Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Имеются некоторые наблюдения, которые помогают нам разобраться в процессах, превративших протосолнце и окружающий его горячий диск в современную Солнечную систему; однако большей частью мы вынуждены полагаться на компьютерное моделирование. Далее идет очень краткое описание того, как ученые представляют себе этот процесс. Сначала (это один из самых надежных фактов во всей истории) протосолнце поглотило почти всю окружающую материю и стало в достаточной степени плотным и горячим, чтобы внутри него пошли реакции ядерного синтеза. Это было настоящее рождение нашего Солнца: реакция превращения водорода (преобладающего элемента в химическом составе Солнца) в гелий была и остается основным источником его энергии. Солнце содержит 99,9 % всего вещества в Солнечной системе, однако оставшегося материала хватило, чтобы появились все остальные ее обитатели — планеты, их спутники, астероиды и кометы.
Когда диск вокруг юного Солнца остыл, из газов начали выпадать минеральные зерна, а по мере увеличения их количества они стали сталкиваться друг с другом, двигаясь по своим орбитам вокруг Солнца. Компьютерное моделирование показывает, что при столкновении мелкие зерна обычно слипаются, а потому средний размер объектов в диске быстро увеличивался. Вскоре большая часть мелких зерен превратилась в камни — вероятно, размером от кулака до валуна. Однако путь от валунов до планеты размером с Землю непрост: сталкивающиеся валуны будут скорее разваливаться, чем слипаться, а оставшийся в диске газ создает сопротивление, которой замедляет движение этих тел по орбитам и заставляет их приближаться по спирали к Солнцу — в итоге они станут не планетами, а частью звезды. Недавние исследования предполагают, что важную роль в соединении камней в более крупные тела сыграла турбулентность в диске: кружащиеся тела размером с валун соединялись в кластеры без сильных столкновений. Когда такие кластеры становятся достаточно большими, гравитация объединяет их в «планетезимали» — слабо связанные тела, являющиеся предшественниками планет; их размер, возможно, составлял несколько сотен километров в поперечнике.
По современным оценкам, переход от газопылевого облака к первобытному Солнцу, окруженному планетезималями, занял примерно 10 миллионов лет. По мере того как планетезимали продолжали расти, собирая все больше материи из окружающего пространства, самые крупные из них обгоняли соседей и забирали себе все вокруг. Постоянный дождь из камешков, валунов и планетезималей, падающих на поверхность растущих планет, быстро нагревал их, и внешние части некоторых из них могли полностью расплавиться.
В этом хаотичном жестком процессе быстро росла и Земля, впоследствии ставшая самой крупной из внутренних планет. Она тоже нагревалась, поскольку падающие тела передавали ей свою энергию. Наша планета стала настолько горячей, что железо в накопленном материале (вспомните, что хондриты содержат массу зерен железа) начало плавиться. Будучи очень плотным, жидкий металл стал погружаться и образовал ядро Земли. Существует масса геохимических данных (они слишком обширны, чтобы излагать здесь подробно, и многие из них были получены за последние несколько десятилетий), которые подтверждают, что металлическое ядро сформировалось на самой ранней стадии жизни Земли, когда планета еще росла. Сегодня, спустя 4,5 миллиарда лет, железное ядро все еще частично расплавлено — это пережиток того первого высокотемпературного отрезка времени. Аналогичным образом железное ядро появилось и у других планет земной группы, а также у планетезималей, которые стали астероидами, а не планетами. Железные метеориты вроде Мыса Йорк — это, вероятно, фрагменты таких ядер, полетевших к Земле после того, как их родительские астероиды столкнулись с другими. Эти железные метеориты рассказывают нам, на что похоже ядро нашей собственной планеты.
Но когда Земля уже почти достигла нынешнего размера и образовала железное ядро, в ее формировании была написана еще одна важная глава. Удивительно, но узнать об этом событии мы смогли, задавая вопросы о Луне, а именно: почему плотность нашей соседки так сильно отличается от плотности Земли? И если Луна — всего лишь блуждающая планетезималь, захваченная Землей (эта теория появления Луны была некогда популярной), то почему анализ горных пород, привезенных с Луны астронавтами «Аполлона», показывает, что наш спутник имеет близкое геохимическое сходство с Землей? На эти и другие вопросы о происхождении нашего спутника ответила гипотеза ударного формирования Луны. Впервые она появилась в 1970-е годы, когда опубликовали данные анализа лунных пород, но с тех пор ее уточняли и подтверждали новыми фактами.
В основе ударной модели лежит предположение, что к концу формирования планет в Солнечной системе в Землю врезалось крупное тело размером примерно с Марс. Это столкновение выбросило в космос материал, который от энергии удара частично перешел в газообразное состояние, но в итоге охладился и образовал Луну. Эта гипотетическая ударившая планета получила название Тейя — в честь древнегреческого божества, матери Селены (богини Луны).
Гипотеза ударного формирования сейчас является наиболее правдоподобным объяснением возникновения нашего спутника. Данные изотопных исследований для земных и лунных пород показывают, что столкновение должно было произойти примерно через 40–60 миллионов лет после рождения Солнечной системы. К тому времени большая часть земного железа уже осела в ядре, и, скорее всего, тот же процесс произошел и в ударившем теле. По этой причине материал, вылетевший в космос, должен был состоять только из внешних, каменистых частей обоих тел: моделирование столкновения показывает, что плотное металлическое ядро Тейи могло пройти через внешнюю оболочку Земли и слиться с ядром нашей планеты. Такой сценарий полностью соответствует низкому содержанию железа на Луне и, как следствие, ее низкой плотности.
Образовавший Луну удар добавил больше вещества Земле, нежели выбил из нее, и это фактически завершило создание нашей планеты, приблизив ее к нынешнему размеру. Бомбардировка мелкими и крупными объектами продолжалась (как мы видели, сейчас на Землю ежедневно падает по сотне тонн внеземной материи), однако значительный рост массы прекратился. Как выглядела эта ранняя Земля? Мы не знаем, поскольку поверхностных горных пород того периода у нас нет. Однако некоторые намеки дают лунные породы.
Одним из первых сюрпризов для изучавших лунные породы оказался тот факт, что значительная часть внешней оболочки Луны была расплавлена еще на ранней стадии ее истории. Планетологи, развивавшие новую концепцию, назвали этот расплавленный внешний слой «магматическим океаном» (магма — это геологический термин для расплавленных пород). Прийти к выводу о существовании магматического океана на ранних стадиях жизни Луны можно только потому, что наша спутница геологически неактивна, а это означает, что на ней сохранились многие из первых образовавшихся пород. Работа с образцами, собранными во время миссий «Аполлонов»,
