Концепции современного естествознания Гусейханов Раджабов (стр. 61 из 104)
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.