Лантаноиды

Ce 58 140,12 Церий

Pr 59 140,90 Празеодим

Nd 60 144,24 Неодим

Pm 61 [147] Прометий

Sm 62 150,35 Самарий

Eu 63 151,96 Европий

Gd 64 157,25 Гадолиний

Tb 65 158,92 Тербий

Dy 66 162,5 Диспрозий

Ho 67 164,93 Гольмий

Er 68 167,26 Эрбий

Tm 69 168,93 Тулий

Yb 70 173,04 Иттербий

Lu 71 174,97 Лютеций

Актиноиды

Th 90 232,03 Торий

Pa 91 231,03 Протактиний

U 92 238,02 Уран

Np 93 237,04 Нептуний

Pu 94 244,06 Плутоний

Am 95 243,06 Америций

Cm 96 247,07 Кюрий

Bk 97 247,07 Берклий

Cf 98 251,07 Калифорний

Es 99 252,08 Эйнштейний

Fm 100 257,09 Фермий

Md 101 258,09 Менделеевий

No 102 259,10 Нобелий

Lr 103 260,10 Лоуренсий

• Солнце и планеты солнечной системы образовались в космических временных рамках одновременно из вращающейся газопылевой туманности (гипотеза Канта-Лапласа)

• Вещество планет возникло из материи «выброшенной» Солнцем (гипотезы: Бюффона, Чемберлена-Мультона, Джинса-Джефриса, Фесенкова).

• Планеты солнечной системы образовались из газопылевой туманности захваченной Солнцем (гипотеза Шмидта).

Наиболее вероятной представляется гипотеза Канта-Лапласа. Считается, что 98% массы первичного досолнечного облака нашей звездной системы было представлено атомами (прежде всего водородом и гелием), а 2% - космической пылью из ледовых (водяных, углекислых, метановых, аммиачных и др.), каменистых (в основном силикатных и оксидных) и железоникелевых образований.

Первичное облако (небула) изначально вращалось и при этом сжималось. Так как центробежные силы препятствовали сжатию в экваториальной плоскости, облако приобрело сплюснутую форму. При сжатии скорость вращения постоянно возрастала, и в центре первичного облака образовался сгусток, который постепенно разогревался, что обуславливало конвекцию тепла от центра небулы к периферии. Космическое излучение ионизировало облако до состояния плазмы¹⁵. Сила Кориолиса¹⁶ закручивала конвекционные потоки¹⁷ плазмы в спирали против направления вращения. В целом небула напоминала соленоид, генерировавший магнитное поле. Магнитные силовые линии «армировали» туманность, обуславливая ее вращение как единого целого.

Английский астрофизик Ф. Хойл предположил, что при превышении критической температуры и массы вещества в центре туманности произошел распад небулы на Протосолнце и периферийный газопылевой диск с ничтожно малой плотностью. В Протосолнце сосредоточилась почти 99,9% массы первичного облака, при незначительном моменте количества движения. Остаток вещества образовал газопылевой диск, на который приходилось 98% начального момента количества движения туманности. Величина силы Кориолиса, на медленно вращающемся Протосолнце, была весьма незначительна, поэтому потоки плазмы перестали закручиваться в спирали, генерация единого магнитного поля в туманности прекратилась. Протосолнце сжималось и разогревалось, и когда температура в его ядре достигла миллионов градусов, началось термоядерное «горение» водорода, а Протосолнце превратилось в настоящую звезду – Солнце.

При разрушении небулярного соленоида (рис. 2) напряженность магнитного поля в газопылевом диске на краткий по космическим масштабам момент времени (тысячи лет) резко возросла. В диске возникли круговые электрические токи, и диск распался на отдельные независимо вращающиеся кольца. Кольца перетягивались магнитными силовыми линиями, образуя стяжения – глобулы¹⁸. По мере увеличения массы протопланетных сгустков и уменьшения степени ионизации происходило уплотнение вещества.

Рис. 2 Небула в режиме ротационной неустойчивости (по А.П. Никонову)

Распределение атомов в небулярном соленоиде определялось их склонностью к ионизации. Атомы с высоким потенциалом ионизации (металлы и металлоиды - черные точки на рис. 2) концентрировались близ Протосолнца, а с низкой склонностью к ионизации (неметаллы - кружки на рис. 2) распространялись дальше от центра системы. Поэтому ближайшие к Солнцу планеты (земной группы) отличаются от состава дальних планет группы Юпитера.¹⁹

Описанная модель распределения химических элементов при образовании планет позволяет оценить исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли (табл. 2). Почти 60% всех атомов в этой зоне составлял водород. Водород обладает рядом уникальных свойств: он мигрирует через твердые тела; многие металлы под давлением способны поглощать значительное количество водорода с образованием твёрдых растворов, сохраняющих кристаллическую структуру металла, и имеющих плотность, значительно превышающую плотность самого металла. Это происходит потому, что атомы металла, вступая в химическую связь с водородом, теряя внешнюю электронную оболочку, превращаются в ионы, имеющие значительно меньший объем²⁰. При нагревании гидрид распадается на водород и металл, объем которого превышает исходный объем гидрида.

Таблица 2

Состав вещества в зоне формирования Земли

Элемент	% от общего числа атомов	% от общей массы	% в Земле	% в земной коре
Кремний	19,5	45	15,2	30,5
Магний	15,5	31	12,7	1,4
Железо	2,5	12	34,6	3,5
Кальций	0,9	3	1,1	2,9
Алюминий	1,0	2	1,1	7,8
Натрий	0,7	1,5	0,6	2,5
Кислород	0,6	1,0	29,5	47,2
Углерод	0,03÷0,3	0,03÷0,3
Сера	0,01÷0,1	0,03÷0,3	1,9
Азот	<0,01	<0,01
Водород	59	4,5

Начальная плотность глобулы не превышала 1,5 г/м³. Энергия гравитационного сжатия расходовалась на создание химических связей водорода с металлами, а разогрев вещества при его конденсации не превышал критических значений для распада гидридов. Затем согласно гипотезе В.Н. Ларина²¹ тепло распада трансурановых элементов в недрах Протоземли обусловило смену эндотермической генерации гидридов на экзотермическую реакцию их разложения в области относительно низких давлений. Объем Земли за счет распада металлогидридов в внешней части ядра стал увеличиваться и этот процесс продолжается по настоящее время²².

Водород из ядра, проходя через вещество Протоземли, вступал в восстановительные реакции и способствовал перемещению к поверхности различных химических элементов (прежде всего кислорода). В результате этого процесса протопланета расслоилась на ряд геосфер. В центре находится тяжелое и плотное внутреннее ядро из гидридов (в основном кремния и магния)²³. Его окружает внешнее ядро наводороженных металлов, которые при больших давлениях обладают пластичными свойствами, далее следует нижняя мантия (металлосфера²⁴), перекрытая силикатно-окисной оболочкой - литосферой.

Ранее считали, что планеты земной группы возникли при слиянии (аккреции) макроскопических космических тел и первоначально представляли собой силикатно-железо-никелистые агрегаты, которые разогрелись благодаря распаду радиоактивных элементов до такой степени, что металлические частицы расплавились и «стекли» к центру масс, образовав металлические ядра²⁵, а более легкий и не подвергавшийся плавлению «силикатный» материал остался на периферии, образовав мантию. В ядре Земли температура, согласно этим представлениям, превышает 4000°С, а давление около 3000 т/см². При этом роль 98% вещества небулы в формировании планет несущественна, а макроскопические космические тел концентрировались на ее периферии.

Предположение о железо-никелистом ядре были сделаны по принципу аналогии: железо – устойчивый, тяжелый, магнитный и распространенный химический элемент. Однако при давлениях, действующих в центре Земли, плотность железа будет существенно больше плотности земного ядра. Железо-никелистые метеориты, которые отождествляют с веществом ядра Земли, не содержат других элементов в количествах необходимых для компенсации избыточной плотности гипотетического железо-никелистого ядра. В недрах Земли кроме значительных давлений действует еще и высокая температура, а при нагреве свыше 769°С железо утрачивает ферромагнитные свойства (точка Кюри). Данные сейсмического зондирования показали, что скорость прохождения сейсмической волны через ядро и железо близки. Но не все подобное тождественно. Так, например, скорость прохождения сейсмической волны через лунный грунт (реголит) и швейцарский сыр одинаковы…

Планеты, имеющие значимые гравитационные поля, обладают атмосферой. Первоначально атмосферы Венеры, Земли и Марса видимо состояли главным образом из углекислого газа. В отличие от Венеры и Марса физические условия на поверхности Земли позволяют воде существовать в жидкой фазе. На Венере для этого слишком жарко (средняя температура у поверхности 480°С), а на Марсе слишком холодно (средняя температура -55°С). С образованием на Земле водоемов, углекислый газ стал растворяться в воде, образуя углекислотные осадки (в последующем карбонатные породы). Постепенно практически весь углекислый газ был удален из земной атмосферы, и роль ведущего газа в ней перешла к азоту. С появлением фотосинтезирующих растений в земной атмосфере накопилось значительное количество кислорода. Современная атмосфера Земли имеет азотно-кислородный состав, в отличие от углекислых атмосфер Венеры и Марса.

Ближайшей космический сосед Земли, ее спутник - Луна наиболее хорошо изученный объект космоса. Луна исследована десятками автоматических станций. Шесть раз (в 1969-72 гг.) на Луну высаживались астронавты. С поверхности и скважин глубиной до 3 м отобрано и доставлено на Землю 5 т лунных горных пород.

Луна обращается вокруг Земли по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384400 км (~60 радиусов Земли). Масса Луны составляет 73,510¹⁸ т (1,23% массы Земли). Систему Земля—Луна корректно рассматривать как двойную планету с общим центром масс, отстоящим от центра Земли на 4,7 тыс. км.

Притяжение Луны создаёт приливные явления в атмосфере, водной оболочке и литосфере.²⁶ Приливные волны перемещаются при вращении Земли. Приливы в земной коре имеют амплитуду до 43 см, в открытом океане для воды до 1 м. Многократное изменение состояний горных пород при приливах приводит к необратимому изменению их свойств, одним из проявлений этого является планетарная трещиноватость. Трение, сопровождающее движение приливов, приводит к потере системой Земля—Луна энергии и передаче момента количества движения от Земли к Луне. Вращение Земли замедляется, а Луна удаляется от Земли, при этом центр общих масс соответственно смещается к центру Земли. В результате увеличения радиуса Земли и взаимодействия с Луной продолжительность суток возрастает на 0,57 сек. за столетие. По месячным и годичным кольцам роста у ископаемых кораллов установлено, что период вращения Земли вокруг оси увеличивается (450 млн. лет назад длительность суток составляла 21,9 час, а в году было 400 дней).

Из-за приливного взаимодействия вращение Луны вокруг своей оси синхронизировано с вращением вокруг Земли, и Луна постоянно обращена к Земле одной стороной. На видимом с Земли полушарии Луны выделяются светлые и темные области. В начале XVII в. Г. Галилей установил, что темные области Луны («моря») имеют ровную поверхность, тогда как светлые области («континенты») изобилуют кратерами и горными хребтами.

Полагают, что первоначально вся поверхность Луны представляла собой сплошной «континент». «Континентальная» кора Луны сложена кристаллическими горными породами (анортозитами). Луна на раннем этапе развития подвергалась интенсивной метеоритной бомбардировке, в результате чего оказалась изрыта метеоритными кратерами. На завершающих этапах метеоритной бомбардировки Луна претерпела удары очень крупных тел, в результате которых возникли глубокие разломы, из которых излились базальтовые лавовые покровы. Видимо свою роль сыграло и притяжение Земли. Так образовались сравнительно ровные лунные «моря».

На невидимой стороне Луны нет крупных «морей», поверхность образует «континент». Американские сейсмические станции позволили установить, что поверхностная оболочка (кора) Луны асимметрична: на видимой стороне она имеет мощность около 60 км, а на обратной около 200 км²⁷. Энергии метеоритов падающих на обратную сторону не хватало, чтобы пробить лунную кору.

В геологическом плане Луна не мертва. На Луне зафиксированы слабые лунотрясения, эпицентры которых располагаются вдоль линий, очевидно маркирующих крупнейшие разломы. «Сейсмоактивные» зоны на Луне пространственно примерно совпадают с теми районами, где астрономы не раз наблюдали быстротечные истечения газов, которые можно интерпретировать как выходы вулканических газов.

Луна хранит массу загадок. Анортозиты - горные породы, на значительных площадях залегающие непосредственно на поверхности Луны, могли образоваться только при условии кристаллизации под покровом плотной внешней среды. Что представляла собой и куда делась эта внешняя среда неизвестно. Обнажения анортозитов свидетельствуют о существенных вертикальных перемещениях лунной коры, а также о значительной эрозии, либо о процессах пока нам неизвестных. Представления о других космических объектах следует составить самостоятельно.²⁸

Ключевые слова

1. Галактика. 2. Звезда. 3. Планета. 4. Химический элемент.

Вопросы для самопроверки

1. В чем состоит суть античных представлений о Вселенной?

2. Согласуется ли гипотеза Коперника с современными представлениями о строении Метагалактики?

3. В какой галактике находится Солнечная система?

4. Каков примерный возраст Метагалактики?

5. В каких известных формах находится вещество во Метагалактике?

6. Сколько химических элементов образует вещество Солнечной системы?

7. Как объясняют космогонические гипотезы происхождение планет Солнечной системы?

8. Чем определяется распределение химических элементов между планетами Солнечной системы?

9. Каков наиболее вероятный химический состав ядра Земли?

10. Где расположен центр масс системы Земля-Луна?