Происхождение Солнца и Планет

На Юпитере существуют устойчивые ветры, дующие в одном  направлении и достигающие скорости в 150 м/сек. В пограничных зонах  облачных поясов возникают турбулентные завихрения, как, например, Большое  Красное Пятно (БКПЮ), с длинной  осью в 20 000 - 25 000 км. Полное вращение облаков  в пятне осуществляется за 7 дней и его внутренняя структура все  время изменяется, сохраняя лишь общую  конфигурацию. Сам вихрь непрерывно дрейфует как целое в западном направлении со скоростью 3-4 м/сек  и совершает полный оборот за 10-15 лет.  

Атмосфера Юпитера  достигает 1000 км, а под ней могут  находиться оболочки из жидкого молекулярного  водорода, а еще ниже - металлического водорода. В центре планеты располагается  силикатное ядро небольших размеров. Магнитное поле Юпитера в 10 раз  превышает по напряженности магнитное  поле Земли, а, кроме того, Юпитер окружен  мощными радиационными поясами. Возможно, мощное магнитное поле обусловлено  быстрым вращением планеты (9 час. 55 мин.). 

У Юпитера существует небольшое кольцо и 16 спутников, из которых 4 крупных, так называемых Галилеевых, открытых еще в 1610 г. Галилео Галилеем - Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Ближайший  спутник к Юпитеру это Ио, по размерам, массе и плотности похожий  на Луну. Особенностью Ио являются извержения многочисленных вулканов, изливающих яркие - красные, желтые, оранжевые потоки серы и белые потоки серного ангидрида. Со спутников зафиксированы извержения из кратеров конусовидных вулканов. Приливные  возмущения со стороны Юпитера приводят к разогреву недр Ио. 

Европа близкая  по своим параметрам Луне, покрыта  льдом воды, мощностью до 100 км, в  котором видны протяженные трещины. Судя по тому, что на поверхности  Европы почти нет ударных кратеров, она очень молодая. Ганимед, самый  крупный из галилеевых спутников (он больше, чем Меркурий), обладает плотностью 1,94 г/см3 и сложен смесью льда воды и  силикатов. Каллисто по своим размерам и плотности похож на Ганимед  и также сложен льдом воды и  силикатами. Однако, на участках темного  цвета на поверхности Каллисто много  ударных кратеров, что говорит  в пользу древнего возраста этих участков. Кольцевая структура Вальхалла  имеет диаметр в 300 км. Не исключено, что это след от удара крупного космического тела. Все остальные  небольшие спутники Юпитера обладают неправильной, угловатой формой, а  их размеры колеблются в поперечнике  от 16 до 260 км. 

Сатурн занимает второе место по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала - 0,69 г/см3. Облачный покров Сатурна похож  на таковой у Юпитера не только по составу - частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония, но и по своей структуре, образуя  разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая  планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна  состоит, в основном, из Н и Не и обладает мощностью в несколько  тысяч км. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого  молекулярного водорода, мощностью 37000 км, и металлического водорода, 8000 км. Силикатное (каменное) ядро Сатурна, радиусом в 10000 км, окружено слоем льда до 5000 км. 

Наиболее известным  элементом планеты Сатурн являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся в  плоскости экватора планеты. Диаметр  колец составляет 270 тысяч км, а  мощность всего 100 м. Множество колец  представляют собой мельчайшие кусочки  льда воды. Каждое из колец имеет  сложную структуру чередования  темных и светлых полос, вложенных  друг в друга. Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет  предполагать ферромагнитные частицы  в “дыму” колец.  

У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый  большой. Средние по размерам от 420 до 1528 км спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют  неправильную, угловатую форму и  размеры от 20 до 360 км. Титан покрыт атмосферой из азота, метана и этана  с давлением у поверхности  планеты в 1,6 кг/см2, поэтому о ее строении ничего не известно. Ввиду  низких температур, до -180 ОС, метан может  существовать в жидкой и твердой (лед метана и этана) форме. Предполагается, что под воздействием ультрафиолетового  излучения Солнца в верхних слоях  атмосферы Титана из углеводородов  могут образовываться сложные органические молекулы, которые, опускаясь, достигают  его поверхности. 

Уран превосходит  по своим размерам Землю в 4 раза и в 14,5 раз по массе. Это третья планета - гигант, вращается в сторону  противоположной той, в которую  вращается большинство остальных  планет. Мало этого, ось вращения Урана  расположена почти в плоскости  орбиты, так что Уран “лежит на боку и вращается не в ту сторону”. Уран меньше Юпитера, но плотность, в  среднем, у него близка к плотности  Юпитера, что заставляет сомневаться  в существовании оболочки из металлического водорода, т.к. давление слишком мало. В атмосфере Урана как и  на других планетах - гигантах, преобладают  водород и гелий, но также присутствуют частицы льда метана. Уран окружен  системой тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем у  колец Сатурна. Из 15 спутников Урана 5 средних по размеру и 10 малых, обладающих угловатой формой и похожие на спутники Марса и малые спутники Юпитера и Сатурна. 

Нептун - самая маленькая  из планет - гигантов, обладает, тем  не менее, самой большой среди  них плотностью, что обусловлено  существованием силикатного ядра, окруженного  оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также  из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и  на Юпитере, просматриваются крупные  вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система  колец, имеющих в разных участках различную мощность. 8 спутников  Нептуна с одним крупным - Тритоном и 7-ю малыми, на поверхности которых  имеются следы водо-ледяного вулканизма. 

Плутон, девятая планета, считая от Солнца, сильно отличается от планет-гигантов и, наверное, им не принадлежит. У Плутона очень вытянутая  эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона  вокруг Солнца. Разреженная атмосфера  Плутона окружает ледяную поверхность  планеты, состоящей изо льдов  азота, метана и моноокиси углерода, благодаря холоду – -240 ОС, господствующему  на этой, самой дальней планете. Крупный  спутник Харон (диаметр 1172 км ), состоит  из смеси льда и силикатов с  плотностью 1,8 г/см3 и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19405 км всегда обращен к планете одной  и той же стороной. В настоящее  время считается, что Плутон с  Хароном могут принадлежать т.н. поясу Койпера, расположенного в  интервале 35 - 50 А.Е. прямо за орбитой  Нептуна. 

В заключение этого  раздела необходимо подчеркнуть, что  сравнительная планетология дает чрезвычайно  много для понимания ранней истории  Земли, скрытой от геологов последующими процессами. 

2.Формирование Земли  и особенности ее строения  

Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время  Земля состоит из ряда сферических  оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого - внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой - твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам  и составу вещества. Когда и  как произошла эта дифференциация? 

На этот счет существуют две, наиболее распространенные точки  зрения. Ранняя из них полагала, что  первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и  только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции. Более поздняя  гипотеза гетерогенной аккреции заключается  в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и  только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Эта  точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает  вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра или внешнее  и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? Но этот вопрос однозначного ответа не существует, но предположение  отдается второму варианту. 

Процесс аккреции, столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался  большим выделением энергии, с сильным  прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т.е. выделением летучих  компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих  веществ при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем  свидетельствует сравнение составов летучих в метеоритах и породах  Земли. Процесс становления нашей  планеты по современным данным длился около 500 млн. лет и проходил в 3 фазы аккреции. В течение первой и главной  фазы Земля сформировалась по радиусу  на 93-95% и эта фаза закончилась  к рубежу 4,4 – 4,5 млрд. лет, т.е. длилась  около 100 млн. лет. 

Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн. лет. Наконец, третья фаза, продолжительностью до 400 млн. лет (3,8-3,9 млрд. лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне. Вопрос о температуре первичной Земли  имеет для геологов принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной “огненно-жидкой”  Земле. Однако этот взгляд полностью  противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. 

Следовательно, предпочтение нужно отдать не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле. Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и  соударение планетезималей; и падение  очень крупных метеоритов, при  ударе которых повышенная температура  распространялась до глубин 1-2 тыс.км. Если же, все-таки, температура превышала  точку плавления вещества, то наступала  дифференциация – более тяжелые  элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. 

Но главный вклад  в увеличение тепла должен был  играть распад радиоактивных элементов - плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это  твердые приливы, связанные с  близким расположением спутника Земли - Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру  до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 ОС. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако, уже 3,5-3,7 млрд.лет  назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд.лет, у Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая  мантия, т.е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит  намагниченность таких древних  горных пород, а, как известно, магнитное  поле обусловлено взаимодействием  жидкого внешнего ядра и твердого внешнего. Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая  существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. 

Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации  газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты. Луна - это единственный спутник Земли, всегда обращенный к  ней одной и той же стороной и вращающейся вокруг Земли по законам Кеплера - вблизи апогея медленнее, вблизи перигея - быстрее. Однако, вокруг оси Луна вращается равномерно и  время ее обращения вокруг оси  равняется сидерическому (звездному) месяцу. Двойная система Земля-Луна сказывается на Земле и Луне. Известно, что влияние Луны вызывает приливы  на Земле, но т.к. Земля в 81 раз массивнее  Луны, то и приливы на Луне намного  сильнее. Полный оборот вокруг Земли  Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т.е. периодом движения Луны относительно звезд. Центр  масс двойной системы Земля-Луна находится в 4750 км от центра Земли  внутри планеты. Поверхность Луны, в  том числе и ее обратная, невидимая  сторона прекрасно изучена с  помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами, неоднократно бывавшими на поверхности  Луны и собравшими несколько тонн лунных пород. Среднее удаление Луны от Земли 384000 км, диаметр Луны 3476 км, масса 7,33⋅1025, средняя плотность 3,33 г/ см3. Атмосфера на Луне отсутствует из-за малых ее размеров, температура на экваторе днем достигает +130ОС, а ночью -150ОС. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17% поверхности, вторые – 83%.. Материки, более светлые участки поверхности Луны – это относительно древние, брекчированные породы, с большим количеством плагиоклаза – анортита. Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров, образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4,0-3,9 млрд. лет назад. 

Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых  лав, излившихся 3,9-3,0 млрд. лет назад, т.е. они более молодые и метеоритных  кратеров на них меньше. Поверхность  Луны покрыта рыхлым грунтом - реголитом, образовавшимся при ударах метеоритов и раздроблении пород. Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной  метеоритной атаке Земли в  этот же интервал времени, 3,9-4,0 млрд. лет  назад. Сила тяжести на Луне 1/6 земной и у нее есть очень слабое магнитное  поле неизвестного происхождения. Измерения  силы тяжести показали скопление  плотных масс - масконов под лунными  морями. 

На Луне выделяется кора, мощностью до 60 км и скоростью  сейсмических волн Vр - 7,0-7,7 км/ сек; литосфера  или верхняя и средняя мантия до глубины 1000 км; нижняя мантия (астеносфера), частично расплавленная, как и ядро, с глубины 1500 до 1740 км. Через них  не проходят поперечные сейсмические волны. Приливные лунотрясения, выявленные с помощью сейсмографов, установленных  на поверхности Луны экспедициями “Апполонов”  с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли  примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.