Глава 03. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ И ЕЕ ДОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ (1119266), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В настоящее время вращательная энергия Земли передается Луне,благодаря чему происходит, с одной стороны, постепенное замедление осевого вращениянашей планеты, а с другой – одновременное с этим отодвигание Луны от Земли.Из приведенных закономерностей вытекает важное следствие. Если спутник присвоем образовании или захвате обладал собственным вращением с угловой скоростью, неравной скорости его обращения вокруг массивной центральной планеты, то на такойспутник обязательно должна была действовать пара приливных сил, тормозящих егоосевое вращение.
В результате такой спутник быстро переходил на синхронное вращение,при котором его угловые скорости осевого и орбитального вращения становилисьравными друг другу и он оказывался повернутым к центральной планете всегда одной итой же стороной, как это сейчас и наблюдается у Луны (один оборот вокруг своей осиЛуна совершает за время ее полного оборота вокруг Земли).Гипотетическая планета Протолуна.
Вернемся теперь вновь к ранней историисистемы Земля–Луна на той ее стадии, когда входящие в нее планеты правильнее ещеназывать Протоземлей и Протолуной. Предполагаемые события совпадают по времени сэпохой завершения формирования планет Солнечной системы за счет аккрециипланетезималей и отстоят от нас примерно на 4,6 млрд лет.События в те далекие времена могли развиваться по следующим сценариям. Вопервых, Протоземля и Протолуна тогда могли образоваться по “классическому”механизму формирования двойной планеты: сначала Земля, а потом из оставшегосяпротоземного роя планетезималей – Протолуна, как это предполагает Е.Л. Рускол (1975).Популярны сегодня и модели образования Луны благодаря гигантскому касательномуудару (мегаимпакту) по Протоземле некой планеты марсианского размера.
Однако все этигипотезы совершенно не объясняют упоминавшуюся выше специфику химическогосостава Луны и геохимию ее пород, а также соответствие момента количества вращениясистемы случаю нахождения Луны на пределе Роша от Земли.По этим и некоторым другим причинам нам представляется, что наиболеевероятным сценарием является гравитационный захват растущей Протоземлей с соседней(ближайшей) орбиты также растущей, но уже достаточно крупной Протолуны. Впротивоположность захвату спутника с далекой орбиты (вероятность которогопрактически равна нулю) вероятность перехода спутника с ближайшейгелиоцентрической орбиты на орбиту вокруг растущей планеты (т.е.
планеты сувеличивающейся массой) может быть конечной, как это принимают, например, С. Зингер(1972), Х. Альвен и Г. Аррениус (1972, 1979). Гораздо более эффективным механизмомзахвата, считают В. Каула и А. Харрис (1973), могли служить столкновения пролетающегоспутника с телами околопланетного планетезимального роя, еще вращавшегося вокруграстущей планеты. Благодаря таким столкновениям скорость пролета захватываемого67спутника должна была заметно тормозиться, в результате чего его траектория моглатрансформироваться из гиперболической (по отношению к центральной планете) вэллиптическую, а затем и в круговую.Проведенное недавно японскими учеными К.
Отзуки и С. Ида (1998) прямоематематическое моделирование гравитационных взаимодействий многих тел внеоднородном протопланетном диске вблизи растущей планеты показало, чтогравитационные захваты космических тел вполне возможны. При этом, как ипредполагалось ранее (Сорохтин, Ушаков, 1989), захват спутников всегда происходиттолько в одном, прямом направлении и является главной причиной раскручивания планет.К сожалению, в приведенном численном эксперименте не было проведено моделированиеразрушения захваченных массивных тел на пределе Роша и раскручивание планеты допредельной угловой скорости, соответствующей ее синхронному вращению со спутником,находящимся на этом пределе. Поэтому авторы моделирования происхождение Луны потрадиции также связывают либо с касательным ударом более крупного протопланетноготела, либо с аккрецией протоземного осколочного диска.
А как же тогда объяснитьпроисхождение многочисленных спутников внешних планет? Тоже предположением, чтовсе они возникли за счет касательных ударов протопланетных тел о газовые оболочкиэтих планет?Так или иначе, но Протолуна все-таки оказалась на околоземной орбите. Теперь, вотличие от классических гипотез образования Луны, предположим, что масса Протолуныпервоначально была существенно большей, чем масса современной Луны, например вчетыре раза, но по-прежнему все же оставалась значительно меньшей, чем массаПротоземли.
Кроме того, учтем, что собственное вращение Протоземли, приобретенноеею только за счет выпадения на нее планетезималей из смежных (внутреннего ивнешнего) поясов протопланетного облака, благодаря статистической компенсациивоздействий их ударов, происходивших тогда с разных сторон ее орбиты, было оченьмедленным и скорее всего было направлено в сторону, противоположную современномунаправлению осевого вращения Земли (как у лишенной спутников Венеры).При таких условиях оказывается, что первоначально угловая скоростьорбитального обращения Протолуны (вне зависимости от механизма ее образования) быласущественно более высокой, чем угловая скорость собственного осевого вращенияПротоземли.
Более того, из закона сохранения момента количества движения следует, чтоесли Протолуна была захвачена на орбиту со средним радиусом, превышающимприблизительно в шесть раз радиус самой Протоземли, то у последней осевое вращениедействительно должно было быть обратным. Например, если произошел захватПротолуны (с массой равной четырем массам современной Луны) на среднюю орбиту срадиусом, в 12 раз превышающим радиус Земли, то первоначально Протоземля должнабыла бы вращаться вокруг своей оси в противоположную сторону с периодом около 11 ч,что мало вероятно.
Поэтому примем для определенности, что Протолуна была захваченана орбиту со средним радиусом, приблизительно равным шести радиусам Земли (6370 км× 6 ≈ 38,2 тыс. км), и обращалась вокруг Протоземли с периодом около 20 ч. При этомможно считать, что Протоземля почти не обладала собственным осевым вращением (придругой массе Протолуны получится и другой радиус захвата, отвечающий отсутствиюсобственного вращения Протоземли).Из условия превышения угловой скорости орбитального движения спутника надугловой скоростью вращения центральной планеты и закона сохранения моментаколичества движения системы также с неизбежностью следует, что в процессеприливного взаимодействия планеты и спутника орбитальный момент Протолуныпостепенно передавался Протоземле, тем самым ускоряя ее собственное вращение всторону движения спутника.
Одновременно с этим Протолуна, теряющая свой момент68количества движения, столь же неизбежно и неудержимо должна была приближаться кПротоземле.При захвате Протолуны на околоземную орбиту ее первоначальныйэксцентриситет должен был быть очень большим – приближающимся к единице(напомним, что эксцентриситет эллиптической орбиты равен разности между ее большойи малой осями, деленной на величину большой оси). Это условие позволяет оценитьсреднее значение приливной энергии, выделившейся в спутнике, после его перехода напочти круговую орбиту.
Соответствующие оценки показывают, что благодаряпеременным приливным деформациям после захвата Протолуны в ее теле должно быловыделиться около 1,5·1037 эрг или 1,5·1030 Дж тепловой энергии, что эквивалентновыделению 1200 кал тепла на 1 г вещества Протолуны. Учитывая, что теплота плавлениябольшинства магматических пород примерно равна 100 кал/г, а их теплоемкость около 0,3кал/г·град, легко найти, что выделившегося таким путем тепла было бы вполнедостаточно для полного расплавления Протолуны и подъема температуры ее веществапочти до 3700 °С. К этому теплу следует добавить еще и дополнительную энергиюгравитационной дифференциации Протолуны, которая неизбежно должна была произойтипосле ее расплавления.
Это прибавило еще около 1036 эрг тепловой энергии идополнительный разогрев на 250 °С.Время эволюции системы от момента захвата Протолуны до ее перехода накруговую орбиту было сравнительно коротким (около 10 тыс. лет). Поэтому, даженесмотря на интенсивное поверхностное охлаждение, она еще долгое время оставаласьполностью расплавленной и сильно перегретой планетой. Расплавление и перегревПротолуны должны были привести к существенной гравитационной дифференциации еевещества по плотности и к почти полной потере ею всех летучих элементов и соединений.В связи же с малой массой Протолуны и последующим ее разрушением, эти летучиекомпоненты не смогли сохраниться в атмосфере спутника.Диссипация приливной энергии, естественно, происходила и в Протоземле. Приэтом выделявшаяся в центральной планете тепловая энергия приливного взаимодействиясо спутником черпалась из энергии его орбитального движения.
Часть этой энергииуходила на “раскрутку” Протоземли (плоскость вращения Протолуны тогда совпадала сэкваториальной плоскостью Протоземли), а часть – на разогрев планеты. Можноопределить, что за счет приливного взаимодействия Протолуны с Протоземлей (отмомента захвата массивного спутника до его перехода на предел Роша) в теле последнейдолжно было выделиться около 1,25·1037 эрг тепловой энергии. Этого тепла хватает дляподъема средней температуры Протоземли приблизительно на 180 °С, но еще далеко недостаточно для начала ее расплавления.Катастрофа Протолуны и рождение Луны. С приближением массивногоспутника к центральной планете его тело все более деформируется приливными силами ивытягивается вдоль продольной оси, соединяющей центры тяжести планет. Начиная снекоторого расстояния от центральной планеты до орбиты спутника, известного какпредел Роша, приливная сила, действующая на спутник, становится больше силы егосамогравитации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
