Планеты и астероиды: из чего сформировалась Земля

Формирование Солнечной системы

Стандартной моделью формирования Солнечной системы (в том числе Земли) является гипотеза солнечной туманности. По этой теории Солнечная система образовалась из большого вращающегося облака межзвездной пыли и газа, которое называется солнечной туманностью.

Оно состояло из водорода и гелия, созданных вскоре после Большого взрыва 13,7 млрд лет назад, и более тяжёлых элементов, выброшенных сверхновыми. Около 4,5 млрд лет назад туманность начала сокращаться, возможно это было вызвано ударной волной сверхновой неподалеку. 

Ударная волна также могла быть создана вращением туманности. Когда облако начало ускоряться, его угловой момент, гравитация и инерция сплюснули его в протопланетный диск перпендикулярно к его оси вращения. В результате столкновений крупных обломков друг с другом начали формироваться протопланеты, обращающиеся вокруг центра туманности.

Вещество в центре туманности, не имея большого углового момента, сжалось и нагрелось, в результате чего начался ядерный синтез водорода в гелий. После еще большего сокращения, звезда типа Т Тельца вспыхнула и превратилась в Солнце.

Между тем, во внешней области туманности гравитация вызвала процесс конденсации вокруг возмущения плотности и частиц пыли, а остальная часть протопланетного диска начала разделяться на кольца.

В процессе, известном как аккреция, частицы пыли и обломки слипаются вместе в более крупные фрагменты, образуя планеты. Таким образом формируется Земля около 4,54 млрд лет назад (с погрешностью 1 %).

Этот процесс был в основном завершён в течение 10-20 миллионов лет. Солнечный ветер новообразованной звезды типа Т Тельца очистил большую часть материи на диске, которая ещё не сконденсировалась в более крупные тела. Тот же самый процесс будет производить аккреционные диски вокруг практически всех новообразованных звёзд во Вселенной, некоторые из этих звёзд приобретут планеты.

Протоземля увеличилась за счёт аккреции, пока ее поверхность была достаточно горячей, чтобы расплавлять тяжёлые, сидерофильные элементы. Металлы, обладая более высокой плотностью, чем силикаты, погрузились внутрь Земли.

Эта железная катастрофа привела к разделению на примитивную мантию и металлическое ядро спустя всего 10 миллионов лет после того, как Земля начала формироваться, произведя слоистую структуру Земли и сформировав магнитное поле Земли. 

Первая атмосфера Земли, захваченная из солнечной туманности, состояла из легких (атмофильных) элементов солнечной туманности, в основном водорода и гелия. Сочетание солнечного ветра и высокой температуры поверхности новообразованной планеты привели к потере части атмосферы, в результате чего в атмосфере в настоящее время процентное отношение этих элементов к более тяжелым ниже чем в космическом пространстве.

Геологическая история Земли

Геологическая история Земли — последовательность событий в развитии Земли как планеты: от образования горных пород, возникновения и разрушения форм рельефа, погружения суши под воду, отступания моря, оледенения, до появления и исчезновения животных и растений и других событий геохронологической шкалы времени. Создавалась главным образом на основе изучения слоев горных пород планеты.

• Начальное состояние Земли

Изначально Земля была расплавлена и раскалена из-за сильного вулканизма и частого столкновения с другими телами. Но, в конце концов, внешний слой планеты охлаждается и превращается в Земную кору.

Немного позднее, в результате столкновения по касательной с небесным телом, размером с Марс и массой около 10 % земной, образовалась Луна. В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 тыс. км.

• Формирование орбиты

Земля в результате удара получила резкое увеличение скорости вращения, совершая один оборот за 5 часов, и заметный наклон оси вращения. Дегазация и вулканическая активность создала первую атмосферу на Земле. Конденсация водяного пара, а также лёд из сталкивающихся с Землей комет, образовали океаны.

• Поверхность

На протяжении сотен миллионов лет поверхность планеты постоянно изменялась, континенты формировались и распадались. Они мигрировали по поверхности, иногда объединяясь и формируя суперконтинент. Примерно 750 млн лет назад, суперконтинент Родиния, ранний из известных, начал распадаться. Позднее, с 600 до 540 миллионов лет назад, континенты сформировали Паннотию и, наконец, Пангею, которая распалась 180 млн лет назад.

Современная ледниковая эра началась около 40 млн лет назад, а затем усилилась в конце плиоцена. Полярные регионы с тех пор претерпели повторяющиеся циклы оледенения и таяния, повторяющиеся каждые 40-100 тыс. лет. Последняя ледниковая эпоха текущего ледникового периода закончилась около 10 000 лет назад.

• Строение

Недра Земли можно делить на слои по их механическим (в частности реологическим) или химическим свойствам. По механическим свойствам выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро.

История Земли

Современной научной гипотезой формирования Земли и других планет Солнечной системы является гипотеза солнечной туманности, по которой Солнечная система образовалась из большого облака межзвёздной пыли и газа. Облако состояло главным образом из водорода и гелия, которые образовались после Большого взрыва, и более тяжёлых элементов, оставленных взрывами сверхновых.

Примерно 4,5 млрд лет назад облако стало сжиматься, что, вероятно, произошло из-за воздействия ударной волны от вспыхнувшей на расстоянии нескольких световых лет сверхновой. Когда облако начало сокращаться, его угловой момент, гравитация и инерция сплюснули его в протопланетный диск перпендикулярно к его оси вращения.

После этого обломки в протопланетном диске под действием силы притяжения стали сталкиваться, и, сливаясь, образовывали первые планетоиды. Сопоставление размеров планет земной группы (слева направо): Меркурий, Венера, Земля, Марс.

В процессе аккреции планетоиды, пыль, газ и обломки, оставшиеся после формирования Солнечной системы, стали сливаться во все более крупные объекты, формируя планеты. Примерная дата образования Земли — 4,54±0,04 млрд лет назад. Весь процесс формирования планеты занял примерно 10—20 миллионов лет.

Луна сформировалась позднее — примерно 4,527±0,01 млрд лет назад, хотя её происхождение до сих пор точно не установлено. Основная гипотеза гласит, что она образовалась путем аккреции из вещества, оставшегося после касательного столкновения Земли с объектом, по размерам близким Марсу и массой 10—12 % от земной (иногда этот объект называют «Тейя»).

При этом столкновении было высвобождено примерно в 100 млн раз больше энергии, чем в результате того, которое, предположительно, вызвало вымирание динозавров. Этого было достаточно для испарения внешних слоёв Земли и расплавления обоих тел.

Часть мантии была выброшена на орбиту Земли, что предсказывает, почему Луна обделена металлическим материалом, и объясняет её необычный состав. Под влиянием собственной силы тяжести выброшенный материал принял сферическую форму и образовалась Луна.

Протоземля увеличилась за счёт аккреции, и была достаточно раскалена, чтобы расплавлять металлы и минералы. Железо, а также геохимически сродственные ему сидерофильные элементы, обладая более высокой плотностью, чем силикаты и алюмосиликаты, опускались к центру Земли.

Это привело к разделению внутренних слоёв Земли на мантию и металлическое ядро спустя всего 10 миллионов лет после того, как Земля начала формироваться, произведя слоистую структуру Земли и сформировав магнитное поле Земли.

Выделение газов из коры и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесенным кометами и астероидами, привела к образованию океанов.

Земная атмосфера тогда состояла из лёгких атмофильных элементов: водорода и гелия, но содержала значительно больше углекислого газа, чем сейчас, а это уберегло океаны от замерзания, поскольку светимость Солнца тогда не превышала 70 % от нынешнего уровня. Примерно 3,5 миллиарда лет назад образовалось магнитное поле Земли, которое предотвратило опустошение атмосферы солнечным ветром.

Поверхность планеты постоянно изменялась в течение сотен миллионов лет: континенты появлялись и разрушались, перемещались по поверхности, периодически то собираясь в суперконтинент, то расходясь на изолированные материки.

Так, около 750 млн лет назад раскололась единая Родиния, затем её части объединились в Паннотию (600—540 млн лет назад), а затем — в последний из суперконтинентов — Пангею, который распался 180 миллионов лет назад.

Появление Луны

Относительно большой природный спутник Земли, Луна, больше по отношению к своей планете, чем любой другой спутник в Солнечной системе. Во время программы Apollo, с поверхности Луны были доставлены на Землю горные породы.

Радиометрическая датировка этих пород показала, что Луне 4,53 ± 0,01 миллиарда лет, и возникла она по крайней мере через 30 миллионов лет после того, как Солнечная система была сформирована. Новые данные свидетельствуют о том, что Луна сформировалась ещё позже, 4,48 ± 0,02 млрд лет назад, или спустя 70-110 миллионов лет после возникновения солнечной системы.

Теории формирования Луны должны объяснить её позднее формирование, а также следующие факты.

Во-первых, Луна имеет низкую плотность (в 3,3 раза больше, чем вода, по сравнению с 5,5 Земли) и небольшое металлическое ядро.

Во-вторых, на Луне практически нет воды или других летучих веществ.

В-третьих, Земля и Луна имеют одинаковые изотопные подписи кислорода (относительное содержание изотопов кислорода). Из теорий, которые были предложены для объяснения этих фактов, только одна получила широкое признание: гипотеза гигантского столкновения предполагает, что Луна появилась в результате того, что объект размером с Марс ударил по прото-Земле скользящим ударом.

В результате столкновения этого объекта, который иногда называют Тейя, с Землёй было выделено примерно в 100 млн раз больше энергии, чем в результате воздействия, которое вызвало вымирание динозавров.

Этого было достаточно для испарения некоторых внешних слоев Земли и расплавления обоих тел. Часть мантии была выброшена на орбиту вокруг Земли. Эта гипотеза предсказывает, почему Луна была обделена металлическим материалом, и объясняет ее необычный состав. 

Вещество, выброшенное на орбиту вокруг Земли, могло сконденсироваться в единое тело в течение нескольких недель. Под влиянием собственной тяжести выброшенный материал принял сферическую форму, и образовалась Луна.

Новые теории состава земли

Учёные из Университета штата Аризона (ASU) подготовили статью, в которой изложили новое обоснование гипотезы о немыслимой катастрофе из далекого прошлого Земли, в ходе которой появилась Луна.

Предполагается, что в Землю врезалась более плотная, но меньшего размера планета Тейа. Отколовшийся от Земли или Тейи кусок стал Луной, а остатки Тейи разлетелись по космосу или погрузились глубоко внутрь Земли, как пытаются доказать исследователи из США.

Теория об ударном возникновении Луны ненова, как и идея о появлении внутри нашей планеты крупных областей с низкой скоростью сдвига — двух гигантских аномалий внутри мантии на поверхности внешнего ядра Земли.

Но это только гипотезы, для которых пока нет прямых доказательств. Ученые из Университета штата Аризона уверены, что их новые расчеты существенно добавили веса гипотезе об инопланетном происхождении аномалий в мантии Земли.

Плотность гипотетической планеты Тейа существенно превышала плотность древней Земли, поэтому её богатые железом крупные фрагменты постепенно погрузились к ядру нашей планеты. Один такой фрагмент расположен под Африкой, а другой — под Тихим океаном. Исследователи изучают сейсмическое поведение этих аномалий и констатируют их отличие от поведения остальных земных пород. Согласно новому моделированию поведения аномалий, оно укладывается в теорию о столкновении с Землёй меньшей планеты, но с большей на 6 % плотностью.

Читать далее:

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Ученые обнаружили мифическую частицу Оддерона

Самое таинственное природное явление. Откуда берется шаровая молния и чем она опасна?