Повивальные бабки Земли

Сейчас происходит новый, решительный прорыв в понимании происхождения и эволюции Земли. Постепенно становится ясным, как из допланетного диска, существовавшего 4,6 миллиарда лет назад, около молодого Солнца сформировалась наша планета. Об этом — беседа с заведующим лабораторией происхождения и эволюции Земли Института физики Земли, доктором физико- математических наук Андреем Васильевичем Витязевым.

Сначала были сотворены небо и Земля. Потом стал свет и была создана твердь. Вода, зелень, небесные светила, пресмыкающиеся и, наконец, человек — таков приблизительный план сотворения Богом планеты Земля. Как это ни покажется странным, но с некоторыми оговорками эта модель вполне отвечает современным представлениям ученых на развитие и Солнечной системы, и нашей планеты. Конечно, научная версия сотворения Земли предполагает не семь, а как минимум тридцать пять миллиардов дней (или сто миллионов лет). Эта цифра была впервые рассчитана В. С. Сафроновым, последователем Отто Юльевича Шмидта.

Именно академик Шмидт впервые у нас в стране пятьдесят лет назад организовал лабораторию, заведующий которой — Андрей Витязев сейчас так оценивает прошлые годы: «В свое время О. Ю. Шмидт сделал удивительную вещь. Я имею в виду вовсе не разработку известных многим гипотез развития Солнечной системы и формирования Земли, которые на сегодня оказались ошибочными. Заслуга О. Ю. Шмидта была в другом — в том, что он сумел в послевоенной нищей стране организовать мини-лабораторию, всего-навсего пять-семь человек, которым, благодаря упорному труду, удалось заложить основы модели происхождения и эволюции Земли, получившей впоследствии название стандартной модели формирования планеты».

Однако с начала семидесятых годов, когда эта модель была предложена и поддержана большинством ученых, прошло довольно много времени даже для такой консервативной области, как планетная космогония. И на сегодняшний день, по мнению ряда авторитетных ученых, есть все предпосылки для создания новой теории происхождения и развития Земли.

«И создал Бог два светила великие: светило большое, для управления днем и светило меньшее, для управления ночью и звезды (Библия, Бытие, т. 1,стих 16)»

Как «слепить» Землю за сто миллионов лет?

Первые десять миллиардов лет жизни нашей Галактики, казалось бы, не предвещали появления Солнечной системы. Межзвездное пространство было заполнено веществом, которое время от времени то стягивалось в сгущения, то рассеивалось сменявшими друг друга поколениями звезд. Но около четырех с половиной миллиардов лет назад произошел взрыв сверхновой звезды. Может быть, он и послужил непосредственным толчком к началу формирования из межзвездного облака нашего Солнца и его планетной системы.

Обычно исходная плотность межзвездных облаков недостаточна для того, чтобы в них самопроизвольно начинался процесс образования звезд и планет. Однако взрывы сверхновых резко меняют картину: они порождают в межзвездной среде ударные волны, которые вызывают повышение давления и плотности вещества на отдельных участках межзвездного пространства. При этом могут возникать сгущения, способные в дальнейшем сжиматься уже за счет самогравитации. Примерно так, по расчетам ученых, и происходило зарождение нашей планетной системы, в центральной области которой по мере роста давления и температуры сформировался гигантский газовый сгусток — Протосолнце.

Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влиянием центробежных сил его периферийные участки стягивались к экваториальной плоскости вращения облака, превращаясь таким путем в плоский диск — протопланетное облако.

Стоит заметить, что формирование Солнца как нормальной желтой звезды из сжимающегося первичного сгустка газов и пыли происходило значительно быстрее, чем формирование планет,— «всего* несколько миллионов лет. Поэтому молодое Солнце неизбежно влияло на условия слипания вещества в окружающем его протопланетном диске. За счет солнечного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц) из околосолнечного пространства были выметены на периферию нашей системы все газовые и летучие компоненты исходного облака. С другой стороны, молодое Солнце так «прогрело* первоначальное газопылевое облако, что еще до начала процесса формирования планет оно оказалось сильно дифференцированным. Так, например, есть определенная зависимость плотности планет от их расстояния от Солнца, и, скажем, только внешние планеты Солнечной системы обладают массивными газовыми оболочками.

Если бы кому-то довелось наблюдать со стороны все то, что творилось в нашей системе в те давние времена, то наверняка картина напоминала бы раскрученный с большой силой «волчок*, центром которого было Солнце. Но постепенно с ростом плотности в этом плоском диске резко возросла вероятность столкновения частиц и их слипания. Так появились первичные тела диаметром всего в несколько метров. Уплотнение первичного роя тел.яядесобствовало их дальнейшему росту и постепенному превращению в более крупные тела с поперечными размерами уже в десятки и сотни километров. В тогдашних условиях у таких крупных «зародышей» стал появляться самостоятельный характер — собственное гравитационное поле, которое еще более увеличивало возможности захвата мелких тел. Одним из таких зародышей четыре с половиной миллиарда лет назад стала наша Земля.

- Это не так просто завести Вселенную

Просвещенный читатель может заметить, что в рассказанной выше предыстории формирования Земли как будто нет ничего нового, и будет прав. «Уже двадцать-тридцать лет назад при моделировании того, как образовалась Земля, не предвиделось никаких сумасшедших идей,— поясняет Андрей Витязев.— Ясно было, что кванты останутся квантами, а электроны электронами. Когда физик «строит» планету, он прежде всего работает с тремя законами сохранения — массы, энергии и момента. Потом ему нужно поинтересоваться, из чего состоит масса планеты. Так постепенно, из комков и «лепится» планета.

Такой способ моделирования в шестьдесят девятом году завершила книжка В. С. Сафронова, в которой утверждалось: в начале своего развития Земля не была огненно-жидким шаром, а представляла собой достаточно холодное образование. И если внутри нее и были разогретые участки, то это были магматические очаги, но в целом расплавленной Земля не была.

Однако в этом фундаменте еще в семидесятые годы образовалась трещина. Дело в том, что, по оценке Андрея Витязева, Сафронов существенно занизил оценки размеров крупнейших тел, падающих на Землю. Сафронов предполагал, что максимальный диаметр тел, которые сталкивались с нашей молодой планетой, составлял не более ста километров. Однако, по расчетам Андрея Витязева, вполне вероятными были катастрофы, когда встречались тела с лунными размерами. Этот просчет в сложной модели развития Земли неминуемо привел к занижению температуры, которая была внутри Земли. «В реальности эта цифра оказалась всего на какие-то сотни градусов больше,— объясняет Андрей Витязев,— но это уже радикально меняет ситуацию».

И в конце семидесятых годов стало ясно, что эти пресловутые сотни градусов позволили начаться эволюции Земли еще в ходе ее формирования. В то время, когда начальная стадия образования планеты еще не была завершена и по ее поверхности все еще «стучали» метеориты и астероиды, которые одновременно привносили различные газы, а часть их удаляли, внутри планеты уже началась дифференциация вещества.

Однако это был всего лишь один из гвоздей, забитых в премилые теории формирования Земли. За последнее десятилетие произошло еще два события, которые коренным образом изменили наши представления о ранней эволюции Земли. Первое и, пожалуй, самое интересное — открытие астрофизиками около сотни газопылевых дисков около молодых звезд солнечного типа. Эти диски оказались такой же массы и таких же размеров, как и диск около нашего молодого Солнца. Теперь, на взгляд Андрея Витязева, можно говорить, что «происхождение системы планет достаточно общее явление в Галактике.

У меня была работа с Галиной Викторовной Печерниковой, в ней мы писали о том, что столкновение тел, которые рождают планеты, можно наблюдать современными средствами и видны не только диски, освещаемые звездой, но и более поздние стадии формирования планет».

Другое событие: удалось доказать, что кратеры, наблюдаемые на твердых поверхностях многих планет и спутников,— это лишь последние по времени следы соударений, и по ним можно восстановить только часть того спектра тел, которые формировали планеты. Притом следы эти оставлены преимущественно телами с относительно малой массой. А промежуточные по своим размерам тела, которые и определили общее число планет Солнечной системы, особенности их состава и их орбит, исчезли в катастрофических столкновениях на ранних стадиях ее развития.

Впрочем, оставался открытым вопрос о происхождении Луны. До недавнего времени было два решения этой проблемы: Луна оторвана от Земли и Луна была сформирована неизвестно где и была впоследствии «захвачена» Землей.

Интерес к нашему спутнику не случаен. По мнению многих ученых, ключевым для понимания ранней истории нашей планеты может оказаться именно ответ на вопрос: почему около Земли вращается Луна с составом, близким к ахондритам (К одной из разновидностей дифференцированных метеоритов).

Луна — свалка земной истории

В те далекие времена, четыре с половиной миллиарда лет назад, наша Земля представляла из себя планету, по внешнему виду похожую на современную Луну. Огромные кратеры были покрыты сверху мощным слоем пыли и осколков, появившихся после ударов метеоритов. Этот унылый пейзаж первозданной Земли часто нарушался падением на ее поверхность разнообразных тел. После их ударов в образовавшихся кратерах возникали своеобразные озера расплавов. Но и они быстро остывали, затягиваясь сверху твердой коркой.

До недавнего времени считалось, что любое падающее на Протоземлю тело так и остается на ней, как бы прилипая. Но оказалось, что это слишком большое допущение — что-то ведь должно было и «отскакивать» от планеты, тем более современной атмосферы еще не существовало.

Андрей Витязев и его сотрудники вычислили, что при ударе о Землю тела оставляли на ней около девяноста девяти процентов своей массы. Но кое-что все же выбрасывалось на многие тысячи километров вверх. Именно за счет этих ничтожных процентов и сформировалась Луна. Протолунный рой вокруг Земли предусматривал еще О. Ю. Шмидт, однако сейчас выяснилось, что он постоянно подпитывался за счет выбросов вещества с самой планеты. А относительно малая скорость осколков в этом рое увеличивает вероятность захвата в него все нового вещества из допланетного диска и препятствует оттоку из него тел на земную поверхность. Этим, по расчетам ученых, и объясняются большая масса Луны и особенности вращения системы Земля—Луна.

Но почему мы не наблюдаем такую же картину вокруг других планет? По расчетам Андрея Витязева и его коллег, во внешней зоне Солнечной системы такой механизм образования спутников был неэффективен, так как там он лишь незначительно увеличивал плотность доспутниковых роев, окружавших планеты. Неэффективен он и для Марса: в его зоне, контролируемой Юпитером, тела имеют большую скорость и, разрушая доспутниковый рой, они позволили ему набрать вещество лишь на небольшие Фобос и Деймос. Меркурий и Венера также подвергались бомбардировке тел с большими скоростями и должны были иметь свои доспутниковые рои. Но вещество таких роев, заторможенное приливным взаимодействием с Солнцем, выпадало на поверхность этих планет. В результате ни Меркурий, ни Венера не имеют даже маленьких спутников.

Жизнь как счастливое стечение обстоятельств

Земля оказалась своего рода исключением в ряду планет Солнечной системы. Только ока обрела массивный спутник за счет остатков ударяющихся о нее тел. Однако, как вы помните, мы предположили, что разгадка ранней истории Земли заключена в тайне образования Луны. В чем туг дело?

Если бы Луна образовалась не из остатков метеоритов и астероидов, то, значит, их было не так много, а следовательно, их бы не хватило на быстрый разогрев Земли. Но, по мнению Андрея Витязева, как раз этого «добра» падало на Землю достаточно и для самой планеты, и для образования ее спутника. Ученые рассчитали, что в то время, когда масса Земли постепенно приближалась к семидесяти процентам от современной, тела, ударяющиеся о поверхность планеты Протоземли, достигали таких скоростей, что не только вызвали появление отдельных участков расплава, но и перемешивали своими ударами слой до тысячи километров глубиной!

(Современный радиус Земли приблизительно равен шести с половиной тысячам километров.)

Таким образом, на основной стадии формирования Протоземли лишь низы примитивной мантии не подвергались ударам разнообразных тел. Очевидно: вместо широко распространенных моделей формирования планеты — «холодная начальная Земля» или «магматический океан» — должна рассматриваться компромиссная, но более сложная модель «умеренно горячей первичной Земли». Вместе с тем, на взгляд Андрея Витязева, пока преждевременно говорить о преемственности примитивной и современной нижних мантий.

В дальнейшем, при росте массы Земли от 0,7 до 0,95 процентов ее современной величины, средняя толщина слоя ударного перемешивания уже уменьшилась от тысячи до первых сотен километров. Вполне естественно, что с течением времени под первичной поверхностью Земли — пока примитивной коры, которая подвергалась ударам многочисленных тел,— началась термогравитационная конвекция: тяжелое двигалось вниз, легкое наверх. Подстегиваемый постоянно падающими телами, постепенно, набирая обороты, развивался прогрев Земли, который достигал тысячи градусов на глубинах около тысячи километров, шла дифференциация вещества, словом, все то, что можно назвать началом развития планеты. «В этой связи уместно вспомнить некоторые наши расчеты. Согласно им получается: если при падении достаточно крупного тела с Земли происходит выброс одного процента вещества, то к концу процесса бомбардировки, то есть спустя миллионы лет, по массе это составит одну-две коры современной Земли,— замечает Андрей Витязев.— Именно так формирование примитивной коры Земли связано с образованием Луны. В растущей и дифференцирующейся Земле соединения железа уходили к центру, а к поверхности поднималось вещество, которое преимущественно и выбивалось метеоритами».

Простое разделение вещества планеты по плотности так бы и происходило до сегодняшнего дня, как это случилось (на ранних стадиях) с Марсом или Венерой. Однако на их поверхности нет рифтов и движущихся континентов, хотя первичный материал, из которого сформировались эти планеты, был почти один и тот же.

- К каждой планете я бесплатно прилагаю маленькие шарики подарки

«На Земле, в отличие от Марса и Венеры, были водные бассейны,— отвечает Андрей Витязев — В них образовались осадочные породы и затем в процессе метаморфизации они превращались в граниты. Иными словами, кроме базальтовой коры, на Земле случились граниты». А гранитная кора отличается тем, что она легче и может образовывать достаточно «легкие» континенты, плавающие на более плотных базальтах.

С другой стороны, для того чтобы происходило движение плит по поверхности планеты, необходимо перемещение вещества под ней. На остывшем Марсе этот механизм не работает. На Венере работает. Но континентов, подобных земным, на ней нет. Потому что на Венере нет океанов, нет воды, нет даже льда, который лежал бы на базальтах, и движение одного типа коры относительно другого все равно бы состоялось, пусть бы это и называлось тектоникой ледяных плит.

Вода, главный «виновник» возникновения гранитов на Земле, появилась на нашей планете тоже благодаря уникальному стечению обстоятельств. Земля располагается «всего» на 0,28 астрономических единиц дальше от Солнца, чем Венера. «Много это или мало? — задает риторический вопрос Андрей Витязев.— Казалось бы, невелика разница, какая средняя температура у вас на планете — минус десять градусов или плюс десять. Но это не все равно для нас. На Венере средняя температура — двадцать пять — тридцать градусов, к тому же парниковый эффект приводит к дополнительному разогреву атмосферы. А на Земле постоянная температура плюс пятнадцать и все время существовали теплые области». И благодаря этому вода сохранилась на Земле.

Жидкая вода на поверхности оказалась только на одной планете, только на ней появились граниты, которые были включены в сложный процесс дифференциации вещества, начавшегося после массивной бомбардировки Протоземли астероидами и метеоритами. И стоило только появиться первой гранитной выплавке, как туг же из нее были «построены» первые континенты. Именно они, по мнению доктора физико-математических наук Валерия Трубицина, перемещаясь по Земле, подобно ледоколам, вспарывают ее недра до самого ядра[¹ Подробнее см. статью «Ледоколы земной геологии» в первом номере «Знание — сила» за 1997 год.]. Только они управляют процессами возникновения или затухания потоков из самых глубин мантии. Не будь на Земле континентов, не было бы того целостного и упорядоченного механизма, который все перемешал внутри нашей планеты. С другой стороны, движение твердых плит строго закономерно, и, однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтиненты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Количество континентов, их форма могли быть произвольными, но, однажды образовавшись, они уже запустили современный геодинамический «котел» внутри Земли.

- Как хотите, так и питайтесь, не могу же я всех Вас кормить из соски!

Наместники Бога

Движениями континентов эволюция Земли не исчерпывается. Есть еще и другие «сферы». «При «строительстве» планеты создание модели появления и развития коры, гидросферы или атмосферы представляет очень сложную проблему,— сетует Андрей Витязев.— Дело в том, что когда мы работаем с Землей, то масса ядра составляет одну треть ее общей массы, мантия — две трети. И постепенно решая сложнейшие уравнения, мы понимаем, что ошибка на десять процентов — не очень существенна.

Но земная кора составляет менее одного процента массы планеты, и чтобы рассмотреть эволюцию этой тонкой корочки, мы должны работать с величинами соответствующего порядка. То есть я должен работать с точностью большей, чем один процент,— это трудно. Мало того — когда мы переходим к атмосфере, то получается, что я должен решать уравнения с точностью до миллионных долей процента и больше. До недавнего времени это представлялось  невозможным».

Создать мир за семь дней ученые пока не могут, однако дать Земле сто миллионов лет и объяснить появление неба и тверди, воды и небесных светил, света и пресмыкающихся им сейчас вполне по силам. И, судя по всему, создание А. В. Витязевым и его коллегами надежной модели образования и развития молодой Земли в добавление к уже сформулированной модели В. П. Трубицина позволит скоро говорить о единой теории эволюции нашей планеты.

Рисунки Жана Эффеля.

ФОКУС

Из Тихого океана — к звездам! Через два года все газеты мира выйдут с такими заголовками. Каким образом среди маленьких океанических островов появится космодром?