Rating@Mail.ru

Планета Земля: как занять свое место под Солнцем

Планета Земля: как занять свое место под Солнцем
астрономия
Астрономия
342 публикаций
24 Октября 2018
Когда появились планеты Солнечной системы, почему состав Луны похож на состав земной коры и возможна ли жизнь на других планетах

Человек издавна пытается объяснить существование мира, в котором живет. Подходы к объяснению при этом сильно различаются. Прелат англиканской церкви Джеймс Ашшер в XVII веке толковал Ветхий Завет, чтобы вычислить возраст Земли. А шведский ученый-естествоиспытатель Эммануил Сведенборг в начале XVIII века переработал вихревую теорию Декарта и предложил небулярную гипотезу формирования мира. Из этой гипотезы следует, что в массивных и плотных облаках молекулярного водорода формируются сгустки, которые затем становятся звездами.

Появление Солнечной системы

Сегодня большинство астрономов придерживается одной космологической модели. Образование Солнечной системы началось 4,6 миллиарда лет назад с гравитационного коллапса — быстрого сжатия — небольшой части гигантского межзвездного газопылевого облака. Среди возможных причин уплотнения вещества — естественная динамика облака и прохождение ударной волны от взрыва сверхновой звезды. Уплотнение стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества. Облако содержало уже не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжелые элементы, оставшиеся от звезд предыдущих поколений.

image
Протопланетный диск //

В процессе гравитационного сжатия размеры облака уменьшались, а скорость его вращения росла в силу закона сохранения момента импульса. Скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к его уплощению и формированию диска.

Из-за сжатия в диске росла плотность и температура вещества. Наиболее сильно нагревалась центральная область диска. При температуре несколько тысяч кельвинов она начала светиться, и сформировалась протозвезда. Когда центральная область достигла температуры около 10 миллионов градусов, началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. За 100 миллионов лет протозвезда стала обычной звездой главной последовательности — Солнцем.

Отто Шмидтматематик, географ, астроном. Занимался исследованием северных полярных территорий. Разработал гипотезу образования тел Солнечной системы в результате конденсации газопылевого облака, окружавшего Солнце.

Диск поделился на кольца, в которых началось формирование более крупных тел — планет. Пылинки под воздействием гравитации собрались в километровые планетезимали — небесные тела на орбитах у протозвезды. Большие планетезимали, размером в несколько километров, стали аккумулировать на себя основную массу вещества.

Эволюция космологических моделей

В ранних космогонических теориях многие детали противоречили наблюдениям. Английский астрофизик Джеймс Джинс в 1919 году предположил, что все объекты Солнечной системы образовались из солнечного вещества, вырванного в результате близкого прохождения другой звезды. Но экспериментальные данные показали, что удельный момент количества вращений Солнца на порядок меньше, чем следует из гипотезы.

Советский астроном Отто Шмидт в 1943 году предложил идею последовательного формирования планет из холодного газопылевого диска, окружавшего Солнце. Шмидт проанализировал геофизические и геохимические характеристики Земли и сделал вывод, что наша планета никогда не была в полностью расплавленном состоянии. Значит, Земля произошла из более мелких тел, подобных метеоритам. В этом случае допланетное облако не должно было быть массивным, а поэтому вращалось медленно. 

Шмидт предположил, что большой размер облака объясняется тем, что Солнце захватило его при встрече с межзвездной туманностью. Эта идея, хотя и подкрепленная новаторской работой о возможности такого захвата в системе трех гравитирующих тел, вызвала наибольшую критику со стороны астрономов. Большинство из них были убеждены, что планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Совместное образование Солнца и планет выглядело намного более привлекательно, чем захват вещества Солнцем из газопылевого облака.

Изображение: Планета Земля: как занять свое место под Солнцем — parallax 6 //

Несколько гипотез в 1960-е высказал советский астроном Василий Фесенков, но все они остались неразработанными до конца. В одной из ранних гипотез Фесенков предполагал, что планеты образовались из газовых масс, отделившихся от Солнца при его вращении. На тот момент это было естественное предположение, поскольку считалось, что все звезды рождаются горячими и со временем сбрасывают часть своего вещества. Позднее Фесенков сошелся во взглядах со Шмидтом, выдвинув гипотезу об образовании планет из холодного газопылевого облака. 

Астроном и исследователь комет Сергей Всехсвятский допускал, что Солнце могло быть компонентом двойной системы, сохранившимся после того, как второй компонент разделился на более мелкие части в результате взрыва. Планеты и Солнце близки по химическому составу. Легкие элементы могли улетучиться из планет земного типа в процессе эволюции. В двойных и кратных системах известны звезды, близкие по массе к крупным планетам. Гипотетический спутник протосолнца мог быть близок по массе к суммарной массе всех планет. 

Наиболее близко к современной космогонической модели во второй половине XX века подошел ученик Шмидта, математик Виктор Сафронов. Ему принадлежит детально разработанная теория формирования планет из газопылевого диска. Он ввел критерий гравитационной неустойчивости для пылевого слоя и показал возможность образования пылевых сгущений и их превращения в планетезимали.

Формирование планет

На расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца сформировалось несколько десятков тел размерами в диапазоне между Луной и Марсом. При столкновениях они объединялись и нагревались, превращаясь в более крупные тела. 

Как вокруг звезд образуются планеты?

Процесс формирования планет земной группы должен был занять от 100 до 300 миллионов лет. Планеты-гиганты сформировались гораздо быстрее. Их атмосферы состоят в основном из водорода и гелия, а значит, они образовались очень рано — за время не более нескольких десятков миллионов лет с начала существования Солнечной системы. Считается, что Юпитер сформировался не дольше чем за два миллиона лет. Это однозначно подтверждается преобладанием в его составе водорода: водород и другие легкие газы очень быстро улетучились из Солнечной системы.

Разделение на планеты-гиганты и планеты земной группы произошло достаточно рано. На расстоянии от 4 до 5 астрономических единиц от Солнца прошла граница конденсации летучих соединений, в первую очередь водяного льда. Такое расстояние определялось светимостью Солнца, то есть количеством энергии, которое Солнце выделяло в соответствии со своим спектральным типом. До этой границы летучие соединения существовали в газовом состоянии.

У вас остались вопросы? Задайте их в Яндекс.Знатоках

Из-за конденсации увеличилась скорость объединения больших сгустков вещества. Образовались зародыши планет, которые, обладая гораздо более сильными гравитационными полями, начали аккумулировать оставшееся вещество на себя. Вещество планет земной группы было более плотное, но более размельченное в центральной части. Поэтому сначала образовались тела небольших размеров, которые, сталкиваясь и объединяясь друг с другом, гораздо медленнее формировали планеты земной группы.

image
Планеты земной группы //

Планеты-гиганты

На долю планет-гигантов приходится порядка 90% всей массы вещества планет Солнечной системы. Они содержат 80–90% водорода и 10–20% гелия. У них нет фиксированной, твердой поверхности, как у планет земной группы: это газожидкие планеты. На глубине примерно 70% радиуса происходит плавный переход газообразного состояния в жидкое.

Магнитное поле Землизащищает нас от космического излучения и позволяет ориентироваться по сторонам света с помощью компаса. Силовые линии магнитного поля «входят» в Землю в районе северного магнитного полюса, расположенного неподалеку от северного географического полюса, а «выходят» в южном магнитном полюсе.

У Юпитера и Сатурна мощные магнитные поля. Специфические характеристики полей указывают, что они формируются сравнительно неглубоко в атмосфере — на глубине около 70–80% радиуса. С этой глубины вещество переходит в жидкометаллическое состояние. Давление и температуры растут так, что электроны в водороде теряют связь с ядрами и превращаются в подобие жидкости, которая свободно перемещается и обладает высокой проводимостью. В электронной среде возникают мощные электрические токи, порождающие магнитные поля.

Магнитное поле Земли является дипольным, оно возникает практически в центре планеты. У поля Юпитера и Сатурна тоже есть дипольная составляющая, возникающая в недрах, но также есть и квадрупольная составляющая, которая создается сравнительно неглубоко под газожидкой границей. У квадрупольной составляющей четыре полюса: два северных и два южных. На основании детального изучения магнитного поля специалистам удается моделировать внутреннюю структуру планет-гигантов.

На поверхности Юпитера четко видны пояса и зоны — мощные турбулентные образования в виде дисков, накладывающихся по широте друг на друга. Светлые зоны — это области поднятия газовых потоков вверх, а темные пояса — области погружения вещества вглубь атмосферы. Быстрое вращение (полный оборот Юпитера вокруг своей оси занимает около 9 часов) приводит к сильному полярному сжатию. Если экваториальный радиус Юпитера составляет около 63 тысяч километров (в десять раз больше радиуса Земли), то полярный радиус — всего лишь 54 тысячи километров. Пояса и зоны движутся с разными скоростями. За счет кориолисовых сил вещество в зонах отклоняется и по сравнению с веществом поясов движется в северном полушарии быстрее на восток, а в южном полушарии — на запад.

image
Планеты-гиганты //

У Сатурна пояса и зоны хуже видны: за счет большего расстояния от Солнца (Сатурн находится на расстоянии 10 астрономических единиц от Солнца — примерно в два раза дальше Юпитера) появляется значительная аэрозольная составляющая. Твердые частицы экранируют солнечный свет, отраженный от атмосферы, и мы видим пояса и зоны более расплывчато.

Уран и Нептун — это гораздо менее массивные планеты, чем Юпитер и Сатурн. Масса Урана в 14–15 раз больше массы Земли, масса Нептуна — в 17 раз больше (для сравнения: масса Юпитера в 317 раз больше массы Земли). Температура и давление недостаточно высоки для перехода молекулярного водорода в жидкометаллическое состояние. Сложная структура магнитных полей с квадрупольной составляющей имеет другое происхождение. Считается, что в недрах Урана и Нептуна находится огромный соленый водный океан. За счет электропроводности соленой воды в нем возникают электрические токи, порождающие магнитные поля. В атмосферах Урана и Нептуна появляется метан, более сложные углеводороды вроде этана, аммиачные соединения. В атмосфере Урана четко видны пояса и зоны.

Оболочки Земли

Согласно современной космогонической модели, недра планет вначале были холодными, а верхние оболочки — расплавленными. Но сейчас у Земли есть расплавленное металлическое ядро. Планета имеет сильное магнитное поле, которое формируется, предположительно, по механизму магнитного динамо. Из-за мощного конвективного движения расплавленного металла возникают электрические токи, порождающие магнитное поле. Считается, что недра Земли разогрелись на более поздних этапах. Однако вариант горячего формирования тоже не исключен. Если столкновение и объединение тел происходили на больших скоростях, недра могли иметь высокую температуру с самого начала.

 

Изображение: Планета Земля: как занять свое место под Солнцем — parallax 22 //

В процессе формирования планет у них образовались первичные примитивные атмосферы, которые были впоследствии потеряны из-за высоких температур поверхностей. Современная, вторичная атмосфера Земли содержит 78% молекулярного азота и 21% кислорода. Первичная атмосфера могла иметь углекислотный состав. Соотношение могло измениться в результате функционирования биосферы, поскольку она выделяет кислород и поглощает углекислый газ. Атмосфера Земли в значительной мере является продуктом биологических процессов. По изотопному составу она похожа на вещество комет. Поток комет поступал на Землю в период массового переноса примитивных тел с периферии Солнечной системы.

Астероидытела Солнечной системы, которые движутся, как и большие планеты, вокруг Солнца. Астероидам не меньше 4 миллиардов лет. Диаметр Цереры, самого большого астероида Солнечной системы, составляет около тысячи километров.

Часть специалистов полагает, что земные океаны образовались за счет воды, которая находилась в недрах и вышла на поверхность при повышении температуры. Однако земные океаны тоже похожи на вещество комет по пропорции содержания изотопов: кислорода 17-го и 18-го, азота 13-го и 14-го, дейтерия и водорода. В земных океанах отношение дейтерия к водороду ближе даже не к веществу комет, а к водным включениям в углистых хондритах — фрагментах астероидов примитивных типов.

Ранее считалось, что углистые хондриты и астероиды примитивных типов содержат воду в связанном состоянии, в виде гидросиликатов. Но в последнее время растет количество обнаруженных астероидов примитивных типов с кометной активностью. То есть в их составе намного больше водяного льда, чем считалось. Они могли доставлять воду на Землю. Возможно, было два источника формирования земных океанов и атмосферы: внутренний и внешний.

Спутники планет

У Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна есть стационарная группа спутников, которая сформировалась в субпланетном диске. Они имеют наибольшие размеры, располагаются ближе всего к своим планетам и движутся в направлении их вращения. Это согласуется с общей моделью образования планет и спутников.

image
Ио, Европа, Ганимед, Каллисто — спутники Юпитера //

Для Галилеевых спутников Юпитера — Ио, Европы, Ганимеда, Каллисто — характерно изменение плотности с увеличением расстояния от Юпитера. Это служит подтверждением их формирования из субпланетного диска. Ио практически каменное тело. Европа имеет ледяную кору и внутренний водный океан, но ее плотность достаточно высока. Это говорит о том, что она тоже в значительной мере каменная. Ганимед и Каллисто состоят из воды уже на 50%. Такая дифференциация вещества произошла в субпланетном диске.

Спутники Юпитерадо нескольких последних лет было известно о двух десятках спутников. Такое лавинообразное обнаружение новых спутников произошло благодаря развитию наблюдательной техники — телескопов и очень чувствительных приборов наблюдения.

На сегодняшний день у Юпитера наибольшее количество внешних спутников — 79. Часть внешних спутников движутся в том же направлении, что и Юпитер, а часть — в противоположном направлении: это захваченные спутники. Они были увлечены мощным гравитационным полем Юпитера на разных этапах его существования. Примерно так же распределяются спутники других планет-гигантов.

У планет земной группы небольшое количество спутников. У Марса их два, и они тоже считаются захваченными. Фобос и Деймос — астероиды по своим характеристикам. Они резко отличаются от Марса по составу вещества. 

Формирование Луны

У Земли один спутник — Луна. Есть две основные гипотезы ее происхождения. Согласно гипотезе мегаимпакта, с Землей столкнулось тело размером с Марс. При этом произошло разделение вещества Земли, ее верхние оболочки были выброшены на околоземную орбиту. 

Изображение: Планета Земля: как занять свое место под Солнцем — parallax 30 //

По химико-минеральному составу Луна соответствует земной коре, на ней сравнительно мало металлов. Летучие соединения, которые входили в состав ударника, могли в основном испариться, поэтому Луна достаточно обезвожена. Однако сейчас она уже не считается абсолютно безводным телом: за последние десять лет вблизи полюсов обнаружено значительное количество воды в связанном состоянии. Предполагается, что эта вода была доставлена на Луну при падениях ядер комет и астероидов примитивного состава.

Другая гипотеза принадлежит академику Эрику Галимову. Согласно этой гипотезе, Земля и Луна формировались практически одновременно из разных частей субпланетного диска. Из его центральной части формировалась Земля, а из внешнего кольца — Луна. Эта гипотеза лучше объясняет соотношение изотопов и другие более тонкие особенности, которые нельзя объяснить в рамках гипотезы мегаимпакта. Однако если бы Земля формировалась без внешних воздействий, ось ее вращения была бы перпендикулярна плоскости орбиты. Наклон оси вращения Земли на 23 градуса говорит о том, что какое-то катастрофическое событие имело место.

image
Наклон оси вращения Земли //

У Венеры ось вращения отклонена более чем на 170 градусов, то есть планета повернута в противоположное полушарие небесной сферы. Считается, что это тоже связано с катастрофическим событием. Согласно гипотезам, Меркурий когда-то был спутником Венеры, но в результате столкновения с Венерой другого тела ее ось вращения приобрела практически противоположную ориентацию. Поэтому Венера вращается в направлении, противоположном направлению вращения других планет.

Жизнь на других планетах

Экзопланетыпланеты, обращающиеся вокруг других звезд. Их начали открывать в начале 1990-х. Сейчас известно несколько тысяч планет, и их количество растет.

Сегодня ведутся поиски земной формы жизни. В экзопланетных системах и Солнечной системе зоной обитаемости считается область, в которой летучие соединения, в первую очередь вода, могут оставаться в жидком состоянии. В Солнечной системе эта область простирается приблизительно от 0,7 до 1,5 астрономических единиц. Зона обитаемости смещается в зависимости от температуры звезды. У менее горячих светил она располагается ближе, у более горячих — дальше.

С помощью космического телескопа «Кеплер» удалось обнаружить огромное число экзопланетных систем. Планеты земного типа чаще всего встречаются у звезд спектрального класса G и красных карликов. Это, как и Солнце, наиболее долгоживущие звезды, основная составляющая звездного населения в нашей и других галактиках. 

Зона обитаемости галактики — это зона, удаленная как от центра галактики, так и от ее периферии. Звезды, расположенные на периферии, обладают более низкой металличностью, то есть содержанием тяжелых элементов. Кроме того, галактики имеют спирали. За счет большей скорости спиралей галактики звезды оказываются в зоне спирали несколько раз за время своей жизни. В этой зоне создается повышенная плотность звезд, которые могут оказывать катастрофическое влияние друг на друга. Поэтому вероятность существования жизни определяется одновременно и местом планеты в планетной системе, и местом звезды с планетной системой в галактике.

Владимир Бусарев
Владимир Бусарев
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ