Реферат по астрономии на тему земля и луна двойная планета

Обновлено: 15.07.2024

Двойная планета - это Земля с Луной. Они имеют право на это название потому, что спутник наш резко выделяется среди спутников других планет значительной величиной и массой по отношению к своей центральной планете.

Есть в солнечной системе спутники абсолютно более крупные и более тяжелые, но по сравнению со своей центральной планетой они гораздо мельче, чем наша Луна по отношению к Земле. В самом деле, поперечник нашей Луны больше четверти земного, а поперечник относительно самого крупного спутника других планет составляет только 10-ю долю поперечника своей планеты (Тритон - спутник Нептуна). Далее, масса Луны составляет 1/81 массы Земли; между тем самый тяжелый из спутников, какой существует в солнечной системе, - III спутник Юпитера - составляет менее 10 000-й доли массы своей центральной планеты.

Какую долю от массы центральной планеты составляет масса крупных спутников показывает табличка на стр. 86. Вы видите из этого сопоставления, что наша Луна по своей массе составляет самую крупную долю своей центральной планеты.


Рис. 36. Система Земля - Луна по сравнению с системой Юпитера (размеры самих небесных тел показаны без соблюдения масштаба)

В связи с этим находится тот любопытный факт, что путь, описываемый Луной вокруг Солнца, очень мало отличается от пути Земли. Это покажется невероятным, если вспомнить, что Луна движется вокруг Земли на расстоянии почти 400 000 км.

Не забудем, однако, что пока Луна совершает один оборот вокруг Земли, сама Земля успевает перенестись вместе с нею примерно на 13-ю долю своего годового пути, т. е. на 70 000 000 км. Представьте же себе круговой путь Луны - 2 500 000 км - растянутым вдоль расстояния, в 30 раз большего. Что останется от его круговой формы? Ничего. Вот почему путь Луны около Солнца почти сливается с орбитой Земли, уклоняясь от нее лишь 13-ю едва заметными выступами. Можно доказать несложным расчетом (которым мы не станем здесь обременять изложения), что путь Луны при этом всюду обращен к Солнцу своей вогнутостью. Грубо говоря, он по виду похож на выпуклый тринадцатиугольник с мягко округленными углами.

На рис. 37 вы видите точное изображение путей Земли и Луны в течение одного месяца. Пунктирная линия - путь Земли, сплошная - путь Луны. Они так близки друг к другу, что для раздельного их изображения пришлось взять очень крупный масштаб чертежа: поперечник земной орбиты здесь равен 'АЕсли бы взять для него 10 см, то наибольшее расстояние на чертеже между обоими путями было бы меньше толщины изображающих их линий. Смотря на этот чертеж, вы наглядно убеждаетесь, что Земля и Луна движутся вокруг Солнца почти по одному и тому же пути и что наименование двойной планеты присвоено им астрономами



Рис. 37. Месячный путь Луны (сплошная линия) и Земли (пунктир) вокруг Солнца

Итак, для наблюдателя, помещенного на Солнце, путь Луны представился бы слегка волнистой линией, почти совпадающей с орбитой Земли. Это нисколько не противоречит тому, что по отношению к Земле Луна движется по небольшому эллипсу.

Причина, конечно, в том, что, глядя с Земли, мы не замечаем переносного движения Луны вместе с Землей по земной орбите, так как сами в нем участвуем.


Соседом Земли в космосе является Луна. Это единственный естественный спутник планеты. Луна очень большая по сравнению с родительской планетой, примерно в четверть её размера. Это подталкивает некоторых астрономов к тому, чтобы рассматривать систему Земля-Луна в качестве двойной планеты. Однако так как общий центр масс, вокруг которого вращаются оба тела, находится ниже поверхности Земли, система Земля-Луна официально обозначается как система планет-спутников. Согласно ведущим теориям, Луна появилась, когда маленькая планета размером с Марс столкнулась с Землей около 4,5 миллиардов лет назад. Железные ядра двух планет объединились, дав Земле металлическое ядро большее, чем у других планет земной группы. Большая часть земной коры и мантии этих двух планет была выброшена в космос, где образовала кольцо материи. Это кольцо материи в итоге сформировало Луну.


Система Плутон-Харон также считается двойной системой.

Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Стоит сказать - положение Луны на орбите ϲᴏᴏᴛʙᴇᴛϲᴛʙует той или иной фазе

Фазы Луны — различные положения относительно Солнца — новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.


В полнолуние виден освещенный диск Луны, так как Солнце и Луна находятся на противоположных сторонах от Земли. В новолуние Луна находится на стороне Солнца, по϶ᴛᴏму сторона Луны, обращенная к Земле, не освещается.



К Земле Луна обращена всегда одной стороной.

Линию, кᴏᴛᴏᴩая отделяет освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором.


Сидерический (от лат. сидерис — звезда) месяц — ϶ᴛᴏ период вращения Земли вокруг ϲʙᴏей оси и одинакового положения Луны на небесной сфере по отношению к звездам. Стоит заметить, что он составляет 27,3 земных суток.

Синодическим (от греч. синод — соединение) месяцем называют период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Луны и Солнца (например, от новолуния до новолуния). Стоит заметить, что он составляет в среднем 29,5 земных суток. Синодический месяц на двое суток длиннее сидерического, так как Земля и Луна вращаются вокруг ϲʙᴏих осей в одну сторону.

Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше силы тяжести на Земле.

Происхождение у кольцевых структур различное: метеоритное, вулканическое и ударно-взрывное. Кроме ϶ᴛᴏго, на поверхности Луны имеются трещины, сдвиги, купола и системы разломов.

Значение Луны в жизни Земли

Хотя масса Луны в 27 млн раз меньше массы Солнца, она в 374 раза ближе к Земле и оказывает нанес сильное влияние, вызывая поднятия воды (приливы) в одних местах и отливы в других. Это происходит каждые 12 ч 25 мин, так как Луна делает полный оборот вокруг Земли за 24 ч 50 мин.

Из-за гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю возникают приливы и отливы


В наибольшей степени отчетливы и важны по ϲʙᴏим следствиям прилив- но-отливные явления в волной оболочке. Стоит заметить, что они представляют собой периодические подъемы и опускания уровня океанов и морей, вызываемые силами притяжения Луны и Солнца (в 2,2 раза меньше лунной).


В атмосфере приливно-отливные явления пробудут в полусуточных изменениях атмосферного давления, а в земной коре — в деформации твердого вещества Земли.

На Земле наблюдаются 2 прилива в ближайшей и удаленной от Луны точке и 2 отлива в точках, находящихся на угловом расстоянии 90° от линии Луна — Земля. Выделяют сигизийные приливы, кᴏᴛᴏᴩые возникают в новолуние и полнолуние и квадратурные — в первой и последней четверти.

В открытом океане приливно-отливные явления невелики. Колебания уровня воды достигает 0,5-1 м. Во внутренних морях (Черное, Балтийское и др.) они почти не ощущаются. При этом в зависимости от географической широты и очертаний береговой линии материков (особенно в узких заливах) вода во время приливов может подниматься до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане у берегов Северной Америки), 13 м на западном побережье Охотского моря. При ϶ᴛᴏм образуются приливно-отливные течения.

Основное значение приливных волн состоит по сути в том, что, перемещаясь с востока на запад вслед за видимым движением Луны, они тормозят осевое вращение Земли и удлиняют сутки, изменяют фигуру Земли с помощью уменьшения полярного сжатия, вызывают пульсацию оболочек Земли, вертикальные смещения земной поверхности, полусуточные изменения атмосферного давления, изменяют условия органической жизни в прибрежных частях Мирового океана и, наконец, влияют на хозяйственную деятельность приморских стран. В целый ряд портов морские суда могут заходить только во время прилива.

Через определенный промежуток времени на Земле повторяются солнечные и лунные затмения. Увидеть их можно, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной линии.

Затмение — астрономическая ситуация, при кᴏᴛᴏᴩой одно небесное тело заслоняет свет от другого небесного тела.


Солнечное затмение происходит, когда Луна попадает между наблюдателем и Солнцем и загораживает его. Поскольку Луна перед затмением обращена к нам неосвещенной стороной, перед затмением всегда бывает новолуние, т. е. Луна не видна. Создается впечатление, что Солнце закрывается черным диском; наблюдающий с Земли видит ϶ᴛᴏ явление как солнечное затмения.



Лунное затмение наступает, когда Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей, попадает в конусообразную тень, отбрасываемую Землей. Диаметр пятна тени Земли равен минимальному расстоянию Луны от Земли — 363 000 км, что составляет около 2,5 диаметра Луны, по϶ᴛᴏму Луна может быть затенена целиком.

Лунные ритмы — ϶ᴛᴏ повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов. Существуют лунно-месячные (29,4 сут) и лунно-суточные (24,8 ч) ритмы. Многие животные, растения размножаются в определенную фазу лунного цикла. Лунные ритмы ϲʙᴏйственны многим морским животным и растениям прибрежной зоны. Так, у людей замечено изменение самочувствия в зависимости от фаз лунного цикла.

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

В данной работе рассмотрен процесс устойчивости Луны на орбите вокруг Земли, с точки зрения геометродинамики. Представлено предложение, в котором формулируется гипотеза о существовании гравитационного "барьера" между Землей и Луной. Методом диаграмм погружения количественно определена высота предполагаемого "барьера" в точке пересечения искривленных метрик; так, высота "барьера" со стороны Луны оценивается величиной см , а со стороны Земли см. Проведена оценка времени соскальзования Луны со своей орбиты, в результате торможения вызванного излучением слабых гравитационных волн. Оказалось, что сек

Задача об устойчивом движении естественного спутника Земли является одной из самых сложных в небесной механике. Это вызвано следующими обстоятельствами: 1) Луна - самое близкое к Земле небесное тело малейшие неправильности в движении Луны могут быть замечены с Земли; 2) изменение положения Луны относительно Земли происходит: во-первых - за счет притяжения ее Землей (основная сила) и во-вторых - за счет того, что Солнце притягивает Луну слабее или сильнее, чем Землю, т.к. Луна оказывается (в процессе движения по орбите вокруг Земли) то ближе, то дальше от Солнца по сравнению с Землей, т.е. вследствие разности сил притяжения Солнцем Земли и Луны; 3) Земля не является точным шаром, она имеет форму - сфероида. Однако, возмущающая сила за счет сжатия не превышает 10 - 6 силы притяжения между Луной и Землей [ 1 ]; 4) Луна перемещается в пространстве по орбите глубоко внутри сферы действия Земли.

Сегодня, теория движения Луны основывается на представлениях ньютоновской механики и оперирует законами классической физики. Использование этих законов позволяет достаточно точно описывать поведение естественного спутника Земли в любой точке на орбите. Ниже будет показано, что пользуясь некоторыми существующими следствиями, вытекающими из геометродинамики, можно по-новому взглянуть на задачу устойчивого движения Луны вокруг Земли.

2. Теоретическая часть.

Прежде, чем перейти к анализу примем ряд допущений: 1) планета Земля и ее естественный спутник Луна - есть по необходимости сферические симметричные системы.. Это обусловленно тем, что можно пренебречь малостью возмущающей силы, которая возникает за счет степени сжатия Земли и Луны. Следовательно, создаваемые этими объектами гравитационные поля должны обладать сферически симметричной топологией; 2) расчет будем проводить для определенного статического положения, т.е. для фиксированной в пространстве и во времени координатной точки расположенной на орбите Луны; 3) квантовыми флуктуациями метрики возникающими вблизи выше указанных объектов пренебрегаем.

Итак, приняв за основу, что Земля и Луна в нашем случае являются сферическими симметричными системами, то к системам такого рода можно применить теорему Биргоффа [2], которая формулируется следующим образом: любая сферически симметричная геометрия некоторой области пространства-времени (являющаяся решением уравнения Эйнштейна в вакууме) с необходимостью является частью геометрии Шварцшильда. Таким образом, сферически симметричное гравитационное поле в пустом пространстве должно быть статическим и описываться метрикой Шварцшильда [3]

где угловой элемент. Причем, здесь принята метрика с сигнатурой (+ ; -;-;-). Так же, понятно, что в данном случае поля тяготения создаются непосредственно Землей и Луной.

Известно, что любая неоднородность в пространстве, вызванная наличием исходных масс, ведет к возмущению пространственно-временной метрики. Вопрос состоит в том, на сколько то или иное тело "деформирует" геометрию пространства? Здесь, следует отметить, что глубина гравитационной ямы прямо пропорциональна массе М стоящей под знаком радикала. Это означает, что для любого текущего значения М можно расчитать параметры гравитационной потенциальной ямы.

Для того, чтобы получить численные значения глубин гравитационных ям, необходимо воспользоваться выводами, вытекающими из геометродинамики [3]. В ее основе лежат законы, которые применяются для анализа сильных гравитационных полей, т.е. для объектов с достаточно большими массами. Задача данного исследования сводится к том, чтобы применить методику применяющуюся в геометродинамики непосредственно к поля тяготения создаваемые Луной и Землей. Законы геометродинамики не ограничивают применения ее правил для анализа слабых гравитационных полей.

Известно, что исходная двойная планетная система Земля-Луна обладает медленным движением и слабым гравитационным полем, это подтверждается неравенствами [4]

где М - масса системы, R - радиус системы, v - скорость внутри системы, 2 GM /с 2 - радиус Шварцшильда, с - скорость света. К тому же, как отмечается в [5], из предложения о малой скорости вытекает условие, что само гравитационное поле должно быть слабым. В связи с этим, планета Земля и ее естественный спутник создают вокруг себя искривление пространства-времени, но кривизна метрики будет небольшой.

Сформулируем такое предложение

Для того, чтобы величины и имели достоверный характер, необходимо и достаточно, получить полное согласование расчетных данных с выводами как с ньютоновской концепцией тяготения, так и с эйнштейновской теорией гравитации.

Для раскрытия сущности Предложения воспользуемся одним из правил геометродинамики, а именно, методом диаграмм погружения. Идея этого метода состоит в том, чтобы для погруженной поверхности [3] с постоянными t и г необходимо найти функцию Z (г) такую, для которой

Решение имеет вид

Соотношение (4) представляет собой параболоид, полученный путем вращения параболы вокруг оси г . В выражение (4) входят: масса объекта М , имеющая размерность - см ; радиус-вектор г - единицы измерения, которого тоже см . Оба этих параметра имеют размерность выраженную через геометризованные единицы [6] .

С физической точки зрения необходимо отметить и такой факт: диаграммы погружения для планет (звезд) строятся, как для внутренних областей, так и для внешних. Но для движущихся частиц (тел) не имеет значения какова геометрия внутри планеты (звезды), поскольку частица (тело) никогда не попадет внутрь планеты (звезды); прежде чем, это произойдет будет наблюдаться процесс столкновения с поверхностью планеты (звезды), разумеется в том случае, если центром притяжения является планета (звезда).

3. Результаты

Прежде чем, перейти к вопросам расчетного характера, необходимо сказать следующее: т.к. в геометродинамике все величины переводятся в геометризованные единицы, следовательно и здесь необходимо предварительно скорректировать физические параметры Луны и Земли. Для того, чтобы привести физическую массу выше указанных объектов к геометризованной воспользуемся выражением вида [4]

где M geom - приведенная масса тела, M phys - физическая масса тела, G - гравитационная постоянная, с - скорость света. Физическая масса Земли и Луны определяются, как г и г соответственно. Теперь воспользовавшись (5) оценим приведенные геометризованные массы Луны и Земли: см , см.

При построении диаграмм погружения, следует учитывать, что текущее значение радиус-вектора r в формуле (4) выбирается в зависимости от величины 2М , т.к. при имеет место действительная область шварцишльдовской геометрии, а при г

Для определения координат диаграмм погружения подставляем и, а так же варьированные значения г в (4) причем дляпростоты расчетов будем выражать текущие значения радиус-вектора через текущие значения приведенных масс Земли и Луны соответственно, см. формулу (4). Полученные результаты занесены в Таблицы 1 и 2.


Проблемы, связанные с образованием Луны, рассматривались большей частью отдельно от общих космогонических теорий солнечной системы, описанных выше. Луна представляет собой довольно аномальное тело солнечной системы. Она обладает гораздо большей массой по сравнению с массой своей главной планеты, в отличие от любого другого спутника в солнечной системе. Луна характеризуется необычно низкой плотностью: в среднем всего лишь 3,34 г/см 3 , что ниже плотности метеоритов и намного меньше средней плотности внутренних планет типа Земли. Эти необычные характеристики дали повод многим ученым для утверждения, что образование Луны довольно необычное событие в истории солнечной системы.

Существует четыре основных типа теорий, пытающихся объяснить происхождение Луны. Это теории деления, теории атмосферной конденсации, теории двойных планет, согласно которым Луна образуется на орбите вокруг Земли, и теории захвата, допускающие возможность образования Луны где-то в другом месте солнечной системы и ее последующего захвата Землей. Все эти теории имеют своих приверженцев и в настоящее время. Проведенные в последнее время исследования Луны и лунных пород дали в руки ученых большое количество граничных условий, которым должны удовлетворять эти теории, но не дающие пока возможности остановить выбор на какой-либо одной из них.

В теории деления предполагается, что Луна оказалась на орбите вокруг Земли в результате какой-то катастрофы, происшедшей с Землей. Впервые такая теория была выдвинута Джорджем Дарвином в последние годы XIX столетия. Дарвин полагал, что первоначально период вращения Земли составлял около 4 час., т. е. что он примерно в два раза превышал резонансный период Земли. Вследствие этого на Земле могли возникнуть огромные приливные горбы, в результате отделения одного из которых и образовалась Луна. Эта теория в 1930 г. была подвергнута серьезной критике Джефрейсом, согласно которому приливная диссипация должна быть слишком велика, чтобы могло произойти отделение Луны. Несколько позднее появились модифицированные приливные теории, согласно которым предполагалось, что Земля на ранних стадиях своего развития вращалась еще быстрее, в режиме, близком к ротационной неустойчивости, причем такая ротационная неустойчивость, имевшая место во время образования железного ядра Земли, снижает момент инерции и повышает скорость вращения до уровня, превышающего скорость, достаточную для разрыва. Если бы Земля действительно вращалась настолько быстро, чтобы это могло произойти, то ее первоначальный момент количества движения намного превышал бы теперешний угловой кинетический момент системы Земля — Луна, в связи с чем потребовалось бы искать процесс, объясняющий уменьшение момента количества движения.

Теории атмосферной конденсации, или, по выражению Рингвуда, теории осадков, исходят из предположения образования Луны с небольшим содержанием внутреннего железа. Сторонники этих теорий считают, что Земля образовалась в пространстве очень быстро, так что растущая Земля сохраняла большое количество гравитационной энергии аккумуляции, а ее внешние слои должны были быть в таком сильном разогретом состоянии, что силикаты, а также продукты их распада присутствовали в этих слоях в газообразной форме. Если такая система приходит в столкновение с крупной планетезималью, то под ее влиянием она начинает быстро вращаться, при этом внешняя часть атмосферы может быть вовлечена в орбитальное движение и из нее может произойти выпадение кремниевых веществ, требующихся для образования Луны. Из этих кремниевых обломков на орбите вокруг Земли и образуется затем Луна.

Многие исследователи высказывали предположение о том, что Луна образовалась поблизости от Земли как самостоятельное тело в процессе формирования солнечной системы. Основная трудность, возникающая перед сторонниками этой гипотезы, состоит в том, что необходимо дать объяснение низкой плотности Луны, причем до сих пор еще не было предложено никакого простого механизма, который помог бы объяснить, каким образом могла возникнуть Луна с плотностью, намного уступающей плотности Земли, если вещества, из которых образовались эти два небесных тела, подобны. Луна должна была образоваться довольно близко к Земле. Некоторые расчеты орбитального движения Луны, проведенные при обратном отсчете времени, показывают, что Луна была близка к Земле значительно позднее того времени, когда образовалась Земля, однако эти расчеты обычно допускают постоянное запаздывание приливной фазы, а неопределенность в фактическом запаздывании фазы приливной волны вносит соответствующую неопределенность в шкалу времени. Высказывались различные варианты образования простейшей двойной планеты. Так, например, два возможных варианта теории были предложены Мак-Дональдом. Согласно первому варианту, на орбите около Земли образовался небольшой спутник Земли. Этот спутник столкнулся с приблизившимся более крупным небесным телом, в результате чего произошел захват последнего. Согласно второму варианту, около земной орбиты происходила аккумуляция множества мелких тел, подобно спутникам планет-гигантов, причем наиболее близко расположенное к центру и наиболее массивное из них удалялось от Земли под влиянием приливного торможения, захватывая при своем удалении другие тела.

Существует много различных гипотез захвата Луны. Они имеют как геохимический, так и динамический характер. В геохимическом варианте теории захвата рассматриваются возможные условия, способные объяснить низкую среднюю плотность лунного вещества, однако остаются в стороне детали динамики захвата. Динамическая теория, наоборот, игнорирует геохимические аспекты, концентрируя все внимание на механизме диссипации независимого движения Луны, ведущем к ее захвату, и последующей динамической истории лунной орбиты. В последнее время относительно подробно динамические теории рассматривались Каулом. В своем первоначальном виде, по мнению Герстенкорна, теории захвата исходят из того, что на первых порах Луна сближалась с Землей, двигаясь по орбите в обратном направлении, а затем над полюсом Земли произошло обращение этой эллиптической орбиты в орбиту прямого движения. Все эти варианты теории встречаются с трудностями, так как они пренебрегают важными деталями динамики. Наиболее современная формулировка динамической теории захвата Луны с орбиты прямого движения принадлежит Зингеру. По окончательному мнению Каулы, динамические теории захвата Луны маловероятны, но не исключены.

Перед всеми этими теориями стоит важнейшая задача: дать объяснение низкой средней плотности Луны. Сторонникам теории распада и атмосферной конденсации необходимо найти приемлемый единый механизм химической дифференциации, действующий до разделения Земли и Луны. Этот механизм, имеющий важное значение, выпадает из теорий, допускающих аккумуляцию Луны на околоземной орбите из вещества, подобного земному, что является главным недостатком этих теорий. Несколько лучше положение с теориями захвата, если иметь в виду, что условия для образования небесного тела лунного состава существуют в других частях солнечной туманности.

Несколько лет назад считалось, что обилие железа по отношению к кремнию на Солнце значительно меньше, чем в метеоритах или планетах земного типа. Это послужило для Юри отправным моментом при построении теории происхождения Луны, согласно которой Луна образовалась из конденсированной фракции солнечного вещества и поэтому характеризуется относительно низким содержанием железа и невысокой средней плотностью. Согласно этой теории, Луна представляет собой всего лишь одно из многих небесных тел солнечной системы, возникших в результате первичной конденсации. Предполагается, что в результате столкновения большинства этих тел друг с другом происходило фракционирование силикатов и железа и сосредоточение железа в выживающих планетах. Луна не была затронута этим процессом и была захвачена Землей как первичный небесный объект. Однако в последнее время было установлено, что в оценке сил осцилляторов линий железа, используемых для определения обилия железа на Солнце, была допущена ошибка и что отношение обилий железа и кремния на Солнце в общем соответствует обилию этих элементов в метеоритах и планетах земного типа.

Проведенные недавно анализы образцов лунного вещества показали, что верхние слои Луны обогащены алюминием, кальцием и титаном. То, что окислы и силикаты этих металлов являются в первую очередь теми основными жаропрочными материалами, которые могли конденсироваться из газа при высокой температуре, позволило Гасту предположить, что, когда Луна оформилась как небесное тело, ее внешние слои образовались из таких конденсатов с очень высокой температурой. Эта точка зрения была развита недавно Андерсоном, высказавшим мысль о том, что вся Луна в целом явилась продуктом полного химического фракционирования таких высокотемпературных конденсатов. Если эта точка зрения верна, то образование Луны должно было произойти в области первичной солнечной туманности с гораздо более высокой температурой, чем та, в которой образовалась основная часть Земли. В связи с этим Камерон предположил, что такая гипотеза позволяет считать местом образования Луны пространство в пределах орбиты Меркурия, где вследствие возмущений первоначальной лунной орбиты под влиянием Меркурия лунная орбита приняла форму сильно вытянутого эллипса. С этой орбиты Луна была захвачена Землей, что одновременно послужило и причиной необычайно большого эксцентриситета орбиты Меркурия.

Ученые, посвятившие себя изучению Земли, собрали огромное количество сведений, относящихся к физической и химической истории ее развития. Однако их выводы еще порой содержат противоречия принципиального характера, намного снижающие достоверность нашего знания раннего периода эволюции Земли. Возраст древнейших пород, определенный по распаду радиоактивных элементов, содержащихся в Земле, составляет всего лишь около 4*10 9 лет. С другой стороны, большое количество данных указывает на то, что возраст солнечной системы составляет 4,6 *10 9 лет. Первые несколько сотен миллионов лет эволюции Земли продолжают оставаться для ученых, занимающихся прямыми геологическими исследованиями, загадкой.

Один из основных спорных моментов — была ли Земля во время ее образования очень холодной или очень горячей. В самые первые годы нашего столетия геологи склонны были считать, что Земля на ранних стадиях своего существования находилась в полностью расплавленном состоянии, и, несомненно, что утверждению этой точки зрения способствовали дуалистические теории образования солнечной системы, согласно которым Земля представлялась как тело, сконденсировавшееся в горячем состоянии из оторвавшегося от Солнца волокна горячих газов. Однако около двух десятилетий назад против этой господствовавшей точки зрения выступил Юри, указавший, что некоторые летучие элементы, присутствующие в больших количествах в Земле, не могли бы входить в состав Земли, если бы она образовалась путем конденсации из такого очень горячего газового волокна. На основании этого Юри сделал вывод о том, что Земля образовалась из остывшего сконденсировавшегося вещества, температура которого не превышала нескольких сотен градусов Цельсия. При этом вполне допустимо, что сливавшиеся с Землей небольшие сконденсировавшиеся тела были довольно холодными, так как сам процесс аккумуляции может привести к образованию очень горячего тела, однако удерживать весьма летучие вещества такое тело становится способным только после того, как оно приобретает довольно значительную массу.

Первоначальная внутренняя температура Земли в сильной степени зависела от времени, необходимого для аккумуляции Земли. Если представить тело, которое растет непрерывно за счет аккумуляции сравнительно небольших частиц на гораздо большем по размерам ядре, то в момент, когда эти частицы приходят в контакт с поверхностью увеличивающегося в размерах тела, происходит высвобождение энергии гравитационного потенциала. Основная доля высвобождаемой энергии гравитационного потенциала излучается поверхностью в окружающее пространство. Однако чем выше скорость аккумуляции, тем выше должна быть температура поверхности, из которой происходит излучение в пространство основной доли энергии. Эта температура излучающей поверхности становится мерилом внутренней температуры Земли. Если образование Земли происходит по шкале времени, характерной для газовой диссипации первичной солнечной туманности, т. е. в течение времени порядка 10 3 лет, то внутренние температуры Земли должны быть порядка 5000—10000° К. При таких высоких температурах большая часть твердых веществ может существовать только в газообразном виде, образуя горячую протяженную атмосферу Земли. Такая гипотеза может служить основой для теорий атмосферной конденсации происхождения Луны. Однако вскоре эта горячая атмосфера должна потерять большую часть своего тепла за счет излучения в пространство, и, вероятно, через несколько тысяч лет должна была произойти ее конденсация в расплавленную каменистую массу.

В тесной связи с неопределенностями тепловой истории Земли находится проблема происхождения атмосферы и океанов Земли. В 1951 г. Руби собрал большое число данных геологических исследований, свидетельствующих в пользу мнения о том, что океаны были образованы за счет выделения газов из внутренней части Земли. Руби сделал вывод, что такой процесс выделения газов был очень длительным, выделение воды все еще происходит и в настоящее время. Однако мнение о том, что выделение первичной воды из недр Земли все еще продолжается, не нашло подтверждения, а исследования воды, поступающей в настоящее время из недр, показывают, что это в основном вода, рециркулировавшая с поверхности в недра Земли.

В то же время Браун указывал, что распространенность кислорода и азота в земной атмосфере на несколько порядков больше распространенности редких газов. Это позволяет считать, что атмосфера образовалась в основном некоторым другим путем за счет выделения газов изнутри Земли, поскольку в Землю небольшими остывшими телами, участвовавшими в процессе аккумуляции, могли быть привнесены в больших количествах только химически связанные элементы. Таким образом, имеющиеся в нашем распоряжении в настоящее время данные указывают на то, что как океаны, так и атмосфера Земли образовались в основном за счет выделения газов из недр Земли.

Обилие на Земле редких газов не сходно с их распространенностью на Солнце, а носит скорее сильно фракционированный характер, свойственный распространенности редких газов, абсорбированных метеоритами. Таким образом, видимо, даже редкие газы, присутствующие в земной атмосфере в небольших количествах, были занесены на Землю телами небольшого размера.

Эти соображения имеют важное значение для проблем, связанных с изучением происхождения жизни на Земле. Имеющиеся в распоряжении ученых данные указывают на то, что первичная атмосфера, образовавшаяся на Земле после ее конденсации из солнечной туманности, была, по-видимому, сметена очень сильным солнечным ветром на стадии звезды Т Тельца. А уже после этого произошло выделение из недр Земли теперешней атмосферы и океанов. Многие биохимические исследования, связанные с изучением происхождения жизни на Земле, допускают, что по своему составу первичная атмосфера Земли должна быть близка к составу Солнца и составляющими ее газами должны были являться водород, аммиак, метан и водяные пары. Однако вторичная атмосфера содержит значительно меньше водорода. Выделение азота частично могло происходить в форме аммиака, углерода — в виде метана или других газовых органических соединений, а выделение основной массы, по-видимому, происходило в виде двуокиси углерода. Поэтому при биохимическом изучении ранней стадии развития жизни на Земле лучше исходить из предположения, что по составу атмосфера состоит в основном из водяных паров и двуокиси углерода, а также из небольшого количества избыточного водорода в виде аммиака и метана.

Таким образом, происхождение жизни на Земле представляется нам как естественная последовательность длинной цепи физических и химических процессов, связанных с эволюцией Вселенной, многие стороны которой остаются для нас не разгаданными. Под влиянием этой кажущейся неизбежной последовательности процессов сложилось мнение о том, что планетные системы имеют очень широкое распространение в нашей Галактике и во всей Вселенной, что в значительной части этих планетных систем существуют планеты, пригодные для жизни, что общие геохимические условия этих планет сходны с геохимическими условиями на Земле и что развитие жизни и, возможно, разумных существ является весьма распространенным явлением.

Читайте также: