0 просмотров

Как образовались Земля и Луна, объяснили

Земля образовалась более 4,6 миллиардов лет назад из смеси пыли и газа вокруг молодого Солнца. Он стал больше благодаря бесчисленным столкновениям между частицами пыли, астероидами и другими растущими планетами, включая один последний гигантский удар, выбросивший в космос достаточно камней, газа и пыли, чтобы сформировать Луну.

Хотя горные породы, в которых записаны самые ранние этапы истории Земли, были разрушены или деформированы геологической деятельностью более четырех миллиардов лет, ученые могут использовать современные горные породы, образцы Луны и метеориты, чтобы выяснить, когда и как сформировались Земля и Луна и что они собой представляют. может когда-то так и выглядел.

Перейти к разделу:

  • Как образовались Земля и Луна?
  • Как и когда образовалась ранняя Земля?
  • Как образовалась Луна?
  • Когда образовалась Луна?
  • Как выглядела ранняя Земля?
  • Как выглядела ранняя луна?
  • Какие вопросы остаются?

Как образовались Земля и Луна?

Земля, как и все другие планеты Солнечной системы, начала свою жизнь как диск из пыли и газа, вращающийся вокруг молодого Солнца. Частицы пыли были собраны силами сопротивления, чтобы сформировать глыбы породы, которые выросли в «планетезимали» диаметром от десятков до сотен миль, а затем в «протопланеты» размером с Марс, сталкиваясь друг с другом.

Статья в тему:  Как часто астероиды сталкиваются с Землей по размеру

Земля выросла до своего окончательного размера в результате последнего крупного столкновения с другим объектом размером с Марс. Это последнее столкновение, также известное как «лунообразующее столкновение», было настолько сильным, что — в дополнение к добавлению большого количества материала на Землю — было достаточно энергии, чтобы испарить часть камня и металла как с протоземли, так и с Земли. воздействующий объект. Этот пар образовал диск вокруг Земли, который в конечном итоге остыл и слипся, превратившись в Луну.

Мы знаем это благодаря тщательным исследованиям метеоритов и образцов горных пород, в том числе в Чикагском университете в 20-м и 21-м веках.

Понимание того, как сформировались Земля и Луна, важно для того, чтобы собрать воедино историю Солнечной системы и ответить на такие вопросы, как время формирования планет, из чего состоят планеты и что делает планету пригодной для жизни. Это также направляет ученых-планетологов в поисках других обитаемых (или обитаемых!) миров в нашей Солнечной системе и за ее пределами!

Как и когда образовалась ранняя Земля?

Теперь ученые считают, что история Земли началась около 4,6 миллиарда лет назад в дисковидном облаке пыли и газа, вращающемся вокруг раннего Солнца, состоящем из материала, оставшегося после формирования Солнца.

Внутри этого диска частицы газа и пыли разного размера вращались вокруг Солнца с немного разными скоростями, что позволяло им сталкиваться друг с другом и слипаться.В конце концов, они превратились из крошечных пылинок в валуны, а затем в более крупные «планетезимали», диаметр которых варьировался от миль до сотен миль.

Статья в тему:  Как определить состав астероидов

Поскольку эти планетезимали были крупнее валунов, у них была достаточно сильная гравитация, чтобы вытягивать соседние планетезимали с орбит и поглощать их в результате столкновений, что позволяло некоторым планетезималям становиться все больше и больше, пока они не достигли тысяч миль в диаметре — размером с Луну. и Марс.

Откуда нам знать?

Ключ — метеориты. Метеориты приносят на Землю множество различных материалов со всей Солнечной системы, где ученые могут их изучать. Эти материалы включают хондры — крошечные кусочки пыли и камня, которые уцелели еще до образования планет, а также кусочки астероидов и планетезималей, оставшиеся в процессе строительства планет. Радиоактивные элементы, такие как уран и гафний, задерживаются внутри минералов, из которых состоят эти объекты, когда они формируются, что позволяет ученым-планетологам определить, сколько им лет.

Используя эти измерения и моделирование физики пыли и столкновений планетезималей, планетологи и астрономы установили, что процесс превращения пыли в протопланету занимает десятки миллионов лет.

Но финальная стадия формирования планет в нашей Солнечной системе могла занять гораздо больше времени — до ста миллионов лет или около того. Это было не только последнее крупное добавление материала к Земле, но и событие, которое сформировало Луну — и это одна из самых обсуждаемых частей истории.

Как образовалась Луна?

Ученые предложили несколько различных теорий формирования Луны. Однако история, которая лучше всего подтверждается всеми доступными данными, состоит в том, что Луна образовалась во время гигантского столкновения между прото-Землей и другой протопланетой размером примерно с Марс. , иногда известный как «Тейя».

Статья в тему:  Почему нельзя стрелять ядерным оружием по астероидам

Согласно этой теории, Луна образовалась из обломков удара — смеси расплавленной породы и горячего газа — выброшенных в космос в результате удара, потенциально сформировав диск материала, известный как «лунная синестия».

Альтернативные теории, предложенные учеными, включают:

  • Луна оторвалась от Земли («Теория деления»)
  • Луна образовалась в другом месте Солнечной системы и была захвачена гравитацией Земли («теория захвата»)
  • Земля и Луна образовались из протопланетного диска одновременно («Соформация»)

Откуда нам знать?

Образцы горных пород с Луны, доставленные на Землю лунными метеоритами и высадками Аполлона на Луну, можно использовать для понимания истории Луны и ее связи с Землей через химический состав их минералов.

Ученые-планетологи, такие как профессор Николя Дофас и профессор Энди Дэвис из отдела геофизических наук Чикагского университета, проводят точные измерения лунных образцов, чтобы точно определить, из чего они сделаны, и определяют химические следы различных геологических процессов, таких как таяние перемешивание горных пород и испарение газов.

Первая большая подсказка о том, откуда взялась Луна, исходит от кислорода. Кислород, как и многие другие элементы, может существовать в нескольких формах, известных как изотопы. Различные типы метеоритов, прилетающие из астероидов, оставшихся в Солнечной системе после образования планет, имеют разные пропорции каждого из этих изотопов кислорода. Итак, измеряя изотопы кислорода на данной планете, планетологи могут рассчитать различные типы астероидов, которые столкнулись, чтобы сформировать планету. Лунные образцы имеют очень похожий состав изотопов кислорода на Землю.

Статья в тему:  Как мы измеряем астероиды

Некоторые ученые считают, что изотопы кислорода появились потому, что объект, упавший на Землю, состоял из той же смеси метеоритов, что и сама Земля, что может свидетельствовать о том, что планета-ударник образовалась недалеко от Солнечной системы.

Другие ученые предполагают, что после удара весь кислород смог перемещаться в горячем паре, окружающем Землю и Луну, смешивая все различные изотопы кислорода и стирая любые первоначальные различия между Землей и Тейей.

Однако между химией Земли и Луны тоже есть много различий. При высоких температурах, достигаемых во время планетарных столкновений, многие элементы, которые мы не привыкли считать газами, например, калий, цинк и натрий, могут существовать в виде пара. Концентрации этих «летучих» элементов в лунных породах намного ниже, чем в породах на Земле.

Одна из возможностей состоит в том, что у горячих обломков после удара было много времени, чтобы испарить эти элементы, прежде чем они слиплись и образовали луну. Во-вторых, когда образовалась Луна, она была очень горячей с глубоким магматическим океаном, как и Земля, а низкая гравитация и отсутствие атмосферы на Луне позволяли летучим элементам, которые не вырвались бы из более крупного объекта, испариться в космос.

Оба эти доказательства трудно объяснить без гигантского воздействия. Ударное происхождение Луны обеспечивает высокие температуры, необходимые для объяснения нехватки калия, цинка и натрия на Луне, а также возможность большого количества смешивания между протоземлей и материалом, который станет луной. Но когда произошло это воздействие?

Статья в тему:  Ева как найти астероиды

Когда образовалась Луна?

Ученые считают, что Луна образовалась во время гигантского удара примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы. Чтобы получить эту оценку, они могут использовать камни с Земли.

По мере роста больших планетезималей тепла, выделяемого повторяющимися ударами и радиоактивным распадом элементов внутри их минералов, достаточно, чтобы вызвать плавление. Это позволяет материалам с разной плотностью разделяться, при этом такие металлы, как железо и никель, погружаются внутрь, образуя ядро, а более легкие камни «плавают» сверху.

Ко времени удара, образовавшего Луну, Земля уже была разделена на эти каменные и металлические слои.Однако мощная сила и высокая температура удара вновь расплавили протоземлю, повторно смешав разделенные горные породы и металл. После этого смешения Земля была еще достаточно горячей, чтобы снова произошло разделение и образовались новые слои породы и металла — это ключ к датировке образования Луны!

Когда рок и металл смешиваются, они могут поменять местами некоторые элементы. Такие элементы, как гафний, предпочитают смешивать с камнем, а не с металлом. Гафний распадается примерно за 10 миллионов лет, образуя вольфрам. Впервые Земля остыла и разделилась на горные породы и слои металла в начале истории Солнечной системы, поэтому в каменистом слое Земли присутствовало много гафния, потому что он еще не успел распасться до вольфрама. К тому времени, когда произошло столкновение с формированием Луны, большая часть этого раннего гафния распалась до вольфрама. Такие элементы, как вольфрам, предпочитают смешиваться с металлом, поэтому, когда удар снова смешал Землю, новообразованный вольфрам погрузился в металлическое ядро. Это создало каменистый внешний слой с более низкой концентрацией гафния, чем раньше, и металлическое ядро ​​с гораздо большим количеством вольфрама.

Статья в тему:  Как рассчитать парниковый эффект для экзопланет

Сегодня весь гафний исчез, потому что у него короткий период полураспада по сравнению с возрастом Земли. Однако не все потеряно — это делает его очень полезным для определения времени событий в первые сто миллионов лет истории Солнечной системы. Концентрация вольфрама в земных породах зависит от того, когда произошло самое последнее разделение на слои породы и металла. Концентрация вольфрама в земных породах слишком мала, чтобы ее можно было объяснить ранним разделением металла и породы, что означает, что что-то должно было повторно смешать слои Земли. Лучшим объяснением тепла и энергии, необходимых для этого, является гигантское столкновение примерно через 60-175 миллионов лет после рождения Солнечной системы.

Как выглядела ранняя Земля?

После удара, образовавшего Луну, Земля сильно отличалась от мира, который мы видим сегодня! Если на современной Земле океаны покрывали большую часть ее поверхности, то ранняя Земля была покрыта магма океан — слой расплавленной породы глубиной в сотни миль, расплавленный энергией, выделившейся при столкновении. Любая присутствующая вода будет существовать только в виде водяного пара в атмосфере.

Если этого было недостаточно, раннее солнце также было гораздо более активным, чем сегодня, обрушивая всю солнечную систему УФ-излучением, достаточно мощным, чтобы испарить целые атмосферы.

Со временем, после того как магматический океан достаточно остыл, чтобы образовать твердую поверхность, земная атмосфера пополнялась за счет вулканических извержений, а также воды и других газов, доставляемых кометами и метеоритами, врезавшимися в поверхность.

Статья в тему:  Как работает парниковый эффект астрономия

Это также был первый шаг к развитию тектоники плит на нашей планете. Тектоника плит описывает гигантские «плиты» земной коры, которые медленно перемещаются по поверхности Земли на протяжении сотен миллионов лет; он не только производит новые породы в вулканах, где плиты раздвигаются, но также может перерабатывать камни с поверхности Земли и атмосферы обратно внутрь, где плиты сходятся. Этот процесс, известный как «субдукция», переносит камни, воду и углекислый газ, захваченные минералами, обратно в недра Земли, где они могут вызвать будущие извержения вулканов, продолжая тектонический цикл плит.

Некоторые планетологи считают, что тектоника плит необходима для развития жизни на планете. Это связано с тем, что повторяющееся образование и разрушение земной коры в результате тектоники плит одновременно высвобождает углекислый газ в атмосферу и удаляет его, помогая поддерживать одинаковые температуры на Земле (и комфортные для микробов, рыб и людей!) на протяжении миллиардов лет.

Однако наличие у планеты тектоники плит намного сложнее, чем просто наличие твердой поверхности, и может также зависеть от типов и количества различных астероидов, планетезималей и протопланет, из которых состоит Земля, из-за того, как различные химические вещества и минералы может изменить поведение недр планеты за миллиарды лет.

Как выглядела ранняя луна?

Большинство из нас представляет себе Луну как пустынное, серое место с кратерами и ничем другим, но на протяжении большей части своей истории она была удивительно геологически активной. Как и Земля, Луна началась с толстого слоя расплавленной породы на ее поверхности.

Статья в тему:  Как часто метеоры или астероиды падают на Марс

Однако, в отличие от Земли, поверхность Луны не охлаждалась, образуя тектонические плиты. Вместо этого у него толстая корка, почти полностью состоящая из светлого минерала, называемого полевым шпатом. Полевой шпат является основным материалом, из которого состоят яркие области, которые мы можем видеть на Луне сегодня, также известные как лунные нагорья. Полевой шпат кристаллизовался, когда океан магмы остыл, и стал достаточно легким, чтобы всплыть на поверхность Луны поверх других минералов и оставшейся магмы. (Планетарные ученые могут использовать тот факт, что эта корка из полевого шпата образовалась на Луне, а не на Земле, чтобы попытаться выяснить различия в раннем химическом составе и условиях охлаждения между двумя объектами, чтобы узнать больше о формировании Луны.)

Однако образование корки из полевого шпата не ознаменовало конец геологической активности на Луне. Тепло, оставшееся от удара, а также дополнительное тепло, выделенное радиоактивными элементами, было способно расплавить горную породу глубоко в полдень, чтобы подпитывать вулканы на ее поверхности. В результате таяния образовался базальт, порода темного цвета, обычно встречающаяся сегодня в вулканах на Земле в таких местах, как Гавайи и Исландия. Базальт разлился на сотни километров по поверхности Луны, образовав «кобылу» (что означает «моря» на латыни) толщиной до мили.Эти кобылы покрывают около 16% поверхности Луны и видны невооруженным глазом как темные пятна на Луне.

Статья в тему:  В чем разница между наукой о данных и искусственным интеллектом

Ученые-планетологи могут сказать, что базальтовые кобылы моложе полевошпатовых нагорий, используя количество кратеров на разных поверхностях. У кобылы меньше кратеров на верхней поверхности, чем у высокогорья, потому что у них было меньше времени, чтобы пострадать от астероидов и метеоритов. Считается, что самой молодой кобыле всего 1,1 миллиарда лет, а это означает, что вулканы на Луне все еще извергались через два миллиарда лет после появления первых признанных свидетельств жизни на Земле!

Еще одной особенностью ранней Луны была ее орбита. Сегодня Луна удаляется от Земли примерно на 1,5 дюйма каждый год. Ученые-планетологи рассчитали расстояние между Землей и Луной в обратном направлении во времени и обнаружили, что Луна была в семнадцать раз ближе (14 000 миль против 250 000 миль), когда формировалась.

Это изменяющееся расстояние между Землей и Луной является важным ключом к пониманию деталей удара, формирующего Луну, потому что изменение размера, скорости и углов сближения ударников в симуляциях формирования Луны изменяет орбиту окончательной системы Земля-Луна. Планетологам необходимо найти моделирование удара, которое могло бы соответствовать не только химическому составу Луны, но и тому, как далеко она находилась от Земли и как быстро она вращалась изначально.

Какие вопросы остаются?

Хотя ученые согласны с тем, что Луна образовалась в результате удара, детали удара все еще обсуждаются. Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, насколько велик был столкнувшийся объект, как быстро он двигался, из чего он был сделан и даже следует ли нам называть его «Тейя». Некоторые ученые даже утверждают, что Луна могла быть сформирована несколькими столкновениями, а не одним!

Статья в тему:  Насколько искусственный интеллект важен для общества

Лабораторные эксперименты помогают ученым лучше понять, что происходит с различными типами горных пород и элементами в экстремальных условиях крупных ударов. проф.Исследовательская группа Николаса Дофаса из Калифорнийского университета в Чикаго испаряет металлы в вакууме, чтобы смоделировать условия, присутствующие в облаке ударных обломков, чтобы попытаться объяснить, почему в лунных породах гораздо меньше таких элементов, как натрий, цинк и калий, по сравнению с Землей.

Однако некоторые эксперименты могут быть слишком большими для лаборатории, поэтому для исследования влияния формирования Луны также используется компьютерное моделирование. Эти симуляции позволяют ученым виртуально сталкивать прото-Землю и различные типы планетезималей на разных скоростях и под разными углами, чтобы выяснить, какие комбинации свойств могут сформировать луну с такими размерами и орбитой, которые мы видим сегодня.

В будущем новые образцы с Луны могут предоставить ученым-планетологам более широкий спектр различных типов лунных пород для работы. Это важно, потому что новые образцы могут отражать различные фрагменты истории Луны, которых нет в существующих лунных породах, доставленных миссиями «Аполлон». По мере совершенствования методов измерения планетарные ученые также смогут измерять новые химические характеристики лунных пород и улучшать существующие измерения. Чем больше у ученых будет измерений, тем больше способов они смогут проверить различные теории о том, как образовалась наша Луна, о ее связи с Землей и, возможно, даже о том, как луны могли родиться вокруг других планет далеко за пределами нашей Солнечной системы!

голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Какие обнаруженные астероиды угрожают Земле
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector