История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Свидетельские показания лунного грунта

У хорошего планетолога всегда есть в запасе новая теория. Данные наблюдений, полученные по программе «Аполлон», опровергли все три распространенные до 1969 г. теории образования Луны, однако ученым не понадобилось много времени, чтобы выступить с новой гипотезой на основании неопровержимых фактов. Новые данные о строении Луны свидетельствовали по крайней мере об одном: Луна более или менее похожа на Землю. Она совпадает с Землей по соотношению изотопов кислорода и по наличию большинства имеющихся на Земле элементов, но есть резкое расхождение в количестве железа и летучих веществ. Эти данные следовало привести в соответствие с орбитальными характеристиками, тысячи лет известными науке: Луна вращается вокруг Земли в той же плоскости и в том же направлении, что и другие планеты Солнечной системы. Земля имеет небольшой угол наклона оси примерно 23° (что вызывает смену времен года). Луна всегда повернута к нам одной стороной.

Ранние теории образования Луны не уделяли достаточного внимания механике движения планет, не входящих в систему Земля – Луна, в том числе и поразительным исключениям в общем порядке Солнечной системы. Начать с того, что Венера вращается вокруг оси в направлении, противоположном вращению всех остальных планет. Это может показаться не столь существенным, но Венера совпадает по размерам с Землей, а вращается – не так! Еще более странная картина с Ураном, третьей по величине планетой, ось вращения которой повернута таким образом, что планета как бы «лежит на боку» относительно плоскости вращения, так что кажется, будто она катится по орбите вокруг Солнца. Наблюдаются странности и у спутников других планет. Тритон, крупнейший из спутников Нептуна, по размерам сравнимый с Луной, вращается под острым углом по отношению к орбите планеты и в направлении, противоположном всем остальным телам Солнечной системы.

Традиционная наука отличается одной особенностью, которая может обескураживать тех, кто не знаком с правилами игры. С одной стороны, мы выстраиваем строгие теории, обобщая огромное количество разрозненных фактов. Например, все планеты и спутники вращаются вокруг Солнца в одном направлении и в одной плоскости, что указывает на их общее происхождение из одного газово-пылевого облака. Но затем мы обнаруживаем исключения из общего правила – и отбрасываем их как странные аномалии. Венера вращается в противоположном направлении? Тритон вращается в ином направлении? Не беда. Эти отклонения случайны по отношению к общей модели.

Подобным образом обстоит дело во многих научных областях, например в дискуссии о глобальном потеплении. Многие ученые утверждают, что изменения в атмосфере приведут к повышению средней температуры на планете на несколько градусов. Но подобные изменения могут вызвать сильнейшие ураганы в южной части США. Глобальное потепление может изменить океанские течения, например Гольфстрим, что, в свою очередь, сделает северную Европу намного холоднее, превратив ее в «холодильник» вроде Сибири. Такие противоречия вдохновляют противников теории глобального потепления. Ученые заявляют: «Происходит глобальное потепление, а у нас только что разразился сильнейший в истории снегопад». Что на это ответить? По здравом размышлении можно сказать, что природа удивительно разнообразна и отличается богатством, сложностью, многообразием взаимосвязей и длинной, запутанной историей. Любые отклонения, будь то орбиты движения планет или климат Северной Америки, нельзя рассматривать как неудобные мелочи: именно они важны для понимания того, что происходит на самом деле, как устроен мир. Мы выстраиваем грандиозные модели природных процессов, а затем используем странности и противоречия для уточнения несовершенной теории (если же исключения превосходят правило, мы создаем новую теорию). Вот почему настоящие ученые обожают всякие отклонения от правил. Если бы мы понимали все на свете и могли бы предсказать что угодно, не было бы смысла вставать по утрам и спешить в лаборатории.

Вернемся к происхождению Луны: именно отклонения от стандартных закономерностей, т. е. мелкие орбитальные аномалии, в середине 1970-х гг. привели к идее «Большого всплеска», или «Мощного удара». Вначале последовала серия взаимосвязанных, но слабо доказанных гипотез, которые затем объединились в коллективно выработанное представление, оформленное на знаменитой Гавайской конференции 1984 г., где собрались ведущие планетологи и сопоставили свои теоретические соображения. При таком стечении крупнейших умов возобладал принцип «бритвы Оккама»: наиболее правильным может быть простейшее решение проблемы, если оно согласуется с фактами. Теория «Мощного удара» вполне подходила.

Чтобы оценить эту революционную идею, надо вернуться на 4,5 млрд лет вспять, во времена, когда планеты только что образовались из планетезималей. На пути к нынешнему диаметру 12 742 км Земля, сталкиваясь с ближайшими небесными телами, поглотила большинство из них. Предпоследние столкновения с объектами диаметром сотни километров, должно быть, представляли собой эффектное зрелище, но практически не влияли на состояние Земли – гораздо более массивной протопланеты.

Но толчок толчку рознь. Одно достопамятное событие стоит особняком в истории Земли. Около 4,5 млрд лет назад, когда Солнечная система насчитывала около 50 млн лет от роду, почерневшая Протоземля оказалась в тесном соседстве с соперницей, лишь слегка уступавшей ей по размерам. Соперница (ее назвали Тейя, по имени богини, породившей Луну) вполне заслуживала статуса планеты, поскольку была, по-видимому, в два-три раза больше Марса и составляла приблизительно треть массы Земли. Закон астрофизики гласит, что две планеты не могут существовать вместе на одной орбите. В какой-то момент они неминуемо столкнутся, и побеждает всегда планета большего размера. Так и произошло при столкновении Земли с Тейей.

Исследователи использовали наглядное компьютерное моделирование, пытаясь представить, что могло произойти. Столкновение предопределено законами физики, поэтому можно было испробовать тысячи различных моделей с всевозможными исходными условиями, чтобы выяснить, может ли таким образом сформироваться спутник. Ответ тесно связан с исходными параметрами: массой и строением Протоземли, массой и строением Тейи, сравнительными скоростями их движения, углом и местом столкновения. Большинство комбинаций не срабатывает – Луна не образуется. Но несколько моделей оказываются поразительно удачными и порождают систему типа Земля – Луна, подобную той, что имеется в действительности.

Одна такая комбинация демонстрирует ситуацию удара по касательной – крупная Тейя слегка накреняет еще более крупную Землю. Ситуация прокручивается в замедленном режиме, через взгляд из космоса. Момент контакта двух небесных тел вначале выглядит как легкий поцелуй. Затем через четыре-пять минут Тейя шлепается на Землю, как круглый комок мягкого теста на пол, без каких-либо видимых последствий для Земли. Десять минут спустя Тейя постепенно сплющивается, а Земля начинает терять округлую форму. Примерно через полчаса после столкновения Тейя просто исчезает, а Земля приобретает асимметричные очертания. Раскаленная порода испаряется и выбрасывается светящимися потоками из зияющей раны, затмевая картину деформации небесных тел.

Другой часто упоминаемый сценарий, предложенный в 1970-е гг. и усовершенствованный в течение двух последующих десятилетий, был разработан теоретиком Аластером Камероном в Гарвард-Смитсоновском научно-исследовательском центре астрофизики. Согласно его увлекательной теории, масса Тейи составляла примерно 40 % массы Протоземли. Произошло боковое столкновение, но, по версии Камерона, Тейя, ударившись о Землю, отскочила растянутой каплей, а затем вновь была притянута гравитацией, получив coup de grâce – завершающий смертельный удар, после которого исчезла навсегда.

В обоих сценариях катастрофическое столкновение уничтожает Тейю, которая превращается в гигантское раскаленное облако, температура которого составляет десятки тысяч градусов, и это облако вращается вокруг Земли. При этом сама Тейя тоже наносит Земле определенный ущерб. Порядочный кусок земной коры и мантии расплавляется и выбрасывается взрывом, смешиваясь на орбите с раскаленным облаком, оставшимся от Тейи. Некоторое количество вещества исчезает в глубоком космосе, но большая часть остатков вращается вокруг Земли, захваченная силой гравитации. В этом облаке металлы из ядер обеих планет смешиваются, охлаждаются до жидкой консистенции и погружаются в Землю, формируя новое, более крупное ядро. Вещества из мантий тоже смешиваются, образуя шарообразное облако из испарившихся минералов. Несколько дней или недель на Землю обрушивается нескончаемый дождь из раскаленных силикатных капель, падающих в безбрежный океан магмы. В итоге Земля захватила значительную часть того, что было Тейей, и стала более массивной.

Но отнюдь не вся Тейя была поглощена. Земля оказалась в окружении огромного количества расплавленных обломков горных пород, в основном из мантий обеих протопланет. Остывая, эти раскаленные капли вещества спекались, причем более мелкие частицы поглощались более крупными. Подобно когда-то образовавшимся планетам, под воздействием гравитационных сил быстро формировалась Луна, по-видимому, достигшая своего нынешнего размера всего за несколько лет.

Согласно физическим законам формирования планет, в общем, понятно, где должна была образоваться Луна. Всякое массивное тело имеет невидимую, окружающую его сферу, называемую пределом Роша, внутри которой силы тяготения настолько велики, что спутник там образоваться не может. Именно поэтому вокруг Сатурна имеются гигантские кольца, но нет никаких спутников на расстоянии ближе 80 000 км от его поверхности. Силы притяжения Сатурна препятствуют образованию спутников из ледяных частиц, составляющих его кольца.

Если исчислять предел Роша от центра вращающегося объекта, для Земли он составляет примерно 18 000 км, или 11 600 км – от ее поверхности. Соответственно модели образования Луны помещают точку формирования спутника на допустимое расстояние от 24 000 км и далее, где обломки гигантского столкновения могут объединяться друг с другом, не рискуя быть разорванными гравитацией. Таким образом, согласно большинству теорий, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад. Земля обрела спутник, сформированный по большей части из ее собственных обломков.

Ученые охотно восприняли теорию гигантского столкновения, поскольку она объясняет большинство загадок лучше других моделей. В ядре Луны практически нет железа, поскольку большая часть железа Тейи была поглощена Землей. На Луне нет летучих веществ, поскольку летучие вещества Тейи были сметены взрывом в момент столкновения. Луна всегда обращена к Земле одной стороной, поскольку моменты импульса Земли и Тейи объединились в одной орбитальной системе.

Теория гигантского столкновения также объясняет аномальный наклон земной оси на 23° – фактор, не объясненный ни одной из предыдущих теорий. От удара Тейи Земля буквально завалилась на один бок. Вообще теория образования Луны в результате гигантского столкновения породила множество идей относительно других аномалий Солнечной системы. Возможно, такие столкновения происходят часто и даже закономерно. Возможно, этим объясняется «неправильное» вращение Венеры вокруг собственной оси, а также потеря ею такого количества воды. Возможно, и боковое вращение Урана тоже вызвано сравнительно недавним гигантским столкновением подобного рода.

Другое небо

Образование Луны сыграло решающую роль в истории Земли, и последствия этого события поистине удивительны, хотя только в последнее время стали привлекать внимание науки. Четыре с половиной миллиарда лет назад Луна сильно отличалась от того романтичного серебристого диска, который мы наблюдаем сегодня. В те времена она являлась огромной, грозной и невообразимо опасной силой для околоземного пространства.

Все это связано с одним удивительным обстоятельством: Луна образовалась в каких-нибудь 24 000 км от поверхности Земли, т. е. на расстоянии полета от Вашингтона до Мельбурна, ныне же Луна располагается примерно в 382 000 км от нашей планеты. На первый взгляд, представляется невероятным, что гигантская Луна просто дрейфует в пространстве, удаляясь от Земли, но измерения не лгут. Астронавты с «Аполлона» установили зеркальные отражатели на поверхности Луны. Лазерные лучи с Земли, отражаясь в зеркалах, возвращаются на Землю, позволяя замерить расстояние с точностью до миллиметров. Год за годом, начиная с 1970-х, Луна неизменно отдаляется: в среднем примерно на 3,82 см в год. Вроде бы мелочь, но если помножить это расстояние на время, то с учетом нынешней скорости получается, что она удаляется от Земли примерно на 1,5 км в 40 000 лет. «Открутив запись назад», мы можем вычислить, на каком расстоянии от Земли она находилась 4,5 млрд лет назад.

Во-первых, Луна тогда выглядела совершенно иначе. На расстоянии 24 тыс. км Луна, диаметром 3,5 тыс. км, смотрелась настоящим гигантом, подобного которому мы не наблюдаем в наше время. Ее величина на небосводе составляла почти 8° – примерно в 16 раз больше видимого размера Солнца, а лунный диск закрывал на небе в 250 раз большую площадь.

Но и это еще не все. В то время Луна отличалась неистовой вулканической активностью и ничем не напоминала мирный серебристо-мерцающий объект, который мы созерцаем сегодня. С Земли можно было бы отчетливо наблюдать, как на ее черной поверхности полыхали кратеры вулканов и трещины, наполненные раскаленной магмой. Новорожденная полная Луна смотрелась бы впечатляюще, ее поверхность отражала в сотни раз больше солнечного света, чем сейчас. При свете той Луны можно было бы спокойно читать книгу, но это же обстоятельство помешало бы астрономическим наблюдениям. Ее ослепительное сияние полностью затмевало бы звезды и планеты.

Усиливала впечатление и та скорость, с которой двигались вновь образованные тела. В космическом пространстве ничто не препятствует движению, поэтому вращение небесных тел может продолжаться миллиарды лет. Взаимосвязанные объекты вроде Луны с Землей обладают моментом импульса, величина которого зависит от двух круговых движений. Во-первых, это вращение Земли вокруг своей оси; чем быстрее это вращение, тем больше момент. А момент импульса Луны зависит прежде всего от расстояния и скорости ее обращения вокруг Земли. Вращение вокруг собственной оси особого значения не имеет.

Совокупный момент импульса системы Земля – Луна претерпел мало изменений за последние несколько миллиардов лет, но соотношение их движений изменилось существенно. В настоящее время момент системы Земля – Луна связан преимущественно с обращением Луны вокруг Земли, с учетом расстояния 382 тыс. км и орбитального периода 27 суток. Массивная Земля, расположенная в центре этой системы, совершая неторопливый 24-часовой поворот вокруг своей оси, составляет незначительную часть момента импульса Луны. (Аналогично в орбитальном движении отдаленных газовых планет-гигантов сосредоточен почти весь момент импульса Солнечной системы, хотя в Солнце сосредоточено 99,9 % всей массы системы.)

Однако 4,5 млрд лет назад дело обстояло иначе. Поскольку Луна находилась всего в 24 000 км от Земли, все вращалось с головокружительной скоростью, подобно фигуристке, которая обхватывает себя руками, чтобы увеличить скорость вращения. Начать с того, что Земля совершала оборот вокруг своей оси всего за пять часов. Оборот вокруг Солнца и тогда составлял целый год (примерно 8766 часов); этот период не изменился за всю историю существования Солнечной системы. Но сам год вмещал более 1750 коротких дней, поскольку Солнце всходило и заходило каждые пять часов!

Такое предположение выглядит по меньшей мере странным и вряд ли доказуемым, но некоторые данные измерений подтверждают теорию короткого дня в древнейшем периоде истории Земли. Самым интригующим доказательством являются коралловые рифы. На некоторых видах кораллов отчетливо видны линии роста, которые отражают небольшой дневной прирост и хорошо выраженный годичный цикл. У современных кораллов наблюдаются 365 ежедневных линий за каждый год прироста. Однако у древних ископаемых кораллов девонского периода, т. е. росших примерно 400 млн лет назад, наблюдается более 400 линий ежедневного прироста за год, что указывает на более короткий суточный цикл планеты. В то время сутки длились примерно 22 часа, а Луна, по-видимому, располагалась на 16000 км ближе к Земле, чем теперь.

Другим дополнительным свидетельством являются «приливные ритмиты» – тонкослоистые осадочные породы, в которых запечатлены ритмы приливных волн, включая дневные, месячные и годичные циклы приливов. Микроскопические исследования приливных ритмитов возрастом 900 млн лет в каньоне Биг-Коттонвуд в штате Юта указывают на то, что в то время земные сутки равнялись 18,9 часа, а год состоял из 464 дней – 464 закатов и восходов. Расчетное расстояние между Землей и Луной в то время составляло 350 000 км, что подразумевает скорость удаления примерно равную сегодняшней – 3,91 см в год.

Безумный мир

Пока нет данных о приливных циклах Земли древнее миллиарда лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что 4,5 млрд лет назад все было гораздо более стремительным и «необузданным». Тогда не только сутки на Земле составляли пять часов, но и находящаяся в непосредственной близости Луна обращалась по орбите вокруг Земли гораздо быстрее. Чтобы обернуться вокруг Земли, Луне требовалось всего 84 часа – 3,5 сегодняшних суток. С такими скоростями вращения Земли и Луны привычный лунный цикл, состоящий из новолуния, убывающей Луны, полнолуния и ущербной Луны, совершался с фантастической быстротой: на каждую новую фазу приходилось несколько пятичасовых суток.

Это сопровождалось множеством последствий, как благоприятных, так и не очень. Луна занимала такое большое пространство в небе и так быстро вращалась на околоземной орбите, что это вызывало частые затмения. Полное солнечное затмение происходило каждые 84 часа, практически в каждое новолуние, когда Луна оказывалась между Землей и Солнцем. Солнечный свет полностью исчезал на несколько минут, зато на черном небе отчетливо светились звезды и планеты, а на фоне черного лунного диска ярко выделялись огненные вулканы и океаны магмы. Регулярно происходили и лунные затмения – как по расписанию, каждые 42 часа. Во время полнолуния, когда Земля располагалась прямо между Солнцем и Луной, огромная тень Земли полностью скрывала гигантский сверкающий лик Луны. И вновь на черном небе появлялись звезды и планеты, пока Луна готовила свое огненное шоу.

Гораздо более грозным последствием близости Луны были чудовищные приливы. Если бы Земля и Луна были абсолютно твердыми телами, они и сегодня находились бы точно в том же положении, что и 4,5 млрд лет назад: располагались на расстоянии 24 000 км друг от друга, вращались вокруг оси и на своих орбитах с той же скоростью и испытывали частые солнечные и лунные затмения. Но ни Земля, ни Луна не отличаются абсолютной твердостью. Их породы могут изгибаться и собираться в складки, особенно в расплавленном состоянии, они вздымаются и опадают под воздействием приливов. Молодая Луна, находясь на расстоянии 24 000 км от Земли, обрушивала на нее невероятные приливные силы, почти равные тому гравитационному воздействию, которое оказывала Земля на расплавленную лунную поверхность. Трудно даже вообразить, какими магматическими волнами это сопровождалось. Каждые несколько часов расплавленная магма на поверхности Земли вспухала гигантскими волнами высотой больше километра по направлению к Луне, что сопровождалось невероятным внутренним трением и неизбежно вело к повышению температуры и длительному сохранению коры в жидком состоянии, чего не могло бы быть у планеты без такого соседа. В свою очередь, гравитационные силы Земли заставляли вспучиваться поверхность Луны, обращенную к Земле, вызывая деформацию шарообразной формы нашего спутника.

Именно эти приливные деформации и заставляют Луну удаляться от нашей планеты. Как случилось, что объект диаметром 3500 км отнесло от Земли с расстояния всего 24 000 км до целых 382 400 км? Ответ заключается в сохранении совокупного момента импульса – постоянной суммы моментов Земли и Луны. Согласно законам физики, исходный момент импульса системы Земля – Луна должен практически полностью сохраняться вплоть до нынешнего времени.

Четыре с половиной миллиарда лет назад гигантские приливы сотрясали планету Земля каждые несколько часов. Однако Земля вращалась вокруг своей оси гораздо быстрее (полный оборот совершался за пять часов), чем вокруг нее вращалась Луна (полный оборот совершался за 84 часа), приливное вспучивание за счет большей массы постоянно воздействовало на Луну всей силой тяготения, с каждым оборотом перенося момент импульса от Земли к Луне. Около 400 лет назад немецкий математик Иоганн Кеплер впервые сформулировал непреложные законы движения планет, в соответствии с которыми чем больше орбитальный момент импульса спутника, тем дальше он должен располагаться от основной планеты. И вот с каждым оборотом Луна неумолимо удаляется от Земли.

Одновременно с воздействием приливных сил Земли на Луну деформированная Луна оказывала аналогичное обратное воздействие, заставляя Землю замедлять вращение вокруг собственной оси. Здесь и срабатывает момент импульса. Чем быстрее Луна обращается по орбите, тем больше она удаляется от Земли и, следовательно, тем больше момента импульса она забирает. Чтобы компенсировать потерю, Земля вынуждена все медленнее вращаться вокруг своей оси, сохраняя таким образом суммарный момент системы Земля – Луна: снова представьте себе фигуристку, разводящую на этот раз руки в стороны, чтобы замедлить вращение. За 4,5 млрд лет вращение Земли вокруг оси замедлилось от пяти часов до 24, а Луна тем временем удалялась все больше и забирала значительную долю общего момента.

Отнюдь не все системы планета – спутник ведут себя аналогично. Если основная планета вращается вокруг оси медленнее, чем ее спутник на орбите, возникает неизбежный эффект торможения. Приливные волны планеты отстают от ее вращения; движение спутника по орбите тормозится, и с каждым оборотом он сближается с планетой. В конечном итоге спутник по спирали опустится на планету и либо будет поглощен ею, либо произойдет нечто вроде гигантского столкновения. Возможно, именно по этой причине Венера с ее обратным вращением не имеет спутника. По-видимому, катастрофическое обрушение на нее ее собственного спутника некогда вызвало потерю значительной части воды и превратило ее во враждебный, безводный, обжигающий, безжизненный мир.

В начале существования системы Земля – Луна обмен угловыми моментами от замедляющей вращение Земли к ускоряющейся Луне происходил гораздо в более солидных масштабах. В первые века после формирования Луны оба небесных тела были опоясаны океанами бурлящей магмы, которые подвергались растяжению и деформации. Гигантские приливные волны на Земле и подобные им на Луне, вероятно, заставляли Луну удаляться на тысячи метров в год, в то время как вращение Земли неуклонно замедлялось относительно первоначальной неистовой скорости. Но такие огромные приливы расплавленной земной поверхности не могли продолжаться долго. По мере увеличения расстояния между Землей и Луной приливные силы уменьшались, причем увеличение расстояния вдвое вызывало уменьшение гравитационных приливных сил в 8 раз. С ростом расстояния втрое приливы уменьшалась в 27 раз.

Приливные потрясения происходили все реже и не могли препятствовать отвердению планетных тел. За несколько миллионов лет после гигантского столкновения поверхности Земли и Луны превратились в черную твердь. Земные приливы – деформация твердых пород – по-прежнему происходили достаточно часто в ту давнюю пору, но уже мало напоминали гигантские ежедневные волны магмы былых времен.

Светящаяся Луна напоминает нам, что космос – это пространство, в котором созидание переплетается с разрушением. Мы по сей день не застрахованы от возможных космических катастроф: астероиды-убийцы и гигантские кометы все еще время от времени пересекают земную орбиту. Миллионы лет назад один такой крупный булыжник из космоса уничтожил динозавров; через миллионы лет после нас другие каменные гости вполне могут обрушиться на Землю. Если мы хотим выжить как вид, нам надо внимательнее вглядываться в небеса, где наш ближайший космический сосед молча напоминает: конечно, все меняется медленно и постепенно, но в космических просторах случается всякое.