Реферати українською » Математика » Походження Місяця. Російська концепція проти «американської»


Реферат Походження Місяця. Російська концепція проти «американської»

Страница 1 из 2 | Следующая страница

>Э.М. Галімов, академік,ГЕОХИ РАН

Проблема походження Місяця обговорюється у науковій літературі вже понад сто років. Її вирішення має значення розуміння ранню історію Землі, механізмів формування Сонячної системи, походження життя. До нашого часу була поширена гіпотеза виникнення Місяця результаті сутички Землі з великим тілом, розміром із Марс. Ця гіпотеза, висунута двома групами американських учених, вдало пояснювала дефіцит заліза на Місяці і динамічні характеристики системи Земля – Місяць. Проте вона зустрівся труднощами в поясненні деяких чинників, що всерйоз обговорюються цієї статті. Останніми роками російські вчені висунули й обгрунтували нову концепцію освіти Землі та Місяця – внаслідок фрагментації пилового згущення.

Кілька слів про з історії проблеми

З планет внутрішньої частини Сонячної системи, куди входять Меркурій, Венеру, Землю і Марс лише Земля має масивний супутник – Місяць. Супутники є й Марса:Фобос іДеймос, але ці невеликі тіла неправильної форми. Більший їх,Фобос, в максимальному вимірі всього 20 км, тоді як діаметр Місяця 3560 км.

Місяць і Земля мають різною щільністю. Це викликано як тим, що земля має великі розміри і, отже, її надра перебувають підб?льшим тиском. Середня щільність Землі, наведена до нормальному тиску (1атм) – 4.45г/см3, щільність Місяця – 3.3г/см3. Різниця обумовлена тим, що земля містить масивнежелезо-никелиевое ядро (з додатком легких елементів), у якому зосереджено 32% маси Землі. Розмір ядра Місяця залишається нез'ясованим. Але з урахуванням низької густини відвідин Місяця й обмеження,налагаемого величиною моменту інерції (0.3931) Місяць неспроможна утримувати ядро, перевершували 5% її маси. Найімовірнішим, з інтерпретації геофізичних даних, вважається інтервал 1–3%, тобто радіус місячного ядра становить 250–450 км.

На середину уже минулого століття сформувалося кілька гіпотез походження Місяця: відділення Місяця від Землі; випадковий захоплення Місяця на навколоземну орбіту;коаккреция відвідин Місяця й Землі з рою твердих тіл. Проблема донедавна вирішувалася фахівцями у сфері небесної механіки, астрономії іпланетофизики. Геологи ігеохимики у ній участі не приймали, оскільки склад Місяця на початок її вивчення космічними апаратами не було відомо.

Вже 30 рр. минулого століття засвідчили, що гіпотеза відриву Місяця від Землі,видвигавшаяся, до речі, Дж.Дарвиним, сином Ч. Дарвіна, неспроможна. Сумарний обертальний момент Землі та Місяця недостатній до виникнення навіть у рідкої Землі ротаційній нестійкості (втрата речовини під впливом відцентровій сили).

У 60-х роках рр. фахівці з галузі небесної механіки дійшли висновку, що захоплення Місяця на навколоземну орбіту – вкрай малоймовірне подія. Залишалася гіпотезакоаккреции, розроблена вітчизняними дослідниками, учнямиО.Ю. Шмідта В.С.Сафроновим і О.Л.Рускол. Її слабка сторона – нездатність пояснити різну щільність відвідин Місяця й Землі.Изобретались хитромудрі, алемалоправдоподобние сценарії того, як Місяць міг би втратити надлишкове залізо. Коли відомими деталі хімічної будови і складу Місяця, ця гіпотеза була остаточно відкинута. Саме середині 1970-х рр. з'явився новий сценарій освіти Місяця. Американські вченіА.Камерон і У. Ворд і водночас У.Хартман і Д. Девіс в 1975 р. запропонували гіпотезу освіти Місяця результаті катастрофічного сутички з Землею великого космічного тіла, розміром із Марс (гіпотезамегаимпакта). Через війну величезну масу земної матерію та частково матеріалу ударника (небесного тіла, яке зіштовхнеться з Землею) розплавилася і було викинуто на навколоземну орбіту. Скло швидко акумулювався в компактне тіло, який став Місяцем. Попри що здається екзотичність ця гіпотеза стала загальноприйнятої, оскільки він пропонувала найпростіше його вирішення цілого ряду проблем. Як показав комп'ютерне моделювання, з динамічної погляду,столкновительний сценарій цілком можна здійснити. Понад те, він надає пояснення підвищеному значенням кутового моменту системи Земля – Місяць, нахилу осі Землі. Легко пояснюється і більше низький вміст заліза в Місяці, оскільки передбачається, що катастрофічне зіткнення відбулася після освіти ядра Землі. Залізо виявилося у основному сконцентрованим в ядрі Землі, а Місяць утворилася з кам'яного речовини земної мантії.

>Рис. 1 – Зіткнення Землі з небесним тілом розміром приблизно від Марс, у результаті якого стався викид розплавленого речовини,образовавшего Місяць (гіпотезамегаимпакта).

Малюнок В.Є.Куликовского.

На середину 1970-х рр., коли на Землю доставили зразки місячного грунту, досить добре прокуратура вивчила геохімічні властивості Місяця, і її за низкою параметрів справді демонструвала непогане схожість із складом земної мантії. Тому такі серйознігеохимики, як А.Рингвуд (Австралія) і Х.Венке (Німеччина), підтримали гіпотезумегаимпакта. Взагалі, проблема походження Місяця з розряду астрономічних перейшла швидше, у розрядгеолого-геохимических, оскільки саме геохімічні аргументи стали вирішальними у системі доказів тій чи іншій версії освіти Місяця. Ці версії розрізнялися лише деталях: відносні розміри Землі та ударника, який був вік Землі, після зіткнення. А сама ударна концепція вважалася непорушною. Тим більше що деякі подробиці геохімічного аналізу ставлять під гіпотезу загалом.

Проблема «летючих» і ізотопногофракционирования

Питання дефіциту заліза на Місяці грав на вирішальній ролі під час обговорення походження Місяця. Інша фундаментальна проблема –сверхобедненность природного супутника Землі летючими елементами – залишалася затінена.

Місяць містить в багато разів менше K,Na та інших летючих елементів протиуглистимихондритами. Складуглистиххондритов сприймається як найближчий до початкового космічному речовини, з яких формувалися тіла Сонячної системи. Як «летючих» ми звично сприймаємо сполуки вуглецю, азоту, сірки і воду, які легко випаровуються при прогріві до температури100–200оС. При температурах300–500оС, особливо у умовах низьких тисків, наприклад, при поєднанні з космічним вакуумом, летючість властива елементам, які ми звичайно спостерігаємо у складі твердих речовин. Земля теж містить мало летючих елементів, але Місяць помітно збіднена ними навіть порівняно із Землею.

Здається у цьому немає нічого надзвичайного. Адже відповідність до ударної гіпотезою передбачається, що Місяць утворилася внаслідок викиду розплавленого речовини на навколоземну орбіту. Зрозуміло, що заодно частина речовини могла випаруватися. Усе добре пояснювалося, але одна деталь. Річ у тім, що з випаровуванні відбувається явище, званефракционированием ізотопів. Наприклад, вуглець і двох ізотопів12С і13С, кисень має три ізотопу –16О,17О і18О, елементMg містить стабільні ізотопи24Mg і26Mg тощо. При випаровуванні легкий ізотоп випереджає важкий, тому залишкове речовина має збагатитися важким ізотопом того елемента, який було втрачено. Американський учений Р. Клейтон з працівниками показав експериментально, що з що спостерігається втрати калію Місяцем ставлення41K/39K мала б змінитися у ній на 60‰ . При випаровуванні 40% розплаву ізотопне ставлення магнію (>26Mg/24Mg) змінилося на 11–13‰, а кремнію (>30Si/28Si) – на 8–10‰. Це дуже серйозні зрушення, з урахуванням, сучасна точність виміру ізотопного складу цих елементів буде не гірший 0.5‰. Тим більше що ніякого зсуву ізотопного складу, тобто будь-яких слідів ізотопногофракционирования летючих у речовині нема.

Виникла драматична ситуація. З одного бокуимпактная гіпотеза було проголошено непорушною, особливо у американської наукову літературу, з іншого – вона поєднується з ізотопними даними.

Р. Клейтон (1995 р.) зазначав: «Ці ізотопні дані несумісні майже з усіма запропонованими механізмами збідніння летючими елементами шляхом випаровування конденсованого речовини». Х. Джонс і Х.Палме (2000 р.) уклали, що «випаровування неспроможна розглядатися як механізм, що призводить збідніння летючими через непереборного ізотопногофракционирования».

Модель освіти Місяця

Упродовж десяти років тому я висунув гіпотезу, сенс якого стало те, що Місяць сформувалася не внаслідок катастрофічного удару, бо як подвійна система разом з Землею внаслідок фрагментації хмари частинок пилу. Так утворюються подвійні зірки. Залізо, яким Місяць збіднена, було втрачено разом з іншими летючими внаслідок випаровування.

>Рис. 2 – Формування Землі та Місяця із загального пилового диска відповідно до гіпотезою автора про походження Землі та Місяця як подвійний системи.

Та чи може насправді виникнути така фрагментація в тих значеннях маси, кутового моменту тощо, які має система Земля – Місяць? Це залишався невідомим. Кілька дослідників об'єдналися у групу з вивчення цієї проблеми. У неї ввійшли відомі фахівці з галузі космічної балістики: академік Т. М.Энеев, ще 70-ті рр. який досліджував можливість акумуляції планетних тіл шляхом поєднання пилових згущень; відомий математик академік В.П. М'ясников (на жаль, вже пішов із життя); великий фахівець у галузігазодинамики і суперкомп'ютерів член-кореспондент РАН А.В. Забродін; доктор фізико-математичних наук М.С.Легкоступов; доктор хімічних наук Ю.І. Сидоров. Пізніше до нас приєднався доктор фізико-математичних наук, фахівець у галузі комп'ютерного моделювання А.М. Кривцов з Санкт-Петербурга, котра внесла значний внесок у розв'язання проблеми. Наші зусилля спрямовані влади на рішення динамічної завдання освіти відвідин Місяця й Землі.

Однак втрати Місяцем заліза внаслідок випаровування, начебто, лежить у тому ж суперечності з відсутністю слідів ізотопногофракционирования на Місяці, як іимпактная гіпотеза. Насправді тут спостерігалося чудове відмінність. Річ у тім, що ізотопне фракціонування відбувається, коли ізотопи необоротно залишають поверхню розплаву. Тоді, внаслідок більшої рухливості легкого ізотопу виникає кінетичний ізотопний ефект (наведені вище величини ізотопних зрушень обумовлені саме цим ефектом). Але, можлива інша ситуація, коли випаровування відбувається у закритою системі. І тутиспарившаяся молекула може знову повернутися до розплав. Тоді встановлюється деяке рівновагу міжрасплавом і пором. Зрозуміло, що як леткі компоненти накопичуються в паровий фазі. Але те, що існує як прямий, і зворотний перехід молекул між парою йрасплавом ізотопний ефект виявляється дуже малим. Це –термодинамічний ізотопний ефект. При підвищених температурах може бутипренебрежимо малий. Ідея закритою системи неприйнятна до розплаву, викинутому на навколоземну орбіту йиспаряющемуся в космічний простір. Але вона відповідає процесу,протекающему в хмарі частинок.Испаряющиеся частки оточені своїм пором, і хмару загалом перебуває у умовах закритою системи.

>Рис. 3 –Кинетический і термодинамічний ізотопні ефекти: а) кінетичний ізотопний ефект при випаровуванні розплаву призводить до збагаченню пара легкими ізотопами летючих елементів, а розплаву – важкими ізотопами; б) термодинамічний ізотопний ефект, що виникає при рівновазі між рідиною і пором. Він то, можливопренебрежимо малий при підвищених температурах; в) закрита система частинок, оточених своїм пором.Испарившиеся частки здатні знову повертатися в розплав.

Припустимо тепер, що хмару стискається внаслідок гравітації. Відбувається його колапс. Тоді перейшовши на пару частина речовини вичавлюють із хмари, а решта частки виявляються збідненими летючими. У цьомуфракционирования ізотопів майже спостерігається!

Було розглянуто кілька рішення динамічної завдання. Найвдалішим виявилася модель динаміки частинок (варіант моделі молекулярної динаміки), запропонована А.М.Кривцовим.

Уявімо, що є хмару частинок, кожна з яких рухається відповідно до рівнянням другого закону Ньютона, як відомо, що включає масу, прискорення і сила, що викликає рух. Сила взаємодії між кожної часткою і всіма іншими частинкамиf включає кілька доданків: гравітаційна взаємодія, пружну силу, діючу при зіткненні частинок (проявляється на дуже малих відстанях), інеупругую частина взаємодії, у результаті якого енергія зіткнення перетворюється на тепло.

І було зробити деякі початкові умови. Рішення проводилося для хмари частинок, має масу системи Земля – Місяць, і який володіє кутовим моментом, що характеризує систему цих тіл. Насправді дані параметри для початкового хмари могли дещо відрізнятися як і велику, і у менший бік. З зручності комп'ютерного розрахунку, розглядалася двовимірна модель – диск з нерівномірно розподіленої поверхневою щільністю. З метою описати поведінка реально тривимірного об'єкта в параметрахдвумерной моделі вводилися критерії подоби з допомогою безрозмірних коефіцієнтів. Ще один умова: потрібно було приписати частинки крім кутовий якусь хаотичну швидкість. Математичні міркування й деяких інших технічні подробиці тут можна опустити.

Комп'ютерний розрахунок моделі, заснованої на наведених засадах і умовах, добре описує колапс хмари частинок. У цьому формувалося центральне тіло підвищеної температури. Проте чи було основного. Не відбувалася фрагментація хмари частинок, тобто виникало одне тіло, а чи не подвійна система Земля – Місяць. Власне кажучи, на цьому несподіваного був. Як згадувалося, спроби змоделювати освіту Місяця шляхом відриву від швидко обертовою Землі та раніше виявлялися безуспішними. Кутовий момент системиЗемля-Луна не вистачало потреби ділити загального тіла на два фрагмента. І це вийшло з хмарою частинок.

Проте докорінно змінилася, коли ухвалили до уваги явище випаровування.

Процес випаровування із поверхні частки викликає ефект відштовхування. Сила цього відштовхування зворотно пропорційна квадрату відстані відиспаряющейся частки:

де – коефіцієнт пропорційності, враховує величину потоку, яка випаровується із поверхні частки;m – маса частки.

Структура формули, що характеризуєгазодинамическое відштовхування, виглядає аналогічно вираженню для гравітаційної сили, якщо замість підставити - гравітаційну постійну. У принципі, повного подоби цих сил немає, оскільки гравітаційна взаємодія єдальнодействующим, а відразлива сила випаровування – локальної. Проте, у першому наближенні їх можна поєднати:

Звідси випливає якась ефективна стала', менша, ніж.

Зрозуміло, що зниження коефіцієнта призведе до появи ротаційній нестійкості з меншими значеннях кутового моменту. Питання, який може бути потік випаровування, щоб вимоги до початковій кутовий швидкості хмари знизилися настільки, щоб реальний кутовий момент системи Земля – Місяць, вистачило до появи фрагментації.

Вжиті оцінки показали, що потік може бути зовсім невеликим і вписуватися на цілком правдоподібні значення часу й маси. Як-от, дляхондр (сферичних частинок, у тому числі складаються метеоритихондрити) розміром приблизно1мм, з температурою порядку 1000 До і щільністю ~ 2г/см3, потік має становити величину приблизно 10–13кг/м2•с. І тут зменшення масииспаряющейся частки на 40% займе час порядку (3 - 7) •104 років, що цілком узгоджується з можливим порядком 105 років на тимчасової

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація