Рождение планеты Земля

Общей теории эволюции нашей планеты пока нет. Ученые, занимающиеся нашей планетой, еще не перешагнули порог интеграции собранных знаний в законченную схему эволюции Земли. Расскажем сегодня о некоторых идеях, связанных с тем звеном эволюции, которое было до всех геологических эпох, — о рождении нашей планеты…

Неспроста глобальная тектоника теряется и не в силах сказать определенно и точно, что было на Земле раньше 200 миллионов лет. Неспроста разрозненны и меж собой только начинают связываться такие науки, как геохимия и геофизика, геология и глобальная тектоника, климатология и палеоботаника…

Использовать эти науки для описания прошлых эпох все равно что, понаблюдав за человеком несколько дней, попробовать описать его детство. Очень часто приходится лишь гадать. Жизнь долгая обкатала, отшлифовала, и от мальчика ничего не осталось. Здесь нужен другой уровень описания, как говорят ученые. Если знать, из какого он круга, какая семья и т. д., то можно многое восстановить из далекого детства. Многое, но общее, типическое. Так и с Землей. Она индивидуальна, у нее много миллионов лет за плечами. И чтобы понять, как она такая получилась, надо выделить и понять вначале типическое для того круга семейства планет, из какого Земля наша произошла. Это задача планетологии. И здесь, как бы перешагнув через индивидуальное к общему для всех планет, мы снова попадем в мир строгих законов и определенности.

Геология, тектоника, сейсмология, палеоклиматология… — весь букет наук о Земле может расцвести по-новому на общей почве планетологии. Именно наука о Солнечной системе, о системах планет должна дать исходные посылки, главный сюжет для нашей конкретной земной темы, которую геотектоника будет разрабатывать, отсчитывая себя не от сегодня во вчера, а от рождения Земли — в сегодня.

Надо заметить, что впервые эту мысль пытался воплотить в жизнь известный французский геолог Эли де Бомон в 1829 году. А в 1948 году О. Ю. Шмидт вернулся к этой же концепции. Геологическая эволюция неотрывна от космогонии — вот его мысль. Вселенская машина. Сверкающий шар — Солнце, и с точностью лучшего механизма совершают вокруг него свой бег круглые плотные шары — планеты. Они разные — со своим моментом движения, своим химическим составом, своей атмосферой. У одних жидкое ядро, у других его нет. На одних удушливые облака покрывают поверхность, другие парят в разреженной, почти пустой атмосфере.

Но очень жесткие и строгие их связывают отношения. Орбиты планет почти круговые и лежат в одной плоскости. И кружатся в одну сторону — в ту же, что и Солнце, причем плоскость экватора Солнца близка к плоскости орбит. А большие радиусы орбит соседних планет связаны простым законом Боде, большая полуось орбиты каждой последующей планеты (если отсчитывать от Солнца) больше предыдущей в среднем в 1,75 раза. Так что не случайно расположились орбиты и очень напоминают строгие соотношения квантовой механики для оболочек электронов в атоме. Согласно закону Боде, меж Марсом и Юпитером должна была бы находиться еще одна планета, которая, как предполагали, распалась и превратилась в известный пояс астероидов, а теперь считают, что, напротив, под влиянием сил гравитации Юпитера астероиды так и не смогли собраться в одну планету.

Планеты делятся на две резко отличные во всем группы. Внутренние планеты (их называют планетами земной группы) — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они невелики по размерам, но плотность их значительна. У них мало спутников. Внешние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; их плотность мала, велика скорость вращения вокруг собственной оси, у них многочисленные спутники, а главное, состав химический у них, как у Солнца, все они — близкие родственники нашей Звезды.

Необычно распределился и момент количества движения, в этом гигантском планетарном атоме. В Солнце сосредоточено более 99 процентов массы всей Солнечной системы и в то же время лишь два процента момента количества движения, остальные 98 процентов общего вращения приходятся на планеты.

И с расстоянием от Солнца меняется довольно закономерно химический состав планет, их плотность. Все больше появляется летучих, газовых, компонентов, все меньше тяжелых минералов… Этим не исчерпываются все связи и отношения в Солнечной системе, но и этого достаточно, чтобы сказать: нет, не случайно все это вышло, и, видно, строгие законы царствовали и определяли весь этот будущий миропорядок в те времена, когда из хаоса рождалась эта точная, как лучший часовой механизм, система. И ясно, что любая теория эволюции должна все эти соотношения объяснить, впитать в себя как очевидные следствия.

Заманчива перспектива создать такую, теоретическую схему эволюции и мысленно «прокрутить» ее от начала до сегодня. Родить планеты за несколько часов вычислений и сравнить рожденные в памяти электронного мозга с теми, что кружатся вокруг желтой звезды.

Критерием того, что способ рождения верный и весь, шаг за шагом, миллиард за миллиардом лет, процесс эволюции похож на тот, что шел на самом деле, — критерием того служит совпадение рожденных и выращенных в памяти компьютера планет с реальными. Чем ближе «искусственники» из машины по всем своим чертам совпадают с реальными круглыми летящими в пустоте планетами, тем ближе измышленная нами эволюция к реальной. А значит, можно заглянуть таким способом в самое начало рождения и в любой позднейший момент. Можно прикинуть, что было 4, 3, 2, 1 миллиард лет назад с нашей планетой. А коли так, то ясной может стать, пусть в общих, самых главных деталях, сложнейшая картина геологической и тектонической жизни Земли и других планет.

Разрозненные знания приводят к общей схеме, общей теории, от нее, от общего мысль скользит к частностям, объясняя их, увязывая одну с другой. Так замыкается колесо: анализ — синтез — анализ на новом уровне…

Итак, вообразим себя творцами солнечной Вселенной.
Некогда море, земля и над всем распростертое небо,
Лик был природы един на всем пространстве вселенной,—
Хаосом звали его. Нечленной и грубой громадой…
(ОВИДИЙ, «МЕТАМОРФОЗЫ»)

Хаос — это не столько идея беспорядочности, бессмысленного нагромождения, как мы привыкли понимать его в повседневности житейских хлопот. Нет, хаос — это много неразрешенных, не отделенных друг от друга возможностей. Этакий кладезь всего, где каждая возможность дремлет втуне. Они все равновероятны, ни одна до времени не может выдвинуться и оттеснить в несуществование остальные. Порядок начинается в тот момент, когда кончается мир равных возможностей.

Говорят, могло быть так, если бы вот не это, или не то… Этими «если» нарушается равновесие. Подобно инструментам чеканщика все «если» (или, попросту, условия, налагаемые на «жизнь» хаоса) из неопределенности чеканят законченный образ эволюции любого процесса…

С таких же «если» начинается эволюция Солнечной системы. Вначале была пылегазовая туманность. Туманность была заурядной, где-то на задворках Галактики, которая сама по себе, не Бог весть как выделялась среди других галактик. Но на окраине тихо. И может быть, это обстоятельство сыграло не последнюю роль в нашем благополучии. Здесь меньше вероятность, что какая-нибудь звезда или «черная дыра», пролетая мимо, выхватят изрядный клок вещества, смешав остатки планет в испуганный рой пылинок. Да и с вредным излучением вроде получше, его источники далеки… Одним словом, той пратуманности, из которой родились наши планеты, вполне повезло…

Всего пятнадцать элементов составляют 99,996 процента вещества Солнечной системы. Из них состояло и первичное облако. Сгустившись из межзвездного газа, туманность медленно вращалась в пустоте, постепенно сплющиваясь, под действием сил гравитации, в диск. Пока плотность сгущающегося межзвездного тумана мала и он прозрачен, как дымка в атмосфере, гравитационная энергия уходит в виде излучений, и температура постоянна везде. В этой гигантской кухне планет, если так назвать эволюционирующую туманность, еще ничто не варится.

Что нарушило равновесие в туманности — трудно сказать. Может быть, внешний фактор, а скорей всего, как признано теперь, сломалось равновесие внутри. В какой-то миг, к примеру, в центре туманности флюктуация превзошла дозволенные пределы. В этом месте вещества стало непозволительно много, и стремительно сгусток газа и пыли стал сжиматься, притягивая к себе все новые и новые порции. Сжимаясь, разогревалось будущее светило, пока, не преодолев коллапс, вспыхнуло звездой.

И здесь нам повезло. У Солнца немного не хватило массы, чтобы добраться до той стадии эволюции массивного гравитирующего тела, которую мы называем рождением «Сверхновой». А за этим в глубине, сбросив лишний груз, навеки замирает в «складке» пространства грозная «черная дыра»… Нет, наше Солнце сжималось, разогревалось, а когда засияло вовсю от разогрева, то установилось на нем некое равновесие сил. Тех, что пытались сжать дальше вещество и довести дело до коллапса, и тех, что «раздували» его изнутри, подобно пару в котле…

Прогрев вселенской «духовки» идет в космических масштабах времени с курьерской скоростью. От 8000 радиусов Солнца до 100 туманность сжимается всего за полгода. В центральной части вспыхивает ослепительное светило. Его светимость в сто раз выше современной. Оно продолжает сжиматься, хотя свет раздувает его изнутри и все сильнее тормозит сжатие, пока, не наступаем относительное равновесие.

Сама туманность также продолжает сжиматься, накаляясь все сильнее от края, где пустота, к сверкающему центру. Некогда медленно вращавшаяся туманность превращается в диск с центральным огненным шаром, который, вобрав в себя половину, а то и больше всей массы, постепенно раскручивается. Тогда Солнце было намного горячее, ослепительней, чем сегодня. Вместе с Солнцем раскручиваются, изгибаясь, магнитные силовые линии нашего светила. Магнитное поле, подобно рукам великана, закручивает вещество, выбрасывая его к окраине туманности. Вещество как бы выметается из туманности к ее краям.

Гравитация борется с теплом и центробежными силами, пока они не уравновесят друг друга. Но только равновесие это очень неустойчивое. Это равновесие в борьбе гигантов, равных по силе, на узких мостках над пропастью.

В какой-то миг весы наклонились в пользу гравитационных сил, и чуть больше сжалась туманность. И вот когда она съежилась до размеров современной орбиты Меркурия, центробежные силы пересилили гравитацию и, подобно разлетающемуся от чрезмерной скорости вращения ободу колеса, от Солнца полетели куски материи. А Солнце все продолжало сжиматься, все быстрее раскручивалось и все яростней сверкало. Солнечный ветер, как метла, выметал газ и легкую пыль все дальше, в темноту. Магнитные силы закручивали ее, тормозя само светило, передавая круговое движение дальше от центра, отбрасывая вещество в «тартар», подобно рукам циркача, раскручивающего тяжелые шары.

И здесь нам снова повезло. Обычным было бы образование второй звезды из отброшенного вещества. Но то ли не хватило вещества, то ли из-за излишней быстроты кружения, там, на окраине, из осколков туманности сконденсировалась не вторая звезда по образу и подобию Солнца, а большие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все они — осколки несостоявшегося второго Солнца. Недаром по составу они, как Солнце. Подобно Солнцу, они отбросили от себя вещество, которое, однако, далеко не улетело, и в миниатюре возникли подобия Солнечной системы у каждой из планет. Правда, не та уже сила у Юпитера или Сатурна, и раскрутить при помощи магнитных сил свои системы спутников так же, как их самих раскрутило Солнце, эти гиганты-планеты уже не могли. Зато по составу они с Солнцем — одно. Только не вспыхнуло еще несколько солнц, а так они и остались чудовищными призраками несостоявшихся светил.

Все пребывало в борьбе, затем, что в теле едином
Холод сражался с теплом, сражалась с сыростью сухость,
С мягкостью твердость, и то, что весомо,— с тем, что без веса.
Бог иль Природа, верней, конец положили раздору.
Небо она от земли и землю от вод отрешила,
Воздух густой отделила она от прозрачного неба.
После же, их разобрав и из груды слепой их извлекши,
Бывшее в разных местах — связала согласием мирным.
(ОВИДИЙ, «МЕТАМОРФОЗЫ»)

В момент образования больших, внешних планет главный план эволюции туманности был исполнен. Обычно, правда, рождаются не планеты-гиганты, а просто вторая звезда. Таких систем, состоящих из двух обращающихся друг возле друга парных звезд, много во Вселенной. Ну, а планеты земной группы, они совсем побочный продукт, совсем частность, и даже несущественная в длинной жизни туманности.

Итак, в образовавшемся промежутке от орбиты Меркурия до пояса астероидов и пыль, и газы сгустились в планеты земной группы. Чем ближе к Солнцу, тем меньше газов, солнечный ветер вымел их вблизи светила в первую очередь. Там больше пыли, частиц, с которыми труднее фотонно-электронной метле обходиться. Пыль затянула светило, и совсем неподалеку от него температура упала довольно низко. Разные вещества, до того испаренные, сконденсировались и расположились зонами. Этакий парничок, заполненный пылью и монотонно нарастающим по мере удаления от Солнца количеством газовых компонент. Вот в этой странной атмосфере и начали, подобно облакам, сгущаться планеты земной группы, побочные сыновья и дочери звездных гигантов.

Те строгие соотношения, которые связывают в одно наш солнечный атом, наводят на мысль, что весь процесс формирования подчинялся двум-трем главным и определяющим силам. По одной из теорий, конденсация вещества в каждом месте происходила при постоянной температуре и весь процесс зависел от ее величины, состава первичного облака и тех реакций, которые в нем шли между пылевой и газовой компонентами.

Состав облака известен. Главные реакции известны. Следовательно, можно вычислить все те возможные составы планет, которые могли возникнуть в Солнечной системе. Причем каждый тип планеты первоначально будет однородным по составу. Только потом, разогреваясь за счет сжатия и распада радиоактивных веществ, планета начнет сортировать вещество внутри себя, чтобы к «сегодня» приобрести слоистость, выделить ядро и т. д.

Но до того однородная по составу Земля должна была возникнуть из пыли и газа в том месте, где сегодня она кружится по строго означенной орбите в пустоте. И не только Земля, а и все планеты земной группы.

В центре, вблизи протосолнца все вещество было испарено. Чуть дальше при температуре в 1600 градусов из облака сконденсировались тугоплавкие окислы, такие, как СаО, А1203… Когда температура упала до 1300 градусов, выпал из облака железоникелевый сплав и т. д.

Как только какой-то минерал сконденсировался, так микропылинки, «отяжелев», зонами закружились вокруг светила, и солнечный ветер уже не в силах был их выбросить на периферию. И в тот миг, когда меж орбитой будущего Меркурия и Юпитера расчистилось место, в этом промежутке сформировался состав газопылевого облака, готовясь родить различные по составу планеты. Чем ближе к Солнцу, тем больше пыли и тяжелых элементов, чем дальше, тем больше льда. Вот замерзает аммиак и метан. И кристаллики удерживаются подобно пыли скальных пород, в том месте, где они застыли. Потом, разогреваясь в процессе сгущения вещества в шары-планеты, эти кристаллики дадут преобладание газовой компоненты в планетах, удаленных от Солнца.

От Солнца к периферии растянулся пылегазовый состав. И в каждом слое стали рождаться планеты, первичная смесь веществ которых была задана строгими и простыми условиями конденсации минералов из облака и теми химическими реакциями, которые шли меж твердой и газообразной фазами вещества в нем. Такова теория, она говорит, какие должны были родиться планеты.

Современные знания о составе, плотности и т. д. планет позволяют сравнить «рожденных» геофизиками с реальными планетами. Это сравнение по-настоящему доступно только теперь, когда сквозь облака Венеры, разреженную сухость Марса полетели космические аппараты. Итак, сравним новорожденных, увы, со стариками, ибо меж протопланетами из теории и реальными лежат 4 миллиарда лет геолого-тектонической эволюции. И, тем не менее, общего меж ними много. Это общее — состав, количество воды, железа и т. д. — и позволяет сказать: да, похоже, а значит верна теория…

Первый класс протопланет, ближайший к Солнцу, должен был состоять в основном из окислов кальция, алюминия, титана и редкоземельных элементов. Богаты эти планеты были и радиоактивными веществами, а потому они должны были скоро разогреться и расплавить сердцевину. Будь сегодня такие планеты, их внутренняя часть должна быть удивительно однородной. Ни железа, ни его окислов. Известный американский ученый Дон Андерсон недавно предположил, что именно к этому классу прапланет относится Луна.

Второй класс протопланет сгустился в той части облака, где выпали из него кристаллы железоникелевого сплава. После дифференциации вещества такие планеты сегодня предстали бы перед нами в виде массивного железоникелевого шара с тонкой пленкой тугоплавких окислов на поверхности. Таких железных планет в нашей Солнечной системе нет.

В том месте, где температура упала еще ниже, из облака сконденсировались частицы энстатита. Состав этого класса планет в основном силикатный. Таков Меркурий. Четвертый класс в отличие от третьего богаче щелочными металлами, кора этих планет похожа на земную, но в них меньше летучих соединений. Такова Венера. Пятый класс удержал серу в составе минерала троилита. Расплавляясь, троилит мог создать внешне жидкое ядро. Мантия этих планет в основном состояла бы из оливина и пироксена с добавкой окислов железа. Таких планет сегодня не существует в Солнечной системе.

Шестой класс сформировался в той газово-пылевой области, где температура упала до 600 градусов Кельвина, или около 300 градусов Цельсия. Тут уже могла удержаться вода, связанная с кристаллическими структурами таких минералов, как тремолит. В составе подобных планет уже до 0,3 процента воды. Земля с ядром, богатым серой, мантией, содержащей до 10 процентов окислов железа и 0,05 процента воды, относится к этому классу.

Седьмой класс сформировался в том месте и тогда, когда металлическое железо полностью окислилось. У таких планет количество воды может доходить до 3 процентов. Оливиновая мантия богата окислами железа. Ядро либо твердое, либо жидкое сложено троилитом, а не железом. Эти планеты очень похожи на Марс. Быть может, недаром сейчас становится все очевидней, что Марс, по-видимому, молодая планета и там может быть много воды, правда, в связанном состоянии.

Протопланеты восьмого класса сформировались при таких температурах, когда оливин, объединившись с гидроксильными радикалами облака, породил серпетиновую мантию. До 14 процентов массы этих тел составляет вода. У них все же могло образоваться ядро, несмотря на очень низкие температурные условия, так как точка плавления силикатов с большим содержанием воды тоже низка. Не исключено, что астероиды относятся к этому классу планет.

Протопланеты девятого класса образовались там, где из облака выпала вода в виде льда. У них вода составляет 60 процентов от массы, а плотность резко падает. Таков, по-видимому, Ганимед, спутник Юпитера.

Десятый класс удерживает кристаллы твердого гидрата амония. Смесь этого гидрата со льдом плавится при 173 градусах Кельвина, это лишь на несколько градусов выше температуры дневной поверхности второго по размеру спутника Юпитера — планеты Каллисто. Если радиоактивность нагрела ее тело, то не исключена такая картина: тонкая корка льда на жидкой мантии, состоящей из расплавленной смеси амония и воды, а внутри — выпавшие сульфиды, окислы и содержащие воду силикаты. По образному сравнению одного из ученых, подобная планета напоминала бы ком земли, окруженный жидкой грязью.

Планеты одиннадцатого класса содержат до четырех процентов метана. Небольшой нагрев создаст у них метановую атмосферу. А процесс дифференциации вещества — твердую кору из гидрата метана. Первый кандидат на эту роль — самый большой спутник Сатурна: планета Титан.

И, наконец, двенадцатый класс протопланет сгустился там, где температура упала до 50 градусов Кельвина. Застыл и выпал кристаллами твердый метан. Плотность этих планет ничтожна, всего грамм на кубический сантиметр. Некоторые из малых спутников Сатурна, похоже, принадлежат именно этому классу.

Великолепная строгая картина, которой правят жесткие химико-физические соотношения, определила процесс, состав и возможности. Здесь мало места случаю. Планетная система, этот побочный продукт эволюции звезды, развивается, следуя строгим количественным соотношениям. И если учесть, что наша туманность — рядовая, что таких туманностей, близких по составу, немало, то, быть может, и вокруг родившихся из этих туманностей звезд кружатся такие же планетки, с тем же составом. Только, если у нас нет в Солнечной системе железной планеты, там она может быть, а может быть, и точно такая же Земля где-то затерялась в черной глубине космоса, а на ней — похожие на наших, геофизики мучительно решают те же проблемы… Впрочем, здесь начинается заповедная территория вовсе не науки, хотя именно наука, строгое, количественное знание позволяет пофантазировать.

Не заботясь о строгости, можно сказать, что настоящая, количественная теория начинается там, где возможно предвидение. Где из нескольких постулатов и законов «вычисляется» картина мира вокруг.

Странно выходит, что за деревьями наших сиюминутных достижений науки мало кто замечает величественный массив леса возможностей. Как-то очень тихо и незаметно современная наука раздробилась на множество приложений. За чередой волнующих нас открытий — генетический код, квазары и «черные дырки». Современный человек утратил ощущение подлинного величия интеллекта в той сфере, что зовем мы рационалистическим познанием материального мира. А ведь, возможно, недалек тот день, когда вся картина мироздания попросту будет вычислена, высчитана и обмерена строгим сопоставлением с накопленной грудой экспериментальных сведений. От момента большого взрыва, где-то десять миллиардов лет назад, когда возникло вещество, а с ним пространство и время, — до сегодня. От далеких сверхмощных квазаров до сельской тишины нашей Солнечной системы…

Весь этот бесконечный, как когда-то казалось, мир вокруг, и звезды, и планеты, и галактики… оказывается сжатым до компьютерной программы, которая, в частности, как совсем побочный свой результат выбрасывает к нам на стол Солнечную систему, планеты, их состав, главные черты устройства… И кто знает, быть может, науке очень скоро придется закрыть тысячелетнюю проблему «Как устроен наш мир?» и полностью заняться другой, о которой еще сейчас толкуют как о сугубо философской проблеме: «Почему он, этот мир, устроен так, а не иначе?»

Планета возникла из теории. Она во многом похожа на реальную старушку-Землю. Цепочка от первичной туманности до мига, когда сгустилась из пыли и газа Земля, — эта цепочка замкнулась. Однородная по составу, только что рожденная 5 миллиардов лет назад, она начинает свою геологическую эволюцию. Еще нет гор, нет ядра и мантии, нет плит и континенты не движутся по поверхности. Это все впереди.

И это «впереди» рассчитывается так же, как и «до». И все многообразие лика Земли, тайные кладовые руд, эпохи, эры, климат прошлого — все это способен не только вообразить, но и рассчитать современный ученый. Первая такая попытка сделана ученым О. Г. Сорохтиным. В своей небольшой книге, которая так и называется — «Глобальная эволюция Земли», он впервые попытался объединить, если не все, то многое из того, что нам известно о планете. В одной цепи причин и следствий связать момент рождения Земли и сегодняшний день и предсказать будущее… Круг явлений, затронутый им, велик. О. Г. Сорохтин — один из первых, ступивших на тернистый путь создания общей геофизической эволюции планеты.

Два положения лежат в основе общей схемы О. Г. Сорохтина: первоначально однородная Земля и второе — все многообразие, и геохимическое, и геологическое, создал процесс гравитационной дифференциации. Легкие вещества всплывали, превращаясь в современные минералы, железоникелевый сплав оседал в центр, формируя ядро. Гравитационная конвекция была главным процессом, сформировавшим тектонический лик Земли и формирующим его сегодня.

О первой части, о том, как возникла однородная планета, еще только готовившаяся начать свой геологический путь, мы рассказали. «Эту Землю» Сорохтин заимствует у планетологов. Планетология дает начальные условия для земной геолого-тектонической пьесы.

Не исключено, что в скором будущем общая теория геологической эволюции планет станет такой же строгой, изящной и законченной, как, скажем, механика Ньютона или гидродинамика, и все возможное многообразие макромира планет и астероидов, комет можно будет получить и вычислить так же точно, как в микромире мы получаем при помощи квантовой физики многообразие частиц.

Автор: Е. Цветков.