Глава 03. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ И ЕЕ ДОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ (1119266), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Наиболее разработанной из гипотез такого рода является гипотеза Е.Л.Рускол (1960–1975). Близка к ней модель А. Харриса и В. Каулы (1975) о совместнойаккреции Земли и Луны, начавшейся, еще когда у Земли была только 0,1 ее современноймассы, причем Луна формировалась по этим гипотезам на расстояниях около 10 земныхрадиусов в течение большей части времени ее роста. Однако и эта группа гипотез,постулирующая возникновение наших планет из единого резервуара протопланетноговещества, не смогла объяснить дефицит железа и сидерофильных элементов на Луне.Кроме того, эти модели исходили из предположения, что осевое вращение Землисуществовало изначально, происходило в ту же сторону, что и обращение спутника, но поугловой скорости собственного вращения превосходило угловую скорость орбитальногообращения спутника.
Интересна гипотеза Г. Герстенкорна (1955, 1977) о захвате Луны идальнейшей приливной эволюции ее орбиты, при которой Луна подходила близко к такназываемому пределу Роша, т.е. к наименьшему расстоянию между спутником ицентральной планетой, ближе которого массивный спутник начинает разрушатьсягравитационным полем планеты. Однако и в этой модели Луна оставалась неизменной от63рождения и до наших дней, а поэтому тоже не объясняла существующего дефицитажелеза в лунном веществе.Наряду с отмеченной аномалией содержания железа в Луне, составы ее базальтовудивительно напоминают составы примитивных базальтов срединно-океаническиххребтов Земли.
Кроме того, данные по изотопам кислорода также говорят в пользуродственного происхождения Земли и Луны и отличного от них происхождения углистыхи обычных хондритовых метеоритов. На этом основании А. Рингвуд (1982) сумелубедительно показать геохимическую общность лунного вещества с веществом земноймантии.
Однако из этого факта А. Рингвуд делает совершенно экзотический вывод, будтоЗемля вскоре после своего образования и выделения у нее плотного ядра очень быстрораскрутилась и за счет возникшей благодаря этому ротационной неустойчивости от еемантии оторвался крупный кусок вещества, превратившийся затем в Луну. Идея эта ненова и около ста лет назад высказывалась Дж. Дарвином – талантливым геофизиком,сыном гениального Ч. Дарвина, но, к сожалению, с механической точки зрения онаоказалась неверной.Рассматривая происхождение Луны, необходимо учитывать крайнюю степеньдифференцированности ее вещества, приведшую к отделению силикатов от железа и к ихзначительному обеднению сидерофильными элементами.
Такая полная дифференциациявещества могла происходить лишь в теле достаточно крупной и обязательнорасплавленной планеты. Это важный вывод, и не считаться с ним нельзя. Об образованииЛуны из первоначально расплавленной планеты, в частности, говорит и состав ее мощнойанортозитовой коры (состоящей в основном из кальциевого полевого шпата – анортита),масса которой могла выделиться только из полностью расплавленного вещества болеекрупного, чем Луна, космического тела. По данным определения возраста лунныханортозитов, процесс этот развивался около 4,6–4,4 млрд лет тому назад, т.е. в период,близкий по времени к моменту образования самой системы Земля–Луна.
Следовательно,можно ожидать, что Луна прошла стадию полного планетарного плавления идифференциации еще во время своего образования.Второй весьма примечательный факт, который обязательно необходимо учитыватьпри разработке гипотезы образования Луны, состоит в том, что суммарный моментколичества вращения системы Земля–Луна в точности отвечает ситуации, при которойобе планеты в свое время находились на расстоянии предела Роша и обладали синхроннойугловой скоростью вращения. Такое совпадение не может быть случайным, наоборот, оносвидетельствует о том, что при образовании Луна действительно находилась на пределеРоша и могла подвергаться разрушению.Учитывая приведенные данные и соображения, представляется наиболеевероятным, что Луна является остатком некой более крупной планеты – Протолуны,захваченной растущей Землей с соседней ближайшей орбиты (или образовавшейся вблизисамой Земли из околоземного протопланетного роя планетезималей) и разрушеннойгравитационным полем Земли на пределе Роша.
В качественной форме близкие идеи одвухэтапном образовании Луны за счет приливного разрушения более крупной планеты ипоследующего захвата ее частей ранее высказывали Дж. Вуд и Х. Митлер (1974), а такжеЕ. Эпик (1961). По аналогии с этими идеями в наших работах предлагается гипотеза,согласно которой Луна образовалась за счет сохранения от разрушения в полости Рошалишь внешнего приливного горба предварительно расплавленной и прошедшей полнуюдифференциацию планеты – Протолуны.Приливное взаимодействие планет. Прежде чем рассматривать процессобразования Луны, напомним в общих чертах механизм приливного взаимодействия.
Этоинтересное явление природы изучалось многими исследователями, начиная с И. Ньютона,впервые объяснившего, что приливы и отливы в океанах вызываются притяжениямиводной оболочки Луной и Солнцем. Над решением этой проблемы работали Д. Бернулли64и Л. Эйлер, но наибольший вклад в изучение природы приливных взаимодействий Земли сЛуной и Солнцем внес математик П. Лаплас, который еще в конце XVIII в.сформулировал современную постановку задачи о приливах, и геофизик Дж. Дарвин(1898), предложивший ряд подходов к практическому решению этой задачи. Уже в нашевремя эволюцию приливных взаимодействий в системе Земля–Луна рассматривали Г.Макдональд (1964), П.
Голдрайх (1966) и Е.Л. Рускол (1975).Приливное взаимодействие Земли с Луной из-за ее более близкого расположения кЗемле приблизительно вдвое сильнее, чем с Солнцем. Для простоты рассмотрим влияниена Землю только одной Луны. При этом будем считать орбиту Луны круговой ирасположенной в плоскости экватора Земли. Последнее условие сейчас не выполняется,поскольку плоскость земного экватора наклонена к эклиптике (т.е. к плоскости обращенияЗемли вокруг Солнца) под углом примерно 23°, а плоскость лунной орбиты с эклиптикойсоставляет угол около 5°.
Но на ранних этапах развития системы Земля–Луна, когдапланеты располагались теснее друг к другу, компланарность орбиты Луны с земнымэкватором была почти полной.Благодаря взаимному гравитационному притяжению планет в их телах возникаютприливные деформации – вздутия или горбы. При этом у каждой планеты возникает двагорба: один обращен к возмущающей ее “соседке”, а второй располагается спротивоположной стороны (см. рис. 3.1).
Причем такие возмущения в теле Земливозникают не только в океанах и морях за счет их “вздутия” (благодаря перетеканию в ихподлунные участки воды из соседних акваторий), но и в “твердой” Земле.В связи с тем что угловая скорость вращения современной Земли, совершающейодин оборот вокруг своей оси за 24 ч, существенно превышает орбитальную угловуюскорость движения Луны, один оборот которой происходит за 27,32 сут. = 655,7 ч,приливные горбы как бы “бегут” по земной поверхности вместе с видимым движениемЛуны по небосводу. Но вещество Земли, как мы уже видели, не является идеальноупругим телом и обладает свойствами вязкой жидкости.
Это приводит к тому, чтодеформации в приливных горбах не успевают рассасываться после прохождения имиточек кульминации с Луной и увлекаются земным вращением вперед, заметно опережая(примерно на 2,16°) движение самой Луны. При этом земному наблюдателю, наоборот,кажется, что максимальные приливы Земли всегда запаздывают и наступают на ееповерхности несколько позже момента кульминации Луны (рис. 3.1).Дополнительные притяжения избыточных масс приливных горбов оказываютвлияние на движение самих планет. Так, притяжения обоих приливных вздутий Землисоздают пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияниеближнего, обращенного к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. Абсолютныезначения сил приливного взаимодействия между Луной и Землей сейчас малы, нонакапливаясь в течение длительного времени их воздействия, приводят к заметномуторможению вращения Земли и, наоборот, к ускорению орбитального движения Луны и кее удалению от Земли.65Рис.
3.1. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной: F – приливная сила, тормозящая вращениеЗемли; f – приливная сила, ускоряющая орбитальное вращение Луны; δ – угол запаздывания приливовДля определения эволюции взаимных расположений Луны и Земли необходимоиспользовать законы небесной механики (третий закон Кеплера) и закон сохраненияколичества движения (импульса) в системе, а также учитывать рассеиваемую в планетахэнергию приливных деформаций.
В несколько упрощенном варианте предположения обобращении Луны в экваториальной плоскости Земли закон сохранения количествадвижения можно записать в виде (Рускол, 1975)M ⋅m 2I ⋅Ω +L ⋅ ω = K = const(3.1)M +mгде I = 8,03·1044 г·см2 – момент инерции современной Земли; Ω – угловая скорость еевращения вокруг собственной оси; ω – угловая скорость орбитального движения Лунывокруг Земли; M = 5,977·1027 г – масса Земли; m = 7,35·1025 г – масса Луны; L – расстояниемежду центрами тяжести Земли и Луны (современное значение L = 3,844·1010 см).Третий закон Кеплера, как известно, записывается в видеω 2 ⋅ L3 = γ ⋅ (M + m ) = µ = const(3.2)–832где γ =6,67·10 см /г·с – гравитационная постоянная. Энергия собственного вращенияЗемли EΩ и полная орбитальная энергия Луны Eω определяются столь же простымисоотношениямиΩ2EΩ = I(3.3)2m⋅MEω = −γ(3.4)2LСовременные значения энергии вращения Земли и Луны соответственно равны EΩ =2,12·1036 эрг и Eω = – 0,38·1036 эрг (напомним, что орбитальная энергия Луны по своейсути – потенциальная энергия и поэтому отрицательная)Кроме приведенных уравнений для описания эволюции системы Земля – Лунанеобходимо еще оценить скорость диссипации энергии в этой системе.
Такую оценкуможно выполнить по диссипативной функции Qµ–1, где Qµ – фактор механическойдобротности планеты. Диссипативная функция определяет собой долю ∆E/E рассеиваемой66в форме тепла энергии Е упругопластических деформаций тела за один циклколебательного процесса:∆EQ µ−1 =(3.5)2π ⋅ EПриведенных уравнений (3.1)–(3.4) при условии, что нам известна диссипативнаяфункция (3.5) или что ее можно оценить по геологическим данным, уже вполнедостаточно для полного описания эволюции системы Земля – Луна.Приливные взаимодействия перераспределяют моменты количества движениямежду планетами, но при этом суммарный момент количества движения системы всегдаостается неизменным. Эти же взаимодействия приводят к “перекачке” энергии от однойпланеты к другой, но, в отличие от момента количества движения, энергия вращательногодвижения в системе не сохраняется постоянной, поскольку она благодаря приливнымдеформациям постепенно переходит в тепло и рассеивается далее в космическомпространстве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
