Знание-сила, 1997 № 03 (837)

Такой способ моделирования в шестьдесят девятом году завершила книжка В. С. Сафронова, в которой утверждалось: в начале своего развития Земля не была огненно-жидким шаром, а представляла собой достаточно холодное образование. И если внутри нее и были разогретые участки, то это были магматические очаги, но в целом расплавленной Земля не была.

Однако в этом фундаменте еще в семидесятые годы образовалась трещина. Дело в том, что, по оценке Андрея Витязева, Сафронов существенно занизил оценки размеров крупнейших тел, падающих на Землю. Сафронов предполагал, что максимальный диаметр тел, которые сталкивались с нашей молодой планетой, составлял не более ста километров. Однако, по расчетам Андрея Витязева, вполне вероятными были катастрофы, когда встречались тела с лунными размерами. Этот просчет в сложной модели развития Земли неминуемо привел к занижению температуры, которая была внутри Земли. «В реальности эта цифра оказалась всего на какие-то сотни градусов больше,— объясняет Андрей Витязев,— но это уже радикально меняет ситуацию».

И в конце семидесятых годов стало ясно, что эти пресловутые сотни градусов позволили начаться эволюции Земли еще в ходе ее формирования. В то время, когда начальная стадия образования планеты еще не была завершена и по ее поверхности все еще «стучали» метеориты и астероиды, которые одновременно привносили различные газы, а часть их удаляли, внутри планеты уже началась дифференциация вещества.

Однако это был всего лишь один из гвоздей, забитых в премилые теории формирования Земли. За последнее десятилетие произошло еще два события, которые коренным образом изменили наши представления о ранней эволюции Земли. Первое и, пожалуй, самое интересное — открытие астрофизиками около сотни газопылевых дисков около молодых звезд солнечного типа. Эти диски оказались такой же массы и таких же размеров, как и диск около нашего молодого Солнца. Теперь, на взгляд Андрея Витязева, можно говорить, что «происхождение системы планет достаточно общее явление в Галактике.

У меня была работа с Галиной Викторовной Печерниковой, в ней мы писали о том, что столкновение тел, которые рождают планеты, можно наблюдать современными средствами и видны не только диски, освещаемые звездой, но и более поздние стадии формирования планет».

Другое событие: удалось доказать, что кратеры, наблюдаемые на твердых поверхностях многих планет и спутников,— это лишь последние по времени следы соударений, и по ним можно восстановить только часть того спектра тел, которые формировали планеты. Притом следы эти оставлены преимущественно телами с относительно малой массой. А промежуточные по своим размерам тела, которые и определили общее число планет Солнечной системы, особенности их состава и их орбит, исчезли в катастрофических столкновениях на ранних стадиях ее развития.

Впрочем, оставался открытым вопрос о происхождении Луны. До недавнего времени было два решения этой проблемы: Луна оторвана от Земли и Луна была сформирована неизвестно где и была впоследствии «захвачена» Землей.

Интерес к нашему спутнику не случаен. По мнению многих ученых, ключевым для понимания ранней истории нашей планеты может оказаться именно ответ на вопрос: почему около Земли вращается Луна с составом, близким к ахондритам (К одной из разновидностей дифференцированных метеоритов).

Луна — свалка земной истории

В те далекие времена, четыре с половиной миллиарда лет назад, наша Земля представляла из себя планету, по внешнему виду похожую на современную Луну. Огромные кратеры были покрыты сверху мощным слоем пыли и осколков, появившихся после ударов метеоритов. Этот унылый пейзаж первозданной Земли часто нарушался падением на ее поверхность разнообразных тел. После их ударов в образовавшихся кратерах возникали своеобразные озера расплавов. Но и они быстро остывали, затягиваясь сверху твердой коркой.

До недавнего времени считалось, что любое падающее на Протоземлю тело так и остается на ней, как бы прилипая. Но оказалось, что это слишком большое допущение — что-то ведь должно было и «отскакивать» от планеты, тем более современной атмосферы еще не существовало.

Андрей Витязев и его сотрудники вычислили, что при ударе о Землю тела оставляли на ней около девяноста девяти процентов своей массы. Но кое-что все же выбрасывалось на многие тысячи километров вверх. Именно за счет этих ничтожных процентов и сформировалась Луна. Протолунный рой вокруг Земли предусматривал еще О. Ю. Шмидт, однако сейчас выяснилось, что он постоянно подпитывался за счет выбросов вещества с самой планеты. А относительно малая скорость осколков в этом рое увеличивает вероятность захвата в него все нового вещества из допланетного диска и препятствует оттоку из него тел на земную поверхность. Этим, по расчетам ученых, и объясняются большая масса Луны и особенности вращения системы Земля—Луна.

Но почему мы не наблюдаем такую же картину вокруг других планет? По расчетам Андрея Витязева и его коллег, во внешней зоне Солнечной системы такой механизм образования спутников был неэффективен, так как там он лишь незначительно увеличивал плотность доспутниковых роев, окружавших планеты. Неэффективен он и для Марса: в его зоне, контролируемой Юпитером, тела имеют большую скорость и, разрушая доспутниковый рой, они позволили ему набрать вещество лишь на небольшие Фобос и Деймос. Меркурий и Венера также подвергались бомбардировке тел с большими скоростями и должны были иметь свои доспутниковые рои. Но вещество таких роев, заторможенное приливным взаимодействием с Солнцем, выпадало на поверхность этих планет. В результате ни Меркурий, ни Венера не имеют даже маленьких спутников.

Жизнь как счастливое стечение обстоятельств

Земля оказалась своего рода исключением в ряду планет Солнечной системы. Только ока обрела массивный спутник за счет остатков ударяющихся о нее тел. Однако, как вы помните, мы предположили, что разгадка ранней истории Земли заключена в тайне образования Луны. В чем туг дело?

Если бы Луна образовалась не из остатков метеоритов и астероидов, то, значит, их было не так много, а следовательно, их бы не хватило на быстрый разогрев Земли. Но, по мнению Андрея Витязева, как раз этого «добра» падало на Землю достаточно и для самой планеты, и для образования ее спутника. Ученые рассчитали, что в то время, когда масса Земли постепенно приближалась к семидесяти процентам от современной, тела, ударяющиеся о поверхность планеты Протоземли, достигали таких скоростей, что не только вызвали появление отдельных участков расплава, но и перемешивали своими ударами слой до тысячи километров глубиной!

(Современный радиус Земли приблизительно равен шести с половиной тысячам километров.)

Таким образом, на основной стадии формирования Протоземли лишь низы примитивной мантии не подвергались ударам разнообразных тел. Очевидно: вместо широко распространенных моделей формирования планеты — «холодная начальная Земля» или «магматический океан» — должна рассматриваться компромиссная, но более сложная модель «умеренно горячей первичной Земли». Вместе с тем, на взгляд Андрея Витязева, пока преждевременно говорить о преемственности примитивной и современной нижних мантий.

В дальнейшем, при росте массы Земли от 0,7 до 0,95 процентов ее современной величины, средняя толщина слоя ударного перемешивания уже уменьшилась от тысячи до первых сотен километров. Вполне естественно, что с течением времени под первичной поверхностью Земли — пока примитивной коры, которая подвергалась ударам многочисленных тел,— началась термогравитационная конвекция: тяжелое двигалось вниз, легкое наверх. Подстегиваемый постоянно падающими телами, постепенно, набирая обороты, развивался прогрев Земли, который достигал тысячи градусов на глубинах около тысячи километров, шла дифференциация вещества, словом, все то, что можно назвать началом развития планеты. «В этой связи уместно вспомнить некоторые наши расчеты. Согласно им получается: если при падении достаточно крупного тела с Земли происходит выброс одного процента вещества, то к концу процесса бомбардировки, то есть спустя миллионы лет, по массе это составит одну-две коры современной Земли,— замечает Андрей Витязев.— Именно так формирование примитивной коры Земли связано с образованием Луны. В растущей и дифференцирующейся Земле соединения железа уходили к центру, а к поверхности поднималось вещество, которое преимущественно и выбивалось метеоритами».