Введение в физику земли
| Вид материала | Учебно-методическое пособие |
- В. И. Стукалова «Введение в классическую электродинамику и атомную физику» Работа посвящена, 106.48kb.
- Всероссийская конференция с международным участием «Физика окружающей среды», 124.24kb.
- Учебная программа дисциплины, 179.9kb.
- Попов Александр Степанович, 20.54kb.
- О. П. Чернушич Предмет, задачи и особенности современного естествознания Естествознание, 470.04kb.
- А. С. Холманский Физика мозга человека имеет две составляющие базовую физику общую, 537.38kb.
- Оглавление, 3061.91kb.
- Г. Южно-Сахалинск, 2133.81kb.
- План: Введение. 2 Вопрос 1: Рынок земли: понятие, зарождение и развитие. 4 История, 394.66kb.
- Доклад студента 2 курса, 111.35kb.
Рассмотрение гипотез
До полётов «Аполлонов» основными в научном мире считались три гипотезы образования Луны: центробежного отделения, захвата, совместной аккреции. В англоязычной литературе их называют «Большой тройкой» (англ. The Big Three).
Гипотеза центробежного отделения
Гипотезу отделения Луны от Земли впервые выдвинул Джордж Дарвин (George Howard Darwin), сын знаменитого Чарльза Дарвина, в 1878 году. Он предположил, что после образования молодой Земли она вращалась с очень высокой скоростью. Под действием центробежных сил планета стала настолько вытянутой по экватору, что от неё оторвался крупный кусок вещества (возможно, этому способствовали приливные силы Солнца). Из этого вещества впоследствии образовалась Луна. Эту гипотезу поддержал в 1882 году геолог Осмонд Фишер (Osmond Fisher): по его мнению, бассейн Тихого океана образовался именно на том месте, где оторвалась от Земли будущая Луна. Гипотеза Дарвина-Фишера приобрела большую популярность и оставалась общепринятой в начале XX-го века.
Соображения за и против
Отрыв вещества от чрезмерно растянутого экваториального выступа хорошо объясняет имеющийся размер Луны. Этой гипотезе так же хорошо соответствует и меньшая плотность Луны, поскольку она соответствует плотности земной мантии. Современные данные подтверждают и факт более быстрого вращения Земли в далёком прошлом (см. приливное ускорение Луны). Однако, требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерно велика (один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был в 3-4 раза превышать нынешний момент импульса системы Луна-Земля (который и без того необычно высок). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение.
Дефицит летучих элементов в лунном веществе не вписывается в данную гипотезу. К тому же, современная теория тектоники литосферных плит считает, что тихоокеанский бассейн в его нынешнем виде существует всего около 70 миллионов лет, и никак не мог образоваться при отрыве вещества от Земли.
Гипотеза захвата
Гипотезу захвата первым выдвинул в 1909 году американский астроном Томас Джефферсон Джексон Си (Thomas Jefferson Jackson See). По этой гипотезе, Луна сформировалась как независимая планета где-то в Солнечной системе, а затем в результате неких пертурбаций перешла на эллиптическую орбиту, пересекающуюся с орбитой Земли. При очередном сближении с Землей, Луна была захвачена гравитацией Земли и стала её спутником.
Соображения за и против
Захват Луны земной гравитацией мог бы хорошо объяснить высокий момент импульса системы Луна-Земля. Но результаты моделирования показывают, что вероятность захвата Землей пролетающего тела с массой Луны ничтожно мала. Гораздо более вероятно, что пролетающая планета столкнулась бы с Землей, или наоборот, была бы отброшена гравитацией Земли далеко за пределы земной орбиты. Вариант с возможным захватом требует прохождения Луны на расстоянии меньше предела Роша, то есть Луна, возможно, была бы разорвана действием приливных сил.
Если бы захват все-таки произошёл, то Луна, скорее всего, обращалась бы вокруг Земли в противоположном (ретроградном) направлении (как это наблюдается у захваченных лун Юпитера), и по сильно вытянутой эллиптической орбите.
Малая плотность Луны и отсутствие у неё железного ядра могут быть объяснены, если предположить, что Луна сформировалась за пределами зоны планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Но тогда невозможно объяснить дефицит летучих элементов, которые есть в изобилии в зоне планет-гигантов. Трудно найти в Солнечной системе подходящую область с дефицитом и того, и другого.
Идентичность соотношения изотопов кислорода на Луне и на Земле совершенно не вписывается в данную гипотезу.
Свою версию гипотезы захвата — с разрушением захваченной планеты приливными силами Земли — предложили в 1989 году О. Г. Сорохтин и С. А. Ушаков. По их теории, планета с соседней орбиты, названная Протолуной, была захвачена Землей и перешла на околоземную орбиту. Поскольку новый спутник обращался быстрее вращения планеты, интенсивные приливные силы притягивали его к Земле (одновременно «раскручивая» Землю). Наконец, новообретенный спутник приблизился на расстояние предела Роша и начал разрушаться. Вещество с Протолуны по спирали устремилось к Земле. Затем спутник был практически разорван, его железное ядро упало на Землю, а значительная часть вещества коры осталась на орбите. Из этого обломка начала формироваться Луна, обретая сферическую форму и удаляясь от Земли.
Последнее место гипотезы выглядит слабым: почему Луна стала удаляться от Земли, если до этого Протолуна обращалась быстрее периода вращения Земли и приливные силы Земли тормозили её, приближая к Земле? Неясно также, почему на Землю упало именно железное ядро, а не вещество коры. И наконец, сама возможность столь удачного и «плавного» захвата соседней планеты по-прежнему выглядит крайне маловероятной.
Гипотеза совместного формирования (совместной аккреции)
Впервые подобную гипотезу представил Иммануил Кант в труде по космогонии, в 1755 году. Он предположил, что все небесные тела появились в результате сжатия пылевого облака, а Луна и Земля сформировались вместе, из одного пылевого сгустка: сначала Земля, потом, из оставшегося вещества, Луна. Большим сторонником гипотезы совместной аккреции был знаменитый астроном Эдуард Рош (Édouard Albert Roche). В Советском Союзе гипотезу коаккреции активно разрабатывала школа О. Ю. Шмидта (В. С. Сафронов, Е. Л. Рускол и др.). До 1970-х годов гипотеза совместной аккреции считалась наиболее проработанной.
Гипотеза предполагает, что Земля и Луна просто «выросли» на одной орбите как двойная планета, из первоначального протопланетного роя твердых частиц. Первой начала формироваться прото-Земля. Когда она набрала достаточную массу, частицы из протопланетного роя захватывались её притяжением и начинали вращаться вокруг зародыша планеты по самостоятельным эллиптическим орбитам. Из этих частиц образовался собственный околопланетный рой. Частицы роя сталкивались между собой, некоторые теряли скорость и падали на прото-Землю. Орбиты других усреднялись между собой — рой приобретал орбиту, близкую к круговой. Затем из этого роя начали формироваться зародыши будущего спутника, Луны.
Соображения за и против
Если Земля и Луна формировались в непосредственной близости, то идентичность кислородно-изотопного соотношения легко объясняется. Но тогда совершенно непонятными становятся отличия в плотности двух тел, а также дефицит железа и летучих элементов на Луне.
По словам Уильяма Хартмана, «трудно представить, что два небесных тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает всё железо, а второе остается практически без него».
Сторонники гипотезы объясняют это тем, что куски вещества роя при столкновениях дробились, затем тяжелые железные частицы выпадали на Землю, а силикатная пыль оставалась на орбите. Такое объяснение вряд ли можно признать удовлетворительным: для этого практически все частицы роя должны были предварительно разрушиться до состояния пыли.
Сходным образом в этой гипотезе объясняется и дефицит летучих веществ — они испарялись при столкновениях и дроблениях частиц роя. Но для этого частицам пришлось бы сталкиваться на высоких относительных скоростях, а ведь они все, как предполагается, обращались в одном направлении. Притом, аналогичный процесс должен был бы происходить и при формировании Земли и других планет земной группы, но результатов этого не наблюдается.
Эта гипотеза также не смогла дать вразумительного объяснения ни большому моменту импульса системы Луна-Земля, ни наклону лунной орбиты в 5° к плоскости земной орбиты.
Гипотеза испарения
В 1955 году Эрнст Юлиус Эпик (Ernst Oepik) выдвинул гипотезу, частично соединяющую гипотезы центробежного разделения и совместного образования. По его версии, прото-Земля, окруженная кольцом бомбардировавших её каменных частиц, от постоянных ударов разогрелась до высокой температуры — около 2000 °C. Значительные массы вещества были выпарены назад, в околоземное пространство. Солнечный ветер сдул летучие элементы, а более тяжелые компоненты сконденсировались и соединились с материалом вращающихся колец, которые затем слились в один большой кусок вещества — Луну. Если нагревание Земли произошло на поздней стадии её формирования, то к этому времени тяжелые железные породы уже опустились в ядро, а содержание железа в поверхностных слоях Земли было значительно меньше первоначального.
Соображения за и против
Гипотеза испарения очень хорошо объясняет данные о химическом составе Луны, но не может разрешить ни проблему высокого углового момента импульса, ни проблему наклона лунной орбиты. Геологические данные также не подтверждают столь сильный разогрев Земли на стадии формирования: состав пород земной коры свидетельствует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.
Гипотеза многих лун
Гипотезу образования одной большой Луны из нескольких спутников представили в 1960-х годах Томас Голд (Thomas Gold) и Гордон Макдональд (Gordon MacDonald). Их основная идея состояла в том, что Земле гораздо проще было бы захватить по отдельности несколько пролетавших мимо небольших небесных тел, чем одно крупное. Если Земля «поймала» от шести до десяти мелких лун, то их орбиты в дальнейшем могли изменяться приливными силами. На протяжении примерно миллиарда лет луны могли сталкиваться друг с другом, а из их обломков сформировалась бы Луна.
Соображения за и против
Неправдоподобно выглядит сама возможность захвата Землей большого количества спутников с их последующим разрушением. Марс имеет два небольших спутника (Фобос и Деймос), которые до сих пор сосуществуют на околомарсианских орбитах. Венера, масса которой близка к земной, вообще не имеет спутников, как и Меркурий.
Эта гипотеза также не объясняет идентичность изотопно-кислородного состава Луны и Земли.
Гипотеза столкновения
Основная статья: Теория гигантского столкновения
Гипотеза столкновения была предложена Уильямом Хартманом ( William K. Hartmann) и Дональдом Дэвисом (Donald R. Davis) в 1975 году. По их предположению, протопланета (её назвали Тейя) размером примерно с Марс столкнулась с прото-Землей на ранней стадии её формирования, когда наша планета имела примерно 90 % нынешней массы. Удар пришелся не по центру, а под углом (почти по касательной). 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 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.
Соображения за и против
Гипотеза столкновения в настоящее время считается основной (по крайней мере, среди западных ученых), поскольку она хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также и физические параметры системы Луна-Земля. Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, невысокая относительная скорость) такого крупного тела с Землей. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа системы Земля-Солнце. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.
Уязвимое место гипотезы столкновения: для объяснения дефицита железа на Луне приходится принимать допущение, что ко времени столкновения (4,5 млрд лет назад) и на Земле, и на Тейе уже произошла гравитационная дифференциация, то есть выделилось тяжёлое железное ядро и образовалась лёгкая силикатная мантия. Однозначных геологических подтверждений этому допущению не найдено.
ЛИТЕРАТУРА
К главе 2
Ботт М. Внутренне строение Земли. М.:Мир. 1974. 376.
Буллен К.Е. Плотность Земли. М.: Мир. 1978. 444 с.
Джефрис Г. Земля, ее происхождение, история и развитие. М.: Изд-во ИЛ. 1960. 485 с.
Жарков В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко Л.В. Физика Земли и планет. Фигуры и внутренне строение. М.: Наука. 1971. 384 с.
Магницкий В.А. Внутренне строение и физика Земли. М.: Недра. 1965. 380 с.
Манк У., Макдональд Г. Вращение Земли. М.: Мир. 1964. 384 с.
Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: КГУ. 2000. 448 с.
Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир. 1972. 344 с.
К главе 3
Палеомагнитология / Под ред. А.Н. Храмова. Л.: Недра, 1982. 312 с.
Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. 592 с.
Брагинский С.И. Геомагнитное динамо //Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1978. N 9. С. 74 - 90.
Нагата Т. Магнетизм горных пород.М.: Мир, 1965. 247 с.
Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. Л.: Недра, 1968. 331 с.
К главе 4
Пархоменко Э.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и температуре. М., 1979. 272 с.
Бердичевский М.Н. Электроразведка методом магнитотеллурического профилирования. М., 1968. 250 с.
Ковтун А.А. Использование естественного электромагнитного поля при изучении электропроводности Земли: Учеб. пособие. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. 196 с.
Жданов М.С. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Недра, 1986. 316 с.
Ковтун А.А. Строение коры и верхней мантии на северо-западе Восточно-Европейской платформы по данным магнитотеллурических зондирований. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 284 с.
К главе 6
Пущаровский Д.Ю. Глубинные минералы Земли // Природа. 1980. N 11. С. 119-120.
Пущаровский Ю.М. Сейсмотомография и структура мантии: Тектонический ракурс // Доклады АН. 1996. Т. 351, N 6. С. 805-809.
К главе 8
«Происхождение планет и спутников», Е. В. Рускол, Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН — о гипотезе совместной аккреции Луны и Земли
«Модель образования планет В. С. Сафронова и глобальная эволюция Земли», О. Г. Сорохтин, Институт океанологии РАН — о гипотезе захвата и разрушения Протолуны
Происхождение Луны. Российская концепция против «американской» — «ЗиВ» № 6/2005 Э. М. Галимов, академик, ГЕОХИ РАН.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА
2. ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
- Фигура Земли
- Аномалии Буге и поверхность Мохо
- Теория изостазии
3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
- Элементы земного магнетизма
- Происхождение и источники магнитного поля
- Инверсии магнитного поля
- Магнитостратиграфическая шкала
- Спрединг
4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЗЕМЛИ
- Метод магнитотеллурического зондирования
- Электропроводность земной коры
- Электропроводность мантии
5. ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
- Источники теплового поля
6. СЕЙСМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ ЗЕМЛИ
7. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ
8. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЛУНЫ