ОсновыОсновыгеофизикигеофизики

НосовНосов МихаилМихаил АлександровичАлександровичотделение геофизики, физический факультет МГУотделение геофизики, физический факультет МГУ

20120199 ЛекцияЛекция №№22

http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/

ОбразованиеСолнечнойсистемы и Земли

Ранние гипотезы происхождения Земли

Emanuel Swedenborg (1688 - 1772) шведский естествоиспытатель, мистик, теософ

1732 г. Гипотеза Сведенборга -наиболее разработанная из гипотез, которые построены не на законе притяжения.

Жорж-Луи Леклерк де Бюффон (1707-1788) французский натуралист, естествоиспытатель, математик и биолог

1749 г. В 1-м томе «Естественная история» Бюффон предложил одну из первых космогонических гипотез: планеты и их спутники образовались из расплавленного вещества, выбитого из Солнца большой кометой.

Ранние гипотезы происхождения Земли1755 г. Описал небулярную гипотезу в книге «Всеобщая естественная история и теория неба, или исследование о составе и механическом происхождении всего мироздания, построенное на основе принципов Ньютона» (оставалась неизвестной до 1791 г.).

1796 г. В работе «Изложение системы мира» рассмотрел вероятный сценарий образования планетной системы, под действием силы всемирного тяготения, из горячей разреженной туманности, вращавшейся вместе с формировавшимся в ее центре Солнцем.

Пьер Симон Лаплас(1749-1827)

Иммануил Кант(1724-1804)

Ранние гипотезы происхождения Земли1905 г. В результате близкогопрохождения мимо Солнцадругой звезды произошёлвыброс солнечного вещества, которое послужило«строительным материалом»для планет (планетезимали).

Forest Moulton

1872−1952)

Thomas Chamberlin 1843−1928)

James Jeans(1877-1946)

~1920 г. Приливная теория, вкоторой предполагалось, чтопланеты сформировались извещества, исторгнутого Солнцем, в результате катастрофическойблизости другой звезды.

Уильям Гершель1738 — 1822 выдающийсяанглийский

астроном

диаметр зеркала 1.2 м

«Здесь, вероятно, дыра в небе!»

Ранние гипотезы происхождения Земли1943 г. Гипотеза об аккумуляциипланет из роя холодных тел ичастиц, захваченного Солнцем

ОттоЮльевич Шмидт

(1891-1956)

Солнечная система возникла ~ 4.7 млрд. лет назадкак результат аккреции твердых частиц холодногогазопылевого протопланетного облака;

Планеты и Солнце сформировались в единомпроцессе;

«Строительный материал» образовался врезультате взрыва двух *** сверхновых звезд.

***в метеоритах встречаются следыкороткоживущих изотопов

Аккреция (accretion, прирост, срастание) – падениевещества на космическое тело из окружающегопространства

Современная концепция образованияСолнечной системы и Земли

Образование Вселенной ~14 млрд. летназад в результате ««БольшоБольшогого взрыввзрываа»»

Тяжелыхэлементов не

существовало!

Big Bangизлучение

«легкие» частицы

(протоны, электроны, нейтроны, ядра гелия

и др.)

2,132,1

212,1 r

r

mmGF

Закон всемирного тяготения

m1m2

2,1F

1,2F

0Fii

При равномерном распределении массы частицы в положении равновесия!

устойчивое или неустойчивое?

Гравитационная неустойчивость

Устойчивость

Малыевозмущениянарастают современем

Малыевозмущениязатухают

N

mg

N

mg

Гравитационная неустойчивость(неустойчивость Джинса) - развитиевозмущений плотности и скоростисреды под действием сил собственноготяготения

Гравитационнаянеустойчивость

Водородно-гелиевыепротозвезды

«Выгорание»от H до Fe,

Ni

Гравитационный коллапс, взрыв сверхновой

«Строительныйматериал» для звезд

следующего поколения, в т.ч. тяжелые элементы

красные карлики, нейтронные звезды и черные

дыры

???

Аккреционный диск ГравитационноеГравитационное сжатиесжатие

СохранениеСохранение угловогоуглового моментамомента

ИзлучениеИзлучение ии солнечныйсолнечный ветерветер

Данные наблюдений подтверждают: правдоподобность «стандартного

сценария» формирования планетныхсистем

оценку времени формирования(десятки млн. лет)

Меркурий

ВенераЗемля

Марс

Юпитер

Сатурн Уран

Нептун

Плутон

1. Все планеты движутся по эллиптическиморбитам в одном направлении

2. Орбиты всех планет (кроме Плутона - 17o)лежат в единой плоскости (различие непревышает 6o)

3. Солнце вращается в направлениидвижения планет по орбитам, а ось еговращения перпендикулярна плоскостиорбит

Модель образования Солнечной системыдолжна объяснять следующий наборнаблюдаемых фактов:

0.1

1

10

100

Мерку

рий

Венера

Земля

Марс

Пояс а

стеро

идов

Юпи

тер

Сатурн

Уран

Нептун

Плуто

н

факт

Тициус-Боде

4. Закономерное изменение среднего гелио-центрического расстояния (правило Тициуса — Боде)

...3,2,1,0,m,23.04.0R m

Металлы T конденсацииFe, Ni, Al 1600 K 0.2%минералы на основе кремниясиликаты 500-1300 K 0.4%льды: метан, аммиак, водаCH4, NH3, H2O ~150 K 1.4%легкие газыH, He - 98%

Ингредиенты Солнечной системы

5. Закономерное изменение средней плотности

0123456

Меркурий

Венера

ЗемляМарс

Юпитер

Сатурн

УранНептун

Плутон

Средняя плотность, г/см3

0

20

40

60

80

Меркурий

Венера

ЗемляМ

арсЮ

питер

Сатурн

УранНептун

Плутон

Экваториальный радиус, тыс.км

6. Закономерное изменение радиуса

0.0550.816 1

0.107

318

95.1

14.6 17.2 0.0017

050

100150200250300350

Меркурий

Венера

ЗемляМ

арсЮ

питер

Сатурн

УранНептун

Плутон

Масса (в массах Земли)

7. Закономерное изменение массы

Энергияаккреции

M

dM

R

R

rdFdA

rrdMMGF 3

RdMMG

r

r

dMMGdW r

dr

)r(dr)r(r4dM 2

r

0

2 r̂d)r̂(r̂4M

dAdW энергия связи

522 R1516GW

энергияаккреции

R

0

r

0

22 dr)r(rr̂d)r̂(r̂G16W

3R3

4M

3/53/1

M53

34G

RGM

53 2

A

)r(fconst

3/53/1

243

2311

M53

34GA

кг10978.5Mм/кг5518)скг/(м1067.6G

Дж1024.2A 32

кг/Дж109.3M/A 7

Удельная теплота парообразованияжелеза: 6.12·106Дж/кг

При аккреции Земли выделилось~~2.2.2424··10103232 ДжДж

Этой энергии достаточно дляиспарения вещества Земли!

Вт1075.1LЗемляСолнце

17

лет.млн40c103.1L/AT 15

При времени роста ~10 млн. лет планета остается относительно «холодной»!

Общие сведения о планете ЗемляРасстояние до Солнца 149.6 млн. км

Масса 5.978·1024 кг

Период вращения вокруг оси 23ч. 56мин. 04с.

Средний радиус 6371 км

Средняя плотность 5518 кг/м3

Наклон экватора к орбите 23о27’

Внутреннее строение Земли

В отличие отатмосферы игидросферыпрактически

недоступно дляпрямого изучения

Источники информации овнутреннем строении Земли:Сверхглубокое бурение (12 262 м); Материал, извергнутый вулканами;Сейсмические данные; Тепловой поток;Магнитное поле; Гравитационное поле;Интегральные характеристики

(масса, момент инерции).

1.Распад радиоактивных U, Th, 40K, 26Al, 60Fe

2.Гравитационная дифференциация

3.Приливная диссипация

4.Гравитационное сжатие

5.Химические реакции и фазовыепереходы (источники и стоки энергии)

Источники энергии в недрах Земли

Энергия гравитационнойдифференциации

однородная Земля= 5518 кг/м3

Энергия гравитационнойдифференциации

современноераспределение плотностипо PREM (PreliminaryReference Earth Model)

Энергия гравитационной дифференциации

21 WWQ

01W

2W

tэнергия

Дж1031.0WWQ 3221

)const(Дж1024.2W 321

)PREM(Дж1055.2W 322

R

0

r

0

22 dr)r(rr̂d)r̂(r̂G16W

Энергия гравитационной дифференциации

лет103R~ 122

Время тепловой релаксации шара

возраст Земли 4.6·109лет !!!

6 371 000 м

Коэффициенттемпературо-проводности

[м2/с]

c/м105 27

км270~R

Происхождениеатмосферы Земли

ГипотезаГипотеза 11

Атмосфера была захвачена изпротопланетного облака в процессеаккреции

Основания для сомнений…

1.1.ЛетучиеЛетучие элементыэлементы нене моглимогли бытьбыть удержаныудержанывв зонезоне формированияформирования планетпланет земнойземной группыгруппыизиз--заза высокойвысокой температурытемпературы вв этойэтой областиобластипротопланетногопротопланетного дискадиска

2.2.ВыметаниеВыметание первичныхпервичных атмосфератмосферсолнечнымсолнечным ветромветром молодогомолодого СолнцаСолнца

ГипотезаГипотеза 2 (2 (современнаясовременная концепцияконцепция))

OO22 отсутствовалотсутствовал

земноеземное веществовещество сильносильно обедненообедненолетучимилетучими ии подвижнымиподвижными элементамиэлементами иисоединениямисоединениями, , вв противномпротивном случаеслучаеатмосфераатмосфера ии гидросферагидросфера былибыли быбы болееболеемощнымимощными

Атмосфера и гидросфера Земли образовалисьоколо 4 млрд. лет назад в результате дегазациимантии. Первичная атмосфера состояла изHH22OO, COCO22 и др. газов (H2S, CO, H2, NN22, CH4, NH3, HF, HCl, ArAr)

ГипотезаГипотеза 2 (2 (современнаясовременная концепцияконцепция))

Атмосфера и гидросфера Земли образовалисьоколо 4 млрд. лет назад в результате дегазациимантии. Первичная атмосфера состояла изHH22OO, COCO22 и др. газов (H2S, CO, H2, NN22, CH4, NH3, HF, HCl, ArAr)

Эксперимент «Царев-2» (ИДГ РАН)СВЧ нагрев в вакууме метеоритногообразца (обыкнов. хондрит класса L)

Выделяются: HH22, N, N22, CH, CH44, CO, CO, , HH22O, O, etc.etc.

ГипотезаГипотеза 2 (2 (современнаясовременная концепцияконцепция))

«Судьба» основных соединений:H2O гидросфера, атмосфера, …

CO2 большая часть связана в горныхпородах и органическом веществе

N2 органическое вещество, осадочныепороды, современная атмосфера

О2 в заметном количестве появился 1.5 млрд. лет назад, источники: фотосинтез (по мереразвития жизни), фотодиссоциация пара

ГипотезаГипотеза 3 (3 (современнаясовременная концепцияконцепция))

Атмосфера и гидросферасформировались в результатеинтенсивной бомбардировки кометамии астероидами из внешних областейСолнечной системы на ранних этапахэволюции