Die Entstehung und Entwicklung unseres Planeten Zeichnung. Wann und wie ist die Erde entstanden? Frühe Theorien über die Entstehung des Universums

Begeistert die Köpfe der Wissenschaftler seit vielen Jahrtausenden. Es gab und gibt viele Versionen – von rein theologisch bis modern, gebildet auf der Grundlage von Daten aus der Weltraumforschung.

Da aber bei der Entstehung unseres Planeten zufällig niemand dabei war, bleibt uns nur auf indirekte „Beweise“ zu verlassen. Auch die leistungsstärksten Teleskope sind eine große Hilfe dabei, den Schleier von diesem Mysterium zu lüften.

Sonnensystem

Die Geschichte der Erde ist untrennbar mit dem Aussehen verbunden und um das sie sich dreht. Und so muss man von weitem anfangen. Wissenschaftlern zufolge dauerte es nach dem Urknall ein bis zwei Milliarden Jahre, bis Galaxien annähernd das wurden, was sie heute sind. Das Sonnensystem hingegen entstand vermutlich acht Milliarden Jahre später.

Die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass es, wie alle ähnlichen Weltraumobjekte, aus einer Wolke aus Staub und Gas entstanden ist, da die Materie im Universum ungleich verteilt ist: Irgendwo war mehr davon und an einem anderen Ort weniger. Im ersten Fall führt dies zur Bildung von Nebeln aus Staub und Gas. Irgendwann, vielleicht durch äußere Einflüsse, zog sich eine solche Wolke zusammen und begann sich zu drehen. Der Grund für das, was passiert ist, liegt wahrscheinlich in einer Supernova-Explosion irgendwo in der Nähe unserer zukünftigen Wiege. Wenn jedoch alle ungefähr gleich aufgebaut sind, erscheint diese Hypothese zweifelhaft. Höchstwahrscheinlich begann die Wolke, nachdem sie eine bestimmte Masse erreicht hatte, mehr Partikel an sich zu ziehen und sich zusammenzuziehen, und erhielt aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Materie im Raum ein Rotationsmoment. Mit der Zeit wurde dieser wirbelnde Klumpen in der Mitte immer dichter. So entstand unter dem Einfluss enormen Drucks und steigender Temperaturen unsere Sonne.

Hypothesen verschiedener Jahre

Wie oben erwähnt, haben sich die Menschen schon immer gefragt, wie der Planet Erde entstanden ist. Die erste wissenschaftliche Begründung erschien erst im 17. Jahrhundert n. Chr. Damals wurden viele Entdeckungen gemacht, darunter auch physikalische Gesetze. Nach einer dieser Hypothesen entstand die Erde durch die Kollision eines Kometen mit der Sonne als Reststoff der Explosion. Einer anderen zufolge entstand unser System aus einer kalten Wolke aus kosmischem Staub.

Die Teilchen des letzteren kollidierten miteinander und verbanden sich, bis die Sonne und die Planeten entstanden. Aber französische Wissenschaftler schlugen vor, dass die angegebene Wolke glühend heiß war. Als es abkühlte, drehte und zog es sich zusammen und bildete Ringe. Aus letzterem wurden die Planeten gebildet. Und die Sonne erschien in der Mitte. Der Engländer James Jeans vermutete, dass einst ein anderer Stern an unserem Stern vorbeiflog. Sie zog mit ihrer Anziehungskraft die Substanz aus der Sonne heraus, aus der sich später die Planeten bildeten.

Wie die Erde entstand

Laut modernen Wissenschaftlern entstand das Sonnensystem aus kalten Staub- und Gaspartikeln. Die Substanz wurde komprimiert und zerfiel in mehrere Teile. Aus dem größten Stück wurde die Sonne geformt. Dieses Stück drehte und erwärmte sich. Es wurde wie eine Scheibe. Aus dichten Partikeln an der Peripherie dieser Gas-Staub-Wolke entstanden Planeten, darunter auch unsere Erde. Währenddessen im Zentrum des entstehenden Sterns unter dem Einfluss hoher Temperaturen und enormen Drucks

Bei der Suche nach Exoplaneten (erdähnlich) wurde die Hypothese aufgestellt, dass je mehr schwere Elemente ein Stern enthält, desto unwahrscheinlicher ist es, dass in seiner Nähe Leben entsteht. Dies liegt daran, dass ihr großer Inhalt zum Auftreten von Gasriesen um den Stern führt - Objekte wie Jupiter. Und solche Riesen bewegen sich unweigerlich auf den Stern zu und stoßen kleine Planeten aus ihren Umlaufbahnen.

Geburtsdatum

Die Erde ist vor etwa viereinhalb Milliarden Jahren entstanden. Die um die glühende Scheibe rotierenden Stücke wurden immer schwerer. Es wird angenommen, dass ihre Teilchen zunächst durch elektrische Kräfte angezogen wurden. Und irgendwann, als die Masse dieses „Komas“ ein bestimmtes Niveau erreichte, begann es, mit Hilfe der Schwerkraft alles in der Umgebung anzuziehen.

Wie im Fall der Sonne begann das Gerinnsel zu schrumpfen und sich zu erwärmen. Die Substanz ist vollständig geschmolzen. Mit der Zeit bildete sich ein schwereres Zentrum, das hauptsächlich aus Metallen bestand. Als die Erde entstand, begann sie langsam abzukühlen und die Kruste bildete sich aus leichteren Substanzen.

Zusammenstoß

Und dann erschien der Mond, aber nicht so, wie die Erde nach der Annahme der Wissenschaftler und nach den auf unserem Satelliten gefundenen Mineralien entstanden ist. Die bereits abgekühlte Erde kollidierte mit einem etwas kleineren anderen Planeten. Infolgedessen verschmolzen beide Objekte vollständig und wurden zu einem. Und die durch die Explosion ausgeworfene Substanz begann sich um die Erde zu drehen. Daraus wurde der Mond geboren. Es wird behauptet, dass sich die auf dem Satelliten gefundenen Mineralien in ihrer Struktur von denen der Erde unterscheiden: als wäre die Substanz geschmolzen und wieder erstarrt. Aber das gleiche geschah mit unserem Planeten. Und warum führte diese schreckliche Kollision nicht zur vollständigen Zerstörung zweier Objekte unter Bildung kleiner Fragmente? Es gibt viele Geheimnisse.

Weg zum Leben

Dann begann die Erde wieder abzukühlen. Wiederum bildete sich ein Metallkern und dann eine dünne Oberflächenschicht. Und dazwischen - eine relativ bewegliche Substanz - der Mantel. Dank starker vulkanischer Aktivität wurde die Atmosphäre des Planeten gebildet.

Zunächst war es natürlich absolut ungeeignet für die menschliche Atmung. Und das Leben wäre ohne das Auftreten von flüssigem Wasser unmöglich. Es wird angenommen, dass letzteres durch Milliarden von Meteoriten aus den Randgebieten des Sonnensystems auf unseren Planeten gebracht wurde. Anscheinend gab es einige Zeit nach der Entstehung der Erde ein starkes Bombardement, dessen Ursache der Gravitationseinfluss von Jupiter sein könnte. Wasser war in Mineralien eingeschlossen, und Vulkane verwandelten es in Dampf, und es fiel heraus, um Ozeane zu bilden. Dann kam Sauerstoff. Nach Ansicht vieler Wissenschaftler geschah dies aufgrund der lebenswichtigen Aktivität uralter Organismen, die unter diesen rauen Bedingungen auftreten konnten. Aber das ist eine ganz andere Geschichte. Und die Menschheit nähert sich von Jahr zu Jahr einer Antwort auf die Frage, wie der Planet Erde entstanden ist.

Erdkruste oder Lithosphäre. Obwohl Grund zu der Annahme besteht, dass das Alter der Erde etwa 4,5 Milliarden Jahre beträgt, ist die Frage, wie unser Planet und das gesamte Sonnensystem, zu dem die Erde gehört, entstanden ist, noch immer nicht geklärt. Alles, was wir haben, ist eine Theorie, die sich ständig ändert, wenn wir sie mit neuen Informationen über das Sonnensystem vergleichen, die wir erhalten.

Die Hauptbestimmungen dieser Theorie laufen darauf hinaus, dass das gesamte Sonnensystem – die Erde, andere Planeten und die Sonne – gleichzeitig und als ein Ganzes gebildet wurde. Dieser Prozess der Systembildung ist nichts Einzigartiges oder gar Ungewöhnliches, sondern ganz gewöhnlich. Ähnliche Prozesse finden derzeit im Universum statt. Das Ausgangsmaterial für die Entstehung des Sonnensystems war ein Nebel - eine riesige rotierende scheibenförmige Wolke, bestehend aus kaltem Gas und "Staub". Aus dieser kalten und zerstreuten Masse wurden, als sie dichter wurde, Gruppen getrennter Verdichtungen unterschieden, aus denen schließlich die Sonne und die Planeten gebildet wurden. Einer dieser Haufen, aus dem später die Erde mit einem Durchmesser von 13.400 Kilometern wurde, hatte ursprünglich einen Durchmesser von mehreren Millionen Kilometern, so weit waren seine Bestandteile voneinander entfernt. Doch diese Teilchen näherten sich unter dem Einfluss der Gravitationskräfte allmählich an und verloren durch unzählige Kollisionen Energie. Größere Partikel "fielen" wie Hagelkörner in Richtung des Kondensationszentrums, und während dieser Gravitationskontraktion wurde so viel Wärme freigesetzt, dass als Ergebnis eine starke Verdichtung der Masse unter Bildung eines festen Körpers erfolgte.

Der Festkörper der Erde war ursprünglich sehr heiß ( Das heißt, es könnte aufgewärmt worden sein, als die Erde durch die Hitze des radioaktiven Zerfalls und der Schwerkraft geformt wurde. - Ca. ed). Es wird angenommen, dass die Eisenpartikel, die Teil dieser jungen, heißen, sich verdichtenden Erde waren, schmolzen und schwere Tropfen bildeten, die zum Erdmittelpunkt hinabstiegen. Es kam zu einer Anhäufung von Eisen und anderen Mineralien, wodurch der heutige Erdkern entstand.

Die leichteren Teilchen, die nicht tief "einfielen", bildeten eine dicke Schicht, die den schwereren Kern umgab. Diese Schicht war eher steinig als metallisch und bestand aus Silikatmineralien. So wurde das gebildet, was wir den Mantel nennen; es wurde bereits im ersten Kapitel besprochen.

Eine dicke Schicht schlecht wärmeleitender Silikate verhinderte nach wie vor den Wärmeabfluss aus dem aufgeheizten Erdinneren. Aber obwohl die Temperatur des Mantels hoch wurde, fand in seinen tiefen Teilen kein Schmelzen statt, da das Gewicht der darüber liegenden Schichten einen zu hohen Druck erzeugte. Aber im oberen (oder äußeren) Teil des Mantels, wo die darüber liegende Gesteinsschicht viel dünner und der Druck geringer war, schmolz das Gestein teilweise. Zwar schmolzen nur Mineralien mit dem niedrigsten Schmelzpunkt, mit anderen Worten, das Schmelzen war selektiv. Es entstand Magma. Da das Magma nur aus einigen Mineralien des umgebenden Gesteins gebildet wurde, unterschied es sich in seiner Zusammensetzung von diesem ursprünglichen Gestein. Seine Zusammensetzung näherte sich der Basaltschicht, und das Gewicht war etwas geringer als das des umgebenden ungeschmolzenen Gesteins.

Die leichteren Massen von neu gebildetem basaltischem Magma neigten zum Aufsteigen. Es gab viele Zentren solcher Massen, und ihr Aufstieg war langsam. Allmählich verfestigten sie sich auf der Erdoberfläche, wo die Temperaturen niedriger waren. Beim Erstarren bildete sich allmählich eine Kruste aus Basalten, die die gesamte Erde bedeckte. Die Basaltkruste ist also ein Produkt selektiven Schmelzens, und ihre Zusammensetzung unterscheidet sich etwas von der des Erdmantels. Dieses selektive Schmelzen einiger Bestandteile des Urgesteins war wahrscheinlich der erste Prozess in einer langen Kette von Prozessen der allmählichen Differenzierung von Primärmagma und der Bildung von Gesteinen, aus denen die Erdkruste besteht.

Der zweite Prozess war die chemische Verwitterung, der dritte die Bildung von Granitgestein, das leichter als Basalt ist. Offensichtlich sind alle diese drei Prozesse noch im Gange.

Atmosphäre und Hydrosphäre. Bisher haben wir die Theorie der Bildung des äußeren Teils der Lithosphäre vorgestellt. Wie sind Atmosphäre und Hydrosphäre entstanden? Obwohl es auf den ersten Blick seltsam erscheinen mag, sind diese beiden beweglichen Hüllen im Grunde auf die gleiche Weise entstanden wie die feste Kruste: indem Magma an die Oberfläche (oder an die Oberfläche) der Erde gehoben wurde. Dies erwies sich als möglich, weil jedes Magma Gase enthält. Oben haben wir gesagt, dass Magma an manchen Stellen durch das Schmelzen von tiefem Gestein unter der Einwirkung von Wärme aus erhitzten inneren Teilen entstanden ist. Während des Schmelzprozesses zerfallen einige Mineralien leicht in ihre chemischen Bestandteile. Dieser Prozess unterschied sich vom Sortieren von Mineralkristallen nach Gewicht. Der Zerfall der Materie erfolgte unter dem Einfluss von Temperatur, Druck und chemisch aktivem Medium im Magma. Weitere auf diese Weise freigesetzte Stoffe waren Wasserstoff (H 2 ), Stickstoff (N 2 ), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Das aufsteigende Magma brachte diese Stoffe an die Oberfläche, und dort wurden sie daraus freigesetzt. So begann die Entstehung der Erdatmosphäre, einer Atmosphäre, die in diesen frühen Stadien vollständig vulkanisch war. Es bestand aus Methan, Wasserdampf, Ammoniak, Wasserstoff, Stickstoff und möglicherweise etwas Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die gleichen Elemente und Substanzen sind in den Gasen enthalten, die von modernen Vulkanen ausgestoßen werden. Der bedeutendste Unterschied zwischen der antiken Atmosphäre und der modernen bestand darin, dass der gesamte darin enthaltene Sauerstoff in verschiedenen chemischen Verbindungen gebunden war. Es gab keinen freien Sauerstoff. Dies ist sehr wichtig, da eine sauerstoffarme Atmosphäre einen großen Einfluss auf die Bildung lebender Materie hat, wie wir in Kapitel 7 sehen werden.

Was die Hydrosphäre betrifft, ist es nicht schwer zu verstehen, dass sie aus einer Atmosphäre entstanden ist, die eine große Menge Wasserdampf aus Vulkanen enthält. Der Wasserdampf kondensierte und fiel als Regen aus. Mit dem Abfluss von Regenwasser bildeten sich Bäche, die in Seen endeten, die Vertiefungen auf der Erdoberfläche besetzten. Die Seen wuchsen und verschmolzen zum Ozean. Während dieses Prozesses begann der Wasserkreislauf.

Als die kohlendioxid- und wasserhaltige Atmosphäre mit jungen Basaltgesteinen in Kontakt kam, die an die Oberfläche kamen, sollte deren Verwitterung begonnen haben. Neu entstandene Bäche trugen Verwitterungsprodukte, Gesteinspartikel und gelöste Stoffe in neue Seen. Die im Wasser der Seen gelöste Substanz, die wuchs und die Landoberfläche überschwemmte, war Salz (eigentlich eine Mischung aus vielen Salzen), das im Wasser des entstehenden Ozeans vorhanden war. Dies war der Beginn der Versalzung des Meerwassers, die wir jetzt beobachten.

Obwohl diese Abfolge von Ereignissen plausibel erscheint, weil sie gut zu unserem Wissen über die Erde passt, ist sie dennoch nur eine Theorie und noch lange nicht bewiesen. Außerdem ist nur sehr wenig bekannt, wie lange das alles gedauert hat – wie lange es dauerte, bis die Atmosphäre und der Ozean ihre moderne Zusammensetzung und Größe erreichten. Es gibt Grund zu der Annahme, dass in der Zusammensetzung dieser beweglichen Hüllen seit mindestens einer halben Milliarde oder einer Milliarde Jahren keine wesentlichen Änderungen stattgefunden haben.

So ist es wahrscheinlich, dass die Bestandteile der Erdkruste im Zuge vulkanischer Aktivitäten entstanden sind, die sich gleichzeitig mit Gesteinsverwitterung, Gesteinsabsenkung und Wiederaufschmelzung in großen Tiefen manifestierten – also zeitgleich mit die Zirkulation der Materie. Es ist auch wahrscheinlich, dass die Bestandteile der Atmosphäre und der Hydrosphäre nach und nach aus den heißen Tiefen der Erde „verdunstet“ sind. Sie stiegen als Gase auf, die sich im aufsteigenden Magma lösten und bei Vulkanausbrüchen freigesetzt wurden. Dieser Aufwärtstransfer findet seit den frühesten Stadien der Erdgeschichte statt, und immer noch kommt "neues" Wasser an die Erdoberfläche. Bis heute ist der größte Teil des von Vulkanen freigesetzten Wassers "altes" Wasser, das wiederholt im Kreislauf war und durch vulkanische Hitze erhitzt wurde und sich in der Dicke der Erde befindet. Aber wenn nur ein halbes Prozent des von Vulkanen ausgestoßenen Wassers „neues“ Wasser ist, dann könnte laut Berechnungen bei dieser Wasserrate, die an die Oberfläche kommt, die gesamte Hydrosphäre, einschließlich des Ozeans und allem anderen, in vier geschaffen werden Milliarden Jahre.

Diese Theorie der Entstehung von Erdkruste, Wasserhülle und Gashülle der Erde stimmt sehr gut mit dem Prinzip des Aktualismus überein, dem alle geologischen Prozesse unterliegen. Daraus folgt die Schlußfolgerung, daß auch in den fernsten Zeiten die gleichen Prozesse abliefen wie heute, und die Natur ihrer Manifestation in vielerlei Hinsicht der modernen ähnlich war.

Mond. Der Charakter und die Geschichte des Mondes haben einen Zusammenhang mit unserer Theorie der Entstehung der Erde. Die Daten über den Mond, die durch das 1969 begonnene Apollo-Programm gewonnen wurden, haben noch nichts Unvergleichliches mit den aus geologischen Daten geschaffenen Vorstellungen über die Erdgeschichte offenbart. Aller Wahrscheinlichkeit nach ist der Mond, ein sehr kleines Mitglied des Sonnensystems, auf die gleiche Weise wie die Erde und unabhängig von der Erde entstanden. Es scheint, dass zumindest sein äußerer Teil einmal dem Schmelzen ausgesetzt war. Die dort gefundenen Gesteine ​​sind meist dunkel gefärbte Eruptivgesteine, teils Basalte, teils gabbroartige Gesteine. Dies deutet darauf hin, dass die leichten Bestandteile beim Erstarren an die Oberfläche steigen, während die schwereren Bestandteile nach unten sinken. Wir glauben, dass dies zumindest teilweise während der Bildung der Erdkruste geschah.

Aber hier endet die Ähnlichkeit mit der Erde. Der Mond ist mit einer Schicht (1,5-3 Meter dick) einer Substanz bedeckt, die gemeinhin als "Mondstaub" bezeichnet wird. Wir nennen es Mond-Regolith. Es besteht aus Produkten der mechanischen Zerstörung des darunter liegenden Grundgesteins. Einige von ihnen sind große oder kleine Fragmente, aber die meisten von ihnen sind pulverisiert. Eine solche mechanische Zerstörung wird nicht wie auf der Erde durch physikalische Verwitterung verursacht, sondern ist das Ergebnis des Beschusses der Mondoberfläche durch kleine und große Meteoriten. Einige von ihnen erreichten eine enorme Größe. Meteoreinschläge verursachten auch die Bildung von Mondkratern. Natürlich dringen auch Meteoriten in die Erdatmosphäre ein, täglich mindestens 20 Millionen. Meistens sind sie aber sehr klein und „verglühen“ – zerfallen – durch Reibung beim Durchgang durch die Atmosphäre. Von Zeit zu Zeit treffen auch große Meteoriten auf die Erdoberfläche, und wenn dies geschieht, bildet sich an der Einschlagsstelle ein Krater.

Mondstaub - der Regolith des Mondes - weist keine Spuren chemischer Verwitterung auf, die für eine lockere Abdeckung von terrestrischem Gestein üblich sind. Grund dafür ist das Fehlen von Atmosphäre und Hydrosphäre auf dem Mond. Diese Abwesenheit ist leicht zu erklären. Die Erde hat eine Masse, die groß genug ist, dass ihre Gravitationskraft die Gase hält, aus denen ihre Atmosphäre besteht. Aber die Masse des Mondes beträgt nur 0,012 der Masse der Erde und reicht nicht aus, um irgendwelche Gase zu halten. Daher findet auf der Mondoberfläche keine chemische Verwitterung statt.

Im ersten Kapitel wurde festgestellt, dass die kontinentale Erdkruste viel dicker ist als die ozeanische und sich von letzterer in ihrer Zusammensetzung unterscheidet. Im fünften Kapitel wurde erzählt, wie einzelne Kontinente langsam an Größe zunehmen. . Unsere Karte der modernen Erdoberfläche unterscheidet sich von Karten der Erdoberfläche, die vor, sagen wir, hundert Millionen Jahren existierten. Solche großen Veränderungen sind schwer zu verstehen, wenn man sich nicht zuerst das allgemeine Bild des Aufbaus der Erde vorstellt.

Kontinente bleiben nicht stehen, sondern bewegen sich. Es ist bemerkenswert, dass eine solche Bewegung erstmals vor etwa 350 Jahren vorgeschlagen wurde und seitdem mehrmals vorgeschlagen wurde, aber die Idee wurde von Wissenschaftlern erst nach 1960 akzeptiert. Die meisten Menschen glaubten, dass die Starrheit der Kruste die Bewegung der Kontinente ausschließe. Jetzt wissen wir alle, dass dies nicht der Fall ist. Um zu verstehen, was mit den Kontinenten passiert, schauen wir uns einige Beweise für ihre Bewegung an.

Beweise für die Bewegung der Kontinente. Zu den Beweisen dafür, dass zumindest einige der heute getrennten Kontinente einst miteinander verbunden waren oder ihre Position geändert haben, gehören die folgenden:

1. Die Konturen einiger der Kontinente, die einander zugewandt und durch einen Ozean getrennt sind, deuten darauf hin, dass sie in der Vergangenheit wie zwei Puzzleteile verbunden waren. Das offensichtlichste Beispiel dafür sind Südamerika und Afrika. Da der wahre Rand des Kontinents nicht die moderne Küstenlinie, sondern der äußere Rand des Festlandsockels ist, ist es besser, die Übereinstimmung der Kontinente nicht auf einer normalen Karte, sondern auf einer Karte mit Schelf zu überprüfen (Abb. 16). .

2. Auf einigen Kontinentpaaren findet sich eine Entsprechung anderer Art - besondere Gesteinsarten, uralte Gebirgszüge, identische fossile Tiere und Pflanzen. All diese Zufälle legen nahe, dass solche Kontinente einst miteinander verbunden waren.

3. Fossile Tiere und Pflanzen, die in einem warmen Klima hätten leben sollen, findet man auf einigen Kontinenten in Breitengraden, in denen das moderne Klima viel kälter ist.

4. Überzeugende Beweise für die weite Verbreitung alter Gletscher finden sich in etwa 250-300 Millionen Jahre alten Gesteinen im östlichen Südamerika, in Südafrika, Indien, Australien, in Breiten, wo das warme Klima heute die Bildung von Gletschern verhindert. Ähnliche Spuren uralter Vereisung wurden in der Antarktis gefunden, wo es heute noch Gletscher gibt. Es scheint, dass all diese Kontinente einst Teile eines Kontinents waren, der in Stücke zerbrach. Sie zogen auseinander. Einige von ihnen zogen in wärmere Klimazonen, und die Antarktis nahm ihre exklusive Position am Südpol ein.

5. Viele Schichten enthalten Hinweise darauf, dass sich die Kontinente relativ zum magnetischen Nordpol bewegt haben. Diese Bestimmung bedarf der Klarstellung.

magnetische Daten. Wenn wir die genaue Richtung wissen wollen, verwenden wir einen Kompass. Der magnetisierte Pfeil befindet sich entlang der Linien des Erdmagnetfelds; es zeigt auf den magnetischen Nordpol. Ebenso sind einige Felsen natürliche Kompasse. Ähnlich verhalten sich wassergetragene Kristalle magnetischer eisenhaltiger Mineralien, die in ihrer Größe Sand- oder Schlickpartikeln entsprechen. Wenn sie in einem Kanal abgelagert werden, sind sie entlang Nord-Süd-Linien orientiert, und in vielen Fällen bleibt diese Orientierung sogar dann erhalten, wenn das Sediment schließlich zu Sedimentgestein wird.

Einen ähnlichen Effekt erfahren magnetische eisenhaltige Mineralien in magmatischen Gesteinen, beispielsweise in Basalten. Wenn Magma oder Lava abkühlt, erreicht es eine Temperatur, unterhalb derer diese Mineralien eine Magnetisierung parallel zum Erdmagnetfeld annehmen können. Diese magnetische Ausrichtung (die nichts mit der Ausrichtung des Kristalls selbst im Gestein zu tun hat) bewahrt die Ausrichtung des Magnetfelds, das beim Abkühlen des Gesteins vorhanden war. Solche eisenhaltigen Mineralien sind sozusagen Kompassnadeln, die die Position des Magnetpols anzeigen.

Wissenschaftler haben Hinweise auf die frühere Richtung des Magnetfelds in Schichten unterschiedlichen Alters gefunden und waren nicht zu faul, sie an Hunderten von Punkten und in einer ganzen Reihe verschiedener stratigraphischer Horizonte (entsprechend einer Reihe verschiedener Zeiten in der Vergangenheit) zu messen. . Die resultierenden Richtungen unterscheiden sich von dem, was der Kompass derzeit an denselben Punkten anzeigt. Richtungen wie diese deuten darauf hin, dass die Kontinente zumindest in den letzten 200 Millionen Jahren erhebliche Bewegungen nicht nur in Bezug auf den Pol, sondern auch in Bezug zueinander erfahren haben. Der Weg dieses oder jenes Kontinents lässt sich zumindest in groben Zügen, wenn auch nicht ganz genau, nachvollziehen.

Im Zuge der Erforschung der Ausrichtung des antiken Magnetfelds wurde eine bemerkenswerte Tatsache enthüllt. Es wurde festgestellt, dass in vielen Schichten der Erde, die sich in den letzten paar Millionen Jahren (der von der Forschung abgedeckten Zeitspanne) angesammelt haben, die Magnetisierung von Partikeln umgekehrt zur modernen ist.

Magnetische Partikel im Gestein zeigen nicht zum Nord-, sondern zum Südpol. Die radiometrische Datierung derselben Schichten zeigt, dass die umgekehrte Ausrichtung auf der ganzen Welt in denselben Zeitintervallen aufgezeichnet wird. Offensichtlich hatte zu dieser Zeit das Magnetfeld der Erde, das diese Ausrichtung steuert, die entgegengesetzte Richtung, und seine beiden Pole wechselten die Plätze. Solche "Umkehrungen" des Magnetfelds sind wiederholt aufgetreten.

Was bewirkte, dass das Magnetfeld seine Richtung änderte? Wir wissen es noch nicht, aber es wird spekuliert, dass die Veränderungen durch Bewegungen im flüssigen Teil des eisenhaltigen Erdkerns verursacht werden könnten. Auf jeden Fall manifestierten sie sich gleichzeitig auf der ganzen Erde.

Es stellte sich heraus, dass es möglich war, einen Kalender der Änderungen des Magnetfelds für den gesamten Globus zu erstellen. Dieser Kalender (Abb. 20) zeigt die Zeiträume, in denen das Magnetfeld normal war (wie z. B. zur gegenwärtigen Zeit), und die Zeiträume, in denen es umgekehrt war. Die Umkehrungen (Inversionen) des Erdmagnetfelds, deren Entdeckung die Erstellung dieses Kalenders ermöglichte, sind ein völlig anderes Phänomen als die Schwankungen in der Ausrichtung des Magnetfelds, deren Messungen die Grundlage für die Schlussfolgerung darüber bildeten die Bewegung der Kontinente.

Reis. Abb. 20. Chronologische Skala der Umkehrungen des Erdmagnetfelds, konstruiert nach den Daten radiometrischer Altersbestimmungen von Gesteinen, für die die Magnetisierungsrichtung gemessen wurde

Vergleicht man den magnetischen Kalender mit der geochronologischen Skala (Tabelle 1), sieht man, dass die 4,5 Millionen Jahre, die dieser Kalender abdeckt, das gesamte Holozän, das gesamte Pleistozän und einen Teil des Pliozäns umfassen. Bewaffnet mit dem Wissen, dass magnetische Umkehrungen auftreten und in die Ausrichtung des Magnetfelds in gehärteten Basalten auf den Kontinenten eingeprägt sind, können wir uns dies nun zunutze machen, wenn wir die magnetische Ausrichtung von Basalten auf dem Meeresboden betrachten.

mittelozeanische Risse. Die bemerkenswerteste der Reihe von Entdeckungen, die seit 1950 in der Erforschung des Ozeans gemacht wurden, war die Erkenntnis, dass der Meeresboden keine flache, eintönige Ebene war; seine Formen sind so vielfältig wie die Oberflächenformen der Kontinente. Unter den vielen Formen findet sich auch ein tiefer Graben – ein über 6000 Kilometer fast durchgehend verlaufendes, stellenweise mehr als 1000 Meter tiefes Tal, das den Atlantischen Ozean in zwei Teile teilt (Abb. 22) und den Indischen Ozean durchquert Pazifische Ozeane.

Reis. 21. Breitenprofil des Bodens des mittleren Teils des Atlantischen Ozeans. Ein Riss ist sichtbar (an dieser Stelle mit einer Tiefe von etwa 1800 Metern), entlang dem Basaltlava aufsteigt

Der Riss nimmt den zentralen, am höchsten gelegenen Teil des mittelozeanischen Rückens ein. Diese seltsame Beziehung ist in Abbildung 21 deutlich zu sehen. Der Riss ist viel tiefer als das in dieser Abbildung dargestellte tiefe Tal, er setzt sich unter der Oberfläche 50 bis 100 Kilometer tief in die Erde fort und erzeugt über seine gesamte Länge eine riesige Menge Hitze aus der Tiefe dringt an die Oberfläche des Meeresbodens.

Reis. 22. Riss, der den Grund des Atlantischen Ozeans in zwei Teile teilt. Es ist in einzelne Fragmente unterteilt, die entlang von Querlinien nach links oder rechts verschoben sind, bei denen es sich um Verwerfungen handelt, die sich tief in die Erdkruste fortsetzen. Fortsetzung des Risses außerhalb des Atlantischen Ozeans in Abbildung 25

Unter einer dünnen Decke aus losen Sedimenten, die den größten Teil des Meeresbodens in den Tiefseegebieten auf beiden Seiten des Grabens auskleiden, besteht der Meeresboden aus Basalten. Als mit Magnetometern ausgestattete Forschungsschiffe begannen, die magnetische Polarität der Basalte, aus denen der Meeresboden besteht, in einer Tiefe von mehreren Kilometern zu messen, während sie Hunderte von Kilometern nach Westen und Osten durch die Riftzone fuhren, lieferte die magnetometrische Untersuchung erstaunliche Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass sich unten abwechselnd Bänder oder Zonen mit normaler (nördlicher) und umgekehrter (südlicher) Magnetisierung zeigen. Diese Bänder verlaufen parallel zum Riss und stellen auf verschiedenen Seiten des Risses ein Spiegelbild dar (Abb. 23). Die Abfolge von schmalen und breiten Bändern stimmt mit dem oberen Teil des Erdmagnetfeldkalenders überein, der in Abbildung 20 gezeigt wird. Basierend auf dieser Übereinstimmung kann das Alter jedes Bands als dasselbe angesehen werden wie das Alter der entsprechenden Unterteilung des angegebenen Kalenders. Die jüngsten Basaltbänder treten direkt in der Nähe des Risses auf, ältere schließen sich an sie an. Während wir uns vom Riss nach rechts und links entfernen, treffen wir auf immer mehr alte Banden.

Reis. 23. Diagramm, das die gebänderte Struktur von Basalten zeigt, die in der mittelozeanischen Riftzone gebildet werden, wenn sich aufsteigendes Magma verfestigt (angedeutet durch den breiten Pfeil). Basalt bewegt sich ständig rechts und links von der Riftzone (dargestellt durch dünne Pfeile), während sich der Meeresboden aufbaut. Jeder Streifen behält die Richtung der magnetischen Polarität, die er während der Erstarrung erhalten hat. Schraffiert zeigt Bänder mit normaler Magnetisierung, helle Bänder haben umgekehrte Magnetisierung

Diese auffällige Regelmäßigkeit kann nur einen Umstand bedeuten. Offensichtlich kommt es durch die Verfestigung von Lava, die aus der Tiefe der Riftzone aufsteigt, zu einer kontinuierlichen Bildung einer neuen Erdkruste. Die Kruste muss sich in entgegengesetzten Richtungen aus dem Rissgebiet bewegen, teils nach Westen, teils nach Osten, wie zwei Förderbänder, die sich von einer gemeinsamen Achse nach außen bewegen (Abb. 24). Die neu gebildete Lava behält die normale oder umgekehrte Polarität, die ihr durch den Einfluss des Erdmagnetfeldes im Moment der Abkühlung eingeprägt wird. Jedes Mal, wenn das Erdfeld seine Ausrichtung umkehrt, beginnt eine neue Zone. Dies liegt daran, dass sich die Zonen nicht durch die Zusammensetzung der Lava unterscheiden (die durch ständiges Aufsteigen und Erstarren immer dieselbe Zusammensetzung hat), sondern allein durch die Polarität der darin enthaltenen Körner magnetischer Mineralien. Mit anderen Worten, ohne eine magnetometrische Untersuchung konnten wir diese Bänder nicht unterscheiden.

Reis. 24. Eine Reihe von vier Förderern, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Vergleiche Abb. 23

Wie schnell ist dieser außergewöhnliche Prozess? Die Strömungsgeschwindigkeit wird auf der Skala magnetischer Umdrehungen berechnet (Abb. 20), und es stellte sich heraus, dass sich die Kruste im westlichen Teil des Atlantiks jetzt mit einer Geschwindigkeit von 1-2 Zentimetern pro Jahr nach Nordwesten bewegt.

Wenn wir die Geschwindigkeit konstant und gleich 1,5 cm/Jahr nehmen, dann müsste allein die Bewegung dieses Teils den Atlantischen Ozean in den letzten 100 Millionen Jahren um 1500 Kilometer ausgedehnt haben. Die Bewegung des östlichen Randes des Risses nach Osten hätte die Breite des Atlantiks weiter vergrößern sollen. Tatsächlich gibt es Beweise dafür, dass vor 150 bis 200 Millionen Jahren (d. h. in der späten Trias oder frühen Jurazeit) der Atlantik nicht existierte und die Ostküste Nordamerikas eine starre Verbindung mit Nordwestafrika hatte.

Allerdings bewegt sich die Kruste in der atlantischen Region relativ langsam. Berechnungen unter Verwendung der Umkehrskala des Erdmagnetfelds zeigen, dass die Bewegungsgeschwindigkeit im Indischen Ozean 3 cm/Jahr und in einigen Teilen des Pazifiks 6 cm/Jahr oder mehr erreicht. Die Breite der schwarzen Balken in Abbildung 25 zeigt Gebiete mit neu gebildeter Kruste entlang mittelozeanischer Risse in den letzten 10 Millionen Jahren. Sie können verwendet werden, um die relative Geschwindigkeit der Bewegung in verschiedenen Ozeanen zu beurteilen.

Reis. 25. Die Hauptplatten der Kruste bewegen sich, wie durch Pfeile gezeigt, weg von den Riftzonen (schwarze Balken), in denen Lava aufsteigt, und hin zu den Zonen (schattierte Balken), wo das Krustenmaterial langsam tief in den Erdkörper einsinkt. Die Breite der schwarzen Balken zeigt die Breite der Zonen der Erdkruste, die sich in den letzten 10 Millionen Jahren gebildet haben. Die Gesamtfläche dieser Zonen beträgt 5% der Erdoberfläche. Während dieser Zeit wurden Bereiche der Kruste desselben Gebiets zerstört und stürzten in die Eingeweide der Erde (in den schraffierten Bereichen). Die Projektion der Karte ist so gewählt, dass der Maßstab möglichst einheitlich bleibt.

Wenn wir uns Abbildung 22 noch einmal ansehen, sehen wir viele Ost-West-Linien, entlang derer der Atlantische Graben verschoben wurde. Diese deutlichen, tief eindringenden Brüche werden durch Spannungen verursacht, die in der Hirnrinde unter Einwirkung von entgegengesetzt gerichteten Bewegungen auftreten. Sie sind eine der Sorten geologischer Formationen, die Verwerfungen genannt werden. Reibung während der Bewegung von Krustenblöcken entlang von Verwerfungen ist die Ursache zahlreicher Erdbeben.

Trog- und Gebirgssystem. Damit ist klar, dass sich Teile der Erdkruste bewegen. Nicht nur die Kontinente selbst bewegen sich, sondern auch ganze Platten der Erdkruste mit einer Dicke von 50 bis 100 Kilometern, auf deren Rücken die Kontinente schwimmen.Man kann eine Krustenplatte, die einen teilweise darin versunkenen Kontinent trägt, mit einer breiten vergleichen Eisblock, in dem ein Baumstamm eingefroren ist und der zusammen mit anderen Eisschollen im See schwimmt.

Aber wohin bewegen sich die Kontinente? Wenn das Material der Kruste ein Band nach dem anderen im Bereich der mittelozeanischen Risse entsteht, muss anscheinend etwas mit der Kruste passieren, damit ihre Dimensionen nicht zunehmen und den Dimensionen der Erde entsprechen. Irgendwo muss es genauso schnell zerstört werden, wie es entsteht.

Orte seiner Zerstörung sind nicht schwer zu finden. Ein System aus schmalen langen Streifen lässt sich rund um den gesamten Globus verfolgen, wie in Abbildung 25 schraffiert dargestellt. Sie erstrecken sich von der Antarktis bis zum Kap Hoorn, entlang der westlichen Ränder beider Amerikas, durch die Aleuten, Japan, die Philippinen, Neuguinea und Neuseeland. Ein Zweig dieses Systems erstreckt sich nach Westen durch Indonesien, den Himalaya, den Iran, die Türkei und den Mittelmeerraum.

Dieses riesige System besteht aus drei Elementen: 1) Tiefseegräben am Grund des Ozeans, die eine Tiefe von 11 Kilometern erreichen - ein Wert, der die Höhe der höchsten Berge übersteigt; 2) bogenförmige Reihen vulkanischer Inseln, ähnlich einer Halskette; 3) lange Ketten der höchsten Berge der Erde. Die Kette, die alle drei Elemente bilden, ist eine Zone der Instabilität. Die Instabilität dieser Zone wird überzeugend durch die Tatsache belegt, dass fast alle stärksten und tiefsten Erdbeben in dieser Zone auftreten. Die bedeutendsten Erdbeben der letzten Zeit ereigneten sich in Chile, Kalifornien, Alaska, Iran und der Türkei.

Im Allgemeinen ergänzt diese riesige Kette den ozeanischen Riss von großer Länge. Auf beiden Seiten bewegen sich Krustenplatten darauf zu. Sie beugen sich und werden von der Erde absorbiert und tief unten geschmolzen (Abb. 26), wie eine Wachskerze, die horizontal gehalten und langsam in eine heiße Flamme eingeführt wird. Die Zerstörung durch Schmelzen an einem Ende erfolgt mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Krustenbildung am anderen Ende. Daher bleibt die Gesamtfläche der Kruste konstant. Die Prozesse der Krustenbildung sind auf ozeanische Risse beschränkt, und die Prozesse ihrer Zerstörung - auf das System von Gräben und Bergen. In den weiten Gebieten zwischen diesen Zonen sind die Prozesse nicht so aktiv und bestehen hauptsächlich in der Erosion von Gesteinen, der Ansammlung von Sedimenten und dem allmählichen Anheben oder Absenken der Erdkruste.

Reis. 26. Ein Diagramm, das die Bildung und Zerstörung der Erdkruste und die Kollision von Krustenplatten zeigt. Abschnitte von vier Platten sind sichtbar (A, B, C, D); die Pfeile zeigen die Richtung ihrer Bewegung. Der ozeanische Riss (P) ist durch Verwerfungen kompliziert. Auf dem Modell wird in den Randteil der Platte A ein Loch geschnitten, durch das zu sehen ist, dass im vorderen Teil die Platte B unter die Platte A sinkt und im hinteren Teil das Verhältnis umgekehrt ist. Bei einem anderen Kollisionsfall sinkt die Platte C unter die Platte D. Die Kollision der Platten wird von Erdbeben und Gebirgsbildung begleitet. Das Diagramm ist nicht skaliert. Die Länge des entsprechenden Abschnitts der Erdkruste kann 5000 km erreichen. Kontinente sind im Diagramm nicht dargestellt.

Geometrie der Krustenplatten. Wir verglichen die Rindenplatten, von denen einige in Abbildung 25 zu sehen sind, mit den einzelnen Puzzleteilen. Der Vergleich ist nicht zu eng, da die Puzzleteile ihre Konturen behalten und die Rindenplatten von der „Heckseite“ her aufgebaut und von der Vorderkante her durch Schmelzen zerstört werden. Daher bleibt ihre Form nicht konstant. Einige von ihnen sind heute vielleicht nur noch Fragmente von denen, die früher existierten, während andere (wie Eurasien) aus mehreren zusammengelöteten älteren Platten bestehen können. Die Förderbandanalogie ist zwar nützlich, aber auch nicht sehr nah, da sich die Platten drehen. Beispielsweise zeigen die unterschiedlichen Breiten der schwarzen Balken in Abbildung 25, dass sich die Pazifische Platte in den letzten 10 Millionen Jahren im Uhrzeigersinn gedreht hat. Insofern gleichen die Platten eher riesigen Eisschollen, die sich mit der Strömung im See bewegen, sich ständig berühren und aufeinanderprallen, sich langsam drehen, an den Rändern sogar schmelzen und wieder gefrieren. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Ketten der höchsten Berge der Erde das Ergebnis von Kollisionen zwischen den Platten der Erdkruste sind. So könnte beispielsweise das System der Alpen, das Anzeichen starker Biegung, Quetschung und Herauspressung aus einst horizontalen Schichten aufweist, beim Zusammenstoß der nach Norden wandernden afrikanischen Platte mit der eurasischen entstehen. Genauso könnte der Himalaya entstanden sein, als die indische Platte mit der eurasischen Platte kollidierte. Der Himalaya ist immer noch aktiv und steigt mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Zentimetern pro Jahrhundert an. Sedimentgesteinsschichten, die für viele Festlandsockel typisch sind (Abb. 16), konnten es nicht aushalten, zwischen zwei riesigen Massen von jeweils mehreren zehn Kilometern Dicke eingeklemmt zu werden, die sich zwar langsam, aber mit großer Trägheit näherten. Ein kleines Boot, eingeklemmt zwischen zwei schwer beladenen Lastkähnen, wird wahrscheinlich bis zur Unkenntlichkeit zerquetscht, selbst wenn sich die Lastkähne mit weniger als 6-8 Stundenkilometern bewegen.

Wenn wir über im Wasser schwimmende Lastkähne sprechen, müssen wir uns daran erinnern, dass wir keine Kontinente beschreiben, die frei schwimmen und sich in Basalten bewegen. Wir sprechen von dicken Basaltplatten, die sich in noch schwererem Material darunter bewegen und Kontinente tragen. So kollidieren entlang der im fünften Kapitel beschriebenen Linie von Gräben und Graten nicht nur Kontinente, sondern ganze dicke Krustenplatten mit einer Bedeckung aus Tiefseesedimenten. Einige Berge (wie die Alpen) enthalten große Massen von metamorphen Gesteinen, deren chemische Zusammensetzung darauf hindeutet, dass sie zu tiefen ozeanischen Sedimenten gehören, die komprimiert wurden. Diese Sedimente waren zu leicht, um zu sinken, und häuften sich wahrscheinlich entlang des Trogs auf, als die Basaltplatte, die sie unterlegte, in die Tiefe der Erde versank. Wie Schaum, der auf der Wasseroberfläche schwimmt, schwammen diese Sedimente weiter und wurden dadurch so stark komprimiert, dass sie zu metamorphen Gesteinen wurden.

Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Magnetdaten, die die Lage der Magnetpole in der Vergangenheit zeigen, können wir die wahrscheinliche Lage der Kontinente bis vor 100 Millionen Jahren, also vor der Kreidezeit, zeitlich zurückverfolgen . Damals waren die Kontinente näher beieinander als heute, und der Atlantik war viel schmaler. Versuche, die Bewegung zeitlich weiter zurückzuverfolgen (bis zum frühen Jura oder sogar noch früher), haben uns viel weniger klare Ergebnisse geliefert. Eine der Weltkarten, die die Situation wieder herstellt, die vor 200 Millionen Jahren hätte sein können (Abb. 27), zeigt die modernen Kontinente vereint zu einem einzigen "Weltkontinent", der dann wie Eis auf einem See in Stücke zerbrach das im Frühjahr geschmolzen ist. Die Abbildung zeigt die vorgeschlagenen Bewegungsbahnen einzelner Stücke, entlang denen sie ihre aktuelle Position erreicht haben.

Reis. 27. Eine Karte, die die noch nicht bewiesene Position veranschaulicht, dass es vor etwa 200 Millionen Jahren (zu Beginn der Jurazeit) eine riesige einzelne Kontinentalmasse auf der Erde gab, die dann in Platten zerfiel. Letztere bewegten sich in die durch die Pfeile angezeigten Richtungen und schufen die heutigen Kontinente. Die Auswahl von einander entsprechenden Fragmenten wurde unter Verwendung eines Computers durchgeführt

So interessant und vielversprechend diese Karte auch sein mag, man muss sich darüber im Klaren sein, dass sie noch ganz dem Bereich theoretischer Konstruktionen angehört. Die Platten selbst sind jedoch möglicherweise viel älter als 200 Millionen Jahre. Tatsächlich könnten sie sich bereits vor 2,5 Milliarden Jahren gebildet haben. Wenn dem so ist, dann umfasste der Zeitraum ihrer Existenz mehr als die Hälfte der gesamten Erdgeschichte.

Was bewegt sie? Der Leser kann sich diese bewegende Reihe von Rissen, Mulden, sich verschiebenden Krustenplatten und Bergketten nicht vorstellen, ohne sich zu fragen, was sie in Bewegung bringt? Was ist der Mechanismus dieser Bewegung und woher kommen die riesigen Energiereserven, die sie steuern? Wenn wir das System als Ganzes verstehen, wissen wir nicht, was es zum Funktionieren bringt. Seine Energie entspringt zweifelsohne der inneren Hitze, die im Bereich ozeanischer Risse am intensivsten an die Oberfläche kommt. Es scheint wahrscheinlich, dass der größte Teil dieser Wärme durch radioaktiven Zerfall im äußeren Körper der Erde erzeugt wird.

Aber wenn sogar innere Wärme die nötige Energie liefert, wie setzt diese Energie die Krustenplatten in Bewegung? Es wurden mehrere Erklärungen angeboten. Eine Erklärung, die breite Unterstützung gefunden hat, ist der Mechanismus der Konvektion, ein Prozess, der in einem Topf mit sehr dicker Suppe beobachtet werden kann, die zum Kochen gebracht wird. Während sie sich am Boden der Pfanne erhitzt, steigt die Flüssigkeit langsam auf und bildet zufällig platzierte vertikale Strömungen oder Zellen. Wenn es die Oberfläche erreicht, kühlt es ab, breitet sich aus und sinkt anderswo ab, um Platz für die aufsteigenden, heißeren Massen zu schaffen.

Es wird angenommen, dass im Erdmantel Konvektion stattfindet. In seiner einfachsten Form lautet diese Idee: Langsam aufsteigend im Bereich ozeanischer Risse gelangt eine schwere Substanz, die die Eigenschaften einer Flüssigkeit hat, an die Kruste und breitet sich darunter aus. Wenn er sich von den Rissen entfernt, trägt er die darüber befindlichen Krustenplatten mit sich. Die Bereiche unterhalb der Mulden und Bergketten entsprechen den absteigenden Gliedern des Konvektionssystems. Die fließende Materie des Mantels, etwas abgekühlt, sinkt ab und gleicht den Aufwärtsstrom der erhitzten Materie im Riftbereich aus.

Die Idee dieses Mechanismus ist rein hypothetisch und wirft ernsthafte Einwände auf. Andere, weniger einfache Erklärungen wurden vorgeschlagen. Aber wir müssen warten, bis eine bessere Idee auftaucht, die die meisten Wissenschaftler zufriedenstellt.

Nachdem wir uns nun die Bewegung der Krustenplatten vorgestellt haben, sehen wir deutlicher, wie sich die Granitfelsen der Kontinente von den schwereren Basaltfelsen trennen. Krustenplatten, die aus Basalten mit leichterem Grundgestein bestehen, steigen durch Trogsysteme ab. Nachdem sie in eine ausreichend große Tiefe eingetaucht sind, schmelzen sie teilweise und bilden ein leichteres Magma als reines Basalt. Dieses Magma tendiert natürlich dazu, sich an die Oberfläche zu bewegen, und die resultierenden Gesteine ​​​​werden schließlich durch Verwitterungsprozesse chemisch sortiert. So trägt die Bewegung der Platten dazu bei, dass die kontinentale Kruste mit der Zeit leichter wird und sich in ihrer Zusammensetzung Graniten annähert.

Wir beenden unseren Rückblick auf unser Verständnis, wie der Planet Erde entstanden ist, wie die Kontinente und das außergewöhnliche System aktiver Risse, sich bewegender Platten und Gebirgszüge entstanden sind. Wir haben, wenn auch nur kurz, nachgezeichnet, wie die Erde zu ihrem gegenwärtigen Zustand des physischen Körpers kam, auf dessen Oberfläche sich so vielfältige Prozesse abspielen. Unser nächster Schritt ist es, zu verstehen, wie sich herausstellte, dass die Erdoberfläche von einer großen Anzahl verschiedener lebender Organismen bewohnt wurde.

URSPRUNG DER ERDE:

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Urey H. C., 1952, Der Ursprung der Erde: "Sci. American", v. 187.p. 53-60.

MOND:

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

MAGNETISCHE UMGEKEHRUNGEN:

Cox Allan und andere, 1967. Umkehrungen des Erdmagnetfelds: „Sci. American, V. 216, S. 44-54.

BEWEGUNG DER PLATTEN DER ERDKRUSTE UND DER KONTINENTE:

Bott M. H. P., 1971. Das Innere der Erde: St. Martin's Press, New York, Ernst W. G., 1969, Erdmaterialien: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J.

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Morgan W. J. 1968, Erhebungen, Gräben, große Verwerfungen und Krustenblöcke: "Jour. Geophys. Research", v. 73, p. 1959-1982.

Wilson J. T. und andere, 1972, Kontinente treiben: W. H. Freeman and Co., San Francisco. (Taschenbuch) (Nachdrucke von 15 Artikeln aus Scientific American über die Bewegung von Krustenplatten.)

Anmerkungen:

R. F. Flint erläutert die tektonische Theorie der Platten. Diese Theorie ist weit verbreitet, aber nicht die einzige. - Ca. ed.

Es entstand vor etwa 4600 Millionen Jahren. Seitdem hat sich seine Oberfläche unter dem Einfluss verschiedener Prozesse ständig verändert. Die Erde entstand offenbar mehrere Millionen Jahre nach einer kolossalen Explosion im All. Die Explosion erzeugte riesiges Gas und Staub. Wissenschaftler glauben, dass seine Teilchen, die miteinander kollidierten, sich zu riesigen Klumpen heißer Materie vereinigten, die schließlich zu den heutigen Planeten wurden.

Wissenschaftlern zufolge entstand die Erde nach einer kolossalen kosmischen Explosion. Die ersten Kontinente bildeten sich wahrscheinlich aus geschmolzenem Gestein, das aus Schloten an die Oberfläche floss. Durch das Gefrieren wurde die Erdkruste dicker. Ozeane könnten sich im Tiefland aus Tröpfchen bilden, die in vulkanischen Gasen enthalten sind. Das Original bestand wahrscheinlich aus den gleichen Gasen.

Es wird vermutet, dass die Erde anfangs unglaublich heiß war, mit einem Meer aus geschmolzenem Gestein an der Oberfläche. Vor etwa 4 Milliarden Jahren begann die Erde langsam abzukühlen und sich in mehrere Schichten aufzuspalten (siehe rechts). Die schwersten Felsen sanken tief in die Eingeweide der Erde und bildeten ihren Kern, wobei sie unvorstellbar heiß blieben. Die weniger dichte Materie bildete eine Reihe von Schichten um den Kern herum. An der Oberfläche selbst verfestigten sich die geschmolzenen Felsen allmählich und bildeten eine feste Erdkruste, die mit vielen Vulkanen bedeckt war. Das geschmolzene Gestein brach an die Oberfläche, gefror und bildete die Erdkruste. Die niedrigen Bereiche waren mit Wasser gefüllt.

Erde heute

Obwohl die Erdoberfläche solide und unerschütterlich erscheint, finden immer noch Veränderungen statt. Sie werden durch verschiedenste Prozesse verursacht, von denen manche die Erdoberfläche zerstören, andere sie neu erschaffen. Die meisten Veränderungen verlaufen extrem langsam und werden nur von speziellen Instrumenten erkannt. Es dauert Millionen von Jahren, um eine neue Bergkette zu bilden, aber ein gewaltiger Vulkanausbruch oder ein monströses Erdbeben kann die Erdoberfläche innerhalb von Tagen, Stunden und sogar Minuten verändern. 1988 zerstörte ein Erdbeben in Armenien, das etwa 20 Sekunden dauerte, Gebäude und tötete mehr als 25.000 Menschen.

Erdstruktur

Im Allgemeinen hat die Erde die Form einer Kugel, die an den Polen leicht abgeflacht ist. Es besteht aus drei Hauptschichten: Kruste, Mantel und Kern. Jede Schicht besteht aus verschiedenen Gesteinsarten. Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau der Erde, aber die Schichten sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die äußere Schicht wird als Erdkruste bezeichnet. Seine Dicke beträgt 6 bis 70 km. Unter der Kruste befindet sich die obere Schicht des Mantels, die aus festen Gesteinen besteht. Diese Schicht wird zusammen mit der Kruste genannt und hat eine Dicke von etwa 100 km. Der Teil des Erdmantels, der unterhalb der Lithosphäre liegt, wird als Asthenosphäre bezeichnet. Es ist etwa 100 km dick und besteht wahrscheinlich aus teilweise geschmolzenem Gestein. der Mantel variiert von 4000°C in der Nähe des Kerns bis 1000°C im oberen Teil der Asthenosphäre. Der untere Mantel kann aus hartem Gestein bestehen. Der äußere Kern besteht aus scheinbar geschmolzenem Eisen und Nickel. Die Temperatur dieser Schicht kann 5500°C erreichen. Die Temperatur des Unterkerns kann über 6000°C liegen. Es ist fest aufgrund des kolossalen Drucks aller anderen Schichten. Wissenschaftler glauben, dass es hauptsächlich aus Eisen besteht (mehr dazu im Artikel "").

Die Geschichte unseres Planeten birgt noch viele Geheimnisse. Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften haben zur Erforschung der Entwicklung des Lebens auf der Erde beigetragen.

Es wird angenommen, dass das Alter unseres Planeten etwa 4,54 Milliarden Jahre beträgt. Dieser gesamte Zeitraum wird normalerweise in zwei Hauptstadien unterteilt: Phanerozoikum und Präkambrium. Diese Stadien werden Äonen oder Eonoteme genannt. Äonen wiederum sind in mehrere Perioden unterteilt, von denen jede durch eine Reihe von Veränderungen gekennzeichnet ist, die im geologischen, biologischen und atmosphärischen Zustand des Planeten stattgefunden haben.

1. Präkambrium oder Kryptozoikum- Dies ist ein Äon (Zeitintervall der Entwicklung der Erde), das etwa 3,8 Milliarden Jahre umfasst. Das heißt, das Präkambrium ist die Entwicklung des Planeten vom Moment der Entstehung, der Bildung der Erdkruste, des Protoozeans und der Entstehung des Lebens auf der Erde. Am Ende des Präkambriums waren bereits hochorganisierte Organismen mit einem entwickelten Skelett auf dem Planeten weit verbreitet.

Das Äon umfasst zwei weitere Eonoteme – Katarche und Archaea. Letztere wiederum umfasst 4 Epochen.

1. Katarhäus- dies ist die Zeit der Entstehung der Erde, aber es gab noch weder den Kern noch die Erdkruste. Der Planet war immer noch ein kalter kosmischer Körper. Wissenschaftler vermuten, dass es in dieser Zeit bereits Wasser auf der Erde gab. Das Catarchean dauerte etwa 600 Millionen Jahre.

2. Archaeen umfasst einen Zeitraum von 1,5 Milliarden Jahren. Während dieser Zeit gab es noch keinen Sauerstoff auf der Erde, es bildeten sich Ablagerungen von Schwefel, Eisen, Graphit und Nickel. Die Hydrosphäre und die Atmosphäre waren eine einzige Dampf-Gas-Hülle, die den Globus in eine dichte Wolke hüllte. Die Sonnenstrahlen durchdrangen diesen Schleier praktisch nicht, so dass auf dem Planeten Dunkelheit herrschte. 2.1 2.1. Eoarchäisch- Dies ist die erste geologische Ära, die etwa 400 Millionen Jahre dauerte. Das wichtigste Ereignis des Eoarchäikums ist die Entstehung der Hydrosphäre. Aber es gab noch wenig Wasser, die Stauseen existierten getrennt voneinander und gingen noch nicht in den Weltozean über. Gleichzeitig wird die Erdkruste fest, obwohl immer noch Asteroiden die Erde bombardieren. Am Ende des Eoarchäikums entsteht der erste Superkontinent in der Geschichte des Planeten, Vaalbara.

2.2 Paläoarchäisch- die nächste Ära, die ebenfalls etwa 400 Millionen Jahre dauerte. Während dieser Zeit bildet sich der Erdkern, die Magnetfeldstärke nimmt zu. Ein Tag auf dem Planeten dauerte nur 15 Stunden. Der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre steigt jedoch aufgrund der Aktivität von Bakterien, die aufgetreten sind. Die Überreste dieser ersten Lebensformen der paläoarchäischen Ära wurden in Westaustralien gefunden.

2.3 Mesoarchäisch dauerte auch etwa 400 Millionen Jahre. In der mesoarchischen Ära war unser Planet von einem seichten Ozean bedeckt. Landgebiete waren kleine Vulkaninseln. Aber bereits in dieser Zeit beginnt die Bildung der Lithosphäre und der Mechanismus der Plattentektonik beginnt. Am Ende des Mesoarchaikums findet die erste Eiszeit statt, während der sich erstmals Schnee und Eis auf der Erde bilden. Biologische Arten werden immer noch durch Bakterien und mikrobielle Lebensformen repräsentiert.

2.4 Neuarchäisch- die letzte Ära des Archäischen Äons, dessen Dauer etwa 300 Millionen Jahre beträgt. Bakterienkolonien bilden zu dieser Zeit die ersten Stromatolithen (Kalksteinablagerungen) auf der Erde. Das wichtigste Ereignis des Neoarchaikums ist die Bildung der Sauerstoffphotosynthese.

II. Proterozoikum- eine der längsten Zeitperioden der Erdgeschichte, die üblicherweise in drei Epochen unterteilt wird. Während des Proterozoikums entsteht erstmals die Ozonschicht, der Weltozean erreicht fast sein heutiges Volumen. Und nach der längsten Huronenvereisung erschienen die ersten vielzelligen Lebensformen auf der Erde - Pilze und Schwämme. Das Proterozoikum wird normalerweise in drei Epochen unterteilt, von denen jede mehrere Perioden umfasste.

3.1 Paläo-Proterozoikum- die erste Ära des Proterozoikums, die vor 2,5 Milliarden Jahren begann. Zu diesem Zeitpunkt ist die Lithosphäre vollständig ausgebildet. Aber die früheren Lebensformen starben aufgrund der Zunahme des Sauerstoffgehalts praktisch aus. Diese Periode wird als Sauerstoffkatastrophe bezeichnet. Am Ende des Zeitalters erscheinen die ersten Eukaryoten auf der Erde.

3.2 Mesoproterozoikum dauerte ungefähr 600 Millionen Jahre. Die wichtigsten Ereignisse dieser Ära: die Bildung kontinentaler Massen, die Bildung des Superkontinents Rodinia und die Entwicklung der sexuellen Fortpflanzung.

3.3 Neoproterozoikum. Während dieser Ära zerfällt Rodinia in etwa 8 Teile, der Superozean von Mirovia hört auf zu existieren und am Ende der Ära ist die Erde fast bis zum Äquator mit Eis bedeckt. Im Neoproterozoikum beginnen lebende Organismen erstmals, eine harte Schale zu erwerben, die später als Grundlage des Skeletts dienen wird.

III. Paläozoikum- die erste Ära des Phanerozoikums, die vor etwa 541 Millionen Jahren begann und etwa 289 Millionen Jahre dauerte. Dies ist die Ära der Entstehung des antiken Lebens. Der Superkontinent Gondwana vereint die Südkontinente, wenig später gesellt sich der Rest des Landes hinzu und Pangaea erscheint. Klimazonen beginnen sich zu bilden, und Flora und Fauna werden hauptsächlich durch Meeresarten repräsentiert. Erst gegen Ende des Paläozoikums beginnt die Landentwicklung und die ersten Wirbeltiere erscheinen.

Das Paläozoikum ist bedingt in 6 Perioden unterteilt.

1. Kambrium dauerte 56 Millionen Jahre. Während dieser Zeit bilden sich die Hauptgesteine, das Mineralskelett erscheint in lebenden Organismen. Und das wichtigste Ereignis des Kambriums ist das Erscheinen der ersten Arthropoden.

2. Ordovizium- die zweite Periode des Paläozoikums, die 42 Millionen Jahre dauerte. Dies ist die Ära der Bildung von Sedimentgesteinen, Phosphoriten und Ölschiefer. Die organische Welt des Ordoviziums wird durch wirbellose Meerestiere und Blaualgen repräsentiert.

3. Silurzeit umfasst die nächsten 24 Millionen Jahre. Zu dieser Zeit sterben fast 60 % der lebenden Organismen, die vorher existierten, aus. Aber die ersten Knorpel- und Knochenfische in der Geschichte des Planeten erscheinen. An Land ist der Silur durch das Auftreten von Gefäßpflanzen gekennzeichnet. Superkontinente konvergieren und bilden Laurasia. Am Ende des Zeitraums wurde eine Eisschmelze festgestellt, der Meeresspiegel stieg und das Klima wurde milder.

4 Devon ist gekennzeichnet durch die rasante Entwicklung verschiedener Lebensformen und die Erschließung neuer ökologischer Nischen. Devon umfasst ein Zeitintervall von 60 Millionen Jahren. Die ersten terrestrischen Wirbeltiere, Spinnen und Insekten erscheinen. Landtiere entwickeln Lungen. Obwohl Fische immer noch dominieren. Das Reich der Flora dieser Zeit wird von Farnen, Schachtelhalmen, Bärlappen und Gospermen repräsentiert.

5. Karbonzeit oft als Kohlenstoff bezeichnet. Zu dieser Zeit kollidiert Laurasia mit Gondwana und der neue Superkontinent Pangäa erscheint. Es entsteht auch ein neuer Ozean - Tethys. Dies ist die Zeit, in der die ersten Amphibien und Reptilien auftauchten.

6. Perm- die letzte Periode des Paläozoikums, die vor 252 Millionen Jahren endete. Es wird angenommen, dass zu dieser Zeit ein großer Asteroid auf die Erde fiel, was zu einem erheblichen Klimawandel und dem Aussterben von fast 90% aller lebenden Organismen führte. Der größte Teil des Landes ist mit Sand bedeckt, es treten die ausgedehntesten Wüsten auf, die es nur in der gesamten Entwicklungsgeschichte der Erde gegeben hat.

IV. Mesozoikum- die zweite Ära des Phanerozoikums, die fast 186 Millionen Jahre dauerte. Zu dieser Zeit erhalten die Kontinente fast moderne Umrisse. Ein warmes Klima trägt zur schnellen Entwicklung des Lebens auf der Erde bei. Riesenfarne verschwinden und Angiospermen scheinen sie zu ersetzen. Das Mesozoikum ist die Ära der Dinosaurier und das Erscheinen der ersten Säugetiere.

Das Mesozoikum wird in drei Perioden unterteilt: Trias, Jura und Kreidezeit.

1. Trias-Zeit dauerte etwas mehr als 50 Millionen Jahre. Zu dieser Zeit beginnt sich Pangaea zu teilen, und die Binnenmeere werden allmählich kleiner und trocknen aus. Das Klima ist mild, die Zonen sind nicht ausgeprägt. Fast die Hälfte der Landpflanzen verschwindet mit der Ausbreitung der Wüsten. Und im Bereich der Fauna tauchen die ersten warmblütigen und terrestrischen Reptilien auf, die zu den Vorfahren von Dinosauriern und Vögeln wurden.

2 Jura umfasst eine Lücke von 56 Millionen Jahren. Auf der Erde herrschte ein feuchtwarmes Klima. Das Land ist mit Dickichten aus Farnen, Kiefern, Palmen und Zypressen bedeckt. Dinosaurier regieren den Planeten, und zahlreiche Säugetiere zeichnen sich bisher durch ihre kleine Statur und ihr dichtes Haar aus.

3 Kreidezeit- die längste Periode des Mesozoikums mit fast 79 Millionen Jahren. Die Spaltung der Kontinente geht praktisch zu Ende, der Atlantik nimmt deutlich an Volumen zu und an den Polen bilden sich Eisschilde. Eine Zunahme der Wassermasse der Ozeane führt zur Ausbildung eines Treibhauseffekts. Am Ende der Kreidezeit ereignet sich eine Katastrophe, deren Ursachen bis heute ungeklärt sind. Infolgedessen starben alle Dinosaurier und die meisten Arten von Reptilien und Nacktsamern aus.

V. Känozoikum- dies ist die Ära der Tiere und des Homo sapiens, die vor 66 Millionen Jahren begann. Die Kontinente nahmen zu dieser Zeit ihre moderne Form an, die Antarktis besetzte den Südpol der Erde und die Ozeane wuchsen weiter. Pflanzen und Tiere, die die Katastrophe der Kreidezeit überlebten, fanden sich in einer völlig neuen Welt wieder. Auf jedem Kontinent begannen sich einzigartige Gemeinschaften von Lebensformen zu bilden.

Das Känozoikum ist in drei Perioden unterteilt: Paläogen, Neogen und Quartär.

1. Paläogene Periode endete vor etwa 23 Millionen Jahren. Zu dieser Zeit herrschte auf der Erde ein tropisches Klima, Europa versteckte sich unter immergrünen Tropenwäldern und Laubbäume wuchsen nur im Norden der Kontinente. Während der Paläogenzeit fand die rasante Entwicklung der Säugetiere statt.

2. Neogenzeit deckt die nächsten 20 Millionen Jahre der Entwicklung des Planeten ab. Wale und Fledermäuse erscheinen. Und obwohl Säbelzahntiger und Mastodons immer noch die Erde durchstreifen, nimmt die Fauna zunehmend moderne Züge an.

3. Quartärzeit begann vor mehr als 2,5 Millionen Jahren und dauert bis heute an. Zwei große Ereignisse prägen diese Zeit: die Eiszeit und die Ankunft des Menschen. Die Eiszeit vollendete die Bildung des Klimas, der Flora und Fauna der Kontinente vollständig. Und das Erscheinen des Menschen markierte den Beginn der Zivilisation.

Im Weltraum sind die Planeten nur Sandkörner, die in dem grandiosen Bild der Entwicklung natürlicher Prozesse eine unbedeutende Rolle spielen. Dies sind jedoch die vielfältigsten und komplexesten Objekte im Universum. Keine der anderen Arten von Himmelskörpern hat ein ähnliches Zusammenspiel von astronomischen, geologischen, chemischen und biologischen Prozessen. An keinem anderen Ort im Weltraum kann Leben entstehen, wie wir es kennen. Allein im letzten Jahrzehnt haben Astronomen mehr als 200 Planeten entdeckt.

Die Planetenentstehung, die lange Zeit als ruhiger und stationärer Prozess galt, entpuppte sich in Wirklichkeit als ziemlich chaotisch.

Die erstaunliche Vielfalt an Massen, Größen, Zusammensetzungen und Umlaufbahnen hat viele dazu veranlasst, sich über ihre Ursprünge zu wundern. In den 1970ern Die Entstehung der Planeten galt als geordneter, deterministischer Prozess – eine Pipeline, in der amorphe Gas- und Staubscheiben zu Kopien des Sonnensystems werden. Aber jetzt wissen wir, dass dies ein chaotischer Prozess ist, mit unterschiedlichen Ergebnissen für jedes System. Die geborenen Planeten überlebten das Chaos konkurrierender Entstehungs- und Zerstörungsmechanismen. Viele Objekte starben, verbrannten im Feuer ihres Sterns oder wurden in den interstellaren Raum geschleudert. Unsere Erde hätte lange verschollene Zwillinge haben können, die jetzt im dunklen und kalten Weltraum umherwandern.

Die Wissenschaft der Planetenentstehung liegt an der Schnittstelle von Astrophysik, Planetenwissenschaft, statistischer Mechanik und nichtlinearer Dynamik. Im Allgemeinen entwickeln Planetenwissenschaftler zwei Hauptrichtungen. Nach der progressiven Akkretionstheorie kleben winzige Staubpartikel zu großen Klumpen zusammen. Wenn ein solcher Block viel Gas anzieht, verwandelt er sich in einen Gasriesen wie Jupiter, und wenn nicht, in einen Gesteinsplaneten wie die Erde. Die Hauptnachteile dieser Theorie sind die Langsamkeit des Prozesses und die Möglichkeit der Gasdissipation vor der Bildung des Planeten.

In einem anderen Szenario (der Theorie der Gravitationsinstabilität) wird behauptet, dass Gasriesen durch einen plötzlichen Kollaps entstehen, der zur Zerstörung der primären Gas-Staub-Wolke führt. Dieser Prozess ahmt die Entstehung von Sternen im Miniaturformat nach. Diese Hypothese ist jedoch höchst umstritten, da sie von einer starken Instabilität ausgeht, die nicht auftreten darf. Darüber hinaus haben Astronomen herausgefunden, dass die massereichsten Planeten und die masseärmsten Sterne durch eine „Leere“ getrennt sind (Körper mit mittlerer Masse existieren einfach nicht). Ein solches „Versagen“ weist darauf hin, dass es sich bei den Planeten nicht nur um massearme Sterne handelt, sondern um Objekte ganz anderen Ursprungs.

Trotz der Tatsache, dass die Wissenschaftler weiterhin argumentieren, halten die meisten das Szenario der sukzessiven Akkretion für wahrscheinlicher. In diesem Artikel werde ich mich darauf verlassen.

1. Die interstellare Wolke schrumpft

Zeit: 0 (Startpunkt des Planetenbildungsprozesses)

Unser Sonnensystem befindet sich in einer Galaxie, in der es etwa 100 Milliarden Sterne und Staub- und Gaswolken gibt, hauptsächlich die Überreste von Sternen früherer Generationen. In diesem Fall sind Staub nur mikroskopisch kleine Partikel aus Wassereis, Eisen und anderen Feststoffen, die in den äußeren, kühlen Schichten eines Sterns kondensiert sind und in den Weltraum geschleudert werden. Wenn die Wolken kalt und dicht genug sind, beginnen sie unter der Schwerkraft zu kollabieren und bilden Sternhaufen. Ein solcher Prozess kann 100.000 bis mehrere Millionen Jahre dauern.

Jeden Stern umgibt eine Scheibe aus verbleibender Materie, die ausreicht, um Planeten zu bilden. Junge Scheiben enthalten hauptsächlich Wasserstoff und Helium. In ihren heißen inneren Regionen verdampfen Staubpartikel, während in den kalten und verdünnten äußeren Schichten Staubpartikel zurückbleiben und wachsen, wenn Dampf darauf kondensiert.

Astronomen haben viele junge Sterne gefunden, die von solchen Scheiben umgeben sind. Sterne, die zwischen 1 und 3 Millionen Jahre alt sind, haben gasförmige Scheiben, während solche, die älter als 10 Millionen Jahre sind, schwache, gasarme Scheiben haben, da das Gas entweder vom neugeborenen Stern selbst oder von nahen hellen Sternen „ausgeblasen“ wird. Dieser Zeitbereich ist genau die Epoche der Planetenentstehung. Die Masse schwerer Elemente in solchen Scheiben ist vergleichbar mit der Masse dieser Elemente in den Planeten des Sonnensystems: ein ziemlich starkes Argument dafür, dass aus solchen Scheiben Planeten entstehen.

Ergebnis: Der neugeborene Stern ist von Gas und winzigen (mikrometergroßen) Staubpartikeln umgeben.

Kosmische Staubkugeln

Sogar gigantische Planeten begannen als bescheidene Körper – mikrometergroße Staubpartikel (die Asche längst toter Sterne), die in einer sich drehenden Gasscheibe schwebten. Mit zunehmender Entfernung vom neugeborenen Stern sinkt die Temperatur des Gases und passiert die "Eislinie", hinter der das Wasser gefriert. In unserem Sonnensystem trennt diese Grenze die inneren Gesteinsplaneten von den äußeren Gasriesen.

1. Teilchen kollidieren, kleben zusammen und wachsen.
2. Kleine Partikel werden vom Gas weggetragen, aber Partikel, die größer als ein Millimeter sind, werden abgebremst und spiralförmig auf den Stern zu.
3. An der Eislinie sind die Bedingungen so, dass die Reibungskraft ihre Richtung ändert. Teilchen neigen dazu, aneinander zu haften und sich leicht zu größeren Körpern zu vereinigen – Planetesimalen.

2. Die Scheibe erhält Struktur

Zeit: etwa 1 Million Jahre

Staubpartikel in einer protoplanetaren Scheibe, die sich chaotisch mit Gasströmen bewegen, kollidieren miteinander und kleben manchmal zusammen, manchmal kollabieren sie. Die Staubkörner absorbieren das Licht des Sterns und geben es im fernen Infrarot wieder ab, wodurch Wärme in die dunkelsten inneren Regionen der Scheibe übertragen wird. Die Temperatur, Dichte und der Druck des Gases nehmen im Allgemeinen mit der Entfernung vom Stern ab. Aufgrund des Gleichgewichts von Druck, Schwerkraft und Zentrifugalkraft ist die Rotationsgeschwindigkeit von Gas um den Stern geringer als die eines freien Körpers in gleicher Entfernung.

Infolgedessen sind Staubpartikel, die größer als einige Millimeter sind, dem Gas voraus, sodass der Gegenwind sie verlangsamt und sie dazu zwingt, spiralförmig nach unten zum Stern zu fliegen. Je größer diese Partikel werden, desto schneller bewegen sie sich nach unten. Metergroße Blöcke können ihre Entfernung von einem Stern in nur 1.000 Jahren halbieren.

Wenn sich die Partikel dem Stern nähern, erhitzen sie sich und allmählich verdampfen Wasser und andere niedrigsiedende Substanzen, die als flüchtige Stoffe bezeichnet werden. Die Entfernung, in der dies geschieht – die sogenannte „Eislinie“ – beträgt 2-4 Astronomische Einheiten (AE). Im Sonnensystem ist dies nur etwas zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter (der Radius der Erdumlaufbahn beträgt 1 AE). Die Eislinie teilt das Planetensystem in eine innere Region, die frei von flüchtigen Substanzen ist und feste Körper enthält, und eine äußere Region, die reich an flüchtigen Substanzen ist und eisige Körper enthält.

An der Eislinie selbst sammeln sich aus Staubpartikeln verdunstete Wassermoleküle an, die als Auslöser einer ganzen Kaskade von Phänomenen dienen. In diesem Bereich tritt eine Lücke in den Gasparametern auf und es tritt ein Drucksprung auf. Das Kräftegleichgewicht bewirkt, dass das Gas seine Bewegung um den Zentralstern beschleunigt. Dadurch werden die hier eintretenden Partikel nicht von einem Gegenwind, sondern von einem Rückenwind beeinflusst, der sie vorwärts treibt und ihre Wanderung in die Scheibe stoppt. Und da weiterhin Partikel aus seinen äußeren Schichten fließen, verwandelt sich die Eislinie in ein Band ihrer Anhäufung.

Die sich ansammelnden Teilchen kollidieren und wachsen. Einige von ihnen durchbrechen die Eislinie und setzen ihre Wanderung nach innen fort; Beim Erhitzen werden sie mit flüssigem Schlamm und komplexen Molekülen bedeckt, wodurch sie klebriger werden. Einige Bereiche sind so mit Staub gefüllt, dass die gegenseitige Anziehungskraft der Partikel ihr Wachstum beschleunigt.

Staubkörner sammeln sich nach und nach zu kilometergroßen Körpern, sogenannten Planetesimalen, die im letzten Stadium der Planetenentstehung fast den gesamten Primärstaub aufnehmen. Es ist schwierig, die Planetesimale selbst in den sich bildenden Planetensystemen zu sehen, aber Astronomen können ihre Existenz aus den Trümmern ihrer Kollisionen erraten (siehe: Ardila D. Invisible planetary systems // VMN, Nr. 7, 2004).

Ergebnis: viele kilometerlange "Bausteine", Planetesimale genannt.

Aufstieg der Oligarchen

Die in Stufe 2 gebildeten, Milliarden Kilometer langen Planetesimale versammeln sich dann zu mond- oder erdgroßen Körpern, Embryonen genannt. Eine kleine Anzahl von ihnen dominiert ihre Orbitalzonen. Diese „Oligarchen“ unter den Embryonen kämpfen um die Restsubstanz

3. Die Embryonen der Planeten werden gebildet

Zeit: 1 bis 10 Ma

Die mit Kratern bedeckten Oberflächen von Merkur, Mond und Asteroiden lassen keinen Zweifel daran, dass Planetensysteme während der Entstehungszeit wie ein Schießstand aussehen. Gegenseitige Kollisionen von Planetesimalen können sowohl ihr Wachstum als auch ihre Zerstörung anregen. Das Gleichgewicht zwischen Koagulation und Fragmentierung führt zu einer Größenverteilung, bei der kleine Körper hauptsächlich für die Oberfläche des Systems verantwortlich sind, während große seine Masse bestimmen. Die Bahnen von Körpern um einen Stern können anfangs elliptisch sein, aber im Laufe der Zeit verwandeln die Verzögerung im Gas und gegenseitige Kollisionen die Bahnen in kreisförmige.

Das Wachstum des Körpers erfolgt zunächst durch zufällige Kollisionen. Aber je größer das Planetesimal wird, desto stärker ist seine Schwerkraft, desto intensiver absorbiert es seine massearmen Nachbarn. Wenn die Masse von Planetesimalen der Masse des Mondes vergleichbar wird, nimmt ihre Schwerkraft so stark zu, dass sie die umgebenden Körper erschüttern und noch vor der Kollision zur Seite lenken. Das schränkt ihr Wachstum ein. So entstehen „Oligarchen“ – die Embryonen von Planeten mit vergleichbarer Masse, die miteinander um die verbleibenden Planetesimale konkurrieren.

Die Ernährungszone jedes Embryos ist ein schmaler Streifen entlang seiner Umlaufbahn. Das Wachstum hört auf, wenn der Embryo die meisten Planetesimale aus seiner Zone aufgenommen hat. Die Elementargeometrie zeigt, dass die Größe der Zone und die Dauer der Extinktion mit der Entfernung vom Stern zunehmen. In einem Abstand von 1 AE die Embryonen erreichen innerhalb von 100.000 Jahren eine Masse von 0,1 Erdmasse. In einer Entfernung von 5 AE Sie erreichen in wenigen Millionen Jahren vier Erdmassen. Die Embryonen können in der Nähe der Eisgrenze oder an den Rändern von Scheibenbrüchen, wo sich Planetesimale konzentrieren, noch größer werden.

Das Wachstum der „Oligarchen“ füllt das System mit einem Überschuss an Körpern, die danach streben, Planeten zu werden, aber nur wenigen gelingt es. In unserem Sonnensystem sind die Planeten zwar großflächig verteilt, aber möglichst nahe beieinander. Wenn zwischen den terrestrischen Planeten ein weiterer Planet mit der Masse der Erde platziert wird, bringt dies das gesamte System aus dem Gleichgewicht. Dasselbe gilt für andere bekannte Planetensysteme. Wenn Sie eine bis zum Rand gefüllte Tasse Kaffee sehen, können Sie fast sicher sein, dass jemand sie überfüllt und etwas Flüssigkeit verschüttet hat; Es ist unwahrscheinlich, dass Sie den Behälter bis zum Rand füllen können, ohne einen Tropfen zu verschütten. Genauso wahrscheinlich haben Planetensysteme zu Beginn ihres Lebens mehr Materie als am Ende. Einige Objekte werden aus dem System ausgeworfen, bevor es das Gleichgewicht erreicht. Astronomen haben bereits frei schwebende Planeten in jungen Sternhaufen beobachtet.

Ergebnis:"Oligarchen" sind die Embryonen von Planeten mit Massen im Bereich von der Masse des Mondes bis zur Masse der Erde.

Riesensprung für das Planetensystem

Die Entstehung eines solchen Gasriesen wie Jupiter ist der wichtigste Moment in der Geschichte des Planetensystems. Wenn ein solcher Planet entsteht, beginnt er, das gesamte System zu kontrollieren. Aber damit dies geschieht, muss der Kern Gas schneller sammeln, als er sich spiralförmig zum Zentrum hin bewegt.

Die Entstehung eines Riesenplaneten wird durch die Wellen behindert, die er im umgebenden Gas anregt. Die Wirkung dieser Wellen ist nicht ausgeglichen, sie verlangsamt den Planeten und veranlasst ihn, zum Stern zu wandern.

Der Planet zieht Gas an, aber es kann sich nicht beruhigen, bis er abkühlt. Und während dieser Zeit kann es sich ziemlich nahe an den Stern heranwinden. Ein Riesenplanet kann sich nicht in allen Systemen bilden

4. Ein Gasriese wird geboren

Zeit: 1 bis 10 Ma

Wahrscheinlich begann Jupiter mit einem Embryo von vergleichbarer Größe wie die Erde und sammelte dann etwa 300 weitere Erdgasmassen an. Dieses beeindruckende Wachstum ist auf verschiedene konkurrierende Mechanismen zurückzuführen. Die Schwerkraft des Kerns zieht das Gas aus der Scheibe heraus, aber das zum Kern hin komprimierte Gas setzt Energie frei, und um sich abzusetzen, muss es gekühlt werden. Daher ist die Wachstumsrate durch die Möglichkeit der Kühlung begrenzt. Geschieht dies zu langsam, kann der Stern Gas zurück in die Scheibe blasen, bevor der Kern eine dichte Atmosphäre um ihn herum bildet. Der Engpass bei der Wärmeabfuhr ist der Strahlungstransport durch die äußeren Schichten der wachsenden Atmosphäre. Der Wärmefluss dort wird durch die Opazität des Gases (hauptsächlich abhängig von seiner Zusammensetzung) und den Temperaturgradienten (abhängig von der Anfangsmasse des Kerns) bestimmt.

Frühe Modelle zeigten, dass der Embryo eines Planeten eine Masse von mindestens 10 Erdmassen haben müsste, um schnell genug abzukühlen. Ein so großes Exemplar kann nur in der Nähe der Eisgrenze wachsen, wo sich zuvor viel Materie angesammelt hatte. Vielleicht befindet sich Jupiter deshalb direkt hinter dieser Linie. Große Kerne können sich auch anderswo bilden, wenn die Scheibe mehr Materie enthält, als Planetenforscher normalerweise annehmen. Astronomen haben bereits viele Sterne beobachtet, deren Scheiben um ein Vielfaches dichter sind als bisher angenommen. Bei einer großen Probe scheint die Wärmeübertragung kein ernsthaftes Problem zu sein.

Ein weiterer Faktor, der die Geburt von Gasriesen behindert, ist die spiralförmige Bewegung des Embryos auf den Stern zu. In einem Prozess, der als Typ-I-Migration bezeichnet wird, regt der Embryo Wellen in der Gasscheibe an, die wiederum seine Orbitalbewegung durch Gravitation beeinflussen. Die Wellen folgen dem Planeten, so wie seine Spur einem Boot folgt. Das Gas an der Außenseite der Umlaufbahn dreht sich langsamer als der Embryo und zieht ihn zurück, wodurch seine Bewegung verlangsamt wird. Und das Gas in der Umlaufbahn dreht sich schneller und zieht nach vorne, wodurch es beschleunigt wird. Die äußere Region ist größer, gewinnt also den Kampf und bewirkt, dass der Keim Energie verliert und um einige astronomische Einheiten pro Million Jahre in die Mitte der Umlaufbahn sinkt. Diese Migration endet normalerweise an der Eisgrenze. Hier verwandelt sich der entgegenkommende Gaswind in Rückenwind und beginnt, den Embryo nach vorne zu schieben und so seine Verzögerung auszugleichen. Vielleicht ist Jupiter deshalb auch genau dort, wo er ist.

Das Wachstum des Kerns, seine Wanderung und der Gasverlust aus der Scheibe erfolgen fast mit der gleichen Geschwindigkeit. Welcher Prozess gewinnt, hängt vom Glück ab. Es ist möglich, dass mehrere Generationen von Embryonen den Migrationsprozess durchlaufen, ohne ihr Wachstum abschließen zu können. Hinter ihnen bewegen sich neue Chargen von Planetesimalen von den äußeren Regionen der Scheibe zu ihrem Zentrum, und dies wiederholt sich, bis schließlich ein Gasriese gebildet wird oder bis das gesamte Gas absorbiert wurde und der Gasriese sich nicht mehr bilden kann. Astronomen haben Planeten wie Jupiter entdeckt, die etwa 10 % der von ihnen untersuchten sonnenähnlichen Sterne ausmachen. Die Kerne solcher Planeten können seltene Embryonen sein, die viele Generationen überlebt haben – die letzten der Mohikaner.

Das Ergebnis all dieser Prozesse hängt von der Ausgangszusammensetzung des Stoffes ab. Etwa ein Drittel der an schweren Elementen reichen Sterne haben Planeten wie Jupiter. Es ist möglich, dass solche Sterne dichte Scheiben hatten, die die Bildung massiver Samen ermöglichten, die keine Probleme mit der Wärmeabfuhr hatten. Und im Gegenteil: Planeten bilden sich selten um Sterne, die arm an schweren Elementen sind.

Irgendwann beginnt die Masse des Planeten ungeheuer schnell zu wachsen: In 1000 Jahren erreicht ein Planet wie Jupiter die Hälfte seiner endgültigen Masse. Gleichzeitig gibt sie so viel Wärme ab, dass sie fast wie die Sonne scheint. Der Prozess stabilisiert sich, wenn der Planet so massiv wird, dass er die Typ-I-Migration auf den Kopf stellt. Anstatt dass die Scheibe die Umlaufbahn des Planeten verändert, beginnt der Planet selbst, die Bewegung des Gases in der Scheibe zu verändern. Das Gas in der Umlaufbahn des Planeten dreht sich schneller als er, sodass seine Anziehungskraft das Gas verlangsamt und es zwingt, auf den Stern zu fallen, d. h. vom Planeten weg. Gas außerhalb der Umlaufbahn des Planeten dreht sich langsamer, daher beschleunigt der Planet es und zwingt es, sich nach außen zu bewegen, wieder weg vom Planeten. Dadurch erzeugt der Planet eine Lücke in der Scheibe und zerstört den Baustoffvorrat. Gas versucht, es aufzufüllen, aber Computermodelle zeigen, dass der Planet den Kampf gewinnt, wenn er in einer Entfernung von 5 AE ist. seine Masse übersteigt die Masse des Jupiters.

Diese kritische Masse hängt von der Ära ab. Je früher sich der Planet bildet, desto größer wird sein Wachstum sein, da sich noch viel Gas in der Scheibe befindet. Saturn hat weniger Masse als Jupiter, einfach weil er ein paar Millionen Jahre später entstand. Astronomen haben einen Mangel an Planeten mit Massen im Bereich von 20 Erdmassen (das ist die Masse von Neptun) bis 100 Erdmassen (die Masse von Saturn) entdeckt. Dies könnte der Schlüssel sein, um das Bild der Evolution zu rekonstruieren.

Ergebnis: Jupitergroßer Planet (oder dessen Fehlen).

5. Der Gasriese wird unruhig

Zeit: 1 bis 3 Ma

Seltsamerweise umkreisen viele der in den letzten zehn Jahren entdeckten extrasolaren Planeten ihren Stern in sehr geringen Entfernungen, viel näher als Merkur die Sonne umkreist. Diese sogenannten "heißen Jupiter" sind nicht dort entstanden, wo sie jetzt sind, da die orbitale Nahrungszone zu klein wäre, um das notwendige Material zu liefern. Vielleicht erfordert ihre Existenz eine dreistufige Abfolge von Ereignissen, die aus irgendeinem Grund in unserem Sonnensystem nicht eingetreten ist.

Zunächst muss sich im Inneren des Planetensystems nahe der Eislinie ein Gasriese bilden, solange noch genügend Gas in der Scheibe vorhanden ist. Dafür muss aber viel Feststoff in der Scheibe sein.

Zweitens muss der Riesenplanet an seinen aktuellen Standort umziehen. Die Typ-I-Migration kann dies nicht leisten, da sie auf die Embryonen einwirkt, noch bevor sie viel Gas ansammeln. Aber auch Typ-II-Migrationen sind möglich. Der entstehende Riese erzeugt eine Lücke in der Scheibe und hält den Gasfluss durch seine Umlaufbahn zurück. In diesem Fall muss es gegen die Tendenz von turbulentem Gas ankämpfen, sich in benachbarte Bereiche der Scheibe auszubreiten. Das Gas wird nie aufhören, in die Lücke zu sickern, und seine Diffusion in Richtung des Zentralsterns wird dazu führen, dass der Planet Umlaufenergie verliert. Dieser Prozess ist ziemlich langsam: Es dauert mehrere Millionen Jahre, bis sich der Planet um einige astronomische Einheiten bewegt. Daher muss sich der Planet im inneren Teil des Systems zu bilden beginnen, wenn er in der Nähe des Sterns in einer Umlaufbahn landet. Wenn sich dieser und andere Planeten nach innen bewegen, schieben sie die verbleibenden Planetesimale und Keime vor sich her, wodurch möglicherweise "heiße Erden" in noch näheren Umlaufbahnen zum Stern entstehen.

Drittens muss etwas die Bewegung stoppen, bevor der Planet den Stern trifft. Dies kann das Magnetfeld des Sterns sein, das den Raum in der Nähe des Sterns von Gas befreit, und ohne Gas stoppt die Bewegung. Vielleicht erregt der Planet die Gezeiten auf dem Stern, und sie verlangsamen wiederum den Fall des Planeten. Aber diese Begrenzer funktionieren möglicherweise nicht in allen Systemen, so dass viele Planeten ihre Bewegung in Richtung des Sterns fortsetzen können.

Ergebnis: Riesenplanet im nahen Orbit ("heißer Jupiter").

Wie man einen Stern umarmt

In vielen Systemen bildet sich ein riesiger Planet und beginnt sich spiralförmig auf den Stern zuzubewegen. Dies geschieht, weil das Gas in der Scheibe durch innere Reibung Energie verliert und sich zum Stern hin absetzt, wobei es den Planeten mit sich zieht, der schließlich dem Stern so nahe kommt, dass er seine Umlaufbahn stabilisiert.

6. Andere Riesenplaneten erscheinen

Zeit: 2 bis 10 Ma

Wenn es einem Gasriesen gelungen ist, sich zu bilden, trägt er zur Geburt der folgenden Riesen bei. Viele und vielleicht die meisten der bekannten Riesenplaneten haben Zwillinge mit vergleichbarer Masse. Im Sonnensystem half Jupiter, Saturn schneller zu bilden, als es ohne ihn geschehen wäre. Außerdem habe er Uranus und Neptun „eine helfende Hand ausgestreckt“, ohne die sie ihre jetzige Masse nicht erreicht hätten. In ihrer Entfernung von der Sonne würde der Entstehungsprozess ohne fremde Hilfe sehr langsam ablaufen: Die Scheibe würde sich auflösen, noch bevor die Planeten Zeit hätten, an Masse zu gewinnen.

Der erste Gasriese erweist sich aus mehreren Gründen als nützlich. Am äußeren Rand des von ihm gebildeten Spalts konzentriert sich die Materie im Allgemeinen aus demselben Grund wie auf der Eislinie: Der Druckunterschied bewirkt, dass das Gas beschleunigt und als Rückenwind auf Staubpartikel und Planetesimale wirkt und anhält ihre Migration aus den äußeren Bereichen der Scheibe. Zudem schleudert die Schwerkraft des ersten Gasriesen benachbarte Planetesimale oft in den äußeren Bereich des Systems, wo sich aus ihnen neue Planeten bilden.

Die zweite Generation von Planeten entsteht aus dem Material, das der erste Gasriese für sie gesammelt hat. Gleichzeitig ist das Tempo von großer Bedeutung: Bereits eine kleine zeitliche Verzögerung kann das Ergebnis erheblich verändern. Bei Uranus und Neptun war die Anhäufung von Planetesimalen übermäßig. Der Embryo wurde zu groß, 10-20 Erdmassen, was den Beginn der Gasansammlung bis zu dem Moment verzögerte, an dem fast kein Gas mehr in der Scheibe vorhanden war. Die Bildung dieser Körper war abgeschlossen, als sie nur zwei terrestrische Gasmassen sammelten. Aber das sind keine Gasriesen mehr, sondern Eisriesen, die sich als die häufigste Art herausstellen könnten.

Die Gravitationsfelder der Planeten der zweiten Generation verstärken das Chaos im System. Wenn sich diese Körper zu nahe beieinander bildeten, könnte ihre Wechselwirkung untereinander und mit der Gasscheibe sie in höhere elliptische Umlaufbahnen werfen. Im Sonnensystem haben die Planeten nahezu kreisförmige Umlaufbahnen und sind ausreichend weit voneinander entfernt, was ihre gegenseitige Beeinflussung verringert. Aber in anderen Planetensystemen sind die Umlaufbahnen normalerweise elliptisch. In einigen Systemen sind sie resonant, das heißt, die Umlaufzeiten sind als kleine ganze Zahlen miteinander verbunden. Es ist unwahrscheinlich, dass dies während der Entstehung gelegt wurde, aber es könnte während der Wanderung der Planeten entstanden sein, als die gegenseitige Gravitation sie allmählich aneinander band. Der Unterschied zwischen solchen Systemen und dem Sonnensystem könnte durch unterschiedliche anfängliche Gasverteilungen bestimmt werden.

Die meisten Sterne werden in Haufen geboren, und mehr als die Hälfte von ihnen sind Doppelsterne. Planeten können sich nicht in der Ebene der Umlaufbahn der Sterne bilden; In diesem Fall ordnet und verzerrt die Schwerkraft des Nachbarsterns schnell die Umlaufbahnen der Planeten und bildet nicht so flache Systeme wie unser Sonnensystem, sondern kugelförmige, die einem Bienenschwarm um einen Bienenstock ähneln.

Ergebnis: Gesellschaft von Riesenplaneten.

Familienzuwachs

Der erste Gasriese schafft die Voraussetzungen für die Geburt des nächsten. Der von ihm freigelegte Streifen wirkt wie ein Festungsgraben, der die von außen in die Mitte der Scheibe wandernde Substanz nicht überwinden kann. Es sammelt sich an der Außenseite des Risses, wo es neue Planeten bildet.

7. Es bilden sich erdähnliche Planeten

Zeit: 10 bis 100 Ma

Planetologen glauben, dass erdähnliche Planeten häufiger sind als Riesenplaneten. Während die Geburt eines Gasriesen ein präzises Gleichgewicht konkurrierender Prozesse erfordert, muss die Entstehung eines Gesteinsplaneten viel schwieriger sein.

Vor der Entdeckung extrasolarer erdähnlicher Planeten haben wir uns nur auf Daten über das Sonnensystem verlassen. Die vier terrestrischen Planeten – Merkur, Venus, Erde und Mars – bestehen hauptsächlich aus Substanzen mit hohen Siedepunkten wie Eisen und Silikatgestein. Dies weist darauf hin, dass sie innerhalb der Eislinie entstanden sind und nicht merklich gewandert sind. In solchen Entfernungen vom Stern können die Embryonen der Planeten in einer Gasscheibe bis zu 0,1 Erdmassen wachsen, also nicht mehr als Merkur. Für weiteres Wachstum ist es notwendig, dass sich die Umlaufbahnen der Embryonen kreuzen, dann kollidieren und verschmelzen sie. Die Bedingungen dafür ergeben sich nach dem Verdampfen von Gas aus der Scheibe: Unter Einwirkung gegenseitiger Störungen werden über mehrere Millionen Jahre die Bahnen der Kerne zu Ellipsen gestreckt und beginnen sich zu schneiden.

Viel schwieriger ist zu erklären, wie sich das System wieder stabilisiert und wie die terrestrischen Planeten in ihre heutigen nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen geraten sind. Eine kleine Menge des verbleibenden Gases könnte dies leisten, aber ein solches Gas hätte das anfängliche "Verwischen" der Umlaufbahnen der Kerne verhindern sollen. Vielleicht gibt es, wenn die Planeten fast gebildet sind, immer noch einen anständigen Schwarm von Planetesimalen. In den nächsten 100 Millionen Jahren fegen die Planeten einige dieser Planetesimale weg, und der Rest wird zur Sonne abgelenkt. Die Planeten übertragen ihre unberechenbare Bewegung auf die dem Untergang geweihten Planetesimale und bewegen sich in kreisförmige oder nahezu kreisförmige Umlaufbahnen.

Einer anderen Idee zufolge führt der langfristige Einfluss der Jupiter-Schwerkraft dazu, dass die entstehenden terrestrischen Planeten wandern und sie in Regionen mit frischer Materie bewegen. Dieser Einfluss sollte auf resonanten Umlaufbahnen stärker sein, die sich allmählich nach innen verlagerten, als Jupiter auf seine aktuelle Umlaufbahn abstieg. Radioisotopenmessungen zeigen, dass sich zuerst Asteroiden bildeten (4 Millionen Jahre nach der Entstehung der Sonne), dann Mars (nach 10 Millionen Jahren) und später die Erde (nach 50 Millionen Jahren): als ob eine vom Jupiter ausgelöste Welle durch das Sonnensystem liefe . Wenn es nicht auf Hindernisse gestoßen wäre, hätte es alle Planeten der Erdgruppe in die Umlaufbahn des Merkur gebracht. Wie haben sie es geschafft, ein so trauriges Schicksal zu vermeiden? Vielleicht sind sie bereits zu massiv geworden, und Jupiter konnte sie nicht viel bewegen, oder starke Einschläge haben sie aus Jupiters Reichweite geworfen.

Beachten Sie, dass viele Planetenwissenschaftler die Rolle des Jupiters nicht als entscheidend für die Bildung fester Planeten betrachten. Die meisten sonnenähnlichen Sterne sind ohne Planeten wie Jupiter, haben aber Staubscheiben um sich herum. Das bedeutet, dass es Planetesimale und Embryonen von Planeten gibt, aus denen sich Objekte wie die Erde bilden können. Die Hauptfrage, die Beobachter im nächsten Jahrzehnt beantworten müssen, ist, wie viele Systeme Erden, aber keine Jupiter haben.

Die wichtigste Epoche für unseren Planeten war der Zeitraum zwischen 30 und 100 Millionen Jahren nach der Entstehung der Sonne, als ein marsgroßer Embryo in die Urerde stürzte und eine riesige Menge an Trümmern hervorbrachte, aus denen der Mond entstand . Ein so starker Schlag verstreute natürlich eine riesige Menge Materie im ganzen Sonnensystem; Daher können auch erdähnliche Planeten in anderen Systemen Satelliten haben. Dieser starke Schlag sollte die Primäratmosphäre der Erde zerstören. Seine heutige Atmosphäre stammt hauptsächlich von Gas, das in Planetesimalen eingeschlossen ist. Aus ihnen bildete sich die Erde, und später trat dieses Gas bei Vulkanausbrüchen aus.

Ergebnis: terrestrische Planeten.

Erklärung der nicht kreisförmigen Bewegung

In der inneren Region des Sonnensystems können Planetenembryos nicht wachsen, indem sie Gas einfangen, also müssen sie miteinander verschmelzen. Dazu müssen sich ihre Umlaufbahnen schneiden, was bedeutet, dass etwas ihre ursprüngliche Kreisbewegung stören muss.

Wenn Kerne gebildet werden, schneiden sich ihre kreisförmigen oder fast kreisförmigen Bahnen nicht.

Die gravitative Wechselwirkung der Kerne untereinander und mit dem Riesenplaneten stört die Umlaufbahnen.

Die Keime verbinden sich zu einem erdähnlichen Planeten. Es kehrt auf eine kreisförmige Umlaufbahn zurück, mischt das verbleibende Gas und zerstreut die verbleibenden Planetesimale.

8. Aufräumarbeiten beginnen

Zeit: 50 Millionen bis 1 Milliarde Jahre

An diesem Punkt ist das Planetensystem fast gebildet. Mehrere sekundäre Prozesse gehen weiter: der Zusammenbruch des umgebenden Sternhaufens, der mit seiner Schwerkraft die Umlaufbahnen der Planeten destabilisieren kann; innere Instabilität, die auftritt, nachdem der Stern seine gasförmige Scheibe endgültig zerstört hat; und schließlich die fortgesetzte Zerstreuung der verbleibenden Planetesimale durch den Riesenplaneten. Im Sonnensystem werfen Uranus und Neptun Planetesimale in den Kuipergürtel oder in Richtung Sonne. Und Jupiter schickt sie mit seiner starken Schwerkraft in die Oortsche Wolke, an den äußersten Rand des Gravitationseinflusses der Sonne. Die Oortsche Wolke kann etwa 100 Erdmassen an Materie enthalten. Von Zeit zu Zeit nähern sich Planetesimale aus dem Kuipergürtel oder der Oortschen Wolke der Sonne und bilden Kometen.

Streuende Planetesimale, die Planeten selbst wandern ein wenig, und dies kann die Synchronisation der Umlaufbahnen von Pluto und Neptun erklären. Vielleicht befand sich die Umlaufbahn des Saturn früher näher am Jupiter, entfernte sich dann aber davon. Dies hängt wahrscheinlich mit der sogenannten späten Epoche des starken Bombardements zusammen - einer Periode sehr intensiver Kollisionen mit dem Mond (und anscheinend auch mit der Erde), die 800 Millionen Jahre nach der Entstehung der Sonne stattfanden. In manchen Systemen kann es spät in der Entwicklung zu grandiosen Kollisionen von gebildeten Planeten kommen.

Ergebnis: Das Ende der Entstehung von Planeten und Kometen.

Boten aus der Vergangenheit

Meteoriten sind nicht nur Weltraumgesteine, sondern Weltraumfossilien. Laut Planetenwissenschaftlern sind dies die einzigen greifbaren Zeugen der Geburt des Sonnensystems. Es wird angenommen, dass dies Teile von Asteroiden sind, die Fragmente von Planetesimalen sind, die nie an der Bildung von Planeten teilgenommen haben und für immer in einem gefrorenen Zustand blieben. Die Zusammensetzung von Meteoriten spiegelt alles wider, was mit ihren Mutterkörpern passiert ist. Auffallend ist, dass auf ihnen Spuren des langjährigen Gravitationseinflusses von Jupiter sichtbar sind.

Eisen- und Steinmeteoriten bildeten sich offenbar in Planetesimalen, die schmolzen, wodurch sich das Eisen von den Silikaten trennte. Schweres Eisen sank in den Kern, während sich leichte Silikate in den äußeren Schichten ansammelten. Wissenschaftler glauben, dass die Erwärmung durch den Zerfall des radioaktiven Isotops Aluminium-26 verursacht wurde, das eine Halbwertszeit von 700.000 Jahren hat. Eine Supernova-Explosion oder ein naher Stern könnte die protosolare Wolke mit diesem Isotop „infizieren“, wodurch es in großen Mengen in die erste Generation von Planetesimalen im Sonnensystem fiel.

Eisen- und Steinmeteorite sind jedoch selten. Die meisten enthalten Chondren – kleine millimetergroße Körner. Diese Meteoriten – Chondrite – entstanden vor den Planetesimalen und erlebten nie ein Schmelzen. Es scheint, dass die meisten Asteroiden nicht mit der ersten Generation von Planetesimalen in Verbindung stehen, die höchstwahrscheinlich unter dem Einfluss von Jupiter aus dem System geschleudert wurden. Planetenforscher haben berechnet, dass die Region des heutigen Asteroidengürtels früher tausendmal mehr Materie enthielt als heute. Partikel, die Jupiters Krallen entkamen oder später in den Asteroidengürtel fielen, verschmolzen zu neuen Planetesimalen, aber zu diesem Zeitpunkt war nur noch wenig Aluminium-26 in ihnen, sodass sie nie schmolzen. Die Isotopenzusammensetzung von Chondriten zeigt, dass sie sich etwa 2 Millionen Jahre nach Beginn der Entstehung des Sonnensystems gebildet haben.

Die glasige Struktur einiger Chondren weist darauf hin, dass sie vor dem Eintritt in die Planetesimale stark erhitzt, geschmolzen und dann schnell abgekühlt wurden. Die Wellen, die Jupiters frühe Orbitalwanderung antrieben, müssen sich in Schockwellen verwandelt haben und diese plötzliche Erwärmung verursacht haben können.

Es gibt keinen einheitlichen Plan

Vor der Ära der Entdeckung extrasolarer Planeten konnten wir nur das Sonnensystem studieren. Obwohl wir dadurch die Mikrophysik der wichtigsten Prozesse verstehen konnten, hatten wir keine Ahnung von der Entwicklung anderer Systeme. Die erstaunliche Vielfalt an Planeten, die in den letzten zehn Jahren entdeckt wurden, hat den Horizont unseres Wissens erheblich erweitert. Wir beginnen zu verstehen, dass extrasolare Planeten die letzte überlebende Generation von Protoplaneten sind, die Entstehung, Migration, Zerstörung und kontinuierliche dynamische Entwicklung erlebt haben. Die relative Ordnung in unserem Sonnensystem kann nicht irgendeinen allgemeinen Plan widerspiegeln.

Von dem Versuch, herauszufinden, wie sich unser Sonnensystem in der fernen Vergangenheit gebildet hat, haben sich Theoretiker der Forschung zugewandt, um Vorhersagen über die Eigenschaften noch unentdeckter Systeme zu treffen, die in naher Zukunft entdeckt werden könnten. Bisher haben Beobachter nur Planeten mit Massen in der Größenordnung von Jupiters nahen sonnenähnlichen Sternen bemerkt. Ausgestattet mit einer neuen Generation von Instrumenten werden sie in der Lage sein, nach terrestrischen Objekten zu suchen, die nach der Theorie der sukzessiven Akkretion weit verbreitet sein müssten. Planetenwissenschaftler beginnen gerade erst zu erkennen, wie vielfältig die Welten im Universum sind.

Übersetzung: V. G. Surdin

Weiterführende Literatur:
1) Auf dem Weg zu einem deterministischen Modell der Planetenentstehung. S. Ida und D.N.C. Lin im Astrophysical Journal, Bd. 604, Nr. 1, Seiten 388-413; März 2004.
2) Planetenentstehung: Theorie, Beobachtung und Experimente. Herausgegeben von Hubert Klahr und Wolfgang Brandner. Cambridge University Press, 2006.
3) Alven H., Arrhenius G. Die Evolution des Sonnensystems. M.: Mir, 1979.
4) Vityazev A.V., Pechernikova G.V., Safronov V.S. Terrestrische Planeten: Ursprung und frühe Evolution. Moskau: Nauka, 1990.