Эволюция Солнечной системы

Июль 3rd, 2012

Так как Солнце располагается в диске нашей Галактики, имеет постоянную скорость вращения, относительно богато металлами и сравнительно молодо (около 5 млрд. лет), его можно причислить к звездам населения I. Поскольку масса Солнца относительно невелика, полагают, что оно может просуществовать в практически неизменном виде еще примерно 5 млрд. лет.

Эволюция Солнечной системы

Относительное обилие металлов и других тяжелых элементов в Солнечной системе имеет непосредственное отношение к проблеме химической эволюции. Для образования значительных количеств углерода и кислорода, обнаруженных, например, на Солнце, необходимы температуры свыше 6-108К. У нас нет данных, свидетельствующих о том, что Солнце имело когда-нибудь такую высокую температуру. Полагают, что максимальная температура в центре Солнца теперь составляет приблизительно 20-106 К, тогда как на поверхности — менее 6000 К. При температуре, принятой в настоящее время для Солнца, могут иметь значение только термоядерные реакции, описанные уравнениями. Это означает, что большинство тяжелых элементов (а возможно, и все они), идентифицированных на Солнце и в Солнечной системе, в том числе и на нашей Земле, не могли образоваться на Солнце. Очевидно, Солнце и все члены Солнечной системы унаследовали эти элементы из другого источника. Этим источником, вероятно, служило облако водорода и более тяжелых элементов, образовавшихся из старых звезд в ранние периоды развития нашей Галактики. Такое облако газа и пылевых частиц могло быть захвачено молодым Солнцем или же могло сконденсироваться и дать начало Солнцу. Вопрос о том, произошли ли Солнце и планеты из одного и того же или из различных источников газа и твердых веществ, до сих пор еще не решен. Химики, изучающие состав космического вещества, были весьма озадачены тем фактом, что отношение обилий железа и кремния на Солнце значительно ниже, чем на Земле и в метеоритах. Однако до сих пор этот факт не получил объяснения.

Эволюция Солнечной системы

Существуют три основные гипотетические модели, иллюстрирующие различные пути образования Земли и других тел Солнечной системы. Эти гипотезы могут пролить свет на проблему тепловой истории планет. Так, согласно предположению Койпера, произошла конденсация части гигантского газопылевого облака, и вначале образовалось прото-Солнце малой плотности, окруженное вращающимся диском вещества. Затем внешние участки диска распались на газопылевые сгустки, имеющие различную форму и строение и двигающиеся на различных расстояниях от Солнца. В каждой радиальной зоне происходила конденсация газопылевых сгустков с образованием газопылевых скоплений. Эти скопления получили название протопланет.

Согласно Койперу, прото-Земля, вероятно, представляла собой тело с низкой температурой, состоящее из газов и твердых веществ, и превышала современную Землю по массе приблизительно в 500 раз. Естественно, что на ранних стадиях, когда вещество Солнца еще недостаточно уплотнилось и не разогрелось, поток лучистой энергии к протопланетам еще отсутствовал. Газообразная часть прото-Земли состояла преимущественно из водорода и гелия и небольших количеств неона, метана, аммиака и паров воды; твердая часть состояла главным образом из воды в твердой фазе и минералов. Более плотные компоненты в конце концов приближались к центру по спирали. В процессе сжатия прото-Земля, вероятно, значительно разогревалась в связи с высвобождением гравитационной энергии. В этот период в результате конденсации другого облака могла возникнуть Луна. Однако до настоящего времени возникновение и эволюция Луны не имеют еще однозначного объяснения. Некоторые данные, способствующие разрешению вопроса, были получены в результате управляемых полетов на Луну по программе «Аполлон».

В процессе конденсации Солнце становилось все более горячим и ярким за счет превращения гравитационной энергии в тепловую, выделение которой в пространство приводило к росту температуры протопланет. Вероятно, на этой стадии происходило улетучивание огромных масс легких газообразных компонентов из сфер притяжения протопланет. Присутствие этих более легких элементов, составляющих когда-то до 99% массы протопланет, обеспечило такое содержание водорода и гелия в протопланетах и в прото-Солнце, которое мало отличается от соотношений на современном Солнце и во Вселенной. Согласно расчетам Койпера, время, потребовавшееся для улетучивания газов с прото-Земли под действием одного лишь солнечного тепла, составило несколько сотен миллионов лет.

Эволюция Солнечной системы

Вторая гипотеза образования примитивной Земли была предложена советским ученым О. Ю. Шмидтом [35, 36]. Согласно этой гипотезе, Земля образовалась путем постепенного объединения низкотемпературного протопланетного облака, состоящего из газа, пыли и более крупных частиц [26]. Еще на ранней стадии своей эволюции такое облако содержало множество тел, имевших размеры астероидов. Столкновения и объединения этих тел могли сопровождаться только локальным повышением температуры. Хотя Земля состояла главным образом из нелетучего каменистого материала, она могла включать и первичные конденсированные газы, источником которых, по-видимому, служили астероидные тела отдаленных от Солнца холодных протопланет. Не исключено, что обнаруживаемые на современной Земле ювенильные органические вещества возникли путем абиогенного превращения простых органических молекул, поступивших из протопланетного облака. В связи с этим весьма важное значение приобретает новейшая информация о межзвездной материи; эта информация может в значительной степени расширить возможности указанной гипотезы.

Третью, до некоторой степени компромиссную, схему предложил Юри. Подобно Шмидту, Юри считает, что главный процесс при образовании планет — это накопление холодных твердых частиц (планетезималей). По мнению Юри, величина этих частиц варьировала от размеров астероидов до размеров пылевых частиц. В противоположность Шмидту Юри не исключает возможности сильного разогрева поверхности при аккреции, в особенности при аккреции малых частиц. Внутренние части более крупных тел, вероятно, не могли разогреваться настолько, чтобы расплавиться во время аккреции. В таком случае в соответствии с гипотезой Шмидта органический материал протопланетного облака мог сохраниться до настоящего времени.

Совершенно очевидно, что тепловая история Земли и прото-Земли связана с процессами сжатия и аккреции. Некоторые ученые предполагают, что энергия, выделившаяся при конденсации протопланет, могла вызвать подъем температуры приблизительно до 2000 °С. Нам, однако, не известны ни скорость агрегации Земли, ни величина потока энергии, выделяемой протоЗемлей в пространство, т. е. мы не знаем, какое количество тепла когда-то было удержано примитивной Землей при сжатии. Сейчас большинство геологов придерживаются концепции Юри, согласно которой температура поверхности Земли в процессе сжатия никогда не поднималась настолько, чтобы литосфера находилась полностью в расплавленном состоянии (<900 °С). Вместе с тем недра Земли в период после ее формирования, вероятно, имели температуру порядка нескольких тысяч градусов, что было обусловлено возникающим здесь потоком тепловой энергии.

Поделитесь с друзьями

Комментарии