Эрик Асфог - Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба

Далее из масс планет и спутников, а также из их размеров Ньютон вычислил их плотности , таким образом охарактеризовав материалы, из которого они состоят. Поскольку галилеевы спутники обращаются вокруг Юпитера значительно быстрее, чем Титан вокруг Сатурна, принимая во внимание радиус орбиты, Ньютон смог оценить, что Юпитер в полтора раза плотнее Сатурна и, таким образом, состоит из более тяжелого или более сжатого вещества. Также он взвесил Землю, доказав, что она в 3,5 раза плотнее Юпитера и, по всей видимости, состоит из горных пород и металлов. Далее он попытался определить массу Луны, оценивая силу ее притяжения, выражающуюся в океанских приливах на поверхности Земли, но эти расчеты оказались слишком сложными, чтобы с ними можно было справиться на тот момент. Итак, за несколько вдохновенных лет он доказал, что планеты значительно отличаются одна от другой по составу – загадка, которую мы все еще пытаемся разгадать.

Геофизика, другая половина науки о планетах, отстала от Кеплера и Ньютона на целый век. Долгое время мы больше знали о механизмах работы пустынного космоса и траекториях блуждающих звезд, чем о Земле под нашими ногами. Это произошло потому, что небо видно всегда, тогда как основная часть Земли скрыта от глаз. Самые глубокие океанские впадины составляют только 0,2 % от радиуса планеты – это даже не царапина на кожуре яблока. Мы очень мало знаем о составе и структуре того, что находится внутри.

Одна из улик состоит в том, что при движении вглубь Земли температура постоянно растет – примерно на 25 ℃ на километр. В конце XIX в. Уильям Томсон, также известный как лорд Кельвин, пришел к выводу, что этот геотермический градиент связан с жаром, идущим изнутри наружу. Показатель этого градиента (то есть 25 ℃/км) соответствует тому, как долго уже остывает Земля – примерно так же, как если переложить запеченную индейку из духовки в морозилку [72]. Спустя бесконечно долгое время система станет изотермической (с одинаковой температурой), так что температурный градиент будет равняться нулю. Таким образом, он может служить своеобразными часами.

Предположив, что « в начале» [73]Земля была едва затвердевшим шаром, Кельвин оценил, что она затвердела где-то от 20 до 400 млн лет назад. Затем он независимо показал, что возраст Солнца также составляет от 30 до 60 млн лет, исходя из того, сколько энергии оно выделяет (то есть из его светимости) и сколько энергии ему теоретически доступно. Все встало на свои места.

Почему Кельвин так сильно ошибся? В обеих своих теориях он не учел ядерных процессов. При формировании земной коры уран, торий и другие радиоактивные элементы скапливаются в гранитах и иных глубинных породах коры [74]. Там они претерпевают спонтанный распад, выделяя тепло. Мы судим об этом по распространенности дочерних элементов, которые возникают в коре благодаря цепочкам распада, к примеру, радона и свинца. Это важный источник тепла, о котором Кельвин не знал. Кроме того, тепло распространяется в недрах Земли благодаря не только теплопроводности, но и конвекции (тектонике), поэтому исходные данные для этих расчетов были неверными. Что же касается Солнца, на самом деле его тепло производится в термоядерных реакциях атомов водорода, которые могут идти миллиарды лет.

По еще одному совпадению оценки Кельвина хорошо согласовывались с теорией лунных приливов, разработанной в 1870-х гг. Джорджем Дарвином, сыном Чарльза. В отличие от Кельвина, Дарвин был в целом прав в том, что касалось физики этого процесса, но ошибся в расчетах. В своей геологической теории, несомненно максимально смелой для той эпохи, Джордж Дарвин – яблоко от яблони падает недалеко – предположил, что Луна была исторгнута из земной мантии благодаря первоначальному быстрому вращению Земли. Это согласовывалось с полученными при его жизни данными, что плотность Луны примерно совпадает с плотностью земной мантии.

В гипотезе Дарвина, к которой мы будем возвращаться, поскольку она чрезвычайно важна для всего, что мы знаем о Луне, есть две главные составляющие. Во-первых, он предполагает, что когда-то Земля вращалась вокруг своей оси так быстро, что от нее оторвался значительный кусок, который затем каким-то образом вышел на орбиту. Во-вторых, он доказывает, что этот кусок – Луна – должен был вызывать внутри Земли гигантские приливы и что эти приливные вздутия тянули за собой Луну. Луна, уже находящаяся на расстоянии нескольких земных радиусов от Земли, под действием приливных сил удалялась бы все дальше, закручиваясь от вращения планеты и выходя, как лассо, на все более высокие орбиты. Луна, оказавшаяся на расстоянии меньше чем в несколько радиусов, согласно этой теории, упала бы обратно.

Луна.

NASA/GSFC/ASU

Временно отставив эту проблему, Дарвин рассудил, что радиус лунной орбиты содержит информацию о возрасте Луны, если мы высчитаем влияние приливной силы во времени. Он оценил, что Луне понадобилось бы 56 млн лет, чтобы быть вытянутой на свою сегодняшнюю орбиту высотой в 60 земных радиусов, хотя и оговорил в своей статье, что это скорее догадка, основанная на плохо известных параметрах. Поскольку он переоценил приливную силу, его возраст Луны оказался заниженным в десятки раз и случайно совпал с результатом Кельвина [75]. Это потрясающий пример трех согласующихся между собой научных оценок, которые были сделаны на основе совершенно независимых предположений, и все оказались неверными.

Кельвин провел почти весь остаток своей бесспорно блестящей карьеры, отбиваясь от новомодных идей. К 1920-м гг. анализ содержания свинца, который является продуктом распада радиоактивного урана, позволил оценить возраст некоторых горных пород в несколько миллиардов лет. В 1950-х с помощью виртуозных лабораторных опытов геохимик Клэр Паттерсон из Калифорнийского технологического института доказал, что в смысле механизма накопления свинца земные горные породы аналогичны некоторым примитивным метеоритам. Это подразумевает, что возраст основной массы Земли – если не обращать внимания на разнообразные последствия тектоники плит – примерно такой же, как у них. Он определил возраст Земли в 4,55 млрд лет [76], с точностью примерно в 1 %. Это значение выдержало проверку временем.

Самые древние горные породы чисто земного происхождения были обнаружены в холмах Джек-Хиллс в Западной Австралии. Они принадлежат к первому геологическому эону – катархею (гадею) – и содержат кристаллы циркона , возраст которых можно надежно определить [77]в 4,4 млрд лет. Для сравнения: самые древние материалы в самых древних метеоритах отстоят от нас на 4,5672 млрд лет, хотя четвертый знак после запятой еще вызывает сомнения. Возраст большинства метеоритов находится в пределах нескольких миллионов лет от этого значения, известного как t0 (нулевой отсчет) . Сравнительно небольшие возраста можно определить путем измерения содержания короткоживущих радионуклидов, которые постоянно возникают и распадаются. Например, углерод 14C образуется в верхних слоях атмосферы из-за космической радиации и участвует во всех процессах, где задействован углерод; период его полураспада составляет примерно 6000 лет. Это изотопные часы с одним из самых коротких циклов [78].