Происхождение жизни. От туманности до клетки. Часть I. Планеты, пригодные для жизни (Михаил Никитин, 2016)

Наша Солнечная система состоит из множества небесных тел. Крупнейшие из них после Солнца – четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун и четыре планеты земного типа: Земля, Венера, Марс и Меркурий. Кроме них имеются астероиды – мелкие объекты, обращающиеся вокруг Солнца в основном между орбитами Марса и Юпитера, хотя есть группы астероидов как ближе, так и дальше от Солнца. За орбитой Нептуна расположен пояс Койпера – скопление небольших ледяных объектов. Первый объект пояса Койпера, Плутон, был открыт намного раньше остальных и поэтому долго считался девятой планетой.

Все эти объекты обращаются вокруг Солнца по орбитам, близким к круговым. Кроме них в Солнечной системе есть множество комет. Они движутся по вытянутым эллиптическим орбитам и, нагреваясь вблизи Солнца, начинают испаряться. Испарение приводит к появлению у кометы видимого «хвоста». Размеры орбит комет сильно различаются. У самых короткопериодических комет орбита целиком находится внутри орбиты Юпитера, а непериодические выходят далеко за границы пояса Койпера, образуя так называемое облако Оорта.

Помимо планет, астероидов, койперовских объектов и комет есть спутники, обращающиеся вокруг всех планет, кроме Меркурия и Венеры. Земля имеет один крупный спутник – Луну, Марс – два маленьких, Фобос и Деймос, а у планет-гигантов есть десятки спутников. Среди спутников планет-гигантов выделяются регулярные и нерегулярные. Плоскость орбиты регулярных спутников близка к плоскости экватора планеты, а форма орбиты – к круговой. У нерегулярных спутников орбиты, как правило, сильно вытянуты и могут находиться под любым углом к экватору планеты, и они обычно обращаются дальше от планеты, чем регулярные. Крупнейшие спутники планет-гигантов, Ганимед и Титан, по размеру в полтора раза больше нашей Луны и практически равны Меркурию.

Орбитальная механика

Само слово «планета» происходит от древнегреческого πλανήτης – «блуждающая». Если каждую ночь наблюдать положение планет на небе и записывать наблюдения, то окажется, что планеты движутся относительно звезд по причудливому пути. Подобно Луне и Солнцу, они всегда находятся в полосе зодиакальных созвездий, но если Луна и Солнце движутся практически равномерно в одну сторону, то планеты останавливаются и меняют направление движения, описывая сложные петли. В геоцентрической системе мира, господствовавшей в древней и средневековой астрономии, для описания этого движения вводились дополнительные окружности: по окружности вокруг Земли (деференту) равномерно обращается невидимая точка (средняя планета), вокруг которой по второй окружности (эпициклу) равномерно обращается истинная планета.

С переходом к гелиоцентрической системе мира стало понятно, что видимое движение планет складывается из двух: обращения Земли вокруг Солнца и обращения наблюдаемой планеты вокруг него же. Поначалу думали, что планеты обращаются вокруг Солнца тоже по круговым деферентам и эпициклам, но более точные измерения Тихо Браге в XVI веке показали, что эта модель не согласуется с наблюдениями. Иоганн Кеплер, анализируя записи Браге в начале XVII века, сформулировал три эмпирических закона движения планет вокруг Солнца (рис. 1.1).

Первый закон Кеплера: орбита планеты имеет форму эллипса, а Солнце находится в одном из его фокусов.

Второй закон Кеплера: угловая скорость движения планеты в разных местах ее орбиты обратно пропорциональна расстоянию до Солнца.

Третий закон Кеплера: квадраты периодов обращения двух планет соотносятся как кубы больших полуосей их орбит.

Что такое эллипс и где у него фокус? Как известно, окружность можно нарисовать циркулем, потому что все ее точки находятся на равном расстоянии от центра. Для эллипса способ рисования будет сложнее. Для всех точек эллипса сумма расстояний до двух фокусов одинакова. Если мы воткнем две канцелярские кнопки и привяжем к ним нитку так, чтобы ее длина была заметно больше расстояния между кнопками, оттянем нитку в сторону карандашом и будем водить им вдоль нитки так, чтобы она все время была натянута, мы нарисуем эллипс, а кнопки будут в его фокусах. Окружность характеризуется одной величиной – радиусом. У эллипса есть большая полуось (аналог радиуса) и эксцентриситет – отношение к большой полуоси. Если эксцентриситет близок к нулю, то фокусы эллипса находятся совсем рядом, и эллипс близок к окружности. Если эксцентриситет большой, то эллипс имеет сильно вытянутую форму. Орбиты планет имеют небольшой эксцентриситет (0,2 – для Меркурия и менее 0,1 – для остальных планет), а орбиты комет отличаются большим эксцентриситетом, близким к единице.

В дальнейшем Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, из которого выводятся все три закона Кеплера, если пренебречь влиянием планет друг на друга и на Солнце.

Механика орбитального движения во многом непривычна для неспециалистов. На орбите, чтобы увеличить скорость движения, надо тормозить, а чтобы ее уменьшить, – разгоняться! Проиллюстрируем это на примере выведения спутников на геостационарную орбиту. Эта околоземная орбита, лежащая в плоскости экватора, с периодом обращения 23 часа 56 минут, очень удобна для спутников связи, потому что спутник на ней все время находится над одной точкой Земли и наземную антенну на него можно навести один раз и больше не двигать. Геостационарная орбита имеет высоту 35 786 км над поверхностью Земли, и спутник на ней движется со скоростью 3,07 км/с. При выведении ракета-носитель сначала доставляет спутник на низкую околоземную орбиту, проходящую примерно в 200 км над поверхностью Земли. Скорость на ней равна первой космической скорости, около 8 км/с. Затем спутник включает двигатель и разгоняется еще на 2 км/с, после чего оказывается на так называемой геопереходной орбите. Это эллиптическая орбита с большим эксцентриситетом, которая в нижней точке касается низкой околоземной, а в верхней – геостационарной орбиты. По второму закону Кеплера скорость спутника в верхней точке оказывается намного ниже, чем в нижней, – около 1,7 км/с. Совершив полоборота по геопереходной орбите, в верхней точке спутник включает двигатель во второй раз и разгоняется еще примерно на 1,3 км/с. При этом он оказывается на геостационарной орбите. Несмотря на два разгона, его скорость упала с 8 до 3,07 км/с. Кинетическая энергия летящего спутника при этом не исчезла бесследно, а перешла в потенциальную – он поднялся намного выше над Землей.

Гравитационная дифференциация

Когда в XVIII веке впервые удалось измерить массу Земли, оказалось, что ее средняя плотность составляет 5,5 г/см³. Однако плотность горных пород на поверхности Земли почти вдвое меньше – около 3 г/см³. Следовательно, внутри Земли должно быть более плотное вещество. По данным геологии, в центре Земли и других планет земного типа находится ядро из железа с примесями никеля и других металлов, со средней плотностью 10 г/см³. Ядро окружает полужидкая силикатная мантия, покрытая сверху твердой силикатной корой с плотностью около 3 г/см³.

При образовании планет составляющие их силикаты и металлы были перемешаны. В дальнейшем планеты расслаивались: железо тянуло к центру Земли и формировало ядро, а силикаты всплывали наверх, образуя мантию и кору.

В процессе расслоения в глубинах планеты выделяется тепло, поддерживающее ядро и мантию в расплавленном состоянии. Другим источником энергии внутри планеты является радиоактивный распад нестабильных элементов. Гравитационная дифференциация поддерживает конвективные течения в мантии, а в случае Земли – еще и движение плит земной коры относительно друг друга.

При ином химическом составе небесного тела оно разделяется на другие слои. Например, крупные спутники планет-гигантов имеют силикатное ядро, мантию из жидкой воды и ледяную кору. На Европе и Энцеладе есть даже аналоги вулканизма и движения литосферных плит – многокилометровые фонтаны воды и движение ледяных блоков коры. Сами планеты-гиганты разделяются на протяженную атмосферу из водорода и гелия, более тяжелый слой жидких метана, аммиака и воды и силикатно-железное ядро. Большую часть их диаметра составляет массивная плотная атмосфера.

Приливные явления

Законы Кеплера подразумевают, что орбиты планет и спутников неизменны и вечны. Однако эти законы выполняются в точности, только если размеры тел ничтожно малы по сравнению с расстояниями между ними, а влиянием планет друг на друга можно пренебречь. Поскольку реальные планеты и спутники имеют заметные размеры, сила притяжения действует на их ближние к друг другу части сильнее, чем на дальние. За счет этой разницы небесные тела немного деформируются, их форма становится слегка вытянутой, подобно дыне. В случае Земли ее океаны легче поддаются деформации, чем земная кора, и изменения их уровня под действием тяготения Луны вызывают приливы, благодаря чему эти силы получили свое название.

Приливные силы быстрее уменьшаются с расстоянием, чем сила тяжести. При увеличении расстояния в два раза притяжение между телами ослабляется в четыре раза, а приливные влияния – в восемь раз. Поэтому на Земле приливные силы, вызванные Луной, преобладают над приливными силами Солнца, хотя Солнце гораздо массивнее Луны.

Движение масс воды, натыкающихся на континенты, и трение в деформируемой земной коре приводят к выделению тепла. Источником этой тепловой энергии является вращение планеты, и оно постепенно замедляется под действием приливов. Кроме того, похоже, что приливное действие Луны направляет дрейф материковых плит земной коры – их движение заметно несимметрично в направлении запад – восток (Riguzzi et al., 2010).

Благодаря приливным силам возможно взаимодействие между вращением планеты и орбитальным движением ее спутников. В системе Земля – Луна вращение Земли вокруг своей оси гораздо быстрее, чем орбитальное движение Луны, поэтому приливный «горб» на Земле немного обгоняет Луну. Притяжение Луны к этому горбу приводит к тому, что вращение Земли постепенно замедляется, а кинетическая энергия передается Луне. При этом радиус лунной орбиты растет, также растет и период обращения Луны вокруг Земли.

Более крупный из спутников Марса, Фобос, совершает оборот вокруг планеты всего за 6 часов, тогда как период вращения Марса вокруг своей оси – 24,5 часа, чуть больше, чем у Земли. Поэтому в системе Марс – Фобос происходит передача кинетической энергии в обратную сторону – от спутника к планете. Фобос неуклонно приближается к Марсу и в ближайшие 15–20 млн лет достигнет так называемого предела Роша, где приливные силы сравняются с тяготением Фобоса, скрепляющим его в единое тело. Достигнув этого предела, Фобос разрушится, и вокруг Марса появится кольцо из камней и пыли, подобное кольцам Сатурна.

При движении спутника по эллиптической орбите его скорость максимальна в ближайшей к планете части орбиты и там же максимально приливное взаимодействие. Поэтому приливы могут изменять форму орбиты спутника. Так, орбита Луны становится более вытянутой под действием приливов, а у орбит спутников Юпитера, наоборот, вытянутость уменьшается.

Орбитальные резонансы

Есть и другая причина, по которой движение планет немного отклоняется от описанного в законах Кеплера. Это гравитационное взаимодействие между планетами. Хотя оно гораздо слабее, чем их притяжение Солнцем, за миллионы лет его влияние может накапливаться и сильно изменять орбиты. Притяжение двух планет друг к другу максимально в период противостояния – когда расстояние между ними минимально. Поэтому влияние разных планет на движение друг друга вокруг Солнца зависит от отношения их периодов обращения. Если эти периоды не образуют простого соотношения типа 1:2, 2:3 или 2:5, то противостояния происходят в разных участках орбит без строгой закономерности, а изменения орбит на больших промежутках времени стремятся к нулю. Если периоды обращения планет относятся как небольшие целые числа, то говорят, что их орбиты находятся в резонансе. В этом случае противостояния происходят в одних и тех же местах орбиты, небольшие изменения орбит постепенно накапливаются, и со временем орбиты могут сильно изменяться[1].

Последствия орбитального резонанса зависят от нескольких факторов: соотношения масс тел, отношения их периодов обращения и эксцентриситетов орбит. Такие резонансы, как 1:2, 1:3, 5:2, 3:7, как правило, приводят к быстрому изменению орбит. Если массы тел сильно отличаются (например, Юпитер и астероид), то орбита астероида становится сильно вытянутой, и он выбрасывается из Солнечной системы. Резонансы 2:3, 3:4, 4:5, напротив, могут стабилизировать орбиты. Так, астероиды группы Хильды находятся в устойчивом резонансе 2:3 с Юпитером, а Плутон – с Нептуном.

Особенно быстрые изменения происходят при резонансе 1:2 – тогда планеты встречаются в одной и той же части орбиты, и их притяжение вытягивает их орбиты в эллипсы. В таком орбитальном резонансе находятся спутники Юпитера, Ио, Европа и Ганимед, их периоды обращения относятся как 1:2:4. Однако приливные силы противостоят вытягиванию их орбит, поэтому конечным результатом борьбы орбитального резонанса с приливом оказывается рассеяние кинетической энергии орбитального обращения спутников в нагрев их недр и постепенное приближение к Юпитеру. Благодаря такому источнику энергии на Ио происходит самый активный вулканизм в Солнечной системе, фонтаны расплавленной серы бьют на сотню километров от ее поверхности.

Другое следствие орбитальных резонансов – так называемые пробелы Кирквуда в поясе астероидов. Разные астероиды имеют самые разные периоды обращения, но таких астероидов, которые бы находились близко к резонансам 2:1, 3:1, 5:2 и 7:3 с Юпитером, нет. Малые тела, которые могли быть на этих орбитах, неизбежно перешли на эллиптические орбиты, близко подходящие к Юпитеру, и были выброшены им из пояса астероидов.

Планеты Солнечной системы в настоящее время не образуют орбитальных резонансов между собой. Астрономы древности приложили много усилий, чтобы найти простую и красивую математическую закономерность в периодах обращения планет вокруг Солнца или в радиусах их орбит, но безуспешно. Теперь мы знаем, что Солнечная система с простыми соотношениями между периодами обращения планет оказывается неустойчива. На языке античной астрономии можно сказать, что музыка сфер способна звучать вечно, только если в ней нет гармоничных созвучий, иначе она начнет быстро меняться. В древней истории Солнечной системы, по-видимому, были периоды орбитальных резонансов между планетами, и они оставили свои следы в ее современном устройстве.

Планеты земной группы

Четыре внутренние планеты Солнечной системы – Меркурий, Венера, Земля и Марс – объединяются в земную группу. Они состоят из металлического ядра и силикатных мантии и коры, в отличие от планет-гигантов. Луна, хотя и не является планетой, по химическому составу также близка к планетам земной группы (рис. 1.2).

Однако по другим параметрам эти планеты сильно различаются между собой (табл. 1.1). Так, Земля имеет азотно-кислородную атмосферу умеренной плотности и большое количество жидкой воды на поверхности. Венера покрыта сверхплотной атмосферой из углекислого газа, которая создает сильнейший парниковый эффект и повышает температуру на поверхности планеты до 460 °C. Воды на Венере нет ни в жидком виде, ни в виде паров в атмосфере. Атмосфера Марса также состоит в основном из углекислого газа, но ее плотность в 5000 раз меньше плотности атмосферы Венеры. Марс отличается холодным климатом, и небольшое количество воды, сохранившееся на нем, находится в твердом виде в полярных шапках и в толще грунта в средних широтах. Меркурий не имеет атмосферы вовсе, температура его поверхности колеблется от –170 на ночной до 400 °C на дневной стороне. Земля обладает достаточно сильным магнитным полем, магнитные поля Марса и Меркурия примерно в 100 раз слабее и не защищают эти планеты от солнечного ветра (потока заряженных частиц из солнечной короны), на Венере магнитное поле не обнаружено. Земля и Марс совершают один оборот вокруг своей оси примерно за 24 часа, тогда как Меркурий и Венера – за 59 и 243 суток соответственно. Все планеты вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса, и только Венера – по часовой стрелке.

Планеты-гиганты

Юпитер является крупнейшей из планет Солнечной системы. Его масса превышает массу всех других планет, спутников, астероидов и комет вместе взятых. Средняя плотность Юпитера составляет 1,3 г/см³, что означает преобладание легких элементов – водорода и гелия – в составе планеты. Видимая поверхность Юпитера, судя по неравномерным движениям отдельных частей, является плотным слоем облаков, а не поверхностью жидкости или твердого тела. Мощное магнитное поле Юпитера собирает заряженные частицы солнечного ветра с большого объема, их падение на полюса планеты вызывает мощные полярные сияния.

Система спутников Юпитера была подробно изучена при помощи наземных телескопов, орбитального телескопа «Хаббл», пролетных зондов «Пионер-10, – 11», «Вояджер-1, – 2», «Улисс», «Кассини», «Новые горизонты» и особенно подробно – искусственным спутником Юпитера «Галилео».

Четыре крупнейших спутника Юпитера – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – были открыты Галилеем в 1610 году при помощи первого в мире телескопа (рис. 1.3).

Их диаметры – от 3100 км (Европа) до 5200 км (Ганимед), что сравнимо с размерами нашей Луны и даже планеты Меркурий. Периоды их обращения вокруг Юпитера составляют от 1,77 суток (Ио) до 16,7 суток (Каллисто). Измерения плотности показывают, что Ио состоит из скальных пород, Европа имеет водную мантию и ледяную кору общей толщиной около 100 км, а Ганимед и Каллисто состоят изо льда на 70–80 %. Кроме четырех крупных спутников вокруг Юпитера обращаются еще четыре малых спутника: Метида, Адрастея, Амальтея и Теба. Все они обращаются внутри орбиты Ио, их размеры не превышают 250 км, а периоды обращения составляют от 7 до 16 часов. Еще Юпитер имеет 59 нерегулярных спутников размером в единицы или десятки километров, с периодами обращения от 130 до 1077 суток.

Вторая по величине планета Солнечной системы – Сатурн. Подобно Юпитеру, он состоит преимущественно из водорода и гелия, причем доля водорода больше, чем в составе Юпитера. Плотность Сатурна минимальна среди всех планет Солнечной системы, всего около 0,69 г/см³, поэтому его масса почти втрое меньше массы Юпитера при сопоставимых размерах.

Система спутников Сатурна столь же многочисленна, как и система Юпитера (рис. 1.4). Крупнейший спутник Сатурна, Титан, своим диаметром (5150 км) лишь немного уступает Ганимеду. Еще четыре спутника – Тефия, Диона, Рея и Япет – имеют размеры 1000–1500 км, два ближайших к планете, Мимас и Энцелад, – 400 и 500 км, остальные спутники не превышают в длину 260 км. Всего вокруг Сатурна обращается 24 регулярных спутника и 38 нерегулярных.

Титан уникален среди всех спутников тем, что он имеет плотную атмосферу. Кроме того, Титан – единственное кроме Земли тело Солнечной системы с озерами и реками на поверхности (рис. 1.5). Правда, при температуре −170 °C эти озера и реки состоят из жидких углеводородов (метана и этана) и текут по скалам из водяного льда. Атмосфера Титана состоит из азота с примесью метана. Под действием ультрафиолета в верхних слоях атмосферы образуются сложные углеводороды, которые создают желтую дымку, скрывающую поверхность спутника.

Остальные крупные спутники Сатурна состоят из водно-аммиачного льда с примесями силикатных минералов. Поверхность Япета, Дионы и Реи делится на переднее (по ходу орбитального движения) и заднее полушария, которые различаются цветом и рельефом; передние полушария Дионы и Реи заметно светлее задних, а у Япета, напротив, переднее полушарие черное как копоть, а заднее яркое, как свежий снег.

Энцелад находится в орбитальном резонансе 2:1 с более массивной Дионой. Сочетание орбитального резонанса и приливных воздействий Сатурна приводит к разогреву недр спутника и рождению гейзеров: из разломов льда в районе южного полюса Энцелада бьют фонтаны воды, которые преодолевают его тяготение. Замерзшие кристаллики льда оказываются на орбите вокруг Сатурна и образуют его самое внешнее рассеянное кольцо (кольцо Е). По данным зонда «Кассини», выбрасываемая вода содержит углекислый газ, аммиак, синильную кислоту и сложные углеводороды.

Кольца Сатурна – самая заметная часть его системы (рис. 1.6.). Сейчас кольца известны у всех четырех планет-гигантов, но только у Сатурна они плотны и отражают почти столько же света, сколько сама планета. Кольца состоят из ледяных частиц размером от миллиметров до десятков метров.

Толщина колец не превышает 1 км. Считается, что кольца возникли при распаде одного или нескольких спутников, затормозившихся за счет приливного взаимодействия с Сатурном и пересекших предел Роша. Структура колец поддерживается за счет взаимодействия со спутниками. Так, щель Кассини, разделяющая кольца А и В, поддерживается орбитальным резонансом 2:1 с Мимасом, выбрасывающим частицы из этой щели. Несколько мелких спутников обращаются вблизи внешнего края колец и даже среди колец: это Атлас, Прометей, Пандора, Пан, Янус и Эпиметей. Они называются «спутниками-пастухами», так как их воздействие удерживает частицы колец от перехода на другие орбиты. Например, Атлас поддерживает четкий внешний край кольца А. Янус и Эпиметей движутся по очень близким орбитам, радиус которых различается всего на 50 км, и периодически меняются местами.

Две внешние планеты Солнечной системы, Уран и Нептун, относятся к ледяным гигантам. Их диаметр – около 50 000 км (в четыре раза больше Земли и почти в три раза меньше Юпитера), а средняя плотность составляет около 1,3 (Уран) и 1,6 (Нептун) г/см³. Они состоят в основном из воды, метана и аммиака в жидком и твердом состояниях, а на долю водорода и гелия приходится менее 10 %. Атмосферы Нептуна и особенно Урана значительно спокойнее, чем атмосфера газовых гигантов; устойчивые вихри заметны редко. Ось вращения Урана наклонена на 97 градусов относительно плоскости орбиты, поэтому смена времен года на нем происходит совсем не так, как на других планетах, а полюса получают в среднем за год больше тепла, чем экваториальные районы. Уран и Нептун обладают мощным магнитным полем, однако в отличие от других планет их магнитные полюса далеки от географических. Магнитная ось Урана наклонена на 59 градусов относительно оси вращения, Нептуна – на 47 градусов. Если магнитное поле газовых гигантов и планет земной группы порождается конвективными потоками в ядре, то для ледяных гигантов предполагаемый источник магнитного поля – жидкая водно-аммиачная прослойка ближе к поверхности.

Известно 27 спутников Урана и 14 спутников Нептуна. Пять спутников Урана – Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон – достаточно велики, чтобы иметь форму шара (рис. 1.7.). Диаметр Миранды – 470 км, четыре остальных достигают размеров 1000–1500 км, состоят изо льда и небольшого каменного ядра. Все они, особенно Миранда и Ариэль, имеют следы тектонической активности и обновления поверхности. 13 внутренних спутников Урана – мелкие, до 130 км, вращающиеся среди колец Урана и испытывающие заметное приливное торможение. Со временем их ждут распад и превращение в новые кольца либо столкновение с планетой.

В системе Нептуна есть один крупный спутник – Тритон (рис. 1.8.) диаметром 2700 км (несколько меньше Луны), семь мелких внутренних спутников, очень близких к планете, и пять удаленных от планеты мелких нерегулярных спутников. Тритон обращается вокруг Нептуна в обратном направлении, как нерегулярный спутник, хотя его орбита практически круговая и наклонена лишь на 24 градуса относительно экватора планеты. Его плотность 2,07 г/м³ свидетельствует о большой доле каменных пород по сравнению с другими спутниками Урана и Нептуна. Состав Тритона и характер его орбиты заставляют предположить, что раньше Тритон был самостоятельной карликовой планетой, вроде Плутона, и был захвачен Нептуном при сближении. На поверхности Тритона заметны следы тектонической активности и гейзеры, извергающие азот. Активность этих гейзеров поддерживает разреженную азотную атмосферу, ее давление примерно в 50 000 раз ниже давления атмосферы Земли.

За Нептуном находится так называемый пояс Койпера (рис. 1.9). Он состоит из небольших ледяных объектов. Первый открытый объект пояса Койпера, Плутон, долгое время считался девятой планетой Солнечной системы. Когда был уточнен его диаметр (2400 км, в полтора раза меньше Луны), и особенно после открытия других похожих объектов, Плутон стал первым в новой категории карликовых планет. К ним относят объекты достаточно крупные, чтобы принять шарообразную форму, но недостаточно тяжелые, чтобы очистить окрестности своей орбиты от других тел. В эту категорию кроме Плутона попали крупнейший астероид Церера и три крупных тела пояса Койпера: Эрида, Макемаке и Хаумеа.

Тела пояса Койпера состоят в основном из водяного, метанового и аммиачного льда.

Многие из них имеют коричневую или красную поверхность. Этот цвет им придает толин – сложная смолоподобная смесь органических веществ, которая образуется под действием радиации на метановый и аммиачный лед. Плутон и Эрида с диаметром около 2400 км остаются самыми крупными телами пояса Койпера. Всего же их сейчас известно более тысячи. У многих тел пояса Койпера есть спутники, иногда довольно крупные. Харон, крупнейший спутник Плутона, по массе лишь в 9 раз уступает Плутону.

Орбиты тел пояса Койпера разнообразны. Большинство из них («холодное население пояса Койпера») имеют орбиты, близкие к круговым и почти в той же плоскости, что орбиты планет. Они делают оборот вокруг Солнца за 270–310 лет. К ним относится, например, Квавар. Другие, такие как Макемаке и Хаумеа («горячее население»), при тех же периодах обращения отличаются большим наклонением орбиты, до 30 градусов.

Плутон находится ближе к Солнцу, пересекает орбиту Нептуна, но опасных сближений не происходит, потому что его орбита наклонена на 15 градусов к плоскости орбиты Нептуна. Известно более 100 объектов с похожими орбитами (например, Орк) – они называются «плутино» и движутся в орбитальном резонансе 2:3 с Нептуном (период обращения – 240 лет). Наконец, есть так называемые обособленные объекты, которые находятся дальше всего от Солнца. К ним относятся, например, Эрида (период обращения – 561 год) и Седна (период обращения – около 11 400 лет).

Протопланетные диски

Формирование звезд, наблюдаемое и в настоящее время, происходит в газово-пылевых облаках. Такие облака под собственной тяжестью сжимаются и распадаются на фрагменты. По мере сжатия отдельных фрагментов небольшое случайное вращение, которое имело облако до сжатия, усиливается – по закону сохранения момента импульса если вращающиеся тела приближаются к центру вращения, то скорость вращения должна возрасти (так фигуристы на льду прижимают руки к телу, чтобы ускорить свое вращение). В случае газового облака взаимодействие вращения и силы тяжести приводит к тому, что облако принимает форму диска. Вдоль оси вращения сжатие происходит беспрепятственно, а в плоскости диска газ и пыль могут падать к центру, только потеряв по какой-либо причине скорость вращения. Центральное сгущение сжимающегося фрагмента облака – протозвезда – образуется еще до того, как фрагмент сожмется в диск. Гравитационная энергия падающего в протозвезду газа разогревает ее, и еще до начала термоядерных реакций светимость протозвезды может в сотни раз превышать ее будущую светимость в качестве обычной звезды. Примерно через миллион лет газ из диска в основном попадает в звезду, и светимость ее поддерживается уже только термоядерными реакциями. Известным примером звезды на этой стадии эволюции является T Тельца. Остаток диска, имеющий массу порядка 10 масс Юпитера, постепенно образует планеты (рис. 2.1).

Древнейший известный твердый материал, попавший в руки ученых, – так называемые досолнечные зерна (presolar grains). Эти частицы микронных размеров, найденные внутри метеоритов, состоят из тугоплавких минералов – карбида кремния, алмаза, оксидов алюминия и титана, оливина и пироксена. Досолнечные зерна отличаются по изотопному составу от остального вещества Солнечной системы. Например, они часто сильно обогащены тяжелым изотопом кальция ⁴⁴Са. Этот изотоп получается из радиоактивного титана ⁴⁴Ti с периодом полураспада 60 лет, который, в свою очередь, возникает в больших количествах при вспышках сверхновых. Следовательно, досолнечные зерна образовались в конце жизни различных звезд в процессе сброса их оболочек – как тихого (звездный ветер), так и взрывного (вспышки сверхновых).

Самые древние твердые тела Солнечной системы, кальций-алюминиевые включения, тоже входят в состав метеоритов, но они крупнее, до миллиметра в размере, и в их составе есть и менее тугоплавкие материалы. Возраст всех кальций-алюминиевых включений, определенный с высокой точностью уран-свинцовым методом, одинаков и составляет 4568 млн лет. Момент образования кальций-алюминиевых включений принимается за точку отсчета существования Солнечной системы (табл. 2.1).

Кальций-алюминиевые включения тоже несут в себе изотопные следы вспышек сверхновых в виде избытка ²⁶Mg и ⁶⁰Ni – продуктов распада радионуклидов ²⁶Al и ⁶⁰Fe с периодами полураспада 730 000 лет и 2,6 млн лет соответственно. Следовательно, образование Солнечной системы произошло вскоре после вспышки сверхновой в этом районе космоса. Ударная волна от вспышки сверхновой могла стать толчком, запустившим сжатие облака.

Пока не очень понятно, как соотносится изотопная хронология твердых тел Солнечной системы и возраст Солнца. Наиболее вероятно, что кальций-алюминиевые включения сконденсировались, когда Протосолнце высветило большую часть гравитационной энергии и температура внутренних частей диска упала ниже 1500 °C. Этот момент наступил примерно через 200 000–300 000 лет после начала образования Солнца.

Следующим поколением твердых тел Солнечной системы стали хондры. Это силикатные шарики размером до нескольких миллиметров, составляющие основную часть материала самых обычных метеоритов – хондритов. Хондры состоят из таких минералов, как оливин (MgFeSiO₄), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si₂O₆), полевой шпат ((K, Na) AlSi₃O₈), а также имеют примеси фосфатов кальция, сульфида железа, самородных железа и никеля. Структура хондр указывает на их образование при быстром (не более минуты) нагревании до примерно 1000 °C и таком же быстром охлаждении. Что могло быть причиной такого кратковременного нагрева – непонятно. Рассматриваются версии коротких вспышек молодого Солнца, столкновений метеоритов и ударных волн в протопланетном диске. Эпоха образования хондр началась с момента появления кальций-алюминиевых включений и продолжалась примерно 2 млн лет.

Метеориты по минеральному составу делятся на три основных класса – железные, каменные ахондриты и каменные хондриты (рис. 2.2). Хондриты наиболее многочисленны и состоят из хондр, небольшой доли кальций-алюминиевых включений и мелкозернистого матрикса, соединяющего крупные зерна. В состав матрикса часто входят вода и органические соединения. В некоторых хондритах доля органики достигает 30 %. Железные метеориты и каменные ахондриты более однородны и имеют следы полного расплавления. Скорее всего, железные метеориты и каменные ахондриты являются осколками крупных, диаметром более 100 км, астероидов, дифференцировавшихся на железное ядро и силикатную мантию, а хондриты никогда не входили в состав крупных тел и сохраняют древнейшие минералы Солнечной системы в неизменном виде. Железные метеориты и каменные ахондриты в среднем на 1–2 млн лет моложе хондритов, но самые древние из них – ровесники древнейших хондритов и кальций-алюминиевых включений.

Образование планетезималей

Размер первых твердых частиц Солнечной системы, кальций-алюминиевых включений и хондр не превышал 1 см. Для того чтобы образовались астероиды и планеты, мелкие частицы должны были сталкиваться между собой и слипаться. Для частиц размером до 10 см основную роль в слипании играют электростатические взаимодействия. Тела километровых размеров (планетезимали) удерживаются вместе своей гравитацией. Долгое время было необъяснимо, как могли образоваться километровые тела, потому что в размерном классе метров-десятков метров столкновения по всем моделям должны приводить к разрушению тел, а не к их росту. Точнее, метровые тела могут увеличиваться за счет столкновения с мелкой пылью, но моделирование показывает, что рост за счет пыли отстает от разрушения за счет столкновений между телами сравнимых размеров. Другим слабым местом небулярной теории образования Солнечной системы было взаимодействие пыли с газом. Газ в протопланетном диске движется по окружности со скоростью меньше орбитальной, так как его дополнительно поддерживает давление нижележащих слоев газа. Пылинка в таких условиях должна тормозиться в газе и падать на Солнце в течение нескольких тысяч лет.

Обе этих проблемы решаются, если газовая часть протопланетного диска была турбулентна и в ней крутилось множество устойчивых вихрей. В этом случае пылинки падают не на Солнце, а к центру ближайшего вихря. В центре вихря скорости столкновения пылинок сильно уменьшаются, а их плотность возрастает, что позволяет метровым частицам слипаться в километровые. Образование планетезимали в вихре занимает не более 10 000 лет, но как долго мог продолжаться период массового рождения планетезималей, не очень ясно. По разным оценкам, он мог составлять от 100 до 500 000 лет.

После того как значительная часть пыли собралась в планетезимали, начинается рост планетных зародышей, в котором основную роль играют их гравитационные взаимодействия. Более крупные тела растут быстрее. Когда появляются первые планетные зародыши размером до 1000 км, их гравитационное воздействие искажает орбиты мелких планетезималей, что повышает скорость их столкновений. В этих условиях мелкие планетезимали уже не могут объединяться друг с другом, а могут только присоединяться к более крупным. Этот период называется «стадией олигархического роста». В течение 1–2 млн лет олигархический рост приводит к объединению большей части твердого вещества в районе планет земной группы и пояса астероидов примерно в сотню планетных зародышей размером 3000–6000 км и массой, составляющей 1–10 % массы Земли (в промежутке между массами Луны и Марса). Небольшая часть планетезималей сохранилась до наших дней как астероиды.

Образование планет-гигантов

Планеты-гиганты образовались дальше от Солнца, за «линией льда», где конденсация воды в ледяные пылинки резко увеличила массу материала, доступного для построения планет. Масса Юпитера в 314 раз больше массы Земли, Сатурна – в 94, Урана – в 14 и Нептуна – в 17 раз. Юпитер и Сатурн состоят в основном из водорода и гелия, на долю тяжелых элементов приходится, по разным оценкам, 15–30 масс Земли в составе Юпитера и 10–20 – Сатурна. Уран и Нептун сложены в основном водой, метаном и аммиаком, доля водорода и гелия в них составляет порядка одной массы Земли.

Зародыши планет-гигантов образовались так же, как и зародыши планет земной группы, но благодаря доступности льда их масса была намного больше, порядка 10 масс Земли. После этого они начали накапливать газ протопланетного диска, и по достижении примерно 25 масс Земли поглощение газа стало лавинообразно нарастать. Большая часть газа была набрана Юпитером и Сатурном в течение всего 10 000 лет. Начальные стадии роста, однако, должны были занять от 3 до 10 млн лет, иначе гравитационное влияние Юпитера помешало бы образованию планетных зародышей во внутренних областях Солнечной системы. Уран и Нептун, скорее всего, росли еще дольше и не успели набрать достаточно большую массу к моменту рассеяния протопланетного диска.

Образование планет земной группы

После того как во внутренней части Солнечной системы остается около 100 планетных зародышей, их дальнейший рост замедляется, так как из-за их малого числа вероятность столкновений сильно снижается. Постепенно взаимное притяжение зародышей искажает их орбиты, и столкновения все же происходят. Несмотря на большие скорости столкновения, превышающие 10 км/с, зародыши объединяются благодаря гравитации. Во всех численных моделях этого процесса в течение 50–100 млн лет из зародышей образуются от трех до пяти планет с размерами от Марса до Земли и устойчивыми орбитами.

В районе пояса астероидов исходно находятся планетные зародыши общей массой до двух масс Земли, однако формирования планет из них не происходит из-за влияния Юпитера. Те зародыши, которые оказались с ним в орбитальном резонансе, быстро переходят на все более вытянутые эллиптические орбиты и либо врезаются в формирующиеся внутренние планеты, либо проходят вблизи Юпитера и выбрасываются его тяготением за пределы Солнечной системы. Поскольку орбиты зародышей постоянно меняются из-за взаимодействия друг с другом, в резонансе с Юпитером рано или поздно оказывается большинство из них. Кроме того, из-за вытянутой формы орбит столкновения планетных зародышей в этом районе происходят на очень больших скоростях, и образуется много мелких обломков. В итоге за 100 млн лет в районе пояса астероидов остается около 1 % исходной массы в виде небольших тел на эллиптических орбитах, заметно наклоненных к плоскости эклиптики.

Происхождение Луны и спутников Марса

Теория происхождения Луны должна объяснять несколько ключевых фактов. Во-первых, система Земля – Луна обладает большим моментом импульса, из которого основная часть приходится на орбитальное движение Луны. Во-вторых, породы Луны по химическому составу похожи на земную мантию, но в них практически нет воды, азота, инертных газов и других летучих веществ. Содержание умеренно летучих элементов, таких как сера, хлор, натрий и свинец (они переходят из минералов в газ при температурах 500–700 °C), в породах Луны в несколько раз ниже по сравнению с Землей. Железное ядро Луны очень мало и составляет около 1 % ее массы (на ядро Земли приходится более 30 % массы планеты). В-третьих, изотопный состав всех элементов в лунном грунте точно такой же, как на Земле. Это очень важно, потому что по соотношениям изотопов кислорода, кремния и титана Земля, Марс и все семейства метеоритов четко отличаются друг от друга. Иначе говоря, судя по изотопному и химическому составу, похоже, что Луна – это вырванный кусок земной мантии с небольшой примесью железа, который после отделения был полностью расплавлен и лишился всех летучих веществ.

К середине XX века, пока состав Луны не был известен, в астрономии конкурировали три гипотезы ее происхождения. По одной из них Луна когда-то была самостоятельной карликовой планетой, захваченной Землей. По другой она образовалась одновременно с Землей при росте последней в центре вихря в газово-пылевом диске (эта гипотеза сейчас подтверждена для спутников планет-гигантов). По третьей центробежная сила на быстро вращающейся молодой Земле привела к отрыву фрагмента земной коры и мантии и выходу его на околоземную орбиту.

Как только на кораблях «Аполлон» и советских автоматических зондах «Луна» на Землю были доставлены образцы лунного грунта, его анализ показал, что захват отдельно сформированной Луны исключается из-за ее точного совпадения с Землей по изотопному составу. Рост Луны в газово-пылевом вихре вместе с Землей тоже исключается, потому что по гафний-вольфрамовым изотопным часам она сформировалась через 50 млн лет от начала Солнечной системы, когда газ давно рассеялся. Отрыв фрагмента Земли из-за быстрого вращения не объясняет полное расплавление Луны и требует нереалистично высокой скорости вращения – около двух часов на оборот. По современным представлениям, Луна появилась в результате масштабного столкновения Земли с другой протопланетой из выброшенных на околоземную орбиту расплавленных обломков.

Как описано выше, образование планет земной группы включало несколько десятков крупных столкновений. Многие из них проходили по касательной, что приводило к выбросу в космос большой массы обломков. Согласно изотопным часам, Луна на 50 млн лет моложе Солнечной системы, т. е. удар, породивший ее, был одним из последних в истории формирования Земли.

Численное моделирование удара, приводящего к образованию Луны (Canup, Asphaug, 2001), показало, что масса столкнувшегося тела (оно получило название Тейя) должна быть примерно равна массе Марса (в 10 раз меньше массы Земли); угол удара – от 30 до 50 градусов в зависимости от предшествующего вращения Земли; выброшенный в космос материал происходит в основном из мантий Земли и Тейи, что соответствует малому содержанию железа в Луне. Энергия удара разогревает Землю настолько, что вся ее поверхность представляет собой океан магмы, окутанный плотной и протяженной атмосферой силикатных паров, CO₂ и водяного пара. Благодаря этой атмосфере изотопный состав Земли и Луны выравнивается. Обломки на околоземной орбите собираются в Луну в течение всего нескольких лет, начальная высота ее орбиты составляет 25 000–30 000 км (примерно в 15 раз меньше современной). Через 1–2 млн лет поверхность Земли охлаждается достаточно для появления первых твердых пород земной коры.

Спутники Марса – Фобос и Деймос – очень малы и ранее считались захваченными астероидами. Однако прямое измерение массы Фобоса по влиянию на орбиты космических зондов показало, что его плотность (1,8 г/см³) необычно мала для астероидов. По данным спектрального анализа, поверхность Фобоса сложена филлосиликатами – рыхлыми слоистыми минералами, обычными на поверхности Марса. Эти данные означают, что Фобос сложен материалами, выброшенными с Марса при ударах метеоритов, и в отличие от Луны его поверхность никогда не была полностью расплавлена. Возраст Фобоса пока неизвестен, не исключено, что он накапливал выбрасываемые с Марса обломки на протяжении миллиардов лет.

Эволюция системы Земля – Луна

Радиус лунной орбиты увеличивается из-за приливного взаимодействия с Землей. Момент импульса Земли передается Луне, при этом Луна отодвигается от Земли, а вращение Земли замедляется. Часть энергии вращения при этом рассеивается в тепло. Скорость передачи вращения Луне сильно зависит от приливного трения – меры сопротивления Земли приливным движениям океана и мантии.

Современные измерения при помощи лазерных дальномеров показали, что Луна отдаляется от Земли со скоростью около 3,5 см в год. Рассчитанное из этих данных приливное трение оказывается довольно большим, и получается, что возраст Луны не может превышать 1,5 млрд лет, что противоречит изотопным датировкам и другим данным. В распоряжении ученых есть также данные о скорости вращения Земли за последние 600 млн лет, полученные путем изучения суточных и годовых колец прироста ископаемых кораллов, а также подсчета слоев ритмитов – отложений морских осадков, оставленных приливно-отливными течениями. Эти данные показывают, что темпы замедления вращения Земли колебались, отличаясь в несколько раз в разные эпохи. Колебания связаны с изменением расположения материков и океанов. Мелководные моря тормозят приливную волну сильнее, чем глубокие океаны. Современное расположение материков, перекрывающих экватор в трех местах, тормозит приливную волну гораздо больше, чем было, например, в палеогене – с океаном Тетис между Евразией и Африкой и без Панамского перешейка.

Самая полная последовательность ритмитов, отлагавшаяся в течение 60 лет в позднем протерозое (620 млн лет назад), известна из формаций Рейнелла и Элатина в Австралии (Williams, 2000). Она показывает, что в ту эпоху продолжительность суток составляла 21,8 часа, а радиус лунной орбиты был на 6 % меньше современного. Для более древних эпох такие отложения, к сожалению, неизвестны.

Происхождение спутников планет-гигантов

Юпитер, Сатурн и Уран обладают системой из нескольких регулярных спутников, обращающихся в плоскости экватора планеты. У Юпитера и Урана есть по четыре крупных спутника примерно равной массы, а у Сатурна – один большой (Титан), четыре поменьше (Тефия, Диона, Рея, Япет), более 20 совсем мелких спутников и кольца. Какие закономерности определяют количество, размеры и орбиты регулярных спутников?

Общей чертой всех систем регулярных спутников является их масса. Для каждой из планет-гигантов все ее спутники, вместе взятые, составляют около 0,02 % массы планеты. Более того, для Нептуна, потерявшего свои регулярные спутники после захвата Тритона, это соотношение тоже верно: масса Тритона составляет 0,025 % массы Нептуна. Масса регулярных спутников была меньше этого значения, иначе Тритон, захваченный на ретроградную орбиту, при взаимодействии с регулярными спутниками потерял бы скорость и упал на планету. Это одинаковое отношение масс спутников и планеты неожиданно, потому что планеты-гиганты имеют разный состав и разную историю роста. Сатурн и Юпитер прошли стадию лавинообразного поглощения газа с увеличением массы планеты в 5–10 раз за 1 млн лет, а в истории Урана и Нептуна такого не было.

Первое успешное численное моделирование роста спутников, в котором получились системы, очень близкие к реальным, было опубликовано в 2006 году (Canup & Ward, 2006). В моделировании получился такой сценарий: вокруг растущего гиганта возникает газово-пылевой диск, более плотный, чем большой диск, вращающийся вокруг Солнца. Газ в этом диске падает на планету и несет с собой пыль. Однако высокая плотность пыли и наличие в околосолнечном диске планетезималей приводят к тому, что в околопланетном диске начинают расти спутники. Уже при размерах в несколько километров торможение спутников газом становится незаметным. По мере роста более крупные спутники поглощают или выбрасывают в планету мелких собратьев, и в диске остается от четырех до пяти спутников примерно одинаковых размеров. Однако, когда спутники вырастают очень сильно, до 0,01 % массы планеты, их притяжение вызывает спиральные волны плотности в газовом диске, и взаимодействие с этими волнами приводит к тому, что спутники опять начинают терять орбитальный момент и приближаться к планете. Чем крупнее спутник, тем быстрее это происходит. Поэтому первое поколение спутников по очереди, начиная с ближайшего, падает в планету, и когда из них остается один, начинается рост следующего поколения. Этот механизм приводит к ограничению на массу системы спутников в 0,02 % массы планеты. Пока идет поглощение газа, все возникающие спутники неизбежно поглощаются планетой. За это время может родиться и погибнуть больше десяти поколений спутников. Лишь когда газ в околосолнечном диске кончается, торможение спутников прекращается, и те спутники, что дожили до этого момента, остаются с планетой на миллиарды лет. Итоговый вид системы зависит от того, в какой момент цикла роста спутников кончился газ. Если это произошло в момент расцвета поколения спутников, то их будет от четырех до пяти примерно равной массы, как у Юпитера и Урана. Если же рост остановился в тот момент, когда остался последний спутник одного поколения и начало расти следующее, то получается система Сатурна с огромным Титаном и несколькими более мелкими спутниками (все остальные спутники Сатурна, вместе взятые, в 15 раз легче Титана).

Отсюда следует, что если бы рост Юпитера остановился чуть раньше или позже, то у него мог возникнуть крупный спутник, в три-четыре раза массивнее Ганимеда и Титана и немного не дотягивающий до массы Марса. В других звездных системах известны более тяжелые газовые гиганты, вплоть до 10 масс Юпитера. У таких гигантов возможно появление спутников массой почти с Землю, а если они находятся на подходящем расстоянии от звезды, то на таком спутнике будет жидкая вода и атмосфера. Так что масса планеты Пандора из фильма «Аватар», обитаемого спутника газового гиганта (72 % от земной), находится у верхнего предела масс спутников, а Полифем, вокруг которого она обращается, должен быть гораздо массивнее Юпитера.

Дальше авторы расширили свою модель и вычислили происхождение колец Сатурна (Canup, 2010). Большинство спутников планет-гигантов имеют смешанный силикатно-ледяной состав, и в них содержится до 30–50 % скальных пород. Однако кольца Сатурна практически чисто ледяные, и несколько его ближайших спутников (Тефия, Энцелад, Мимас и все мелкие внутренние спутники) – тоже. Мы помним, что у Титана были «братья» – два-три спутника сравнимого размера, которые начали расти одновременно с ним, но ближе к Сатурну, и были им со временем поглощены. Когда они приближались к Сатурну и переходили предел Роша, эти спутники начинали разрушаться. Сначала от них отрывались менее плотные внешние слои – ледяная кора и подледный океан. Более плотное скальное ядро держалось дольше и падало в Сатурн целиком, а вокруг планеты оставалось ледяное кольцо. Поэтому практически оно и состоит из чистого льда.

Пока газ из околосолнечного диска поступал, его падение в Сатурн быстро утаскивало туда же образующиеся кольца. Но когда приток газа прекратился и угроза падения в Сатурн миновала, кольцо от последнего распавшегося спутника осталось на орбите на миллиарды лет. Его масса была в 100–300 раз больше современной. Взаимодействие частиц кольца между собой приводила к размыванию границ кольца: часть обломков приближалась к Сатурну и в итоге падала в него, а другие отдалялись и выходили за предел Роша. Там они собирались в новые спутники, состоящие почти из чистого льда. Далее приливное взаимодействие с Сатурном поднимало их орбиты, и они освобождали место у внешнего края кольца для появления следующих спутников. По мере рассеивания кольца каждый новый спутник получался меньше предыдущего. Поэтому сначала кольцо породило 1000-километровую Тефию, потом Энцелад и Мимас с диаметрами 500 и 400 км, а затем еще более мелкие спутники. Мельчайшие из этих спутников, 20-километровый Пан и 7-километровый Дафнис, могут быть совсем молодыми – их возраст может составлять менее 10 млн лет.

Нерешенные вопросы в моделях происхождении планет

Хотя многие особенности строения Солнечной системы хорошо описываются моделями происхождения, которые были кратко рассмотрены выше, есть и несколько серьезных нерешенных вопросов. Вот основные из них:

• при образовании планет земной группы из зародышей орбиты планет в моделях получаются более вытянутыми и наклонными, чем в реальности;

• Марс в моделях оказывается крупнее, чем в реальности, часто – самой крупной планетой земной группы;

• осевое вращение планет земной группы определяется случайными событиями столкновения планетных зародышей, и в моделях оси вращения планет ориентированы случайно. В реальности оси вращения Меркурия и Венеры практически перпендикулярны к плоскости орбиты, а Земли и Марса – отклоняются от перпендикуляра не более чем на 30 градусов. Кроме того, реальное осевое вращение Меркурия и Венеры необъяснимо медленное;

• при образовании планет-гигантов начало поглощения газа (который, как мы помним, вращается со скоростью меньше орбитальной) должно приводить к быстрому (в течение тысяч лет) приближению планеты к Солнцу, которое может остановиться только в свободной от газа ближней окрестности Солнца, т. е. внутри орбиты Меркурия;

• в районе орбиты Нептуна не должно было быть достаточно материала для формирования планеты такой массы.

Первое затруднение связано с ограничениями численного моделирования. Чтобы вычисления заняли разумное время, приходится уменьшать число моделируемых объектов, при этом из рассмотрения выпадают мелкие планетезимали и обломки, образующиеся при столкновении планетных зародышей. Масса этих мелких тел хотя и меньше, чем масса моделируемых планетных зародышей, но сравнима (различие, по разным оценкам, составляет от двух до пяти раз). Взаимодействие растущих планет с мелкими телами в среднем приводит к скруглению и уменьшению наклонения орбит планет, а мелкие тела при этом выбрасываются в пояс астероидов.

Причины различия массы Марса между моделями и реальностью пока непонятны. Историю осевого вращения планет мы вскоре рассмотрим. А два последних расхождения между моделями формирования планет и реальностью получили блестящее объяснение в рамках так называемой модели из Ниццы, названной по месту работы ее авторов, опубликованной в трех статьях в журнале Nature (Gomes et al., 2005; Tsiganis et al., 2005; Morbidelli et al., 2005). Эта модель объясняет и другие особенности Солнечной системы – количество и параметры орбит нерегулярных спутников планет-гигантов, орбиты объектов пояса Койпера, комет, астероидов-троянцев, а также «позднюю тяжелую бомбардировку» через резонансные взаимодействия Юпитера и Сатурна в первый миллиард лет существования Солнечной системы.

Осевое вращение планет земной группы и особенности Венеры и Меркурия

Вращение планет-гигантов имеет однозначное происхождение: оно определяется в основном вращением падавшего в них газа в период лавинообразного накопления, которое, в свою очередь, связано с исходным вращением протопланетного диска. Поэтому Юпитер и Сатурн вращаются в одну сторону с периодом около 10 часов. Периоды вращения большинства крупных астероидов тоже близки к этому значению, и происхождение этого вращения аналогичное – из газового вихря, в центре которого росла планетезималь (Pravec, Harris и Michalowski, 2002). Плохо понятно происхождение вращения Урана и Нептуна – их периоды практически равны и составляют около 16 часов, но ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты. Вращение планет земной группы при их образовании из планетезималей и планетных зародышей должно было сильно и непредсказуемо измениться при косых столкновениях планетных зародышей. Наклоны осей вращения планет в итоге должны были стать случайными, периоды вращения – тоже, в пределах от нескольких часов до нескольких суток, со средним значением примерно тех же 10 часов. Однако из четырех планет земной группы две (Земля и Марс) имеют наклоны в пределах 30 градусов и периоды вращения около 23–25 часов, а Венера и Меркурий – малые наклоны и огромные периоды вращения 243 и 59 суток. Хуже того, Венера вращается в обратную сторону. Теоретически Венера могла получить обратное вращение за счет удачных направлений скользящих ударов в процессе образования, но ось вращения тогда была бы направлена куда попало.

В случае Земли на основе закона сохранения момента импульса можно рассчитать, что сразу после образования Луны на орбите высотой 25 000–30 000 км период вращения Земли должен был быть около шести часов. Это лучше согласуется со «средним по системе» 10-часовым периодом вращения. У Марса подобных тормозящих спутников нет, Фобос немного ускоряет осевое вращение Марса, но его влияние пренебрежимо мало. С Венерой и Меркурием же ситуация совершенно непонятная.

Возможно, их медленное вращение – это результат приливного торможения? Но обе планеты не имеют спутников, а приливное торможение Солнца вроде бы недостаточно сильно. Есть, однако, старая, еще XIX века, гипотеза, что Меркурий когда-то в древности был спутником Венеры. Так как его масса в пять раз больше массы Луны, то и приливные эффекты должны быть мощнее. Численное моделирование системы Венера – Меркурий (Van Flandern, Harrington, 1976) показывает, что при сравнимом с Землей приливном торможении Венеры Меркурий должен был за 0,5–1,5 млрд лет отдалиться от Венеры на расстояние около 450 000 км и перейти на эллиптическую орбиту вокруг Солнца. При этом период осевого вращения Меркурия к моменту расставания с Венерой должен был составлять около 40 суток, период вращения Венеры – меньше, порядка 20 суток. Опасных сближений Меркурия с Венерой в дальнейшем не происходит. Последующее замедление вращения Меркурия и скругление орбиты объясняется приливным взаимодействием с Солнцем, однако эксцентриситет (мера вытянутости) его орбиты остается самой большой из всех планет.

Гипотеза о Меркурии как о бывшем спутнике Венеры объясняет сильную потерю вращения этими планетами и вытянутость орбиты Меркурия, но вызывает другие сложные вопросы. Например, орбита Меркурия после расставания с Венерой оказывается гораздо больше, чем в реальности, и нет никаких причин для уменьшения ее размеров. Непонятно, как могла образоваться система Венера – Меркурий. Меркурий слишком велик и, главное, слишком богат железом, чтобы, подобно Луне, сформироваться из обломков, выброшенных при косом столкновении планетного зародыша с Венерой. Возможно, если удар был совсем скользящим, то планетный зародыш полетел дальше, оставив на Венере часть своей силикатной мантии, но в таком случае он должен был бы упасть на планету окончательно на следующем обороте. Условия для захвата спутника при скользящем столкновении пока не удалось подобрать.

Другое возможное объяснение изменения осей вращения планет – их слабые приливные взаимодействия друг с другом. Расчеты этих взаимодействий (Laskar и Robutel, 1993) показывают, что в широком диапазоне периодов вращения (приблизительно от 100 до 400 часов для Меркурия и от 20 до 100 часов для Венеры) положение оси вращения испытывает хаотические колебания на промежутках времени в миллионы лет, при этом наклон оси может изменяться от 0 до 90 градусов. Следовательно, когда периоды вращения Меркурия и Венеры проходили эти диапазоны, положение их осей изменилось и стерло все следы исходного положения. Когда приливное трение Солнца затормозило их вращение сильнее и вывело из диапазона неустойчивости, наклоны осей Меркурия и Венеры перестали изменяться и застыли на современных значениях.

Для Марса аналогичные хаотические колебания наклонения от 0 до примерно 60 градусов должны происходить и при его современном периоде вращения (24,5 часа), и мы не видим их только из-за большой длительности. Впрочем, свидетельства этих колебаний могут быть найдены при изучении геологии и климата Марса. Земля формально тоже находится в зоне неустойчивости, но наличие Луны подавляет колебания наклона земной оси, благодаря чему климат Земли на протяжении миллиардов лет был более устойчив, чем климат прочих планет.

Чрезвычайно медленное обратное вращение Венеры пока не нашло окончательного объяснения. Не исключено, что причиной его послужило взаимодействие гравитационных и тепловых приливов, действующих со стороны Солнца на очень массивную атмосферу Венеры.

Поздняя тяжелая бомбардировка и миграция планет-гигантов

Поверхность Луны, Меркурия и в меньшей степени Марса покрыта ударными кратерами. Измерение возраста лунных кратеров показало, что большинство из них появились практически одновременно, 3,9 млрд лет назад – примерно через 650 млн лет после начала образования Солнечной системы. На Земле следы этой бомбардировки были стерты последующей геологической активностью. Распределение размеров кратеров показывает, что большая часть массы выпадавших тел приходится на объекты размером от 1 до 50 км, т. е. планетезимального размерного класса. Причины такого резкого повышения количества столкновений через 500 млн лет после окончания формирования планет земной группы и стабилизации пояса астероидов долгое время были непонятны.

Модели формирования планет-гигантов указывают на неизбежность их миграции к Солнцу при быстром накоплении газа. В 2000-е годы уже было понятно, что это не фантазия теоретиков, – были открыты многочисленные «горячие Юпитеры» у других звезд. Температура этих планет может превышать 2000 °C, а период обращения вокруг звезды – измеряться часами.

Миграция планеты-гиганта приводит к рассеиванию планетезималей и не позволяет образоваться планетам земного типа. Впрочем, если миграция происходит в течение менее 10 000 лет, то заметная часть скальных планетезималей остается во внутренней части системы, и к ним добавляются ледяные планетезимали из внешних областей. В этом случае в зоне жизни возможно образование водяных планет с массой от одной до пяти масс Земли и покрытых океаном толщиной в сотни километров. Такие планеты также были обнаружены у других звезд.

Следовательно, модели формирования планет-гигантов верны хотя бы для части планетных систем, а для описания нашей Солнечной системы надо вводить дополнительные механизмы, предотвратившие миграцию планет к Солнцу. Одна из подсказок тоже была получена из исследований экзопланет – «горячие Юпитеры» часто являются единственной гигантской планетой в системе, а у нашего Солнца планет-гигантов четыре. Возможно, дело в их взаимодействии?

Расчеты показали, что несколько планет-гигантов действительно могут удерживать друг друга от падения к Солнцу. Однако для этого необходимо, чтобы их орбиты были гораздо ближе друг к другу, чем в реальности. В этом случае Юпитер и Сатурн в процессе быстрого накопления газа проделывают в газовом диске общее разреженное кольцо. Сатурн не мигрирует внутрь, так как внутри него газ уже поглощен Юпитером, а миграция Юпитера останавливается, когда он оказывается в орбитальном резонансе 3:2 с Сатурном. Для системы из четырех планет-гигантов миграция тоже останавливается, если орбиты планет были близки друг к другу. Моделирование показало наличие шести устойчивых конфигураций, общей чертой которых является орбитальный резонанс 3:2 между Юпитером и Сатурном.

Авторы «модели из Ниццы» начали с попытки объяснить строение пояса Койпера, позднюю тяжелую бомбардировку и согласовать устойчивые конфигурации планет-гигантов с наблюдаемой в реальности, где Юпитер и Сатурн близки к резонансу 5:2 и все расстояния между планетами-гигантами гораздо больше, чем в устойчивых конфигурациях (рис. 2.3).

Во всех этих конфигурациях радиус орбиты внешней планеты-гиганта не превышает 17 а. е. (астрономических единиц, 1 а. е. = 150 млн км – радиус орбиты Земли). Для сравнения: современная орбита Нептуна проходит в районе 30 а. е. от Солнца. Причиной изменения орбит планет в «модели из Ниццы» является обширный, плотный древний пояс Койпера, состоящий из ледяных планетезималей общей массой примерно 35 масс Земли. Близкие проходы планетезималей около Урана и Нептуна переводят планетезимали на более близкие к Солнцу и более вытянутые орбиты, а орбиты планет, напротив, отдаляются от Солнца. Заброшенные внутрь планетезимали далее проходят вблизи Сатурна, расширяя и его орбиту. Близкие встречи с Юпитером приводят к другим последствиям – планетезимали оказываются выброшенными из Солнечной системы либо переходят на очень вытянутые эллиптические орбиты с огромными периодами обращения, переходя в облако Оорта. Часть планетезималей попадает на орбиты, проходящие близко к Солнцу, где сталкивается с планетами земной группы. Обмен импульсом между Юпитером и выброшенными планетезималями приводит к тому, что Юпитер, в отличие от других планет-гигантов, немного приближается к Солнцу. Наконец, примерно через 500–600 млн лет смещение Сатурна наружу и Юпитера внутрь приводит к тому, что они попадают в дестабилизирующий резонанс 1:2. Орбиты Юпитера и Сатурна становятся эллиптическими и приводят к близким проходам Сатурна и двух внешних планет. Их орбиты, в свою очередь, тоже вытягиваются. Нептун быстро начинает проходить в густонаселенной части пояса Койпера, и поток планетезималей во внутренние области Солнечной системы возрастает тысячекратно. На планетах земной группы в это время происходит поздняя тяжелая бомбардировка. Динамическое трение Нептуна в поясе Койпера приводит к тому, что его орбита опять скругляется, но на гораздо большем расстоянии от Солнца. Радиус орбиты Сатурна тоже растет, и он уходит от резонанса 1:2. Пояс Койпера разрушается, его ледяные объекты частью выброшены из Солнечной системы, частью столкнулись с планетами и спутниками, частью перешли на вытянутые кометные орбиты или в облако Оорта. В поясе Койпера остается около 1 % его первоначальной массы. В процессе миграции Юпитера внутрь и во время резонанса 2:1 с Сатурном пояс астероидов опять дестабилизируется, астероиды рассеиваются ближе и дальше к Солнцу и тоже вносят вклад в позднюю тяжелую бомбардировку внутренних планет. Это вторая стадия обеднения пояса астероидов, в процессе которого его масса падает примерно с 1 до 0,1 % массы Земли.

«Модель из Ниццы» предсказывает, что Нептун до момента поздней тяжелой бомбардировки с большой вероятностью был ближе к Солнцу, чем Уран, что согласуется и с большей массой Нептуна. Предсказываемые близкие прохождения планет-гигантов объясняют происхождение нерегулярных спутников – это были пролетавшие мимо планетезимали, которые были захвачены на орбиты спутников при прохождении около двух планет. Еще одна странная деталь Солнечной системы, получающая объяснение в рамках этой модели, – астероиды-троянцы. Это мелкие объекты, которые движутся по орбите Юпитера на 60 градусов окружности впереди и позади планеты, в так называемых Лагранжевых точках L4 и L5. В настоящее время они находятся в устойчивом равновесии: троянцы не могут покинуть свои орбиты под воздействием других планет, но и новые тела не могут попасть в их ряды. Однако в момент резонанса 1:2 Сатурна и Юпитера объекты в точках L4 и L5 были неустойчивы. Мигрирующие планетезимали могли входить и выходить в эти точки, но после выхода Юпитера из резонанса с Сатурном оставшиеся астероиды были заперты там на миллиарды лет.

Прыгающий Юпитер

При всех достоинствах «модели из Ниццы», объясняющей очень многие свойства Солнечной системы, в ней есть к чему придраться. Прежде всего, в процессе миграции Юпитера он проходит орбитальные резонансы с Марсом. Хотя это не очень опасные резонансы, такие как 1:7, но их достаточно, чтобы орбита Марса вытянулась и стала заходить в пояс астероидов. Ничего подобного в Солнечной системе мы не видим. Второй недостаток относится к судьбе нерегулярных спутников. Модель хорошо предсказывает захват планетезималей на орбиты нерегулярных спутников Сатурна, Урана и Нептуна, но система нерегулярных спутников Юпитера устроена точно так же и, видимо, должна иметь такое же происхождение – путем захвата планетезималей при близких проходах двух планет-гигантов. В классической «модели из Ниццы» близких встреч Юпитера с другими планетами не было. Однако в 10–20 % запусков моделирования происходили близкие проходы Урана или Нептуна мимо Юпитера, отчего его орбита изменялась скачкообразно, пропуская опасный резонанс с Марсом, а ледяной гигант (т. е. Уран или Нептун) попадал на удаленную от Солнца орбиту или оказывался выброшенным из системы. В дальнейшем авторы «модели из Ниццы», изучая структуру орбит астероидов, показали, что «прыгающий Юпитер» лучше соответствует реальности, чем плавное изменение орбит в исходной модели (Morbidelli et al., 2010). Более того, сценарий, в котором ледяной гигант выбрасывается из Солнечной системы, тоже возможен: не исключено, что исходно в ней был еще один ледяной гигант, подобный Урану и Нептуну. Такие выброшенные планеты, свободно плавающие в межзвездном пространстве, в последние годы были обнаружены астрономами.

Солнечная система – норма или исключение?

На сегодня ученым известны тысячи различных экзопланет, и можно попытаться сравнить их с планетами Солнечной системы и оценить, насколько устройство нашей системы типично в галактике. Большинство открытых на сегодня экзопланет обнаружены либо методом лучевых скоростей, либо методом транзитов. Чем ближе планета к звезде, тем больше шансов ее обнаружения этими методами, потому что и затмение, и изменение скорости звезды происходит с периодичностью в один оборот планеты.

Кроме того, массивные планеты при любом способе поиска найти легче, чем малые. Поэтому не удивительно, что в начале поиска экзопланет было открыто множество «горячих Юпитеров», очень близких к звезде. С появлением более чувствительных приборов были открыты также легкие экзопланеты с массой порядка земной и даже меньше. Но в целом наши знания о других звездных системах очень отрывочны. Например, если бы мы наблюдали Солнечную систему с расстояния в 100 световых лет нашими современными приборами, то обнаружили бы только Венеру и Землю.

Даже по таким отрывочным данным понятно, что в галактике есть множество звездных систем, не похожих на Солнечную. Например, в системе HD 80606 планета-гигант обращается по сильно вытянутой эллиптической орбите, и расстояние от нее до звезды меняется в 30 раз. Есть системы, в которых одна из планет обращается вокруг звезды не в ту сторону, что остальные. Эти и другие ситуации, кстати, наблюдались во время некоторых запусков «модели из Ниццы». В период нестабильности очень малые отличия начальных условий могут привести к совершенно разным результатам, так что судьба нашей Солнечной системы могла быть совсем другой.

В Солнечной системе есть четкое разделение планет по массам: самая тяжелая силикатно-железная планета (Земля) и самая легкая из гигантов (Уран) отличаются по массе в 14 раз. Среди экзопланет очень многие имеют массу в промежутке между массами Земли и Урана. Ученым удалось измерить диаметр и рассчитать плотность части таких планет. Оказалось, что среди них есть и «мини-Нептуны» с малой плотностью, и «суперземли» с плотностью примерно как у Земли.

Например, в системе Кеплер-11 обнаружено пять планет с массами в диапазоне от двух до восьми масс Земли, а также более массивная шестая, чуть больше Нептуна. Плотность их всех, судя по видимому размеру, невелика – от 0,6 до 1,7 г/см³. Все они расположены очень близко к звезде: орбиты пяти меньших планет меньше, чем у Меркурия, орбита шестой планеты помещается внутри орбиты Венеры. При этом сама звезда Кеплер-11 по массе, спектральному классу и светимости очень похожа на Солнце, но старше – ей около 8 млрд лет (рис. 2.4).

Планеты Кеплер-11 из-за близости к звезде весьма горячи, поэтому у них очень толстые атмосферы с высокими облаками. Судя по массе и видимому диаметру, три планеты (Кеплер-11 d, e, f) могут иметь состав, близкий к нашему Урану и Нептуну, а две ближайшие к звезде (b и c) – меньше водорода и гелия. Мы пока не знаем, из чего на самом деле состоят атмосферы этих планет и тем более сами планеты, но очевидно, что они богаты легкими веществами (водород, гелий, вода) (Lissauer et al, 2011).

Если мы знаем, что «горячие Юпитеры» могут возникать путем миграции планеты-гиганта, захватывающей газ, то происхождение планет системы Кеплер-11 неизвестно. Они слишком близки друг к другу, и небольшое изменение орбиты одной из планет легко может нарушить стабильность всей системы. Кроме того, они слишком малы, чтобы мигрировать за счет захвата газа.

Другая многопланетная система, Кеплер-90, более похожа на Солнечную (рис. 2.5). Звезда Кеплер-90 достаточно близка к нашему Солнцу по массе, светимости и возрасту. Вокруг нее обращаются как минимум семь планет, среди которых есть газовые гиганты снаружи и планеты земного типа вблизи звезды. Однако все их орбиты гораздо меньше, чем в Солнечной системе. Орбиты двух газовых гигантов почти совпадают с орбитами Земли и Венеры у нас. Две планеты земного типа (соответственно в 1,7 и 2,2 раза тяжелее Земли) очень близки к звезде и делают оборот вокруг нее всего за 7 и 8,7 суток, т. е. находятся в орбитальном резонансе 5:4. Температура их поверхности должна быть выше 1000 °C. Наконец, между скальными и газовыми планетами, примерно в районе орбиты Меркурия, обращаются три «мини-Нептуна» с массами 3, 8 и 11 масс Земли. Их орбиты близки к друг другу, и между ними существует орбитальный резонанс 4:3:2. Жизнь, похожая на земную, в этой системе может быть только на спутниках планет-гигантов.

Хотя удаленные от звезд экзопланеты наблюдать очень сложно, все же иногда их находят. Например, в системе HR 8799 при помощи инфракрасного телескопа KeckII удалось обнаружить четыре планеты-гиганта, которые по своим расстояниям от звезды напоминают наши Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, только все орбиты пропорционально увеличены примерно в 2 раза. Массы этих планет очень велики и оцениваются в пределах 2–10 масс Юпитера. Снаружи и внутри от этих планет вокруг звезды обращаются пылевые кольца, соответствующие поясу астероидов и поясу Койпера. Система HR 8799 очень молода, ей около 100 млн лет, и планеты, несмотря на удаленность от звезды, очень горячи (до 1000 °C) за счет гравитационной энергии, выделившейся при их образовании. Поэтому в инфракрасном диапазоне они хорошо заметны даже рядом со звездой (рис. 2.6).

Звезда HR 8799 вдвое тяжелее Солнца, поэтому могла обладать более протяженным и массивным протопланетным диском. Расположение планет в ней напоминает современную Солнечную систему, прошедшую через период орбитальной нестабильности, а не древние сближенные орбиты. Период нестабильности в Солнечной системе случился через 600 млн лет от начала, но в системе HR 8977 из-за большей массы звезды и планет аналогичная нестабильность могла начаться и пройти гораздо быстрее – в пределах 100 млн лет.

К сожалению, для прямого наблюдения планет возможностей существующих приборов почти всегда недостаточно. Астрономы с нетерпением ждут начала работы нового орбитального телескопа имени Джеймса Уэбба в 2019 году. Он намного превзойдет «Хаббл» и наземные телескопы по разрешающей способности и позволит прямо наблюдать аналоги Юпитера и Сатурна у звезд в пределах 100 световых лет от Солнца.

Астрономы попытались статистически оценить уникальность Солнечной системы (Martin, Livio, 2015). Сравнивая наши планеты с чужими, они убедились, что по массе и плотности (и, видимо, по химическому составу) Земля с Венерой, Юпитер, Сатурн и Уран с Нептуном имеют близкие аналоги у других звезд. Аналоги Марса и Меркурия просто невидимы современными приборами. С другой стороны, в Солнечной системе нет суперземель и мини-Нептунов – планет с массой 1–10 масс Земли. Судя по известным экзопланетным системам, 50–80 % всех звезд могут иметь суперземлю или мини-Нептун, но наше Солнце здесь является исключением. По параметрам орбит все планеты Солнечной системы достаточно типичны и имеют много близких аналогов. Но в Солнечной системе нет очень близких к звезде горячих планет. Меркурий делает оборот вокруг Солнца за 88 суток, а во многих экзопланетных системах есть планеты с периодами обращения менее 20 суток. Конечно, такие близкие к звезде планеты проще всего обнаружить современными методами, но даже с поправкой на это получается, что они есть в 90 % экзопланетных систем (рис. 2.7).

В целом понятно, что в Солнечной системе нет ничего сверхуникального. Она может быть необычна тем, что в ней отсутствуют такие распространенные в Галактике разновидности планет, как суперземли и мини-Нептуны, а также близкие горячие планеты. Но в любом случае Солнечная система, скорее, «одна на тысячу», чем «одна на миллиард».

Чтобы обсуждать происхождение и эволюцию Земли как планеты, стоит напомнить ее современное устройство. Я постараюсь сделать это кратко, а желающим знать подробности рекомендую обратиться к замечательным книгам «Удивительная палеонтология: История Земли и жизни на ней» (М., 2007) К. Еськова и «Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед» (СПб., 2001) Дж. Макдугалла.

В основе современного представления об устройстве Земли лежит теория дрейфа континентов. Согласно ей земная кора, покрывающая мантию, состоит из отдельных плит, которые движутся относительно друг друга. Кора делится на два типа: материковую и океаническую. Они отличаются толщиной (у материковой она составляет в среднем 30 км, у океанической – 7–8 км), составом и историей. При столкновении плит кора сминается в складки, которые образуют горные системы.

Когда теория дрейфа континентов была впервые предложена Альфредом Вегенером в 1912 году, она получила некоторое признание за то, что объясняла давно известное сходство береговых линий континентов по обе стороны Атлантики, общие ископаемые фауны и следы древнего оледенения на всех материках Южного полушария. Однако в те времена не удалось найти силу, которая бы двигала материки, и теорию Вегенера позабыли. Настоящее признание она получила в 1960-е годы, когда было изучено дно океанов и обнаружены срединно-океанические хребты. Эти крупнейшие горные системы общей длиной около 70 000 км (на суше нет ничего даже близко сопоставимого) проходят примерно по средним линиям Атлантического, Южного (окружающего Антарктиду) и Индийского океанов. В Тихом океане хребет сильно смещен к берегам Америки. Вдоль каждого хребта по его середине проходит узкое ущелье – рифт. В районе рифтов постоянно выделяется подземное тепло, вызывающее конвекцию океанской воды, бьют горячие источники и происходят мелкофокусные землетрясения. Когда удалось измерить (радиоизотопным методом и по ископаемым остаткам) возраст океанской коры, оказалось, что во всех океанах он меняется от практически современного у рифта до 100–200 млн лет у берегов. Ни в одном океане нет коры древнее 200 млн лет. Таким образом, океанская кора похожа на полотно, которое ткется в рифтовой зоне срединно-океанического хребта, расходится в стороны и ныряет в мантию под материки в глубоководных желобах (рис. 3.1).

Схема дрейфа плит земной коры

В наше время погружение океанской коры идет в основном под берегами Тихого океана, тогда как Атлантика и Индийский океан расширяются. Скорости этих движений коры измеряются сантиметрами в год. Причиной движения плит являются течения в мантии. Источник энергии для этих течений – сила тяжести: дифференциация Земли на железное ядро и силикатную мантию еще не завершена. Железо продолжает тонуть, а силикаты по-прежнему всплывают на поверхность. За счет этого в мантии происходят конвективные течения, как в кастрюле с супом на плите. В этой аналогии плиты земной коры подобны скоплениям пенки на поверхности супа (рис. 3.2).

Пенка в кастрюле скапливается там, где происходит опускание жидкости, – около стенок. В мантии Земли над областями опускания скапливаются материки, а над зоной поднятия вырастают срединно-океанические хребты. В современном состоянии Земли наиболее активная зона поднятия почти полностью окружает цепочку из Антарктиды и обеих Америк. В другие эпохи все материки собирались в единую массу (Пангея, Мегагея, Родиния), опускание мантии происходило под серединой сверхматерика, поднятие – под серединой единого океана.

В то время как океанская кора постоянно обновляется и ее возраст не превышает 200 млн лет, материковая кора накапливалась миллиарды лет. В составе современных материков есть крупные блоки возрастом до 3–3,5 млрд лет. Химический состав двух типов коры также различен: океанская кора сложена базальтами (затвердевшей лавой с 50–55 % SiO₂ и высоким содержанием оксидов магния и железа), а в континентальной коре преобладают граниты – тоже изверженные породы, но содержание SiO₂ в них достигает 72 %, а из металлов преобладают алюминий, натрий и кальций. Граниты менее плотны, чем базальты, благодаря чему континентальная кора плавает на поверхности жидкой базальтовой магмы и при столкновениях с океанской корой обычно оказывается сверху.

Древнейшая история Земли

К сожалению, наши знания ограничены, потому что от первого полумиллиарда лет существования Земли осталось очень скудные прямые материальные следы. Перечислить их можно в одной фразе: древнейшие зерна циркона из Джек Хилл (Австралия) возрастом 4,4–4,1 млрд лет, древнейшие фрагменты континентальной коры из формации Акаста (Канада) возрастом 4 млрд лет и древнейшие осадочные породы из гренландской формации Исуа возрастом 3,8 млрд лет. В осадках Исуа уже имеются следы жизни: графитизированный углерод со смещенным изотопным составом (следы фиксации СО₂ через цикл Кальвина) и полосчатые отложения железа (следы железного либо кислородного фотосинтеза[3]). Более того, микровключения графита со смещенным изотопным составом обнаружены даже в цирконах из Джек Хилл возрастом 4,25 млрд лет (Nemchin et al., 2008). Иными словами, следы достаточно развитой бактериальной жизни в ископаемой летописи появляются одновременно с прямыми следами жидкой воды (без которой осадочные породы образуются крайне редко), а намеки на жизнь – даже раньше. Понятно, что документировать историю зарождения жизни по таким скудным следам мы не можем.

Древнейшую историю Земли мы знаем в чем-то хуже, чем древнейшую историю Солнечной системы, от которой остались следы в виде метеоритов и астероидов. Причина такой плохой сохранности истории Земли – в ее геологической активности. Конечно, минералы и горные породы были на нашей планете почти с самого начала ее существования, но они постоянно подвергались переплавлению в магме и выветриванию. Поэтому, чтобы лучше понять древнейшую Землю, надо лететь на Луну и Марс, где сохранились горные породы тех времен.

Кое-что мы можем узнать о первых днях Земли по косвенным признакам. Например, много информации дает соотношение изотопов разных элементов. Изотопы – это разновидности атомных ядер одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов. У изотопов разная масса атома, но их химические свойства почти неразличимы. Как это можно использовать?

Во-первых, некоторые изотопы подвержены радиоактивному распаду, и их число со временем убывает. Количество продуктов такого распада, соответственно, растет. Мы уже пользовались этим при оценках возраста разных метеоритов и их составных частей: в древней Солнечной системе было много радиоактивного изотопа алюминия ²⁶Al (алюминий вокруг нас сейчас представлен только одним стабильным изотопом – ²⁷Al). ²⁶Al превращается в стабильный изотоп магния ²⁶Mg, период полураспада составляет 730 000 лет. Когда из пыли протопланетного диска собираются планетезимали, они получают те соотношения изотопов алюминия и магния, которые есть вокруг на данный момент. Когда обломки планетезималей в виде метеоритов попадают в руки ученых, весь ²⁶Al в них уже превращается в ²⁶Mg. Поэтому соотношение ²⁶Mg/²⁴Mg в метеорите будет выше, чем «фоновое» (в минералах без алюминия). Избыток зависит как от времени образования метеорита (чем раньше, тем больше), так и от соотношения всего алюминия ко всему магнию в метеорите (чем больше алюминия, тем больше избыток ²⁶Mg при равном возрасте). Второе легко узнать по количеству стабильного ²⁷Al в том же метеорите и рассчитать его возраст. Благодаря малому периоду полураспада ²⁶Al мы можем измерить различия в возрасте менее чем на полмиллиона лет.

Если нестабильный изотоп и продукт его распада сильно отличаются по своему геологическому поведению, то это позволяет датировать геологические события. Например, два соседних в таблице Менделеева тяжелых металла – гафний и вольфрам – по-разному разделяются между мантией и ядром планеты. Вольфрам уходит в железное ядро, а гафний предпочитает силикатную мантию. У гафния есть нестабильный изотоп ¹⁸²Hf, который превращается в вольфрам ¹⁸²W с периодом полураспада 9 млн лет. Поэтому в тех телах, которые расплавились и разделились на мантию и ядро в самом начале, в мантии будет заметная примесь вольфрама, причем только изотопа ¹⁸²W. Так обстоит дело на Марсе, который вырос и дифференцировался в первые 7–10 млн лет и с тех пор избежал крупных столкновений. Мантии Луны и Земли имеют одинаковый и очень небольшой избыток ¹⁸²W, который согласуется со временем дифференциации обеих планет примерно через 50–60 млн лет после образования Солнечной системы.

В некоторых ситуациях различие в массе изотопов одного элемента приводит к разнице в их геологической судьбе. Например, испарение воды зависит от скорости составляющих ее молекул, которая, в свою очередь, определяется температурой и молекулярной массой. Поэтому дождевая вода содержит меньше дейтерия (тяжелого водорода) и тяжелых изотопов кислорода (¹⁷О, ¹⁸О), чем океаны.

Другой важный случай, когда небольшое различие в массах изотопов приводит к важным эффектам, – это биохимия. Многие биохимические пути организованы как серия последовательных реакций, катализируемых разными ферментами. Молекула, содержащая тяжелые изотопы, будет медленнее перемещаться от одного фермента к другому. Поэтому живое вещество обеднено тяжелым изотопом углерода ¹³C по сравнению с атмосферным СО₂, и это важнейший признак, который выдает биологическое происхождение углерода в отложениях Исуа несмотря на все, что эти осадки претерпели за миллиарды лет.

Цирконы из Джек Хилл являются древнейшими известными твердыми телами Земли. Они обычно кристаллизуются в магме гранитного состава и, следовательно, указывают на образование континентальной коры. Зерна циркона тугоплавки, высокоустойчивы к выветриванию и метаморфозу, поэтому неудивительно, что только они сохранились с древнейших времен. Цирконы содержат примесь урана, поэтому их можно точно датировать уран-свинцовым методом. Зерна циркона в Джек Хилл встречаются в виде миллиметровых включений в более молодые кварциты. Возраст самих зерен находится в интервале от 4,4 до 4,1 млрд лет. По соотношениям изотопов кислорода похоже, что исходный материал, вошедший в состав родительской магмы этих кристаллов, взаимодействовал с жидкой водой при умеренной температуре (до 100 °C). Это еще одно свидетельство в пользу существования океанов 4,4 млрд лет назад.

Важные сведения о древнейшей истории Земли можно получить в процессе изучения Луны. Образование Луны произошло в результате гигантского столкновения Земли с Тейей, при этом огромное выделение энергии расплавило поверхность Земли до состояния океана магмы. Луна собралась из выброшенных на орбиту горячих фрагментов мантии Земли и тоже изначально была расплавлена. Поверхность Луны образовалась при затвердевании океана магмы и с тех пор подвергалась только метеоритным бомбардировкам. Лунные возвышенности, менее пострадавшие от метеоритов, сложены особыми минералами: анортозитами и KREEP-базальтами. Геологи знают, что температура плавления горных пород сильно повышается с ростом давления, поэтому расплавленная Луна по мере остывания твердела изнутри. Анортозиты обладают малой плотностью, поэтому они всплывали на поверхность. KREEP-базальты получили свое название из-за высокого содержания калия (K), фосфора (P) и редкоземельных элементов (REE, Rare Earth elements). Они образовались при застывании последних остатков океана магмы на поверхности. На Земле застывание океана магмы шло похожим образом. Поэтому возможно, что первые материки Земли состояли вовсе не из гранитов, а из KREEP-базальтов (анортозиты в присутствии воды не образуются). Это важно, потому что фосфор и калий – необходимые минеральные компоненты всех живых клеток, и на континентах из KREEP-базальтов они были легко доступны в большом количестве (Maruyama et al., 2013).

Марс

В отличие от Земли Марс сохранил большие блоки планетарной коры со времен до поздней тяжелой бомбардировки. На карте Марса четко выделяются два полушария – возвышенное южное, густо покрытое метеоритными кратерами, и низкое, гладкое северное. Перепад высот между ними составляет 4–6 км. По плотности кратеров очевидно, что поверхность южного полушария древнее 3,9 млрд лет, так как сохранила следы поздней тяжелой бомбардировки, а северное моложе этой отметки. Крупнейший из кратеров, дно которого получило название равнины Эллада, находится в высоких широтах южного полушария и достигает 1800 км в диаметре. Это самая низкая область поверхности Марса, на 8 км ниже среднего уровня. Измерения при помощи лазерного альтиметра зонда Mars Global Surveyor позволили найти едва различимые, вероятно, засыпанные осадками крупные кратеры в северном полушарии. Крупнейший из них, равнина Утопия, практически равен по размеру равнине Эллада. С учетом этих кратеров получается, что кора северного полушария не намного моложе южной (рис. 3.3).

Другие заметные детали рельефа Марса – две области гигантских вулканов, Фарсида (Tharsis в англоязычной литературе) и Элизиум. Плато Фарсида возвышается в районе экватора на 7–10 км выше среднего уровня поверхности Марса. Крупнейший из пяти вулканов этой области, Олимп, – самый большой вулкан во всей Солнечной системе. Его высота составляет 22 км от подножия до вершины, а диаметр основания – около 600 км. Склоны Олимпа сложены из слоев застывшей лавы, накопившейся в результате многих тысяч извержений. Возраст лежащих на поверхности лавовых потоков, измеренный по плотности кратеров, лежит в пределах от 115 до всего 2 млн лет, т. е. Олимп до сих пор сохраняет активность. Плато Элизиум лежит западнее, окружено низинами, и три его вулкана меньше, чем на Фарсиде. На склонах вулканов обнаружены провалы, ведущие в пещеры. Крупнейшие из провалов достигают 100 м в глубину и 250 м в ширину. Скорее всего, пещеры являются «лавовыми трубками», образованными при движении горячей жидкой лавы, окруженной внешними застывшими ее слоями (рис. 3.4).

Долины Маринера – система огромных каньонов, протянувшаяся на 4000 км на восток от плато Фарсида вдоль экватора. По происхождению это трещины растяжения коры, подобные Байкальскому и Восточно-Африканскому рифтам на Земле. Глубина долин Маринера достигает 10 км, ширина – до 300 км.

Полюса Марса покрыты полярными шапками. Летом шапки состоят из водяного льда с песком и пылью, зимой на них намерзает большое количество диоксида углерода из атмосферы. Весной возгонка углекислого газа из шапок может происходить в форме газово-пылевых гейзеров.

Возраст участков коры Марса оценивают по плотности кратеров. Геохронологическая шкала Марса делится на три периода: Нойский, Гесперийский и Амазонийский.

Нойский период охватывает время с 4,1 до 3,7 млрд лет назад, когда произошла поздняя метеоритная бомбардировка. В это время образовались равнина Эллада, плато Фарсида и долины Маринера.

Гесперийский период продолжался с 3,7 до примерно 3,0 млрд лет назад, и на это время пришлись эпизоды активного вулканизма и мощных кратковременных потоков воды, прорезавших каньоны по краям равнины Хриса и в других местах. В этот период начался рост вулкана Олимп.

Амазонийский период (примерно с 3 млрд лет назад и до современного периода) был временем затухания геологической активности и исчезновения жидкой воды с поверхности Марса. Основными геологическими процессами этого периода являются ветровая эрозия, перемещение пыли, формирование ветровых осадков и ледниковые процессы. Граница между Гесперийским и Амазонийским периодами достаточно приблизительна, и некоторые ученые сдвигают ее до времени 2,5–2 млрд лет назад (табл. 3.1).

На первый взгляд похоже, что северное полушарие аналогично земному океану, а южное – материку. Но кора Марса значительно толще, чем земная: около 25–30 км под северным полушарием и до 50 км – под южным. Ничего похожего на срединно-океанические хребты на Марсе не видно, и сейчас активной тектоники плит там быть не может. Земные материки сложены в основном гранитами, тогда как оба полушария Марса покрыты базальтами, подобно Луне и Венере. Признаки гранитоподобных пород на Марсе обнаружены лишь в отдельных местах – в центральных холмиках двух метеоритных кратеров на склонах низкого щитового вулкана Большой Сырт, в одной из двух кальдер этого вулкана, на склоне долины в земле Ксанте к северу от долин Маринера, в кратере Гейл и больше всего – на земле Ноя к западу от равнины Эллада, где выходы гранитов занимают сотни квадратных километров на дне многих больших кратеров (Wray et al., 2013).

Считается, что граниты Земли образовались в ходе многократного частичного плавления и застывания базальтовой лавы в присутствии воды, когда более легкая и легкоплавкая алюминий-силикатная фракция постепенно концентрировалась и выдавливалась наверх. Наибольшую роль в образовании гранитов на Земле играют зоны субдукции, где одна плита коры погружается под другую. Видимо, на Марсе не было достаточно активной тектоники плит для многократной переплавки коры и выделения гранитов, но какое-то количество гранитов образовалось при расслоении очень медленно остывающей лавы в крупных вулканах.

Все находки марсианских гранитов показывают, что сверху они покрыты другими породами, поэтому их удается найти лишь там, где они вскрыты водной эрозией (на земле Ксанте) или ударами метеоритов (в остальных местах). Так что гранитов на Марсе может быть гораздо больше по сравнению с тем количеством, которое обнаружено на сегодняшний день.

Ближайшим земным аналогом гигантских вулканов Фарсиды и Элизиума являются щитовые вулканы Гавайских островов. Крупнейший из них, Мауна Кеа, достигает 10 км в высоту (от подножия на океанском дне до вершины). Большинство вулканов Земли приурочены к границам литосферных плит и питаются продуктами расплавления погружающейся плиты, но Гавайи находятся посреди Тихоокеанской плиты и питаются из глубинного магматического очага. Движение плиты относительно мантии приводит к образованию цепочки вулканов, образующей дугу островов в океане, что и наблюдается на Гавайях. На Марсе подобных вулканических цепей нет, за исключением трех вулканов плато Фарсида – Арсия, Павонис и Аскрейская. Судя по окружающим Фарсиду трещинам и разломам, бо́льшая часть этого вулканического плато появилась уже 3,7 млрд лет назад, а последнее извержение Олимпа было 2 млн лет назад, практически в современную эпоху. Следовательно, за это время кора Марса не сдвинулась сколько-нибудь заметно относительно мантийного очага, что и позволило вулканам за миллиарды лет вырасти до невероятных на Земле размеров.

Важные результаты принесло изучение магнитных аномалий Марса зондом Mars Global Surveyor (Connerney et al., 2005). Локальная намагниченность участков коры достаточно велика, чтобы ее можно было измерить с орбиты высотой 400 км, благодаря чему мы имеем глобальную карту магнитных аномалий Марса. Интенсивность этих аномалий показывает, что в древности Марс имел магнитное поле, сравнимое с современным земным, или даже более мощное и так же подверженное периодической смене полярности.

Разная намагниченность отдельных участков коры объясняется тем, что богатые железом базальтовые лавы при застывании «запоминают» внешнее магнитное поле. На Земле таким образом создаются полосовые магнитные аномалии океанского дна. Магнитное поле Земли периодически (раз в несколько сотен тысяч или миллионов лет) меняет полярность, поэтому по мере роста океанской коры по бокам от срединно-океанического хребта образуются полосы дна, намагниченного в противоположные стороны. На Марсе точных аналогов таких полосовых аномалий найдено пока не было. Однако более крупные полосовые аномалии в некоторых районах (например, Земля Меридиана) выглядят разорванными и сдвинутыми, что является признаком так называемых трансформных разломов, где плиты коры сдвигаются по горизонтали относительно друг друга. Трансформный разлом в районе Земли Меридиана, рифтовые долины Маринера и трио вулканов Фарсиды согласуются с гипотезой о движении плиты, включающей в себя плато Фарсида, на северо-восток. В этом случае один мантийный очаг породил вулканы Аскрейский, Павонис и Арсия, а другой, возможно, – Альба и Олимп.

Также по магнитным аномалиям восстанавливается история магнитных полюсов Марса (Milbury et al., 2012). В этой книге использовались аномалии, связанные с застывшими потоками лавы древних вулканов, проявляющие себя не только в магнитном поле, но и как гравитационные аномалии – участки коры повышенной плотности. Намагниченность лавы, застывшей в нойскую эпоху (до 3,8 млрд лет назад), указывает на расположение магнитных полюсов в низких широтах, не выше 60 градусов широты, большей частью в районе плато Фарсида и противоположном районе планеты – равнине Эллада. Намагниченные лавы раннегесперийского возраста (3,8–3,6 млрд лет) встречаются значительно реже, намагниченность их слабее, а ее направление указывает на магнитные полюсы, близкие к современным географическим. Намагниченные лавы моложе 3,5 млрд лет при измерениях с орбиты не обнаружены вовсе (рис. 3.5).

По всем моделям генерации магнитного поля в планетах земного типа магнитные полюса не могут далеко отстоять от географических. Следовательно, на границе нойского и гесперийского периодов Марс мог испытать смену оси вращения. В предыдущих частях мы рассматривали прецессию – изменение положения оси вращения относительно внешних тел, при котором положение оси вращения относительно ориентиров на самой планете не меняется. Здесь же ось вращения сдвинулась относительно ориентиров на самом Марсе, так что плато Фарсида, бывшее вблизи полюса, оказалось на экваторе. Одной из причин такого смещения могли быть удары крупных астероидов в период поздней тяжелой бомбардировки, породившие также равнины Эллада и Утопия. Другой возможной причиной мог стать рост плато Фарсида – его обширная площадь, большое возвышение над остальной поверхностью планеты и высокое содержание плотных базальтов заметно влияют на распределение массы планеты и распределение момента инерции по осям.

Однако неопровержимых доказательств тектоники плит на древнем Марсе пока нет.

Венера

Эта планета изучена гораздо хуже, чем Марс. Плотная атмосфера с густыми облаками скрывает ее поверхность от наблюдений во всех диапазонах, кроме радиоволн, а высокая температура (около 450 °C) и давление на поверхности очень ограничивают возможности приборов спускаемых аппаратов. До сих пор ни один зонд не проработал на поверхности Венеры более двух часов.

Почти все, что известно о рельефе Венеры, мы знаем из радарных наблюдений зондов «Венера-15», «Венера-16» и «Магеллан». Венера по размерам близка к Земле, но ее рельеф и геология сильно отличаются от земных. Перепад высот на поверхности Венеры составляет всего 13 км (на Земле – 20 км от вершины Эвереста до Марианской впадины, на Марсе – свыше 30 км). Большая часть поверхности по высоте находится в пределах плюс-минус 1 км от среднего уровня, т. е. на Венере нет ничего похожего на перепад между материками и океанами Земли или северным и южным полушариями Марса (рис. 3.6).

Три высочайшие горные системы Венеры – хребты Максвелла, Акна и Фрейи – находятся в северном полушарии вокруг равнины Лакшми. Их высота составляет до 7 км (хребты Акна и Фрейи) и даже до 11 км (горы Максвелла). На вершинах гор лежат отложения каких-то хорошо отражающих радиоволны веществ, подобно белому снегу на вершинах гор Земли. «Снег» на Венере лежит при температуре около 350 °C и предположительно состоит из сульфидов свинца и висмута. Поверхность Венеры густо покрыта низкими щитовыми вулканами. Крупнейшие из них по диаметру основания сравнимы с Олимпом на Марсе, но в высоту не превышают 3 км. Количество мелких вулканов диаметром 10–20 км измеряется сотнями тысяч. Вулканы и лавовые равнины занимают до 80 % поверхности Венеры.

Хотя на Венере сейчас нет глобальной тектоники плит, в ее рельефе отражены частые местные тектонические явления. Благодаря им возникли многочисленные одиночные разломы и складки, а также тессеры – сложноскладчатые участки рельефа, которые были смяты в разное время в нескольких разных направлениях. Горные хребты северного полюса могут быть следами существовавшей в далеком прошлом тектоники плит, подобно Земле.

Метеоритные кратеры встречаются реже, чем на Луне и Марсе, кратеров диаметром менее 30 км практически нет, потому что мелкие метеориты сгорают в атмосфере. Кратеры расположены равномерно по всей планете. Возраст поверхности, вычисляемый по плотности кратеров, составляет, по разным оценкам, от 500 до 800 млн лет, причем возраст всех участков коры практически одинаков. Это резко отличает Венеру от Земли, где, несмотря на геологическую активность, сохранились крупные блоки коры возрастом 2–3 млрд лет.

Важной особенностью Венеры является отсутствие магнитного поля. Для генерации магнитного поля планетой нужны три условия: электропроводящая жидкость внутри планеты, конвективные движения в ней и вращение планеты. В планетах земной группы электропроводящей жидкостью является железное ядро, которое у Венеры явно есть и сопоставимо по размерам с ядром Земли. Вращение Венеры медленное, но его достаточно для генерации слабого магнитного поля на уровне современного Марса (1 % от земного). Следовательно, в ядре Венеры отсутствует конвекция. Так как радиоактивный распад неизбежно выделяет тепло в ядре и мантии, без конвекции их температура должна расти. По-видимому, рост температуры продолжается до тех пор, пока кора Венеры не проплавляется сразу во многих местах, вызывая одновременное извержение тысяч вулканов. Эти извержения быстро охлаждают верхнюю мантию, и вскоре планета опять надолго замирает.

В наше время три планеты земного типа имеют очень разные атмосферы. Плотность атмосферы Венеры примерно в 5000 раз выше, чем Марса, а атмосфера Земли выделяется своим химическим составом с высоким содержанием кислорода. Расчеты формирования планет, однако, показывают, что все три планеты образовались из вещества примерно одинакового состава. Следовательно, плотность и состав их атмосфер в древности были больше похожи друг на друга. Почему же за 4,5 млрд лет планеты и особенно их атмосферы стали такими разными?

Основной источник пополнения атмосферы – газы, которые выделяются из расплавленных минералов. В наше время это происходит при вулканических извержениях, а в древности эти газы выделялись также при падениях астероидов и прямо из океана магмы в те периоды, когда планета для этого была достаточно горяча. Усредненный состав газов из современных вулканов Земли выглядит следующим образом: 80–85 % – водяной пар, 10–12 % – СО₂, (углекислый газ) 5 % – SO₂ (сернистый газ), 1–2 % – HCl (соляная кислота), малые примеси водорода, сероводорода, метана и угарного газа.

Безвозвратные потери атмосферы в космос происходят двумя путями. Во-первых, при тепловом движении молекул некоторые из них могут получить скорость выше второй космической и улететь от планеты. Во-вторых, молекула атмосферы может получить высокую скорость и улететь от планеты при столкновении с заряженной частицей солнечного ветра. В обоих случаях легкие молекулы теряются чаще. Так, Земля и Венера (вторые космические скорости – 11,2 и 10,4 км/с) легко теряют водород и гелий по тепловому механизму, но удерживают все остальные газы. Марс (вторая космическая скорость – 5 км/с) также будет заметно терять воду, метан и аммиак, но удержит азот, кислород и углекислый газ. «Сдувание» атмосферы солнечным ветром зависит больше не от массы планеты, а от наличия магнитного поля: молекулы атмосферы при столкновениях с частицами солнечного ветра обычно получают скорость намного выше второй космической, но ионизируются, оказываются захваченными магнитным полем, постепенно теряют в нем энергию и возвращаются в атмосферу. Магнитное поле Земли практически полностью защищает атмосферу от разрушения солнечным ветром, а для Марса с его слабым полем и Венеры вовсе без магнитного поля это основной механизм потери атмосферы. Кроме того, атмосферные газы могут вступать в химические реакции между собой и с поверхностью планеты. Например, при химическом выветривании горных пород углекислый газ переходит из атмосферы в карбонатные осадки:

CaSiO₃ + 2 CO₂ + H₂O → Ca (HCO₃) ₂ + SiO₂ (на суше)

Ca (HCO₃) ₂ → CaCO₃ + СO₂ + Н₂O (в воде)

Если карбонатные осадки попадают в горячие недра планеты, например, при поддвигании (субдукции) океанского дна под материк, карбонаты разрушаются и СO₂ выделяется вновь в составе вулканических газов. Так даже на безжизненной планете происходит круговорот углерода.

Другие газы вступают в химические реакции прямо в атмосфере под действием ультрафиолетовых лучей (фотолиз). Широко известно, что из кислорода таким образом образуется озон, защищающий поверхность Земли от жесткого ультрафиолета. В геологических масштабах времени, впрочем, кислород и озон находятся в равновесии, и глобального превращения всего кислорода в озон можно не опасаться. Для других газов это не так. Например, метан под действием ультрафиолета разлагается с выделением водорода. Если в атмосфере нет других химически активных газов, то образуются сложные углеводороды – производные ацетилена. Они придают оранжевый цвет атмосфере Титана, спутника Сатурна. Аммиак похожим образом разлагается на водород и азот, сероводород – на водород и пылинки элементарной серы. При том потоке ультрафиолета, который достигает атмосферы Земли и Марса, время жизни метана, аммиака и сероводорода в атмосфере не превышает 1 млн лет. Сернистый газ (SO₂) тоже подвержен фотолизу. В отсутствие кислорода он разлагается на серную кислоту (Н₂SO₄) и элементарную серу, а в кислородной атмосфере весь превращается в серную кислоту. Вода, азот и углекислый газ устойчивы к ультрафиолетовому излучению.

Таким образом, чтобы изначальная атмосфера сохранялась миллиарды лет, планета должна быть достаточно массивной и обладать значительным магнитным полем. Но даже в этих условиях устойчивы в течение миллиардов лет будут только азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и инертные газы. Метан, аммиак и соединения серы в атмосфере неустойчивы, и их содержание в атмосфере может сохраняться, только если они постоянно поступают из недр планеты.

Источники газов при формировании планет

При образовании планет компоненты атмосферы могли попасть на них тремя путями. Во-первых, планета могла притянуть к себе какое-то количество газа из газового диска, пока он еще не рассеялся – в первые 10 млн лет существования Солнечной системы. Во-вторых, инертные газы, вода и азот в заметных количествах содержатся в хондритных метеоритах – остатках планетезималей, основных строительных блоках планет. В-третьих, как при образовании планет, так и в эпоху поздней тяжелой бомбардировки на них попало какое-то количество ледяных комет из внешних областей Солнечной системы. Помимо смешивания газов из этих трех источников на состав атмосферы повлияли химические реакции, связавшие какую-то (возможно, бóльшую) часть водорода и азота в недрах Земли. Однако изотопный состав газов и соотношение количества разных инертных газов (не затронутое химией) помогут нам раскрыть происхождение атмосферы. Метеориты доступны нам для прямого изучения на Земле, а к кометам летали космические зонды. Но газ протопланетного диска давно рассеялся. Ближе всего к нему по составу, видимо, Солнце, но прямое его изучение невозможно, а с помощью дистанционных спектроскопических методов можно измерить не все элементы и изотопы. Также хорошим приближением является атмосфера Юпитера, которую анализировал в 1995 году спускаемый аппарат зонда «Галилео». Эти измерения показывают, что в метеоритах выше доля тяжелых изотопов всех инертных газов по сравнению с протопланетным диском.

Чтобы планета могла притягивать к себе газы из протопланетного диска, ей необходимо набрать заметную массу в первые 10 млн лет существования Солнечной системы, пока межпланетный газ еще есть. Моделирование образования планет земной группы при столкновениях планетных зародышей, о котором мы рассказывали раньше, показывает, что, хотя полную массу Земля набрала за 50 млн лет, вначале рост шел быстрее, и половина массы была накоплена в первые 7–10 млн лет. Этого достаточно, чтобы начать поглощать тяжелые газы: аргон, криптон, ксенон и углекислый газ. Однако изотопный состав аргона на Земле такой же, как в метеоритах, а ксенона – еще более смещен в сторону тяжелых изотопов, чем в метеоритах. Иными словами, если поглощение из протопланетного диска и имело место, то полученные таким способом газы были в основном потеряны.

Роль комет в доставке газов на Землю оценить сложно. Дистанционные измерения позволяют узнать количество и изотопный состав азота и водорода, но не инертных газов. Первый прямой анализ кометного льда был проведен зондом «Филы» в 2015 году, и его результаты еще не опубликованы. О содержании газов в кометах мы можем судить на основе экспериментов по росту льда из газовых смесей при низких температурах и давлениях. В этих экспериментах во льду больше всего накапливается криптон, в меньшей степени – ксенон и аргон и практически отсутствуют неон и гелий. Разделения изотопов не происходит.

По изотопному составу азота и водорода Земля и Марс очень близки к основному подтипу хондритных метеоритов – CI. Содержание тяжелых изотопов (¹⁵N и дейтерий) в них выше, чем в атмосфере Юпитера, но ниже, чем в кометном льду. Одна из комет (103P/Hartley²) содержит такое же количество дейтерия, как планеты и хондриты, но по изотопам азота все равно сильно отличается от них. Следовательно, вклад комет в запасы воды и азота на Земле и Марсе не превышает 10 %. Это хорошо согласуется с оценкой массы комет, упавших на Землю в период поздней метеоритной бомбардировки, по количеству и размеру кратеров на Луне. Атмосфера Марса обогащена тяжелыми изотопами азота и водорода по сравнению с твердыми породами планеты, что проще всего объясняется сортировкой изотопов при потере атмосферы под действием солнечного ветра с тех пор как на Марсе практически исчезло магнитное поле (рис. 4.1).

По соотношению летучих элементов Земля отличается от хондритных метеоритов. Самое заметное отличие – это примерно тысячекратная недостача азота и ксенона. Обеднение по другим инертным газам скромнее: в 20 раз – для криптона, в 50 – для аргона и примерно в 100 раз – для неона (рис. 4.2).

Скорее всего, недостающий азот в процессе дифференциации Земли на ядро и мантию оказался в ядре: в экспериментах по растворимости азота в расплавленных базальтах и металлах с повышением давления азот все сильнее переходит в расплавленный металл, и в условиях нижней мантии его растворимость в железе в 10–20 раз выше, чем в магме. Судьба ксенона сложнее, и мы можем ее проследить благодаря тому, что несколько изотопов ксенона образуются при распаде радиоактивных изотопов других элементов.

Изотоп ¹²⁹Xe образуется из йода ¹²⁹I с периодом полураспада 17 млн лет. Йода на Земле примерно в 10 000 раз больше, чем ксенона, поэтому можно ожидать, что почти весь земной ксенон будет представлен изотопом ¹²⁹Xe. Однако его избыток по сравнению с обычным соотношением изотопов (известным применительно к метеоритам, где отношение йод/ксенон гораздо ниже) в атмосфере Земли очень мал, а в мантии – немного больше. Это значит, что, пока ¹²⁹I на Земле еще был, происходили свободный выход ксенона из мантии в атмосферу и активная потеря из атмосферы в космос. Примерно через 50 млн лет от начала Солнечной системы, когда ¹²⁹I почти закончился, эти процессы прекратились. Тяжелые изотопы ксенона ¹³²Xe, ¹³³Xe и ¹³⁶Xe образуются при делении ядер плутония ²⁴⁴Pu с периодом полураспада около 80 млн лет. Их содержание на Земле дает такие же оценки времени потери ксенона и свободного выхода из мантии в атмосферу. Эта датировка хорошо согласуется с гафний-вольфрамовой датировкой образования Луны и подтверждает, что гигантский удар, породивший Луну, был последним в истории Земли.

Эпизоды «океана магмы», следовавшие после каждого такого удара, приводили к массированному выходу газов из мантии в атмосферу. С переходом от «океана магмы» к тектонике плит выход газов сильно замедлился, но продолжается. Судя по содержанию калия в горных породах, 30–40 % изотопа ⁴⁰Ar, возникшего при распаде калия, остается в глубинах Земли, но остальная часть вышла в атмосферу.

Мегаимпакты и атмосфера

Процесс образования Земли должен был включать несколько десятков крупных столкновений планетных зародышей. Выделение энергии при таких ударах (они еще называются мегаимпактами) приводило к расплавлению поверхности Земли до состояния «океана магмы». Эпизоды «океана магмы» после гигантских столкновений могли продолжаться по 1–2 млн лет благодаря парниковому эффекту от плотной атмосферы из СО₂ и паров воды, давление которой могло в 500 раз превышать современное (Martin et al., 2006). Кроме того, в момент столкновения может происходить потеря атмосферы в космос. Сначала ударная волна разгоняет часть атмосферы до скорости выше второй космической, а потом выделяющиеся при столкновении твердых тел раскаленные пары силикатов и железа с температурой выше 10 000 °C разогревают атмосферу настолько, что ее молекулы улетают в космос за счет теплового движения.

По расчетам получается, что степень потери атмосферы очень сильно зависит от энергии столкновения. Столкновение Тейи с Землей должно было вызвать потерю более 90 % существовавшей до того атмосферы (Stewart et al., 2014). Однако падение на Землю более мелких протопланет или столкновение двух аналогов Тейи между собой приводит к потере не более 20 % атмосферы. Так что игра случая в ходе роста планет земной группы могла привести к тому, что Венера сохранила больше газов из первичной атмосферы, чем Земля, если она росла из более мелких зародышей.

Климат и парниковый эффект

Атмосфера сильнейшим образом влияет на климат планеты, тепловой баланс которой складывается из нескольких источников: излучения Солнца и выделения тепла в недрах планеты благодаря радиоактивному распаду, гравитационной дифференциации и приливному трению. Тепло уходит в космос путем инфракрасного излучения через атмосферу, поэтому прозрачность атмосферы для видимого света (основной путь энергии к планете) и инфракрасного излучения может очень сильно влиять на температуру планеты. Например, Венера получает в три раза меньше энергии на квадратный метр, чем Меркурий, однако температура ее поверхности почти на 200 °C выше – благодаря парниковому эффекту от плотной углекислотной атмосферы. Кроме того, атмосфера распределяет тепло по поверхности планеты, поэтому перепады температур между дневным и ночным полушарием Венеры не превышают долей градуса, а на безатмосферном Меркурии они составляют порядка 300 °C.

Парниковый эффект (избирательное поглощение инфракрасных лучей) обеспечивают три газа: углекислый газ, водяной пар и метан. Вклад углекислого газа прост и очевиден: чем его больше, тем сильнее поглощение инфракрасных лучей и больше парниковый эффект. Водяной пар является парниковым газом, пока он пар; но, конденсируясь в облака, он, напротив, отражает в космос свет Солнца и охлаждает планету. Баланс между облаками и прозрачным водяным паром в атмосфере зависит от множества факторов, и рассчитать его для древней Земли пока нереально. Наконец, вклад метана тоже неоднозначен. Сам по себе метан является очень активным парниковым газом. Однако продукты его фотолиза – ацетиленовые углеводороды – образуют дымку, поглощающую видимый свет. На Титане с его атмосферой из азота и 1 % метана из-за антипарникового эффекта этой дымки температура поверхности примерно на 10 °C ниже, чем была бы при чисто азотной атмосфере. Чтобы метан в атмосфере увеличивал температуру планеты, его концентрация должна быть достаточно низкой, до 0,1 %. В этом случае фотолиз идет в сторону быстро выпадающих с дождями формальдегида и синильной кислоты.

Совместное действие парникового эффекта и химического выветривания может стабилизировать климат планеты. При повышении температуры и влажности химическое выветривание ускоряется, СО₂ изымается из атмосферы, приводя к ослаблению парникового эффекта и падению температуры. Оледенение блокирует доступ СО₂ к горным породам, в результате СО₂ накапливается в атмосфере, усиливает парниковый эффект и приводит к таянию льдов.

Тепловой баланс планет в прошлом можно рассчитать. Радиоактивное тепло и гравитационная дифференциация вносили сколько-нибудь заметный вклад лишь в первые 50–100 млн лет истории планеты. Выделение тепла за счет приливного трения тоже было велико лишь в первые 10–20 млн лет после образования Луны и с тех пор неуклонно снижалось. Основным источником тепла для планет практически всегда было Солнце. Светимость молодого Солнца, после того как оно прошло стадию T Тельца с мощными ультрафиолетовыми вспышками и вышло на устойчивый режим термоядерных реакций, была примерно на 30 % ниже современного уровня. Если бы Земля тогда имела такую же атмосферу, как сейчас, она бы полностью покрылась льдами. Однако следы оледенений в геологической летописи архейского периода ограничены одним эпизодом 2,9 млрд лет назад, а из более древних времен известны только океанские и озерные осадки. Следовательно, древняя атмосфера Земли создавала сильный парниковый эффект.

Образование земной коры и океанов

Для формирования океанов необходимо, чтобы поверхность Земли была покрыта корой, т. е. чтобы «океан магмы» покрылся твердыми породами. С учетом давления древней атмосферы жидкая вода могла существовать при температурах до 300–350 °C. Конденсация водяных паров из атмосферы в океан уменьшает парниковый эффект и температуру на поверхности Земли, поэтому переход от воды в атмосфере к океанам шел с ускорением и мог произойти очень быстро, в течение 10 000 лет. Расчеты показывают, что для затвердевания земной коры и конденсации океанов необходимо, чтобы тепловой поток из недр Земли упал ниже примерно 150 Вт/м². Этот порог мог быть пройден в первый раз еще до окончания формирования Земли и удара, породившего Луну. Однако после каждого столкновения выделение тепла внутри Земли усиливалось за счет опускания железного ядра упавшего планетного зародыша к центру Земли, и поверхность опять превращалась в океан магмы (рис. 4.3).

Водные океаны в последний раз начали конденсироваться через 5–10 млн лет после образования Луны и стали устойчивы, когда тепловой поток из недр Земли упал до 1 Вт/м² (современное значение – 0,2 Вт/м²). По расчетам, это значение теплового потока было достигнуто через 50–100 млн лет после образования Луны. Основным компонентом атмосферы остался углекислый газ (рис. 4.4).

Осадки карбонатов на Земле содержат около 1,8 × 1020 кг СО₂, что хватило бы на три атмосферы Венеры. Если весь этот СО₂ содержался в атмосфере после стадии «океана магмы» (скорее всего, так и было), то средняя температура Земли за счет парникового эффекта достигала 210 °C. Изъятие СО₂ из атмосферы происходило за счет химического выветривания. Для эффективного захоронения углекислого газа в земной коре необходима была, во-первых, активная тектоника плит, убирающая в толщу коры карбонатные осадки со дна океанов, и, во-вторых, достаточно толстая и не слишком горячая земная кора, в которой карбонаты могли бы захораниваться и не разлагаться. По моделям этого процесса захоронение углекислого газа шло с ускорением, температура Земли долго держалась около 200–240 °C, а потом падала все быстрее. Охлаждение с 200 до 100 °C заняло, по разным оценкам, 20–100 млн лет, а со 100 °C (температура, при которой могут жить гипертермофильные бактерии) до 40 °C – 1–2 млн лет. Такой разброс связан с большими неточностями в оценке ранней тектоники плит. Соотношение изотопов кислорода в цирконах Джек Хилл, древнейшим из которых 4,4 млрд лет, может быть связано с их взаимодействием с жидкой водой при температуре 70–100 °C. Это согласуется с моделями захоронения СО₂ из ранней атмосферы Земли.

Равновесный уровень СО₂, достигаемый в процессе захоронения, оценить гораздо сложнее. Оценки равновесного парциального давления углекислого газа разнятся от 0,1 до 5 атмосфер, что соответствует средней температуре Земли от −50 до +50 °C. В первом случае полного замерзания все равно не происходит – остаются теплые оазисы вокруг многочисленных активных вулканов. Кроме того, эти оценки не учитывают вклад метана в парниковый эффект. Хотя метан в атмосфере нестабилен, он постоянно образуется в процессе серпентинизации океанской коры. Это реакции горячей (300–500 °C) воды с базальтами, в которых железо базальта окисляется до трехвалентного (магнетит), а вода восстанавливается до водорода. В присутствии СО₂ водород тут же реагирует с ним, и основными продуктами становятся метан и муравьиная кислота. В воде умеренно-теплых (70 °C) геотермальных источников Лост-Сити (Срединно-Атлантический хребет) содержание метана и муравьиной кислоты достигает 50 мг/л, а в древности выход метана мог быть гораздо больше. Так что примесь метана в древней атмосфере могла составлять до 0,1 %, а его вклад в парниковый эффект – 20–30 °C температуры. Кроме того, появление фотосинтезирующей жизни должно было уменьшить концентрацию СО₂ в атмосфере и температуру по сравнению с безжизненной Землей, а следы оледенений в отложениях архейского периода ограничены одним эпизодом 2,9 млрд лет назад. Следовательно, в более ранних эпохах климат Земли был теплым, а оледенений не было. Оледенения, последовавшие в протерозойскую и фанерозойскую эры, были следствием работы фотосинтетических организмов, изымавших из атмосферы углекислый газ и выделявших кислород. Благодаря им температура Земли не слишком меняется, несмотря на 30 %-ное увеличение светимости Солнца с начала архея.

Атмосфера и климат Марса

Марс по сравнению с Землей имеет примерно в 210 раз меньшую массу атмосферы, и основные газы в ней обогащены тяжелыми изотопами. Это изотопное смещение наблюдается у водорода, азота, неона и аргона и свидетельствует о заметной потере атмосферы в космос. Все эти особенности хорошо объясняются сдуванием атмосферы солнечным ветром, которое происходит и сейчас.

Содержание среднелетучих элементов (натрия, хлора, серы) в коре Марса в несколько раз выше, чем на Земле. Это, скорее всего, означает, что Марс избежал стадии «океана магмы» из-за его малой массы и, следовательно, меньшей энергии падающих планетных зародышей. Проблема тусклого молодого Солнца для Марса стоит еще острее, чем для Земли, потому что Марс находится дальше от Солнца. Следовательно, парниковый эффект древней атмосферы Марса был очень велик, увеличивая температуру примерно на 100 °C. Многочисленные следы жидкой воды в виде речных долин и каньонов сохранились на Марсе с древних времен. Исходя из изотопного состава оставшейся на Марсе воды и содержания воды в метеоритах, можно заключить, что когда-то низины северного полушария – треть поверхности планеты – были покрыты океаном с глубинами до 5 км.

Магнитные аномалии Марса, о которых говорилось в предыдущей главе, сохранили историю быстрого угасания магнитного поля планеты около 3,5 млрд лет назад, после чего началась быстрая потеря атмосферы, а вместе с ней терялась вода и падала температура поверхности. Так Марс, лишившись магнитного поля, стал холодным и сухим. С тех пор самые заметные перемены, происходившие на Марсе, – это ледниковые периоды. Они вызваны изменениями наклона оси вращения планеты, которые, как упоминалось раньше, происходят хаотически из-за приливного взаимодействия с Солнцем, Юпитером и Землей. При увеличении наклона с современных 25 градусов до 35–40 полюса получают больше тепла, лед полярных шапок испаряется и выпадает в виде снега по всей поверхности планеты. Одной из загадок Марса является отсутствие карбонатов. Нигде на планете не найдено мощных карбонатных отложений, характерных для Земли, хотя все условия для их образования были – легко выветриваемые базальтовые породы на поверхности, углекислотная атмосфера и жидкая вода. Тем не менее на Марсе найден только карбонат магния, и только в составе летучий пыли, а не в массивных отложениях. Одной из причин отсутствия карбонатных осадков могла быть высокая кислотность водоемов, связанная с высоким содержанием серы и хлора (Fairen et al., 2004). Такие кислые озера и океаны быстро возвращали бы углекислый газ в атмосферу. Однако на Марсе также сохранились филлосиликаты – легко выветриваемые породы; возраст самых древних из них достигает 4 млрд лет. В присутствии углекислого газа и тем более кислотных дождей с серной и соляной кислотой они должны были давно раствориться, однако этого почему-то не произошло.

Атмосфера и климат Венеры

Самое заметное отличие Венеры – сверхплотная углекислотная атмосфера – оказывается не единственным. Как мы видели, Земля после застывания «океана магмы» тоже имела такую атмосферу. Ничтожное количество воды на Венере и сильнейшее изотопное обогащение ее дейтерием (в 200 раз выше по сравнению с Землей) указывают, что большая часть воды была потеряна в космос, а нынешние остатки – примерно одна десятимиллионная часть древних запасов, которые не уступали земным.

Однако атмосфера Венеры отличается от атмосферы Земли и по инертным газам. Измерения количества и изотопного состава гелия, криптона и ксенона на Венере пока не удалось провести, но данные по неону и аргону есть и вызывают серьезные вопросы. Так, количество неона на Венере примерно в 10 раз выше, чем на Земле. Исходные изотопы аргона (³⁶Ar и ³⁸Ar) находятся в ее атмосфере в огромном количестве, в 70 раз больше, чем на Земле. Соотношение этих двух изотопов соответствует не метеоритному, как на Земле, а солнечному. Наконец, количество радиогенного ⁴⁰Ar в атмосфере Венеры почти втрое меньше земного. С учетом сходного содержания калия в обоих планетах это означает, что лишь 25 % этого изотопа вышли в атмосферу по сравнению с 60–70 % на Земле (Kaula, 1999).

Удержание аргона-40 в мантии означает, что большую часть истории Венеры она была геологически неактивна. Существуют гипотезы, что массовые извержения вулканов, залившие лавой почти всю поверхность планеты 600–800 млн лет назад, были катастрофой, оборвавшей эпоху тектоники плит, или напротив, что массовые извержения шли постоянно почти 4 млрд лет и 600 млн лет назад резко прекратились. Однако в обоих этих случаях аргон-40 должен был эффективно выходить в атмосферу. То, что три четверти этого аргона осталось в мантии, можно объяснить, если периоды активного вулканизма происходят редко, два-три раза за 1 млрд лет, и выбрасывают на поверхность лишь верхний слой расслоенной, плохо перемешиваемой мантии. Для объяснения малого количества ⁴⁰Ar в атмосфере Венера должна существовать в таком режиме уже 3,5 млрд лет.

Избыток неона и «солнечного» аргона объяснить труднее. Если лишний аргон был доставлен с кометами, то вместе с ним должен был попасть в большом количестве криптон, что не обнаружено. Возможно, Венера поглотила аргон из газа протопланетного диска, но тогда, скорее всего, неона было захвачено еще больше. Нужно очень удачное совпадение истории роста планеты и рассеяния диска, чтобы поглощение аргона была активным, а неона – нет. Возможно, что Венера не подвергалась таким мощным ударам, как столкновение Земли с Тейей, а собралась из более мелких планетных зародышей. В этом случае она должна была сохранить первичную атмосферу в гораздо большей степени, чем Земля.

Так что в происхождении атмосферы Венеры остаются серьезные тайны. Дальнейшая эволюция атмосферы Венеры по каким-то причинам пошла совершенно не так, как на Земле. Углекислый газ не был связан в карбонаты, а вода улетучилась в космос. Углекислый газ мог остаться в атмосфере из-за отсутствия тектоники плит, в силу слишком высокой температуры или из-за недостатка воды, необходимой для химического выветривания. Мы пока не знаем, какое из начальных отличий Венеры от Земли привело к такому результату – отсутствие Луны, направляющей движения литосферных плит, меньшее расстояние до Солнца, ведущее к более высокой температуре, или неизвестное отличие в происхождении атмосферы, следами которого остались высокие концентрации аргона и неона.