Гипотезы о причинах изменений

Была попытка объяснить эту загадку космической катастрофой – взрывом планеты Фаэтон, якобы находившейся на орбите теперешнего пояса астероидов[1]. По предположению автора гипотезы [Резанов А.И., 1990], осколки взорвавшейся планеты бомбардировали земную атмосферу, внесли в неё дополнительную энергию и подняли температуру примерно на 100°С, что и привело к улетучиванию основной массы газов.

Подсчёты автора показали, что при наибольшем сближении Земли и Фаэтона во время взрыва, указанное повышение температуры произошло бы только при взрыве массы, составляющей не менее 10% массы Солнца.

Это видно из следующих выкладок.

При среднем радиусе Земли 6370 км её поверхность составляет 5,1·10⁸ кв. км. При атмосферном давлении 6000 атм над каждым квадратным сантиметром земной поверхности находилось, грубо говоря, 6000 кг газов атмосферы, откуда полный вес атмосферы был равен 3,06·10²² кг. Поскольку основой атмосферы являлся водород, теплоёмкость которого при постоянном давлении равна С_ð = 1,3 кДж/кг·К, то общая теплоёмкость атмосферы составляла 3,98·10²³ кДж/К и для нагрева на 100°С требовалась энергия 3,98·10²⁵ кДж.

Известно, что масса всех тел пояса астероидов, предположительно образовавшихся при взрыве Фаэтона, составляет около 1/700 массы Земли. В рамках рассматриваемой гипотезы можно считать, что большинство обломков при взрыве превысило третью космическую скорость, и они покинули пределы Солнечной системы. Вблизи Земли третья космическая скорость составляет 16,67 км/с, а средняя скорость падающих на Землю астероидов – около 25 км/с [Грив, 1990]. Чтобы уменьшить требования к массе взорвавшегося Фаэтона, примем для расчёта ещё более высокую скорость его обломков, бомбардировавших Землю, порядка 50 км/с. Тогда кинетическая энергия достигнет 1,25·10⁶ кДж на килограмм массы падающего вещества. Но даже при таких завышенных условиях полная масса обломков, нагревших своим падением атмосферу на 100°С, должна была бы составить не менее 3,18·10¹⁶ т (при плотности 3,18 т/м³ это было бы 10 млн. км³ вещества!).

Известна эмпирическая закономерность Тициуса – Боде, описывающая расстояния большинства планет Солнечной системы от светила. Согласно этому правилу, расстояние гипотетического Фаэтона от Солнца составляло 420 млн. км[2]. Тогда расстояния от Фаэтона до Земли и от Фаэтона до Венеры изменялись бы (в зависимости от их положений на орбитах) от 270 до 570 и от 312 до 528 млн. км, соответственно. Если предположить, что взрыв Фаэтона произошёл при наименьшем расстоянии от Земли, то это расстояние составило бы 270 млн. км.

Примем, что осколки Фаэтона разлетались во все стороны с равной вероятностью. При радиусе Земли 7000 км (высоту тогдашней мощной атмосферы посчитаем 630 км) и указанном расстоянии в атмосферу Земли должна была попасть 1,68·10^–10 часть вещества взорвавшейся планеты. Это значит, что масса Фаэтона должна была быть в 6 млрд. раз больше доли вещества, упавшего на Землю, т.е. должна была составлять 1,9·10²⁶ т. Такая величина в 100 раз больше массы Юпитера – крупнейшей планеты Солнечной системы – и только в 10 раз меньше массы самого Солнца.

Если бы Фаэтон, действительно, обладал такой массой, Солнечная система имела бы вид двойной звезды, где Солнце и Фаэтон совместно вращались бы вокруг общего центра масс, расположенного на расстоянии 36,4 млн. км от центра Солнца (напомним, что радиус Солнца составляет 696 тыс. км). Трудно сказать, какие орбиты должны были бы иметь в такой ситуации другие планеты Солнечной системы, например, Земля. Однако ясно, что взрыв Фаэтона и мгновенное исчезновение одной из двух совместно вращающихся масс, настолько нарушили бы равновесие системы, что это, как минимум, вызвало бы сильное отклонение орбит планет от круговых, т.е. привело бы к очень значительному эксцентриситету орбит. В действительности этого не наблюдается, за исключением орбиты Плутона – наиболее удалённой и потому как раз наименее уязвимой планеты.

Но почему, собственно, следует приурочивать взрыв Фаэтона к наименьшему расстоянию от Земли? Ведь сближение с Землёй явно не могло стать „спусковым крючком” взрыва, потому что гораздо сильнее на Фаэтон должен был воздействовать в 318 раз более массивный Юпитер. Расчёты показывают, что хотя Земля подходила к гипотетическому Фаэтону в 1,33 раза ближе, чем Юпитер, но из-за большой массы Юпитера, при наибольшем сближении его с Фаэтоном должно было происходить в 179 раз более сильное искажение орбиты Фаэтона, чем при сближении с Землёй. Поэтому совпадение взрыва Фаэтона с моментом его максимального приближения к Земле – это, в рассматриваемой гипотезе, удивительная счастливая (для жизни на Земле) случайность.

Если же отбросить тезис о счастливом сближении Фаэтона с Землёй в момент взрыва, если посчитать, что взрыв произошёл при неблагоприятном взаимном расположении Земли и Фаэтона,тогда для нагрева земной атмосферы на 100°С расчётный диаметр Фаэтона должен был бы возрасти до величины, лишь на 30% меньшей, чем диаметр Солнца! Больше того, в этом случае неизбежен вывод, что взрыв Фаэтона никак не мог быть причиной уменьшения плотности земной атмосферы в 6000 раз, поскольку при взрыве Венера оказывалась бы ближе к Фаэтону, чем Земля, а ведьна атмосферу Венеры предполагаемый взрыв, как мы знаем, не повлиял!

Вообще, гипотеза о взрыве Фаэтона внутренне противоречива. Прежде всего, не объясняется источник энергии взрыва, сообщившего обломкам такие высокие скорости. Кроме того, чтобы образовались твёрдые обломки, бомбардировавшие атмосферу Земли, и образовавшие, по мнению автора гипотезы, метеоритные кратеры на Луне, Фаэтон должен был принадлежать к каменистым планетам земного типа, что и подразумевают другие авторы. Например, в курсе астрофизики о телах пояса астероидов говорится следующее. „Заслуживает внимания гипотеза о том, что они и представляют собой обломки некогда существовавшей... сравнительно небольшой планеты земного типа. ” [Мартынов, 1988].

Расчёт же влияния взрыва Фаэтона на атмосферу Земли вырисовывает облик планеты-гиганта, в сто раз более тяжёлой, чем Юпитер, и приближающейся по размерам к Солнцу. В таком случае масса Фаэтона должна состоять, как у Юпитера и у Солнца, главным образом, из водорода и гелия, а это противоречит предположению, что при взрыве основная масса планеты превратилась в твёрдые обломки.

Солнце и планеты-гиганты имеют одинаковый состав – 93,5% водорода и 6,4% гелия. Это, в частности, означает, что планета-гигант при дальнейшем увеличении массы автоматически становится звездой. Если бы Фаэтон имел диаметр лишь на 30% меньший, чем диаметр Солнца, в нём, вероятно, создались бы условия для протекания термоядерных реакций синтеза гелия, и Солнечная система оказалась бы системой двойной звезды.

Наконец, повышение температуры от 600° до 700°С увеличивает, по закону Гей-Люссака, объём атмосферы всего на 11% (а от 1000° до 1100°С – на 8%). Если (грубо, не вспоминая о более сложной формуле Джинса) предположить, что в космическом пространстве рассеялся именно такой прирост объёма, то отсюда слишком далеко до объяснения падения давления с 6000 атм. до сегодняшнего уровня в 1 атм.

Вероятно, могут быть высказаны и другие гипотезы о причинах „ухода” земной атмосферы, основанные на каких-либо одноразовых событиях или катастрофах. Например, кто-то может предположить, что в данном случае Земля просто столкнулась с крупной запоздавшей планетезималью, как это много раз происходило в предшествующий период её истории. Однако один факт начисто опровергает сразу все подобные предположения. Это – характер графика изменений температуры земной поверхности.

За последние десятилетия хорошо изучена кинетика систем, находящихся в состоянии динамического равновесия. Такие системы очень распространены. Даже в бытовой ситуации, когда хозяйка солит суп, она создаёт химический раствор, в котором NaCl непрерывно диссоциирует на ионы натрия и хлора, а ионы Na⁺ и Cl^–, сталкиваясь друг с другом, снова образуют молекулы поваренной соли NaCl. Наука и практика „подбрасывают” людям и гораздо более сложные среды, состояние которых тоже определяется динамическим равновесием противоположно направленных процессов.

Появление импульсных лазеров дало в руки учёных очень удобный инструмент для исследования подобных состояний. Облучение равновесной химической среды мощным сверхкоротким импульсом на мгновенье выводит её из состояния динамического равновесия, после чего протекает наиболее интересный для исследователей период релаксации, возвращения к исходному состоянию. Если изучить запись полученной осциллограммы, то направление отклонения параметра, и скорость релаксации на каждом этапе, дают ценные сведения о невидимых процессах и веществах (например, о параметрах ионов раствора).

Общим для реакций равновесных динамических систем на кратковременные воздействия является характер изменений любого параметра – резкое, столь же кратковременное отклонение от исходного значения, а затем, как правило, более медленное, возвращение к прежнему состоянию равновесия. Иначе говоря, наблюдается изменение параметров в двух противоположных направлениях – сперва выброс в одну сторону, а затем постепенный дрейф в обратном направлении, к прежним значениям.

Атмосфера Земли тоже находится в состоянии динамического равновесия. С одной стороны, происходит медленный, но непрерывный приток газов из земных недр, с другой – потеря наиболее быстрых молекул из внешних слоёв атмосферы в космическое пространство. С одной стороны – нагрев солнечными лучами и внутренним теплом планеты, с другой – охлаждение за счёт излучения в черноту холодного космоса и т.д.

Поэтому, если бы 3,9 млрд. лет назад произошло любое сильное кратковременное воздействие на атмосферу Земли, то изменения параметров (в частности, температуры) должны были бы иметь совсем другой характер, приблизительно такой, как это показано на рис. 4.1 пунктиром. Но такого не произошло, фактическая картина изменений температуры и давления иная. От момента начала неожиданных изменений стал происходить быстрый, но монотонный спад параметров, скорость которого постепенно уменьшалась.

Возникло два противоречия. Во-первых, температура и давление земной атмосферы приближались к сегодняшним значениям со стороны более высоких параметров, тогда как после „взрыва Фаэтона” должны были прийти „снизу”. Во-вторых, за прошедшие миллиарды лет состояние атмосферы должно было в какой-то мере вернуться к нарушенному равновесию. Последствия „взрыва Фаэтона” должны были в значительной степени сгладиться. Тогда о современном давлении в 1 атм. и о средней температуре около 20°С не могло бы быть и речи. Температура и давление нашей атмосферы должны были бы превысить соответствующие параметры Венеры.

Другими словами, реальный характер изменений атмосферного давления и температуры категорически противоречит мысли о том, будто причиной наблюдаемых глобальных изменений мог быть взрыв Фаэтона или любое другое мощное одноразовое воздействие. Что же, в таком случае, произошло?

На это легко ответит каждый специалист, знакомый с кинетикой равновесных систем. Монотонное, сначала быстрое, а затем всё более медленное снижение атмосферного давления и температуры, продолжающееся, вероятно, и ныне (но уже близкое к состоянию равновесия), можно объяснить только одним. Между 3,9 и 3,8 млрд. лет назад произошло какое-то событие, резко изменившее условия динамического равновесия атмосферы, причём это изменение не было кратковременным, оно сохраняется поныне!

Равновесное состояние атмосферы сместилось к меньшей плотности. Следовательно, уменьшился приток или усилился отток газов из атмосферы. Трудно вообразить явление, которое на миллиарды лет уменьшило бы, грубо говоря, в 6000 раз, приток газов в атмосферу из недр Земли. Но можно представить себе событие, стабильно усилившее отток газов. Мысль об этом возникает при сравнении Земли с Венерой.

Какая особенность Земли, отличающая её от Венеры, потенциально способна влиять на плотность земной атмосферы? При такой постановке вопроса привлекает внимание аномально большой спутник Земли – Луна. У Венеры спутников нет. Таких крупных, по сравнению с планетой (по диаметру только в 3,67 раза меньше планеты), спутников, как Луна, в Солнечной системе больше нет (если не считать „незаконную” планету Плутон с ещё более „незаконным” спутником Хароном).

Напомним, что масса Земли на 18% больше массы Венеры, а Солнце нагревает Землю в 1,92 раза слабее, чем Венеру. Оба этих фактора должны увеличивать плотность земной атмосферы по сравнению с Венерой. Со всех точек зрения, атмосфера Земли должна была бы оказаться мощнее венерианской атмосферы. И только одно – только существование массивного спутника, отсутствующего у Венеры – оказывается фактором, в принципе, способным вызвать отток газов, уменьшить плотность земной атмосферы!

Не в этом ли заключается разгадка? Предположим, что до 3,9 млрд. лет назад Земля и Венера находились примерно в одинаковых условиях, имели приблизительно одинаковые атмосферы, а потом у Земли появился массивный спутник, и пути эволюции планет резко разошлись.

Присутствие Луны должно было нарушить симметрию земной атмосферы, оттянуть от неё к спутнику тонкий „хвост”, из которого молекулы газов легко (при малой среднеквадратичной скорости) убегают в космическое пространство. Изменилось соотношение притока (из недр Земли) и оттока газов. Состояние динамического равновесия атмосферы сместилось в сторону меньших плотностей, и возникла как раз та картина, которую описывают геологи.

Мощное влияние Луны, нарушающей сферическую симметрию земной атмосферы и „раскачивающей” её, подтверждают исследования, проводившиеся с помощью ракет и искусственных спутников. В верхних слоях атмосферы, называемых термосферой и экзосферой, зарегистрированы своеобразные лунные „приливы” в виде кратных лунным суткам колебаний давления с амплитудой до 25% [Чепмен, Линдзен, 1972; Маров, Колесниченко, 1987].

Вероятно, дальнейшие исследования обнаружат предполагаемый (теперь уже слабый) „хвост” земной атмосферы, направленный в сторону Луны. Обнаружение его стало бы мощным подтверждением гипотезы автора. Ведь правило Джинса ограничивает „убегание” молекул газа от Земли только в направлении, противоположном её центру тяжести. Из „хвоста” же молекулы могут уходить в космос перпендикулярно направлению на центр Земли.

Дата добавления: 2015-07-08