Образование Солнечной системы
Планетная космогония изучает проблемы возникновения Земли и планет вообще, а звездная космогония рассматривает происхождение Солнца и других звезд.
Считается, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд лет назад из газопылевой туманности — так называемого протопланетного (допланетного) облака, напоминающего по форме уплощенный диск. Первоначальный размер облака превышал современный размер планетной системы, а его состав соответствовал тому, который наблюдается в межзвездных туманностях: 99% газа и 1% пылевых частиц размерами от долей микрометра до сотен микрометров.
Сначала облако состояло почти целиком из хорошо перемешанного газа, в котором по мере охлаждения образовывались первые конденсаты — льдинки и пылинки. Далее газо-пылевой диск расслаивался, образующие его частицы, сталкиваясь, слипались и увеличивались в размерах до нескольких сантиметров. В некоторый момент плотность пыли в облаке приблизилась к критическому значению, превысив плотность газа уже в десятки раз. При достижении критической плотности пылевой слой сделался гравитационно неустойчивым: даже очень слабые уплотнения, случайно возникавшие в нем, не рассеивались, а со временем сгущались. В результате образовался многомиллионный рой допланетных тел — планетезималей.
Другой путь формирования допланетных тел — это прямой, медленный и непрерывный рост первоначально очень мелких частиц благодаря столкновениям между ними. Но каким бы путем ни возникли допланетные тела, они послужили строительным материалом для формирования планет, спутников и родительских тел метеоритов.
В допланетном облаке самыми многочисленными были наиболее мелкие частицы и тела. Крупных тел, сравнимых с Луной или Марсом, было мало. Но столкновения планетезималей приводили к росту лишь наиболее крупных из них, в результате эволюция системы привела к тому, что совокупная масса планет намного выше общей массы всех малых тел — спутников, астероидов, комет и пылевых частиц.
Стадия объединения планетезималей в планеты и их роста длилась около 100 млн лет.
Планеты земной группы во внутренней части Солнечной системы образовались в отсутствие легких газов за счет каменистых частиц и тел, содержавших различное количество железа и других металлов. В основном газ выдувался из внутренней области Солнечной системы солнечным ветром. Зародыши планет-гигантов могли возникнуть путем нарастающего захвата газовой атмосферы на массивном ядре из планетезималей.
По расчетам ученых, рост ядра Юпитера длился несколько миллионов, а ядра Сатур на — до 10 млн лет. Уран и Нептун росли еще медленнее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа в их зонах почти не осталось. Главными составляющими этих тел являются вода, метан и аммиак, а также окислы тяжелых элементов.
Общая масса всех астероидов, заполняющих зону на расстоянии 2–4 а. е. от Солнца, не превышает массы Луны. Гравитационные возмущения Юпитера особенно сильно действуют на астероиды, периоды обращения которых вокруг Солнца соизмеримы с периодом Юпитера. Их орбиты становятся вытянутыми, они могут пересекать орбиту Марса и даже Земли. Их осколками являются метеориты, до сих пор выпадающие на Землю. Состав метеоритов свидетельствует о том, что астероиды сформировались как отдельные тела 4,6 млрд лет назад, то есть в ту же эпоху, что и планеты.
По современным представлениям, кометы — побочный продукт образования планет-гигантов. Это ледяные планетезимали, заброшенные формировавшимися планетами — Юпитером, Сатур ном, Ураном и Нептуном — на очень далекую периферию нашей системы. Там кометы образуют гигантское разреженное облако, так называемое облако Оорта.
Спутники планет земной группы сильно различаются, поэтому для понимания того, как они образовались, нужен индивидуальный подход. Спутники планет-гигантов, напротив, многочисленны и дают богатый материал для проверки общих космогонических идей.
Формирование Земли
Современные расчеты показали, что рождающаяся Земля не была ни расплавленной, ни холодной. Гравитационная энергия могла нагреть Землю до 40 тыс. К, если бы она мгновенно собралась из кусков в одно тело. Но рост Земли продолжался 100 млн лет, так что средняя температура поверхности даже на стадии активного роста не превышала 350–400 К. Небольшая часть гравитационной энергии перешла в тепловую энергию земных глубин. Ее недра прогрелись до 1000–2000 К благодаря тому, что в аккумуляции участвовали очень крупные тела (радиусами до 1000 км). Падение таких тел вызывало образование огромных ударных кратеров, под которыми до глубин 1–2 тыс. км создавались области повышенной температуры.
Дополнительное нагревание произошло в недрах Земли от сжатия ее пород вышележащими слоями. Но основной источник нагрева недр Земли — тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов: урана, тория и калия с атомным весом 40, которые в малых количествах присутствуют в каменистом веществе планеты. Атмосфера и гидросфера постепенно выделились из недр нашей планеты, поскольку газы и вода входили в состав земных пород. Вода «доставлялась» на Землю также и падающими на нее ледяными телами (кометами). Расслоение Земли на железное ядро, силикатную мантию и кору из изверженных пород началось еще при аккумуляции планеты и продолжается в течение всей ее геологической истории.