Орленок В.В. Основы геофизики

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 107. Тритон с близкого расстояния на снимке «Вояджер-2» (1989 г.)

Нептуна, так что иногда

Плутон оказывается бли-

же к Солнцу, чем Неп-

тун. Скорость вращения

Плутона вокруг оси вы-

сокая – 9 часов 17 ми-

нут. Его спутник имеет

такую же скорость и,

следовательно, всегда

Рис. 108. Плутон и Харон

обращен к нему, подобно Луне, одной стороной. Предполагается, что

Плутон – бывший спутник Нептуна. Однако после пролета вблизи

Нептуна крупного космического объекта орбита спутника изменилась.

Глава XIII. РОЛЬ МАССЫ В ЭВОЛЮЦИИ

ПРОТОВЕЩЕСТВА

§1. Планетный тип эволюции протовещества

Начавшаяся, на рубеже мезозойской и кайнозойской эр, спонтан-

ная дегидратация внутрипланетарного вещества и океанизация Земли,

явились не только важнейшей вехой в ее геологической истории, но и

выражением одного из фундаментальных свойств, видимо, присущих

планетарным системам в финале их эволюции (Орлёнок, 1980, 1985).

Обзор современного геологического состояния планет Солнечной

системы показывает существование тесной связи их внутренней ак-

тивности с массой.

Чем больше масса планеты, тем раньше начинается дегидратация,

длительней и интенсивней ее финальный всплеск. Так, в условиях Зем-

ли дегидратация и вынос на поверхность свободной воды начались

3,9 млрд. лет назад. Океанизация же наступила лишь в последние 50 –

60 млн. лет жизни планеты, и продолжительность ее для Земли опре-

деляется всего 120 – 140 млн. лет, т.е. немногим более 2% от всего пе-

риода ее геологической активности.

На планетах с массой меньше земной (на порядок и более) про-

должительность и интенсивность океанизации будут невелики. Напри-

мер, на Меркурии (М = 3,3⋅10

г), Луне (М = 7,3⋅10

г) и Марсе

(М = 6,4⋅10

г) дегидратация, начавшись одновременно с началом гео-

логической активности, закончилась много раньше полной выработкой

протовещества в центральной активной зоне планет и, конечно, не

имела таких масштабов, как на Земле. Исключение, возможно, состав-

ляет Венера, имевшая массу, сравнимую с земной (М = 4,8⋅10

г, у

Земли 5,97⋅10

г). Примерно 350 млн. лет назад на ней вполне могли

существовать морские и океанические бассейны, которые постепенно

испарились после перехода Солнца в стадию горячей звезды желтого

спектрального класса.

Что же касается метеоритов и астероидов, имеющих ничтожную в

сравнении с планетой массу – от 1,4⋅10

г (Церера) до нескольких ки-

лограммов и даже граммов, – то из-за отсутствия соответствующих

358

термодинамических условий внутри этих тел ни о какой внутренней

активности здесь не может быть и речи.

Для того чтобы понять причины различной внутренней активности

космических объектов больших и малых масс, обратимся к данным

физики высоких давлений и температур.

При нормальном давлении и температуре вещество характеризует-

ся большим разнообразием химических и физических свойств, так как

атомы и молекулы пребывают в равновесном состоянии и отличаются

множественностью комбинаций их взаимного расположения. При по-

вышении температуры происходит освобождение энергии атомов и

молекул и ускорение обмена электронами верхних оболочек атомов.

По мере роста температуры и давления уменьшается физическое и хи-

мическое разнообразие вещества. При сжатии вещества до значений

– 10

атм, какие реализуются в недрах больших планет (Земли и

Юпитера соответственно), электронные оболочки атомов деформиру-

ются и электроны становятся все менее связанными с определенным

атомом. Происходит частичная металлизация вещества. Наружные

электронные оболочки атомов вещества при давлениях 10

атм отры-

ваются, а внутренние уплотняются, что приводит к сглаживанию хи-

мических свойств вещества. Следовательно, при высоких давлениях и

температуре химический потенциал протовещества планет уменьшает-

ся. Это накладывает серьезные ограничения на возможность термохи-

мической дифференциации в широком объеме планетных недр. Хими-

ческая активность вещества становится возможной лишь в зонах, где

давление меньше 10

атм, а температура – 10

К. В условиях Земли это

могут быть верхние зоны внешнего жидкого ядра, а не вся его область,

как обычно предполагается.

При дальнейшем повышении давления до 10

атм (10

Па) веще-

ство приводится в состояние, когда термодинамически выгодными

оказываются ядерные реакции захвата электронов ядрами с одновре-

менным испусканием нейтрино. Такие условия сжатия реализуются на

Солнце.

Таким образом, термодинамический режим в недрах планет и

звезд обусловлен прежде всего давлением и температурой, которые, в

свою очередь, полностью определяются величиной первоначальной

массы астрономического тела.

Окружающий нас мир – это прежде всего иерархия масс вещества –

от элементарных частиц до макрообъектов с гигантскими астрономи-

ческими массами. Существование иерархии масс обусловлено наличи-

359

ем определенной связи между элементами вещества, не дающей им

распасться. Для того чтобы разрушить эту связь, надо преодолеть

энергию взаимодействия между элементами массы, будь то ядро или

атом, планета или звезда.

Известно четыре вида фундаментальных взаимодействий – силь-

ное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Последнее является

наиболее универсальным, т.е. существует как в макро-, так и в микро-

телах. Для тел же огромных астрономических масс гравитационное

взаимодействие приобретает решающее значение. Вместе с тем на

уровне ядерных и атомных систем, а также малых масс (метеориты,

кометы, астероиды) этот вид взаимодействия не играет сколько-нибудь

существенной роли.

Следует также отметить, что все четыре вида фундаментальных

взаимодействий, существующих в микромире, превосходят радиус

-15

м, а их длительность – 10

-8

-10

-23

с. Радиус действия гравитацион-

ных и электромагнитных взаимодействий не ограничен. Поэтому они

проявляют себя в астрономических масштабах как в пространстве, так

и во времени.

В своем анализе обстановки на других планетах мы должны исхо-

дить прежде всего из того, что нам известно по Земле. Так, показате-

лем внутренней геологической активности планет является наличие у

них атмосферы. Но источником ее может быть только вулканизм. Од-

нако мощный вулканизм не может существовать без развитого жидко-

го ядра и астеносферы. Наличие жидкого ядра, в свою очередь, генери-

рует у вращающейся планеты мощное магнитное поле. Отсутствие та-

кового у геологически активной Венеры объясняется тем, что у нее нет

осевого вращения. Планета давно остановила свое вращение, впрочем,

как и Меркурий, под действием сильного приливного торможения со

стороны гигантской массы Солнца.

С другой стороны, отсутствие у быстро вращающегося Марса со-

ответствующего по напряженности магнитного поля свидетельствует

об отсутствии у него жидкого ядра. Соответственно нет здесь и вулка-

низма и плотной атмосферы. Геологическая жизнь давно угасла на

этой планете. То же самое можно сказать и о недрах Меркурия и Луны.

Все это – трупы планет, некогда испытавших, хотя и краткую, геоло-

гическую активность, в финале которой произошла микроокеанизация.

Следы былого присутствия воды хорошо фиксируются на фотосним-

ках Марса (Кауфман, 1982), предполагаются по характеру выветрива-

ния пород на Венере. На Луне следы водной деятельности, видимо, за-

маскированы лавовыми извержениями.

360

Источником воды на планетах являются термохимические процес-

сы взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов (Кесарев, 1976)

с участием различных катализаторов (карбидов, сульфидов, нитридов

металлов и их окислов) в зоне внешнего ядра, где вследствие сжатия

реализуются необходимые для запуска термохимического реактора

термодинамические условия – температура и давление, равные соот-

ветственно 3000 К и 1,5 млн. атм: МеН

+ МеО

→ МеО + Ме + Н

О.

Известно (Семененко, 1975), что при уменьшении давления происхо-

дит бурная диссоциация гидритов: МеН

→ Ме+Н

. Потоки водорода,

взаимодействуя с окислами металлов, а также с кремнеземом в верхах

кислородно-силикатной оболочки, продуцируют главнейший плане-

тарный продукт – воду:

SiO

+ H

→ SiO + H

O + Q;

MeO

+ H

→ MeO + H

O + Q.

Карбиды, нитриды, фосфиды металлов, взаимодействуя с водой,

образуют вулканические дымы, формирующие атмосферу планеты:

Ме

С + 3Н

О → СН

+ 3МеО + Н

+ Q и т.д.

По мере подъема внешней границы жидкого ядра и вовлечения в

термохимическую переработку все более высоких горизонтов оболоч-

ки, вследствие прогрессивного уменьшения давления, повышения хи-

мического 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 на рубеже мезозой – кайнозой. Однако нельзя ис-

ключить и другой фактор – постепенное накопление под подошвой ли-

тосферы, а точнее, на глубине 100 – 200 км (вследствие теплоизоли-

рующего влияния верхней каменной оболочки), избытков тепла и ле-

тучих веществ, выносимых из зоны внешнего ядра.

Альтернативное допущение разогрева астеносферы за счет повы-

шенной концентрации здесь радиоактивных элементов не подтвержда-

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

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

ния радиоактивности. С другой стороны, значительная (на несколько

порядков) повышенная концентрация радиоактивных веществ в коре

не приводит к ее аномальному разогреву.

Вместе с тем имеются многочисленные геологические данные о

раннем (более 3,5 млрд. лет назад) крупномасштабном образовании

361

изверженных гранитоидов, базальтов, формировании различных мета-

морфических пород. Этот факт трудно объяснить только развитием

термодинамических процессов. На ранней Земле, планетах и Солнце,

видимо, значительную роль сыграл распад короткоживущих изотопов

Al,

Be,

Cl,

227

Nb и др. с периодом полураспада 10

– 10

лет (Войт-

кевич, 1979; Рудник, Соботович, 1984). Благодаря их большой концен-

трации в первые сотни миллионов лет на небольших глубинах могли

возникнуть многочисленные очаги расплавов, которые и послужили

источниками образования ранней коры. С вымиранием изотопов ос-

новным источником вулканизма становятся термодинамически обу-

словленные процессы распада протовещества на уровне внешнего яд-

ра. В этом плане представляется необъяснимым предположение о су-

ществовании ледяных комет и астероидов, малых ледяных спутников

планет, термодинамика которых исключает какую-либо возможность

их внутренней активности и, следовательно, производства воды. Это

тела, где возможна лишь поверхностная активность за счет взаимодей-

ствия с солнечным излучением (при близком пролете от Солнца) и с

падающими метеоритами. Возникающая при этом молекулярная вода

будет немедленно диссоциирована под воздействием солнечного излу-

чения, как это имеет место в атмосфере Земли. Однако возможно не-

большое акклюдирование воды на пылеватых частицах и замерзших

газах вдали от Солнца. При пролете вблизи светила они будут быстро

испаряться, образуя светящиеся хвосты, хорошо видимые в ночном не-

бе.

Теперь обратимся к планетам-гигантам – Юпитеру, Сатурну, Ура-

ну и Нептуну, имеющим, соответственно, массы 1,9⋅10

г, 5,5⋅10

г,

8,4⋅10

г и 1,0⋅10

г. Столь огромные в сравнении с земной массы

должны создавать в недрах планет более высокие давления и темпера-

туры. Расчеты показывают, что, например, у Юпитера давление в цен-

тре достигает 8⋅10

атм, а температура 2,5⋅10

К (Хаббард, 1987). Не-

сколько меньше, но такого же порядка величины должны быть и на

других планетах-гигантах (Жарков, 1978).

Согласно существующим представлениям, вошедшим в учебники

астрономии, все планеты-гиганты сложены преимущественно водоро-

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

цепции, в ней по-прежнему остается много неясного и противоречиво-

го. Например, как объяснить тот факт, что спутники этих «водород-

ных» планет сложены таким же каменным материалом, что и планеты

земной группы? Это хорошо видно из расчетов их средней плотности и

362

на фотографиях с космических аппаратов (Кауфман, 1982). Более того,

на спутнике Юпитера Ио обнаружено семь действующих вулканов, а

на других – Ганимеде и Европе – поверхность покрыта мощным слоем

льда. Это ясные следы криогенизации, эквивалентные земной океани-

зации, возникающие в условиях дефицита солнечного тепла. Если же

обратиться к оценке состава первичного материнского облака, из кото-

рого формировалась Солнечная система, то, согласно современной ге-

терогенно-полихронной концепции, оно было физически и химически

весьма разнородно и содержало крупные разновозрастные реликтовые

фрагменты ранее разрушившихся звездных систем. Все планеты долж-

ны были иметь зародыши, ядра конденсации, состоящие из тяжелых

металлических фрагментов, вокруг которых лавинообразно наращи-

вался пылегазовый материал облака. Поэтому совершенно непонятна

причина конденсации легчайшего водорода в гигантскую массу Юпи-

тера или Сатурна. Юпитер со своими 16 спутниками – это, по сущест-

ву, еще одна Солнечная система, которой лишь случайно не хватило

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

Если быть последовательными 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.

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. Ниже (табл. XIII.1) приведены радиусы

твердого тела рассматриваемых планет и мощности их атмосферы,

рассчитанные исходя из единства состава протовещества Солнечной

системы (Кесарев, 1976):

Таблица XIII.1

Радиусы твердого тела планет и мощности

их атмосфер (по Кесареву, 1976)

Планета Радиус твердого Радиус, км Средняя плот-

тела, км атмосферы общий ность, 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

363

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

стоящее время эти планеты?

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

туне при продолжающемся исключительно активном вулканизме

должна была создать парниковый эффект на твердой поверхности пла-

нет. Поэтому она может быть раскалена, подобно венерианской, до не-

скольких сот градусов Цельсия. В этих условиях вся выносимая вулка-

нами вода, полностью испаряясь, переходит в атмосферу. И действи-

тельно, наряду с водородом и гелием в верхних слоях атмосферы

Юпитера обнаружены 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 связывается 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 эволюционирует

дальше юпитерианской. Фотолиз на Юпитере ограничен, поэтому во-

дород, аммиак, метан верхних слоев относительно стабильны. Следует

ожидать, однако, что нижние слои атмосфер планет-гигантов более

разнообразны по составу. В целом же необходимо признать, что нали-

чие СО

, других вулканических дымов в атмосферах планет служит

показателем отсутствия на их поверхности свободной воды. В буду-

щем, по мере ослабления парникового эффекта и остывания поверхно-

сти, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны испытать мощную крио-

генизацию: многокилометровые покровы льда надолго закроют по-

верхность этих планет. Но поскольку запасы протовещества по массе

на этих планетах значительно превосходят земные, то финальный этап

криогенизации наступит на них значительно позже, чем океанизация

на Земле.

364

§2. Звездный (солнечный) тип эволюции протовещества

С единых позиций универсальности вещества при разнообразии

масс мы должны подходить к проблеме строения и эволюции Солнца и

звезд с массой, близкой солнечной. Современное состояние этого ас-

трономического объекта также находится в полном соответствии с его

гигантской массой, равной 2⋅10

г и заключающей более 99% всей

массы вещества Солнечной системы. В центре такой массы развивает-

ся давление в сотни миллиардов атмосфер, а температура достигает

более 15 млн. градусов Кельвина. Пусковой температурой, с которой

термохимические реакции перерастают в реакции термоядерного син-

теза, является, как известно, температура 10 млн. градусов Кельвина. С

этого момента тело вступает на звездный путь эволюции.

Концепция полностью водородного состава Солнца была выведена

из анализа звездных атмосфер. Их преимущественно водородный со-

став был перенесен и на весь объем Светила. В этой модели мы встре-

чаемся с теми же трудностями, что и при реконструкции истории пла-

нет. Не ясно, как и почему произошла фрагментация гетерогенного по

составу материнского облака на газовую и твердомонолитную фрак-

ции и каким образом легчайший газ водород был сконденсирован в са-

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

более тяжелый железокаменный материал? Механизм конденсации

центральной и периферийных масс был неизбежно общим. Различным

было лишь количество вещества, заключенное в области гравитацион-

ного захвата каждой из спиралей (см. гл. XV), т.е. конденсация главной

массы системы происходила по тем же законам, что и конденсация

планет, особенно на начальной стадии аккреции.

Центром конденсации быстро вращающейся туманности стали

наиболее крупные и массивные фрагменты реликтового материала

преимущественно металлического состава, обедненные радиоактив-

ными элементами. Они образовали гигантское металлическое ядро бу-

дущей звезды, которое стало центром стремительной аккреции газо-

пылевой фракции небулярного облака. Вращение прототуманности и

растущего зародыша не должно было быть большим. В противном

случае центробежные силы, уравновешивая силы гравитационного

притяжения, помешали бы конденсации масс. Так, при несоблюдении

неравенства Пуанкаре

< 2

, где

– угловая скорость вращения

тела;

– средняя плотность вещества, конденсация не состоится со-

всем. По этой же причине физически никак не обосновывается конден-

365

сация в звездную массу легчайшего водорода. Так, по закону Стокса,

железные частицы материнского облака будут падать на поверхность

ядра в миллионы раз быстрее силикатных и тем более газовых.

После образования крупного металлического ядра, масса которого

во много раз превышала массу Земли, процесс гравитационного захва-

та частиц неизбежно принял лавинообразный характер. Первоначально

он сопровождался выделением большого количества тепла при столк-

новении особенно крупных частиц с поверхностью массивного ядра,

достаточного для расплава формирующейся оболочки. По мере вычер-

пывания материнского облака в главном витке спирали туманности

размеры падающих частиц и их масса постепенно уменьшались. Вме-

сте с ними уменьшалась и кинетическая энергия захватываемых час-

тиц, поэтому верхние слои протосолнца формировались холодными.

Таким образом, первоначальная структура протосолнца мало чем

отличалась от современного Юпитера, кроме, конечно, размеров. Над

мощным металлическим ядром располагалась зона расплава, перекры-

тая холодной внешней оболочкой. По мере возрастания гравитацион-

ного сжатия, происходившего не только за счет наращивания массы,

но и благодаря уменьшению угловой скорости вращения протосолнца

за счет роста радиуса и тормозящего эффекта магнитного поля, поя-

вившегося одновременно с образованием внешнего жидкого ядра, воз-

никли благоприятные условия для запуска термохимического реактора

взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов. Процесс этот тер-

модинамически был возможен лишь на внешней границе расплава или

даже в верхней оболочке. Он должен был инициировать мощный вул-

канизм. Горячая газовая атмосфера на десятки тысяч километров про-

стиралась над поверхностью протосолнца. По мере возрастания грави-

тационного сжатия и роста температуры за атомный порог 10 млн. гра-

дусов Кельвина химические процессы стали перерастать в термоядер-

ные. Как известно, наиболее вероятна в термодинамических условиях

протосолнца реакция превращения четырех ядер атомов водорода в

гелий с выделением энергии, реакция протон-протонного (РР) цикла:

4Н →

Не + 28,5 Мэв.

Только за счет гравитационного сжатия время активной жизни

Солнца было бы не более 30 – 40 млн. лет. Однако в последние годы

стало известно, что кроме протон-протонной реакции при более низких

температурах порядка 1⋅10

К могут идти реакции протонов с ядрами

легких элементов – дейтерия, лития, бериллия и бора – типа