Чтение онлайн

Интересно, что Солнце содержит все те же тяжелые элементы, что и Земля, но в пропорции 1,76 %, тогда как остальное – водород и гелий. Доли тяжелых элементов на Солнце не совсем те же, что на Земле, но их пропорции между собой очень близки – это относится не только к кислороду, имеющему на Земле самую высокую концентрацию, но справедливо и для пропорции железа, кремния и магния на Солнце.

На сегодня предложен целый ряд моделей формирования планет. Можно полагать, что это одна из тем, в которой окончательного решения никогда не будет, во всяком случае до тех пор, пока последний физик не скажет свое последнее слово. В настоящее время можно считать преобладающей так называемую SNDM-модель (Solar Nebular Disk Model – модель солнечного небулярного диска), которая описывает рождение протопланет. Модель, содержащая соответствующие уравнения, впервые появилась в книге российского ученого Виктора Сафронова, вышедшей на русском языке в 1969 году, а в 1972 году – на английском. Но в целом она не так уж сильно отличается от модели Вайцзеккера.

Существенным процессом формирования основной массы нашей Земли было накопление космической пыли в виде плоского орбитального диска. За этим последовал выброс большей части водорода и началась массированная бомбардировка астероидами и кометами. Полезно напомнить, что одним из таких столкновений, пережитых примитивной Землей, была «ударная» встреча с небольшой протопланетой, что и привело к рождению Луны.

Астероиды, чьи ледяные уколы столь часто достигают Земли, происходят из «пояса Койпера» – области, лежащей за пределами планеты Нептун. Это «отходы» образования Юпитера и, следовательно, они столь же стары, как и сама Солнечная система. Вращаясь вокруг Солнца, они, как правило, имеют возможность иногда пересекать орбиту Земли.

Считается, что кометы отличаются от астероидов тем, что приходят извне Солнечной системы. Число комет исчисляется миллиардами, но лишь 184 из них идентифицированы как обладающие периодом возвращения к Солнцу. Состоят кометы в основном из ледяного ядра, пыли и газов. Под солнечными лучами лед испаряется и кометы распускают пышные хвосты на расстояние до 10 миллионов километров. Совершив приблизительно 500 оборотов вокруг Солнца, кометы становятся простыми скалами, точно такими же, как астероиды.

Замечательным прорывом современной астронавтики стал визит искусственного модуля-лаборатории «Rozetta» на комету «Чюрюмова – Герасименко» («Tchouri») в 2016 году. Несмотря на то что модуль разбился при посадке, он сумел измерить и передать изотопный состав ксенона в атмосфере кометы, а это в свою очередь позволило путем сопоставления с образцами на Земле и солнечными спектрами прийти к выводу, что вода в составе кометы не принадлежит Солнечной системе.

По-видимому, в ходе формирования нашей Земли порядка 1 % воды должно было принадлежать кометам, что составляет 1/100 000 массы океанов. Остальная часть нашей земной воды, видимо, происходит от астероидов и пород первоначального диска, образующего первичную Землю. Считается, однако, что именно кометы занесли на Землю первые органические молекулы – аминокислоты, такие как глицин, т. е. жизнь обязана своим происхождением панспермии.

Формирование нашей Земли должно было завершиться довольно быстро, включая образование Луны. Мировой океан Земли 4,4 миллиарда лет назад уже существовал. Выставка, открывшаяся в 2018 году в Национальном музее естественной истории в Париже под названием «Метеориты между небесами и землей», продемонстрировала образцы многих различных типов астероидов, в том числе астероиды, «выжившие» со времен образования Солнца. На рис. 1.1 показано поперечное сечение такого образца. На снимке видны яркие зерна, заключенные в коричневую матрицу. Эти зерна образовались при очень высоких температурах в окрестности рождающего их Солнца. С помощью этих образцов можно гораздо точнее узнать возраст нашего Солнца, как отмечалось ранее. Матрица, куда углублены вкрапления, образовалась из той же пыли, из которой первоначально сформировалось Солнце и его планеты, т. е. она намного старше Солнечной системы.

Рис. 1.1. Шлиф поперечного разреза астероида – ровесника нашей Солнечной системы, содержащего материал, из которого она была сформирована. (Фото автора)

Напомним, что современное представление состоит в том, что Солнечная система сформировалась из огромного облака, содержащего более 98 % водорода и 1,7 % пыли, о которой идет речь. Спеченная пыль в образцах астероидов находится в состоянии минералов, называемых хондритами. Из той же пыли образовалась и наша Земля. Другие типы метеоритов богаты углеродом и органическим материалом – основными элементами живого, хотя не имеют следов жизни как таковых.

Интересно, что большинство астероидов, собранных на Земле, состоит из чистого железа. До того как человек научился производить железо из железной руды (до начала «железной эры»), люди не имели доступа к другим источникам твердых металлов, кроме метеоритного железа. Говорят, что даже кинжал из гробницы Тутанхамона был сделан из железа астероидного происхождения.

Кроме того, «метеоритное» железо, извлеченное из астероидов, родственно железу в ядре нашей Земли. Многие астероиды сами имеют, подобно нашей планете, расплавленное железное ядро, мантию и твердую минеральную кору. Целое семейство подобных астероидов, порой лишь в виде частей и обломков, объединены под именем Весты, имеющей 576 км в поперечнике. У астероидов такого размера обнаруживается даже спонтанный вулканизм.

Расположение Земли в Солнечной системе создает ей большие преимущества для развития жизни. Например, от астероидов нас «затеняет» гравитационное поле Юпитера, которое не позволяет основной массе орбит астероидов пересекаться с орбитой Земли.

Жизнь на Земле могла возникнуть на основе тех ингредиентов, которые были принесены в момент формирования планеты астероидами: углерода, который является основой всех биохимических процессов, и воды. Собранные вместе обозначения элементов жизни приводят к акрониму CHONPS – из буквенных обозначений химических элементов С – углерод, H – водород, O – кислород, N – азот, P – фосфор и S – сера.

Кроме химического родства, существует и иная связь Земли с Солнцем. Расплавленные сплавы железа во внешнем конвективном контуре жидкого ядра Земли находятся в постоянном движении и создают эффект динамо. Без магнетизма, созданного этим током, протоны, составляющие основную массу солнечного ветра, не отклонялись бы по силовым линиям, а легко снесли бы наружную часть атмосферы Земли (чем, несомненно, очень сильно повредили бы ее пригодности для жизни).

Для сохранности чередования времен года на Земле важно, чтобы ось угла наклона планеты к плоскости орбиты вокруг Солнца (плоскости эклиптики) оставалась неизменной. Эта стабильность достигается благодаря наличию массивного спутника – Луны, имеющего высокую плотность и значительный размер – диаметр около 3,5 тыс. км. Марс, к примеру, обладает двумя весьма легковесными спутниками – это Фобос и Деймос, диаметром 22 и 12 км соответственно, хотя, скорее всего, это захваченные его тяготением астероиды. Вследствие отсутствия мощного противовеса-стабилизатора, аналогичного Луне, наклон оси вращения Марса подвержен влиянию других планет и хаотически менялся за миллионы лет – от 10 до 60 градусов и более.

Комфортность температуры на Земле действительно замечательна, если учесть, что на самом деле Земля является весьма опасным местом: температура в космическом пространстве не выше 20 К, а земная поверхность, на которой мы живем, заключена между ядром Земли, температура в котором около 7000 К, и поверхностью Солнца, излучающей при 5778 К. Теплота внутри Земли поддерживается со времен ее образования за счет распада урана-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет. Это тепло наглядно проявляет себя вулканизмом, однако не столь значимым для температуры поверхности Земли, где доминирует излучение Солнца. При этом более 31 % излучения Солнца отражается обратно в космос (и благодаря тому, что отражение носит объемный характер, рассеяние излучения в атмосфере придает Земле красивый густой синий цвет, наблюдаемый из космоса). Поглощаемая часть солнечного излучения в конечном итоге превращается в тепло – это относится не только к той солнечной энергии, которая преобразуется фотомодулями в электричество, но и к энергии круговорота воды, которая позволяет вырабатывать энергию гидростанций – вся эта энергия в конечном итоге превращается в работу, эквивалентом которой, по закону Джоуля, является тепло. В результате Земля поглощает излучение Солнца с максимумом, отвечающим температуре солнечной фотосферы (около 5800 K), расположенном в видимом спектре на длине волны около 0,5 микрон, а излучает – точно такое же количество энергии, но уже как тепло в инфракрасном диапазоне с максимумом на длине волны около 10 микрон, отвечающей температуре поверхности, находящейся при 300 К.

Эффективная планетарная температура Земли без учета атмосферы, но с учетом реального отражения (величина альбедо 33 %), составляет 254 К, или –19 °C. Однако в атмосфере работает парниковый эффект, создаваемый парами воды и другими так называемыми парниковыми газами, которые добавляют к этому ледяному холоду недостающие 35 градусов и превращают планету в комфортное место со средней температурой 15 °C.

Окидывая взглядом извилистую дорогу, пройденную развитием жизни на Земле, можно отметить, что периоды относительного благополучия сменялись катастрофами, уничтожившими огромное число видов, созданных эволюцией; данные палеобиологии свидетельствуют о пяти исторических периодах глобальных массовых вымираний. Если организмы и выживали, то только благодаря их чрезвычайной жизнеспособности. Одним из таких драматических моментов в развития живого стал рост концентрации свободного кислорода в воздухе более двух миллиардов лет назад, что было губительно для анаэробных прокариотов, царство которых продолжалось также без малого два миллиарда лет.