Происхождение Земли

В работах школы Хаяши процесс образования планет тоже моделируется на основе идеи об их аккумуляции из твердых тел и частиц. Отличие же состоит в следующем. Японские ученые полагают, что в течение всего процесса роста Земля оставалась окруженной газом первичной туманности, который, по их мнению, улетучился значительно позднее. Они нашли, что при таких условиях и начальное состояние Земли должно быть совсем другим — вокруг нее должна была образоваться мощная (в 2000 раз массивнее современной) непрозрачная первичная атмосфера, из-за которой температура поверхности Земли на этой стадии должна была превышать 4000 К.
При этом возникают значительные трудности с последующим «удалением» такой гигантской атмосферы с помощью солнечного ветра или ультрафиолетового излучения Солнца. Японские ученые полагают, что эта первичная атмосфера была удалена в первые 500 миллионов лет жизни Земли.

В настоящее время наиболее важным источником информации о составе внутренних областей Земли являются... метеориты. Эти небесные тела, в которых до нашего времени в «замороженном» виде дошло первоначальное физическое и химическое состояние Солнечной системы, можно считать своеобразными окаменелостями эпохи протосолнечного облака. Кроме того, если не считать доставленных на Землю пород Луны, это единственное доступное прямому исследованию внеземное вещество, являющееся неоценимым материалом при изучении вещества всей Солнечной системы. По этой причине метеориты с давних пор привлекали внимание ученых.
Давайте вновь вернемся к процессу формирования планет из протосолнечного облака. Как мы помним, газ, из которого состояла протосолнечная туманность, в некоторый момент стал остывать, что привело к конденсации частиц. Данный процесс похож на конденсацию водяного пара в земной атмосфере при образовании облаков. Со временем облако сконденсировавшихся частиц расширялось, и полагают, что в пределах протосол-нечной туманности составляющие его элементы были хорошо перемешаны. Следовательно, можно предположить, что на всем своем огромном протяжении протосолнечная туманность имела одинаковый химический состав, если пренебречь особенно летучими элементами. Поэтому Земля и метеориты, несмотря на свое образование в разных местах туманности, должны сейчас иметь схожий химический состав.

Давайте обобщим все, что мы узнали о длившейся 4,5 миллиарда лет истории.
Как сейчас считают, Земля возникла в Солнечной системе 4,55 миллиарда лет назад. Этот возраст принят по аналогии с возрастом метеоритов, и определить его по горным породам Земли невозможно.
Химические элементы, из которых состоит Земля, образовались гораздо раньше, чем сформировалась наша планета. Оии возникли в ходе реакций нуклеосинтеза, продолжавшихся свыше 10 миллиардов лет. Полагают, что большое влияние на ход этих реакций оказал произошедший вблизи будущей Солнечной системы взрыв Сверхновой звезды. Из образовавшихся элементов вскоре сформировалась протосолнечная туманность, в которой затем началась аккумуляция вещества, приведшая к возникновению Земли.
Между завершением основного процесса нуклеосинтеза элементов и формированием Земли прошло не более 100 миллионов лет. Это установлено из того, что в Земле в момент ее возникновения присутствовал изотоп йод-129 (на присутствие этого изотопа указывает образовавшийся из него ксенон-129).
Спустя не более чем через несколько сот миллионов лет после образования Земли, то есть свыше 4 миллиардов лет назад, сформировалось ядро и почти одновременно с этим произошло крупномасштабное выделение газов из недр Земли, за счет которого сформировалась большая часть современной атмосферы и гидросферы. Это было установлено по изотопному отношению аргона земных недр, времени возникновения магнитного поля Земли и т. п.
Как следует из изотопных отношений стронция и свинца, разделение коры и мантии происходило непрерывно на протяжении почти всей истории Земли.
Активность коры докембрия еще недостаточно для нас понятна. Может ли тектоника плит, замечательно объясняющая геологические явления, начиная с мезозоя, быть применена к докембрию — это является одним из наиболее интересных и важных вопросов. Наиболее древние из известных нам пород земной коры образовались 3,7 миллиарда лет назад.
После палеозоя в течение сравнительно короткого срока, охватывающего 10% истории Земли, главными героями, видимо, стали дрейф континентов и расширение океанического дна. 200 миллионов лет назад бывший до этого единым блоком континент Пангея начал разделяться на части.
В океанической коре и осадочных породах можно проследить начинающуюся с палеозоя и доходящую до нашего времени почти непрерывную хронику земного магнетизма. Выяснилось, что, непрерывно меняя свое направление один раз в несколько сотен тысяч лет, магнитное поле Земли испытывает изменение полярности. Последняя инверсия земного магнитного поля имела место 700 тысяч лет назад.

Это вызвано отнюдь не тем, что эти элементы мало распространены в Солнечной системе (по сравнению, например, с другими элементами, имеющими близкое массовое число). На горизонтальной оси здесь отложен атомный номер инертного газа, на вертикальной — распространенность этого элемента на Земле (эти величины рассчитаны относительно кремния ).
Если теперь предположить, что при своем, возникновении Земля захватила.в качестве атмосферы часть газа протосолнечной туманности, то состав образовавшейся таким образом атмосферы будет в основном (за небольшими различиями) соответствовать составу протосолнечной туманности, послужившей источником атмосферы. При этом и для инертных газов тоже нельзя ожидать большой разницы с содержанием их в Солнечной системе в целом.
На Земле, однако, инертные газы являются чрезвычайно редкими; их содержание по сравнению с содержанием в Солнечной системе совершенно ничтожно. Отношение содержаний легкого инертного газа неона на Земле и в Солнечной системе в целом составляет около одной десятимиллиардной, а для тяжелого инертного газа ксенона — не более одной миллионной. Это указывает на то, что атмосфера Земли не связана непосредственно с газом протосолнечной туманности.

Только благодаря существованию воздуха стало возможным появление на Земле всего живого, в том числе и человека. Однако воздух настолько не бросается в глаза, что мы склонны забывать, что он не распространен в космосе повсеместно. В то же время космонавты, выходя в открытый космос и ступая на поверхность Луны, облачались в скафандры, и это совершенно недвусмысленно указывало нам на то, что существование воздуха является специфическим свойством, характерным только для Земли.
Земля не возникла в заполненном воздухом пространстве, воздух образовался уже после того, как завершилось формирование нашей планеты. И это положение должно быть отправным пунктом при изучении происхождения атмосферы, что впервые было обосновано профессором Калифорнийского университета Гаррисоном Брауном. Воспроизведен рисунок из статьи Брауна, опубликованной в 1947 году и ставшей как бы классической в теории происхождения атмосферы.
Рассматривая проблему возникновения земной атмосферы, Браун обратил внимание на количество инертных газов, входящих в ее состав. К ним относятся (в порядке увеличения атомного веса) гелий, неон, аргон, криптой, ксенон и радон. Последний относится к короткоживущим радиоактивным элементам, и в дальнейшем мы не будем его учитывать, говоря об инертных газах. Не имея химического сродства с другими элементами, они почти никогда не вступают с ними в реакции, являясь крайне неактивными элементами (отсюда и их название). Инертные газы содержатся в атмосфере в очень небольшом количестве, за исключением изотопа аргон-40, но об этом будет подробнее сказано позже. Объемное содержание, например, ксенона не превышает 0,001%, а неона, самого распространенного из инертных газов,— 0,002%.

В настоящее время большинство исследователей считают, что земное ядро выделилось из почти однородной (макроскопически) Земли уже после ее формирования. Эта (пока еще!) гипотеза хорошо объясняет многие данные как сравнительной планетологии, так и наук о Земле. Хотя, конечно, на сегодняшний день нет решительных доказательств против предположения об образовании ядра одновременно с процессом аккумуляции.
Но в какой же момент вероятнее всего образовалось ядро Земли?
Оказывается, на этот-то вопрос можно дать сейчас довольно определенный ответ. И он связан с информацией о геомагнитном поле. Земля имеет магнитное поле, напряженность которого у ее поверхности составляет 0,5 гаусс. Это поле аналогично магнитному полю, создаваемому стержневым магнитом в центре Земли, наклоненным к ее оси вращения (такое поле называют дипольным).
Вопрос, почему возникло магнитное поле Земли, является одним из наиболее интригующих в геофизике. В попытке ответа на него было выдвинуто немало гипотез, и все они единодушны в том, что существование геомагнитного поля связано с движениями, возникающими в жидкой части ядра Земли. Этот механизм генерации магнитного поля в железо-никелевом расплаве (обладающим высокой электропроводностью) подобен, например, тому, который возникает в динамо-машиие при продолжительном пропускании через нее тока. Такая гипотеза была выдвинута в 1949 году Е. Баллардом из Кембриджа (Великобритания).

Таким образом, если рассматривать макроскопически, то аккумуляция была однородной (этот пункт особо выделяется современными теориями). Однако образовавшаяся в результате такой однородной аккумуляции планета в принципе отличается от того, что понималось прежде под однородной планетой. Дело в том, что на микроскопическом уровне (порядка одного миллиметра) никелистое железо и силикаты уже разделились. Поэтому отпали трудности с объяснением выделения огромных количеств кислорода при восстановлении железа из силикатов, а образование железо-никелевого ядра свелось к механическому процессу.
Помимо всего прочего, теория Хаяши предполагает, что первоначальная Земля должна была иметь первичную атмосферу из толстого слоя газа протосолнечной туманности. Однако современная атмосфера Земли может иметь вторичное происхождение, образовавшись газами, выделившимися из земных недр (об этом будет сказано далее). В теории же Хаяши эта мощная первичная атмосфера давлением несколько сот атмосфер имеет важное значение для последующей эволюции Земли.
Хотя последние исследования, касающиеся происхождения Земли и Солнечной системы, значительно, и это не будет преувеличением, расширили наши представления, многое здесь еще остается загадочным. Что же касается вопроса о том, образовалась ли Земля в процессе неоднородной или однородной аккумуляции, то даже на него, как мы знаем, ответить пока трудно. Между тем в зависимости от того, какую из этих двух теорий мы примем, выводы о ходе эволюции Земли будут очень сильно различаться.
Как бы то ни было, но правильной может быть только одна из теорий. И нам представляется, что такой теорией является та, согласно которой первоначальная Земля была макроскопически однородной, но вещество в ней микроскопически уже стало неоднородным. Этого мы и будем придерживаться дальше.

Теория неоднородной аккумуляции в свое время получила сильную поддержку от ученых, для которых объектом изучения всегда была собственно только Земля. С их точки зрения наиболее фундаментальным фактом, наблюдаемым сегодня на Земле, является ее разделение на ядро и мантию, которое представлялось им важным ограничительным условием. Астрономы же, исследовавшие образование Земли как одной из планет в Солнечной системе, факт существования слоистого строения некоторое время недооценивали, относя его к своего рода специфическому явлению, область распространения которого ограничена пределами Земли.
Пока оба подхода к проблеме образования Земли не сталкивались друг с другом, была возможность получать выводы, рассматривая то или иное явление либо как чисто геологическое, либо как сугубо астрономическое. Однако в последние десятилетия, в связи с прогрессом космических исследований Луны и планет, успехом прямых измерений их химического состава и развитием новой дисциплины — сравнительной планетологии, наметилось сближение обеих точек зрения на происхождение и развитие Земли. Поэтому современные представления о происхождении Земли основываются на рассмотрении ее как одной из планет Солнечной системы с учетом основных собственных свойств этой планеты. Эти представления легли в основу различных теорий происхождения Земли, из которых рассмотрим здесь теорию, разработанную Чусиро Хаяши. Согласно теории Хаяши аккумуляция частиц была однородной (чтобы согласовать результаты с выводами механики формирования планет), но в ней участвовали раздельно сконденсировавшиеся частицы, главным образом железные и каменные. Таким образом, если ограничиваться масштабом частиц, составляющих протосол-нечную систему, то она была неоднородной по составу. Однако эти частицы, как и все протосолнечное облако в целом, были хорошо перемешаны между собой, и поэтому формирующаяся в ходе аккумуляции планета была однородной.

Согласно существующим представлениям о формировании ядра Земли ее вещество непосредственно после возникновения Земли было довольно однородным, а процесс выделения железо-никелевого ядра начался позднее. Первоначально однородная Земля образовалась из микрочастиц, подобных тем, которые можно наблюдать в метеоритах. После своего формирования Земля стала разогреваться за счет энергии, выделявшейся в процессе гравитационной аккумуляций частиц, и за счет энергии радиоактивного распада элементов. В связи с этим началось образование железо-никелевого расплава, который в силу большого удельного веса опускался к центру Земли, формируя ядро.
Однако эта гипотеза сталкивается с рядом' трудностей. Во-первых, неясно, каким образом железо-никелевый сплав, пусть даже в расплавленном состоянии, мог пройти более 1000 километров, прежде чем достичь района ядра? Эта проблема обязательно встает при рассмотрении возникновения ядра из первоначально однородной Земли.
Во-вторых, для того, чтобы из силикатов, схожих с теми, что встречаются в метеоритах, образовался железо-никелевый сплав, необходимо протекание соответствующих реакций восстановления. Но образование никелистого железа при его восстановлении из силикатов должно сопровождаться выделением количества кислорода, почти равного количеству восстановленного железа. Даже если прикинуть это количество на глазок, то оно все равно должно быть близко к массе земной коры. Если допустить, что весь этот кислород вышел за пределы Земли, образовав ее атмосферу, то давление в ней должно составить несколько сотен тысяч атмосфер. Какие-нибудь свидетельства в пользу существования такой атмосферы в прошлом совершенно отсутствуют.

Все метеориты разделяются на три большие группы: каменные, железные и железо-каменные, занимающие как бы промежуточное положение между первыми двумя группами. До сих пор достаточно точные определения возраста имеются только для каменных метеоритов, содержащих сравнительно большое количество радиоактивных элементов. Железные метеориты почти не содержат радиоактивных элементов, используемых при определении возраста, и поэтому достоверных сведений о возрасте таких метеоритов пока нет, хотя и имеются успешные определения возраста для силикатов, входящих в состав таких метеоритов (так называемых силикатных включений).
Измерения возраста метеоритов, сделанные к настоящему времени, дают результаты, мало зависящие от типа метеорита и способа определения, в интервале 4,5—4,6 миллиарда лет. С точностью до нескольких десятков миллионов лет, зависящей от типа метеорита, среднее значение принято равным 4,55 миллиарда лет. Поскольку возраст Земли и метеоритов предполагается одинаковым, то возраст нашей планеты также считается около 4,55 миллиарда лет.
Совершенно очевидно, что экспериментально нельзя проверить достоверность возраста Земли, определенного таким образом. Но здесь следует отметить и условность принятого численного значения для возраста Земли. Ведь пока неясно, в каком физическом и химическом состоянии находилась Земля в то время. Да и вообще непонятно, с какого момента надо отсчитывать ее возраст: с того, когда она достигла современных размеров, или, может, с того, когда Земля расслоилась на ядро, мантию и кору?
Таким образом, пока нет ответа на вопрос, какому из названных случаев соответствует значение возраста Земли, принятое по аналогии с возрастом метеоритов. Поэтому в настоящее время, говоря о возрасте 4,55 миллиарда лет, просто считают, что в это время Земля начала свое существование как обособленное тело Солнечной системы.