Интересным упражнением является попытка посмотреть на нашу планету (и на Солнечную систему, в состав которой входит Земля) со стороны.
По сравнению со Вселенной, наша Земля кажется крошечной, а для тех биосистем, которые мы воспринимаем напрямую — она необозрима. Однако земная жизнь является неотъемлемой частью нашей планеты. Свойства земной жизни в большой мере определяются свойствами Земли.
Земля неразрывно связана с Солнцем. Происхождение Земли и Солнца можно представлять себе по-разному. Шутки-шутками, но это — важнейшее событие, определившее свойства земных биосистем.
Наша Земля является частью Солнечной системы и возникла одновременно с ней. Как ни удивительно, к тому времени прошла уже бОльшая часть истории нашей Вселенной.
Обратите внимание на разрыв шкалы!
Солнечная система сформировалась из скопления вещества, частично оставшегося после разрушения ранее существовавших звезд, а частично представляющего собой самое распространенное вещество во Вселенной — водород. Гравитация собрала это вещество вместе; после его накопления в центре концентрирующейся туманности загорелась новая звезда. Ее стабильное состояние является следствием равновесия двух противонаправленных процессов: гравитация собирает вещество звезды вместе, сминает ядра и способствует термоядерной реакции, при которой из двух ядер водорода возникает ядро гелия, а выделяемая при этом энергия "разбрасывает" вещество звезды, препятствуя дальнейшему протеканию термоядерной реакции.
Выделевшеяся при термоядерной реакции энергия передается внутри Солнца, пока не доходит до его внешней оболочки, которая излучает ее в холодный космос в виде потока электромагнитной радиации.
Часть материала облака, из которой образовалась Солнечная система, обладала достаточно высоким импульсом. Когда в центре облака загорелась звезда, эта часть вещества под воздействием своего импульса осталась вращаться вокруг центра, образовав протопланетный аккреационный диск. В результате процесса самоорганизации из этого диска образованись планеты.
Образование планет из аккреационного диска — процесс, который поддается компьютерному моделированию. На расположенных ниже картинках — иллюстрации процессов, происходящих в этих моделях.
Один из удивительных результатов моделирования таков. Чтобы образовались планеты, состоящие из твердого вещества, надо чтобы частицы облака начали слипаться, образуя скопления, гравитация которых будет подтягивать к себе новое вещество. Для этого материал протопланетного диска должен быть "липким". Какие вещества могли обеспечить это слипание? Ответ, в самом широком смысле, таков: — органика!
В других частях курса мы еще будем обсуждать, что возникновение органических веществ вовсе не требует каких-то особых земных условий. Органика массово образуется и в космосе.
В результате слипания фрагментов протопланетного диска образуются скопления вещества. Вначале это вещество холодное, как холодным было все облако, из которого образовалась Солнечная система. Солнце разогревалось благодаря термоядерным реакциям, но эффективно разогреть планеты оно не могло бы. Тем не менее, изначально холодные планеты нагрелись.
В некоторой степени источником нагрева нашей планеты был радиоактивный распадд тяжелых элементов в ее составе. Однако на порядок большее количество выделевшейся энергии было связано с гравитационной дифференциацией планетного вещества.
В исходном материале планеты были перемешаны относительно тяжелые компоненты (металлы) и более легкие вещества (разнообразные оксиды неметаллов). Вместе их собрала гравитация. Если какой-то локальный процес (например, разогрев при соударении) приводил к расплавлению части вещества, тяжелые компоненты перемещались вниз, к центру тяжести, а легкие — поднимались наверх. При этом выделялось огромное количество энергии (потенциальная энергия удаленных от центра планеты тяжелых компонентов превращалась, в конечном итоге, в тепловую). В результате этого вся планета разогрелась и расплавилась. В центре планеты возникло горячее металлическое ядро. Внешнее ядро жидкое (от нагрева), а внутреннее, хоть и является еще более горячим — твердое, в результате колоссального давления, которому оно подвергается.
Нынешнее тепло земных недр — то самое тепло, которое выделилось при гравитационной дифференциации земных недр. Земля настолько большая, что просто не успела остыть со времени своего рождения! И уже не успеет. Солнце находится на середине своего "жизненного пути" в своей нынешней фазе; после окончания этой фазы оно значительно увеличится в своем объеме и его внешняя граница дотянется до нынешней земной орбиты. Земля разогреется, ее движение будет остановлено вследствие взаимодействия с наружными оболочками Солнца, и ее вещество, наконец, войдет в состав звезды. Но даже до этого времени земные недра будут хранить энергию гравитационной дифференциации времен рождения нашей планеты.
Разнообразные процессы приводят к торможению вращения Земли вокруг своей оси. К примеру, один из них — приливы, которые отражаются не только на океане, но и на земной коре. Земная кора выпучивается в направлении Луны, когда та находится над тем или иным участком нашей планеты, и проседает вниз, когда Луна уходит в сторону (точнее, когда Земля поворачивается под Луной). На эти процессы тратится довольно много энергии. Это тормозит вращение коры.
Знаете, как определить, сырым является куриное яйцо, или вареным, не разбивая его? Его надо раскрутить, а потом резко остановить рукой. Сырое яйцо, после того, как рука будет убрана, еще продолжит вращаться (естественно, с меньшей скоростью). Вареное останется неподвижным. Дело в том, что в случае сырого яйца мы тормозим движение твердой скорлупы, а динамично связанное с ней полужидкое содержимое еще продолжает вращаться.
Процессы, которые тормозят движение Земли, действуют на кору. Твердое внутреннее ядро в вязком внешнем ядре начинает вращаться. Это вращение происходит в начальном магнитном поле, достаточно слабом. Движение намагниченных тел (а ядро обладает магнитными свойствами) в магнитном поле вызывает электрические токи в замкнутых контурах (эффект динамо). Эти электрические токи приводят к резкому усилению магнитного поля.
Детали электрических токов в ядре и их связь с магнитными свойствами Земли еще продолжает изучаться. Однако для нас важно то, что наличие мощного магнитного поля нашей планеты, которое защищает ее поверхность от ионизирущего излучения, оказывается следствием того, что Земля обладает чрезвычайно крупным спутником, затормозившим движение ее коры.
На каком основании только что показанное видео связывает происхождение Луны со столкновением планет? Дело в том, что соотношение размеров Земли и Луны очень необычно для небесных тел и из спутников: Луна очень велика. Данные о химическом составе Луны, полученные экспедициями "Аполлонов" показали ее чрезвычайную близость с Землей. Эти особенности хорошо объясняются импактной (ударной) гипотезой происхождения Луны, выдвинутой в 1975 году Уильямом К. Хартманном и Дональдом Р. Дэвисом.
Моделирование удара показывает, что он должен быть точно выверенным, как удар бильярдиста. Как это могло получится? Одним из правдоподобных вариантом является следующий.
Великий французский астроном, математик и механик Жозеф Лагранж еще в XVIII веке доказал, что в системе из двух тел имеется пять точек (точек Лагранжа), где их влияние на третье тело уравновешивается. Если тело А вращается вокруг тела В по орбите, одна из таких точек находится на орбите тела А впереди него, а вторая — на той же орбите сзади тела А. Итак, можно предположить, что Тея, размер которой был меньше размера Земли, находилась в одной из точек Лагранжа на земной орбите. Это устойчивое состояние, но какое-то воздействие (например, удар метеорита) могло вывести Тею из той точки, где она "не чувствовала" земное притяжение. Следствием стало столкновение планет.
Этот процесс можно моделировать.
Так или иначе, Луна по своему строению походит на Землю, за тем исключением, что она уже остыла. Обратите внимание: ядро Луны относительно невелико. Можно говорить, что Луна обеднена железом по сравнению с Землей. Причины этого отличия до конца еще не ясны.
Итак, со спутником Земле (точнее, жизни на Земле) повезло. Интересно сравнить Землю с другими планетами земной группы. Подробнее этот вопрос раззбирается в соответствующем параграфе учебника экологии.
Это — схема строения Венеры. Можно убедиться, что она очень похожа на Землю, и по размерам, и по строению. Увы, в результате накопления в атмосфере Венеры углекислого газа она превратилась в весьма негостеприимную планету.
Это — реконструкция поверхности Венеры.
А это — уже Марс. Похожая на Землю, но уже остывшая планета.
Его строение тоже напоминает земное, за тем исключением, что его ядро уже затвердело.
А это — фотография каньона Кандор в долине Маринера на Марсе.
Овраги на Марсе.
Осадочные породы на дне кратера на Марсе.
Следу текущей воды на Марсе.
Марсианский ландшафт из замерзшей углекислоты.
А это — запорошенные пылью водяные льдины на Марсе со следами метеоритных бомбардировок.
Интересно сравнить с Землей не только планеты земной группы, но и спутники более крупных планет. Это — поверхность Европы, шестого спутника Юпитера. Европа имеет силикатную поверхность и железное ядро. Поверхность спутника покрыта водным льдом, под которым, вероятно — жидкая вода!
А это — фотографии поверхности Титана, спутника Сатурна. Он имеет плотную атмосферу. Поверхность Титана состоит из замерзшей воды и осадочных органических веществ. На ней есть есть даже криовулканы! На Титане идут дожди из метана, выпадающие из метановых облаков. Метановые осадки собираются в реки, которые впадают в метановые моря. В 2005 году Титан был обследован американской станцией "Кассини", которая даже спустила на его поверхность зонд "Гюйгенс".
Это — компьютерная реконструкция берега метанового моря на Титане.
Пейзажи других небесных тел кажутся нам знакомыми? Это следствие того, что их формировали силы, в чем-то напоминающими те, что формировали Землю...