Каким образом произошло формирование солнца согласно

Лекция 1 Геология и цикл геологических наук

Происхождение Земли (космогонические гипотезы)

Космогонические гипотезы. Научный подход к вопросу о происхождении Земли и Солнечной системы стал возможен после укрепления в науке мысли о материальном единстве во Вселенной. Возникает наука о происхождении и развитии небесных тел — космогония.

Первые попытки дать научное обоснование вопросу о происхождении и развитии Солнечной системы были сделаны 200 лет назад.

Все гипотезы о происхождении Земли можно разбить на две основные группы: небулярные (лат. «небула» — туман, газ) и катастрофические. В основе первой группы лежит принцип образования планет из газа, из пылевых туманностей. В основе второй группы — различные катастрофические явления (столкновение небесных тел, близкое прохождение друг от друга звезд и т.д.).

Гипотеза Канта и Лапласа. Первой научной гипотезой о происхождении Солнечной системы была гипотеза И. Канта (1755). Независимо от него другой ученый — французский математик и астроном П. Лаплас — пришел к тем же выводам, но разработал гипотезу более глубоко (1797). Обе гипотезы сходны между собой по существу и часто рассматриваются как одна, а авторов ее считают основоположниками научной космогонии.

Гипотеза Канта—Лапласа относится к группе небулярных гипотез. Согласно их концепции, на месте Солнечной системы располагалась ранее огромная газо-пылевая туманность (пылевая туманность из твердых частиц, по мнению И. Канта; газовая — по предположению П. Лапласа). Туманность была раскаленной и вращалась. Под действием законов тяготения материя ее постепенно уплотнялась, сплющивалась, образуя в центре ядро. Так образовалось первичное Солнце. Дальнейшее охлаждение и уплотнение туманности привело к увеличению угловой скорости вращения, вследствие чего на экваторе произошло отделение наружной части туманности от основной массы в виде колец, вращающихся в экваториальной плоскости: их образовалось несколько. В качестве примера Лаплас приводил кольца Сатурна. Неравномерно охлаждаясь, кольца разрывались, и вследствие притяжения между частицами происходило образование планет, обращающихся вокруг Солнца. Остывающие планеты покрывались твердой корой, на поверхности которой стали развиваться геологические процессы.

И. Кант и П. Лаплас верно подметили основные и характерные черты строения Солнечной системы:

  1. подавляющая часть массы (99,86%) системы сосредоточена в Солнце;

  2. планеты обращаются почти по круговым орбитам и почти в одной и той же плоскости;

  3. все планеты и почти все их спутники вращаются в одну и ту же сторону, все планеты вращаются вокруг своей оси в ту же сторону.

Значительной заслугой И. Канта и П. Лапласа явилось создание гипотезы, в основу которой была положена идея развития материи. Оба ученых считали, что туманность обладала вращательным движением, вследствие чего произошло уплотнение частиц и образование планет и Солнца. Они полагали, что движение неотделимо от материи и так же вечно, как и сама материя.

Гипотеза Канта—Лапласа существовала в течение почти двух сотен лет. Впоследствии была доказана ее несостоятельность. Так, стало известно, что спутники некоторых планет, например Урана и Юпитера, вращаются в ином направлении, чем сами планеты. По данным современной физики, газ, отделившийся от центрального тела, должен рассеяться и не может сформироваться в газовые кольца, а позднее — в планеты. Другими существенными недостатками гипотезы Канта и Лапласа являются следующие.

  1. Известно, что момент количества движения во вращающемся теле всегда остается постоянным и распределяется равномерно по всему телу пропорционально массе, расстоянию и угловой скорости соответствующей части тела. Этот закон распространяется и на туманность, из которой сформировались Солнце и планеты. В Солнечной системе количество движения не соответствует закону распределения количества движения в массе, возникшей из одного тела. В планетах Солнечной системы сосредоточено 98% момента количества движения системы, а Солнце имеет только 2%, в то время как на долю Солнца приходится 99,86% всей массы Солнечной системы.

  2. Если сложить моменты вращения Солнца и других планет, то при расчетах окажется, что первичное Солнце вращалось с той же скоростью, с какой сейчас вращается Юпитер. В связи с этим Солнце должно было обладать тем же сжатием, что и Юпитер. А этого, как показывают расчеты, недостаточно, чтобы вызвать дробление вращающегося Солнца, которое, как считали Кант и Лаплас, распалось вследствие избытка вращения.

3. В настоящее время доказано, что звезда, обладающая избытком вращения, распадается на части, а не образует семейство планет. Примером могут служить спектрально-двойные и кратные системы.

Гипотеза Джинса. После гипотезы Канта—Лапласа в космогонии было создано еще несколько гипотез образования Солнечной системы.

Появляются так называемые катастрофические, в основе которых лежит элемент случайности, элемент счастливого стечения обстоятельств:

Бюффон — Земля и планеты образовались за счет столкновения Солнца с кометой; Чемберлен и Мультон — образование планет связано с приливным воздействием проходящей мимо Солнца другой звезды.

В качестве примера гипотезы катастрофического направления рассмотрим концепцию английского астронома Джинса (1919). В основу его гипотезы положена возможность прохождения вблизи Солнца другой звезды. Под действием ее притяжения из Солнца вырвалась струя газа, которая при дальнейшей эволюции превратилась в планеты Солнечной системы. Газовая струя по своей форме напоминала сигару. В центральной части этого вращающегося вокруг Солнца тела образовались крупные планеты — Юпитер и Сатурн, а в концах «сигары» — планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон.

Джине полагал, что прохождение звезды мимо Солнца, обусловившее образование планет Солнечной системы, позволяет объяснить несоответствие в распределении массы и момента количества движения в Солнечной системе. Звезда, вырвавшая газовую струю из Солнца, придала вращающейся «сигаре» избыток момента количества движения. Таким образом устранялся один из основных недостатков гипотезы Канта—Лапласа.

В 1943 г. русский астроном Н. И. Парийский вычислил, что при большой скорости звезды, проходившей мимо Солнца, газовый протуберанец должен был уйти вместе со звездой. При малой скорости звезды газовая струя должна была упасть на Солнце. Только в случае строго определенной скорости звезды газовый протуберанец мог бы стать спутником Солнца. В этом случае его орбита должна быть в 7 раз меньше орбиты самой близкой к Солнцу планеты — Меркурия.

Таким образом, гипотеза Джинса, так же как и гипотеза Канта—Лапласа, не смогла дать верного объяснения непропорциональному распределению момента количества движения в Солнечной системе. Самым большим недостатком этой гипотезы является факт случайности, исключительности образования семьи планет, что противоречит материалистическому мировоззрению и имеющимся фактам, говорящим о наличии планет в других звездных мирах. Кроме того, расчеты показали, что сближение звезд в мировом пространстве практически исключено, и даже если бы это произошло, проходящая звезда не могла бы придать планетам движение по круговым орбитам.

Современные гипотезы. Больших успехов в развитии космогонии достигли ученые нашей страны. Наиболее популярными являются гипотезы о происхождении Солнечной системы, созданные О. Ю. Шмидтом и В. Г. Фесенковым. Оба ученых при разработке своих гипотез исходили из представлений о единстве материи во Вселенной, о непрерывном движении и эволюции материи, являющихся ее основными свойствами, о разнообразии мира, обусловленного различными формами существования материи.

Гипотеза О. Ю. Шмидта. Согласно концепции О.Ю. Шмидта, Солнечная система образовалась из скопления межзвездной материи, захваченной Солнцем в процессе движения в мировом пространстве. Солнце движется вокруг центра Галактики, совершая полный оборот за 180 млн лет. Среди звезд Галактики имеются большие скопления газово-пылевых туманностей. Исходя из этого, О. Ю. Шмидт полагал, что Солнце при движении вступило в одно из таких облаков и захватило его с собой. Силой своего притяжения оно заставило облако вращаться вокруг себя. Шмидт полагал, что первоначальное облако межзвездной материи обладало некоторым вращением, в противном случае его частицы выпали бы на Солнце.

В процессе обращения облака вокруг Солнца мелкие частицы сосредоточивались в экваториальной части. Облако превращалось в плоский уплотненный вращающийся диск, в котором вследствие увеличения взаимного притяжения частиц происходило сгущение. Образовавшиеся сгущения-тела росли за счет присоединяющихся к ним мелких частиц, как снежный ком. Таким путем образовались планеты и обращающиеся вокруг них спутники. Планеты стали вращаться по круговым орбитам вследствие усреднения орбит малых частиц.

Земля, по мнению О. Ю. Шмидта, также образовалась из роя холодных твердых частиц. Постепенное разогревание недр Земли произошло за счет энергии радиоактивного распада, что привело к выделению воды и, газа, входивших в небольших количествах в состав твердых частиц. В результате возникли океаны и атмосфера, обусловившие появление жизни на Земле.

Гипотеза О. Ю. Шмидта правильно объясняет ряд закономерностей в строении Солнечной системы. Ученый считает, что имеющиеся несоответствия в распределении моментов количества движения Солнца и планет объясняются разными первоначальными моментами количества движения Солнца и газово-пылевой туманности. Шмидт рассчитал и математически обосновал расстояния планет от Солнца и между собой и выяснил причины образования крупных и мелких планет в разных частях Солнечной системы и разницу в их составе. Посредством расчетов обоснованы причины вращательного движения планет в одну сторону. Недостатком гипотезы является рассмотрение вопроса о происхождении планет изолированно от образования Солнца— определяющего члена системы. Концепция не лишена элемента случайности: захвата Солнцем межзвездной материи.

Гипотеза В. Г. Фесенкова. Работы астронома В. А. Амбар-цумяна, доказавшего непрерывность образования звезд в результате конденсации вещества из разреженных газово-пылевых туманностей, позволили академику В. Г. Фесенкову выдвинуть новую гипотезу. Фесенков полагает, что процесс образования планет широко распространен во Вселенной, где имеется много планетных систем. По его мнению, формирование планет связано с образованием новых звезд, возникающих в результате сгущения первоначально разреженного вещества. Одновременное образование Солнца и планет доказывается одинаковым возрастом Земли и Солнца.

В результате уплотнения газово-пылевого облака сформировалось звездообразное сгущение. Под влиянием быстрого вращения туманности значительная часть газово-пылевой материи все больше удалялась от центра туманности по плоскости экватора, образуя нечто вроде диска. Постепенно уплотнение газово-пылевой туманности обусловило формирование планетных сгущений, образовавших впоследствии современные планеты Солнечной системы. В отличие от Шмидта Фесенков полагает, что газово-пылевая туманность находилась в раскаленном состоянии. Большой его заслугой является обоснование закона планетных расстояний в зависимости от плотности среды. ВТ. Фесенков математически обосновал причины устойчивости момента количества движения в Солнечной системе потерей вещества Солнца при выборе материи, вследствие чего произошло замедление его вращения. В.Г. Фесенков приводит также доводы в пользу обратного движения некоторых спутников Юпитера и Сатурна, объясняя это захватом планетами астероидов.

На данном этапе изучения Вселенной гипотеза В. Г. Фесенкова правильно освещает вопрос происхождения, развития и особенности строения Солнечной системы. Из концепции гипотезы вытекает, что планетообразование является широко распространенным процессом во Вселенной. Формирование планет происходило из вещества, тесно связанного с первичным Солнцем, без вмешательства внешних сил.

Строение и состав Земли

Масса Земли оценивается в 5,98-1027 г, а ее объем — в 1,083-1027 см3. Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см3. Но плотность доступных нам горных пород равна 2,7—3,0 г/см3. Из этого следует, что плотность вещества Земли неоднородна.

Земля окружена мощной газовой оболочкой — атмосферой. Она является своеобразным регулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовой оболочки выделяется несколько сфер, отличающихся составом и физическими свойствами. Основная масса газового вещества заключена в тропосфере, верхняя граница которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается к полюсам до 8—10 км. Выше, на протяжении стратосферы и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте от 80 до 800 км располагается ионосфера — область сильно разреженного газа, среди частиц которого преобладают электрически заряженные. Самую наружную часть газовой оболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация наиболее легких атомов — водорода и гелия.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений. Подобно тому, как от камня, брошенного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности воды

волны, так в твердом веществе от очага взрыва распространяются упругие волны. Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны. Поперечные колебания можно представить как чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Волны продольных колебаний, или, как принято говорить, продольные волны, распространяются в твердом веществе с большей скоростью, чем поперечные. Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные — только в твердом. Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это — свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться. В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис. 2.1).

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь сербского ученого А.Мохоровичича, который ее открыл), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры, как указано выше, не превышает 2,7—3,0 г/см3. Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов — от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус Земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия — самая мощная из геосфер Земли. Она распространяется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см3, хотя это происходит неравномерно.

Рис. 2.1. Схема внутреннего строения Земли

На контакте с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недостаточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км составляет 1100— 1500°С, в глубоких частях — значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тыс.атм., на глубине 1000 км — 1350 тыс. атм. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С — от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой Д — от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицина (в честь русского ученого Б.Б.Голицина, установившего этот слой), а слой В — слоем Гутенберга (в честь выделившего его немецкого ученого Б.Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражается на более пластичном состоянии вещества по сравнению с выше и ниже расположенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes — слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200—300 км. Располагается она на глубине примерно 100—200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В) и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшается до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700-2900 км, в переходном слое Д1 (в отличие от нижней мантии, имеющей индекс Д) происходит зарождение гигантских тепловых струй — плюмов, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро Земли — центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит более трети всей массы Земли. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика, больше упругости стали. По-видимому, вещество ядра находится в каком-то совершенно особом состоянии. Здесь господствуют условия чрезвычайно высокого давления в несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра — 5520 кг/м3, т.е. это вещество в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднородно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав разных оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер Земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия — из оксидов кремния и магния, кристаллохи-мическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся В Земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4— 11,5 г/см3) и невозможность распространения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа. В таблице 1 сопоставлены химический состав земной коры, метеоритов и условно рассчитанный средний состав Земли в целом.

Добавить комментарий

Закрыть меню