HistBio — 04. Походження Сонячної системи та Землі

Цікавим вправою є спроба подивитися на нашу планету (і на Сонячну систему, в склад якої входить Земля) зі сторони.

У порівнянні зі Всесвітом наша Земля здається крихітною, а для тих біосистем, які ми сприймаємо безпосередньо — вона незбагненна. Однак земне життя є невід’ємною частиною нашої планети. Властивості земного життя значною мірою визначаються властивостями Землі.
Земля нерозривно пов’язана з Сонцем. Походження Землі та Сонця можна уявляти по‑різному. Жарти‑жарти, але це — важливе подія, що визначила властивості земних біосистем.

У певній мірі джерелом нагріву нашої планети був радіоактивний розпад важких елементів у її складі. Однак на порядок більше кількість виділеної енергії була пов’язана з гравітаційною диференціацією планетного матеріалу.
У вихідному матеріалі планети були перемішані відносно важкі компоненти (метали) і легші речовини (різноманітні оксиди неметалів). Разом їх зібрала гравітація. Якщо якийсь локальний процес (наприклад, нагрів при зіткненні) призводив до розплавлення частини речовини, важкі компоненти переміщувалися вниз, до центру тяжкості, а легкі — піднімалися вгору. При цьому виділялася величезна кількість енергії (потенціальна енергія віддалених від центру планети важких компонентів перетворювалася, в кінцевому підсумку, у теплову). В результаті цього вся планета нагрілася і розплавилася. У центрі планети виникло гаряче металеве ядро. Зовнішнє ядро рідке (від нагріву), а внутрішнє, хоч і є ще більш гарячим — тверде, у результаті колосального тиску, якому воно піддається.

Сучасне тепло земних недр — те саме тепло, яке виділилося при гравітаційній диференціації земних недр. Земля настільки велика, що просто не встигла охолонути з часу свого народження! І вже не встигне. Сонце знаходиться посередині свого «життєвого шляху» у своїй нинішній фазі; після завершення цієї фази воно значно збільшиться у своєму об’ємі і його зовнішня межа дотягнеться до нинішньої земної орбіти. Земля нагріється, її рух буде зупинений внаслідок взаємодії з зовнішніми оболонками Сонця, і її матеріал, нарешті, увійде до складу зірки. Але навіть до цього часу земні недра будуть зберігати енергію гравітаційної диференціації часів народження нашої планети.
Різноманітні процеси призводять до уповільнення обертання Землі навколо своєї осі. Наприклад, один із них — припливи, які відбиваються не лише на океані, а й на земній корі. Земна кора випиняється в напрямку Місяця, коли той знаходиться над певним ділянкою нашої планети, і просідає вниз, коли Місяць відходить у бік (точніше, коли Земля повертається під Місяцем). На ці процеси витрачається досить багато енергії. Це уповільнює обертання кори.
Знаєте, як визначити, чи куряче яйце сире, чи варене, не розбиваючи його? Його треба розкрутити, а потім різко зупинити рукою. Сире яйце, після того як руку прибрати, ще продовжить обертатися (звичайно, з меншою швидкістю). Варене залишиться нерухомим. Справа в тому, що у випадку сирого яйця ми гальмуємо рух твердої шкаралупи, а динамічно пов’язане з нею напіврідке вміст ще продовжує обертатися.
Процеси, які гальмують рух Землі, діють на кору. Тверде внутрішнє ядро у в'язкому зовнішньому ядрі починає обертатися. Це обертання відбувається у початковому магнітному полі, досить слабкому. Рух намагнічених тіл (а ядро має магнітні властивості) у магнітному полі викликає електричні струми у замкнутих контурах (ефект динамо). Ці електричні струми призводять до різкого посилення магнітного поля.
Деталі електричних струмів у ядрі та їх зв’язок з магнітними властивостями Землі ще продовжують вивчатися. Однак для нас важливо те, що наявність потужного магнітного поля нашої планети, яке захищає її поверхню від іонізуючого випромінювання, виявляється наслідком того, що Земля має надзвичайно великий супутник, що уповільнив рух її кори.
На якій підставі лише що показане відео пов’язує походження Місяця зі зіткненням планет? Справа в тому, що співвідношення розмірів Землі і Місяця дуже незвичне для небесних тіл і супутників: Місяць дуже великий. Дані про хімічний склад Місяця, отримані експедиціями «Аполлон» показали його надзвичайну близькість до Землі. Ці особливості добре пояснюються імпактною (ударною) гіпотезою походження Місяця, висунуту у 1975 році Вільямом К. Хартманом і Дональдом Р. Девісом.
Моделювання удару показує, що він має бути точно вивіреним, як удар біліярдиста. Як це могло вийти? Одним із правдоподібних варіантів є наступний.
Великий французький астроном, математик і механік Жозеф Лагранж ще у XVIII столітті довів, що в системі з двох тіл існує п’ять точок (точок Лагранжа), де їх вплив на третє тіло зрівноважується. Якщо тіло А обертається навколо тіла В по орбіті, одна з таких точок знаходиться на орбіті тіла А попереду нього, а друга — на тій же орбіті позаду тіла А. Отже, можна припустити, що Тея, розмір якої був менший за розмір Землі, знаходилася в одній із точок Лагранжа на земній орбіті. Це стабільний стан, але якийсь вплив (наприклад, удар метеорита) міг вивести Тею з тієї точки, де вона «не відчувала» земного тяжіння. Наслідком стало зіткнення планет.
Цей процес можна моделювати.
Так чи інакше, Місяць за своїм будовою схожий на Землю, за винятком того, що він вже охолов. Зверніть увагу: ядро Місяця відносно невелике. Можна сказати, що Місяць обіднений залізом у порівнянні з Землею. Причини цього відмінності до кінця ще не зрозумілі.

Отже, зі супутником Землі (точніше, життя на Землі) пощастило. Цікаво порівняти Землю з іншими планетами земної групи. Детальніше це питання розбирається у відповідному параграфі підручника екології.
Це — схема будови Венери. Можна переконатися, що вона дуже схожа на Землю, і за розмірами, і за будовою. На жаль, в результаті накопичення в атмосфері Венери вуглекислого газу вона перетворилася на досить негостинну планету.

Це — реконструкція поверхні Венери.

А це — вже Марс. Схожа на Землю, але вже охолоджена планета.

Його будова теж нагадує земну, за винятком того, що його ядро вже затверділо.

А це — фотографія каньйону Кандор у долині Марінера на Марсі.

Яри на Марсі.

Осадові породи на дні кратера на Марсі.

Слід поточної води на Марсі.

Марсіанський ландшафт із замерзлої вуглекислоти.

А це — запилені пилом водяні льодяники на Марсі зі слідами метеоритних бомбардувань.

Цікаво порівняти з Землею не лише планети земної групи, а й супутники більших планет. Це — поверхня Європи, шостого супутника Юпітера. Європа має силікатну поверхню і залізне ядро. Поверхня супутника покрита водяним льодом, під яким, ймовірно, рідка вода!

А це — фотографії поверхні Титана, супутника Сатурна. Він має щільну атмосферу. Поверхня Титана складається з замерзлої води та осадових органічних речовин. На ній є навіть криовулкани! На Титані йдуть дощі з метану, що випадають з метанових хмар. Метанові осадки збираються в річки, які впадають у метанові моря. У 2005 році Титан був досліджений американською станцією «Кассіні», яка навіть спустила на його поверхню зонд «Гюйгенс».

Це — комп’ютерна реконструкція берега метанового моря на Титані.

Ландшафти інших небесних тіл здаються нам знайомими? Це наслідок того, що їх формували сили, у чомусь схожі на ті, що формували Землю...