Рабочие гипотезы о развитии и строении Земли

Гипотеза «горячего» происхождения ( по Канту, Лапласу )

Немецкий философ Иммануил Кант и несколько позднее французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас выдвинули гипотезу возникновения планет Солнечной системы. Они полагали, что до образования Солнечной системы существовала туманность, состоящая из отдельных движущихся частиц или газа. В результате сжатия туманности она постепенно раскалялась. Ее вероятная начальная температура могла быть порядка 1000…1600°К. Далее вращающаяся раскаленная туманность приобрела сплюснутую форму. Затем при увеличении скорости вращения от нее постепенно отделились слои вещества и образовали ряд колец. Каждое из них под действием сил взаимного притяжения слагавших его частиц постепенно превратилось в шаровидное тело – планету. Сначала планеты были раскаленными, но потом, по мере излучения тепла в мировое пространство, стали остывать. Центральная часть туманности после сжатия и отделения от нее ряда колец стала Солнцем.

По гипотезе Канта и Лапласа земное ядро должно быть огненно-жидким, а земная кора – продукт остывания некогда огненно-жидкого шара в виде шлака.

Впоследствии эта гипотеза вошла в противоречие с другими астрономическими и геологическими фактами в том числе с геохимическими данными о возрасте Земли, который оказался значительно больше времени, необходимого для остывания земного шара (как показали позднейшие расчеты, теплосодержание расплавленной Земли должно было составлять около 3·10³¹ Дж).

Вообще, решение нахождения температуры сводится к решению уравнения теплопроводности в сферических координатах. В случае простого варианта, когда

χ=Const, ρ=Const, с=Const и источники тепла однородно распределены на глубине, уравнение принимает вид:

(1)

где r - плотность пород, г/см³; с – удельная теплоёмкость, дж/(кг·град); χ – коэффициент теплопроводности, вт/(м·град); - тепловая диффузия, м²/с; t – время; Р – генерация тепла в единице объема, кал/(см³·с); Т – температура, град. С.

Решение этого уравнения при Т (0,t) = 0 и Т (r,0) = 0 получено в удобной для вычисления формуле (Любимова, 1952):

(2)

где

Решение (2) приемлемо для рассмотрения начальных стадий развития Земли до наступления заметной дифференциации, при которой происходит перераспределение Р по радиусу. Однако на более поздних стадиях развития оно не применимо, так как нельзя χ даже грубо считать постоянным.

Термическая история Земли с учётом переменной теплопроводности и перераспределения источников по глубине исследовалась рядом авторов (Левин и Маева, Любимова, Mac Donald и др.). Основные результаты этих исследований показывают исключительно большую зависимость получаемых выводов от принятой интенсивности источников Р, от закона их перераспределения по глубине, от принятой теплоёмкости с, от коэффициента поглощения λ и от возраста Земли.

Гипотеза холодного происхождения ( по О.Ю. Шмидту )

Космогоническая гипотеза (космогония – наука о происхождении и развитии небесных тел и их систем) образования планет разработана коллективом советских ученых под руководством академика О.Ю. Шмидта. По этой гипотезе планеты возникли из облаков космической пыли, которая обращалась некогда вокруг Солнца. По определению О.Ю. Шмидта Земля возникла как холодное тело (70⁰К, или t⁰C=70⁰ К-273.15⁰К≈-200⁰С), поэтому земная кора вовсе не «шлак», который появился на поверхности раскаленной жидкой массы земного шара, а выплавлена из нее. Со временем она стала нагреваться в результате различных, прежде всего радиоактивных, процессов. При этом дальнейшая история Земли будет соответствовать гипотезе горячего происхождения.

Расплавленная Земля дифференцировалась на кору, мантию и железное ядро.

В каждой из этих оболочек благодаря выносу тепла конвекцией установилось адиабатическое распределение температуры (см. рис. I.2).

Рис.I.2

Когда адиабата встретит кривую плавленияв точке В и одновременно в С, то начнётся затвердение оболочки, что сразу приведёт к резкому снижению оттока тепла из области глубже точки В. Между точками В и С остаётся область расплавленного ядра Земли.

Дальнейшая история Земли определяется уже только переносом тепла через теплопроводность и генерацией тепла. В этом случае для оценки температуры верхних частей Земли исходным является уравнение теплопроводности (в случае одномерной задачи):

(1)

Если положим U = T - T_o, где Т_о = const (температура на поверхности Земли), то (1) преобразуется в следующее уравнение:

(2)

где h² - тепловая диффузия.

Решение (2) даёт возможность вычислить остывание Земли Θ:

, (3)

где начальные условия: Θ(z,0) = Θ_m(z), Θ (0, t) = 0°C, Θ(∞, t) ≠ ∞.

Полагая h² = 0,01 см²/сек, получаем 2h √ t ≈ 800 км для t = 5∙10⁹ лет.

Отсюда видно, что остыванием на глубинах больше 800 км за всё время существования Земли можно практически пренебречь.

Некоторые замечания автора по развитию Вселенной и “черных дыр”

Будем исходить из общепринятой модели Г.А. Гамова, что Вселенная образовалась в результате взрыва суперадрона, представляющего собой перед взрывом квазиточку чрезвычайно малого размера и чрезвычайно высоких плотности и температуры. После взрыва по истечении времени 10^-44 с суперадрон имел уже иные размеры – 10^-33 см в диаметре (2R₀), плотность (s₀)»10⁹³ г/см³ и температуру (Т₀)»10^{33 0}К. Следовательно, исходя из инерциальной системы отсчета мира, представляется возможным вычислить массу первоначально расширяющейся шароподобной Вселенной по формуле:

Подставляя в (1) значения R₀ и s₀, получим М₀» 0.52×10^-6 г. Это принципиально противоречит известным данным, зная, что астрофизиками подсчитана общая масса Вселенной (М_Вс), которая в сумме составляет 10⁵⁶ г скрытого вещества (М_скр) и 10⁵⁴ г видимого вещества (М_вид), т.е. М_Вс = М_скр+ М_вид = 1.01×10⁵⁶ г. Отсюда, если возьмем отношение М_Вс/М₀, то получим в 1.92×10⁶² раз современная Вселенная по массе превышает первоначальную Вселенную. Но такое возможно в случае равенства их импульсов тел:

при условии, если рассматривать массу последней М₀ не как инерциальную, а как релятивистскую М₀(v_p). В этой ситуации существующий недостаток массы М₀ компенсируется величиной скорости ее движения, близкой к скорости света. Найдем эту массу из следующего выражения:

Но здесь нам не известна начальная скорость расширения Вселенной V_p. Предположим, что она все еще близка к современной максимальной скорости расширения Вселенной. Последняя (V_p) в настоящее время может характеризоваться, если исходить из закона Хаббла, скоростью движения самых удаленных Галактик, определяемой несколькими десятками тысяч км/с.

Тогда для расчета релятивистской массы первоначальной Вселенной, подставив в (3) V_p, равную близкой к 1×10⁵ км/с, а с=3×10⁵ км/с, получим М₀(V_p)=0.55×10^-6 г. Как видим, последняя принципиальных изменений не претерпела.

С другой стороны, реальные скорости Галактик в настоящее время колеблются в пределах 75 км/с – первые сотни км/с, что позволяет применить закон сохранения импульса для инерциальных масс, взяв за среднюю скорость расширения Вселенной V_Вс 200 км/с. Тогда, подставив в (2) соответствующие величины, получим скорость суперадрона V₀=3.67×10⁶⁴ км/с, которая, как видно, превышает скорость света в 1.22×10⁵⁹ раз. Но, подставим в (3) вместо V_p скорость, близкую к свету 2.99999×10⁵ км/с, и взяв М₀, равное 0.52×10^-6 г, получим для М₀(V_p) величину, равную 2.01×10^-4 г. Теперь из формулы (2) найдем V₀:

,

т.е. все равно получаем скорость, невероятно превышающую скорость света.

Следовательно, проведенные расчеты наталкивают на мысль, что имеются, как минимум, три возможных варианта: либо плотность суперадрона существенно выше, чем 10⁹³ г/см³, либо его размеры существенно больше, чем 10^-33 см, либо скорость света не является фиксированной величиной и уменьшается с расширением Вселенной. Допуская, что рассчитанная астрофизиками плотность суперадрона ближе к реальной, а его размеры не точны, тогда, воспользовавшись формулой (1) для массы сферической формы М_Вс = 1.01×10⁵⁶ г, найдем допустимый новый размер суперадрона при указанной плотности s₀»10⁹³ г/см³:

Как видно, новый размер суперадрона значительно превышает ранее вычисленный в 5.77×10²⁰ раз. Тем не менее, в принципе размеры нашей Метагалактики в какой-то период ее развития (в один из моментов фазового перехода от сжатия к расширению) являются крайне малыми и укладываются в понятие квазиточки.

Как выше указывалось, при взрыве суперадрона, как и при любом обычном взрыве, образуются в основном осколки различных размеров, разлетающихся по радиусам сферы также с различными скоростями. Очевидно, развитие Вселенной происходило одновременно по трем основным направлениям: часть из них прошла путь (согласно принятому большинством исследователей космогоническому представлению): ионизированная плазма, фотоны при высочайшей температуре → нейтральный газ (газовые облака, туманности) при полностью сниженной температуре → космические объекты (галактики, звезды, планеты и др.) за счет гравитационной неустойчивости, ударных волн. Другая часть развивалась из осколков, постепенно остывая и расширяясь до современных размеров галактик, звезд, возможно, планет. И третья часть, состоящая из осколков с сохранением размеров прежних порядков. Эти осколки и являются, по-сути, черными дырами, постепенно наращивающими свои массы.

,

где М_С=2·10³³ г, s₀ =10⁹³ г/см³.

В предположении, если старая звезда имеет массу 10·М_С, то начальный радиус ее осколка R_010C в момент взрыва был близок к 1.68·10^-20 см. Для упоминаемой выше недавно обнаруженной старой планеты, названной учеными "Мафусаилом" - в честь библейского патриарха, прожившего 969 лет, начальный радиус R_0п мог составлять порядка 1.04·10^-21 см.

Из расчетов начальных радиусов различных по массам космических тел следует, что их размеры в любом случае всегда значительно меньше вновь вычисленного радиуса суперадрона (R₀,R_010C,R_0п<<R₀¹) и число таких объектов составляет около 7 порядков (≈10⁷). Если считать, что в результате Большого взрыва образовалось 10^11…14 галактик с общим числом в них звезд 7·10²², то подсчитанных 10⁷ старых космических объектов явно недостаточно для нашей Вселенной. Отсюда возможен вывод: либо принятая плотность суперадрона s₀ не точна и она может составлять величину на 20 – 30 порядков меньшую, либо еще заметно не доучтена масса “темной материи”. Тем не менее, несмотря на существующую погрешность при расчетах, обусловленных отсутствием точных знаний о параметрах суперадрона, концепция второго параллельного направления развития Вселенной не является противоречивой и объясняет причину существования и очень медленной плотностной эволюции старых звезд, представленных, в основном первичным материалом – водородом и нейтронами. О возможности такой медленной эволюции даже такого космического тела как планета Земля высказывался целый ряд исследователей. В частности, В.В. Кузнецов (Новосибирск, 1984) полагает, что Земля имела вначале высокую плотность порядка 30 г/см³ и соответственно малые размеры, а затем, постепенно разуплотняясь, достигла современных размеров.

И, наконец, что касается третьего параллельного пути развития Вселенной ─ существующих осколков суперадрона, которые до сих пор принципиально не изменяют порядок своих размеров. По-сути, эти осколки и являются черными дырами. В последние годы относительно их появилось много новой информации в связи с постоянно поступающими открытиями с телескопа Хаббл.

Для специалистов черные дыры уже давно перестали быть фантастикой - астрономические наблюдения доказали существование как "малых" черных дыр (с массой порядка массы Солнца), которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, так и сверхмассивных (до 109 масс Солнца), которые явились результатом коллапса целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. Также в настоящее время идет поиск микроскопических черных дыр в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная обсерватория Pierre Auger, Аргентина), и даже предполагается "наладить производство" черных дыр на строящемся в CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) Большом адронном коллайдере LHC, который должен войти в строй к 2007 году.

Черные дыры невозможно увидеть, в частности, они поглощают не только космические тела (звёзды и звездные системы), но и световые волны. Поглощение космических тел происходит только в том случае, когда эти тела попадают на орбиту так называемого гравитационного радиуса дыры (радиуса Шварцшильда, равного R_s = 2GM/c², где G - гравитационная постоянная, M - масса объекта, c - скорость света). Или, выражаясь научным языком, черная дыра - это объект, искривляющий пространство-время в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с поверхности или изнутри черной дыры, даже по световому лучу. Иными словами, поверхность черной дыры - это граница пространства-времени, доступного нашим наблюдениям. Астрономы присутствие в космическом пространстве черных дыр вычисляют только по косвенным признакам.

Черных дыр пока известно немного, тем не менее ученые на основе анализа данных современных телескопов наращивают их число (возможны миллионы или миллиарды). Одна из них, не вызывающая сомнений по результатам наблюдений косвенных признаков ее присутствия, находится в созвездии Скорпиона и движется прямо в сторону Солнечной системы со скоростью 4·10⁵ км/час. Ученые пугают, что наша система, а вместе с ней и мы, человечество, погибнем. Но до этой черной дыры порядка 6·10³ световых лет (1 св. год = 9,46·10¹² км). Тогда расстояние до неё составит 56,76·10¹⁵ км. В год черная дыра проходит 35,04·10⁸ км (4·10⁵ км · 24 часа · 365 дней). Следовательно, черная дыра достигнет нашей Солнечной системы за 16,2·10⁶ лет. Она поглотит наше Солнце и планеты практически мгновенно. Действительно, немного осталось существовать земной цивилизации – 16,2 миллионов лет. Тем не менее, этот срок достаточен, чтобы до пришествия черной дыры с нашей системой произошли другие не менее разрушительные катастрофы, например, взрыв Солнца.

Природа черной дыры пока не совсем ясна, хотя астрофизики и полагают, что она зарождается в результате схлопывания - коллапса звезды, превращаясь из огромных размеров всего лишь в футбольный мяч. Следовательно, исходя из принципа тождественности сферы и точки, сколлапсировавшая звезда должна сохраняться на своей орбите, безусловно, перестраивая у себя структуру сопутствующих магнитных, радиационных, электрических и др. полей. Последние не обладают таким дальнодействием, как силы гравитации и поэтому, надо полагать, что они не способны заставить схлопнувшуюся звезду уйти с орбиты и затем наращивать массу путём поглощения встречающихся на своем пути сородичей. Кроме того известно, что звезды в границах своих галактик не “разбегаются”. Тем не менее, имеются путешествующие черные дыры. Последние, обладая чрезвычайно высокой гравитационной энергией, поглощают встречающиеся на своём пути звёзды и звёздные системы, тем самым постепенно увеличивая свою плотность (гравитационную энергию) и одновременно уменьшаясь (скорее всего) в размерах. Пересекаясь, они “пожирают” друг друга и так, очевидно, до тех пор, пока последняя мощная “черная дыра” не превратится в квазичастицу – новый суперадрон с конечно-бесконечным малым размером и конечно-бесконечной плотностью. Другая часть черных дыр, являющаяся более мощными осколками, представляет собой ядра галактик. Эти ядерные черные дыры удерживают звезды галактик от “разбегания”, а затем через многие миллиарды лет, поглотив все галактические звезды, превратятся в новые суперадроны, которые, взорвавшись, послужат началом эволюции новых вселенных в рангах галактик. Последние могут быть частными случаями, если следовать инфляционной теории А.Д. Линде.

Поиск по сайту: