ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 5, с. 396-402
ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Проблематика, связанная с происхождением и Земли и Луны, издавна интересовала научное сообщество. В статье анализируются ключевые проблемы формирования системы Земля-Луна и эволюции геосфер.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ: СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД
В. В. Адушкин, А. В. Витязев
В естествознании время от времени появляются списки с перечислением проблем по важнейшим областям научных исследований. Обычно появление подобных списков связано с периодом некоторой стабилизации в развитии соответствующей области знаний и с желанием сформулировать программу дальнейших исследований. Наиболее известен широким кругам научной общественности знаменитый список 23 проблем Д. Гильберта, предложенных для обсуждения математическому сообществу в начале XX в. [1]. Этот список привёл к появлению многочисленных исследований, и к настоящему времени большинство из 23 проблем получило решение, иногда весьма неожиданное. Физикам хорошо известен список 23 проблем по теоретической физике и астрофизике нобелевского лауреата В.Л. Гинзбурга, неоднократно обсуждавшийся в 70-90-х годах. В последний его вариант 1999 г. вошли уже 30 проблем [2]. Совсем недавно авторитетный комитет из Стэнфордского университета опубликовал список из девяти важнейших проблем теоретической физики XXI в.
В науках о Земле и Космосе имеется множество международных научных программ. Почти ежегодно крупные междисциплинарные конфе-
V
Шг к
АДУШКИН Виталий Васильевич - академик, советник РАН, научный руководитель Института динамики геосфер РАН. ВИТЯЗЕВ Андрей Васильевич - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института динамики геосфер РАН.
ренции открываются докладами, анализирующими ситуацию в этих научных организациях и формулирующими важнейшие нерешённые проблемы.
Проблемы эволюции Земли исследуют специалисты во многих научных областях. Прежде всего это касается геологов. В 1994 г. вышла монография классика отечественной геологии В.Е. Хаина "Основные проблемы современной геологии (геология на пороге XXI века)", где даётся взвешенная оценка ситуации в этой области к концу XX столетия [3]. В 2004 г. вышло в свет фундаментальное издание "Современные проблемы геологии", где более 40 авторов рассматривают вопросы геодинамики, тектоники, строения Земли, развития биосферы [4]. В 2003 г. был опубликован двухтомник "Проблемы геофизики XXI века" [5]. В сборниках трудов Института динамики геосферы РАН регулярно печатаются работы по проблемам взаимодействия геосфер [6, 7]. Авторы этой статьи, участвуя в исследовательской программе Президиума РАН "Проблемы зарождения биосферы Земли и её эволюции", которую координируют академики Э.М. Галимов и Н.Л. Добрецов, затрагивают проблемы, связанные с так называемой догеологической стадией эволюции Земли. Они, безусловно, отражают проблематику, актуальную для наук о Земле и, несмотря на значительные усилия в её исследовании в последние десятилетия, остаются пока в значительной мере нерешёнными.
Xотелось обратить внимание на семь таких проблем:
1. Происхождение системы Земля-Луна.
2. Происхождение ядра и мантии.
3. Происхождение земной коры.
4. Происхождение атмосферы и гидросферы.
5. Смена тектонических режимов в ходе эволюции.
6. Происхождение жизни.
7. Влияние космоса на геосферы в прошлом и будущем.
Энергобаланс Земли в первые 500 млн. лет ее существования
Источники Эрг Процессы тепло-массопереноса Nu**
Короткоживущие радиоактивные 26А1, 6°Ре 1037 Ударное перемешивание 102-105
Долгоживущие радиоактивные и, 40К 4 х 1037 Адвективные течения 102-105
Энергия ударов падающих тел 2 х 1039 Конвективный теплоперенос 10
Энергия упругого сжатия 1037 Кондуктивный теплоперенос 1
Энергия дифференциации 1.5 х 1038 Диффузионный массоперенос 1
Энергия приливной диссипации 1037 Флюидный ?
Энтальпия падающих планетезималей 1037 Приливное пенеплирование 10
Энергия химических реакций* и фазовых переходов* 1037 Ударный выброс на гелио- и геоцентрические орбиты 1-10% мф
Солнечная энергия (ИК-УФ + солн. ветер) 2.5 х 1041
* В зависимости от эндо- или экзотермичности знак "-" или "+". ** Число Нуссельта № (массовое или тепловое), как принято в гидродинамике, означает отношение суммарного тепло-мас-сопереноса к диффузионному.
ФИЗИКА РАННЕЙ ЗЕМЛИ
Проблемы происхождения Земли, формирования и эволюции её оболочек являются фундаментальными для естественных наук. За прошедшие полстолетия в рамках ряда международных научных программ был разработан так называемый стандартный сценарий формирования планетной системы из допланетного газопылевого диска, окружавшего молодое Солнце 4.6 млрд. лет назад [8, 9]. Объединёнными усилиями астрофизиков и космохимиков, планетологов и геофизиков были рассмотрены основные физико-химические процессы, разработаны компьютерные модели формирования планет из меньших тел астероидных размеров, получены оценки времён формирования планет, подкреплённые изотопными данными. К октябрю 2006 г. Spitzer Space Telescope обнаружил более 3000 дисков около молодых звёзд, в дополнение к ранее найденным. На сегодня обнаружено более 100 сформировавшихся планетных систем (180 планет), и этот список с каждым годом будет, несомненно, пополняться. Наблюдения дисков подтвердили правдоподобность стандартного сценария, в частности оценку общего интервала времени формирования планет - порядка десятков млн. лет. Астрофизические данные в ИК-диапазоне по ряду пылевых протопланетных дисков интерпретируются как поступления вещества при соударениях тел. Таким образом, косвенно подтверждается вывод этого сценария о ведущей роли импактов в ходе формирования протопланет.
Согласно воззрениям 50-70-х годов XX в. первично холодная Земля, разогревалась в процессе распада радиоактивных U, Th, 40K в последующий миллиард лет. Сейчас становится всё более очевидным, что нагреваемая ударами падавших тел
планета уже в ходе своего роста испытывала глубокие физико-химические преобразования. Последняя сводка по основным энергетическим источникам и процессам тепломассопереноса в земных недрах на ранних стадиях представлена в таблице из статьи A.B. Витязева и Г.В. Печерни-ковой [6]. Сравнивая энергетику ранней и современной Земли, следует ожидать на порядки большую интенсивность эндогенных и экзогенных процессов в первые 500 млн. лет [7, 9]. Из таблицы также видно, что в ходе формирования планеты ведущую роль играло ударное превращение кинетической энергии падающих тел в тепло приповерхностных слоёв. Последняя оценка темпа роста Земли на ранней, промежуточной и заключительной стадиях формирования Земли, согласующаяся с изотопией по нескольким "космохро-нометрам" [8], позволяет уверенно определить и темп выделения этой части гравитационной энергии, получаемой планетой (рис. 1). В ходе формирования основных структурных единиц Земли -её ядра и мантии - происходило значительное выделение энергии гравитационной дифференциации (эквивалентный нагрев на 2500°C). В отличие от других механизмов, её темп мог значительно ускоряться и при определённых условиях принимать характер теплового взрыва [9, 10].
Понимание того, что ранние стадии во многом определили эволюцию Земли в последующие 4 млрд. лет, было достигнуто уже к 60-м годам ушедшего столетия. Из экзогенных факторов, влияющих на динамику и эволюцию образовавшихся "верхних геосфер" первичных газо-жид-кой оболочки и земной коры, существенны лишь два космических фактора: лунно-солнечные приливы и эпизодические удары астероидов и комет-ных ядер, а также опосредовано (с участием эро-
Время, млн. лет
Рис. 1. Рост относительной массы Земли (т/тф) и данные по изотопным хронометрам 1 - модель Шмидта-Сафронова (1969), 2 - модель мегаим-пактом (Камерон, 2000), 3 - модель, учитывающая распределения по массам и скоростям допланетных тел (Печерни-кова, 2005)
зионно-денудационных процессов) - излучение Солнца. К этим факторам для эволюционирующих атмосферы и гидросферы добавляются вариации параметров земной орбиты, вариации излучения Солнца и, быть может, редкие прохождения системы Солнца через межзвёздные облака. Осознание тесной взаимосвязи первых четырёх проблем, относящихся к ранней Земле, произошло к 80-м годам XX в.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ-ЛУНА
Модель роста Земли из тел астероидных размеров разрабатывается более 100 лет (в 1905 г. вышла в свет монография весьма известного в то время астронома Ф.Р. Мультона, впервые употребившего для первичных астероидальных тел термин "планетезимали"). Продолжающаяся работа по уточнению динамики роста, многочисленные компьютерные расчёты со всё увеличивающимся числом малых и больших тел (сейчас ~105) подтверждают общий результат, полученный к 70-м годам: достаточно быстрый ранний рост планеты замедлился из-за исчерпания вещества в допла-нетном диске, а завершающая стадия бомбардировки, приносящая последние проценты её массы, длилась порядка 100 млн. лет. Более того, изотопные данные, полученные по короткоживу-щим изотопам, подтверждают эти динамические оценки [6]. Масса Луны составляет всего лишь 1/81 от массы Земли. Казалось бы, неясность выбора из имеющихся трёх (немаргинальных) вариантов способа её образования - коаккреция из малых тел в околоземном диске (идея О.Ю. Шмидта)
или из единичного гигантского выброса после удара о прото-Землю марсоподобного тела [11] и объединённая (синтетическая) модель [12] - не так уж существенна для понимания ранней эволюции Земли. Тем не менее поиски продолжаются. Академик Э.М. Галимов недавно предложил новую модель формирования Земли и Луны из единого фрагментирующего сгущения (см. отчёты по 18-й программе Отделения наук о Земле РАН). Здесь уместно напомнить, что астрофизики и физики с классической моделью расширяющейся Вселенной чувствуют себя пока весьма комфортно, несмотря на то, что барионная материя, о которой мы что-то знаем и из которой состоит Солнечная система, составляет не более 5% вещества Вселенной (на 25% Вселенная - частицы неизвестной природы, так называемая загадочная тёмная материя, 70% - тёмная энерг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.