Орленок В.В. История океанизации Земли

Подождите немного. Документ загружается.

Источником воды на планетах являются термохимические процес-

сы взаимодействия дигидридов и пероксидов металлов с участием раз-

личных катализаторов (карбидов, сульфидов, нитридов металлов и их

окислов) в зоне внешнего ядра, где вследствие давления реализуются

необходимые для запуска термохимического реактора температура и

давление

MeH

+ MeO -> MeO + Me + H

Известно, что при уменьшении давления происходит бурная диссо-

циация гидридов:

MeH

Me + H

Потоки водорода, взаимодействуя с окислами металлов, а также с

кремнеземом в верхах кислородно-силикатной оболочки, продуциру-

ют главнейший продукт - воду:

SiO

+ H

-> SiO

+ H

O + Q,

MeO

+ H

MeO + H

O + Q

Карбиды, нитриды, фосфиды металлов, взаимодействуя с водой, обра-

зуют вулканические дымы, формирующие атмосферу планеты:

C + ЗН

0 -> CH

+ ЗМеО + H

+ Q и т.д.

По мере подъема внешней границы жидкого ядра и вовлечения в тер-

мохимическую переработку все более высоких горизонтов оболочки,

вследствие прогрессивного уменьшения давления, повышения хими-

ческого потенциала протовещества, его разложение будет идти более

интенсивно. Существует, возможно, критический порог глубин, выше

и ниже которого указанные реакции идут менее интенсивно Достиже-

ние этого порога может быть одной из причин усиления дегидратации

в условиях Земли Однако нельзя исключить и другой фактор - посте-

пенное накопление под подошвой литосферы, а точнее, на глубине 100

- 200 км (вследствие теплоизолирующего влияния верхней каменной

оболочки) избытков тепла и летучих, выносимых из зоны внешнего

ядра В этом плане представляется необъяснимым предположение о

существовании ледяных комет и астероидов, малых ледяных спутни-

ков планет, термодинамика которых исключает какую-либо возмож-

ность их внутренней активности и, следовательно, производства воды

Это тела, где возможна лишь поверхностная активность за счет взаи-

модействия с солнечным излучением (при близком пролете от Свети-

ла) и с падающими метеоритами. Возникающая при этом молекуляр-

ная вода будет немедленно диссоциирована под воздействием солнеч-

ного излучения, как это имеет место в атмосфере Земли. Однако воз-

можно небольшое акклюдирование воды на пылеватых частицах и за-

191

мерзших газах вдали от Солнца. При пролете вблизи Светила они бу-

дут быстро испаряться, образуя светящиеся хвосты, хорошо видимые в

ночном небе. Альтернативное допущение разогрева астеносферы за

счет повышенной концентрации здесь радиоактивных не подтвержда-

ется вулканизмом В лавах и газах вулканов, корни которых, как пра-

вило, лежат в пределах астеносферных глубин, не отмечается повыше-

ние радиоактивности С другой стороны, значительная (на несколько

порядков) повышенная концентрация радиоактивных в коре не приво-

дит к образованию в ней зон расплавов Однако многочисленные дан-

ные о раннем (более 3,5-IO

лет назад) крупномасштабном образова-

нии гранитоидных и основных лав различных метаморфических пород

(Салоп, 1972) трудно объяснить развитием только термодинамических

процессов В ранней Земле, планетах и Солнце, видимо, значительную

роль сыграл распад короткоживущих изотопов

2fl

Al,

Be, "

Ч,

С1,

227

Nb и

т.д. с периодом полураспада IO

- IO

лет (Соботович, 1984). Благодаря

их большой концентрации в первые сотни миллионов лет на неболь-

ших глубинах могли возникнуть многочисленные очаги расплавов,

которые и послужили источниками образования ранней коры С их

вымиранием основным источником вулканизма становятся термоди-

намически обусловленные процессы распада протовещества на уровне

внешнего ядра

Теперь обратимся к планетам-гигантам - Юпитеру, Сатурну, Урану

и Нептуну, - имеющим соответствующие массы 1, 9-10 г, 5,5-10 г,

8,4-IO

г, 1,0- IO

г (табл. 7).

Таблица 7

Радиусы твердого тела планет и мощности их атмосфер

(по Кесареву, 1976)

Планета Радиус, км

Средняя

твердого тела

атмосферы

общий

плотность, г/см

Сатурн 20765 37000 57765

5.85

Юпитер

40420

29265

69685

6.84

Нептун

16300 6575

22875

5.60

Уран

15580 8520

24100 5.55

Столь огромные, в сравнении с земной, массы должны создавать в

недрах планет более высокие давления и температуру Расчеты пока-

зывают, что, например, у Юпитера давление в центре достигает 8 -

10 атм, а температура 2,5-IO

К. Несколько меньшие, но такого поряд-

ка величины PT должны быть и на других планетах-гигантах

192

Согласно существующим представлениям, вошедшим и в учебники

астрономии, все планеты-гиганты сложены преимущественно водоро-

дом и гелием. Однако, несмотря на длительную разработку этой кон-

цепции, в ней много неясного и противоречивого Например, как со-

отнести такой факт, что спутники этих «водородных» планет сложены

таким же каменным материалом, что и планеты земной группы. Это

хорошо видно из расчетов их средней плотности и на фотографиях с

космических аппаратов Более того, на спутнике Юпитера Ио обна-

ружено семь действующих вулканов, а на двух других - Ганимеде и

Европе - поверхность покрыта мощным слоем льда Это ясные следы

криогенизации, эквиваленте земной океанизации, возникающей в ус-

ловиях дефицита солнечного тепла Если же обратиться к оценке со-

става первичного материнского облака, из которого формировалась

Солнечная система, то, согласно современной гетерогенно-полихрон-

ной концепции (Соботович, Рудник, 1983), он был физически и хими-

чески весьма разнороден и содержал крупные, разновозрастные релик-

товые фрагменты ранее разрушившихся звездных систем. Все планеты

должны были иметь зародыши, ядра конденсации, состоящие из тяже-

лых металлических фрагментов, вокруг которых лавинообразно нара-

щивался пылегазовый материал облака. Поэтому совершенно непо-

нятна причина конденсации легчайшего водорода в гигантскую массу

Юпитера или Сатурна. Юпитер со своими 17 спутниками - это, по су-

ществу, еще одна Солнечная система, которой лишь случайно не хва-

тило немного массы, чтобы «царь планет» зажегся второй звездой.

Если быть последовательным и исходить из универсальности хи-

мического состава вещества Солнечной системы, то было бы логичнее

и плодотворнее выводить модель внутреннего строения и эволюции

планет-гигантов по образцу Земли.

Таблица

<У

Галилеевы спутники Юпитера

Название

Блеск

Расстояние Период

иаметр

Масса от

спутника от Юпите-

обращения. от диаметра

массы

ра. тыс. KM СУТКИ KM ЛУНЫ ЛУНЫ

4.8

422

1.769

3640

1.05 1.21

Европа 5.2

671

3.551 3130

0.90 0.66

Ганимед 4,5

1070 7.155 5280 1.52 2,02

Каллисто 5.5

1881 12.689

4840 1.38

1.44

193

Внешний облик планет-гигантов находится в полном соответствии

с их массой Они обладают мощной и плотной атмосферой, сильным

магнитным полем Все это указывает на наличие мощного вулканизма

и обширного жидкого ядра. В таблице 7 приведены радиусы твердого

тела рассматриваемых планет и мощности их атмосфер, рассчитанные

исходя из единства состава протовещества Солнечной системы (Кеса-

рев, 1976).

В какой стадии эволюции в сравнении с Землей находятся в на-

стоящее время эти планеты

Мощная и плотная атмосфера на Юпитере, Сатурне, Уране и Неп-

туне при продолжающемся исключительно активном вулканизме

должны создать парниковый эффект на твердой поверхности планет.

Поэтому она может быть раскалена подобно венерианской на несколь-

ко сот градусов Цельсия В этих условиях вся выносимая вулканами

вода, полностью испаряясь, переходит в атмосферу. И действительно,

наряду с водородом и гелием в верхних слоях атмосферы Юпитера об-

наружены водяной пар, метан, аммиак, т.е. состав газов аналогичен

глубинным газам Земли

Вероятно, такие же условия существовали на ранней Земле, когда

Солнце пребывало в стадии менее горячей звезды - красного спек-

трального класса Отсутствие на ранней Земле достаточно больших

количеств свободной воды или пребывание ее в виде ледяных покро-

вов (из-за холодного Солнца) при интенсивном вулканизме неизбежно

должно было привести к образованию мощной углекислой атмосферы

Вымывание углекислоты из атмосферы начинается с появлением

на поверхности планеты морских бассейнов, в которых она связывает-

ся в карбонатную систему Древнейшие карбонатные породы Земли

имеют возраст 3,9 млрд лет, следовательно, такой же возраст должны

иметь и первые моря на нашей планете

Разница в составе атмосфер Юпитера и Земли обусловлена не их

принципиально различным строением, а тем, что земная атмосфера

при наличии океана и мощного солнечного излучения эволюциониру-

ет дальше юпитерианской Фотолиз на Юпитере ограничен, поэтому

водород, метан, аммиак верхних слоев относительно стабильны Сле-

дует ожидать, однако, что нижние отделы атмосферы планет-гигантов

более разнообразны по составу

В целом же необходимо признать, что наличие CO

, других вулка-

нических дымов в атмосферах планет служит показателем отсутствия

на их поверхности свободной воды В будущем, по мере ослабления

194

парникового эффекта и остывания поверхности, Юпитер, Сатурн,

Уран и Нептун должны испытать мощную криогенизацию. Многоки-

лометровые покровы льда надолго закроют поверхность этих планет.

Но поскольку запасы протовещества по массе на этих планетах значи-

тельно превосходят земные, то финальный этап криогенизации насту-

пит на них значительно позже, чем океанизация на Земле.

[Корона

-Ядерные

реакции.

6.9. Солнце - строение и эволюция

С единых позиций универсальности вещества при разнообразии

масс мы должны подходить и к проблеме строения и эволюции Солн-

ца (рис. 26).

„7.

300 HM

фотосфера

Зона переноса, *"*р-А\

гни излучение*" / Конвективная.

зона

Рис. 26 Внутреннее строение Солнца

Современное состояние этого астрономического объекта также на-

ходится в полном соответствии с его гигантской массой, равной

2-10'

г и заключающей более 99% всей массы вещества Солнечной

системы В центре такой массы давление развивается в сотни милли-

195

ардов атмосфер, а температура достигает более 15 млн. градусов Пус-

ковой температурой, с которой термохимические реакции перерастают

в реакции термоядерного синтеза, является температура 10 млн. Кель-

вина. С этого момента тело вступает на звездный путь эволюции.

Концепция полностью водородного состава Солнца была выведена

из анализа звездных атмосфер Преимущественно водородный состав

их был перенесен и на весь объем Светила В этой модели мы встреча-

емся с теми же трудностями, что и при реконструкции истории планет.

Неясно, как и почему произошла фрагментация гетерогенного по со-

ставу материнского облака на газовую и твердокомпонентную фрак-

ции и каким образом легчайший газ водород был сконденсирован в

самую большую массу, в то время как на строительство планет пошел

более тяжелый железокаменный материал

В результате взрыва Сверхновой разнообразные участки обширно-

го материнского облака должны были получить различный момент

количества движения Это могла быть главная спираль и много пери-

ферийных (Шило, 1988) (рис 28). Механизм конденсации центральной

и периферийных масс был неизбежно общим Различным было лишь

количество вещества, заключенное в области гравитационного захвата

каждой из спиралей. Следовательно, конденсация главной массы сис-

темы происходила по тем же законам, что и конденсация планет, осо-

бенно на начальной стадии аккреции. Центром конденсации быстро

вращающейся туманности стали наиболее крупные и массивные фраг-

менты реликтового материала преимущественно металлического со-

става, объединенные радиоактивными Они образовали гигантское ме-

таллическое ядро будущей звезды, которое стало центром стремитель-

ной аккреции газопылевой фракции небулярного облака Вращение

прототуманности и растущего зародыша не должно было быть боль-

шим В противном случае, центробежные силы, уравновешивая силы

гравитационного притяжения, помешали бы конденсации масс. Так,

при несоблюдении неравенства Пуанкаре

< 2п£т,

где ш - угловая скорость вращения тела, т - средняя плотность вещест-

ва, конденсация не состоится совсем По этой же причине физически

никак не обосновывается конденсация в звездную массу легчайшего

водорода. Так, по закону Стокса, железные частицы материнского об-

лака будут падать на поверхность ядра в миллионы раз быстрее сили-

катных,

тем более газовых.

196

СО см из о

1924

со

(О

3 5

1Л

СО

<л

о»

1924

СП

о>

СП

о> о>

т—

*- *-

1924

***

Рис. 27 Солнечная активность за последние 100 лет.

С 1998 по 2005 гг. - прогнозные значения, в числах Вольфа W

спираль

третьего

порядка

спираль

второго

порядка

О Солнце

\ Юпитер

г ^ Ш S

-I* I ^ fmM

4л Wfti

спираль

первого

порядка

$ Меркурий

^ Сатурн

9 Венера

6 Уран

Ф Земля

Нептун

<5 Марс

Плутон

Рис. 28 Спиралевидное развитие Солнечной системы (Шило, 1988)

После образования крупного металлического ядра, масса которого

во много раз превышала массу Земли, процесс гравитационного зах-

вата частиц неизбежно принял лавинообразный характер. Он сопро-

вождался выделением большого количества тепла при столкновении

особенно крупных частиц с поверхностью массивного ядра, достаточ-

ного для расплава формирующейся оболочки. По мере вычерпывания

материнского облака в главном витке спирали туманности размеры

падающих частиц и их масса постепенно уменьшались. Вместе с ними

уменьшалась и кинетическая энергия захватываемых частиц Поэтому

верхние слои протосолнца формировались холодными

Таким образом, первоначальная структура протосолнца мало чем

отличалась от современного Юпитера - над мощным металлическим

ядром располагалась зона расплава, перекрытая холодной внешней

оболочкой По мере возрастания гравитационного сжатия, происхо-

дившего не только за счет наращивания массы, но и благодаря умень-

шению угловой скорости вращения протосолнца за счет роста радиуса

и тормозящего эффекта магнитного поля, появившегося одновремен-

но с образованием внешнего жидкого ядра, возникли благоприятные

условия для запуска термохимического реактора взаимодействия ди-

гидридов и пероксидов металлов. Процесс этот термодинамически

был возможен лишь на внешней границе расплава или даже в верхней

оболочке Он должен был инициировать мощный вулканизм Горячая

газовая атмосфера на десятки тысяч километров простиралась над по-

верхностью протосолнца По мере возрастания гравитационного сжа-

тия и роста температуры за атомный порог 10 млн. градусов, химиче-

ские процессы стали перерастать в термоядерные Как известно, наи-

более вероятна в термодинамических условиях протосолнца реакция

превращения четырех ядер атомов водорода в гелий с выделением

энергии, так называемая реакция протон-протонного цикла:

4Н

4Не + 28,5 Мэв

Только за счет гравитационного сжатия время активной жизни Свети-

ла было бы не более 30 - 40 млн лет

Если исходить из гипотезы полностью водородного состава Солн-

ца, то при наблюдаемой энергии излучения I

время активной жизни

его составит M

-0,007 с ~ IO

лет.

Этот вывод явно неприемлем, так как продолжительность излуче-

ния оказывается сравнима или даже больше времени существования

Метагалактики Кроме того, полная расчетная мощность излучения

водородного Солнца оказывается много выше наблюдаемой (3-10

Вт

199

против 4-10

'' Вт). Это значит, что кроме водорода вещество Солнца

содержит значительное количество других элементов, не участвующих

напрямую в реакции ядерного синтеза, - это металлическое ядро, раз-

личные катализаторы и др. Если же исходить из представлений об

универсальности строения протовещества Солнечной системы, тогда

количество водорода в общей массе протосолнца должно быть не бо-

лее 2% (Кесарев, 1976). В этом случае масса H

будет 4- IO

г и при на-

блюдаемой мощности излучения IO

эрг/год его продолжительность

составит всего 4- IO

лет Время жизни Солнца оценивается в 5-IO

лет

Спрашивается, как соотнести эти цифры

Почему Светило не погасло

Дело в том, что Солнце, как мы видели, не сразу стало звездой.

Первые примерно 500 млн. лет ушли на аккрецию массы, запуск и раз-

витие термохимических реакций и планетную стадию ее развития Пе-

реход термохимической реакции в термоядерную также произошел не

сразу и не повсеместно в гигантской массе протосолнца

Само время реакции протон-протонного цикла занимает не менее

1 млн. лет Постепенное вовлечение в нее все больших масс вещества

сопровождалось нагреванием и последующим проплавлением всей

вышележащей плотной оболочки С постепенным замещением холод-

ной газовой атмосферы горячей плазменной за счет выносимого к по-

верхности все большего количества лучистой энергии Солнце из про-

топланетной стадии стало переходить в протозвезду. В ходе этой эво-

люции оно неизбежно должно было пройти, по меньшей мере, три

стадии - красного спектрального класса с температурой поверхности

3500°С, оранжевого спектрального класса с температурой 5000°С и,

наконец, современную стадию желтого спектрального класса (по диа-

грамме Герцшпрунга-Рессела) с температурой фотосферы 6000°С. Мы

уже говорили, что смена последней стадии предположительно про-

изошла 350 млн. лет назад в карбоновый период, вызвав на Земле по-

всеместное бурное развитие наземного растительного мира. Таким об-

разом, из своих 5 млрд лет жизни Солнце первые примерно 2 млрд.

лет находилось в дозвездной стадии Значит, ему остается пребывать в

стадии светящейся звезды где-то менее 500 млн. лет Такова характер-

ная продолжительность жизни звезд-карликов, к каковым относится

наше Солнце. Вот уж действительно - звездами не рождаются, а ста-

новятся и путь этого становления довольно долог

Остановимся еще на одном принципиальном вопросе: о месте, где

возможны ядерные реакции. Распространено мнение, что они идут в

200