13.2. Происхождение планет Солнечной системы

Все у нас, Луцилий, чужое, одно лишь время нагие. Только время ускользающее и текучее дала нам во владенье природа, но и его кто хочет, тот и отнимет.

Сенека

Для изучения вопросов происхождения небесных тел важным является определение их возраста. Определение возраста

307

земной коры основано на исследовании содержания в ней радиоактивных элементов (урана, тория и др.), а также радиоактивных изотопов таких элементов, как калий, аргон и др. Как известно, радиоактивные элементы непрерывно распадаются, причем процесс распада совершенно не зависит от внешних воздействий. При радиоактивном распаде образуются изотопы соседних элементов периодической системы Менделеева. Эти изотопы сами нередко оказываются радиоактивными, а значит, и они распадаются. Распад заканчивается, когда атомы радиоактивных элементов превращаются в нерадиоактивные атомы химических элементов и их изотопы. Например, распад урана (²³⁸U) завершается образованием нерадиоактивного изотопа свинца (²⁰⁶РЬ). Промежуток времени (Т), по истечении которого остается половина начального количества радиоактивных атомов, характеризуется скоростью распада и называется периодом полураспада. Для определения возраста земной коры используются медленно распадающиеся изотопы, например урана (Т4,5-10⁹ лет), радиоактивный изотоп калия ⁴⁰К (Т1,310⁹ лет) и др. Чтобы определить возраст земной коры, сравнивают содержание радиоактивных элементов и продуктов их распада в многочисленных пробах, взятых для анализа. Такое сравнение показывает, что возраст земной коры около 4,5 млрд лет. Примерно таков же возраст Земли как оформившейся планеты. К 3,5-4,5 млрд лет близок возраст лунных пород и метеоритов. Солнце, конечно, не может быть моложе Земли и Луны. Скорее всего возраст Солнца (желтой звезды) — 5 млрд лет. Сопоставление возраста Солнечной системы с возрастом Метагалактики (будем считать его равным 15 млрд лет) показывает, что Солнце нельзя отнести к звездам "первого поколения". Скорее всего в состав его и планет вошел газ, уже побывавший в недрах более старых звезд. На ранних стадиях расширения Метагалактики, как вы уже знаете, вообще не было тяжелых химических элементов, которые впоследствии стали центрами конденсации твердых частиц, необходимых для формирования планет.

Кроме этого факта гипотеза, объясняющая происхождение, развитие Солнечной системы, должна дать ответы и объяснить

308

следующие основные закономерности, наблюдаемые в строении, движении, свойствах Солнечной системы:

1. Орбиты всех планет (кроме орбиты Плутона) лежат практически в одной плоскости, почти совпадающей с плоскостью солнечного экватора.

2. Все планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам в одном и том же направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца вокруг своей оси.

3. Направление осевого вращения планет (за исключением Венеры и Урана) совпадает с направлением их обращения вокруг Солнца.

4. Средние расстояния планет от Солнца (за исключением Нептуна и Плутона) подчиняются определенному закону (правилу Тициуса—Воде).

5. Суммарная масса планет в 750 раз меньше массы Солнца (почти 99,9% массы Солнечной системы приходится на долю Солнца), однако на их долю приходится 98% суммарного момента количества движения всей Солнечной системы.

6. Планеты делятся на две группы, резко различающиеся между собой по строению, физическим свойствам, — планеты земной группы и планеты-гиганты.

7. Подавляющее число спутников обращается вокруг планет практически по круговым орбитам, лежащим в большинстве случаев в плоскости экватора планеты, причем (за несколькими исключениями) направление этого движения совпадает с направлением осевого вращения планет.

История науки знает множество гипотез о происхождении Солнечной системы. Причем эти гипотезы появились значительно раньше, чем стали известны многие важные закономерности Солнечной системы. Значение первых космогонических гипотез состояло прежде всего в том, что они пытались объяснить происхождение небесных тел как результат естественного процесса, а не одновременного акта божественного творения. Кроме этого, некоторые ранние гипотезы содержали правильные идеи о происхождении небесных тел.

309

Немецкий философ И. Кант в своей книге "Всеобщая естественная история и теория неба" (1755 г.) развил гипотезу, согласно которой в начале мировое пространство было заполнено материей, находившейся в состоянии первозданного хаоса. Под действием двух сил—притяжения и отталкивания—материя со временем переходила в более разнообразные формы. Элементы, имеющие большую плотность, по закону всемирного тяготения притягивали менее плотные, вследствие этого образовались отдельные сгустки материи. Под действием же сил отталкивания (которые якобы особенно эффективны, когда вещество находится в распыленном состоянии) прямолинейное движение частиц к центру тяготения заменялось кругообразным. Вследствие столкновения частиц вокруг отдельных сгустков и формировались планетные системы. Все это представлялось Канту настолько очевидным, что он не удержался от замечания, ставшего как бы символом естествознания: "Дайте мне материю, и я построю из нее мир, т. е. дайте мне материю, и я покажу всем, как из нее должен образоваться мир..."

Совершенно другая гипотеза о происхождении планет была изложена в книге П. Лапласа "Изложение системы мира" (1769 г.). По Лапласу, на ранней стадии своего развития Солнце представляло собой огромную, медленно вращающуюся туманность. Под действием силы тяжести протосолнце сжималось, поэтому оно принимало сплюснутую форму. И как только на экваторе сила тяжести уравновешивалась центробежной силой инерции, от протосолнца отделялось гигантское кольцо, которое в дальнейшем охлаждалось и разрывалось на отдельные сгустки. Из них и формировались планеты. Такой отрыв колец от протосолнца, по Лапласу, происходил несколько раз. Аналогичным путем образовались и спутники планет. Гипотеза Лапласа, бывшая весьма популярной на протяжении почти ста лет, оказывалась не в состоянии объяснить перераспределение момента количества движения между Солнцем и планетами. Расчет показывает, что если бы все планеты упали на Солнце (т. е. вернули ему потерянный им момент количества движения), то скорость его вращения была бы недостаточной для того, чтобы могло проис-

310

ходить отделение колец. Кроме того, для этой и других гипотез, по которым планеты и их спутники образуются из горячего газа, камнем преткновения является еще следующее: из горячего газа планета сформироваться не может, так как этот газ очень быстро расширяется и рассеивается в пространстве.

В 20-е годы XX в. английский астроном Д. Джинс разработал приливную теорию происхождения Солнечной системы. По этой теории в результате случайного сближения Солнца с какой-то звездой на Солнце образовалась гигантская приливная волна, приведшая к тому, что из двух противоположных точек его поверхности началось мощное извержение струй газа. Эти газовые массы очень быстро сгущались в облака, в которых росли планетезимали — небольшие твердые тела, из которых в дальнейшем сформировались планеты.

В 30-х годах было высказано предположение (Г. Рессел), что в прошлом Солнце было двойной звездой. Один из компонентов был разорван встречной звездой и образовал облако, из которого позже сформировались планеты. В дальнейшем эту гипотезу видоизменили (Ф. Хойл в 1944 г.). Было выдвинуто предположение, что один из компонентов вспыхнул как сверхновая, сбросил газовую оболочку. Звезды разошлись, а из газовой оболочки образовалась планетная система.

Большую роль в разработке установившихся в настоящее время взглядов на происхождение планетной системы сыграли работы нашего соотечественника О. Ю. Шмидта. В основе теории О. Ю. Шмидта лежат два предположения: планеты сформировались из холодного газопылевого облака; это облако было захвачено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики. На основе этих предположений Шмидту удалось объяснить некоторые закономерности в строении Солнечной системы — распределение планет по расстояниям от Солнца, вращение и др. Гипотез было много, но если каждая из них хорошо объясняла часть исследований, то другую часть не объясняла (рис. 13.1).

При разработке космогонической гипотезы прежде всего необходимо решить вопрос: откуда взялось вещество, из кото-

311

л

Рис. 13.1. Образование планет по гипотезе О. Ю. Шмидта

рого со временем сформировались планеты? Здесь возможны три варианта:

1. Планеты образуются из того же газопылевого облака, что и Солнце (И. Кант).

2. Облако, из которого образовались планеты, захва чено Солнцем при его обращении вокруг центра Галактики (О. Ю. Шмидт).

3. Это облако отделилось от Солнца в процессе его эволюции (П. Лаплас, Д. Джинс и др.).

Общую схему развития нашей планетной системы можно описать следующим образом.

Около 5 млрд лет назад в протяженном газопылевом облаке, пронизанном магнитными силовыми линиями, образовалось центральное сгущение — протосолнце, которое медленно сжималось. Другая часть облака, массой в 10 раз меньшей, медленно вращалась вокруг него. В результате столкновения атомов, молекул и пылинок туманность постепенно сплющивалась и разогревалась. Так вокруг Солнца образовался протяженный газопылевой диск. Его магнитное поле, "наматываясь" на про-

312

тосолнце, способствовало передаче момента внешним слоям диска.

По одному из вариантов эволюции протопланетного облака, рассмотренному В. С. Сафроновым, вначале в этом облаке произошло деление компонентов — газа и пыли. Оседание пыли к центральной плоскости произошло примерно за 1000 оборотов облака вокруг Солнца. Одновременно протекал процесс роста пылинок до к 1 см.

Под действием светового давления легкие химические элементы водород и гелий "выметались" из близких окрестностей Солнца. И, наоборот, попадая на пылинки, световые лучи тормозили их движение вокруг Солнца. При этом пылевые частицы теряли свой орбитальный момент количества движения и приближались к Солнцу. Этот механизм торможения "работает" даже в случае, если размеры частицы достигают нескольких метров. В конечном итоге это и привело к существенному различию в химическом составе планет, их разделению на две группы. Таким образом, вблизи экваториальной плоскости Солнца образовался слой пыли повышенной плотности. Как только плотность этого слоя достигла критического значения, в нем возникла гравитационная неустойчивость. Вначале образовались кольца, которые быстро распались на отдельные сгущения. Их исходные размеры и массы на расстоянии в одну астрономическую единицу от Солнца достигали 40 км и 5 • 10¹³ кг, а на расстоянии Юпитера — соответственно 10⁵ км и 10¹⁹кг. За счет собственной тяжести происходило дальнейшее сжатие сгустков, их уплотнение, рост больших и разрушение малых. Превращение сгущенной пыли в отдельные твердые тела продолжалось всего 10 000 лет на расстоянии в 1 а.е. и около 1 млн лет на расстоянии Юпитера от Солнца.

Далее в результате взаимных столкновений происходило слипание отдельных пылинок и образование твердых тел. Расчеты показывают, что эффективность взаимных столкновений пропорциональна четвертой степени радиуса сгущения (плане-тезимали). Это привело к быстрому росту размеров наибольших из них. В результате столкновений их орбиты приближались

313

к круговым, а сами они превращались в зародыши планет. Со временем выживали лишь те из них, орбиты которых с учетом их взаимного притяжения оказались устойчивыми.

Подобно планетам земной группы, формировались зародыши планет-гигантов — Юпитера и Сатурна, хотя время их конденсации было в несколько раз большим. В данном случае, как только масса протопланеты достигала величины двух-трех масс Земли, начиналась интенсивная аккреция газа, входящего в протопланетное облако.

Чтобы согласовать расчеты с наблюдениями, приходится ввести допущение, что в процессе роста планет-гигантов значительное количество твердого вещества было выброшено из Солнечной системы. Это привело к образованию на ее периферии облака комет, которое частично сохранилось и до наших дней.

Направление и скорость вращения планеты вокруг своей оси устанавливаются статистически как суммарный результат объединения многих планетезималей и выпадения на зародыш планеты тел из "спутникового роя", окружающего каждую планету на раннем этапе ее формирования. Как оказалось, по наклону оси вращения планеты к плоскости эклиптики можно оценить массу самых больших тел, выпадавших на планету. В частности, для нашей планеты эти массы не превышали 0,001 массы Земли. То, что ось вращения Урана наклонена к плоскости ее орбиты под углом 98°, связано с влиянием Юпитера и Сатурна. Как только массы этих планет возросли до двух-трех масс Земли, они своим притяжением вносили возмущения в движение других планетезималей, придавая им большие скорости, достаточные для того, чтобы вылетать за пределы Солнечной системы. Случайное столкновение этих тел с протоураном и привело к упомянутой аномалии в его вращении вокруг своей оси. Массы наибольших тел, выпадавших на Уран, достигали величины 0,07 массы этой планеты.

Зародыши планет-гигантов не только препятствовали формированию планеты в зоне астероидов между Марсом и Юпитером, но привели и к значительному уменьшению конечной массы планеты Уран.

314

Несмотря на сходство образования и состава исходного материала планет земной группы, в настоящий момент заметно различие в достигнутом уровне развития планет. На других планетах отсутствуют не только признаки жизни, но даже такие химические соединения, которые в ходе дальнейшей эволюции могли бы привести к появлению примитивных органических форм. Земля же обладает богатым, в высшей степени развитым органическим миром.

Сравнение физических характеристик планет земной группы позволило выявить ряд общих закономерностей их происхождения и последующей эволюции. В раннюю историю своего существования все планеты, как Земля, пережили три общие для них фазы развития:

1) фазу аккреции; 2) фазу расплавления внешней среды (а возможно, и недр) и 3) лунную фазу (стадию первичной коры). Совокупность этих фаз составляет раннюю историю планет. В раннюю историю Земля в своем развитии не отличалась от других планет. Во все последующее время до современной эпохи включительно, т. е. на протяжении 3,5-4,0 млрд лет, все планеты, за исключением Земли, развивались более или менее однотипно, хотя степень активности как внутренних, так и внешних планетных процессов была разной. Чем большую массу имеет планета, тем большее количество радиогенной и гравитационной энергии образуется в ее недрах. Соответственно и более активно протекают у планеты эндогенные процессы — вулканизм и тектонические движения. У небесных тел (Луны и Меркурия) вулканизм прекратился уже более 3 млрд лет назад. На Марсе он до недавнего времени был весьма активным. На Венере (по косвенным данным) и на Земле интенсивный вулканизм продолжался на протяжении всей их истории, вплоть до настоящего времени.

К числу общих закономерностей развития планет земной группы относятся следующие:

1. Все планеты произошли из единого протопланетного газопылевого облака (туманности) в результате его конденсации и аккреции образовавшихся сгустков материала и рассеянного

315

вещества. Более крупные скопления росли быстрее за счет присоединения к себе меньших агрегатов и рассеянного материала и превращались в зародыши планет — планетезимали.

2. В конце стадии аккреции, т. е. приблизительно 4,5 млрд лет назад, под влиянием быстрого накопления тепловой энергии за счет трансформированной метеоритной кинетической энергии внешняя оболочка планет претерпела полное расплавление.

3. В результате последующего остывания внешних слоев литосферы образовалась кора. В ее состав вошли более легкие компоненты основной магмы. Более тяжелые, благодаря гравитационной дифференциации, сконцентрировались ниже коры, образовав мантию планеты. На этот же период приходится расплавление и центральной области планеты за счет накопления радиогенной и гравитационной энергии. Таким образом, на раннем этапе существования планет произошла дифференциация их вещества на ядро, мантию и кору.

4. Индивидуально происходило развитие внешней области планет. Формирование природной обстановки происходило и происходит под влиянием климатического фактора, но степень его полноты весьма неодинаковая на разных планетах, а отсюда и неодинаков эффект его действия. Важнейшим условием здесь является наличие или отсутствие у планеты атмосферы и гидросферы. Причем определяющим следует признать не сам факт их наличия или отсутствия, а определенное сочетание их параметров. Для атмосферы это будут химический состав, плотность, температурный режим, циркуляция и т. д.; для гидросферы — общая масса воды и ее фазовое состояние — твердое, жидкое или газообразное. Из них наибольшей активностью обладает вода в жидкой фазе.

5. Вследствие полного отсутствия воды на безатмосферных Луне и Меркурии или наличия ее в малом количестве и не в жидкой фазе на Марсе и Венере на этих планетах экзогенные процессы не могут подавить морфологический эффект метеоритной бомбардировки, поэтому кратерный тип рельефа безраздельно господствует на Луне, Меркурии, Венере и преобладает на Марсе. Марс в прошлом имел более теплый и влажный климат,

316

жидкую воду и относительно высокую активность экзогенных процессов, действие которых выразилось в существенной переработке первичного рельефа ударных кратеров.

6. С циркуляцией воды во внешней оболочке Земли связано функционирование на нашей планете мощного комплекса экзогенных процессов, оказывающих огромное влияние на другие компоненты — литосферу, органический мир, вовлечение их в глобальные круговороты.