Гипотеза Протолуны, её значение в энергетическом балансе Земли

Если  катастрофический  разрыв  расплавленного  железного  ядра Протолуны действительно  произошел  достаточно  быстро  и  большая  часть  его  вещества  вместе  с остатками внутреннего приливного вздутия устремилась к Земле, то внешний приливный горб, менее всего пострадавший от разрушения и почти лишенный остатков “ядерного” железа, должен был испытать инерционную отдачу и перейти на более удаленную орбиту, т.е. покинуть опасную зону предела Роша.

К этому времени, как показывают расчеты, благодаря выпадению на Протоземлю большей части протолунного вещества ее масса возросла до массы современной Земли, а угловая  скорость  осевого  вращения  за  счет  приливных  взаимодействий  с  Протолуной увеличилась  до  критического  значения,  равного  угловой  скорости  орбитального обращения  спутника  на  пределе  Роша (один оборот приблизительно за 6 ч.). Благодаря инерционной “отдаче” остатки Протолуны, которые теперь уже можно называть Луной, должны были перейти на орбиту с меньшей орбитальной скоростью ее обращения вокруг Земли. В результате после этого приливные взаимодействия планет поменяли свой знак на противоположный  и  молодая  Луна  начала  отодвигаться  от  Земли (со скоростью 3,8 см/год) ,  что и спасло  ее  от окончательного  разрушения,  а собственное осевое  вращение  Земля стало тормозиться (продолжается этот процесс и сейчас).

Рис. 3. Скорость удаления Луны от Земли.

Современное расстояние между  Землей и Луной сейчас составляет 3,844*10¹⁰см.

Глава 4. Влияние на термику Земли её взаимодействия с Луной.

Основными  процессами,  управляющими тектонической  активностью  Земли,  могут  быть  только те  глубинные энергетические процессы,  которые  в  наибольшей  степени  снижают  потенциальную (внутреннюю) энергию  нашей  планеты  и  системы  Земля–Луна.  При этом  снижение  потенциальной энергии  происходит  за  счет  ее  перехода  в  тепло  и  в  кинетическую  энергию  движения земных  масс – конвекцию,  движение  литосферных  плит,  дрейф  континентов, горообразование  и  т.д.

 К наиболее мощным  энергетическим процессам, развивающимся в недрах Земли, следует  относить  три  глобальных  процесса:

• Процесс  гравитационной дифференциации  земного  вещества  по  плотности,  приводящий  к  расслоению  Земли  на плотное  окисно-железное  ядро,  остаточную  силикатную  мантию,  легкую алюмосиликатную  кору  и  гидросферу  с  атмосферой. 
• Распад радиоактивных  элементов,  приводящий  к  выделению  существенной  доли  тепловой энергии. 
• Приливное взаимодействие  Земли  с  Луной.

Молодая Земля, образовавшаяся из исходного газопылевого облака, получила начальный теплозапас в  результате аккреционных процессов. Однако, температура земных недр тогда не достигала точки плавления первичного вещества планеты. Если бы Земля не испытала дополнительный нагрев, то процессы гравитационной дифференциации практически  не смогли бы начаться и эволюция планеты  пошла бы другим путём. Однако, приливное  взаимодействие с Протолуной как  раз и послужило источником дополнительного  нагрева и выполнило роль «спускового  механизма», запустившего всю дальнейшую геологическую эволюцию Земли.

Анализ показывает, что  наиболее интенсивно приливная энергия  выделялась в Земле в самый  начальный этап её развития около 4,6*10⁹ лет назад. В это время, согласно гипотезе Протолуны, Протоземля захватила на свою орбиту естественный спутник, который стал стремительно приближаться к Протоемле, пока не достиг предела Роша

Как  известно,  в  системе  планеты  со  спутником,  объединенных  между  собой гравитационно-приливными  связями,  суммарный  момент  количества  движения  остается неизменным, хотя при этом и происходят перераспределения моментов между планетой и спутником.  Однако  такие  изменения  возникают  только  под  влиянием  выделения  и рассеяния первоначально запасенной в системе кинетической энергии.

Поскольку  после  образования  Луны  угловая  скорость  осевого  вращения  Земли всегда  превышала  угловую  скорость  орбитального  движения  Луны,  то  диссипация приливной  энергии  в  теле  Земли  приводила  только  к  уменьшению  такой  скорости  и  у планеты и у спутника, откуда, согласно третьему закону Кеплера, следует, что расстояние между  Луной  и  Землей  постоянно  увеличивалось. При  этом происходившие изменения рассматриваемых параметров системы существенно зависели от скорости диссипации приливной энергии в теле Земли.   В настоящее время большая часть приливной энергии выделяется в мелководных морях и значительно меньшая – в глубоких океанах и астеносфере  Земли.  По  оценкам  Г.  Макдональда (1975), скорость  выделения  приливной  энергии  в  настоящее  время приблизительно равна 0,25·1020 эрг/с, причем около 2/3 приливной энергии диссипирует в мелководных  морях  благодаря  трению  интенсивных  придонных  приливных  течений  о морское  дно. 

Сейчас  в  Земле  рассеивается  приблизительно 0,287·1020  эрг/с  приливной  энергии,  а  в  мантии  −  только 0,018·1020  эрг/с,  тогда  как  в гидросфере  −  около 0,269·1020  эрг/с,  или 94% от  всей  приливной  энергии. 

Поскольку современный  суммарный  тепловой  поток  через  поверхность  Земли  достигает приблизительно 4,3·1020 эрг/с , то получается, что в настоящее время доля приливной энергии,  рассеиваемой  в “твердой” Земле,  не  превышает 0,5% от  полной энергии,  генерируемой  в ее  недрах.  Однако  воздействия лунных  приливов  в прошлые геологические эпохи были  значительно большими.  Теория  приливов  показывает,  что  интенсивность  таких  воздействий обратно пропорциональна  шестой  степени  расстояния  между  планетами (Макдональд, 1975; Рускол, 1975).

Скорость выделения приливной  энергии во времени:

Е_t=(3K₂Gm²R⁵)*(Ω - ω)/(2Q_mL⁶);

Где  K₂ – второе число Лява;

R – радиус Земли;

Q_m – фактор механической добротности Земли;

G – гравитационная постоянная;

m – масса Луны;

L – расстояние между центрами масс Луны и Земли;

Ω - угловая скорость вращения Земли;

ω – угловая скорость орбитального движения Луны.

Отсюда  следует,  что  в  далекие  геологические  времена,  когда  Луна располагалась  значительно  ближе  к  Земле,  ее  приливные  воздействия  на  нашу  планету были  значительно  сильнее.  Более  того,  можно  ожидать,  что  на  самых  ранних  этапах развития Земли, когда Луна еще располагалась вблизи предела Роша, амплитуда лунных приливов  достигала 1,5 км,  а  приливная  энергия  превалировала  над  всеми  остальными источниками эндогенной энергии и поэтому во многом определяла собой тектоническое развитие Земли.

 Известно, что  выделяемое  за  счет  приливных деформаций  тепло  черпается  из  кинетической  энергии  осевого  вращения  Земли.  В настоящее  время  эта  энергия  сравнительно  невелика  и  равна 0,214·10³⁷  эрг,  но  вначале эволюционного  пути  системы  Земля−Луна,  около 4,6·10⁹  лет назад,  была  значительно большей  и  достигала 4,019·10³⁷  эрг. 

Часть  этой  энергии,  выделяющейся  в  процессе замедления  вращения  Земли,  тратится  на  увеличение  энергии  орбитального  движения Луны, а часть диссипирует  в самой Земле. Учитывая, что в  момент образования Луны ее расстояние от Земли составляло 1,72·10⁹ см , можно определить исходную орбитальную энергию Луны:  она была  равной –8,54·10³⁶  эрг.  За дальнейшие 4,6*10⁹ лет кинетическая энергия вращения Земли (∆E_Ω) уменьшилась на 3,84*10³⁷ эрг, а кинетическая энергия орбитального движения Луны (∆E_ω), наоборот возросла  на 0,54*10³⁷ эрг. Следовательно, за это же время в Земле рассеялись и превратились в тепло:

Е_t=∆E_Ω - ∆E_ω

То есть около 3,7*10³⁷ эрг (0,33*10³⁸ эрг) приливной энергии (Е_t).

Как  видно  из  приведенных  ниже графиков,  с наибольшей  интенсивностью  приливная энергия  выделялась  в  Земле  в  самом  начале  ее  развития.  В  те  далекие  времена,  сразу после  образования  Луны  около 4,6 млрд  лет  назад,  скорость  выделения  приливной энергии достигала гигантской величины – приблизительно 5,2·1024 эрг/с, что почти в 13 тысяч  раз  превышало  скорость  генерации  эндогенной  тепловой  энергии  в  современной Земле.

Однако такие экстремальные  условия на Земле существовали очень недолго. Уже через 1 млн  лет  приливная  теплогенерация  снизилась  приблизительно  в 100 раз,  а  еще через 100 млн  лет  опустилась  до  уровня 7·1020  эрг/с,  превышающего  современную суммарную  генерацию  тепла  в  Земле  всего  в  два  раза.  В  дальнейшем  диссипация приливной энергии продолжала плавно уменьшаться  примерно до уровня 1,2·1020 эрг/с в конце катархея, около 4,0 млрд лет назад. 

 При захвате Протолуны на близкую околоземную орбиту процесс сближения спутника с Протоземлей, включая его разрушение на пределе Роша, занимал всего около 15–20 тыс. лет, причем само разрушение Протолуны заняло не более 80–100 лет.  Столь  же  быстро  произошло  раскручивание  и  самой  Земли – приблизительно за 100 лет скорость ее собственного вращения увеличилась более чем в два раза: с одного оборота за 14–15 ч до одного оборота за 6 ч.

Приведенному  приросту  количества  вращения  Земли,  с  учетом  кинетической энергии  выпавших  на  земную  поверхность  осколков  разрушенной  Протолуны соответствует огромная энергия 3,8·10³⁷ эрг, часть из которой, около 1,1·10³⁷ эрг, перешла в тепло. Если бы эта энергия равномерно распределилась по всему объему Земли, то ее средняя  температура  возросла  бы  приблизительно  на 160 °С. 

Однако  фактический разогрев  земного  вещества  оказался  существенно  меньшим,  поскольку  основное воздействие со стороны обрушившегося на земную поверхность потока мелких обломков Протолуны приходилось в основном только на  экваториальную зону Земли. В моменты ударов этих частиц о земную поверхность, естественно, происходили тепловые взрывы и даже расплавления ее приповерхностных слоев, но они быстро остывали, отдавая в виде излучения почти все свое тепло открытому космосу. Поэтому катастрофа Протолуны хоть и  значительно  раскрутила  нашу  Землю,  а  также  и  несколько  разогрела  ее  за  счет приливных деформаций, но все же на ее внутреннем тепловом балансе сказалась не столь радикально,  как  это  могло  бы  показаться  с  первого взгляда.

Рис.4. Скорость выделения приливной энергии.

Скорость выделения приливной  энергии, по сравнению с другими  видами: энергии:

 
Рис.5. Скорость выделения энергии в Земле.

Первый «тепловой удар» (фиксируется первым пиком на кривой скорости выделения приливной энергии) . У молодой Земли в катархее еще  отсутствовала астеносфера и гидросфера.  Поэтому  приливная  энергия  тогда  распределялась  по  телу  Земли  более равномерно,  чем  в  последующие  эпохи,  и  в  соответствии  со  значениями  приливного потенциала  в  ее  недрах.  При  этом  амплитуда  приливных  деформаций  уменьшались  с глубиной  пропорционально  четвертой  степени  текущего  радиуса  в  разрезе  планеты. Отсюда  следует,  что  максимальные  приливные  деформации  в  катархее  происходили  в приповерхностных частях Земли на экваторе и в низких широтах. На широте около 55° они  обращались  в  ноль,  на  более  высоких  широтах  деформации  меняли  знак,  но становились более слабыми, а на полюсах их переменная составляющая вновь обращалась в  нуль.  Поэтому  большая  часть  приливной  энергии  в  катархее  выделялась  в экваториальном  кольцевом  поясе  и  в  низких  широтах  на  уровнях  верхней  и  средней мантии.  В  результате  в  этом  поясе  Земля  в  катархее  могла  дополнительно  прогреться приблизительно на 600−700 °С.

  Второй “тепловой   удар”  приливного  происхождения   произошел  на  рубеже катархея  и  архея,  около 4,0 млрд  лет   назад  сразу  же  после   возникновения  на  экваторе  Земли  астеносферы  и   появления  первых  мелководных   морских  бассейнов. 

Величина второго «теплового удара» (∆Т):

∆Т=(E_t-g_tm)/(m•C_p)

Где  E_t - тепловая энергия, выделяемая в массе m;

g_t - температура плавления вещества;

C_p – удельная теплоемкость вещества при P=const. 

 Объясняется это  тем,  что  приливные  деформации  планеты  в  основном  концентрируются  в  слоях  с наименьшими  значениями  модуля  жесткости  и  вязкости,  т.е.  в  слоях,  наиболее  легко поддающихся  деформациям.  После  же  прогрева  Земли  в  катархее  и  начала  дегазации мантии  с  образованием  гидросферы  в  раннем  архее  приливные  деформации  стали концентрироваться главным образом в мелководных морях низкоширотного кольцевого экваториального  пояса  и  частично  в  астеносфере  верхней  мантии  под  этим  же  поясом. Выделяющаяся при этом приливная энергия приводила к дополнительному перегреву и расплавлению  мантийного  вещества,  а  также  к  расширению  слоя  астеносферы Амплитуда  второго  пика  приливной  энергии  в начале архея была значительно меньше раннекатархейского, но все-таки достигала 20·1020 эрг/с,  т.е.  была  приблизительно  в 4,6 раза  выше  современной  суммарной  скорости генерации  энергии  в  Земле.  Однако  эта  энергия  выделялась  в  мантии  только  в  начале архея,  но  после  образования  гидросферы  стала  выделяться  в  основном  только  в  морях того  времени.  В  результате  такого  лавинообразного  выделения  приливной  энергии вещество  верхней  мантии  в  приэкваториальном  кольцевом  поясе  Земли  оказалось  расплавленным, и  в  нем  запустился  новый  и  наиболее  мощный  энергетический  процесс гравитационной дифференциации земного вещества.   Выделение приливной энергии в позднем архее и тем более в протерозое  стало более спокойным. К этому времени на Земле уже появились настоящие океаны, и поэтому большая часть приливной энергии стала рассеиваться  в земной  гидросфере.  Скорость выделения приливной энергии вновь несколько увеличилась только в фанерозое. Однако на этот раз такая активизация приливных взаимодействий с Луной была связана только с эволюцией земной гидросферы – с развитием в эту эпоху первых широких трансгрессий океана  на  континенты  и с формированием мелководных эпиконтинентальных  морей,  в которых сейчас и расходуется большая часть приливной энергии. Всего же в катархее за первые 600 млн лет существования Земли выделилось около ,1·1037  эрг тепловой  энергии приливного  происхождения (см.  рис. 5.11). За  архей, протерозой  и фанерозой в Земле выделилось  приблизительно 1·1037  эрг приливной энергии,  из  этого количества  в гидросфере  выделилось  около 0,84⋅1037  эрг,  тогда как в мантии  Земли – только 0,46·1037  эрг.  Всего же  с момента образования Луны  на околоземной орбите,  около 4,6 млрд  лет назад,  в Земле выделилось  приблизительно 3,08·1037 эрг приливной энергии, из которых на мантию пришлось около 2,24·1037 эрг .