фауны появляются первые теплокровные и сухопутные рептилии, ставшие предками динозавров и птиц.

2. Юрский период охватывает промежуток в 56 млн. лет. На Земле царил влажный и теплый климат. Суша покрывается зарослями папоротников, сосен, пальм, кипарисов. На планете царят динозавры, а многочисленные млекопитающие отличались пока маленьким ростом и густой шерстью.

3. Меловой период — наиболее продолжительный период мезозоя, длившийся почти 79 млн. лет. Практически заканчивается раскол континентов, Атлантический океан значительно увеличивается в объеме, на полюсах формируются ледяные покровы. Увеличение водной массы океанов приводит к образованию парникового эффекта. В конце мелового периода происходит катастрофа, причины которой до сих пор не ясны. В результате вымерли все динозавры и большинство видов рептилий и голосеменных растений.

V. Кайнозой — это эра животных и человека разумного, начавшаяся 66 млн. лет назад. Континенты в это время приобрели свое современное очертание, Антарктида заняла южный полюс Земли, а океаны продолжали увеличиваться. Уцелевшие после катастрофы мелового периода растения и животные оказались в совершенно новом мире. На каждом континенте начали формироваться уникальные сообщества форм жизни.

Кайнозойскую эру делят на три периода: палеоген, неоген и четвертичный.

1. Палеогеновый период закончился приблизительно 23 млн. лет назад. В это время на Земле царил тропический климат, Европа скрывалась под вечнозелеными тропическими лесами, лишь на севере континентов росли листопадные деревья. Именно в период палеогена происходит бурное развитие млекопитающих.

2. Неогеновый период охватывает следующие 20 млн. лет развития планеты. Появляются киты и рукокрылые. И, хотя по земле еще бродят саблезубые тигры и мастодонты, фауна все больше приобретает современные черты.

3. Четвертичный период начался более 2,5 млн. лет назад и продолжается до сих пор. Два важнейших события характеризуют этот временной отрезок: ледниковый период и появление человека. Ледниковая эпоха полностью завершила формирование климата, флоры и фауны континентов. А появление человека ознаменовало начало цивилизации.

В масштабах космоса планеты — всего лишь песчинки, играющие незначительную роль в грандиозной картине развития природных процессов. Однако это наиболее разнообразные и сложные объекты Вселенной. Ни у одного из других типов небесных тел не наблюдается подобного взаимодействия астрономических, геологических, химических и биологических процессов. Ни в одном из иных мест в космосе не может зародиться жизнь в том виде, как мы ее знаем. Только в течение последнего десятилетия астрономы обнаружили более 200 планет.

Формирование планет, издавна считавшееся спокойным и стационарным процессом, в действительности оказалось весьма хаотическим.

Поразительное разнообразие масс, размеров, состава и орбит заставило многих задуматься об их происхождении. В 1970-е гг. формирование планет считалось упорядоченным, детерминированным процессом — конвейером, на котором аморфные газово-пылевые диски превращаются в копии Солнечной системы. Но теперь нам известно, что это хаотичный процесс, предполагающий различный результат для каждой системы. Родившиеся планеты выжили в хаосе конкурирующих механизмов формирования и разрушения. Многие объекты погибли, сгорев в огне своей звезды, или были выброшены в межзвездное пространство. У нашей Земли могли быть давно потерянные близнецы, странствующие ныне в темном и холодном космосе.

Наука о формировании планет лежит на стыке астрофизики, планетологии, статистической механики и нелинейной динамики. В целом планетологи развивают два основных направления. Согласно теории последовательной аккреции, крошечные частицы пыли слипаются, образуя крупные глыбы. Если такая глыба притянет к себе много газа, она превращается в газовый гигант, как Юпитер, а если нет — в каменистую планету типа Земли. Основные недостатки данной теории — медлительность процесса и возможность рассеяния газа до формирования планеты.

В другом сценарии (теория гравитационной неустойчивости) утверждается, что газовые гиганты формируются путем внезапного коллапса, приводящего к разрушению первичного газово-пылевого облака. Данный процесс в миниатюре копирует формирование звезд. Но гипотеза эта весьма спорная, т. к. предполагает наличие сильной неустойчивости, которая может и не наступить. К тому же астрономы обнаружили, что наиболее массивные планеты и наименее массивные звезды разделены «пустотой» (тел промежуточной массы просто не существует). Такой «провал» свидетельствует о том, что планеты — это не просто маломассивные звезды, но объекты совершенно иного происхождения.

Несмотря на то что ученые продолжают спорить, большинство считает более вероятным сценарий последовательной аккреции. В данной статье я буду опираться именно на него.

1. Межзвездное облако сжимается

Время: 0 (исходная точка процесса формирования планет)

Наша Солнечная система находится в Галактике, где около 100 млрд звезд и облака пыли и газа, в основном — остатки звезд предыдущих поколений. В данном случае пыль — это всего лишь микроскопические частицы водяного льда, железа и других твердых веществ, сконденсировавшиеся во внешних, прохладных слоях звезды и выброшенные в космическое пространство. Если облака достаточно холодные и плотные, они начинают сжиматься под действием силы гравитации, образуя скопления звезд. Такой процесс может длиться от 100 тыс. до нескольких миллионов лет.

Каждую звезду окружает диск из оставшегося вещества, которого достаточно для образования планет. Молодые диски в основном содержат водород и гелий. В их горячих внутренних областях частицы пыли испаряются, а в холодных и разреженных внешних слоях частицы пыли сохраняются и растут по мере конденсации на них пара.

Астрономы обнаружили много молодых звезд, окруженных такими дисками. Звезды возрастом от 1 до 3 млн лет обладают газовыми дисками, в то время как у тех, что существуют более 10 млн лет, наблюдаются слабые, бедные газом диски, поскольку газ «выдувает» из него либо сама новорожденная звезда, либо соседние яркие звезды. Этот диапазон времени как раз и есть эпоха формирования планет. Масса тяжелых элементов в таких дисках сравнима с массой данных элементов в планетах Солнечной системы: довольно сильный аргумент в защиту того факта, что планеты образуются из таких дисков.

Результат: новорожденная звезда окружена газом и крошечными (микронного размера) частицами пыли.

Клубки космической пыли

Даже гигантские планеты начинались со скромных тел — микронных пылинок (пепел давно умерших звезд), плавающих во вращающемся газовом диске. С удалением от новорожденной звезды температура газа падает, проходя через «линию льда», за которой вода замерзает. В нашей Солнечной системе эта граница отделяет внутренние твердые планеты от внешних газовых гигантов.

1. Частицы сталкиваются, слипаются и растут.
2. Малые частицы увлекает газ, но те, что больше миллиметра, тормозятся и по спирали движутся к звезде.
3. У линии льда условия таковы, что сила трения меняет направление. Частицы стремятся слипнуться и легко объединяются в более крупные тела — планетезимали.

2. Диск приобретает структуру

Время: около 1 млн лет

Частицы пыли в протопланетном диске, хаотически двигаясь вместе с потоками газа, сталкиваются друг с другом и при этом иногда слипаются, иногда разрушаются. Пылинки поглощают свет звезды и переизлучают его в длинноволновом инфракрасном диапазоне, передавая тепло в самые темные внутренние области диска. Температура, плотность и давление газа в целом снижаются с удалением от звезды. Из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем у свободного тела на таком же расстоянии.

В результате пылинки размером более нескольких миллиметров опережают газ, поэтому встречный ветер тормозит их и вынуждает по спирали опускаться к звезде. Чем крупнее становятся эти частицы, тем быстрее они движутся вниз. Глыбы метрового размера могут сократить свое расстояние от звезды вдвое всего за 1000 лет.

Приближаясь к звезде, частицы нагреваются, и постепенно вода и другие вещества с низкой температурой кипения, называемые летучими веществами, испаряются. Расстояние, на котором это происходит, — так называемая «линия льда», — составляет 2-4 астрономических единицы (а.е.). В Солнечной системе это как раз нечто среднее между орбитами Марса и Юпитера (радиус орбиты Земли равен 1 а.е.). Линия льда делит планетную систему на внутреннюю область, лишенную летучих веществ и содержащую твердые тела, и внешнюю, богатую летучими веществами и содержащую ледяные тела.

На самой линии льда накапливаются молекулы воды, испарившиеся из пылинок, что служит пусковым механизмом для целого каскада явлений. В этой области происходит разрыв в параметрах газа, и возникает скачок давления. Баланс сил заставляет газ ускорять свое движение вокруг центральной звезды. В результате попадающие сюда частицы оказываются под влиянием не встречного, а попутного ветра, подгоняющего их вперед и останавливающего их миграцию внутрь диска. А поскольку из его внешних слоев продолжают поступать частицы, линия льда превращается в полосу его скопления.

Скапливаясь, частицы сталкиваются и растут. Некоторые из них прорываются за линию льда и продолжают миграцию внутрь; нагреваясь, они покрываются жидкой грязью и сложными молекулами, что делает их более липкими. Некоторые области настолько заполняются пылью, что взаимное гравитационное притяжение частиц ускоряет их рост.

Постепенно пылинки собираются в тела километрового размера, называемые планетезималями, которые на последней стадии формирования планет сгребают почти всю первичную пыль. Увидеть сами планетезимали в формирующихся планетных системах трудно, но астрономы могут догадываться об их существовании по обломкам их столкновений (см.: Ардила Д. Невидимки планетных систем // ВМН, № 7, 2004).

Результат: множество километровых «строительных блоков», называемых планетезималями.

Рост олигархов

Миллиарды километровых планетезималей, сформировавшихся на стадии 2, собираются затем в тела размером с Луну или Землю, называемые зародышами. Небольшое их количество господствует в своих орбитальных зонах. Эти «олигархи» среди зародышей борются за оставшееся вещество

3. Формируются зародыши планет

Время: от 1 до 10 млн лет

Покрытые кратерами поверхности Меркурия, Луны и астероидов не оставляют сомнения в том, что в период формирования планетные системы похожи на стрелковый тир. Взаимные столкновения планетезималей могут стимулировать как их рост, так и разрушение. Баланс между коагуляцией и фрагментацией приводит к распределению по размерам, при котором мелкие тела в основном отвечают за площадь поверхности системы, а крупные определяют ее массу. Орбиты тел вокруг звезды вначале могут быть эллиптическими, но со временем торможение в газе и взаимные столкновения превращают орбиты в круговые.

Вначале рост тела происходит в силу случайных столкновений. Но чем больше становится планетезималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивнее она поглощает своих маломассивных соседей. Когда массы планетезималей становятся сравнимы с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения. Этим они ограничивают свой рост. Так возникают «олигархи» — зародыши планет со сравнимыми массами, конкурирующие друг с другом за оставшиеся планетезимали.

Зоной питания каждого зародыша служит узкая полоса вдоль его орбиты. Рост прекращается, когда зародыш поглотит большую часть планетезималей из своей зоны. Элементарная геометрия показывает, что размер зоны и продолжительность поглощения возрастают с удалением от звезды. На расстоянии 1 а.е. зародыши достигают массы 0,1 массы Земли в течение 100 тыс. лет. На расстоянии 5 а.е. они достигают четырех земных масс за несколько миллионов лет. Зародыши могут стать еще больше вблизи линии льда или на краях разрывов диска, где концентрируются планетезимали.

Рост «олигархов» заполняет систему излишком тел, стремящихся стать планетами, но лишь немногим это удается. В нашей Солнечной системе планеты хотя и распределены по большому пространству, но они близки друг к другу насколько это возможно. Если между планетами земного типа поместить еще одну планету с массой Земли, то она выведет из равновесия всю систему. То же самое можно сказать и о других известных системах планет. Если вы видите чашку кофе, заполненную до краев, то можете быть почти уверены, что кто-то ее переполнил и разлил немного жидкости; маловероятно, что можно до краев наполнить емкость, не разлив ни капли. Настолько же вероятно, что планетные системы в начале своей жизни обладают большим количеством вещества, чем в конце. Некоторые объекты выбрасываются из системы прежде, чем она достигнет равновесия. Астрономы уже наблюдали свободно летающие планеты в молодых звездных скоплениях.

Результат: «олигархи» — зародыши планет с массами в диапазоне от массы Луны до массы Земли.

Гигантский скачок для планетной системы

Формирование такого газового гиганта, как Юпитер, — важнейший момент в истории планетной системы. Если такая планета сформировалась, она начинает управлять всей системой. Но чтобы это произошло, зародыш должен собирать газ быстрее, чем он движется по спирали к центру.

Формированию гигантской планеты мешают волны, которые она возбуждает в окружающем газе. Действие этих волн не уравновешивается, тормозит планету и вызывает ее миграцию в сторону звезды.

Планета притягивает газ, но он не может осесть, пока не остынет. А за это время она может довольно близко по спирали подойти к звезде. Гигантская планета может сформироваться далеко не во всех системах

4. Рождается газовый гигант

Время: от 1 до 10 млн лет

Вероятно, Юпитер начинался с зародыша, сравнимого по размеру с Землей, а затем накопил еще около 300 земных масс газа. Такой внушительный рост обусловлен различными конкурирующими механизмами. Гравитация зародыша притягивает газ из диска, но сжимающийся к зародышу газ выделяет энергию, и чтобы осесть, он должен охлаждаться. Следовательно, скорость роста ограничена возможностью охлаждения. Если оно происходит слишком медленно, звезда может сдуть газ обратно в диск прежде, чем зародыш образует вокруг себя плотную атмосферу. Самым узким местом в отводе тепла является перенос излучения сквозь внешние слои растущей атмосферы. Поток тепла там определяется непрозрачностью газа (в основном зависит от его состава) и градиентом температуры (зависит от начальной массы зародыша).

Ранние модели показали, что зародыш планеты для достаточно быстрого охлаждения должен иметь массу не менее 10 масс Земли. Такой крупный экземпляр может вырасти лишь вблизи линии льда, где ранее собралось много вещества. Возможно, поэтому Юпитер расположен как раз за этой линией. Крупные зародыши могут образоваться и в любом другом месте, если диск содержит больше вещества, чем обычно предполагают планетологи. Астрономы уже наблюдали немало звезд, диски вокруг которых в несколько раз плотнее предполагавшихся ранее. Для крупного образца перенос тепла не представляется серьезной проблемой.

Другой фактор, затрудняющий рождение газовых гигантов, — движение зародыша по спирали к звезде. В процессе, называемом миграцией I типа, зародыш возбуждает волны в газовом диске, которые в свою очередь гравитационно воздействуют на его движение по орбите. Волны следуют за планетой, как тянется за лодкой ее след. Газ на внешней стороне орбиты вращается медленнее зародыша и влечет его назад, тормозя движение. А газ внутри орбиты вращается быстрее и тянет вперед, ускоряя его. Внешняя область обширнее, поэтому она выигрывает битву и заставляет зародыш терять энергию и опускаться к центру орбиты на несколько астрономических единиц за миллион лет. Эта миграция обычно прекращается у линии льда. Здесь встречный газовый ветер превращается в попутный и начинает подталкивать зародыш вперед, компенсируя его торможение. Возможно, еще и поэтому Юпитер находится именно там, где он находится.

Рост зародыша, его миграция и потеря газа из диска происходят почти в одном и том же темпе. Какой процесс победит — зависит от везения. Возможно, несколько поколений зародышей пройдут через процесс миграции, не будучи способными завершить свой рост. За ними из внешних областей диска к его центру движутся новые партии планетезималей, и это повторяется до тех пор, пока в конце концов не образуется газовый гигант, или же пока весь газ не рассосется, и газовый гигант уже не сможет сформироваться. Астрономы открыли планеты типа Юпитера примерно у 10% исследованных солнцеподобных звезд. Ядра таких планет могут быть редкими зародышами, выжившими из многих поколений — последними из могикан.

Итог всех этих процессов зависит от начального состава вещества. Примерно треть звезд, богатых тяжелыми элементами, имеет планеты типа Юпитера. Возможно, у таких звезд были плотные диски, позволившие сформироваться массивным зародышам, у которых не было проблем с теплоотводом. И, напротив, вокруг звезд, бедных тяжелыми элементами, планеты формируются редко.

В некий момент масса планеты начинает расти чудовищно быстро: за 1000 лет планета типа Юпитера приобретает половину своей конечной массы. При этом она выделяет так много тепла, что сияет почти как Солнце. Процесс стабилизируется, когда планета становится настолько массивной, что поворачивает миграцию I типа «с ног на голову». Вместо того чтобы диск менял орбиту планеты, сама планета начинает изменять движение газа в диске. Газ внутри орбиты планеты вращается быстрее нее, поэтому ее притяжение тормозит газ, вынуждая его падать в сторону звезды, т. е. от планеты. Газ же вне орбиты планеты вращается медленнее, поэтому планета ускоряет его, заставляя двигаться наружу, опять же от планеты. Таким образом, планета создает разрыв в диске и уничтожает запас строительного материала. Газ пытается его заполнить, но компьютерные модели показывают, что планета выигрывает битву, если при расстоянии в 5 а.е. ее масса превышает массу Юпитера.

Эта критическая масса зависит от эпохи. Чем раньше формируется планета, тем больше будет ее рост, поскольку в диске еще много газа. У Сатурна масса меньше, чем у Юпитера, просто потому, что он сформировался на несколько миллионов лет позже. Астрономы обнаружили дефицит планет с массами от 20 масс Земли (это масса Нептуна) до 100 земных масс (масса Сатурна). Это может стать ключом к восстановлению картины эволюции.

Результат: Планета размером с Юпитер (или ее отсутствие).

5. Газовый гигант становится неусидчивым

Время: от 1 до 3 млн лет

Как ни странно, многие внесолнечные планеты, открытые за последние десять лет, обращаются вокруг своей звезды на очень близком расстоянии, гораздо ближе, чем Меркурий — вокруг Солнца. Эти так называемые «горячие Юпитеры» сформировались не там, где они находятся сейчас, т. к. орбитальная зона питания была бы слишком мала для поставки необходимого вещества. Возможно, для их существования нужна трехступенчатая последовательность событий, которая по какой-то причине не реализовалась в нашей Солнечной системе.

Во-первых, газовый гигант должен формироваться во внутренней части планетной системы, вблизи линии льда, пока в диске еще достаточно газа. Но для этого в диске должно быть много и твердого вещества.

Во-вторых, планета-гигант должна переместиться к месту своего нынешнего расположения. Миграция I типа не может обеспечить этого, т. к. она действует на зародыши еще до того, как они наберут много газа. Но возможна и миграция II типа. Формирующийся гигант создает разрыв в диске и сдерживает течение газа через свою орбиту. В этом случае он должен бороться с тенденцией турбулентного газа распространяться в смежные области диска. Газ никогда не перестанет сочиться в разрыв, и его диффузия к центральной звезде заставит планету терять орбитальную энергию. Этот процесс довольно медленный: нужно несколько миллионов лет для перемещения планеты на несколько астрономических единиц. Поэтому планета должна начать формироваться во внутренней части системы, если в итоге ей предстоит выйти на орбиту вблизи звезды. Когда эта и другие планеты продвигаются внутрь, они толкают перед собой оставшиеся планетезимали и зародыши, возможно, создавая «горячие Земли» на еще более близких к звезде орбитах.

В-третьих, что-то должно остановить движение, прежде чем планета упадет на звезду. Это может быть магнитное поле звезды, расчищающее от газа пространство вблизи звезды, а без газа движение прекращается. Возможно, планета возбуждает приливы на звезде, а они в свою очередь замедляют падение планеты. Но эти ограничители могут и не срабатывать во всех системах, поэтому многие планеты могут продолжать свое движение к звезде.

Результат: планета-гигант на близкой орбите («горячий Юпитер»).

Как обнять звезду

Во многих системах образуется гигантская планета и начинает приближаться по спирали к звезде. Происходит это потому, что газ в диске теряет энергию из-за внутреннего трения и оседает к звезде, увлекая за собой планету, которая со временем оказывается так близко к звезде, что та стабилизирует ее орбиту

6. Появляются и другие планеты-гиганты

Время: от 2 до 10 млн лет

Если удалось сформироваться одному газовому гиганту, то он способствует рождению следующих гигантов. Многие, а возможно и большинство известных планет-гигантов имеют близнецов сравнимой массы. В Солнечной системе Юпитер помог Сатурну сформироваться быстрее, чем это произошло бы без его помощи. Кроме того, он «протянул руку помощи» Урану и Нептуну, без чего они не достигли бы своей нынешней массы. На их расстоянии от Солнца процесс формирования без посторонней помощи шел бы очень медленно: диск рассосался бы еще до того, как планеты успели бы набрать массу.

Первый газовый гигант оказывается полезным по нескольким причинам. У внешней кромки образованного им разрыва вещество концентрируется, в общем, по той же причине, что и на линии льда: перепад давления заставляет газ ускоряться и действовать как попутный ветер на пылинки и планетезимали, останавливая их миграцию из внешних областей диска. К тому же гравитация первого газового гиганта часто отбрасывает соседние с ним планетезимали во внешнюю область системы, где из них формируются новые планеты.

Второе поколение планет формируется из вещества, собранного для них первым газовым гигантом. При этом большое значение имеет темп: даже небольшая задержка во времени может существенно изменить результат. В случае Урана и Нептуна аккумуляция планетезималей была чрезмерной. Зародыш стал слишком большим, 10-20 земных масс, что отсрочило начало аккреции газа до момента, когда в диске его почти не осталось. Формирование этих тел завершилось, когда они набрали всего по две земных массы газа. Но это уже не газовые, а ледяные гиганты, которые могут оказаться самым распространенным типом.

Гравитационные поля планет второго поколения увеличивают в системе хаос. Если эти тела сформировались слишком близко, их взаимодействие друг с другом и с газовым диском может выбросить их на более высокие эллиптические орбиты. В Солнечной системе планеты имеют почти круговые орбиты и достаточно удалены друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Но в других планетных системах орбиты как правило эллиптические. В некоторых системах они резонансные, т. е. орбитальные периоды соотносятся как небольшие целые числа. Вряд ли это было заложено при формировании, но могло возникнуть при миграции планет, когда постепенно взаимное гравитационное влияние привязало их друг к другу. Различие между такими системами и Солнечной системой могло определяться разным начальным распределением газа.

Большинство звезд рождаются в скоплениях, причем более половины из них — двойные. Планеты могут сформироваться не в плоскости орбитального движения звезд; в этом случае гравитация соседней звезды быстро перестраивает и искажает орбиты планет, образуя не такие плоские системы, как наша Солнечная, а сферические, напоминающие рой пчел вокруг улья.

Результат: компания планет-гигантов.

Прибавление в семействе

Первый газовый гигант создает условия для рождения следующих. Расчищенная им полоса действует как крепостной ров, который не может преодолеть вещество, движущееся снаружи к центру диска. Оно собирается на внешней стороне разрыва, где из него формируются новые планеты.

7. Формируются планеты типа Земли

Время: от 10 до 100 млн лет

Планетологи считают, что похожие на Землю планеты распространены больше, чем планеты-гиганты. Несмотря на то что рождение газового гиганта требует точного баланса конкурирующих процессов, формирование твердой планеты должно быть намного сложнее.

До обнаружения внесолнечных землеподобных планет мы опирались лишь на данные о Солнечной системе. Четыре планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — в основном состоят из веществ с высокой температурой кипения, таких как железо и силикатные породы. Это свидетельствует о том, что сформировались они внутри линии льда и заметно не мигрировали. На таких расстояниях от звезды зародыши планет могут вырасти в газовом диске до 0,1 земной массы, т. е. не больше чем Меркурий. Для дальнейшего роста нужно, чтобы орбиты зародышей пересекались, тогда они будут сталкиваться и сливаться. Условия для этого возникают после испарения газа из диска: под действием взаимных возмущений в течение нескольких миллионов лет орбиты зародышей вытягиваются в эллипсы и начинают пересекаться.

Гораздо труднее объяснить, как система вновь стабилизирует себя, и как планеты земной группы оказались на их нынешних почти круговых орбитах. Небольшое количество оставшегося газа могло бы это обеспечить, но такой газ должен был предотвратить изначальное «разбалтывание» орбит зародышей. Возможно, когда планеты уже почти сформировались, остается еще приличный рой планетезималей. В течение следующих 100 млн лет планеты сметают часть из этих планетезималей, а оставшиеся отклоняют в сторону Солнца. Планеты передают свое беспорядочное движение обреченным планетезималям и переходят на круговые или почти круговые орбиты.

Согласно другой идее, длительное влияние гравитации Юпитера вызывает у формирующихся планет земной группы миграцию, передвигая их в области со свежим веществом. Это влияние должно быть сильнее на резонансных орбитах, которые постепенно сдвигались внутрь по мере опускания Юпитера к его современной орбите. Радиоизотопные измерения указывают, что астероиды сформировались первыми (спустя 4 млн лет после образования Солнца), затем — Марс (через 10 млн лет), а позже — Земля (через 50 млн лет): как будто бы поднятая Юпитером волна прошла через Солнечную систему. Если бы она не встретила препятствий, то сдвинула бы все планеты земной группы к орбите Меркурия. Как же им удалось избежать столь печальной участи? Возможно, они уже стали слишком массивными, и Юпитер не смог их сильно сдвинуть, а может быть, сильные удары выбросили их из зоны действия Юпитера.

Заметим, что многие планетологи не считают роль Юпитера решающей в формировании твердых планет. Большинство солнцеподобных звезд лишено планет типа Юпитера, но вокруг них есть пылевые диски. А значит, там есть планетезимали и зародыши планет, из которых могут сформироваться объекты типа Земли. Основной вопрос, на который должны ответить наблюдатели в ближайшее десятилетие, — в скольких системах есть земли, но нет юпитеров.

Важнейшей эпохой для нашей планеты стал период между 30 и 100 млн лет после формирования Солнца, когда зародыш размером с Марс врезался в прото-Землю и породил гигантское количество обломков, из которых сформировалась Луна. Столь мощный удар, конечно же, разбросал огромное количество вещества по Солнечной системе; поэтому землеподобные планеты в других системах тоже могут иметь спутники. Этот сильный удар должен был сорвать первичную атмосферу Земли. Ее современная атмосфера в основном возникла из газа, заключенного в планетезималях. Из них сформировалась Земля, а позже этот газ вышел наружу при извержении вулканов.

Результат: планеты земного типа.

Объяснение некругового движения

Во внутренней области солнечной системы зародыши планет не могут расти, захватывая газ, поэтому они должны сливаться друг с другом. Для этого их орбиты должны пересекаться, а значит, что-то должно нарушить их первоначально круговое движение.

Когда образуются зародыши, их круговые или почти круговые орбиты не пересекаются.

Гравитационное взаимодействие зародышей между собой и с гигантской планетой возмущает орбиты.

Зародыши объединяются в планету типа земли. Она возвращается на круговую орбиту, перемешивая оставшийся газ и разбрасывая сохранившиеся планетезимали.

8. Начинаются операции по зачистке

Время: от 50 млн до 1 млрд лет

К этому моменту планетная система уже почти сформировалась. Продолжаются еще несколько второстепенных процессов: распад окружающего звездного скопления, способного своей гравитацией дестабилизировать орбиты планет; внутренняя неустойчивость, возникающая после того, как звезда окончательно разрушает свой газовый диск; и, наконец, продолжающееся рассеивание оставшихся планетезималей гигантской планетой. В Солнечной системе Уран и Нептун выбрасывают планетезимали наружу, в пояс Койпера, или же к Солнцу. А Юпитер своим мощным тяготением отсылает их в облако Оорта, на самый край области гравитационного влияния Солнца. В облаке Оорта может содержаться около 100 земных масс вещества. Время от времени планетезимали из пояса Койпера или облака Оорта приближаются к Солнцу, образуя кометы.

Разбрасывая планетезимали, сами планеты немного мигрируют, и этим можно объяснить синхронизацию орбит Плутона и Нептуна. Возможно, орбита Сатурна когда-то располагалась ближе к Юпитеру, но затем отдалилась от него. Вероятно, с этим связана так называемая поздняя эпоха сильной бомбардировки — период очень интенсивных столкновений с Луной (и, по-видимому, с Землей), наступивший спустя 800 млн лет после формирования Солнца. В некоторых системах грандиозные столкновения сформировавшихся планет могут возникать на поздней стадии развития.

Результат: Конец формирования планет и комет.

Посланцы из прошлого

Метеориты — не просто космические камни, а космические ископаемые. По мнению планетологов, это единственные осязаемые свидетели рождения Солнечной системы. Считается, что это куски астероидов, которые являются фрагментами планетезималей, никогда не участвовавших в формировании планет и навсегда оставшихся в замороженном состоянии. Состав метеоритов отражает все, что случилось с их родительскими телами. Поразительно, что на них видны следы от давнего гравитационного воздействия Юпитера.

Железные и каменные метеориты очевидно образовались в планетезималях, испытавших плавление, в результате чего железо отделилось от силикатов. Тяжелое железо опустилось к ядру, а легкие силикаты собрались во внешних слоях. Ученые считают, что нагрев был вызван распадом радиоактивного изотопа алюминий-26, имеющего период полураспада 700 тыс. лет. Взрыв сверхновой или соседняя звезда могли «заразить» протосолнечное облако этим изотопом, в результате чего он в большом количестве попал в первое поколение планетезималей Солнечной системы.

Однако железные и каменные метеориты встречаются редко. Большинство содержит хондры — мелкие зерна миллиметрового размера. Эти метеориты — хондриты — возникли до планетезималей и никогда не испытывали плавления. Похоже, что большинство астероидов не связаны с первым поколением планетезималей, которые скорее всего были выброшены из системы под действием Юпитера. Планетологи вычислили, что в области нынешнего пояса астероидов раньше содержалось в тысячу раз больше вещества, чем сейчас. Частицы, избежавшие когтей Юпитера или позже попавшие в пояс астероидов, объединились в новые планетезимали, но к тому времени в них осталось мало алюминия-26, поэтому они никогда не плавились. Изотопный состав хондритов показывает, что они сформировались примерно через 2 млн лет после начала формирования Солнечной системы.

Стеклообразное строение некоторых хондр указывает, что перед тем как попасть в планетезимали, они были резко нагреты, расплавились, а затем быстро остыли. Волны, управлявшие ранней орбитальной миграцией Юпитера, должны были превращаться в ударные волны и могли вызвать этот внезапный нагрев.

Нет единого плана

До начала эры открытия внесолнечных планет мы могли изучать только Солнечную систему. Несмотря на то что это позволило нам понять микрофизику важнейших процессов, у нас не было представления о путях развития иных систем. Удивительное разнообразие планет, обнаруженных за последнее десятилетие, значительно раздвинуло горизонт наших знаний. Мы начинаем понимать, что внесолнечные планеты — это последнее выжившее поколение в ряду протопланет, испытавших формирование, миграцию, разрушение и непрерывную динамическую эволюцию. Относительный порядок в нашей Солнечной системе не может быть отражением какого-то общего плана.

От попыток выяснить, как в далеком прошлом формировалась наша Солнечная система, теоретики обратились к исследованиям, позволяющим делать прогнозы о свойствах еще не открытых систем, которые могут быть обнаружены в ближайшее время. До сих пор наблюдатели замечали вблизи солнцеподобных звезд только планеты с массами порядка массы Юпитера. Вооружившись приборами нового поколения, они смогут искать объекты земного типа, которые в соответствии с теорией последовательной аккреции должны быть широко распространены. Планетологи только начинают осознавать то, насколько разнообразны миры во Вселенной.

Перевод: В. Г. Сурдин

Дополнительная литература:
1) Towards a Deterministic Model of Planetary Formation . S. Ida and D.N.C. Lin in Astrophysical Journal, Vol. 604, No. 1, pages 388-413; March 2004.
2) Planet Formation: Theory, Observation, and Experiments. Edited by Hubert Klahr and Wolfgang Brandner. Cambridge University Press, 2006.
3) Альвен Х., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. М.: Мир, 1979.
4) Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы: Происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990.