Образование Вселенной

Земля в космическом пространстве

Наша Земля - одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце это рядовая звезда, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т.к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства и необходимо изучение возникновение и эволюционирование Вселенной.

 

 

 

Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчётам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 9/9 массы её вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 14 - 20 млрд. лет назад. До этого времени все её вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать.

Такое состояние вещества называется «сингулярным». Теорию расширяющейся Вселенной или “Большого Взрыва” (Big Bang, англ.), впервые была создана А.А.Фридманом в России в 1922 г. С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд лет вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва?», по мнению известного английского физика С.Хогинса, носит метафизический характер, т.к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.

Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы «Большого Взрыва», но только после 1/100 секунды с момента его начала. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим. С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.

«Разбегание» галактик и скопление галактик

Доказательство этого явления связано с эффектом Допплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося - в голубую. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далёких звезд, смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше.

 

 

 

Эффект Доплера. При удалении объекта от наблюдателя спектральные линии

смещаются в сторону красного цвета («красные смещения»)

 

Все галактики и звезды удаляются от нас и самые далекие из них удаляются с большей скоростью. Это - закон Хаббла - астронома, открытый им в 1929 г.: V=HR, где V - скорость удаления, R - расстояние до космического объекта, а Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла, Н = 15 км/сек / 10 6 свет. лет ( 1 световой год = 9,6⋅1012 км или 6,3⋅104 А.Е.). Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн. св. лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/ сек., а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд. 960 млн. св. лет) - со скоростью 61000 км/сек.

Следует подчеркнуть, что все галактики разбегаются от всех, а не от нас, как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система – это самая рядовая галактика среди миллионов

Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

Современное значение плотности равно 10 -29 г/см³, что составляет 10-5 атомных единиц массы в 1 см³. Чтобы представить такую плотность надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40000 км!

Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию, т.е. состоянию когда все её вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать.

Спустя примерно 1 млрд. лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни неравномерности плотности вещества во Вселенной позволили сделать вывод, что, вероятно, это первичное различие в плотности и послужило как бы «затравкой» для возникновения в будущем скоплений галактик и галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а, следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование галактик. Только 200 лет назад В.Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. были обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше Солнечной массы.

Галактика Млечного Пути (ГМП) - одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100000 свет. лет и толщиной в 20000 свет. лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд и ядро, скрытое облаками плотного газа. Не исключено, что в центре ГМП существует “черная дыра”, как в ядрах других спиральных галактик. Интересно, что ГМП окружена темным облаком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 или более раз превышает массу всех звезд и газа в ГМП.

Солнце, представляющее собой небольшую звезду среднего возраста типа желтого карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах главного диска. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, Альфа Центавра - 4 световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн. лет со скоростью 240 км/сек. Галактический год играет важную роль в периодизации геологической истории Земли.

Солнце находится в центре нашей планетной системы. В нашей звезде сосредоточено 99,866% всей массы системы. На все 9 планет и десятки их спутников приходится только 0,134% вещества системы. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100000 астероидов или малых планет и около 1011 комет, а также огромное количество мелких обломков - метеоритов.

Солнце - имеет диаметр ∼ 1,4 млн. км (1 391 980 км), массу, равную 1,98⋅1033 км и плотность 1,4 г/см³, хотя в центре она может достигать 160 г/см³. Солнечная активность оказывает влияние на нашу планету.

В составе Солнца господствует Н, составляющий 73% по массе и Не - 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, также как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца - ядерный синтез, слияние 4-х ядер Н-протонов, образует одно ядро Не с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции выделяет 6 ⋅1011 Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м³ от 0 град. до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т.к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело.

Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозия, существование жизни. Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радиоволн, длиной во многие км и, кончая, гамма-лучами. В атмосферу Земли проникает очень мало заряженных частиц, т.к. магнитное поле защищает ее, но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле или Северное сияние. Тонкий озоновый экран задерживает на высотах около 30 км все жесткое ультрафиолетовое излучение, тем самым давая возможность существования жизни.

Вокруг Солнца вращаются девять планет: Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты относятся к внутренним или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы - гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон, открытый лишь 1930 г. Расстояние от Солнца до Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 А.Е. = 150 млн. км, расстояние от Земли до Солнца).

Знание о строение планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т.к. их внутренняя структура довольно близка к нашей планете.

Метеориты - твердые тела космического происхождения, достигающие поверхности планет и при ударе образующие кратеры различного размера. Источником метеоритов является, в основном, пояс астероидов. Когда метеорит входит с большой скоростью в атмосферу Земли, его поверхностные слои разогреваются, могут расплавиться и метеорит сгорит, не достигнув Земли. Однако, некоторые метеориты падают на Землю и, благодаря, огромной скорости, их внутренние части не претерпевают изменений, т.к. зона прогрева очень мала. Размеры метеоритов колеблются от микрон до нескольких метров, весом в десятки тонн.

Все метеориты по своему химическому составу подразделяются на 3 класса: 1) каменные, наиболее распространенные, 2) железо-каменные и 3) железные. Каменные метеориты являются наиболее распространенными (64,9 % от всех находок ). Среди них различают хондриты и ахондриты. Хондриты получили свое название благодаря наличию мелких сферических силикатных обособлений - хондр, занимающих более 50 % объема породы. Чаще всего хондры состоят из оливина, пироксена, плагиоклаза и стекла.

Химический состав хондритов позволяет предполагать, что они произошли из первичного, протопланетного вещества Солнечной системы, отражая его состав времени формирования планет, их аккреции (аккре́ция (лат. accrētiō «приращение, увеличение» от «прирастать») — процесс падения вещества на космическое тело из окружающего пространства). Это подтверждается сходством отношений основных химических элементов и элементов примесей для хондритов и в спектре Солнца. Содержание SiO₂ в хондритах - меньше 45 %, сближает их с земными ультраосновными породами.

Железные метеориты по распространенности занимают второе место и представляют собой твердый раствор никеля в железе. Содержание никеля колеблется в широких пределах и на этом основано разделение метеоритов на различные типы. Самым распространенным типом являются октаэдриты с содержанием никеля от 6 до 14 %.

Железо-каменные метеориты по распространенности занимают третье место и состоят они как из никелистого железа, так и силикатного каменного материала, представленного, в основном, оливином, ортопироксеном и плагиоклазом.

Образование метеоритов: 1 - газо-пылевое облако; 2 – аккреция в тела размером в метры (планетезимали); 3 - аккреция планетезималей в тела размером 10-200 км; 4 – плавление и дифференциация; 5 – базальты; 6 – силикаты; 7 – железо; 8 – дробление при ударе. Обломки: 9 – железо-каменные; 10 – каменные; 11 – железные; 12 – крупный метеорит; 13 – дробление; 14 – метеорит более мелкий

 

 

Возраст метеоритов, определённый радиоизотопными уран-свинцовым и рубидий- стронциевым методами дают цифры в 4,4 - 4,7⋅109 лет. Такие цифры соответствуют принятому возрасту формирования Солнечной системы, что свидетельствует в пользу одновременного образования планет и тех тел, из которых впоследствии возникли метеориты.

После того, как обломок отделяется от родительского тела и превращается в метеорит, он облучается космическими лучами и космический возраст собственно метеорита намного меньше возраста образования родительской породы. Происхождение метеоритов представляет собой важнейшую проблему, по которой существует несколько точек зрения. Наиболее распространенная гипотеза говорит о происхождении метеоритов за счет астероидов в поясе между Марсом и Юпитером.

Однако, часть метеоритов, и это уверенно доказано, происходит с поверхности Луны, общим весом более 2 кг, и еще больше, около 80 кг с поверхности Марса. Метеориты лунного происхождения полностью тождественны по минералогическому составу изотопным и структурным характеристикам лунным породам, собранных на поверхности Луны астронавтами или доставленных автоматическими станциями. Метеориты с Марса, общим числом 12, частично были найдены в ХIХ веке, а частично в наши дни, в частности в Антарктиде в 1984 г. Знаменитый метеорит ALH 84001 весом в 1930,9 г. был выбит с поверхности Марса сильным ударом 16 млн. лет назад, а в Антарктиду он попал 13000 лет назад, где недавно вытаял из льда и был 4,5 млрд. лет назад. При столкновении с астероидом от Марса отрывается осколок и улетает в межпланетное пространство 13 тыс. лет назад осколок Марса попадает в сферу притяжения Земли и падает в Антарктиде (1984 год). Американцы обнаруживают метеорит и дают ему название ALH 84001 (1994 год). Геохимики идентифицируют метеорит как осколок Марса (1996 год). Ученые обнаружили органические молекулы, которые считают древними формами жизни на Марсе.

Именно в этом метеорите были обнаружены мельчайшие - 2⋅10-6 - 10⋅10-6 см цианобактерии, располагающиеся внутри глобул, состоящих из сульфидов и сульфатов железа и окислов, возраст которых определен в 3,6 млрд. лет. Т.е. это несомненно марсианские породы, т.к. изотопный состав кислорода и углерода глобул, идентичен таковым в марсианских газах, определенных в породах Марса на его поверхности космическим аппаратом “Викинг” в 1976 г.

Звезды типа Солнца формируются при сжатии газопылевых облаков, масса которых должна быть не меньше 105 массы Солнца. Прообразом такого облака может служить туманность Ориона, великолепные фотографии которой сделаны космическим телескопом им. Хаббла. Почему это облако начало сжиматься? По одной из гипотез на него мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды, ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. По другой - газопылевое облако, в силу своего участия в общем вращении ГМП, начало сжиматься, однако большой момент вращения не допускает дальнейшего сжатия и облако распадается на отдельные сгустки - будущие планеты. Надо отметить, что начальный момент превращения газопылевого облака в протопланетный диск, наименее ясный момент в процессе формирования Солнечной системы.

Состав облака характеризовался 99% газа и 1% пылевых частиц размером в микроны. Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться массы - будущему Солнцу, в дисковидном облаке возникали мощные турбулентные вихри, ударные волны, гравитационные приливы, перемешивающиеся газ облака, которое, благодаря этому оставалось однородным. Время, необходимое для образования диска из облака оценивается всего лишь в 1000 лет, газ при этом охлаждается и образуются более крупные пылевые частицы, конденсируясь из газа, т.к. давление в облаке очень небольшое. В центральной части диска, благодаря быстрому коллапсу, зажглось Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска, что подтверждается конденсацией льда воды за поясом астероидов.

Внешние слои диска теряли газ за счёт его нагревания излучением молодого Солнца и мощного потока ионизованной плазмы - солнечного ветра. Когда плотность пылевых частиц в субдиске достигал некоторого критического значения, диск стал гравитационно неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причём, чем выше была плотность в сгущении, тем оно быстрее увеличивалось в размерах. Плотные сгустки, размером с хороший астероид, сталкиваясь, объединялись и увеличиваясь в размерах, превращались в рой планетезималей, размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей (планетезималь (от англ. planet — планета и infinitesimal — бесконечно малая) — небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся в результате постепенного приращения более мелких тел, состоящих из частиц пыли протопланетного диска) возможно только в случае небольшой скорости, соударения и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление.

Не исключено, что в облаке Оорта на краю Солнечной системы сохранились ещё допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитационным возмущениям со стороны планет-гигантов. Образование планетезималей заняло не более 1 млн. лет, т.е. произошло с космической точки зрения почти мгновенно.

Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей, занявшая уже гораздо больше времени, около 1000 млн. лет. Современное численное моделирование позволяет рассчитывать скорости допланетных тел и распределение их масс. Эти тела двигались по круговым орбитам, сталкиваясь друг с другом, разрушаясь, выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное, оно не разваливалось от ударов, а, наоборот, присоединяло к себе другие частицы и планетезимали. Чем больше было тело, тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами, изменяя их орбиты. Именно в этих, наиболее крупных телах и сосредотачивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет.

Образования группы внутренних планет происходило за счёт соударений каменных планетезтмалей, в отсутствии лёгких газов, которые удалялись солнечным ветром. Но планеты-гиганты, вернее их силикатные ядра, достигали уже размеров 2-3 массы Земли и сумели удержать водородно-гелиевую газовую оболочку. Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров - примерно 50 масс Земли, он присоединил к себе весь газ из окружающего пространства и далее аккреция пошла уже намного медленнее, т.к. газ оказался исчерпанным.

Сатурн, который расположен дальше от Солнца, рос медленнее и по составу отличается от Солнца сильнее, чем Юпитер. Точно также, двухступенчато, росли и остальные планеты - гиганты. Сначала формировались ядра, а затем происходила аккреция газов. Огромные количества энергии, высвобождавшееся при аккреции, нагревало внешние газовые оболочки планет-гигантов до нескольких тысяч градусов.

Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме, что и сами планеты. Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой её гравитации на околопланетную орбиту. Так у планеты формируется доспутниковый диск, из которого путём аккреции образуются спутники.

Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твёрдого внутреннего ядра, жидкого - внешнего и твёрдой мантии с тонкой оболочкой - твёрдой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?

На этот счёт существуют две, наиболее распространённые точки зрения. Ранняя из них полагала, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.

Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости.

Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? Но этот вопрос однозначного ответа не существует, но предположение отдаётся второму варианту. Процесс аккреции, столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался большим выделением энергии, с сильным прогревом формирующейся планеты, её дегазацией, т.е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты по современным данным длился около 500 млн. лет и проходил в 3 фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93-95% и эта фаза закончилась к рубежу 4,4 – 4,5 млрд. лет, т.е. длилась около 100 млн. лет.

Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста длилась тоже около 200 млн. лет. Наконец, третья фаза, продолжительностью до 400 млн. лет (3,8-3,9 млрд. лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же как и на Луне.

Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле. Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс. км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжёлые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали.

Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов - плутония, тория, калия, алюминия, йода. Ещё один источник тепла – это твёрдые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли - Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 ^О С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю её геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако, уже 3,5-3,7 млрд. лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд. лет, у Земли было твёрдое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т.е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность таких древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твёрдого внешнего.

Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.