Океан магмы. Как древняя космическая катастрофа создала Луну и сделала возможной работу электронных приборов

— Мама, а почему Земля круглая? — спрашивает маленький ребёнок. Такие вопросы задаёт каждый новый человек, и они остаются так или иначе актуальными для человечества.

Чтобы ответить на него, придётся вспомнить несколько законов и явлений природы:

— «Чтобы продать что-нибудь ненужное, надо сначала купить что-нибудь ненужное», — говорит кот Матроскин. Закон сохранения вещества.

— «То, что Земля — плоская, знают люди по всему земному шару». Давайте условимся, что Земля всё-таки похожа на шар.

— «Как известно, камней в небе нет и быть не может. А поэтому всякое известие о том, что они оттуда падают, заведомо ложно» — эти слова часто приписываются Французской академии наук, «закрывшей» метеориты во второй половине XVIII века. Это мы обсудим в этом тексте. Камни падают сверху и приносят важную информацию о мире, в котором мы живём.

— «И теперь понятно, на Луне откуда пятна», — играет песня группы «Чайф». А знаете ли вы, откуда они взялись?

— «Что находится между электроном и ядром атома?» — вопрос лектора на экзамене. — «Воздух!» — отвечает студент. На этот вопрос мы отвечать не будем, но знание того, что между планетами — вакуум, нам пригодится.

— «Все легенды о Земле говорят о широком распространении на ней живых существ, и о её огромном спутнике… Возможно, спутник-гигант помог появлению этих миллионов видов», — учёный и писатель Айзек Азимов предполагал, что именно Луна помогла жизни на Земле.

Радиус Земли был впервые измерен более 2000 лет назад. Древний грек Эратосфен наблюдал за тенью в колодцах в разных городах. Оказалось, что в одно и то же время тень в разных городах падает под разными углами (если Земля была бы плоской, то и тень везде была бы одинаковой). Расчёт дал значение с точностью до первых процентов. Потрясающий результат для «примитивной» цивилизации, лишённой какого-либо оборудования, кроме весьма приблизительных часов типа клепсидр и линейки!

Кругосветные путешествия, открывшие эпоху Нового времени, поставили точку в дискуссии о форме Земли. Черепаха на пенсии, слоны в бессрочном отпуске, водопады на края Земли отменены. Первая кругосветка заняла не один год, а сейчас такое путешествие возможно повторить всего за пару дней. Есть такая замечательная карта — сколько времени требуется, чтобы из Лондона достичь каждой точки мира. Одна из таких, опубликованная в 1914 году и переизданная спустя столетие, даёт отличное представление о техническом прогрессе.

Век назад путь в самые глухие уголки планеты занимал более 40 дней, а теперь туда же можно попасть всего за полтора дня.

Если шар, то почему? Через полтораста лет после первых успешных кругосветок Ньютон сформулировал законы гравитации. Любой объект притягивается к центру масс. Тогда шаровидная форма получается «автоматически»: как любой предмет падает вниз, так и форма достаточно массивного объекта приближается к сферической. Единственное, что мешает этому — крепкость самих горных пород и их устойчивость перед дождями и ветрами. Потому небольшие по размеру астероиды и кометы имеют сложную форму. Чем больше космическое тело, тем меньше «допустимые» неровности — по отношению к размеру самого тела. Самая высокая гора на маленьком Марсе, вулкан Олимпус, возвышается на 25 километров — это 0,3 % диаметра планеты. Эверест же, самая высокая гора Земли, — менее 9 километров (менее 0,1% диаметра).

Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, она чуть-чуть приплюснута. Потому, в частности, центр планеты чуть-чуть ближе к поверхности у полюсов и дальше у экватора, а значит, и сила гравитации немного больше на полюсах. Всё это очень важно и в прикладных вещах: как за счёт разницы в гравитации, так и за счёт вращения Земли, на одной и той же ракете-носителе мы можем вывести на четверть больше полезной нагрузки, запуская её с экватора, чем с полюсов. Потому космодром Плесецк практически не подходит для запусков «мирных» спутников (не считая спутники полярной связи и другие достаточно узкие задачи).

Законы гравитации, несмотря на очень простые формулы для двух тел (например, Земли и Луны), становятся невообразимо сложными уже для трёх объектов.

Только на современной вычислительной технике получается «сообразить на троих» (и показать, насколько фантастически сложными и запутанными могут быть траектории полёта объектов, которые так и не падают на Землю — и, кстати, доказывают факт полёта американцев на Луну). Лавуазье, от лица Французской академии наук «закрывший» метеориты, предполагал, что всё, что было между планетами, должно было давно на них упасть. Потому он и отвергал космическое происхождение метеорита, и это было достаточно логичным решением при том уровне развития науки и техники. Как инженер, сдающий проект моста, должен быть уверен в том, что его проект надёжен, так и учёный, делая публичное заявление, должен быть предельно осторожен. Сегодня мы знаем, что был не прав, но задним умом мы все крепки, а он был ограничен в своих возможностях имеющимися технологиями.

По иронии судьбы, в самом конце XVIII века, одновременно с Французской революцией, когда Лавуазье был казнён, появились новые свидетельства существования «камней, падающих с неба». Многочисленные наблюдения весьма кстати случившегося метеоритного дождя не оставили возможности не признать этого уже научного факта. Можно было предположить, что и планеты образовались из раскалённого каменного «дождя». Так поэтично описывал рождение Земли Иммануил Кант:

«Мы увидим обширные огненные моря, возносящие свое пламя к небу; неистовые бури, своей яростью удваивающие силу пламени, заставляя его то выходить из своих берегов и затоплять возвышенные местности, то вновь возвращаться в свои границы; выжженные скалы, которые вздымают свои страшные вершины из пылающих бездн и то затопляются волнами огненной стихии, то избавляются от них, благодаря чему солнечные пятна то появляются, то исчезают; густые пары, гасящие огонь, и пары, которые, будучи подняты силой ветров вверх, образуют зловещие тучи, низвергающиеся огненными ливнями и изливающиеся горящими потоками с высот солнечного материка в пылающие долины; грохот стихий; пепел сгоревших веществ и борющуюся с разрушением природу, которая даже в самом отвратительном состоянии своего распада содействует красоте мира и пользе творения».

Появились и первые математические модели, описывающие это явление. Эти модели, которые дают количественную оценку процессов, уже можно сопоставить с астрономическими наблюдениями. Появилась некая согласованная точка зрения, что из вещества, равномерно распылённого в пространстве, как-то «слипались» планеты и Солнце. Законы Ньютона позволили понять, почему планеты не падают на звезду: по той же причине, по которой спутники не падают на планету. Их орбиты установились так, что планета «падает» на Солнце на то же расстояние, на которое она «улетает» в космос. В этом нет ничего сверхъестественного. Это ошибка выжившего: мы видим только те планеты, только те «сгустки» материи, которые смогли развить нужную скорость. Конечно, первое объяснение содержало много противоречий, потому эти гипотезы несколько раз пересматривались и дополнялись. Тем не менее даже в основе современных представлений об образовании планет лежат идеи XVIII века.

Фундаментальной проблемой, с которой столкнулись учёные XIX века, было время. Как долго существует Земля? Если мы знаем скорость накопления илов в озёрах, как много времени уйдёт, чтобы накопить гору? Если мы можем оценить (почти на глаз) скорость эволюции, как много надо времени, чтобы дойти от моллюска до человека? Если Земля — когда-то раскалённый остывающий шар, сколько времени ушло на затвердевание? Сколько времени надо, чтобы все реки мира принесли соль, которая есть в Мировом океане? Все эти оценки приводили к значениям в миллионы лет. Одной из самых больших проблем было существование Солнца. Знание тепловых процессов тогда было ограничено конструированием паровых машин и двигателей внутреннего сгорания.

Самые «смелые» оценки возраста Солнца давали… пять тысяч лет — вполне «библейский возраст» (расчёт Юлиуса фон Майера). Горение угольной звезды в воздухе. Это чадящее стимпанковское Солнце очень хорошо показывает, как учёный может быть ограничен в материалах тем, что доступно его эпохе.

Назревающий кризис помогла преодолеть физика. Вовремя подоспевшее открытие радиоактивности и первые определения возраста земных горных пород моментально дали «фантастические» цифры в миллиарды лет (самые древние геологические «часы» показывают 4,4 миллиарда лет). И это уже те породы, которые должны были пройти длительный цикл формирования. Как это согласуется с возрастом Солнца? В некоторых метеоритах есть очень тугоплавкие включения оксидов — хондры, которые должны были образоваться первыми в Солнечной системе (поскольку они самые высокотемпературные). Они содержат примеси радиоактивных элементов, которые указывают на 4,568 миллиарда лет. И все данные по метеоритам (не считая тех, которые представляют собой фрагменты Луны, Марса или других тел — есть и такие) указывают на очень узкий диапазон возрастов. Солнечная система возникла в какой-то очень короткий, по космическим меркам, промежуток времени.

Все эти данные позволили сформулировать небулярную теорию в её современном виде. Она неразрывно связана с работами российских, точнее, советских, учёных — Отто Шмидта и Виктора Сафронова. Общепринята сейчас точка зрения, что первичное холодное газопылевое облако водорода и в меньших количествах других элементов начало сжиматься и разогреваться (это общий принцип, которому подчиняется и разогретая шляпка гвоздя, забиваемого в стену, и охлаждение продуктов в холодильнике при расширении газа фреона — то, что сжимается, повышает температуру, и наоборот). По мере его последующего охлаждения выделились упомянутые выше хондры, а потом — и всё остальное. Планеты Земной группы, состоящие преимущественно из твёрдых силикатов (соединений кремния), возникали близко к Солнцу, а газовые гиганты — далеко от Солнца, за так называемой снеговой линией, определяемой расстоянием до звезды, на котором начинают кристаллизоваться углеводороды.

До сих пор точно неизвестно, что заставило «наше» газопылевое облако коллапсировать в звезду и планеты. Химический состав метеоритов говорит, что на заре Солнечной системы в ней было большое количество тех атомов, которые исчезают (в пределах точности измерений) за первые миллионы и десятки миллионов лет. Откуда они могли взяться? Все тяжёлые элементы образуются в звёздах и рассеиваются в космосе во время вспышек новых и сверхновых.

Полагают, что именно взрыв сверхновой возле «нашего» газопылевого облака привнёс в него эти химические элементы, а ударная волна заставила облако сжиматься и «слипаться» в звезду и планеты.

Что происходит при аккреции (так называется накопление вещества) планеты? Это определяется количеством энергии. Много тепла высвобождается при соударениях астероидов и планетезималей (более крупных «зародышей» планет), ещё часть приходит с распадом короткоживущих изотопов (разновидности химических элементов, отличающиеся друг от друга числом нейтронов в ядре. — Прим. ред.]. Их уже достаточно, чтобы начать плавление вещества астероидов. Так образуется Земное ядро. Тяжёлый расплавленный металл стремится вниз, а более лёгкий силикатный расплав — наверх. Тот же принцип, что и при выплавке железа в домне. Подобное металлическое ядро есть у Луны и всех других планет — Меркурия, Венеры и Марса. А что произойдёт, если в планету, в которой как раз отделяется металлическое ядро от силикатов внешней «каменной» оболочки, врежется другая протопланета? Она может развалиться на части и уже не собраться. Куски будут летать в космосе, пока их не захватит притяжение какого-то тела. Так объясняют наличие как каменных, так и металлических метеоритов. Самое крупное и массивное тело (в поперечнике — 200 километров) из пояса астероидов между Марсом и Юпитером — это как раз металлический астероид. Наиболее редкий класс метеоритов (то есть упавших на Землю) и астероидов (то есть находящихся в космосе тел) — железокаменные, то есть как раз захватывающие процесс течения металла через силикатную породу. Удивительно красивы палласиты, состоящие из кристаллов прозрачного золотистого оливина, между которыми «протекает» металлический расплав.

Насколько расплавленной была наша планета изначально, мы не знаем. Но одно событие должно было переплавить нашу планету полностью. Образование Луны.

У всех других планет (Венеры, Марса, Меркурия) спутники или отсутствуют, или очень маленькие, почти что астероиды. Более крупные спутники газовых гигантов всё равно крошечны по сравнению с планетами-хозяевами. Откуда у Земли появился необычно-большой спутник и как он повлиял на нашу планету? В повестях Азимова проскальзывает идея, что именно это уникальное соотношение размеров Земли и Луны, приводящее к сильным приливам и отливам, помогло развитию жизни. Остававшиеся на отмелях организмы вынуждены были развиваться, чтобы выжить. Правда это или нет, судить сложно, но Луна и правда оказала очень большую роль на всю нашу цивилизацию — начиная от мифологии и религии.

До второй половины XX века были несколько гипотез происхождения Луны, включая формирование Земли и Луны как единой системы или же захват «мимокрокодила» — захват гравитацией тела, пролетавшего мимо Земли. Однако полёты на Луну и прямые анализы лунного вещества принесли геохимикам ошеломительное открытие. По своим изотопным и другим показателям они оказались настолько похожи на земные, что теперь учёные вынуждены объяснять наличие разницы, а не сходства.

Мы знаем состав пород с Марса и Венеры — помогают зонды и анализы образцов, благо есть такие чудеса, как найденные на Земле метеориты, когда-то выбитые с Марса. И они другие, хоть и все наши планеты слеплены, в общем-то, из одного теста. И коли Земля и Луна столь похожи — они должны были быть когда-то одним телом. Тогда в прото-Землю должно было врезаться другое тело размером с Марс (его и назвали Тейя), которое выбило огромный кусок из Земли, ставший Луной. В интернете можно найти довольно много видео расчётов этого процесса, например такое. Тогда мы можем объяснить и почему у Луны оказывается, по данным геофизики, такое маленькое металлическое ядро. Если на момент удара у первобытной Земли ядро уже отделилось и было в центре планеты — то только малая часть металла могла попасть в Луну.

Этот колоссальный удар (его так и называются в специализированной литературе — Giant Impact, почти как Big Bang) привёл к плавлению Луны полностью, а Земли — полностью или почти полностью. Следы Лунного магматического океана (это тоже научный термин) до сих пор видны невооружённым взглядом: светлые «континенты» на Луне состоят из анортозитов, лёгких пород, которые, как пенка, всплывали на поверхности кристаллизующейся магмы. Тёмные «моря» — это поздние излияния более тяжелых магматических пород — базальтов. Хотя больше половины этого магматического океана должно было затвердеть за тысячи лет (так диктуют законы физики для бурлящей жидкости), остаточные расплавы могли существовать значительно дольше — как минимум сто миллионов лет после образования Луны (около 1.5 миллиардов лет назад). Есть и некоторые данные, что самые свежие извержения вулканов могли быть уже во времена динозавров.

Нужны ли для чего-то все эти модели? Да, нужны. Уже наступил новый этап космической гонки. Фантастическое удешевление электроники (спасибо смартфонам!) открывает дорогу дешёвой и высокопроизводительной автоматике. Кто создаст базу на Луне — уже вопрос состязания, а не обсуждений «соединёнными усилиями человечества когда-нибудь». И очень серьёзные для международного «рейтинга» наций и, как следствие, курсов валют и стоимости ценных бумаг.

Поставить флаг уже мало кому важно. Гораздо интереснее добывать полезные ископаемые — благо на Луне нет экологии и экологов, а многие сложные задачи отработки руд решаются сами: на Луне нет толстого слоя «ненужных» осадочных пород (вскрыши).

На первых порах это будет чудовищно дороже добычи на Земле — но это вопрос развития технологий. Инвестиции капитальные, но и возможность, в том числе военная, обладания базой за пределами Земли — очень соблазнительна. Подобные же геологические и планетологические модели могут подсказать, где именно целесообразно искать залежи полезных ископаемых. Например, ильменит, минерал титана и железа, как считается, накапливался в «пенке» анортозитов — и именно там можно искать крупные его скопления.

Как Луна влияет на нашу планету? Выше уже упоминались приливы. Но есть и более «тонкие» аспекты взаимодействия. Луна всегда повёрнута к нам одним боком. Это называется приливной захват: Земля и Луна образуют единую систему и могут обмениваться вращательным моментом. Так маленькая Луна потратила всё своё независимое вращение и пришла к синхронизации с планетой. Крупная Земля замедляет своё вращение гораздо медленнее. Если около 430 миллионов лет назад в году было 420 дней (это можно установить, считая отложения вещества в ископаемых остатках древних кораллов), то сейчас — 365. Это, кстати, весьма важный результат: законы физики всегда работали одинаково. Измерения совпадают с расчётом.

А что было на Земле после соударения? Кристаллизация магматического океана сопровождалась его дегазацией. Водород, углекислый газ, азот, благородные газы — всё это поднималось на поверхность планеты. Эти газы не могли удерживаться на маленькой Луне из-за слабой гравитации, но на Земле создали плотную первичную атмосферу. Такие тепличные условия сильно замедлили кристаллизацию магматического океана на Земле — на это потребовалось около пяти миллионов лет (что тоже мгновенно, по сравнению с последующими 4,5 миллиардами). Дальнейшее снижение температуры на поверхности планеты привело к конденсации воды и образованию океана — гидросферы. Вскоре после этого появилась жизнь.

Если бы наша планета не прошла переплавку, то не было бы ни атмосферы, ни гидросферы, ни жизни.

После кристаллизации магматического океана (сейчас мантия твёрдая, пожалуйста, не читайте никакие статьи, где говорится об «огненно-жидкой мантии»: геофизика даёт однозначный и воспроизводимый ответ на этот вопрос) на поверхности Земли, скорее всего, возникли «континенты» и «океаны», похожие на лунные. Почему же Земля так отличается от Луны?

Луна остыла очень быстро и стала жёсткой, зафиксировав своё состояние на миллиарды лет. Недра Земли, хоть и твёрдые, пластичны (камень при очень высоких давлениях и температурах может очень медленно течь — примерно как может изгибаться металлическая проволока). Базальты содержат относительно много железа: этот тяжёлый элемент понижает температуру плавления, так что базальт будет жидким, когда породившая его порода (и анортозитовые континенты) будет твёрдой. Силикатные расплавы легче, чем твёрдые породы сходного состава, потому базальты поднимаются вверх — и мы видим вулканы, как на Гавайях. Когда лава остывает и кристаллизуется, получившаяся порода становится тяжелее, чем мантия под ней, в которой мало железа. Гравитационное неравновесие приводит к тому, что базальтовая плита стремится погрузиться вниз. Именно так работает субдукция — новый базальт образуется в Срединно-океанических хребтах, проходит путь длиною в тысячи километров и начинает тонуть в мантии Земли. Это очень медленный процесс, идущий со скоростями сантиметров в год. Там вещество нагревается, и легкоплавкие компоненты из него образуют магму — так возникают вулканы на островных дугах, например на Камчатке. Круговорот вещества в природе.

Внутри нашей планеты осталась расплавленная гигантская металлическая «капля» — ядро. Только спустя 3,5 миллиарда лет (то есть миллиард лет назад) появилось твёрдое внутреннее ядро. Этот недавний результат оказался несколько странным: если у планеты нет твёрдой части металлического ядра, тогда, по имеющимся моделям, и магнитного поля у планеты быть не должно. А оно зарегистрировано в древних вулканических породах: в них сохраняется информация о магнитном поле в прошлые эпохи. Сейчас предлагаются альтернативные гипотезы генерации магнитного поля, применимые для ранней Земли. Почему это важно? Магнитное поле защищает нас от смертельного космического излучения. Даже сам момент появления внутреннего ядра очень странно совпадает с началом активного развития многоклеточной жизни. Сейчас же на Земле регулярно, раз в несколько десятков – сотен тысяч — а иногда миллионов — лет, меняется направление магнитного поля. Во время смены полюсов космическое излучение может достигать поверхности. Это критично для нашей технократичной цивилизации. Активность светила может приводить к временным перебоям связи и электроснабжения. Сейчас почти нет данных об их периодичности и силе (а увеличение числа наблюдений в конце XX века напрямую объясняется тем, что сбои электроники легко заметны).

Самая мощная из известных вспышек на Солнце произошла 150 лет назад, в 1859 году, и привела к выводу из строя телеграфа, возгораниям и электрошокам операторов. Подобные вспышки происходят на Солнце регулярно, только с тех пор мы оказывались в стороне от потока частиц. Если мы снова окажемся на пути такого выброса — вся техника придёт в негодность.

Нам надо понимать работу магнитных полей, чтобы иметь возможность предсказать такие явления и принять хоть какие-то меры.

Зачем нужно отвечать на эти вопросы? Зачем нужна фундаментальная наука? После того как древний грек Эратосфен измерил радиус Земли, потребовалось ещё около полутора тысяч лет, чтобы первая известная нам кругосветная экспедиция смогла состояться. Сейчас это знание является основой всей торговли, пассажиро- и грузопотока мира. Наверное, и Ньютон, когда выводил закон всемирного тяготения, не представлял, что через пару сотен лет каждый человек сможет взять коробочку размером с пачку сигарет и узнать своё расположение на карте с точностью до пары метров. Сейчас учёные, которые занимаются Луной и магматическим океаном на ней, не могут сказать, когда это знание потребуется людям. Но, надо надеяться, человечество не перебьёт друг друга в очередной нелепой и бессмысленной войне, и всё-таки эти знания когда-то окажутся нужными.