Чтение онлайн

Чтобы оценить редкость «двойных планет», нам нужно понять, как сформировалась Луна. В течение многих лет формирование Луны было одной из давних проблем планетологии. Было предложено несколько механизмов, включая совместную аккрецию (при которой Земля и Луна сформировались одновременно из газа и пыли солнечной туманности), деление (при котором Земля сформировалась первой, но вращалась так быстро, что большой кусок материала оторвался и сформировал Луну) и захват (при котором два объекта сформировались в разных местах солнечной туманности, а затем Луна оказалась захваченной на орбиту после того, как подошла слишком близко к Земле). Все эти механизмы испытывали трудности в объяснении нескольких важных особенностей системы Земля-Луна, но была надежда, что анализ лунных пород, доставленных миссиями «Аполлон», подтвердит один из них. Вместо этого стало ясно, что ни одна из этих идей не работает. Нужна была новая теория формирования Луны.

В 1975 году две группы независимо друг от друга предложили гипотезу[342] столкновения для объяснения происхождения Луны. Они постулировали, что объект размером с Марс, которому с тех пор дали имя Тейя, ударил по молодой Земле под углом. Невообразимо сильное столкновение выбросило смесь земного материала и материала ударника на орбиту вокруг Земли, и этот материал быстро сконденсировался, образовав Луну.

Теперь ученые не любят прибегать к катастрофическим событиям для объяснения своих наблюдений, но мы знаем, что Земля на протяжении своей истории подвергалась ударам различных объектов; и осевые наклоны планет предполагают, что действительно сильные столкновения не были редкостью в ранней Солнечной системе. Столкновение с объектом, таким как Тейя, безусловно, было бы возможно.

Рис. 5.14 Восход Земли, видимый из района Моря Смита на Луне. Фотография была сделана 20 июля 1969 года во время миссии «Аполлон–11». (Автор: НАСА)

Следует признать, что детали столкновения все еще оспариваются. Рассмотрим, например, тот факт, что лунные породы, доставленные миссиями «Аполлон», имеют точно такое же соотношение трех различных изотопов кислорода (16O,17O и 18O), какое обнаруживается в земных породах; марсианские породы и метеориты показывают иное изотопное соотношение. Аналогично, соотношение двух изотопов титана (47Ti и 50Ti) идентично в земных и лунных породах[343] и отличается от всех остальных мест в Солнечной системе. Это довольно загадочно в сценарии гигантского столкновения, потому что большая часть вещества Луны должна была поступить от Тейи, которая вряд ли имела такой же изотопный состав, как Земля. Еще одна проблема со сценарием Тейи заключается в том, что столкновение должно было создать поверхностный океан магмы — однако нет никаких доказательств того, что Земля когда-либо обладала магматическим океаном. Тем не менее, столкновение между Землей и Тейей является в настоящее время принятой гипотезой происхождения Луны.

Рис. 5.15 Земля и Луна: двойная планета. (Автор: ESA/AOES Medialab)

Если наша Луна действительно была следствием гигантского столкновения, то уникальность двойной планеты Земля-Луна в нашей Солнечной системе не должна вызывать особого удивления. Хотя сильные столкновения в ранней Солнечной системе были обычным явлением, катастрофические столкновения, формирующие луны, могли быть редкостью. Возможно, молодым Меркурию, Венере и Марсу просто посчастливилось увернуться от более крупных снарядов. Или, возможно, они были поражены, но пережили столкновение «не того типа» или на неправильной стадии развития.[344] Столкновение, сформировавшее Луну, произошло в критический момент. Если бы оно произошло намного раньше, когда Земля была менее массивной, то большая часть обломков от столкновения оказалась бы в космосе, и Луна была бы небольшим объектом. Если бы столкновение произошло намного позже, то Земля была бы более массивной, и ее большая поверхностная гравитация помешала бы выбросу достаточной массы для формирования большой Луны.

В то время как первоначальные сценарии формирования Луны подразумевали, что наша Луна была почти естественным побочным продуктом планетарного формирования, гипотеза столкновения намекает на то, что система Земля-Луна может быть исключительной. Представьте себе совокупность первичных звездных туманностей, каждая из которых идентична туманности, из которой сформировалась наша Солнечная система. Возможно, только 1 из 10, или 1 из 100, или 1 из 1000 породила бы землеподобную планету с Луной такой же большой, как наша. Возможно, эта цифра составляет 1 к 1 000 000. Мы понятия не имеем — и потребуются огромные успехи в наблюдательной астрономии, прежде чем мы сможем обнаружить, обладают ли внесолнечные земные планеты спутниками такими же большими, как Луна. С нашими нынешними знаниями вполне возможно полагать, что Земля необычна тем, что обладает таким большим спутником.

Даже если Луна редка, ну и что? Если бы Земля была безлунной, то поэты на протяжении веков потеряли бы источник вдохновения. Возможно, научное развитие человечества пострадало бы, поскольку исторически Луна играла большую роль в продвижении нашего понимания астрономии. Но была ли бы сама жизнь действительно какой-то другой?[345]

Луна для Венеры?Предполагалось, что у Венеры когда-то был большой спутник, который сформировался так же, как Луна, но следовал по ретроградной орбите: другими словами, он вращался вокруг Венеры в «неправильном» направлении. Такая орбита, безусловно, могла бы возникнуть, если бы спутник был создан в результате столкновения. Однако, в то время как приливные силы заставляют нашу Луну удаляться от Земли, в случае ретроградной орбиты эти силы действовали бы в противоположном направлении. Спутник на ретроградной орбите движется к планете и в конечном итоге разрушается. Такова судьба Тритона, самого большого из спутников Нептуна.

Есть несколько способов, которыми Луна оказывала или действительно продолжает оказывать влияние на Землю. Например, Луна вызывает океанские приливы. Вскоре после того, как Луна сформировалась, она была гораздо ближе к Земле, чем сейчас, поэтому приливы 4 миллиарда лет назад были бы огромными — рай для серферов. Было высказано предположение, что эти большие приливы были фактором зарождения жизни, возможно, действуя как гигантский смеситель первичного бульона и создавая богатые питательными веществами водоемы, где могла зародиться жизнь. Даже без Луны у нас все равно были бы океанские приливы: Солнце вызывает приливы примерно вдвое меньше нынешних лунных приливов. Однако мы бы упустили сизигийные и квадратурные приливы, которые зависят от относительного положения Солнца и Луны.

Более тонкий лунный приливный эффект возникает из-за его влияния на земную кору. Эффект гравитации Луны мог усилить вулканическую активность на Земле и увеличить дрейф континентов. Так что возможно, хотя и не точно, что безлунная Земля была бы менее геологически активной; атмосфера Земли, образовавшаяся в результате вулканической дегазации, могла бы занять гораздо больше времени, чтобы достичь стадии, на которой могла бы возникнуть жизнь. Мы обсуждали важность тектоники плит в Решении 62.

Однако наиболее важным эффектом, который следует рассмотреть, является то, как Луна влияет на наклон оси вращения Земли. Восемь планет вращаются вокруг Солнца в одной плоскости или вблизи нее; наклон оси вращения — или осевой наклон — планеты — это угол наклона ее экватора к этой орбитальной плоскости. Наклон оси вращения Земли в 23,5° приводит к приятным временам года, которыми мы наслаждаемся. Другим планетам повезло меньше. У Меркурия наклон оси вращения 0°, поэтому его экваториальные области напоминают ад. Жизнь, какой мы ее знаем, не могла бы выжить. (Интересно, что наблюдатель на любом из полюсов Меркурия увидел бы Солнце всегда на горизонте. Относительно мало солнечной энергии может быть поглощено на полюсах, и действительно, полярные области Меркурия покрыты льдом.) Уран, имеющий наклон оси вращения 98°, почти лежит на боку. Один полюс получает солнечный свет в течение половины уранианского года, в то время как другой полюс находится в темноте. Опять же, это менее чем идеальные условия для жизни. Земля — с нашей предвзятой точки зрения — кажется «в самый раз».

Событие столкновения, сформировавшее Луну, привело бы к смещению оси вращения Земли от ее первоначального положения. Что еще более важно, как показали компьютерные симуляции, Луна играет роль в стабилизации осевого наклона Земли на протяжении многих миллионов лет. Это важно, потому что даже небольшие изменения наклона оси вращения могут вызвать резкие изменения климата планеты. Например, наклон оси вращения Земли колеблется примерно на ±1,5° с периодом колебаний 41 000 лет. Это лишь небольшое изменение, но оно, по-видимому, связано с чередой ледниковых периодов, которые Земля пережила за последние несколько миллионов лет. У Марса нет стабилизирующего влияния на его наклон оси вращения (Фобос и Деймос — всего лишь валуны, с недостаточной массой, чтобы оказать какое-либо влияние), поэтому, хотя осевой наклон Марса в настоящее время составляет 25°, это значение колеблется от 15° до 35° с периодом 100 000 лет. Расчеты показывают, что в более длительных временных масштабах наклон оси вращения Марса изменяется хаотически: за последние 10 миллионов лет он мог варьироваться от 0° до 60°. Наклон оси вращения Земли, без стабилизирующей Луны, также блуждал бы хаотически — до значений 90°. Даже объект с половиной массы Луны, который был бы относительно большим спутником, имел бы недостаточную массу для стабилизации наклона Земли. Нашей родной планете требуется большой спутник, чтобы предотвратить блуждание ее наклона оси вращения и изменение климата от одной крайности к другой. (Ситуация, однако, более тонкая, чем это, как мы обсудим в Решении 74.)

Рис. 5.16 Наклон оси вращения Земли — ее наклон относительно плоскости эклиптики (другими словами, плоскости ее орбиты вокруг Солнца) — порождает времена года. Для таких планет, как Земля, которая имеет «умеренный» наклон оси вращения, большая часть солнечной энергии падает в экваториальные области, где полуденное Солнце всегда высоко в небе. Полярные области находятся в постоянном освещении в течение 6 месяцев, но также и в постоянной темноте в течение 6 месяцев; даже когда Солнце находится в небе, оно никогда не бывает выше, чем позволяет наклон оси вращения (23,5° в случае Земли), поэтому земля никогда не нагревается очень сильно солнечным светом. Таким образом, полярные области холодные, а экваториальные — жаркие. (Диаграмма не в масштабе.)