Глава XIII. РОЛЬ МАССЫ В ЭВОЛЮЦИИ

ПРОТОВЕЩЕСТВА

Планетный тип эволюции протовещества

Начавшаяся, на рубеже мезозойской и кайнозойской эр, спонтанная дегидратация внутрипланетарного вещества и океанизация Земли, явились не только важнейшей вехой в ее геологической истории, но и выражением одного из фундаментальных свойств, видимо, присущих планетарным системам в финале их эволюции (Орлёнок, 1980, 1985).

Обзор современного геологического состояния планет Солнечной системы показывает существование тесной связи их внутренней активности с массой.

Чем больше масса планеты, тем раньше начинается дегидратация, длительней и интенсивней ее финальный всплеск. Так, в условиях Земли дегидратация и вынос на поверхность свободной воды начались 3,9 млрд. лет назад. Океанизация же наступила лишь в последние 50 – 60 млн. лет жизни планеты, и продолжительность ее для Земли определяется всего 120 – 140 млн. лет, т.е. немногим более 2% от всего периода ее геологической активности.

На планетах с массой меньше земной (на порядок и более) продолжительность и интенсивность океанизации будут невелики. Например, на Меркурии (М = 3,3×10²⁶ г), Луне (М = 7,3×10²⁵ г) и Марсе (М = 6,4×10²⁶ г) дегидратация, начавшись одновременно с началом геологической активности, закончилась много раньше полной выработкой протовещества в центральной активной зоне планет и, конечно, не имела таких масштабов, как на Земле. Исключение, возможно, составляет Венера, имевшая массу, сравнимую с земной (М = 4,8×10²⁷ г, у Земли 5,97×10²⁷ г). Примерно 350 млн. лет назад на ней вполне могли существовать морские и океанические бассейны, которые постепенно испарились после перехода Солнца в стадию горячей звезды желтого спектрального класса.

Что же касается метеоритов и астероидов, имеющих ничтожную в сравнении с планетой массу – от 1,4×10²¹ г (Церера) до нескольких килограммов и даже граммов, – то из-за отсутствия соответствующих термодинамических условий внутри этих тел ни о какой внутренней активности здесь не может быть и речи.

Для того чтобы понять причины различной внутренней активности космических объектов больших и малых масс, обратимся к данным физики высоких давлений и температур.

При нормальном давлении и температуре вещество характеризуется большим разнообразием химических и физических свойств, так как атомы и молекулы пребывают в равновесном состоянии и отличаются множественностью комбинаций их взаимного расположения. При повышении температуры происходит освобождение энергии атомов и молекул и ускорение обмена электронами верхних оболочек атомов. По мере роста температуры и давления уменьшается физическое и химическое разнообразие вещества. При сжатии вещества до значений 10⁶ – 10⁸ атм, какие реализуются в недрах больших планет (Земли и Юпитера соответственно), электронные оболочки атомов деформируются и электроны становятся все менее связанными с определенным атомом. Происходит частичная металлизация вещества. Наружные электронные оболочки атомов вещества при давлениях 10⁸ атм отрываются, а внутренние уплотняются, что приводит к сглаживанию химических свойств вещества. Следовательно, при высоких давлениях и температуре химический потенциал протовещества планет уменьшается. Это накладывает серьезные ограничения на возможность термохимической дифференциации в широком объеме планетных недр. Химическая активность вещества становится возможной лишь в зонах, где давление меньше 10⁶ атм, а температура – 10⁴ К. В условиях Земли это могут быть верхние зоны внешнего жидкого ядра, а не вся его область, как обычно предполагается.

При дальнейшем повышении давления до 10¹² атм (10¹⁷ Па) вещество приводится в состояние, когда термодинамически выгодными оказываются ядерные реакции захвата электронов ядрами с одновременным испусканием нейтрино. Такие условия сжатия реализуются на Солнце.

Таким образом, термодинамический режим в недрах планет и звезд обусловлен прежде всего давлением и температурой, которые, в свою очередь, полностью определяются величиной первоначальной массы астрономического тела.

Окружающий нас мир – это прежде всего иерархия масс вещества – от элементарных частиц до макрообъектов с гигантскими астрономическими массами. Существование иерархии масс обусловлено наличием определенной связи между элементами вещества, не дающей им распасться. Для того чтобы разрушить эту связь, надо преодолеть энергию взаимодействия между элементами массы, будь то ядро или атом, планета или звезда.

Известно четыре вида фундаментальных взаимодействий – сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Последнее является наиболее универсальным, т.е. существует как в макро-, так и в микротелах. Для тел же огромных астрономических масс гравитационное взаимодействие приобретает решающее значение. Вместе с тем на уровне ядерных и атомных систем, а также малых масс (метеориты, кометы, астероиды) этот вид взаимодействия не играет сколько-нибудь существенной роли.

Следует также отметить, что все четыре вида фундаментальных взаимодействий, существующих в микромире, превосходят радиус 10^‑15 м, а их длительность – 10^-8-10^-23 с. Радиус действия гравитационных и электромагнитных взаимодействий не ограничен. Поэтому они проявляют себя в астрономических масштабах как в пространстве, так и во времени.

В своем анализе обстановки на других планетах мы должны исходить прежде всего из того, что нам известно по Земле. Так, показателем внутренней геологической активности планет является наличие у них атмосферы. Но источником ее может быть только вулканизм. Однако мощный вулканизм не может существовать без развитого жидкого ядра и астеносферы. Наличие жидкого ядра, в свою очередь, генерирует у вращающейся планеты мощное магнитное поле. Отсутствие такового у геологически активной Венеры объясняется тем, что у нее нет осевого вращения. Планета давно остановила свое вращение, впрочем, как и Меркурий, под действием сильного приливного торможения со стороны гигантской массы Солнца.

С другой стороны, отсутствие у быстро вращающегося Марса соответствующего по напряженности магнитного поля свидетельствует об отсутствии у него жидкого ядра. Соответственно нет здесь и вулканизма и плотной атмосферы. Геологическая жизнь давно угасла на этой планете. То же самое можно сказать и о недрах Меркурия и Луны. Все это – трупы планет, некогда испытавших, хотя и краткую, геологическую активность, в финале которой произошла микроокеанизация. Следы былого присутствия воды хорошо фиксируются на фотоснимках Марса (Кауфман, 1982), предполагаются по характеру выветривания пород на Венере. На Луне следы водной деятельности, видимо, замаскированы лавовыми извержениями.

Источником воды на планетах являются термохимические процессы взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов (Кесарев, 1976) с участием различных катализаторов (карбидов, сульфидов, нитридов металлов и их окислов) в зоне внешнего ядра, где вследствие сжатия реализуются необходимые для запуска термохимического реактора термодинамические условия – температура и давление, равные соответственно 3000 К и 1,5 млн. атм: МеН₂ + МеО₂ ® МеО + Ме + Н₂О. Известно (Семененко, 1975), что при уменьшении давления происходит бурная диссоциация гидритов: МеН₂ ® Ме+Н₂. Потоки водорода, взаимодействуя с окислами металлов, а также с кремнеземом в верхах кислородно-силикатной оболочки, продуцируют главнейший планетарный продукт – воду:

SiO₂ + H₂ ® SiO + H₂O + Q;

MeO₂ + H₂ ® MeO + H₂O + Q.

Карбиды, нитриды, фосфиды металлов, взаимодействуя с водой, образуют вулканические дымы, формирующие атмосферу планеты: Ме₃С + 3Н₂О ® СН₄ + 3МеО + Н₂ + Q и т.д.

По мере подъема внешней границы жидкого ядра и вовлечения в термохимическую переработку все более высоких горизонтов оболочки, вследствие прогрессивного уменьшения давления, повышения химического потенциала протовещества его разложение будет идти более интенсивно. Существует, возможно, критический порог глубин, выше и ниже которого указанные реакции идут менее интенсивно. Достижение этого порога может быть одной из причин усиления дегидратации в условиях Земли на рубеже мезозой – кайнозой. Однако нельзя исключить и другой фактор – постепенное накопление под подошвой литосферы, а точнее, на глубине 100 – 200 км (вследствие теплоизолирующего влияния верхней каменной оболочки), избытков тепла и летучих веществ, выносимых из зоны внешнего ядра.

Альтернативное допущение разогрева астеносферы за счет повышенной концентрации здесь радиоактивных элементов не подтверждается вулканизмом. В лавах и газах вулканов, корни которых, как правило, лежат в пределах астеносферных глубин, не отмечается повышения радиоактивности. С другой стороны, значительная (на несколько порядков) повышенная концентрация радиоактивных веществ в коре не приводит к ее аномальному разогреву.

Вместе с тем имеются многочисленные геологические данные о раннем (более 3,5 млрд. лет назад) крупномасштабном образовании изверженных гранитоидов, базальтов, формировании различных метаморфических пород. Этот факт трудно объяснить только развитием термодинамических процессов. На ранней Земле, планетах и Солнце, видимо, значительную роль сыграл распад короткоживущих изотопов ²⁶Al, ¹⁰Be, ³⁶Cl, ²²⁷Nb и др. с периодом полураспада 10⁶ – 10⁸ лет (Войт­кевич, 1979; Рудник, Соботович, 1984). Благодаря их большой концентрации в первые сотни миллионов лет на небольших глубинах могли возникнуть многочисленные очаги расплавов, которые и послужили источниками образования ранней коры. С вымиранием изотопов основным источником вулканизма становятся термодинамически обусловленные процессы распада протовещества на уровне внешнего ядра. В этом плане представляется необъяснимым предположение о существовании ледяных комет и астероидов, малых ледяных спутников планет, термодинамика которых исключает какую-либо возможность их внутренней активности и, следовательно, производства воды. Это тела, где возможна лишь поверхностная активность за счет взаимодействия с солнечным излучением (при близком пролете от Солнца) и с падающими метеоритами. Возникающая при этом молекулярная вода будет немедленно диссоциирована под воздействием солнечного излучения, как это имеет место в атмосфере Земли. Однако возможно небольшое акклюдирование воды на пылеватых частицах и замерзших газах вдали от Солнца. При пролете вблизи светила они будут быстро испаряться, образуя светящиеся хвосты, хорошо видимые в ночном небе.

Теперь обратимся к планетам-гигантам – Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну, имеющим, соответственно, массы 1,9×10³⁰ г, 5,5×10²⁹ г, 8,4×10²⁸ г и 1,0×10²⁹ г. Столь огромные в сравнении с земной массы должны создавать в недрах планет более высокие давления и температуры. Расчеты показывают, что, например, у Юпитера давление в центре достигает 8×10⁷ атм, а температура 2,5×10⁴ К (Хаббард, 1987). Несколько меньше, но такого же порядка величины должны быть и на других планетах-гигантах (Жарков, 1978).

Согласно существующим представлениям, вошедшим в учебники астрономии, все планеты-гиганты сложены преимущественно водородом и гелием. Однако, несмотря на длительную разработку этой концепции, в ней по-прежнему остается много неясного и противоречивого. Например, как объяснить тот факт, что спутники этих «водород­ных» планет сложены таким же каменным материалом, что и планеты земной группы? Это хорошо видно из расчетов их средней плотности и на фотографиях с космических аппаратов (Кауфман, 1982). Более того, на спутнике Юпитера Ио обнаружено семь действующих вулканов, а на других – Ганимеде и Европе – поверхность покрыта мощным слоем льда. Это ясные следы криогенизации, эквивалентные земной океанизации, возникающие в условиях дефицита солнечного тепла. Если же обратиться к оценке состава первичного материнского облака, из которого формировалась Солнечная система, то, согласно современной гетерогенно-полихронной концепции, оно было физически и химически весьма разнородно и содержало крупные разновозрастные реликтовые фрагменты ранее разрушившихся звездных систем. Все планеты должны были иметь зародыши, ядра конденсации, состоящие из тяжелых металлических фрагментов, вокруг которых лавинообразно наращивался пылегазовый материал облака. Поэтому совершенно непонятна причина конденсации легчайшего водорода в гигантскую массу Юпитера или Сатурна. Юпитер со своими 16 спутниками – это, по существу, еще одна Солнечная система, которой лишь случайно не хватило немного массы, чтобы «царь планет» зажегся второй звездой.

Если быть последовательными и исходить из универсальности химического состава вещества Солнечной системы, то было бы логичнее и плодотворнее выводить модель внутреннего строения и эволюции планет-гигантов по образцу Земли.

Внешний облик планет-гигантов находится в полном соответствии с их массой. Они обладают мощной и плотной атмосферой, сильным магнитным полем. Все это указывает на наличие мощного вулканизма и обширного жидкого ядра. Ниже (табл. XIII.1) приведены радиусы твердого тела рассматриваемых планет и мощности их атмосферы, рассчитанные исходя из единства состава протовещества Солнечной системы (Кесарев, 1976):

Таблица XIII.1

Радиусы твердого тела планет и мощности

их атмосфер (по Кесареву, 1976)

В какой стадии эволюции в сравнении с Землей находятся в настоящее время эти планеты?

Мощная и плотная атмосфера на Юпитере, Сатурне, Уране, Нептуне при продолжающемся исключительно активном вулканизме должна была создать парниковый эффект на твердой поверхности планет. Поэтому она может быть раскалена, подобно венерианской, до нескольких сот градусов Цельсия. В этих условиях вся выносимая вулканами вода, полностью испаряясь, переходит в атмосферу. И действительно, наряду с водородом и гелием в верхних слоях атмосферы Юпитера обнаружены водяной пар, метан, аммиак, т.е. состав газов аналогичен глубинным газам Земли.

Вероятно, такие же условия существовали на ранней Земле, когда Солнце пребывало в стадии менее горячей звезды – красного спектрального класса. Отсутствие на ранней Земле достаточно больших количеств свободной воды или пребывание ее в виде ледяных покровов (из-за холодного Солнца) при интенсивном вулканизме неизбежно должно было привести к образованию мощной углекислой атмосферы. Вымывание углекислоты из атмосферы начинается с появлением на поверхности планеты морских бассейнов, в которых она связывается в карбонатную систему. Древнейшие карбонатные породы Земли имеют возраст 3,9 млрд. лет, следовательно, такой же возраст должны иметь и первые моря на нашей планете.

Разница в составе атмосфер Юпитера и Земли обусловлена не их принципиально различным строением, а тем, что земная атмосфера при наличии океана и мощного солнечного излучения эволюционирует дальше юпитерианской. Фотолиз на Юпитере ограничен, поэтому водород, аммиак, метан верхних слоев относительно стабильны. Следует ожидать, однако, что нижние слои атмосфер планет-гигантов более разнообразны по составу. В целом же необходимо признать, что наличие СО₂, других вулканических дымов в атмосферах планет служит показателем отсутствия на их поверхности свободной воды. В будущем, по мере ослабления парникового эффекта и остывания поверхности, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун должны испытать мощную криогенизацию: многокилометровые покровы льда надолго закроют поверхность этих планет. Но поскольку запасы протовещества по массе на этих планетах значительно превосходят земные, то финальный этап криогенизации наступит на них значительно позже, чем океанизация на Земле.