Система «Земля-Луна»

                                      Система «Земля-Луна»

Проблемы, связанные с образованием Луны, рассматривались большей частью отдельно от общих космогонических теорий солнечной системы, описанных выше. Луна представляет собой довольно аномальное тело солнечной системы. Она обладает гораздо большей массой по сравнению с массой своей главной планеты, в отличие от любого другого спутника в солнечной системе. Луна характеризуется необычно низкой плотностью: в среднем всего лишь 3,34 г/см3, что ниже плотности метеоритов и намного меньше средней плотности внутренних планет типа Земли. Эти необычные характеристики дали повод многим ученым для утверждения, что образование Луны довольно необычное событие в истории солнечной системы.

Существует четыре основных типа теорий, пытающихся объяснить происхождение Луны. Это теории деления, теории атмосферной конденсации, теории двойных планет, согласно которым Луна образуется на орбите вокруг Земли, и теории захвата, допускающие возможность образования Луны где-то в другом месте солнечной системы и ее последующего захвата Землей. Все эти теории имеют своих приверженцев и в настоящее время. Проведенные в последнее время исследования Луны и лунных пород дали в руки ученых большое количество граничных условий, которым должны удовлетворять эти теории, но не дающие пока возможности остановить выбор на какой-либо одной из них.

В теории деления предполагается, что Луна оказалась на орбите вокруг Земли в результате какой-то катастрофы, происшедшей с Землей. Впервые такая теория была выдвинута Джорджем Дарвином в последние годы XIX столетия. Дарвин полагал, что первоначально период вращения Земли составлял около 4 час., т. е. что он примерно в два раза превышал резонансный период Земли. Вследствие этого на Земле могли возникнуть огромные приливные горбы, в результате отделения одного из которых и образовалась Луна. Эта теория в 1930 г. была подвергнута серьезной критике Джефрейсом, согласно которому приливная диссипация должна быть слишком велика, чтобы могло произойти отделение Луны. Несколько позднее появились модифицированные приливные теории, согласно которым предполагалось, что Земля на ранних стадиях своего развития вращалась еще быстрее, в режиме, близком к ротационной неустойчивости, причем такая ротационная неустойчивость, имевшая место во время образования железного ядра Земли, снижает момент инерции и повышает скорость вращения до уровня, превышающего скорость, достаточную для разрыва. Если бы Земля действительно вращалась настолько быстро, чтобы это могло произойти, то ее первоначальный момент количества движения намного превышал бы теперешний угловой кинетический момент системы Земля — Луна, в связи с чем потребовалось бы искать процесс, объясняющий уменьшение момента количества движения.

Теории атмосферной конденсации, или, по выражению Рингвуда, теории осадков, исходят из предположения образования Луны с небольшим содержанием внутреннего железа. Сторонники этих теорий считают, что Земля образовалась в пространстве очень быстро, так что растущая Земля сохраняла большое количество гравитационной энергии аккумуляции, а ее внешние слои должны были быть в таком сильном разогретом состоянии, что силикаты, а также продукты их распада присутствовали в этих слоях в газообразной форме. Если такая система приходит в столкновение с крупной планетезималью, то под ее влиянием она начинает быстро вращаться, при этом внешняя часть атмосферы может быть вовлечена в орбитальное движение и из нее может произойти выпадение кремниевых веществ, требующихся для образования Луны. Из этих кремниевых обломков на орбите вокруг Земли и образуется затем Луна.

Многие исследователи высказывали предположение о том, что Луна образовалась поблизости от Земли как самостоятельное тело в процессе формирования солнечной системы. Основная трудность, возникающая перед сторонниками этой гипотезы, состоит в том, что необходимо дать объяснение низкой плотности Луны, причем до сих пор еще не было предложено никакого простого механизма, который помог бы объяснить, каким образом могла возникнуть Луна с плотностью, намного уступающей плотности Земли, если вещества, из которых образовались эти два небесных тела, подобны. Луна должна была образоваться довольно близко к Земле. Некоторые расчеты орбитального движения Луны, проведенные при обратном отсчете времени, показывают, что Луна была близка к Земле значительно позднее того времени, когда образовалась Земля, однако эти расчеты обычно допускают постоянное запаздывание приливной фазы, а неопределенность в фактическом запаздывании фазы приливной волны вносит соответствующую неопределенность в шкалу времени. Высказывались различные варианты образования простейшей двойной планеты. Так, например, два возможных варианта теории были предложены Мак-Дональдом. Согласно первому варианту, на орбите около Земли образовался небольшой спутник Земли. Этот спутник столкнулся с приблизившимся более крупным небесным телом, в результате чего произошел захват последнего. Согласно второму варианту, около земной орбиты происходила аккумуляция множества мелких тел, подобно спутникам планет-гигантов, причем наиболее близко расположенное к центру и наиболее массивное из них удалялось от Земли под влиянием приливного торможения, захватывая при своем удалении другие тела.

Существует много различных гипотез захвата Луны. Они имеют как геохимический, так и динамический характер. В геохимическом варианте теории захвата рассматриваются возможные условия, способные объяснить низкую среднюю плотность лунного вещества, однако остаются в стороне детали динамики захвата. Динамическая теория, наоборот, игнорирует геохимические аспекты, концентрируя все внимание на механизме диссипации независимого движения Луны, ведущем к ее захвату, и последующей динамической истории лунной орбиты. В последнее время относительно подробно динамические теории рассматривались Каулом. В своем первоначальном виде, по мнению Герстенкорна, теории захвата исходят из того, что на первых порах Луна сближалась с Землей, двигаясь по орбите в обратном направлении, а затем над полюсом Земли произошло обращение этой эллиптической орбиты в орбиту прямого движения. Все эти варианты теории встречаются с трудностями, так как они пренебрегают важными деталями динамики. Наиболее современная формулировка динамической теории захвата Луны с орбиты прямого движения принадлежит Зингеру. По окончательному мнению Каулы, динамические теории захвата Луны маловероятны, но не исключены.

Перед всеми этими теориями стоит важнейшая задача: дать объяснение низкой средней плотности Луны. Сторонникам теории распада и атмосферной конденсации необходимо найти приемлемый единый механизм химической дифференциации, действующий до разделения Земли и Луны. Этот механизм, имеющий важное значение, выпадает из теорий, допускающих аккумуляцию Луны на околоземной орбите из вещества, подобного земному, что является главным недостатком этих теорий. Несколько лучше положение с теориями захвата, если иметь в виду, что условия для образования небесного тела лунного состава существуют в других частях солнечной туманности.

Несколько лет назад считалось, что обилие железа по отношению к кремнию на Солнце значительно меньше, чем в метеоритах или планетах земного типа. Это послужило для Юри отправным моментом при построении теории происхождения Луны, согласно которой Луна образовалась из конденсированной фракции солнечного вещества и поэтому характеризуется относительно низким содержанием железа и невысокой средней плотностью. Согласно этой теории, Луна представляет собой всего лишь одно из многих небесных тел солнечной системы, возникших в результате первичной конденсации. Предполагается, что в результате столкновения большинства этих тел друг с другом происходило фракционирование силикатов и железа и сосредоточение железа в выживающих планетах. Луна не была затронута этим процессом и была захвачена Землей как первичный небесный объект. Однако в последнее время было установлено, что в оценке сил осцилляторов линий железа, используемых для определения обилия железа на Солнце, была допущена ошибка и что отношение обилий железа и кремния на Солнце в общем соответствует обилию этих элементов в метеоритах и планетах земного типа.

Проведенные недавно анализы образцов лунного вещества показали, что верхние слои Луны обогащены алюминием, кальцием и титаном. То, что окислы и силикаты этих металлов являются в первую очередь теми основными жаропрочными материалами, которые могли конденсироваться из газа при высокой температуре, позволило Гасту предположить, что, когда Луна оформилась как небесное тело, ее внешние слои образовались из таких конденсатов с очень высокой температурой. Эта точка зрения была развита недавно Андерсоном, высказавшим мысль о том, что вся Луна в целом явилась продуктом полного химического фракционирования таких высокотемпературных конденсатов. Если эта точка зрения верна, то образование Луны должно было произойти в области первичной солнечной туманности с гораздо более высокой температурой, чем та, в которой образовалась основная часть Земли. В связи с этим Камерон предположил, что такая гипотеза позволяет считать местом образования Луны пространство в пределах орбиты Меркурия, где вследствие возмущений первоначальной лунной орбиты под влиянием Меркурия лунная орбита приняла форму сильно вытянутого эллипса. С этой орбиты Луна была захвачена Землей, что одновременно послужило и причиной необычайно большого эксцентриситета орбиты Меркурия.

Ученые, посвятившие себя изучению Земли, собрали огромное количество сведений, относящихся к физической и химической истории ее развития. Однако их выводы еще порой содержат противоречия принципиального характера, намного снижающие достоверность нашего знания раннего периода эволюции Земли. Возраст древнейших пород, определенный по распаду радиоактивных элементов, содержащихся в Земле, составляет всего лишь около 4*109 лет. С другой стороны, большое количество данных указывает на то, что возраст солнечной системы составляет 4,6 *109 лет. Первые несколько сотен миллионов лет эволюции Земли продолжают оставаться для ученых, занимающихся прямыми геологическими исследованиями, загадкой.

Один из основных спорных моментов — была ли Земля во время ее образования очень холодной или очень горячей. В самые первые годы нашего столетия геологи склонны были считать, что Земля на ранних стадиях своего существования находилась в полностью расплавленном состоянии, и, несомненно, что утверждению этой точки зрения способствовали дуалистические теории образования солнечной системы, согласно которым Земля представлялась как тело, сконденсировавшееся в горячем состоянии из оторвавшегося от Солнца волокна горячих газов. Однако около двух десятилетий назад против этой господствовавшей точки зрения выступил Юри, указавший, что некоторые летучие элементы, присутствующие в больших количествах в Земле, не могли бы входить в состав Земли, если бы она образовалась путем конденсации из такого очень горячего газового волокна. На основании этого Юри сделал вывод о том, что Земля образовалась из остывшего сконденсировавшегося вещества, температура которого не превышала нескольких сотен градусов Цельсия. При этом вполне допустимо, что сливавшиеся с Землей небольшие сконденсировавшиеся тела были довольно холодными, так как сам процесс аккумуляции может привести к образованию очень горячего тела, однако удерживать весьма летучие вещества такое тело становится способным только после того, как оно приобретает довольно значительную массу.

Первоначальная внутренняя температура Земли в сильной степени зависела от времени, необходимого для аккумуляции Земли. Если представить тело, которое растет непрерывно за счет аккумуляции сравнительно небольших частиц на гораздо большем по размерам ядре, то в момент, когда эти частицы приходят в контакт с поверхностью увеличивающегося в размерах тела, происходит высвобождение энергии гравитационного потенциала. Основная доля высвобождаемой энергии гравитационного потенциала излучается поверхностью в окружающее пространство. Однако чем выше скорость аккумуляции, тем выше должна быть температура поверхности, из которой происходит излучение в пространство основной доли энергии. Эта температура излучающей поверхности становится мерилом внутренней температуры Земли. Если образование Земли происходит по шкале времени, характерной для газовой диссипации первичной солнечной туманности, т. е. в течение времени порядка 103 лет, то внутренние температуры Земли должны быть порядка 5000—10000° К. При таких высоких температурах большая часть твердых веществ может существовать только в газообразном виде, образуя горячую протяженную атмосферу Земли. Такая гипотеза может служить основой для теорий атмосферной конденсации происхождения Луны. Однако вскоре эта горячая атмосфера должна потерять большую часть своего тепла за счет излучения в пространство, и, вероятно, через несколько тысяч лет должна была произойти ее конденсация в расплавленную каменистую массу.

В тесной связи с неопределенностями тепловой истории Земли находится проблема происхождения атмосферы и океанов Земли. В 1951 г. Руби собрал большое число данных геологических исследований, свидетельствующих в пользу мнения о том, что океаны были образованы за счет выделения газов из внутренней части Земли. Руби сделал вывод, что такой процесс выделения газов был очень длительным, выделение воды все еще происходит и в настоящее время. Однако мнение о том, что выделение первичной воды из недр Земли все еще продолжается, не нашло подтверждения, а исследования воды, поступающей в настоящее время из недр, показывают, что это в основном вода, рециркулировавшая с поверхности в недра Земли.

В то же время Браун указывал, что распространенность кислорода и азота в земной атмосфере на несколько порядков больше распространенности редких газов. Это позволяет считать, что атмосфера образовалась в основном некоторым другим путем за счет выделения газов изнутри Земли, поскольку в Землю небольшими остывшими телами, участвовавшими в процессе аккумуляции, могли быть привнесены в больших количествах только химически связанные элементы. Таким образом, имеющиеся в нашем распоряжении в настоящее время данные указывают на то, что как океаны, так и атмосфера Земли образовались в основном за счет выделения газов из недр Земли.

Обилие на Земле редких газов не сходно с их распространенностью на Солнце, а носит скорее сильно фракционированный характер, свойственный распространенности редких газов, абсорбированных метеоритами. Таким образом, видимо, даже редкие газы, присутствующие в земной атмосфере в небольших количествах, были занесены на Землю телами небольшого размера.

Эти соображения имеют важное значение для проблем, связанных с изучением происхождения жизни на Земле. Имеющиеся в распоряжении ученых данные указывают на то, что первичная атмосфера, образовавшаяся на Земле после ее конденсации из солнечной туманности, была, по-видимому, сметена очень сильным солнечным ветром на стадии звезды Т Тельца. А уже после этого произошло выделение из недр Земли теперешней атмосферы и океанов. Многие биохимические исследования, связанные с изучением происхождения жизни на Земле, допускают, что по своему составу первичная атмосфера Земли должна быть близка к составу Солнца и составляющими ее газами должны были являться водород, аммиак, метан и водяные пары. Однако вторичная атмосфера содержит значительно меньше водорода. Выделение азота частично могло происходить в форме аммиака, углерода — в виде метана или других газовых органических соединений, а выделение основной массы, по-видимому, происходило в виде двуокиси углерода. Поэтому при биохимическом изучении ранней стадии развития жизни на Земле лучше исходить из предположения, что по составу атмосфера состоит в основном из водяных паров и двуокиси углерода, а также из небольшого количества избыточного водорода в виде аммиака и метана.