Гипотезы образования Земли

Небулярная теория возникновения Земли

В 1796 году П. Лапласом была сформулирована небулярная теория, которая объясняла образование Солнечной системы. Согласно этой теории, изначально существовало газопылевое облако, которое возникло в результате концентрации межзвездного вещества под действием закона всемирного тяготения.

Туманность не является идеальным шаром, ее края располагаются на неодинаковом расстоянии от ближайшей звезды или небулы. Этим обусловливается неодинаковая сила, с которой они притягиваются. В результате этой неравновесности туманность получает первичный толчок, который придает ей вращательное движение, хоть и достаточно слабое.

С того момента, как небула начинает вращаться вокруг своей оси, возникает сила тяжести, под воздействием которой небула должна начать постепенно сжиматься, уменьшается ее радиус. А так как МКД зависит от массы тела, скорости вращения и радиуса, а масса является неизменной величиной, значит, уменьшение радиуса компенсируется увеличением скорости вращения. Вследствие этого газовый шар будет вращаться все быстрее.

Под воздействием центробежной силы экватор шара вспухает, шар приобретает форму сплющенного эллипсоида. Достигается момент, когда увеличивающаяся центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения, и от экватора начинает отделяться кольцо. По мере сжатия небулы отделяются еще кольца. Вещество таких вращающихся колец под влиянием взаимного притяжения частиц начинает конденсироваться в планеты. В свою очередь, от планет начинают отделяться их спутники.

Планетезимальная теория происхождения Земли

Теория Лапласа, которая предполагает, что изначально Земля была холодной, пользовалась популярностью в течение почти ста лет, несмотря на то, что ряд астрономических данных ей противоречили.

Ближе к концу 19 века было установлено, что температура в недрах планеты является чрезвычайно высокой. Большая часть ученых стала склоняться к мнению, что Земля изначально была горячей, и представляла собой огненный шар, который постепенно остывал с поверхности. Поиски раскаленного вещества было решено начать с Солнца.

В начале 21 века астрономами Т. Чемберленом и Ф. Мультоном была выдвинута планетезимальная теория происхождения Солнечной системы. Эта теория была математически обоснована Дж. Джинсом.

Суть планетезимальной теории заключается в следующем. Когда-то поблизости от Солнца прошла другая звезда. В результате взаимного притяжения из каждой звезды было вырвано по огромному протуберанцу звездного вещества. Эти вещества соединились и образовали так называемый межзвездный мост, который затем распался на отдельные «капли», которые называют планетезимали. Эти остывающие планетезимали и стали началом планет и их спутников.

Возврат к небулярной теории. Гравитационная дифференциация вещества

Во второй половине 21 века вновь обратились к концепции холодной Земли. Это связано с тем, что против планетезимальной теории нашлись серьезные астрономические возражения. Например, Г. Ресселом было замечено, что если между проходящей звездой и Солнцем протянется лента, состоящая из звездного вещества, то средняя част этой ленты, в которой взаимное притяжение уравновешивается, должна быть абсолютно неподвижной. Еще одной причиной возврата к теории холодной Земли стало то, что положения Лапласа, считавшиеся ошибочными, могут быть откорректированы в ходе дальнейшего развития небулярной теории.

Однако наиболее существенным для преимущества теории холодной Земли стало нахождение ответа на вопрос, откуда берется тепло, которое разогрело недра холодной Земли до таких высоких температур. Предполагается, что таких источников было два: гравитационная дифференциация недр и энергия распада радиоактивных элементов.

Радиоактивность является второстепенным источником, он дает лишь около 15% разогрева. Идея гравитационной дифференциации недр состоит в следующем.

Масса и объем Земли были рассчитаны еще в 18 веке. Зная эти две величины можно определить среднюю плотность вещества Земли, которая составляет 5,5 г/см3. Плотность известных и доступных для прямого исследования горных пород ниже в два раза. Усредненная плотность вещества земной коры равна 2,8 г/см3. Отсюда следует, что в глубоких недрах Земли плотность вещества должна намного превышать среднюю.

Основная доля в массе Земли приходится на четыре элемента:

• кислород,
• алюминий,
• железо,
• кремний.

Поэтому можно утверждать, что наружные слои Земли, являясь более легкими, состоят в основном из алюмосиликатов, а внутренние, являясь тяжелыми, состоят в основном из железа.

В тот момент, когда происходило образование Земли легкие и тяжелые элементы, а также их соединения, не могли быть перемешаны полностью. Однако, далее начинается гравитационная дифференциация. Тяжелые соединения под воздействием силы тяжести опускаются к центру Земли, тонут, а легкие – всплывают к поверхности. Тонущее железо сдвигает центр тяжести к основанию вертикального столба земного вещества. Потенциальная энергия этого столба при этом постоянно уменьшается. А суммарная энергия планеты, исходя из законов сохранения, остается неизменной. Соответственно, потенциальная энергия, теряющаяся в ходе гравитационной дифференциации, может быть преобразована только в кинетическую энергию молекул – выделяться в виде тепла.

Таким образом, на протяжении всей истории Земля представляет собой твердое тело, которое при постоянных больших нагрузках ведет себя как вязкая жидкость. Форма планеты в виде эллипсоида соответствует форме, которая должна в состоянии равновесия принимать жидкость. В толще жидкости постоянно происходят медленные, но очень мощные движения гигантских масс вещества. С этими движениями связаны горообразование, вулканизм, горизонтальные перемещения континентов и т.д. Гравитационная дифференциация вещества в недрах Земли является источником энергии для всех этих процессов.