Гипотеза Протолуны, её значение в энергетическом балансе Земли

Российский государственный  университет нефти и газа

имени И. М. Губкина

 

 

Кафедра общей и исторической геологии

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по геодинамике: Гипотеза Протолуны, её значение в энергетическом балансе Земли.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва,2013 г.

Содержание

 

Глава 1. Строение и состав Луны 2

Глава 2. Современное представление  о происхождении Луны 4

2.1. Гипотеза центробежного отделения 4

2.2. Гипотеза совместного формирования (совместной аккреции) 6

2.3. Гипотеза испарения 7

2.4. Гипотеза многих лун 8

2.5. Гипотеза столкновения 8

2.6. Гипотеза захвата 9

Глава 3. Гипотеза Протолуны 10

Глава 4. Влияние на термику  Земли и её взаимодействия с Луной   17

Список литературы 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Строение и состав Луны.

Земля  и  Луна  фактически  представляют  собой  систему  двойной  планеты.  Их влияние  друг  на  друга  сейчас  невелико,  хотя  и  вполне  заметно,  но  на  ранних  этапах развития этой системы оно было исключительно сильным, приводило к катастрофическим последствиям  и  радикальным  изменениям  хода  эволюции  обеих  планет.  Луна как спутник нашей планеты послужила тем спусковым механизмом,  который  запустил  и  существенно  активизировал  тектоническое  развитие молодой  Земли  в  самом  начале  архея.  Кроме  того,  Луна “раскрутила”  нашу  планету, определила  своей  орбитой  захвата  наклон  оси  ее  вращения,  а  с  этим  явлением,  как известно,  связаны  и  вся  климатическая  зональность  Земли,  и происхождение ее магнитного поля.

Особенности состава и строения Луны:

Сходства с Землей:

• Наряду с отмеченной аномалией содержания железа в Луне, составы ее базальтов удивительно  напоминают  составы  примитивных  базальтов  срединно-океанических хребтов  Земли.
• Кроме  того,  данные  по  изотопам  кислорода  также  говорят  в  пользу родственного происхождения Земли и Луны и отличного от них происхождения углистых  и  обычных  хондритовых  метеоритов.

 Различия:

• Обеднение железом,  сидерофильными  и халькофильными  элементами.  Судя  по средней плотности Луны (ρL =3,34 г/см3), она содержит лишь около 5% железоникелевой фазы (Рингвуд, 1982), или с учетом средней концентрации FeO в ее мантии – только около 13–14%  тяжелой  фракции.  Это  намного  меньше,  чем  среднее  содержание  соединений железа  в  недифференцированном  веществе  углистых  хондритов (28,6%) и  тем  более  в земном веществе – около 37%.
• Судя по изотопным отношениям свинца, Луна почти полностью потеряла весь первичный свинец (²⁰⁴Pb), а входящий сейчас в ее породы свинец практически полностью радиогенного  происхождения (т.е.  образовался за  счет радиоактивного распада урана и тория).
• Крайняя  степень дифференцированности вещества, приведшую к отделению силикатов от железа и к их значительному обеднению сидерофильными элементами. Такая полная дифференциация вещества  могла  происходить  лишь  в  теле  достаточно  крупной  и  обязательно расплавленной планеты.
• Плотность лунных горных пород составляет в среднем 3,343 г/см³ , что заметно уступает средней плотности для Земли (5,518 г/см³). Это различие связано главным образом с тем, что уплотнение вещества с глубиной проявляется на Земле значительно заметнее, чем на Луне.
• Имеются и различие в минералогическом составе лунных и земных пород: содержание оксидов железа в лунных базальтах на 25%, а титана – на 13% выше, чем в земных. «Морские» базальты на Луне отличаются повышенным содержанием оксидов алюминия и кальция и относительно более высокой плотностью, что связывают с их глубинным происхождением.
• Луна практически не обладает собственным дипольным магнитным полем, оно в 10⁷ раз меньше, чем у Земли.

Во многих отношениях Луна весьма отличается от Земли, в первую очередь, химическим составом: практически нет воды, малое содержание летучих элементов и соединений. Лунные породы дают основание полагать, что Луна подверглась полному расплавлению, в отличие от Земли. Плотность Луны сравнима с плотностью земной мантии, у неё практически отсутствует железное ядро. Однако обнаружено и большое сходство Земли и Луны. Радиоизотопный анализ показывает, что оба небесных тела имеют примерно одинаковый возраст: около 4,5 млрд лет. Соотношение стабильных изотопов на Луне и на Земле совпадает, сильно отличаясь от такого соотношения у всех известных метеоритов. Это свидетельствует о том, что Земля и Луна сформировались по соседству - из вещества, находившегося на одинаковом расстоянии от Солнца в протопланетном облаке.

Строение  Луны:

Слой	Местоположение	Состав/особенности
Анортозитовая кора	От 60 до 100 км	Анортозит -интрузивная магматическая горная порода группы габбро.
Верхняя мантия	Мощность 400 км	Пироксен-оливин
Средняя мантия		Снижение скоростей упругих  колебаний. Концентрируются очаги  глубокофокусных лунотрясений. Изменение  химического и минерального состава.
Нижняя мантия	Глубже 1100 км	Не пропускает поперечные волны из очагов лунотрясений. Вещество недр находится в состоянии, близком  к температуре плавления ( 1500) или находится в частично расплавленном состоянии.
Ядро		Практически отсутствует.

 

 

Глава 2. Современное  представление о происхождении  луны.

Несмотря на существование  ряда достоверных фактов о составе  и строении Луны, вопрос о её происхождении  остается открытым.

Точки зрения на происхождение Луны:

• Система Луна-Земля возникла в самом начале жизни планет из одного газопылевого облака.
• Луна образовалась далеко от  Земли.
• Луна-часть Земли, образовалась, когда Земля была огненного жидким телом. Образовалась, когда был вырван кусок материи, который впоследствии стал Луной.
• Луна образовалась в результате косого удара, при столкновении крупного космического тела с Землей.

 Наиболее распространенными являются следующие гипотезы.

 

1. Гипотеза центробежного отделения.

Гипотеза отделения Луны от Земли впервые выдвинул Джордж Дарвин, сын знаменитого Чарльза  Дарвина, в 1878 году. Он предположил, что  после образования молодой Земли  она вращалась с очень высокой  скоростью. Под действием центробежных сил планета стала настолько  вытянутой  по экватору, что от неё оторвался крупный кусок вещества (возможно этому способствовали приливные силы солнца). Из этого вещества впоследствии образовалась Луна. Эту гипотезу поддержал в 1882 году геолог Осмод Фишер: по его мнению, бассейн Тихого океана образовался именно на том месте, где оторвалась от Земли будущая Луна. Гипотеза Дарвина-Фишера приобрела большую популярность и оставалась общепринятой в начале XX века.

Рис.1. Образование Луны, вследствии удара крупного небесного тела, величиной с Марс. (Источник:  http://astronom-ntl.narod.ru/astro/soulsys/moon.htm)

Аргументы за и против.

Отрыв вещества от чрезмерно  растянутого экваториального выступа  хорошо объясняет имеющийся размер Луны. Этой гипотезе так же хорошо соответствует  и меньшая плотность Луны, поскольку  она соответствует плотности земной материи. Современные данные подтверждают и факт более быстрого вращения Земли в далёком прошлом. Однако, требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерного отрыва скорость вращения чрезмерно велика ( один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был превышать нынешний момент импульса системы Земля-Луна ( который и без того необычно высок). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение. Дефицит летучих элементов в лунном веществе не вписывается в данную гипотезу. К тому же, современная теория тектоники литосферных плит считает, что тихоокеанский бассейн в его нынешнем виду существует всего около 70 миллионов лет, и никак не мог образоваться при отрыве вещества от Земли.

2. Гипотеза совместного формирования ( совместной аккреции).

Впервые подобную гипотезу представил Иммануил Кант в труде  по космогонии, в 1755 году. Он  предположил, что все небесные тела появились  в результате сжатия пылевого облака, а Луна и Земля  сформировались вместе , из одного пылевого сгустка: сначала Земля, потом , из оставшегося вещества, Луна. Большим сторонником гипотезы совместной аккреции был знаменитый астроном Эдуард Рош. В Советском Союзе гипотезу коаккреции активно разрабатывала школа О.Ю. Шмидта (В.С. Сафронов, Е.Л. Рускол и др.). До 1970-х годов гипотеза совместной аккреции считалась наиболее проработанной.

Гипотеза предполагает, что  Земля и Луна просто «выросли»  на одной орбите как двойная планета, из первоначального протопланетного  роя твердых частиц.  Первой начала формироваться прото-Земля. Когда  она набрала достаточную массу, частицы из протопланетного роя  захватывались её притяжением и  начинали вращаться вокруг зародыша планеты по самостоятельным эллиптическим орбитам. Из этих частиц образовался собственный околопланетный рой. Частицы роя сталкивались между собой, некоторые теряли скорость и падали на прото-Землю. Орбиты других усреднялись между собой-рой приобретал орбиту, близкую к круговой. Затем из этого роя начали формироваться зародыши будущего спутника, Луны.

Аргументы за и против.

Если Луна и Земля формировались  в непосредственной близости, то идентичность кислородо-изотопного соотношения  легко объясняется. Но тогда непонятны отличия в плотности двух тел, а также дефицит железа и летучих компонентов на Луне.

Но всё же трудно представить, что два тела образовались из одного орбитального слоя вещества, но при  этом всё железо сосредоточено в  одном из них, а второе остается практически  без него.

Сторонники гипотезы объясняют  это тем, что куски вещества роя  при столкновениях дробились, затем  тяжелые частицы выпадали на Землю, а силикатная пыль оставалась на орбите. Такое объяснение вряд ли можно признать удовлетворительным: для этого практически  все частицы роя должны были разрушиться до состояния пыли.

Сходным образом в этой гипотезе объясняется дефицит летучих  веществ – они испарялись при  столкновениях и дроблениях частиц роя. Но для этого частицам пришлось бы сталкиваться на высоких относительных  скоростях, а ведь все они, как  предполагалось, обращались в одном  направлении. Притом, аналогичный процесс  должен был бы происходить и при  формировании Земли и других планет земной группы, но результатов этого  не наблюдается.

Эта гипотеза также не смогла дать вразумительного объяснения ни большому моменту импульса системы  Луна-Земля, ни наклону лунной орбиты в 5̊ к плоскости земной орбиты.

3. Гипотеза испарения.

В 1955 году Эрнст Юлиус  Эпик выдвинул гипотезу, соединяющую  гипотезы центробежного разделения и совместного образования. По его версии, прото-Земля, окруженная кольцом бомбардировавших её каменных частиц, от постоянных ударов разогрелась до высокой температуры- около 2000 . Значительные массы вещества были выпарены назад, в околоземное пространство. Солнечный ветер сдул летучие элементы, а более тяжелые компоненты сконденсировались и соединились с материалом вращающихся колец, которые затем слились в один большой кусок вещества-Луну. Если нагревание Земли произошло на поздней стадии её формирования, то к этому времени тяжелые железные породы уже опустились в ядро, а содержание железа в поверхностных слоях Земли было значительно меньше первоначального.

Аргументы за и против.

Гипотеза объясняет данные о химическом составе Луны, но не может разрешить ни проблему высокого углового момента импульса, ни проблему наклона Лунной орбиты. Геологические  данные также не подтверждают столь  сильный разогрев Земли на стадии формирования: состав пород земной коры свидетельствует, что Земля  никогда не была полностью расплавлена.

4. Гипотеза многих лун.

Гипотезу образования  одной большой луны из нескольких спутников представили в 1960-х годах Томас Голд и Гордон Макдональд. Их основная мысль состояла в том, что Земле гораздо проще было бы захватить по отдельности несколько пролетавших мимо небольших небесных тел, чем одно крупное. Если Земли «поймала» от 6 до 10 мелких лун, то их орбиты в дальнейшем могли изменяться приливными силами. На протяжении примерно миллиарда лет луны могли сталкиваться друг с другом, а из их обломков сформировалась бы Луна.

Аргументы за и против.

Неправдоподобно выглядит сама гипотеза захвата Землей большого количества спутников с их последующим разрушением. Марс имеет два небольших спутника ( Фобос и Деймос), которые до сих  пор существуют на околомарсианских орбитах. Венера, масса которой близка к земной, вообще не имеет спутников, как и Меркурий.

Эта гипотеза также не объясняет  разный изтопно-кислородный состав Земли и Луны.

5. Гипотеза столкновения.

Гипотеза столкновения была предложена Уильямом Хартманом и Дональдом Дэвисом в 1975 году. По их предположению, протопланета ( её назвали Тейя) размером примерно с Марс столкнулась с прото-Землей на ранней стадии её формирования, когда наша планета имела примерно 90% нынешней массы. Удар пришелся не по центру, а под углом ( почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60000 км. Земля в результате получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Аргументы за и против.

Гипотеза столкновения в  настоящее время считается основной (больше среди западных ученых), поскольку она хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также физические параметры системы Луна-Земля. Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, относительно невысокая скорость) такого крупного тела с Землей. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа (это точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, на которое не действуют никакие другие силы, кроме гравитационных сил со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел) системы Земля-Солнце. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.