Образование двойной планеты Земля-Луна
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. Поэтому рассмотрим происхождение Земли и Луны совместно. При этом, оправдывая повышенное внимание к Луне в данной работе, посвящённой эволюции Земли и её геодинамике, заранее отметим, что именно 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 её вращения, а с этим явлением, как известно, связаны и вся климатическая зональность Земли, и происхождение её магнитного поля. Более того, сейчас определённо можно утверждать, что именно Луна, ускорив эволюционное развитие Земли, косвенно способствовала появлению на её поверхности высокоорганизованной жизни, а следовательно, и нас с вами. Но всё это чисто земные проблемы, разобраться с которыми, однако, без разработки адекватной теории развития двойной планеты Земля-Луна просто невозможно.
В отличие от предыдущего раздела здесь мы опишем не традиционные точки зрения на формирование системы Земля-Луна, а новую модель образования Луны за счёт приливного разрушения на пределе Роша более массивной планеты — Протолуны. Эта модель, судя по всему, лучше других объясняет практически всю совокупность современных знаний о составе, строении и истории развития естественного спутника нашей планеты, а также объясняет происхождение осевого вращения Земли и реально существующего распределения моментов количества движения между Землёй и Луной.
Одной из главных трудностей, встающих на пути построения адекватной теории образования Луны, по нашему мнению, является объяснение её резкого обеднения железом, сидерофильными и халькофильными элементами. Действительно, судя по средней плотности Луны (p =3,34 г/см3), она содержит лишь около 5% железоникелевой фазы (Рингвуд, 1982), или с учётом средней концентрации FeO в её мантии — только около 13-14% тяжёлой фракции. Это намного меньше, чем среднее содержание соединений железа в недифференцированном веществе углистых хондритов (28,6%) и тем более в земном веществе — около 37%. Кроме того, судя по изотопным отношениям свинца, Луна почти полностью потеряла весь первичный свинец, а входящий сейчас в её породы свинец практически полностью радиогенного происхождения (т.е. образовался за счёт радиоактивного распада урана и тория).
Учитывая эти различия, предлагались гипотезы образования Луны в других областях Солнечной системы, обеднённых соединениями железа, с последующим её захватом гравитационным полем Земли (Alfven, 1954, 1963; Urey, 1962). Все гипотезы этой группы страдают двумя недостатками. Во-первых, вероятность гравитационного захвата с далёкой орбиты такого большого космического тела, как Луна, исчезающе мала и практически равна нулю. Во-вторых, совершенно непонятно, как в этом случае объяснить столь резкий дефицит железа в лунном веществе, если его содержание в наиболее примитивных углистых хондритах приблизительно в два раза выше. Кроме того, углистые хондриты обогащены летучими и легкоподвижными элементами, а Луна ими резко обеднена.
Сложность объяснения захвата Землёй крупного спутника из далёкой области Солнечной системы привела к появлению другой группы гипотез, согласно которым Луна образовалась в области формирования самой Земли, составив вместе с ней систему двойной планеты. Наиболее разработанной из гипотез такого рода является гипотеза Е. Л. Рускол (1960-1975). Близка к ней модель А. Харриса и В. Каулы (1975) о совместной аккреции Земли и Луны, начавшейся, ещё когда у Земли была только 0,1 её современной массы, причём Луна формировалась по этим гипотезам на расстояниях около 10 земных радиусов в течение большей части времени её роста. Однако и эта группа гипотез, постулирующая возникновение наших планет из единого резервуара протопланетного вещества, не смогла объяснить дефицит железа и сидерофильных элементов на Луне. Кроме того, эти модели исходили из предположения, что осевое вращение Земли существовало изначально, происходило в ту же сторону, что и обращение спутника, но по угловой скорости собственного вращения превосходило угловую скорость орбитального обращения спутника. Интересна гипотеза Г. Герстенкорна (1955, 1977) о захвате Луны и дальнейшей приливной эволюции её орбиты, при которой Луна подходила близко к так называемому пределу Роша, т. е. к наименьшему расстоянию между спутником и центральной планетой, ближе которого массивный спутник начинает разрушаться гравитационным полем планеты. Однако и в этой модели Луна оставалась неизменной от рождения и до наших дней, а поэтому тоже не объясняла существующего дефицита железа в лунном веществе.
Наряду с отмеченной аномалией содержания железа в Луне, составы её 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. На этом основании А. Рингвуд (1982) сумел убедительно показать геохимическую общность лунного вещества с веществом земной мантии. Однако из этого факта А. Рингвуд делает совершенно экзотический вывод, будто Земля вскоре после своего образования и выделения у неё плотного ядра очень быстро раскрутилась и за счёт возникшей благодаря этому ротационной неустойчивости от её мантии оторвался крупный кусок вещества, превратившийся затем в Луну. Идея эта не нова и около ста лет назад высказывалась Дж. Дарвином — талантливым геофизиком, сыном гениального Ч. Дарвина, но, к сожалению, с механической точки зрения она оказалась неверной.
Рассматривая происхождение Луны, необходимо учитывать крайнюю степень дифференцированности её 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. Это важный вывод, и не считаться с ним нельзя. Об образовании Луны из первоначально расплавленной планеты, в частности, говорит и состав её мощной анортозитовой коры (состоящей в основном из кальциевого полевого шпата — анортита), масса которой могла выделиться только из полностью расплавленного вещества более крупного, чем Луна, космического тела. По данным определения возраста лунных анортозитов, процесс этот развивался около 4,6-4,4 млрд лет тому назад, т.е. в период, близкий по времени к моменту образования самой системы Земля-Луна. Следовательно, можно ожидать, что Луна прошла стадию полного планетарного плавления и дифференциации ещё во время своего образования.
Второй весьма примечательный факт, который обязательно необходимо учитывать при разработке гипотезы образования Луны, состоит в том, что суммарный момент количества вращения системы Земля-Луна в точности отвечает ситуации, при которой обе планеты в своё время находились на расстоянии предела Роша и обладали синхронной угловой скоростью вращения. Такое совпадение не может быть случайным, наоборот, оно свидетельствует о том, что при образовании Луна действительно находилась на пределе Роша и могла подвергаться разрушению.
Учитывая приведённые данные и соображения, представляется наиболее вероятным, что Луна является остатком некой более крупной планеты — Протолуны, захваченной растущей Землёй с соседней ближайшей орбиты (или образовавшейся вблизи самой Земли из околоземного протопланетного роя планетезималей) и разрушенной гравитационным полем Земли на пределе Роша. В качественной форме близкие идеи о двухэтапном образовании Луны за счёт приливного разрушения более крупной планеты и последующего захвата её частей ранее высказывали Дж. Вуд и Х. Митлер (1974), а также Е. Эпик (1961). По аналогии с этими идеями в наших работах предлагается гипотеза, согласно которой Луна образовалась за счёт сохранения от разрушения в полости Роша лишь внешнего приливного горба предварительно расплавленной и прошедшей полную дифференциацию планеты — Протолуны.
В отличие от предыдущего раздела здесь мы опишем не традиционные точки зрения на формирование системы Земля-Луна, а новую модель образования Луны за счёт приливного разрушения на пределе Роша более массивной планеты — Протолуны. Эта модель, судя по всему, лучше других объясняет практически всю совокупность современных знаний о составе, строении и истории развития естественного спутника нашей планеты, а также объясняет происхождение осевого вращения Земли и реально существующего распределения моментов количества движения между Землёй и Луной.
Одной из главных трудностей, встающих на пути построения адекватной теории образования Луны, по нашему мнению, является объяснение её резкого обеднения железом, сидерофильными и халькофильными элементами. Действительно, судя по средней плотности Луны (p =3,34 г/см3), она содержит лишь около 5% железоникелевой фазы (Рингвуд, 1982), или с учётом средней концентрации FeO в её мантии — только около 13-14% тяжёлой фракции. Это намного меньше, чем среднее содержание соединений железа в недифференцированном веществе углистых хондритов (28,6%) и тем более в земном веществе — около 37%. Кроме того, судя по изотопным отношениям свинца, Луна почти полностью потеряла весь первичный свинец, а входящий сейчас в её породы свинец практически полностью радиогенного происхождения (т.е. образовался за счёт радиоактивного распада урана и тория).
Учитывая эти различия, предлагались гипотезы образования Луны в других областях Солнечной системы, обеднённых соединениями железа, с последующим её захватом гравитационным полем Земли (Alfven, 1954, 1963; Urey, 1962). Все гипотезы этой группы страдают двумя недостатками. Во-первых, вероятность гравитационного захвата с далёкой орбиты такого большого космического тела, как Луна, исчезающе мала и практически равна нулю. Во-вторых, совершенно непонятно, как в этом случае объяснить столь резкий дефицит железа в лунном веществе, если его содержание в наиболее примитивных углистых хондритах приблизительно в два раза выше. Кроме того, углистые хондриты обогащены летучими и легкоподвижными элементами, а Луна ими резко обеднена.
Сложность объяснения захвата Землёй крупного спутника из далёкой области Солнечной системы привела к появлению другой группы гипотез, согласно которым Луна образовалась в области формирования самой Земли, составив вместе с ней систему двойной планеты. Наиболее разработанной из гипотез такого рода является гипотеза Е. Л. Рускол (1960-1975). Близка к ней модель А. Харриса и В. Каулы (1975) о совместной аккреции Земли и Луны, начавшейся, ещё когда у Земли была только 0,1 её современной массы, причём Луна формировалась по этим гипотезам на расстояниях около 10 земных радиусов в течение большей части времени её роста. Однако и эта группа гипотез, постулирующая возникновение наших планет из единого резервуара протопланетного вещества, не смогла объяснить дефицит железа и сидерофильных элементов на Луне. Кроме того, эти модели исходили из предположения, что осевое вращение Земли существовало изначально, происходило в ту же сторону, что и обращение спутника, но по угловой скорости собственного вращения превосходило угловую скорость орбитального обращения спутника. Интересна гипотеза Г. Герстенкорна (1955, 1977) о захвате Луны и дальнейшей приливной эволюции её орбиты, при которой Луна подходила близко к так называемому пределу Роша, т. е. к наименьшему расстоянию между спутником и центральной планетой, ближе которого массивный спутник начинает разрушаться гравитационным полем планеты. Однако и в этой модели Луна оставалась неизменной от рождения и до наших дней, а поэтому тоже не объясняла существующего дефицита железа в лунном веществе.
Наряду с отмеченной аномалией содержания железа в Луне, составы её 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. На этом основании А. Рингвуд (1982) сумел убедительно показать геохимическую общность лунного вещества с веществом земной мантии. Однако из этого факта А. Рингвуд делает совершенно экзотический вывод, будто Земля вскоре после своего образования и выделения у неё плотного ядра очень быстро раскрутилась и за счёт возникшей благодаря этому ротационной неустойчивости от её мантии оторвался крупный кусок вещества, превратившийся затем в Луну. Идея эта не нова и около ста лет назад высказывалась Дж. Дарвином — талантливым геофизиком, сыном гениального Ч. Дарвина, но, к сожалению, с механической точки зрения она оказалась неверной.
Рассматривая происхождение Луны, необходимо учитывать крайнюю степень дифференцированности её 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. Это важный вывод, и не считаться с ним нельзя. Об образовании Луны из первоначально расплавленной планеты, в частности, говорит и состав её мощной анортозитовой коры (состоящей в основном из кальциевого полевого шпата — анортита), масса которой могла выделиться только из полностью расплавленного вещества более крупного, чем Луна, космического тела. По данным определения возраста лунных анортозитов, процесс этот развивался около 4,6-4,4 млрд лет тому назад, т.е. в период, близкий по времени к моменту образования самой системы Земля-Луна. Следовательно, можно ожидать, что Луна прошла стадию полного планетарного плавления и дифференциации ещё во время своего образования.
Второй весьма примечательный факт, который обязательно необходимо учитывать при разработке гипотезы образования Луны, состоит в том, что суммарный момент количества вращения системы Земля-Луна в точности отвечает ситуации, при которой обе планеты в своё время находились на расстоянии предела Роша и обладали синхронной угловой скоростью вращения. Такое совпадение не может быть случайным, наоборот, оно свидетельствует о том, что при образовании Луна действительно находилась на пределе Роша и могла подвергаться разрушению.
Учитывая приведённые данные и соображения, представляется наиболее вероятным, что Луна является остатком некой более крупной планеты — Протолуны, захваченной растущей Землёй с соседней ближайшей орбиты (или образовавшейся вблизи самой Земли из околоземного протопланетного роя планетезималей) и разрушенной гравитационным полем Земли на пределе Роша. В качественной форме близкие идеи о двухэтапном образовании Луны за счёт приливного разрушения более крупной планеты и последующего захвата её частей ранее высказывали Дж. Вуд и Х. Митлер (1974), а также Е. Эпик (1961). По аналогии с этими идеями в наших работах предлагается гипотеза, согласно которой Луна образовалась за счёт сохранения от разрушения в полости Роша лишь внешнего приливного горба предварительно расплавленной и прошедшей полную дифференциацию планеты — Протолуны.