- 31 октября 2025
- 7 минут
- 366
Основные гипотезы формирования Земли
Статью подготовили специалисты образовательного сервиса Zaochnik.
Небулярная космогоническая модель
В конце XVIII века, а именно в 1796 году, выдающийся французский ученый Пьер-Симон Лаплас представил научному миру небулярную теорию, которая предлагала элегантное объяснение процесса формирования всей Солнечной системы. Согласно этой концепции, вначале существовало огромное облако, состоящее из газа и пыли, которое образовалось благодаря постепенной концентрации межзвездного вещества под воздействием гравитационных сил.
Название теории происходит от латинского слова «nebula», что переводится как «туманность» или «облако», и точно описывает первоначальное состояние протопланетной системы.
Исходное газопылевое облако не обладало идеальной сферической формой, и его периферийные участки находились на разном расстоянии от ближайших гравитационных центров, таких как звезды. Эта асимметрия приводила к возникновению неравномерного притяжения, что, в свою очередь, сообщало туманности начальный, пусть и очень слабый, вращательный момент.
Как только небула начала вращаться, силы гравитации стали способствовать ее сжатию, что вело к уменьшению радиуса облака. В соответствии с законом сохранения момента импульса (который зависит от массы, радиуса и скорости вращения), сокращение радиуса при неизменной массе компенсируется увеличением угловой скорости. Таким образом, газопылевой шар начинал вращаться все быстрее.
С увеличением скорости вращения возрастала и центробежная сила, под действием которой экваториальная часть шара начала "вспухать", придавая ему форму сплюснутого сфероида. Наступал критический момент, когда центробежная сила на экваторе достигала величины, равной силе гравитационного притяжения. После этого от основной массы отделялось внешнее кольцо вещества. По мере дальнейшего сжатия центрального сгустка процесс повторялся, формируя серию концентрических колец. Впоследствии вещество в этих кольцах под действием взаимного притяжения конденсировалось в отдельные тела — планеты, а от них по схожему механизму образовывались спутники.
Концепция планетезималей и "горячего" старта
Теория Лапласа, из которой следовало, что Земля изначально была холодным объектом, доминировала в науке на протяжении почти столетия. Этот взгляд сохранял популярность, несмотря на то, что накапливались астрономические данные, которые вступали с ним в явное противоречие. Развивались и другие теории происхождения Земли, пытавшиеся дать более полное объяснение.
К концу XIX столетия было достоверно установлено, что недра нашей планеты разогреты до чрезвычайно высоких температур. Это открытие сместило научный консенсус в сторону гипотезы о том, что Земля изначально была огненным шаром, который со временем остывал с поверхности. Логично было предположить, что источником этого первоначального раскаленного вещества могло быть само Солнце.
В начале XX века астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон выдвинули альтернативную, планетезимальную теорию. Математическое обоснование для этой модели позже предоставил Дж. Джинс.
Суть этой гипотезы заключается в катастрофическом сценарии. Предполагалось, что в далеком прошлом в непосредственной близости от Солнца прошла другая звезда. Мощное гравитационное взаимодействие вызвало приливные силы, которые вырвали из обеих звезд гигантские потоки раскаленного вещества. Эти потоки сформировали временный "мост" между светилами, который затем, будучи нестабильным, распался на множество отдельных сгустков. Эти сгустки, названные планетезималями, остывая и уплотняясь, и стали зародышами будущих планет и их спутников.
Модернизация небулярной теории и роль гравитационной дифференциации
Во второй половине XX века произошел возврат научного интереса к идее "холодного" формирования Земли. Причиной послужили серьезные аргументы против планетезимальной гипотезы. Например, астроном Г. Рассел показал, что средняя часть гипотетической ленты вещества между двумя звездами, где силы притяжения уравновешивались бы, должна была оставаться неподвижной, а не формировать вращающиеся планеты.
Кроме того, стало ясно, что некоторые "слабые места" теории Лапласа можно было устранить путем ее дальнейшего развития и корректировки. Но решающим фактором, склонившим чашу весов в пользу концепции "холодного" старта, стало нахождение убедительного объяснения источника внутреннего тепла Земли. Были предложены два основных механизма: гравитационная дифференциация вещества и энергия, выделяющаяся при распаде радиоактивных элементов.
Было установлено, что радиоактивный распад является лишь вспомогательным источником, дающим не более 15% тепла. Главная роль отводилась гравитационной дифференциации. Идея этого процесса такова: еще в XVIII веке были рассчитаны масса и объем Земли, что позволило определить ее среднюю плотность — около 5,5 г/см³. Это значение почти вдвое превышает плотность горных пород на поверхности (в среднем 2,8 г/см³). Отсюда был сделан вывод, что плотность вещества в глубоких недрах должна быть намного выше.
Учитывая, что основными элементами в составе Земли являются железо, кислород, кремний и алюминий, можно заключить, что легкие алюмосиликаты сформировали внешние оболочки, а тяжелое железо сконцентрировалось в ядре. В процессе аккреции планеты эти элементы были перемешаны, но затем начался процесс разделения: тяжелые компоненты под действием гравитации "тонули" к центру, а легкие "всплывали" к поверхности. Это масштабное перемещение масс приводило к уменьшению потенциальной энергии системы, которая по закону сохранения преобразовывалась в тепловую энергию. Современные теории происхождения Земли признают этот процесс ключевым для разогрева недр.
