Ранняя история Земли

В этом посте я бы хотел сделать небольшую сводку по той концепции планетообразования и планетарной эволюции, которая принята или обсуждается в рамках нашего института, тем более, что, так или иначе, я неоднократно сталкивался с просьбами или пожеланиями это сделать.

  "Вначале на земле ничего не было. Она была такой, как показано на картинке. На ней не было ни цветов, ни деревьев, ни животных. В океанах не было ни одной рыбки. Богу предстояло ещё много работы, чтобы сделать жизнь на земле по-настоящему приятной для людей и животных." - пишут Свидетели Иеговы.

Прежде всего, пара слов об институте. Я работаю в группе Geophysical Fluid Dynamics в Institute of Geophysics в ETH Zurich.

Наша группа занимается разработкой и участвует в разработке различных программных пакетов для моделирования происхождения и эволюции планет. Основными направлениями являются (1) геодинамика "локального" характера - конкретные зоны субдукции, океанические окраины, формирование рельефа в развивающихся горных областях и (2) геодинамика глобального характера, когда моделируется вся планета целиком.
Для этого у нас есть 2+N независимых программных пакета, которые мы разрабатываем коллективом из 20+M человек.

Объектами изучения являются прежде всего Земля и планеты земной группы (а также силикатные экзопланеты), хотя ряд исследований ведётся и по планетным телам с большим количеством льдов (прежде всего, спутники газовых гигантов типа Европы, Ио или Ганимеда).
Задачами изучения являются, в том числе, определение условий образования обитаемых (или пригодных для жизни) планет, а также их поиск. Поскольку экзопланет уже открыты тысячи, и скорости их открытия только растут, задача уже не становится совсем умозрительно-теоретической.

Я занимаюсь разработкой численных моделей плавления и кристаллизации вещества в условиях очень больших давлений (> 24 ГПа), что включает в себя не только собственно плавление, но и все остальные термодинамические свойства в зависимости от присутствия/отсутствия третьих компонентов и термодинамических условий.
Про всё про это я писал во многих прошлых постах "про это" (Эксперименты с ударными волнами, О расчёте физических свойств фаз, Профили Земли, Внедряя теорию, Нижняя мантия, или туда и обратно).

В этом же посте я постараюсь сделать максимально краткую сводку основных положений о формировании солнечной системы и планет, принятых в наших исследованиях.

1. Вначале было газо-пылевое облако, источником вещества которого была взорвавшаяся звезда (сверхновая). Это облако было настолько однородно по составу, насколько мы ничего об этом не знаем. Фотографий подобных облаков в интернете можно найти довольно много.
   
   
2. Из-за чего-то это облако начала коллапсировать. При этом, по простым законам сжатия газов, в центре начали расти температура и давление. В центре системы появилась звезда. Те частицы, которые так или иначе имели достаточные скорости вращения (чтобы не сколлапсировать в звезду), остались на орбите и тоже начали расти.
   
   
3. В начале времён был только водород и гелий. Поскольку наше газо-пылевое облако образовалось из остатков уже взорвавшейся звезды, где процессы синтеза тяжёлых элементов успели пройти, у нас есть таблица Менделеева. К слову, наше Солнце - звезда третьего поколения, что напрямую определяется количеством хим.элементов тяжелее гелия.
   
   
4. По мере охлаждения облака понемногу пошла конденсация вещества из газовой фазы. Первые крупицы вещества состояли из Ca, Al и кислорода. Сейчас их находят во многих метеоритах и называют CAI (Ca-Al-rich Inclusions). Поскольку они захватывали и примеси радиоактивных элементов, по ним можно определить возраст Солнечной Системы (момент появления твёрдой фазы в ней) как 4.5673 миллиарда лет.
   На картинке отсюда можно увидеть, при каких температурах что кристаллизовалось. Понятное дело, что льды (из которых состоят планеты типа Урана, Нептуна, газовых гигантов, их спутников, кометы и всё прочее) могут быть только при температурах < 273 К
   
5. Поэтому сформировавшиеся планеты были, в какой-то мере, обязаны иметь именно этот состав и никакой иначе, как и показывает картинка отсюда.
   Процесс "слипания" планет из астероидов-планетозималей сейчас очень неплохо (борьба идёт уже за проценты и первые десятки процентов отклонений) моделируется численными методами.
   Одна из новейших моделей, которая очень хорошо описывает текущую Солнечную Систему, к слову, включает в себя миграцию планет по системе, но это уже совсем другая история.
   И, специально для любителей конспирологии, я пока не видел моделей, которые бы описывали мифическую планету Фаэтон-Нибиру на месте пояса астероидов между Юпитером и Марсом. Просто гравитационное поле Юпитера там уже настолько сильно, что будет разрушать любое крупное тело.
   
   
   
   
6. На данный момент, в общем, всеми подразумевается гомогенная аккреция, то есть планеты образовывались из довольно однородного по составу материала. При этом никто не отрицает того, что довольно крупные протопланетарные тела (планетозимали и их остатки) уже могли быть дифференцированы по химическому составу.
   
   
7. Как показывает простейший расчёт, при формировании Земли и ей подобных планет при соударениях планетозималей выделяется огромное количество энергии. Температура Земли, если бы она вся разом слиплась в один момент - около тридцати тысяч градусов. Формула:
   
   \[ E = \frac {3} {5} \frac {GM_E^2} {R(C \cdot M_E)} = 28 856 K\]
   То есть в современной планетологии вопрос, скорее, как охладить планету, чем как её нагреть. Общепринятым ответом на это является продолжительность слипания около 100 миллионов лет. Охлаждение вещества идёт по закону Стефана-Больцмана, поток тепла пропорционален четвёртой степени температуры. Потому избытки тепла должны были рассеиваться достаточно быстро.
   
   
8. Разогрев приводит к частичному плавлению, и, как следствие, к разделению на металл-силикат (потому, собственно, у нас есть и метеориты разного состава, и планетозимали могли быть дифференцированы). Так как металл значительно тяжелее силикатной фазы, он оседал вниз. На формирование ядра ушло, как считается, не более нескольких десятков миллионов лет (вот тут можно почитать более подробную и научную информацию). Выделение энергии за счёт дифференциации на металлическое ядро и силикатную мантию могло дать прирост температуры (в случае, опять же, моментального процесса) на ~7000 K:
   
   T = 4 * π * <плотность> * <гравитационная постоянная> * <квадрат радиуса> / 27 / <теплоёмкость пород>

   
   
9. Новообразованное земное ядро - жидкое. Сейчас есть внешнее жидкое ядро и твёрдое внутреннее ядро. Внутреннее ядро, как показывают некоторые недавние работы (напр., [Labrosse et al., 2001]) сформировалось не раньше, чем 2.5 миллиарда лет назад (возраст Земли - 4.6), а, скорее всего, только 1 млрд. лет назад. Когда я делал недавний доклад в МГУ, было много вопросов, а не нужно ли внутреннее твёрдое ядро для генерации магнитного поля. Сам я крайне далёк от физики магнитного поля, но, насколько я понял из литературы, это совершенно необязательно (см. напр. тут).
   
   
10. Таким образом, как ни крути, в истории Земли и землеподобных планет должен был быть период, когда планета была частично или полностью расплавлена. Эта стадия называется магматическим океаном (magma ocean)
    
    
11. Кристаллизация магматического океана (тут будет больше подробностей, поскольку таки этим я занимаюсь), всё из-за того же закона Стефана-Больцмана, должна занимать считанные годы (не миллионы лет, нет). Примечание: речь идёт не о полной кристаллизации, но кристаллизации до той стадии, когда смесь расплав+кристаллы ведёт себя уже почти как твёрдое тело (этот резкий скачок реологических свойств происходит на ~40% расплава). При этом сначала будут кристаллизоваться магнезиальные фазы, а в расплаве будет накапливаться всё больше железа.
    Интересными и обсуждаемыми последствиями-особенностями процесса являются:
    
    • Из-за того, что на глубине (в условиях нижней части мантии, >1000-1500 км от поверхности Земли) расплавы имеют большую сжимаемость, чем твёрдые фазы, то расплавы становятся плотнее (тяжелее) твёрдых фаз и начинают оседать вниз (в то время как в "обычных" условиях расплавы легче твёрдой фазы (потому извергаются вулканы, например).
    • Потому, как предполагается, например [Labrosse et al, 2007], кристаллизация магматического океана начнётся с его середины, куда будут "приплывать" кристаллы:
      
      
    • Как сейчас считается, т.н. ULVZ, зоны пониженных сейсмических скоростей в мантии вблизи земного ядра, могут быть обусловлены наличием 5-30% расплава. Есть даже предположения, что это могут быть остатки "того самого" primordial magma ocean.
    • На заметку палеомагнитологам. Есть свежая статья [Ziegler, Stegman, 2013], что высокожелезистые расплавы конечных стадий кристаллизации магматического океана могли продуцировать "дополнительное" магнитное поле у Земли.
    • Уже упоминавшаяся дифференциация могла привести к гравитационно-нестабильному профилю планеты по плотности пород, что могло, в свою очередь, приводить к масштабным событиям обновления поверхности (planetary resurfacing), напр. [Scheinberg et al., 2014]
    
    
12. После того, как планета становится полностью твёрдой, в ней начинается конвекция в "традиционном" смысле слова. Да, специально подчёркиваю. Вопреки многим школьным и не только школьным курсам, мантия Земли НЕ огненно-жидкая, но твёрдая. Расплав там есть в 1-2 местах (астеносфера и ULVZ, причём в ULVZ это сильно обсуждается), и в количествах < 10%, максимум от самых смелых - 30%. Течение мантии достигается только на геологических порядках времён. Скорость можно представить по литосферным плитам, перемещение которых сейчас надёжно фиксируется спутниковой навигацией - до 10-15 см в год.
    
    
13. Поскольку поток тепла и вещества из недр планеты продолжается, то на поверхности планеты будут поступать расплавы, формирующие кору - внешнюю оболочку, отделённую "слабовязкой" астеносферой от остальной мантии, а потому могущей по ней скользить.
    
    
14. То, что выплавляется из мантии силикатной планеты, будет обогащено железом. Следовательно, оно будет (после кристаллизации и остывания) тяжелее, чем оставшийся магнезиальный рестит (остаток от плавления). Потому в общем случае поверхность планеты будет гравитационно-нестабильна.
    
    
15. В современной геологии рассматривается два "крайних" случая поведения поверхности планеты. Один сценарий - это тектоника литосферных плит, знакомая нам по нашей планете. Другой сценарий - это stagnant lid, стабильная оболочка, которая наблюдается сейчас на Венере.
    
    
16. Тектоника литосферных плит подразумевает постоянное обновление поверхности планеты. Тяжёлый (холодный, а потому плотный) слэб тонет в мантии в зонах субдукции (например, вокруг Тихого Океана), а в Срединно-Океанических хребтах происходит "достройка" плиты из новых расплавов. Stagnant lid может быть совсем stagnant, как в случае Марса, а может периодически обновляться в ходе катастрофических (и практически моментальных) явлений "утопания" - planetary resurfacing (см., напр. [Turcotte et al., 1999]).
    
    
17. Причины и скорости "выбора" того или иного режима - это одна из горячих и обсуждаемых тем в геологии. Наша группа над этим тоже работает. Есть и определённые (положительные) результаты поиска ключевых причин, но я пока не могу-буду их тут писать.
    
    
18. Почти сразу после остывания нашей планеты от первичного аккреции-"слипания" на ней появилась вода. Самые древние осадочные породы формации Ишуа в Гренландии (то есть сформировавшиеся уже в водной среде), если мне не изменяет память и не нашли ничего постарее, датируются 3.8 миллиарда лет назад. Атмосфера при этом состояла из (преимущественно) углекислого газа, сероводорода, аммиака и др.
    Происхождение воды и атмосферы на поверхности планеты - обсуждаемая тема. В общем, насколько я понимаю тему (хотя и весьма далёк от неё), люди склоняются, что это сама планета "надышала", хотя конкретика остаётся местами загадочной (это примерно как "местами возможны осадки").
    
    
19. Нашей планете повезло. Она не настолько мелка и далека, как Марс, чтобы потерять жидкую воду (хотя галька есть!! Цой жив!!). Она не настолько близка к Солнцу, как Венера, чтобы испарить воду, и организовать глобальный парниковый эффект и получить в итоге совершенно негодную атмосферу (это сейчас является довольно распространённым взглядом).
    
    
20. Жизнь появилась на нашей планеты почти сразу же после появления воды. Самые древние цианобактерии - это примерно 3.5 миллиарда лет (!, почти сразу после первых осадочных пород, и надо ещё учитывать обрывочность геологической летописи).
    
    
21. Время начала субдукции на Земле является весьма обсуждаемым событием. Оценки варьируют от 3.8 до 2 млрд. лет назад (пишу по памяти, потому могу слегка наврать). Есть свежая работа, говорящая, что субдукция могла начаться даже 4.4 миллиарда лет назад [Turner et al., 2014].
    

    Следует, однако, отметить, что многие из этих оценок основаны на оценках возраста голубых сланцев (породы, формирующиеся в условиях больших давлений и низких температур, ниже геотермического градиента). Проблема с ними только в том, что (и это касается, кстати, ещё и комплексов сверхвысоких давлений, UHP-complexes), что такие породы могут, по данным, кстати, и нашей исследовательской группы & коллег формироваться на несколько меньших глубинах (напр. [Li et al., 2010])

22. Дальше были разные события типа кислородной революции 2.4 миллиарда лет, когда в атмосфере появилось значимое количество кислорода. Общепринятый взгляд - бактерии и водоросли "надышали".
    
    
23. Результатом стало глобальное оледенение (гуронское оледенение), когда вся-невся Земля была покрыта льдом (snowball Earth), продлившееся 300 миллионов лет. И, кстати, это неплохой аргумент (что жизнь сохранилась), что жизнь может быть на спутниках типа Европы.
    
    
24. Ну а дальше были строматолиты, венд и фанерозой.