Общая геология

1.1. Образование Вселенной

1.2. Солнечная система

1.2.1. Солнце и его параметры

1.2.2. Строение Солнечной системы

1.2.3. Внутренние планеты

1.2.4. Внешние планеты

1.2.5. Астероиды, кометы и метеориты

1.2.6. Происхождение Солнечной системы

1.2.7. Строение Луны

Наша Земля — одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце — это рядовая звезда — желтый карлик, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Несмотря на то что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т. к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и поэтому будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.

1.1. Образование Вселенной

Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества.
В наблюдаемой форме Вселенная возникла 12–15 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать.

Такое состояние вещества в 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр назвал сингулярным. Иногда сингулярность трактуют как обрыв времени в прошлом. Теория расширяющейся Вселенной, или Большого Взрыва (англ. Big Bang), впервые была создана А. А. Фридманом в России в 1922 г. Талантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С какого-то момента, отстоящего от нас на 12–15 млрд лет, вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, или инфляции, которое в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Как мы увидим в заключительной главе учебника, Большой Взрыв — это катастрофический процесс, грандиозная бифуркация. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва?», по мнению известного английского физика С. Хогинга, носит метафизический характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.

Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы Большого Взрыва. Так, температура в 1032 К была достигнута через 10–43 с, 1010 К — через 1 с, 109 К — через 1 мин, 104 К — через 100 тыс. лет, а 103 К — через 1 млн лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим.

Теорию первоначально не только очень плотной, но и очень горячей Вселенной в конце 40-х гг. прошлого века развивал знаменитый физик Г. Гамов. Первичный нуклеосинтез, т. е. образование ядер легких элементов, стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн лет началось и формирование атомов.

С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней: и галактики, и звезды — удаляются на равное расстояние друг от друга. Это расширение, или инфляция «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается экспериментальными факторами. В начале своего существования, примерно до 300–400 тыс. лет, наша Вселенная была «кипящей смесью» из протонов, электронов, нейтрино и излучения, взаимодействовавших между собой и вследствие расширения охлаждавшихся.

«Разбегание» галактик и скопление галактик. Доказательство этого явления связано с эффектом Допплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону пропорционально расстоянию до источника света, а приближающегося — в голубую1 . Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд смещение происходит в красную сторону, причем чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1.).

Рис. 1.1. Эффект Допплера. При удалении объекта от наблюдателя
спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные смещения»)

Все галактики и звезды удаляются от нас, и самые далекие из них удаляются с большей скоростью. Это закон астронома Э. Хаббла, открытый им в 1929 г.: V = HR, где V — скорость удаления, R — расстояние до космического объекта, а Н — коффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, Н = 15 км/с / 106 световых лет (1 световой год =
= 9,6 ⋅ 1012 км или 6,3 ⋅ 104 АЕ)2. Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн св.лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/с, а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд 960 млн св. лет) — со скоростью 61 тыс. км/с. Следует подчеркнуть, что все галактики разбегаются от всех, а не от нас как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система, — это самая рядовая галактика среди многих миллионов других.

«Реликтовое излучение». В 1964 г. американские астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы «Белл телефон» в штате Нью Джерси обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с Т ≈ 2,75 К3 . За это выдающееся открытие
ХХ в. авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано физиками-теоретиками, в частности Г. Гамовым.

Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой (около 100 млрд К) первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала Большого Взрыва. С тех пор эффективная температура от многих миллиардов градусов кельвина упала до трех, а реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную.

Химический состав Вселенной представляет собой по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1 %. В такой пропорции — 3:1 — Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной и величины уже упоминавшейся выше постоянной Хаббла. Современное значение плотности равно 10-29 г/см3, что составляет 10–5 атомных единиц массы в 1 см3. Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс. км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, то Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратится, и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию. Сейчас существует гипотеза очень быстрого, инфляционного, расширения Вселенной.

Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов стали формироваться звезды и галактики — скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приводит к очень высоким температурам — 10–15 млн К, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излучения в форме температурных колебаний в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности
вещества во Вселенной. Вероятно, это первичное различие в плотности и послужило как бы затравкой для возникновения в будущем скоплений галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков, от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование звезд и галактик спустя 1 млрд лет после Большого Взрыва. Только 200 лет назад В. Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше солнечной массы.

В 2003 г. были получены данные, говорящие о том, что Вселенная только на 4 % состоит из обычных атомов, из которых образованы звезды и планеты. Остальные 96 % представлены «темной энергией» (73 %) и скрытой, или «темной», массой (23 %), состоящей из неизвестных пока частиц, понять сущность которых важнейшая задача науки.

Галактика Млечного Пути (ГМП) — одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, которая иногда называется метагалактикой, — обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100 тыс. св. лет и толщиной 20 тыс. св. лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд с возрастом 8–10 млрд лет, и ядро, скрытое облаками плотного газа (рис. 1.2, 1.3). Не исключено, что в центре ГМП существует «черная дыра», как в ядрах других спиральных галактик. ГМП окружена темным облаком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 раз или более превышает массу всех звезд и газа в ГМП. Молодые звезды с возрастом от 100 тыс. до 100 млн лет в осевой части диска окружены огромной сферической областью — гало, в которой находятся старые звезды. В ГМП есть скопления нейтрального, молекулярного и ионизированного водорода.

Рис. 1.2. Строение Галактики Млечного Пути.
Центральная часть Галактики характеризуется утолщением

Рис. 1.3. Одна из спиралевидных галактик Вселенной

Недавно астрономы открыли, что ГМП погружена в гигантское облако раскаленного до 1 млн градусов Цельсия газа с невероятно малой плотностью до 10–18 плотности земной атмосферы. Это облако простирается вплоть до соседних с нами галактик. А ближайшая к нам галактика Андромеды находится на расстоянии 1,5 млн световых лет.

Где же наше место в ГМП? Солнце, представляющее собой небольшую звезду с радиусом около 700 тыс. км, среднего возраста типа желтого карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах главного диска. То, что оно принадлежит ГМП, было установлено всего лишь 65 лет назад шведом Б. Линдбладом и голландцем Я. Оортом.

С Земли как одной из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца, мы видим звезды Млечного Пути в виде арки, пересекающей небосвод, т. к. мы смотрим на край ГМП из ее срединной области. В 1610 г. Галилей насчитал в Млечном Пути всего 6 тыс. звезд, а сейчас их насчитывается более 100 млрд. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, — Альфа Центавра — четыре световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра и Земля уже облетела центр Галактики 25–30 раз. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн лет со скоростью 240 км/с. Галактический год играет важную роль в периодизации геологической истории Земли.

Чтобы попытаться более наглядно представить шкалу времени, в рамках которой мы оперируем космическими терминами, воспользуемся шкалой Мейерса (1986).

15 млрд лет = 24 часа = 1 сутки.

Это время, прошедшее после начала Большого Взрыва (по современным представлениям — 14–15 млрд лет).

1. Спустя 4 с в полночь образовались устойчивые атомы.

2. Через 4–5 часов возникли галактики и звезды.

3. Через 18 часов образовалась Солнечная система.

4. Через 20 часов появились первые формы жизни.

5. Через 22 часа 30 минут первые позвоночные вышли на сушу.

6. В период 22 часа 30 минут — 23 часа 56 минут существовали динозавры.

7. За 10 с до полуночи появились первые человекообразные.

8. За 0,001 с до полуночи произошла «промышленная революция».

1.2. Солнечная система

В центре нашей планетной системы находится звезда — Солнце, в котором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все девять планет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества системы. В то же время 98 % момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. астероидов, или малых планет, и около 1011 комет, а также огромное количество мелких обломков — метеоритов.

1.2.1. Солнце и его параметры

Солнце — это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в ГМП. Солнце имеет диаметр ~1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98 ⋅ 1033 км, и плотность 1,4 г/см3 (хотя в центре она может достигать 160 г/см3).

В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т ~15 млн °С и давлением 300 млрд земных атмосфер, далее располагаются зоны радиации (Т ~10 млн °С) и конвекции (Т ~2 млн °С). Видимая поверхность Солнца — фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т = 6000 °С. Солнечная поверхность имеет структуру ячеек (гранул), каждая из которых достигает 30 тыс. км в поперечнике. Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа (темные пятна) и погружением относительно более холодных (светлые пятна) (рис. 1.4). Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету. Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме — хорошему проводнику перемещаться поперек линий магнитной индукции. На подобных участках и возникает темное пятно, т. к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Внешнюю часть солнечного диска составляет хромосфера — область быстрого повышения температуры — мощностью 10–15 тыс. км. Солнечные протуберанцы — это грандиозные выбросы фотосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей Солнца. Вспышки, факелы, петли, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца (рис. 1.3 а). Особенно эффектны так называемые корональные петли, состоящие из плазмы, «выстреливаемой» с поверхности Солнца в корону и снова падающей а его поверхность.

Рис. 1.3 а. Петли и протуберанцы над поверхностью Солнца. Проект SOHO

Рис. 1.4. Внутренняя структура Солнца

Выше фотосферы и хромосферы располагается солнечная корона мощностью 12–13 млн км и с Т ~1,5 млн °С, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внутри Солнца, под давлением внешних слоев сжимается, и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается температура, и, когда она достигает 15 млн °С, происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, хотя радиус ядра составляет всего 25 % радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса.

В составе Солнца господствует Н, составляющий 73 % по массе, и Не — 25 %. На остальные 2 % приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S и др., всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца — ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов в одно ядро Не с выделением огромного количества энергии. Один грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции, выделяет 6 ⋅ 1011 Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м3 воды от 0 °С до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем 66 тыс. км.

Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы — протонов и электронов с альфа-частицами и ионизированными атомами С, О и других, более тяжелых элементов (рис. 1.4 а). Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400–500 и при больших вспышках даже 1000 км/с. Солнечный ветер оказывает воздействие на магнитосферу — внешнее магнитное поле Земли, которое вытягивается в сторону, противоположную Солнцу, на многие миллионы километров, а со стороны Солнца — сплющивается. Отдельные частицы солнечного ветра, проникая в магнитосферу, образуют полярные сияния в атмосфере (рис. 1.5).

Рис. 1.4 а. Солнечная корона (диск Солнца закрыт).
Видны выбросы солнечной плазмы. Проект SOHO)

Рис. 1.5. Солнечный ветер

Частицы солнечного ветра были исследованы на Луне американскими астронавтами, которые «ловили» их развернутой на шестах алюминиевой фольгой, т. к. на Луне нет ни атмосферы, ни магнитного поля и солнечный ветер достигает ее поверхности беспрепятственно. Солнечный ветер распространяется намного дальше орбиты Сатурна, образуя так называемую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом, на расстоянии 100 АЕ и более.

Выделение энергии Солнцем, как и Т, остается практически неизменным на протяжении 5 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атомного горючего — Н — на Солнце должно хватить, по расчетам, еще на
5 млрд лет. Когда запасы Н истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красного гиганта», а затем — в «белого карлика».

Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозию, существование жизни.

Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радиоволн длиной во много километров и кончая гамма-лучами (рис. 1.6). Электромагнитные волны поглощаются атмосферой тем сильнее, чем меньше их длина. В атмосферу Земли проникает очень мало заряженных частиц, т. к. магнитное поле бронирует ее, но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле или Северное сияние. Тонкий озоновый экран задерживает на высотах около 30 км все жесткое ультрафиолетовое излучение, тем самым давая возможность существования жизни.

Рис. 1.6. Электромагнитный спектр: 1 — гамма-лучи; 2 — рентгеновские лучи;
3 — ультрафиолетовые лучи; 4 — видимый свет; 5 — инфракрасные лучи;
6 — радиоволны. Скорость электромагнитных волн в вакууме — 299,793 км/с

Солнечной постоянной называется количество солнечной энергии, поступающей на 1 м2 поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам. Эта величина составляет около 1370 Вт/м2. Существует примерное равновесие между поступлением солнечной энергии на Землю и ее рассеиванием с поверхности Земли. Это подтверждается постоянством температуры в земной атмосфере. Радиация, исходящая от Солнца, имеющая длины волн больше 24 мк, чрезвычайно мала. Остальной спектр —
от 0,17 до 4 мк подразделяют на 3 части. Ультрафиолетовая радиация (0,17–0,35 мк), или химическая радиация, крайне вредна для всего живого. Ее доля в общем балансе не превышает 7 %. Световая радиация (0,35–0,75 мк) составляет уже 46 %. Инфракрасная радиация, невидимая для глаз (0,76–4 мк) в общем балансе составляет 47 % (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Солнечная постоянная и солнечная радиация

Активные явления на Солнце вызывают на Земле магнитные бури, меняют прохождение радиоволн, влияют на климат и т. д. Подробнее об изменениях солнечной радиации в связи с геологическими процессами будет рассказано в соответствующих главах.

1.2.2. Строение Солнечной системы

Вокруг Солнца вращаются девять планет. Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты, относятся к внутренним, или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы — гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон, открытый лишь в 1930 г. Расстояние от Солнца до Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 АЕ = 150 млн км, расстоянию от Земли до Солнца). За Плутоном находится «щель» — кольцо с радиусом 2 ⋅ 103 АЕ, где практически нет вещества (рис. 1.8). Далее, в интервале 2 ⋅ 103 — 2 ⋅ 104 АЕ, располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет с массой равной 104 масс Солнца и угловым моментом, в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое внутреннее облако Оорта. Еще дальше, в интервале 2 ⋅ 104 — 5 ⋅ 104 АЕ, располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой ~100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5 ⋅ 104 АЕ и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия.

Рис. 1.8. Строение Солнечной системы. АЕ — одна астрономическая единица (150 млн км)

Знание о строении планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т. к. внутренняя структура этих планет довольно близка к нашей планете (табл. 1).

Таблица 1. Сведения о планетах

1 Значения углов больше 90° указывают на обратное вращение, например 177,3° для Венеры показывает, что экваториальная плоскость наклонена к плоскости орбиты Венеры на 2,7° (180–177,3 = 2,7), но Венера вращается в обратную сторону.

2 Цифры в скобках – это показатель степени множителя 10, например 3,3 (26) — это 3,3 ґ 1026.

1.2.3. Внутренние планеты

Меркурий — одна из самых маленьких безатмосферных планет с D ~ 0,38 по отношению к земному, плотностью 5,42 г/см 3, что лишь на 0,1 г/см3 уступает Земле, с Т до +450 °С днем на солнечной стороне и до –170 °С ночью. Поверхность Меркурия покрыта многочисленными ударными кратерами диаметром до 1300 км. Застывший мир поверхности Меркурия напоминает лунный.

Меркурий в отличие от остальных планет движется по сильно вытянутой орбите, то приближаясь к Солнцу на расстояние 46 млн км, то удаляясь от него на 70 млн км. К Меркурию от Солнца приходит в 11 раз больше тепла, чем к Земле. Меркурий обладает очень слабым магнитным полем, около 1 % земного. Это важно, т. к. из всех планет земной группы только Меркурий и Земля имеют глобальную магнитосферу.

Венера по своим размерам и массе очень близка к Земле, но вращается она в другую сторону по сравнению с остальными планетами. Венера окутана очень плотной атмосферой, состоящей из углекислого газа, а в верхних слоях на высоте 50–70 км — из серной кислоты. На этих высотах дует постоянный ветер с востока на запад со скоростью до 140 м/с, уменьшающийся до 1 м/с у поверхности. Давление в атмосфере на поверхности очень велико — 96 кг/см2 (на Земле 1 кг/см2) и Т приблизительно +500 °С. Такие условия неблагоприятны для существования воды. Наличие плотной атмосферы выравнивает температурные различия дня и ночи. На Венере нет магнитного поля, и это говорит о том, что ядро Венеры отличается от земного ядра. Примерно 15 % поверхности Венеры занимают тессеры, относительно древние породы. На них накладываются более молодые базальтовые равнины и еще более молодые, чем равнины, громадные базальтовые вулканы.

Система Земля — Луна будет рассмотрена ниже.

Марс. Эта четвертая по счету от Солнца планета намного меньше Земли, ее радиус составляет 0,53 земного. Сутки длятся на Марсе 24 ч 37 мин., а плоскость его экватора наклонена по отношению к орбите так же, как на Земле, что обеспечивает смену климатических сезонов.

На Марсе весьма разреженная углекислая атмосфера с давлением у поверхности 0,03–0,1 кг/см2. Такое низкое давление не позволяет существовать воде, которая должна либо испариться, либо замерзнуть. Температура на Марсе изменчива и на полюсах в полярную ночь достигает –140 °С, а на экваторе —90°С. Днем на экваторе температура от
0 °С до +25 °С. Атмосфера Марса содержит белые облака из мелких кристаллов СО2 и Н2О. Ветры на поверхности Марса могут достигать 60 км/час, перенося пыль на большие расстояния.

Поверхность Марса подразделяется на базальтовые равнины в северном полушарии и возвышенности — в южном, где распространены большие ударные кратеры. На Марсе существуют очень крупные вулканы, например Олимп высотой до 21 км и диаметром 600 км. Это самый крупный вулкан на всех планетах Солнечной системы. Олимп принадлежит к вулканическому массиву Фарсида, состоящему из многочисленных базальтовых вулканов щитового типа, слившихся своими основаниями. В этом же массиве есть очень крупные вулканические кальдеры с диаметром до 130 км. Образовались эти базальтовые вулканы примерно 100 млн лет назад, и сам факт их существования свидетельствует о большой прочности марсианской литосферы и мощности коры, достигающей 70 км (рис. 1.8 а).

Рис. 1.8 а. Панорама Марса в месте посадки космического аппарата «Паффайндер».
Типичная каменистая пустыня — гамада (NASA)

В южном полушарии Марса располагается грандиозный каньон Домены Маринер, представляющий собой глубокий, до 10 км, рифт, протянувшийся на 4 тыс. км в широтном направлении. Таких структур на Земле нет. Большой интерес на поверхности Марса представляют явные следы флювиальной деятельности в виде сухих речных русел (рис. 1.8 б на цветной вклейке). Несколько миллиардов лет назад, когда атмосфера Марса не была такой разреженной, шли дожди и снег, существовали реки и озера. Присутствие воды и положительные температуры могли стимулировать возникновение жизни в виде прокариотов, цианобактерий. Недаром ведь в метеорите Мурчисон, найденном недавно в Австралии, имеющем абсолютный возраст 4,5 млрд лет, обнаружены возможные следы цианобактерий внеземного (!) происхождения.

Рис. 1.8 б. Слоистые породы на Марсе — результат осаждения в водной среде

Американские космические аппараты «Оппортьюнити» и «Паффайндер» обнаружили на поверхности Марса слоистые горные породы, которые могут свидетельствовать об отложении в водной среде. В атмосфере Марса есть метан (СН4), и области его концентрации совпадают с концентрацией водяного пара в трех широких экваториальных областях, где метана в три раза больше, чем в остальных районах планеты. Там же космический аппарат «Одиссей» обнаружил участки льда, под которым может быть вода, а в ней могут жить метанопродуцирующие бактерии. Похожая ситуация есть на Земле в торфяных болотах в криолитозоне.

В наши дни установлен факт падения на Землю метеоритов, представляющих собой осколки марсианских пород, выбитых сильным ударом метеорита, упавшего на поверхность Марса. Вода на современной поверхности Марса сосредоточена в виде льда, но под верхним слоем пород.

У Марса два маленьких спутника — Фобос (19 × 27 км) и Деймос (11 × 15 км), неправильной формы с кратерированной поверхностью и какими-то рытвинами, хорошо видимыми на Фобосе. Марс прошел длительный путь развития. На его поверхности наблюдаются три или четыре генерации рельефа и соответственно пород. «Материки» — это древнейшие породы, образующие возвышенности в 4–6 км, базальтовые «равнины» моложе, а на них накладываются вулканические массивы типа Фарсиды и отдельные вулканы. По-видимому, у Марса отсутствует жидкое ядро, т. к. магнитное поле чрезвычайно слабое. Эндогенная активность на Марсе продолжалась на 1 млрд лет дольше, чем на Меркурии и Луне, где она закончилась 3–2,5 млрд лет назад.

1.2.4. Внешние планеты

Располагающиеся за поясом астероидов планеты внешней группы сильно отличаются от планет внутренней группы. Они имеют огромные размеры, мощную атмосферу, газово-жидкие оболочки и небольшое силикатное (?) ядро (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Возможное строение планет внешней группы (Земля дана в масштабе):
1 — жидкий молекулярный водород; 2 — жидкий металлический водород;
3 — лед воды, метана и алюминия; 4 — твердые породы, железо

Масса Юпитера в 317 раз больше, чем масса Земли, но он обладает малой средней плотностью — 1,33 г/см3. Его масса в 80 раз меньше той необходимой массы, при которой небесное тело может стать звездой, хотя он забрал себе 2/3 планетной массы всей Солнечной системы. Внешний вид планеты, хорошо изученной космическими аппаратами «Вояджер», определяется полосчатой системой разновысотных и различно окрашенных облаков, имеющей мощность 50 км. Они образованы конвективными потоками, которые выносят тепло во внешние зоны. Светлые облака располагаются выше других, состоят из белых кристаллов аммиака и находятся над восходящими конвективными струями. Более низкие красно-коричневые облака состоят из кристаллов гидросульфида аммония, имеют более высокую температуру и располагаются над нисходящими конвективными струями.

На Юпитере устойчивые ветры дуют в одном направлении и достигают скорости 150 м/с. В пограничных зонах облачных поясов возникают турбулентные завихрения, как, например, Большое Красное Пятно (БКПЮ) с длинной осью 20 — 25 тыс. км, обнаруженное 150 лет назад. Полное вращение облаков в пятне против часовой стрелки осуществляется за семь дней, и его внутренняя структура все время изменяется, сохраняя лишь общую конфигурацию. Сам вихрь непрерывно дрейфует как целое в западном направлении со скоростью 3–4 м/с и совершает полный оборот за 10–15 лет. Сейчас усиленно разрабатывается идея о том, что вихрь БКПЮ представляет собой физическое явление, называемое солитоном — уединенной волной, — нерасплывающийся нелинейный волновой пакет.

Атмосфера Юпитера достигает 1000 км, под ней могут находиться оболочки из жидкого молекулярного водорода, а еще ниже — металлического водорода. В центре планеты располагается силикатное (каменное?) ядро небольших размеров. Магнитное поле Юпитера превышает в 10 раз по напряженности магнитное поле Земли, а кроме того, Юпитер окружен мощными радиационными поясами. Возможно, магнитное поле обусловлено быстрым вращением планеты (9 ч 55 мин.). Магнитосфера Юпитера простирается более чем на 650 млн км от него в сторону, противоположную Солнцу.

У Юпитера существуют по крайней мере три кольца и 16 спутников, из которых четыре крупных, так называемых галилеевых, открытых еще в 1610 г. Галилео Галилеем, — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Ближайший спутник к Юпитеру — это Ио, по размерам (диаметр 3700 км), массе и плотности похожий на Луну. Особенностью Ио являются извержения многочисленных чрезвычайно активных вулканов, изливающих и выбрасывающих вверх на 200 км яркие — красные, желтые, оранжевые — потоки серы и белые потоки серного ангидрида. Зафиксированы извержения из кратеров конусовидных вулканов, которые «переезжают» с места на место, и везде на поверхности фиксируются светлые и темные сернистые пятна, напоминающие снег. Приливные возмущения со стороны Юпитера приводят к разогреву недр Ио, образованию магматических камер и их опорожнению.

Европа, близкая по своим параметрам Луне, покрыта льдом воды мощностью до 100 км, в котором видны протяженные трещины (рис. 1.10). Судя по тому, что на поверхности Европы почти нет ударных кратеров, она очень молодая и рельф практически отсутствует.

Рис. 1.10. Ледяная поверхность спутника Юпитера — Европы.
Снимок получен 16 декабря 1997 г. космическим аппаратом «Галилей» с высоты 560 км.
Разрешающая способность снимка — 6 м (по материалам NASA)

Ганимед, самый крупный из галилеевых спутников (он больше, чем планета Меркурий), обладает плотностью 1,94 г/см3 и состоит из смеси льда воды и силикатов.

Каллисто по своим размерам и плотности похож на Ганимед и также состоит из льда воды и силикатов. Однако на участках темного цвета на поверхности Каллисто много ударных кратеров, что говорит о древнем возрасте этих участков. Кольцевая структура Вальхалла имеет диаметр
300 км. Не исключено, что это след от удара крупного космического тела. Все остальные небольшие спутники Юпитера имеют неправильную, угловатую форму, а их размеры колеблются в поперечнике от 16 до 260 км.

Сатурн занимает второе место по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала — 0,69 г/см3. Облачный покров Сатурна похож на таковой у Юпитера не только по составу (частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония), но и по своей структуре, он образует разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна состоит в основном из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч километров. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного водорода мощностью 37 тыс. км и металлического водорода, 8 тыс. км. Силикатное (каменное) ядро Сатурна радиусом 10 тыс. км окружено слоем льда до 5 тыс. км.

Наиболее известным элементом Сатурна являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты. Диаметр колец составляет 400 тыс. км, а мощность всего 10 м! Множество колец представляют собой мельчайшие кусочки льда воды, размером от одного сантиметра до нескольких метров. Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. После изучения снимков с космических аппаратов, пролетевших вблизи колец Сатурна в сентябре 1979 г. и ноябре 1980 г., была выдвинута гипотеза о том, что в каждой светлой линии кольца находится один из мелких спутников Сатурна, с поверхности которого непрерывно испаряются частицы наподобие «дыма». Этот шлейф составляет темную часть колец. Таких мелких тел может насчитываться больше 1000, столько колец удалось различить на снимках. Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет предполагать ферромагнитные частицы в «дыму» колец.

В июне 2004 г. космический аппарат «Кассини», запущенный американцами семь лет назад, достиг Сатурна, пролетел сквозь кольца и исследовал Сатурн и самый большой его спутник Титан. На сегодняшний день это самая дорогая межпланетная миссия в истории человечества. Удалось выяснить, что некоторые кольца имеют абсолютно гладкую поверхность, а другие обладают волнистой поверхностью, облик которой постоянно меняется.

У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый большой. Средние по размерам (от 420 до 1528 км) спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют неправильную, угловатую форму и размеры от 20 до 360 км.

Титан обладает радиусом в 1,5 раза больше радиуса Луны и находится от Сатурна на расстоянии, в три раза большем, чем Луна от Земли. Титан покрыт атмосферой, в составе которой есть метан, азот, этан и углеводороды, а давление у поверхности не превышает 1,6 атм. Температура плотной атмосферы около –200 °С.

На Титане в начале 2005 г. был высажен зонд «Гюйгенс», передавший потрясающие снимки его поверхности, на которой видны «реки» и «моря», заполненные метаном. Предполагается, что метан может быть продуктом жинедеятельности бактерий. Ввиду низких температур метан может существовать в жидкой и твердой (лед метана и этана) формах.

Предполагается также, что под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в верхних слоях атмосферы Титана из углеводородов могут образовываться сложные органические молекулы, которые, опускаясь, достигают его поверхности.

За орбитой Сатурна расположено кольцо из космической пыли, открытое межпланетными станциями в 70-гг. ХХ в. и, по-видимому, сформировавшееся за счет столкновения тел внутри пояса Койпера, находящегося на внешней границе Солнечной системы.

Уран, открытый В. Гершелем в 1781 г., превосходит Землю в четыре раза по размерам и в 14,5 раз по массе. Эта третья планета-гигант вращается в сторону, противоположную той, в которую вращаются большинство остальных планет. Мало этого, ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты, так что Уран «лежит на боку» и вращается не «в ту сторону». Уран меньше Юпитера, но плотность в среднем у него близка к плотности Юпитера, что заставляет сомневаться в существовании оболочки из металлического водорода, т. к. давление слишком мало. В атмосфере Урана, как и на других планетах- гигантах, преобладают водород (84 %) и гелий (14 %), но также присутствуют частицы льда метана (2 %). Уран окружен системой из 11 тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем между кольцами Сатурна. Из 26 спутников Урана пять средних по размеру и 21 малый, обладают угловатой формой и похожи на спутники Марса и малые спутники Юпитера и Сатурна.

Нептун — самая маленькая из планет-гигантов — обладает, тем не менее, самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система колец, имеющих на разных участках различную мощность. Из восьми спутников Нептуна один крупный — Тритон и семь малых, на поверхности которых имеются следы водоледяного вулканизма.

И, наконец, Плутон, девятая планета, если считать от Солнца, сильно отличается от планет-гигантов и, наверное, ею не является. У Плутона очень вытянутая эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона, состоящая из льдов азота, метана и моноокиси углерода, окружает ледяную поверхность планеты благодаря холоду (–240 °С), господствующему на этой самой дальней планете.

Крупный спутник Харон (диаметр 1172 км) состоит из смеси льда и силикатов с плотностью 1,8 г/см3 и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19 405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной.

В настоящее время считается, что Плутон с Хароном могут принадлежать так называемому поясу Койпера, расположенному в интервале 35–50 АЕ, прямо за орбитой Нептуна. В этом поясе находится много мелких планет, размером от одного километра до сотен, а открыт был этот пояс астрономом Джеральдом Койпером только в середине ХХ в.

1.2.5. Астероиды, кометы и метеориты

Астероиды — твердые космические тела, мертвые с геологической точки зрения, обладающие размерами, близкими к размерам малых спутников планет, образующие скопления между орбитами Марса и Юпитера на расстоянии от 1,7 до 4 АЕ Многие тысячи астероидов имеют размеры в несколько десятков километров, но есть и крупные: Церера (диаметр 1020 км), Веста (549 км), Паллада (538 км) и Гигея (450 км). Сейчас точно определены параметры орбит 66 тыс. астероидов, и количество вновь открытых астероидов растет в геометрической прогрессии, удваиваясь каждые два года.

При столкновениях между собой астероиды дробятся и порождают метеориты, падающие на поверхность Земли. По-видимому, большая часть астероидов состоит из четырех видов пород, известных нам по составу метеоритов: 1) углистые хондриты, 2) класс S, или обыкновенные хондриты, 3) класс М, или железокаменные, и 4) редкие породы типа говардитов и эвкритов. О форме астероидов мы судим по снимкам с космического аппарата «Галилео», на которых астероиды Гаспра (11×12×19 км), Ида (52 км в поперечнике), Эрос (33×13 км) имеют неправильную, угловатую форму и поверхность, испещренную кратерами. На последнем с помощью космической станции NEAR было обнаружено более 100 тыс. кратеров и около 1 млн каменных глыб размером с большой дом. Плотность распределения кратеров позволяет предположить, что астероид Гаспра был отколот от более крупного тела примерно 200 млн лет назад. Размещение пояса астероидов между Марсом и Юпитером вряд ли является случайным. На этой орбите, согласно закону планетных расстояний Тициуса—Боде4, должна была бы находиться планета, которой даже дали имя — Фаэтон, но она раздробилась на осколки, являющиеся астероидами. Эта идея была выдвинута еще в 1804 г. немецким астрономом Г. Ольберсом, но она не разделялась его великими современниками В. Гершелем и П. Лапласом. Данное предположение сейчас считается наименее вероятным, а большим признанием пользуется идея О. Ю. Шмидта, заключающаяся в том, что астероиды никогда не принадлежали распавшейся планете, а представляют собой куски материала, образовавшиеся в результате процессов первичной аккреции газово-пылевых частиц. Их дальнейшее слипание оказалось невозможным из-за сильного гравитационного возмущения со стороны огромного Юпитера, и уже сформировавшиеся крупные тела начали распадаться на более мелкие. Важно, что орбиты многих астероидов под влиянием гравитационных сил планет меняют свое положение. Особенно этому подвержены орбиты с большим эксентриситетом, а также обладающие большими углами наклона к плоскости эклиптики. Такие астероиды пересекают орбиту Земли и могут с ней столкнуться. Из геологической истории известны падения крупных космических тел на поверхность Земли, оставивших огромные кратеры — астроблемы («звездные раны»), сопровождавшиеся катастрофическими последствиями для биоты. В настоящее время известно более 100 кратеров с диаметром свыше 80 км. Не исключена возможность столкновения астероида с Землей и в будущем, что будет иметь катастрофические последствия, поэтому ученые озабочены расчетами уточнения орбит астероидов, которые могут пролететь вблизи Земли или пересечься с ее орбитой (а их количество превышает 200).

Вечером 23 марта 1989 г. совсем рядом с нашей планетой «просвистел» каменный астероид с поперечником около 800 м, и это при скорости 70 км в секунду! И несмотря на то, что «рядом» означает расстояние в два раза большее, чем от Земли до Луны, с 1937 г., когда астероид Гермес пролетел примерно на таком же расстоянии, подобных происшествий не наблюдалось. Астрономы предсказывают, что астероид «1989FC» может вернуться, и если он столкнется с Землей, то последствия будут равны одновременному взрыву 1000 водородных бомб. Вероятность столкновения с «бродячим» астероидом выше, чем возможная гибель в автокатострофе. 18 марта 2004 г. астероид диаметром 30 м прошел в 43 тыс. км от Земли. Это самое маленькое расстояние, которое наблюдалось за всю историю астрономических наблюдений.

Большое количество астероидов несет в себе угрозу всему живому на земле. В 2002 г. было сделано предположение, что астероид 2002NT7, имеющий диаметр 2,03 км, объем 4,4 км3, массу — 11 млрд т и скорость 26,24 км/с, может столкнуться с Землей в феврале 2019 г. Это вызовет полное разрушение в радиусе 250 км, а в радиусе 600 км будут сплошные пожары. Энергия подобного столкновения будет эквивалентна взрыву 1 млн Мm тротила. Рассчитано, что астероид 2004MN4 диаметром более 300 м с вероятностью один шанс из 50 13 апреля 2029 г. может удариться о Землю.

Кометы представляют собой малые тела Солнечной системы. Они состоят из ядра размером в несколько километров, состоящего из замерзших газообразных соединений, в которые вкраплены микронные пылевые частицы, и так называемой комы — туманной оболочки, возникающей при сублимации ледяного ядра, когда комета приближается к Солнцу. У кометы всегда виден хвост, направленный в сторону, противоположную Солнцу (рис. 1.11). Солнечный ветер уносит частицы комы, которая может превышать в диаметре 105 км. Нередко хвост кометы достигает в длину 108 км, хотя его плотность невелика — 102–
–103 ионов/см3. В марте 1986 г. наши космические аппараты «Вега-1» и «Вега-2» прошли вблизи головной части кометы Галлея и установили, что ее ядро представляет собой темное, неправильное по форме тело, размером в поперечнике всего в несколько километров (рис. 1.12). В голове кометы Хейла — Боппа, которая была прекрасно видна в марте 1997 г. в России, обнаружены молекулы H2O, CO, CO2, Na, K, H2S, SO2 и др.

Рис. 1.11. Схема строения кометы. Хвост кометы всегда направлен
в сторону от Солнца

Рис. 1.12. Положение кометы Галлея при сближении ее с Землей в марте 1986 г.
Схема образования у нее плазменного хвоста (направлен от Солнца), пылевого хвоста
(мельчайших частичек пыли) и пылевого шлейфа (более крупных частиц
железосиликатной пыли, рассеивающихся вдоль кометной орбиты)

Движение комет характеризуется эллиптическими орбитами со значительным эксцентриситетом, что обеспечивает большие периоды обращения, а влияние планет изменяет эти орбиты, и с долгопериодических (период обращения более 200 лет) они переходят на короткопериодические (менее 200 лет) орбиты.

Со временем ледяное ядро кометы уменьшается, становится более рыхлым, и оно может рассыпаться, образуя метеоритный поток. Знаменитый Тунгусский метеорит мог быть ледяным ядром кометы. Кометы блуждают по космическому пространству и могут то покидать Солнечную систему, то, наоборот, проникать в нее из других звездных систем. По своему химическому составу кометы близки к планетам-гигантам и метеоритам типа углистых хондритов, о чем свидетельствует спектр комы комет. В апреле — мае 1997 г. жители Москвы и других городов России могли наблюдать великолепную комету Хейла — Боппа. В 1994 г. произошло столкновение обломков кометы Шумейкер — Леви с Юпитером, и астрономы запечатлели огромную «дыру» в атмосфере Юпитера. В 1986 г. космический аппарат «Джотто», приблизившись к комете Галлея, передал на Землю данные, свидетельствующие о том, что комета содержит сложные органические молекулы, богатые водородом, кислородом, углеродом и азотом.

Существует несколько гипотез происхождения комет, но наибольшей поддержкой пользуется гипотеза их конденсации из первичного протосолнечного газопылевого облака и последующего перемещения комет в пределы облака Оорта под влиянием гравитации Юпитера и других планет-гигантов. Количество комет в облаке Оорта оценивается в сотни миллиардов.

Метеориты — твердые тела космического происхождения, достигающие поверхности планет и при ударе образующие кратеры различного размера. Источником метеоритов является в основном пояс астероидов. Когда метеорит входит с большой скоростью в атмосферу Земли, его поверхностные слои, разогреваясь, могут расплавиться и метеорит «сгорит», не достигнув Земли. Однако некоторые метеориты падают на Землю, и благодаря огромной скорости их внутренние части не претерпевают изменений, т. к. зона прогрева очень мала. Размеры метеоритов колеблются от нескольких микрон до нескольких метров, вес их бывает десятки тонн. 11 июня 2004 г. в Новой Зеландии метеорит размером с грейпфрут пробил крышу дома и «приземлился» на диване, где и был подобран хозяйкой.

Все метеориты по своему химическому составу подразделяются на три класса: 1) каменные, наиболее распространенные, 2) железокаменные и 3) железные.

Каменные метеориты являются наиболее распространенными (64,9 % всех находок). Среди них различают хондриты и ахондриты. Хондриты получили свое название благодаря наличию мелких сферических силикатных обособлений — хондр, занимающих более 50 % объема породы. Чаще всего хондры состоят из оливина, пироксена, плагиоклаза и стекла (рис. 1.13). Химический состав хондритов позволяет предполагать, что они произошли из первичного, протопланетного, вещества Солнечной системы, отражая его состав времени формирования планет, их аккреции. Это подтверждается сходством отношений основных химических элементов и элементов примесей для хондритов и в спектре Солнца. Содержание SiO2 в хондритах — меньше 45 % — сближает их с земными ультраосновными породами. Хондриты подразделяются по общему содержанию железа на ряд типов, среди которых наибольший интерес представляют углистые хондриты, содержащие больше всего железа, находящегося в силикатах. Кроме того, в углистых хондритах присутствует много (до 10 %) органического вещества, которое имеет, однако, не биогенное происхождение. Кроме минералов типа оливина, ортопироксена, плагиоклаза, типичных и для земных пород, в хондритах присутствуют минералы, встречающиеся только в метеоритах.

Рис. 1.13. Кварцевая хондра (диаметр около 2 мм)
в кварц-железо-энстатиновой матрице метеорита St. Mark (Кинг, 1979)

Ахондриты не содержат хондр и по составу близки к земным магматическим ультраосновным породам. Ахондриты подразделяются на богатые Са (до 25 %) и бедные Са (до 3 %).

Железные метеориты по распространенности занимают второе место и представляют собой твердый раствор никеля в железе. Содержание никеля колеблется в широких пределах, и на этом основано разделение метеоритов на различные типы. Самыми распространенными являются октаэдриты с содержанием никеля от 6 до 14 %. Они характеризуются так называемой видманштеттеновой структурой, состоящей из пластин камасита (никелистое железо, Ni ~ 6 %), расположенных параллельно граням октаэдра и заполняющих между ними пространство тэнитом (никелистое железо, Ni ~ 30 %). Судя по тому что в железных метеоритах хорошо выражены деформации ударного типа, метеориты испытывали столкновения и сильные удары (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Образование метеоритов.
1 — газопылевое облако; 2 — аккреция в тела размером в несколько метров (планетезимали);
3 — аккреция планетезималей в тела размером 10–200 км; 4 — плавление и дифференциация;
5 — базальты; 6 — силикаты; 7 — железо; 8 — дробление при ударе.
Обломки: 9 — железокаменные; 10 — каменные; 11 — железные; 12 — крупный метеорит;
13 — дробление; 14 — более мелкий метеорит

Железокаменные метеориты по распространенности занимают третье место и состоят они как из никелистого железа, так и из силикатного каменного материала, представленного в основном оливином, ортопироксеном и плагиоклазом. Этот силикатный материал вкраплен, как в губку, в никелистое железо, или, наоборот, никелистое железо вкраплено в силикатную основу. Все это свидетельсвует о том, что вещество железокаменных метеоритов прошло дифференциацию.

Возраст метеоритов, определенный радиоизотопными уран-свинцовым и рубидий-стронциевым методами, — 4,4–4,7 ⋅ 109 лет. Такие цифры соответствуют принятому возрасту формирования Солнечной системы, что свидетельствует в пользу одновременного образования планет и тех тел, из которых впоследствии возникли метеориты. После того как обломок отделяется от родительского тела и превращается в метеорит, он облучается космическими лучами, следовательно, космический возраст собственно метеорита намного меньше возраста родительской породы.

Происхождение метеоритов — важнейшая проблема, относительно которой существует несколько точек зрения. Наиболее распространенная гипотеза говорит о происхождении метеоритов за счет астероидов в поясе между Марсом и Юпитером. Предполагается, что астероиды в разных частях пояса могли иметь различный состав, и, кроме того, в начале своего образования они подвергались нагреву, возможно, частичному плавлению и дифференциации. Поэтому хондриты, ахондриты, углистые хондриты соответствуют различным участкам раздробившегося родительского астероида. Однако часть метеоритов общим весом более 2 кг, и это уверенно доказано, происходит с поверхности Луны, и еще больше, около 80 кг, с поверхности Марса. Метеориты лунного происхождения полностью тождественны по минералогическому составу, изотопным и структурным характеристикам лунным породам, собранным на поверхности Луны астронавтами или доставленным автоматическими станциями.

Метеориты с Марса, общим числом 12, частично были найдены в ХIХ в., а частично в наши дни, в частности в Антарктиде в 1984 г. Знаменитый метеорит ALH 84001 весом 1930,9 г был выбит с поверхности Марса сильным ударом 16 млн лет назад, а в Антарктиду он попал 13000 лет назад, где недавно вытаял из льда и был подобран исследователями.

Таким образом, общая хронология событий такова: 4,5 млрд лет назад одновременно с Землей возникает Марс; 1,5 млн лет назад при столкновении с астероидом от Марса отрывается осколок и улетает в межпланетное пространство; 13 тыс. лет назад осколок Марса попадает в сферу притяжения Земли и падает в Антарктиде; в 1984 г. американцы обнаруживают метеорит и дают ему название ALH 84001; в 1994 г. геохимики идентифицируют метеорит как осколок Марса; в 1996 г. ученые обнаружили органические молекулы, которые считают древними формами жизни на Марсе.

Именно в этом метеорите были обнаружены мельчайшие — 2⋅10–6–10⋅10–6 см — цианобактерии, располагающиеся внутри глобул, состоящих из сульфидов и сульфатов железа и окислов, возраст которых определен в 3,6 млрд лет. То есть это несомненно марсианские породы, т. к. изотопный состав кислорода и углерода глобул идентичен таковым в марсианских газах, определенных в породах Марса на его поверхности космическим аппаратом «Викинг» в 1976 г. Палеонтолог А. Ю. Розанов считает, что в углистых хондритах есть микроорганизмы.

1.2.6. Происхождение Солнечной системы

Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. Джордано Бруно в ХVI в. первым высказал мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами и эти системы то возникают, то умирают. Только в ХVIII в. благодаря трудам выдающихся ученых И. Канта и П. Лапласа сформировалась наука о
происхождении всех небесных тел — космогония. Они показали, что т. к. движение всех планет подчинено одному закону, то и образование их должно также происходить по единому закону. Именно они высказали идею газопылевой туманности, первоначально вращавшейся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались планеты. С тех пор планетная космогония ушла далеко вперед, и современные представления о формировании Солнечной системы выглядят следующим образом (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Формирование Солнечной системы.
1 — взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны,
воздействующие на газопылевое облако (ГПО);
2 — ГПО начинает фрагментироваться и сплющиваться, закручиваясь при этом;
3 — первичная солнечная небула; 4 — образование Солнца и гигантских,
богатых газом планет — Юпитера и Сатурна; 5 — сильный ионизированный газ — солнечный ветер —
сдувает газ из внутренней зоны системы и с мелких планетезималей;
6 — образование внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет
и формирование облаков Оорта, состоящих из камней

Звезды типа Солнца — желтые карлики формируются при сжатии газопылевых облаков, масса которых должна быть не меньше 105 массы Солнца. Пробразом такого облака может служить туманность Ориона, великолепные фотографии которой сделаны космическим телескопом им. Хаббла. Почему это облако начало сжиматься? По одной из гипотез, на него мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды, ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. По другой — газопылевое облако в силу своего участия в общем вращении ГМП начало сжиматься, однако большой момент вращения не допускает дальнейшего сжатия, и облако распадается на отдельные сгустки — будущие планеты. Надо отметить, что начальный момент превращения газопылевого облака в протопланетный диск — наименее ясный момент в процессе формирования Солнечной системы.

Как бы то ни было, радиус газопылевого облака должен был быть больше радиуса орбиты девятой планеты — Плутона, равного 40 АЕ. Состав облака характеризовался 99 % газа и 1 % пылевых частиц размером в микроны. Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться, в дисковидном облаке возникли мощные турбулентные вихри, ударные волны, гравитационные приливы, перемешивающие газ облака, которое благодаря этому оставалось однородным. Время, необходимое для образования диска из облака, оценивается всего лишь в 1000 лет, газ при этом охлаждается, и образуются более крупные пылевые частицы, конденсируясь из газа, т. к. давление в облаке очень небольшое. В центральной части диска благодаря быстрому коллапсу зажглось Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска, что подтверждается конденсацией льда воды за поясом астероидов. Итак, частицы пыли перемещались к центральной плоскости диска, и чем крупнее была пылинка, тем быстрее она «падала». Внешние слои диска теряли газ по причине его нагревания излучением молодого Солнца и мощного потока ионизованной плазмы — солнечного ветра. Формирование пылевого субдиска в центральной части первичного газопылевого диска оценивается всего лишь в 105 лет. Когда плотность пылевых частиц в субдиске достигла некоторого критического значения, диск стал гравитационно неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причем чем выше была плотность в сгущении, тем оно быстрее увеличивалось в размерах. Плотные сгустки, размером с хороший астероид, сталкиваясь, объединялись и, увеличиваясь в размерах, превращались в рой планетезималей размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей возможно только при небольшой скорости, соударении и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление. Не исключено, что в облаке Оорта на краю Солнечной системы сохранились еще допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитационным возмущениям со стороны планет-гигантов. Образование планетезималей заняло не более 1 млн лет, т. е. произошло по космическим меркам почти мгновенно.

Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей, занявшая уже гораздо больше времени, около 1000 млн лет. Современное численное моделирование позволяет рассчитывать скорости допланетных тел и распределение их масс. Эти тела двигались по круговым орбитам, сталкиваясь друг с другом, разрушаясь, выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное, оно не разваливалось от ударов, а, наоборот, присоединяло к себе другие частицы и
планетезимали. Чем больше было тело, тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами, изменяя их орбиты. Именно в этих наиболее крупных телах и сосредоточивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет. Одно из основных условий роста тел — это низкая скорость их столкновения, не превышающая 1 м/сек. Образование группы внутренних планет происходило за счет соударений каменных планетезималей в отсутствие легких газов, которые удалялись солнечным ветром. Но планеты-гиганты, вернее, их силикатные ядра становились уже в 2–3 раза тяжелее Земли и сумели удержать водородно-гелиевую газовую оболочку. Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров — примерно в 50 раз больше Земли, он присоединил к себе весь газ из окружающего пространства, и далее аккреция пошла уже намного медленнее.

Сатурн, который расположен дальше от Солнца, рос медленнее. По составу он отличается от Солнца сильнее, чем Юпитер. Точно так же, двухступенчато, росли и остальные планеты-гиганты. Сначала формировались ядра, а затем происходила аккреция газов. Огромное количество энергии, высвобождавшееся при аккреции, нагревало внешние газовые оболочки планет-гигантов до нескольких тысяч градусов. Любопытно, что когда формировались спутники Юпитера, то ближе к нему расположенные, особенно Ио и в меньшей степени Европа, состояли из каменного вещества, т. к. температура на этих орбитах была выше температуры конденсации водяного пара. Дальние спутники — Ганимед и Каллисто — в большей своей части состоят уже из льда воды, т. к. температура была низкой, поэтому в составе далеких спутников планет-гигантов, да и самих наиболее удаленных планет, распространены конденсаты метана, этана, аммиака и воды.

Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме, что и сами планеты. Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой ее гравитации на околопланетную орбиту. Так у планеты формируется доспутниковый диск, из которого путем аккреции образуются спутники.

Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос формирования Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого внешнего ядра и твердой мантии с тонкой оболочкой — твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?

На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагает, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железоникелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.

Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км, т. е. аккретировались уже «готовые» силикатные фазы и металлы, как полагает А. А. Ярошевский. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра, или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? На этот вопрос однозначного ответа не существует, но предпочтение отдается второму варианту. Процесс аккреции — столкновение планетезималей размером до 1000 км — сопровождался большим выделением энергии с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т. е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих компонентов в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты, по современным данным, длился около 500 млн лет и проходил в три фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93–95 %, и эта фаза закончилась к рубежу 4,4–4,5 млрд лет, т. е. длилась около 100 млн лет. Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн лет. Наконец, третья фаза продолжительностью до 400 млн лет (3,8–3,9 млрд лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне.

Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение. Даже в начале ХХ в. ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.

Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1–2 тыс. км. Если же все-таки температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация — более тяжелые элементы, например железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов — плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла — это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли — Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например в мантии она могла достигнуть +1500 °С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако уже 3,5–3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли 4,6 млрд лет, у Земли были твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее ядро и твердая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердой мантии.

Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и в наше время, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.

1.2.7. Строение Луны

Луна — это единственный спутник Земли, всегда обращенный к ней одной и той же стороной и вращающийся вокруг Земли по законам Кеплера — вблизи апогея медленнее, вблизи перигея — быстрее. Однако вокруг оси Луна вращается равномерно, и время ее обращения вокруг оси равняется сидерическому (звездному) месяцу. Двойная система Земля — Луна сказывается на Земле и Луне. Известно, что влияние Луны вызывает приливы на Земле, но т. к. Земля в 81 раз массивнее Луны, то и приливы на Луне намного сильнее. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т. е. периодом вращения Луны относительно звезд. Центр масс двойной системы Земля — Луна находится в 4750 км от центра Земли внутри планеты. Поверхность Луны, в том числе ее обратная, невидимая, сторона, прекрасно изучена с помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами, неоднократно бывавшими на поверхности Луны и собравшими несколько тонн лунных пород. Среднее удаление Луны от Земли 384 тыс. км, диаметр Луны 3476 км, масса 7,33 ⋅ 1022 кг, средняя плотность 3,33 г/см3. Атмосфера на Луне отсутствует из-за малых ее размеров, температура на экваторе днем достигает +130°С, а ночью –150 °С. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17 % поверхности, вторые — 83 %. Материки, более светлые участки поверхности Луны, — это относительно древние, брекчированные породы с большим количеством плагиоклаза — анортита. Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров, образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4–3,9 млрд лет назад.

Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых лав, излившихся 3,9–3 млрд лет назад, т. е. они более молодые и метеоритных кратеров на них меньше. Поверхность Луны покрыта рыхлым грунтом — реголитом, образовавшимся при ударах метеоритов и раздроблении пород. Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной метеоритной атаки Земли в этот же интервал времени, 3,9–4 млрд лет назад.

Сила тяжести на Луне равна 1/6 земной, и у нее есть очень слабое магнитное поле неизвестного происхождения. Измерения силы тяжести показали скопление плотных масс — масконов под лунными морями. На Луне выделяется кора, мощностью до 60 км и скоростью сейсмических волн Vр — 7–7,7 км/с; литосфера, или верхняя и средняя мантия, до глубины 1000 км; нижняя мантия (астеносфера), частично расплавленная, как и ядро, с глубины 1500 км до глубины 1740 км (рис. 1.16). Через них не проходят поперечные сейсмические волны. Приливные лунотрясения, выявленные с помощью сейсмографов, установленных на поверхности Луны экспедициями «Аполлонов» с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.

Рис. 1.16. Строение, состояние и состав лунных недр
(по А. Т. Базилевскому и др., 1981)

Существуют три главные гипотезы о происхождении Луны. По одной из них Луна отделилась от Земли, по другой — Луна была захвачена уже «готовой» силами притяжения Земли, по третьей, разработанной в 60-е гг. XX в. российской ученой Е. Л. Рускол, Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей. Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии (США) после длительных компьютерных расчетов показали, что Луна образовалась в результате столкновения Земли по касательной с космическим телом размером с Марс. Выброшенные в космос обломки стали вращаться по круговой орбите, слипаясь в шаровидное тело — Луну. Было это 4,5 млрд лет назад. Любая из гипотез должна объяснить отличия в химическом составе лунных пород от земных и различия в плотности небесных тел.

В заключение этого раздела необходимо подчеркнуть, что сравнительная планетология дает чрезвычайно много для понимания ранней истории Земли, скрытой от геологов последующими процессами.

---