О РАННИХ СТАДИЯХ ЭВОЛЮЦИИ ГЕОСФЕРЫ, БИОСФЕРЫ И ПРОБЛЕМАХ РАННИХ ОЛЕДЕНЕНИЙ

©2009 г. Н.Л.Добрецов

Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН

Ранние стадии эволюции геосферы и биосферы определяются тремя взаимосвязанными причинами: 1) непрерывное остывание поверхности и недр (мантии) Земли (снижение средней температуры мантии в 1.5-2 раза, поверхностной в 3-4 раза, среднего теплового потока на порядок, вязкости на 3 порядка); 2) непрерывное ступенчатое окисление поверхности, наиболее существенное в интервале 3.8-1.8 млрд. лет назад; 3) периодические и сопряженные колебания условий в геосфере и биосфере разного масштаба и природы. Важнейшими рубежами этой эволюции являются рубежи около 4 млрд. лет назад (рождение мощной, но неоднородной земной коры, начало жизни), около 3 млрд. лет назад (появление сильного магнитного поля, усиление фотосинтетической активности), около 1.8-1.9 млрд. лет назад (появление окисленной атмосферы, первого суперконтинента, возможно первых суперплюмов от ядра), около 0.75 млрд. лет назад (ускорение субдукции, «обводнение» верхней мантии, поднятие континентов с обширной сушей, шельфами, большими реками, первые крупные оледенения). Значение и корреляция событий самой ранней истории (до и около 4 млрд. лет назад), событий около 750 млн. лет назад -предмет острой дискуссии. В позднем архее и раннем протерозое (до 1.8 млрд. лет назад) в биосфере преобладали цианобактерий, динамика и максимумы развития которых фиксируются по широкому развитию строматолитовых построек в карбонатных породах (вначале преимущественно доломитовых). На рубеже 700-750 млн. лет назад появились сильные и частые оледенения как отражение остывания Земли. Возможно, максимальным было оледенение около 640 млн. лет назад, для которого дискутируется модель замерзшей Земли (snowball). С оледенениями также связан вопрос о появлении и эволюции скелетов в животном мире. Эти события коррелируются и объясняются крупными эндогенными изменениями. Одно из важнейших событий в эндогенной истории — старт около 750 млн. лет назад периодического проявления мантийных струй (суперплюмов), объясняющих дальнейшую периодизацию эволюции биосферы. В заключение приведена экстраполяция будущей эволюции и последовательного исчезновения сегментов биосферы по мере превращения Солнца в красную звезду и разогрева поверхности Земли.

В первой части статьи я остановлюсь на эволюции Земли и геосферы и важнейших событиях этой эволюции.

Начнем с диаграммы (рис. 1), отражающей три основных тенденции в эволюции геосферы и, соответственно, взаимосвязанной эволюции биосферы (Dobretsov et al., 2008). Первая — это непрерывное остывание недр (мантии) и поверхности Земли (Tajika, Matsui, 1992; Добрецов, 2003). Остывание мантии показано на этой диаграмме в виде снижения средней температуры (в 1.5-2 раза с 3 000 °С по 2 100 °С), среднего теплового потока (почти на порядок) и повышения вязкости (на 3 порядка). Вторая тенденция — это непрерывное окисление поверхности Земли, приводящее, в частности, к осаждению железистых кварцитов (т. е. магнетита), в интервале 3.2-1.8 млрд. лет, а затем, после 1.8 млрд. лет к появлению красноцветов и гематита (по Заварзину, 2003а). Третья тенденция — периодическое колебание всех параметров, включая температуру недр и поверхности, а также взаимосвязанных параметров (Добрецов и др., 2001а). На рис. 1 выделены зелеными и красными линиями главные интервалы в этой периодичности. Природа этой периодичности и границы тех периодов, которые можно наметить — это один из предметов дискуссии. Красное поле в интервале 4.6-3.8 млрд. лет иллюстрирует вывод, что начиная с 3.8 млрд. лет эволюция недр Земли была единой, несмотря на возможность разных начальных условий (Tajika, Matsui, 1992). Что касается взаимосвязанной эволюции биосферы и геосферы, то я об этом еще буду говорить не один раз. Но отражение взаимосвязанного ступенчатого развития — это ступенчатое окисление, показанное внизу на рис. 1. Возможные минимумы и максимумы окислительного потенциала допускает, в частности, А.Ю. Розанов (2003). Вероятно, намеченные границы надо будет продвигать в сторону некоторого удревнения (Rozanov, 2006).

Для сравнения приведем совершенно независимую оценку эволюции Земли (рис. 2), полученную под руководством японского исследователя Ш. Маруямы (Maruyama, Liou, 2005; Maruyama et al., 2007). Им выделены семь важнейших событий в эволюции биосферы и геосферы. Первое — рождение Земли (4.55 млрд. лет), второе (около 4 млрд. лет) — начало жизни, рождение континентальной коры, инициирование плейт-тектоники. Насчет континентальной коры и плейт-тектоники я сомневаюсь, а то, что рождение жизни произошло около этого рубежа — сейчас уже стало привычным допущением (Schidlowski, 1988; Zavarzin, 2008) и совпадает с нашей границей (рис. 1). Третье событие (около 2.7 или 3.0 млрд. лет) — появление сильного «магнитного динамо» (слабое магнитное поле было и до этого), связанное с появлением твердого внутреннего ядра, а также усиление фотосинтетической активности. Фотосинтез появился раньше, но в полную меру заработал около 2.7 млрд. лет назад. Причем японские авторы связывают это в том числе с резким усилением магнитного поля. Четвертое событие (около 1.9 млрд. лет) — появление первого суперконтинента, который был связан с карельской фазой складчатости и, возможно, в связи с появлением постперовскитовых фаз на границе жидкого ядра и нижней мантии и появлением обогащенного слоя, который потом стал рождать плюмы и суперплюмы. Это объяснение тоже пока неоднозначное, но то, что граница номер 4 — это время появления суперконтинента и целого ряда других магматических и тектонических событий, — с этим можно согласиться. Можно двигать ее ближе к 1.8 млрд. лет, но это уже в пределах точности измерений на этот период.

Пятый рубеж около 0.75 млрд. лет — очень важный рубеж, о котором я еще буду говорить. Существенно ускорилась субдукция и вода в виде водных минералов снова стала поступать в мантию, до этого мантия успела «высохнуть». В связи с усилением субдукции и разуплотнения обводненной мантии произошло поднятие континентов и появились обширная суша и шельф, большие реки и т. д. (см. ниже рис. 7). Одна из крупнейших перестроек в термальном режиме и, соответственно, условий на поверхности около 750 млн. лет назад прошла в литературе незамеченной. И по мнению Ш. Маруямы и др. (Maruyama et al., 2007), здесь еще огромное поле работы. Шестое событие на палеозойско-мезозойской границе (250 млн. лет назад) — массовое вымирание, связанное с действием суперплюма, породившего сибирские траппы, а также и эмейшаньские траппы в Китае и Вьетнаме и, наверное, еще много других крупных базальтовых излияний в древних океанах, реликты которых не сохранились. Седьмое событие (последние миллионы лет) — это появление человека и его взаимодействие с биосферой, следствием которого могли стать массовые вымирания в голоцене. Пунктиром на рис. 2 показаны еще промежуточные рубежи, о которых говорится в тексте. И тут тоже получились интервалы по 600-700 млн. лет, как на рис. 1.

Рис. 1. Эволюция мантии (А), геосферы (В) и биосферы (С) (Dobrctsov ct al., 2008).

А — Рассчитанные вариации средних значений температуры Т °С. теплового потока q и вязкости v (жирные линии по: Tajika, Matsui, 1992, вариации по: Добрецов и др., 2001а), сопоставимые с вариациями возраста гранитов и мантийных пород).

В — Важнейшие индикаторы эволюции геосферы (сверху вниз):

— гистограмма возраста гранитов и мантийных пород (Балашов, 1985; см. также рис. 3);

— вариации К.,0 Na,0 в гранитах и терригенных породах в сравнении с возрастом суперконтинентов Pangea I-IV (Добрецов и др., 2001; Condie, 2005);

— вариации изотопов Sr в карбонатных породах (Добрецов и др., 2001; Dobretsov et al., 2008);

— интервалы формирования железистых кварцитов, красноцветов, восстановленных и окисленных осадков (Заварзин, 2003а; Fallick et al., 2008);

С — стадии эволюции биосферы (Добрецов, 2005; Dobretsov et al., 2008) с учетом распределения цианобактерий (Заварзин, 2001; Sergeev et al., 2002). MBGB — современная биоразнообразная глобальная биосфера. Точками показан период расцвета Algae, точки со штрихами — период расцвета наземных растений. (Кривая эволюции атмосферного кислорода по: Розанов. 2003).

Рис. 2. Важнейшие события в истории Земли (Maruyama et al., 2007, с уточнениями): 1. Рождение Земли; 2. Рождение жизни, континентальной коры, возможное начало тектоники плит; 3. Рождение внутреннего ядра, усиление магнитного поля и выделения фотосинтетического кислорода в атмосфере; 4. Рождение первого достоверного суперконтинента, появление эукариот; 5. Начало возвращения морской воды в верхнюю мантию и результирующее появление обширных континентов выше уровня моря; 6. Pz/Mz массовое вымирание; 7. Появление человека и вымирания в голоцене.

Для сравнения с рис. 1 и 2 приведены диаграмма Ю. А. Балашова и В.А. Глазнсва (2008) с максимумами и минимумами изотопных возрастов (рис. 3). На рис. I она показана в упрощенном виде, в верхней части сектора В (эволюция геосферы).

Если Вы часто работаете с таблицами, то, скорее всего, уже знаете о пакете программ Office Web Apps, в число которых входит excel online, основными преимуществами которого является возможность запуска через окно браузера. Более полную информацию по данному продукту Вы сможете получить по адресу www.kontur365.ru.

Дискуссия

по пленарному докладу А.В. Витязева, Г.В. Печерниковой «РАННЯЯ ЗЕМЛЯ В ТЕСНОМ ОКРУЖЕНИИ МОЛОДЫХ ЗВЕЗД»

Председательствующий А.С. Спирин

М.Я. Маров: Число Нуссельта, для сравнения с обычной теплопроводностью, считалась для какой глубины?

А.В.В.: Естественно, это порядковая оценка в среднем на всю мантию, включая нижнюю.

М.Я. Маров: Второй вопрос более серьезный. Вы солидаризируетесь со Львом Михайловичем Мухиным в отношении раннего океана. Вы говорите, что океан и гидросфера существовали в первые 150 миллионов лет.

А.В.В.: Присоединяюсь ко Льву Михайловичу, Уайльду, Пеку и так далее. На основании цирконов и ксенона.

М.Я. Маров: Тогда возникает такой вопрос. До выхода Солнца на Главную последовательность его светимость была существенно меньше (~ 0.75 от современной) и, следовательно, равновесная температураранней Земли была ниже ~ 240 К, отвечающей полной светимости. Чтобы появилась жидкая вода, необходимо повысить начальную температуру примерно на 30°, что можно обеспечить за счет обычно привлекаемого парникового эффекта, но сомнительно, что такой механизм мог компенсировать еще большую разницу в температурах и обеспечить существование океана на этой стадии. А обращение к еще более раннему этапу эволюции Солнца, включающего высокую светимость на цикле Хаяши, нереалистично, поскольку еще не аккумулировались планетные тела в диске.

А.В.В.: Нужно просить астрофизиков рассказать нам о раннем Солнце. Дополнительный источник тепла — падающие планетезимали, но это, конечно, только «горячие пятна».

Л.М. Мухин: Цифры 3.8-3.9 млрд. лет относительно бомбардировки означают время ее окончания?

А.В.В.: Тяжелый вопрос. Половина исследователей считают, что в это время был ее пик, другая половина полагает, что она к этому времени заканчивается. Я полагаю, что не заканчивается. Надо честно сказать, в архее мы имеем семь-восемь слоев, дающих указания на мегаимпакты. В остальном мы судим об этом косвенно, по Луне.

Л.М. Мухин: Относительно температуры поверхности и первичных океанах. Атмосфера образовывалась не только за счет импактов, была же и обычная дегазация, поэтому вполне мог работать парниковый эффект.

A. В.В.: Согласен. Хочу добавить про импакты. Пока планета не превысила радиуса нескольких лунных, скорости ударов были меньше пяти километров в секунду — это вызывало просто дробление и нагрев на первую сотню градусов. А вот когда планета уже размером с Марс, тогда, в нулевом приближении, упавшее тело плавит свой объем. Будет дегазация.

М.Я. Маров: Но дело в том, что будет мало удерживаться легколетучих атмофильных элементов. Вот в чем проблема.

B. Н. Снытников: Среди источников тепла Вы указали распад радиоактивных элементов. Хорошо известно то, что даже на поверхности Земли существовал ядерный реактор — реактор Окло (в Габоне). Кроме того, примерно 7-10 лет назад командой Титова из Новосибирска был проделан ряд работ, которые показали возможность функционирования ядерного реактора на границе ядра и мантии. Не могли бы Вы это прокомментировать?

А.В.В.: Речь идет о том, возможны ли были на планетах или, может быть, даже на планетезималях, процессы самопроизвольной концентрации минералов, богатых ураном, торием и калием? И тогда были бы локальные очаги… Ну, гипотезы выдвигать можно… Подождем геонейтрино, они нам точно все это покажут…

А.В. Тутуков: Отмечается периодичность развития живого на Земле — периоды расцвета, угасания. Что могло бы быть внешней причиной этой периодичности, в том числе массовых вымираний?

А.В.В.: Мы сейчас закончили такую работу, где проанализировали магматическую -коровую и мантийную — активность, массовые вымирания и импактные кратеры. Некоторые вымирания совпадают с ними, другие — нет. Моя сегодняшняя оценка — массовые вымирания на 20 процентов обусловлены экзогенными факторами (в основном импактами, про сверхновые и гамма-всплески пока не хотелось бы говорить) и на 80 процентов — геологической активностью Земли.

Б.М. Шустов: Мой вопрос о возможных земных метеоритах на Луне.

А.В.В.: Земные метеориты следовало бы поискать на Луне (по изотопии), такая вероятность есть, хотя и небольшая.

СВ. Рожнов: Каков минимальный размер падающего на Землю космического тела, способного полностью стерилизовать Землю, уничтожить все живое?

А.В.В.: Когда есть океан, достаточно тела порядка 100-150 километров для испарения его верхних слоев, чтобы уничтожить весь океан — тела 400-500 километров. В гадее такие тела падали на Землю.

Визитной карточкой вашего предприятия станет качественная спецодежда от «Шатурской швейной мануфактуры». Ознакомиться с каталогом предлагаемой спецодежды Вы сможете на сайте www.profroba.ru.

Первичные атмосфера и гидросфера Земли

Состоянию первичных атмосферы и гидросферы, столь интересующих специалистов по происхождению биосферы, в последние полстолетия посвящены тысячи работ. Поддерживаемое фактически большинством астрофизиков мнение о меньшей (на 20-25 %) светимости молодого (в первые сотни млн лет) Солнца привело к обсуждению вероятных составов первичной атмосферы, вызывающих парниковый эффект. Это известные работы Карла Сагана, его ученика Чайбы и др. Так как этим вопросам, вероятно, будет посвящена статья в этом сборнике нашего классика профессора Л.М. Мухина, мы опускаем обсуждение этой проблемы. Считаем важным отметить следующий выдающийся результат работ международного коллектива по австралийским цирконам — гидросфера и атмосфера Земли существовали уже в первые 150 млн. лет.

Согласно интерпретации данных по изотопии кислорода (^|60/¹⁷0/¹⁸0) в цирконах Jack Hills (Peck et al., 2001), 4.2, 4.3 и 4.4 млрд. лет назад на Земле была вода в жидкой фазе. Объемы ее пока оценить не удается (ручейки, озера в кратерах, мелкие моря?). Согласно работам французской школы (1960-1980 гг.) и известного специалиста по изотопии ксенона Р. Озимы, ксенон в атмосфере Земли имеет возраст порядка 4.0 и более млрд. лет. Наша интерпретация содержаний изотопов инертных газов, в частности, изотопной плеяды Хе (Pechernikova et al., 2003; Vityazev et al., 2005) указывает на то, что примитивная атмосфера сформировалась в ходе заключительных стадий образования Земли. Оценка ее массы и состава пока представляет проблему. Однако в сочетании с данными по австралийским цирконам можно уверенно говорить о том, что давление на поверхности ранней Земли было выше необходимого для существования примитивной гидросферы (тройная точка для Н₂O), т. е. порядка и выше современного для Марса.

На стадии аккумуляции Земли, когда поток падающих тел был достаточно велик, параметры ранней атмосферы в значительной степени определялись ударной дегазацией и эрозией. В.В. Светцовым (2007) путем численного моделирования ударов астероидов и комет с размерами от 100 м до 10 км были оценены потери атмосферы на Земле с ее современной атмосферой и Марсе с более плотной атмосферой из углекислого газа, которая могла быть на ранних стадиях его эволюции. Численное моделирование вертикальных ударов проводилось путем решения двумерных уравнений газовой динамики в цилиндрических координатах, начиная со стадии входа тела в атмосферу. Получены приближенные аппроксимирующие выражения потерь массы атмосферы и ударника в зависимости от их параметров и силы тяжести на планете. Характерные величины уносимой массы атмосферы при ударах астероидов (километровых и более размеров) оказываются порядка 0.01-0.1 от массы ударника, а при ударах долгопериодических комет — порядка 0.1-1 от массы кометы.

Согласно расчетам, параметры ранней атмосферы после окончания роста планеты существенно зависят от того периода аккумуляции, когда масса планеты составляет более 99 % от ее конечной величины. Более ранний период забывается, а в более поздний интенсивность притока массы недостаточна для существенного изменения массы образовавшейся до этого атмосферы.

Отметим, что результаты вычислений зависят от таких точно не известных входных параметров, как содержание атмофильных элементов в падающих телах, распределение по массам и скоростям падающих тел, размеры наибольших ударников. При вариации входных данных в допустимых пределах установившиеся к концу аккумуляции (99.9 % массы планеты) атмосферы имеют давление более 1 бар. Более совершенные модели должны учитывать взаимодействие выделяющихся при ударах газов с атмосферой и породами верхнего слоя планеты, физико-химическое состояние ранних атмосфер, сток газов в водные бассейны и учет глубинной дегазации примитивной части вещества, полученного планетой на ранних стадиях аккумуляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обнаружение протопланетных дисков, экзопланет и планетных систем около молодых звезд и их исследования позволяют надеяться на уточнение условий на поверхности ранней Земли и других планет.

Луна хранит следы «поздней бомбардировки» (Late bombardment) 3.7-3.9 млрд. лет назад. Чем она была вызвана? Наше предположение — это выброс Солнечной системы из звездного скопления. Это предположение должно быть либо опровергнуто, либо поддержано динамическими расчетами и другими данными.

2. Новые технологии обнаружения остатков короткоживущих радиоактивных элементов ²⁶Al, ⁶⁰Fe, ¹⁸²Hf и т.д.) позволяют хронометрировать отдельные стадии формирования и ранней эволюции планет с точностью до 1 млн. лет. Данные по австралийским цирконам и по плеяде изотопов Хе свидетельствуют о наличии атмосферы и гидросферы, начиная с 4.4 млрд. лет назад.

Но масса первичной гидросферы, состав и масса первичной атмосферы пока не установлены. Вероятно, проблему формирования атмосфер надо решать одновременно для Марса, Земли и Венеры. В частности, необходимо решить проблему выхода Венеры на парниковый режим. И понять, почему Земля избежала этого исхода. Это задача ближайшего десятилетия.

В работе использованы результаты исследований сотрудников ИДГ РАН, выполненных по проекту «Процессы на завершающей стадии аккумуляции Земли» (руководитель акад. В.В. Адушкин) в рамках программы Президиума РАН «Проблемы зарождения биосферы Земли и ее эволюции». Авторы благодарны проф. Л.М. Мухину и акад. РАН А.Ю. Розанову за приглашение к участию в рабочем совещании «Проблемы происхождения жизни».

На сайте www.100diet.org Вы найдете эффективные диеты для похудения, благодаря которым Вы сможете встретить новогодние праздники обновленным человеком – оставив в 2011 году столь ненавистные Вам лишние килограммы.

СТАНДАРТНЫЙ СЦЕНАРИЙ ФОРМИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В 1970-1980 гг. была построена так называемая «стандартная модель происхождения Солнечной системы» (СМПСС). Учитывая характер сборника, мы даем лишь сжатое описание модели, опуская почти всю математическую часть, уравнения, формулы и т. д. Кроме того, заметим, что мы предпочитаем называть это не моделью, а сценарием происхождения Солнечной системы.

Рис. 5. Стандартная модель эволюции газопылевого допланетного диска около молодого Солнца. Слева сверху вниз (1-4) — опускание пыли к центральной плоскости и образование пылевого субдиска, уплощение пылевого субдиска, гравитационная неустойчивость в нем и его распад на пылевые сгущения, сжатие пылевых сгущений и образование роя плотных тел астероидных размеров. Справа (5-8) — объединение планетезималей в планеты: появление крупных тел, ударный нагрев, сильный метаморфизм, плавление и испарение вещества, реконденсация, диссипация газа из СС и аккреция его на Юпитер и Сатурн, образование облака Оорта и пояса Койпера, завершение процесса формирования планет и спутниковых систем (Левин, 1964; Витязев и др., 1990).

Понятие сценария шире понятия модели, так как в сценарии используются десятки моделей для определенных стадий формирования и эволюции Солнца и его планетной системы, находящиеся в разной степени разработки. С другой стороны, в сценарии предполагается, что некоторые второстепенные «герои» могут стать с развитием теории и наблюдений главными, а концовка может существенно измениться.

На рис. 5 показаны основные стадии эволюции околосолнечного допланетного диска и приведены оценки времен продолжительности отдельных стадий.

Рис. 6. Блок-схема грави-магнито-гидродинамических моделей протопланетных дисков около молодых звезд солнечного типа.

Длительность стадий — это исходно динамические оценки, подтвержденные позже космохронометрией:

На рис. 6 показаны ключевые моменты строящейся теории. Каждый блок в схеме — это, по сути, отдельное направление теоретических и/или экспериментальных исследований для объяснения наблюдаемых данных. Обычно это десятки и сотни работ различных международных исследовательских коллективов. На схеме показаны также связи между отдельными направлениями и зависимость решения одних задач и проблем от других. Блоки 7-11 в свое время являлись проблемами классической космогонии. Их принципиальное решение было получено в рамках упомянутой «стандартной модели» (Витязев и др., 1990). Надо сказать, что некоторые современные компьютерные анимации пока не могут дать ответы на классические вопросы о том, почему планетная система такая, какой мы ее видим. Отметим, что по блокам 3-7, 13-17 дискуссия продолжается, ведутся компьютерные расчеты по все усложняющимся моделям. Блоки 1 и 2 представляют последнюю модификацию сценария, который обсуждается ниже. Блок 18 — это наше предложение астрофизикам искать вспышки, вызванные макроимпактами в формирующихся планетных системах около современных молодых звезд.

Если на днях Ваш молодой человек огорошил Вас, сделав предложение соединить ваши судьбы узами брака, то не спешите с ответом, а обратитесь за советом за советом к звездам – проверьте совместимость знаков Зодиака. Существует вероятность того, что Вам с этим человеком просто противопоказано находиться рядом и тогда Ваш брак превратиться в настоящую пытку, поэтому без промедления перейдите на сайт www.mageia.ru и проверьте ваши знаки зодиака на совместимость!

Если вы решили обновить интерьер квартиры, одно пребывание в которой нагоняет на Вас тоску, то советую Вам обратиться за помощью к опытным и креативным дизайнерам творческой мастерская «АтОлл», которые превратят вашу холостяцкую берлогу в квартиру вашей мечты.

Средний космический состав и состав допланетного газопылевого диска

Многолетние исследования в ИК и радиодиапазонах состава газа и пыли в галактических туманностях и молекулярных облаках, данные о металличности звезд разных поколений, данные по фотосферам Солнца и ряда звезд, данные о составе метеоритного, астероидного и кометного вещества позволяют судить о среднем космическом и солнечном составах. На диаграмме (рис. 2) показана верхняя часть таблицы Д.И. Менделеева с одновременным указанием среднего космического содержания наиболее обильных элементов (Anisochkin et al., 2007; Анисочкин и др., 2007).

Трехмерная таблица Менделеева современного космического обилия элементов

Рис. 2. Современный космический состав.

Таблица 2. Основные компоненты газопылевого диска

Состав первичного газопылевого диска восстанавливается по данным о метеоритах и кометах и содержаниях элементов в фотосфере Солнца. Для грубых расчетов по динамике газо-пылевого диска используют три основные компоненты (табл. 2).

Список обнаруженных молекул в молекулярных межзвездных облаках от двух и более до десяти атомных огромен. На рабочем совещании он демонстрировался еще в двух выступлениях — Н.Г. Бочкарёва и В.Н. Снытникова. Поэтому мы его здесь не приводим, отсылая читателя к интернетовским сайтам. Отметим обычно не подчеркиваемый факт: обилие многоатомных молекул в межзвездной среде падает почти экспоненциально с ростом числа атомов в данной молекуле.

Ситуация с молекулярным составом газа и пыли в протопланетных дисках около молодых звезд и в околосолнечном газопылевом диске является предметом обширной дискуссии. В рамках этой статьи мы лишь отметим, что переработка вещества в ходе формирования околосолнечного диска могла быть неполной и часть вещества на окраине диска могла иметь состав как газа, так и пыли, близкий к межзвездному. Более того, согласно выше сказанному в этом пункте, часть межзвездного вещества могла поступать в молодую СС уже в ходе продвинутого формирования планет.

Грави-магнито-гидродинамика газопылевого диска около молодого Солнца

Согласно стандартной модели умеренно массивного (М_d= 0.03÷0.07M_ʘ), тонкого (H(R)/ R<<1), но оптически толстого протопланетного диска к окончанию аккреции на Солнце в диске имеется «мертвая» зона (R ~ 0.1÷20 а.е.), где ввиду низкой ионизации вблизи центральной плоскости МГД эффекты пренебрежимо малы. Здесь H(R) =c_s/Ω- толщина однородной атмосферы, c_s — скорость звука, Ω — угловая скорость вращения. В то же время над и под мертвой зоной на высотах порядка нескольких характерных толщин Н имеется активный слой с поверхностной плотностью σ ~ 100 г/см², в котором степень ионизации n_c/n_H > 10^-13 достаточна для развития магнито-ротационной неустойчивости MRI, открытой Е.П. Велиховым (Velikhov, 1959) и интенсивно исследуемой в астрофизических объектах и лабораториях.

Мы исследовали слоистые модели постаккреционного диска (рис. 3), в котором после седиментации пыли и последующей гравитационной неустойчивости в пылевом субдиске вблизи центральной плоскости идет аккумуляции тел. В то же время в МГД активном верхнем слое продолжается турбулентный перенос углового момента и газа на периферию диска. На рис. 6 (см. ниже) показана общая блок-схема грави-магнито-гидродинамической (ГМГД, в английской транскрипции GMHD) модели допланетного диска, где знаком «***» отмечены новые блоки, добавленные нами к стандартной модели.

В теории околосолнечного диска оставалась нерешенной проблема потери большей части газа первичной околосолнечной туманности. Потеря газа по механизму Джинса (как потери газов тяжелее Н и Не из современной атмосферы Земли) очень мала (Витязев и др., 1990). Гипотеза о выметании газа из диска звездным ветром молодого Солнца требовала чуть ли не стократной по сравнению с околосолнечным диском массы, т. е. еще одной солнечной массы, что противоречит физике Солнца.

Рис. 3. Схема сечения молодого Солнца и околосолнечного протопланетного газопылевого диска.

Еще одной загадочной и необъясненной проблемой является факт наличия намагниченности метеоритных зерен. Лабораторные исследования естественной остаточной намагниченности (Natural Remanent Magnetization — NRM) многих фрагментов сотен метеоритных образцов указывают на существование в допланетном диске магнитных полей 1-500 mT. Неупорядоченное расположение намагниченных фрагментов в метеоритных образцах свидетельствует о намагничивании, произошедшем до их объединения в единые агрегаты. Было предложено несколько механизмов генерации магнитных полей в весьма различающихся моделях газопылевых дисков (сжатое межзвездное в молодом Солнце, генерируемое в недрах раннего Солнца, самогенерация на аккреционной стадии и т. д.). Но они не смогли обойти проблему «мертвой зоны».

РАННЯЯ ЗЕМЛЯ В ТЕСНОМ ОКРУЖЕНИИ МОЛОДЫХ ЗВЕЗД

© 2009 г. А.В. Витязев, Г.В. Печерникова

Институт динамики геосфер РАН

Данные о физико-химических условиях на ранней Земле важны для специалистов, работающих по проблеме зарождения биосферы. Обсуждается последняя модификация теории формирования Земли и планет. Рассматриваются возможные последствия формирования Солнца в области звездообразования в тесном окружении соседних молодых звезд. Приводится обобщение классической задачи о темпе роста Земли и планет с новыми оценками, позволяющими согласовать результаты как по долгоживущим (уран-свинцовым), так и короткоживущим (гафний-вольфрам) космохронометрам. Обсуждается модель ранней эволюции Земли, учитывающая как новые динамические оценки, так и последние геохимические данные (древнейшие австралийские цирконы, реликтовая плеяда ксенона). Указаны проблемы теории ранней эволюции Земли, по которым пока не удается получить удовлетворительного решения.

ВВЕДЕНИЕ

Продвижение в решении проблемы зарождения земной биосферы так или иначе зависит от ограничений, следующих из моделей образования планет. Идеи межзвездной или межпланетной панспермии или самозарождения биоты на Земле требуют оценок астро-физико-химической обстановки на нашей планете в первые полмиллиарда лет. Модели ранней Земли основываются на нашем понимании процессов, приведших к формированию Земли и планет. Предлагавшиеся модели «огненно-жидкой» и конкурентной «холодной» первичной Земли базировались на тех или иных космогонических представлениях, появлявшихся после знаменитой гипотезы Канта-Лапласа.

В 1970-1980 гг. благодаря совместным усилиям российской (московской), японской, американской и европейской школ был построен так называемый «стандартный сценарий происхождения Солнечной системы» (описание см. Hayashi et al., 1985; Витязев и др., 1990; более поздние обзоры, включая Wikipedia). В статье эта модель представлена схематически, как часть новой более общей модели (см. ниже рис. 6).

Первый раздел посвящен обобщенному подходу к исследованию происхождения околозвездных протопланетных систем в гигантских молекулярных облаках. Здесь мы обсуждаем разные возможности образования Солнечной системы (СС), формирующейся в тесном окружении других молодых звезд (Pechernikova, Vityazev, 2007). Здесь же объясняются новые понятия — плазменные оболочки газопылевых дисков около молодых звезд — «ионоторы» и «магнитоторы». Поскольку к системе уравнений грави-гидродинамики добавляется система уравнений Максвелла для ионизованной среды, модификация стандартной модели названа нами «грави-магнито-гидродинамической моделью». В этом разделе, по сути, предлагается принципиальное решение старой (весьма острой) проблемы о потере первичным газопылевым диском более 90 % его первоначальной массы.

Во втором разделе дается краткое описание «стандартного сценария формирования планетной системы Солнца». Приводятся новые оценки по уточненной формуле для скорости роста Земли. Полученная короткая шкала роста твердых планет на ранней стадии позволяет интерпретировать показания Hf-W-геохронометра как указание на плавление и дифференциацию в родительских планетезималях в первые десятки миллионов лет жизни СС. С другой стороны, подтверждена оценка общей длительности завершающего этапа роста Земли — 100 млн. лет.

В третьем разделе приводится описание агрегированной модели ранней Земли. Мы продолжаем придерживаться полученного нами ранее вывода о том, что Земля не была никогда ни «огненно-жидкой», ни «холодной». Нагреваемая ударами падающих тел, массы крупнейших из которых могут на заключительных стадиях составлять до 1 % от массы планеты, растущая планета временами имеет гигантские очаги расплавов. В этих гигантских подземных, но все же локальных, морях магмы должна происходить дифференциация. При определенных условиях, описываемых критерием «теплового взрыва», энергии гравитационной дифференциации становится достаточно, чтобы локальная дифференциация перешла в глобальную. Обсуждаются процессы формирования примитивных атмосферы и гидросферы. Здесь же приводится сводная схема блоков, составляющих референц-модель ранней эволюции Земли.

В Заключении приводятся остающиеся нерешенными основные проблемы моделей ранней Земли. Имея в виду общую направленность сборника, мы сочли необходимым ограничиться минимумом формул, отсылая читателя к соответствующим публикациям.

ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ В ТЕСНОМ ЗВЕЗДНОМ
ОКРУЖЕНИИ

Астрофизические и космохимические аспекты

Одним из важнейших открытий за последние менее чем полстолетия является обнаружение множества планетных систем около других звезд в Галактике. К настоящему времени найдено более 300 экзопланет около ~100 молодых звезд.

Более того, обнаружены и исследуются тысячи газопылевых, вероятно, протопланетных, дисков около молодых звезд. Таким образом, спустя два с половиной столетия после знаменитых работ Канта-Лапласа, идея о происхождении планет из околосолнечного газопылевого диска обрела экспериментальное подтверждение. Да, у нас нет возможности своими глазами увидеть раннюю Солнечную систему. Но мы можем наблюдать рождение планетных систем в современной Галактике около звезд солнечного класса. Можно сказать, что мы не знаем, каким был этот дуб в молодости, но мы теперь видим деревья в нашей дубраве на разной стадии их жизни.

В последние два-три года мы пытаемся сделать следующий шаг: восстановить астрофизическую обстановку вблизи формирующейся Солнечной системы. Понимание того, что звезды не формируются поодиночке, а возникают группами в огромных туманностях типа знаменитой туманности Ориона, было достигнуто более полувека назад. Однако последствия такого совместного рождения планетных систем для нашей Солнечной системы по сути остаются не исследованными. Здесь имеется несколько важных подпроблем. Первая — как долго наша СС находилась в туманности и, вероятно, затем в звездном скоплении типа

Рис. 1. Схема протопланетного диска (проплайда) (а) и артвидение протопланетного диска, обдуваемого звездным ветром близкого голубого гиганта (б).

Плеяд или Гиад (без газопылевого окружения)⁰ Какие космохимические и динамические следствия тесного звездного окружения имели место для молодой СС?

В связи с первым вопросом заметим, что характерные времена жизни туманностей, в которых рождаются звезды с планетными системами (и без них), порядка десятков миллионов лет. Голубые гиганты своим звездным ветром рассеивают газо-пылевую составляющую, и на месте туманности остаются звездные скопления. Звездные скопления распадаются гораздо медленнее, и известны NGC 752, М 67, Гиады, Ясли, существующие от первых до многих сотен миллионов лет.

В связи со вторым вопросом следует обратиться к характеристикам астрофизической обстановки у наблюдаемых протопланетных дисков в молодых туманностях. На рис. 1 показана схема типичного протопланетного диска около молодой звезды солнечного класса, который испытывает сильнейшее влияние звездного ветра, рентгеновского и УФ излучения от близкого голубого гиганта. Говоря коротко, в молодую СС с уже сформировавшимися крупными телами и протопланетами в первые десятки миллионов лет после образования Солнца может по-прежнему поступать свежий материал от окружающего звездного населения. По массе в сравнении с массой протопланетного диска это может быть и незначительная доля. То есть на химический состав молодой СС влияние привноса вещества может быть пренебрежимо малым.

Если инжектируются свежие радионуклиды короткоживущих элементов (см. табл. 1), по дочерним которых мы хронометрируем ранние стадии эволюции СС, это может быть существенно! Кроме того, если в молодой СС уже есть сформировавшиеся планеты и другие меньшие тела (астероиды и кометные ядра), помимо потока солнечного ветра и солнечного излучения может быть важным звездный ветер и космические лучи из ближайших окрестностей, действующие на приповерхностные слои.

Напомним, что космические лучи — это массивные частицы, протоны, ядра гелия и т. д., фотоны (гамма, рентген, ультрафиолет и ИК). Общая плотность энергии ~1 эВ/см³. Для сравнения — плотность светового излучения звезд ≈ 0.3 эВ/см³. Во время формирования СС в туманности плотность излучения могла быть на два-три порядка выше.

Итак, мы считаем важным обратить внимание на возможность перенормировки космо-и гео- хронометров ранних стадий эволюции СС.

Таблица 1. Короткоживущие нуклиды в ранней Солнечной системе (Goswami, Vanhala, 2000)

SN — сверхновая: N — новая: AGB — асимптотическая ветвь гигантов; WR — типа Вольфа – Райе: ^b — продукты спонтанного деления: ^c — необходимо подтверждение.

Так, по мнению художника НАСА, выглядит голубая планета Kepler-22b, находящаяся от Земли на расстоянии 600 световых лет

Астрономы обнаружили первую на сегодняшний день голубую планету, находящуюся в обитаемой зоне и обращающуюся вокруг звезды, как две капли воды похожей на наше Солнце. По их словам, если эта планета окажется необитаемой, то такое понятие, как инопланетные формы жизни можно будет навсегда исключить из лексикона землян и признать тот факт, что человек является единственным разумным существом во Вселенной.

В рамках миссии «НАСА Кеплер» (Kepler) было открыто огромное число новых миров, участвующих в гонке за звание инопланетной колыбели жизни. На данный момент, к финишной черте, с большим отрывом от остальных претендентов, подошла не так давно обнаруженная учеными НАСА экзопланета Kepler-22b, которая является «супер-Землей» и находится в самом центре обитаемой зоны.
Читать дальше>>

Космологическая эволюция и космическая распространенность химических элементов

Вопрос о том, какие молекулы могут образовываться, определяется не только физическими условиями и химическими свойствами веществ, но и тем, какое их количество содержится в космическом веществе. Содержание химических элементов в космосе определяется эволюцией окружающего нас мира — Вселенной, и несет в себе информацию об этой эволюции.

Вселенная образовалась около 15 млрд. лет назад в результате Большого взрыва. Ядра атомов водорода и гелия возникли в первые минуты расширения Вселенной. Сотни тысяч лет спустя вещество остыло до температуры, когда атомы Н и Не стали нейтральными. Углеродом и следующими за ним в периодической системе химическими элементами (часто называемыми в отличие от Н и Не тяжелыми элементами или металлами) космическое вещество начало обогащаться на миллиард лет позже, когда во Вселенной сформировались первые звезды. Они были массивными, короткоживущими (<10 млн. лет) и до наших дней не сохранились. В конце своей эволюции они выбросили в окружающий газ продукты происходившего внутри них термоядерного горения — углерод и более тяжелые элементы.

Около 12-13 млрд. лет назад, когда содержание тяжелых элементов достигло уровня ~10^-4-10^-5 от современного, образовались самые старые из наблюдаемых сейчас звезд и содержащие их галактики (включая нашу Галактику). По мере завершения своей эволюции эти звезды продолжали обогащать межзвездный газ внутри галактик тяжелыми элементами. Чем меньше масса звезды, тем медленнее она эволюционирует и тем дольше живет.

Последующие поколения звезд формировались из межзвездного вещества с все большим содержанием тяжелых элементов по отношению к водороду и гелию. Солнце родилось около 5 млрд. лет назад из межзвездного вещества, 2 % массы которого составляли химические элементы тяжелее гелия. Сейчас межзвездное вещество, сосредоточенное в основном в диске нашей Галактики (наблюдаемом как Млечный путь), содержит около 4 % тяжелых элементов, т. е. вдвое больше, чем при образовании Солнца.

В межзвездной среде Галактики наблюдаются сравнительно небольшие вариации содержания углерода и более тяжелых элементов, по-видимому, не превышающие примерно 3-4 раз. Основная доля объема Галактики и других галактик, как и большинство астрономических объектов в галактиках (кроме старых звезд), а также вне галактик, имеют более или менее универсальное содержание элементов, характерное для атмосферы Солнца. Относительное содержание наиболее распространенных элементов (по числу атомов, а не в долях массы) представлено в табл. 1. Содержание элементов тяжелее железа мало, < 10^-5 по числу атомов.

Из старых звезд к настоящему времени не успели завершить эволюцию лишь звезды с массами менее ~0.8 массы Солнца. Элементный состав их атмосфер не изменился, т. е. содержание углерода, кислорода и других элементов в атмосферах старых звезд очень мало.

Исследование экзосолнечных планет указывает, что для образования планет необходимо достаточно высокое содержание тяжелых элементов. У звезд, содержащих примерно втрое меньше тяжелых элементов, чем на Солнце, пока планеты не обнаружены. Заметим, что в атмосферах небольшой части звезд, более горячих, чем Солнце, имеются сильные отклонения содержания отдельных элементов от средней космической распространенности, прежде всего, избытки редких элементов — бария, ртути, лантанидов. Хотя эти избытки могут достигать 5 и даже иногда 6 порядков величины, они, по-видимому, не представляют интереса для темы данного обзора. После исчерпания ядерного топлива звезды сбрасывают значительную часть своей массы либо плавно, создавая околозвездные оболочки и так называемые планетарные туманности (название историческое, к планетам отношения не имеет), либо при взрыве звезды, наблюдаемой как явление сверхновой звезды. Центральная часть заканчивающей свою эволюцию звезды превращается в очень плотный объект: белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Сброшенное вещество содержит продукты ядерной переработки, т. е. обогащено тяжелыми элементами, и пополняет ими межзвездную среду в галактиках. Обогащение элементами группы железа и более тяжелыми происходит практически только при взрывах сверхновых.

Звезды около 90 % времени своей эволюции проводят на стадии главной последовательности, когда в их недрах идут ядерные реакции горения водорода и образования гелия. После исчерпания в ядре звезды водородного топлива ядро сжимается, а внешние части звезды расширяются. Диаметр звезды возрастает во много раз, а температура поверхности падает — звезда становится красным гигантом или сверхгигантом с температурой поверхности Т < 4000 К. Этот этап занимает около 10 % всего времени активной жизни звезды — пока в ее недрах происходят экзотермические ядерные реакции (ядерная эволюция). В ядрах красных гигантов и сверхгигантов гелий превращается в углерод и более тяжелые элементы (иногда вплоть до железа). Преимущественно образуются четно-четные изотопы (см. примечание к табл. 1).

Тем временем внешние части звезды медленно (со скоростью ~10-50 км/с) разлетаются, создавая охлаждающуюся при расширении околозвездную оболочку — идеальное место для интенсивного образования как сложных молекул (в том числе, вероятно, фуллеренов С₆₀ и др.), а также формирования наночастиц — тугоплавких зерен размером примерно до 100 нм.

Таблица 1. «Нормальное» содержание элементов в космическом веществе по числу атомов относительно водорода, соответствующее составу атмосферы Солнца

В природе преобладают четно-четные изотопы четных элементов: ¹²С, ¹⁶O,²⁰Ne, ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, …, ⁵⁶Fe …

Расширение околозвездных оболочек приводит к выносу молекул и пылинок в окружающую межзвездную среду.

При догорании гелия ядро одиночной звезды (не являющейся компонентом тесной двойной звездной системы) с массой меньше ~10 масс Солнца сжимается, превращаясь в горячий белый карлик. Часть образованных в ядре тяжелых элементов выносится расширяющейся оболочкой в межзвездную среду.

Эволюция более массивных звезд и некоторых маломассивных двойных звездных систем завершается мощным взрывом и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Взрыв, наблюдаемый как явление сверхновой звезды, сопровождается образованием всех элементов тяжелее железа вплоть до трансурановых и выносом их ударной волной наружу в межзвездное пространство.

Из обогащенного тяжелыми элементами межзвездного газа рождается новое поколение звезд. Такой круговорот вещества в галактиках приводит к постепенному обогащению Вселенной элементами тяжелее гелия.

Поскольку звезды образуются не поодиночке, а группами (скоплениями, ассоциациями, комплексами) в так называемых очагах звездообразования, наиболее массивные из родившихся совместно звезд успевают взорваться как сверхновые и «запачкать продуктами своей жизнедеятельности» протопланетные диски близлежащих звезд солнечной массы и менее массивных. Вероятно, такому воздействию подверглась на ранних этапах своего развития Солнечная система.

Обсуждавшаяся на совещании интенсивная астероидная бомбардировка «молодой» Земли могла произойти в результате прохождения одной из звезд вблизи Солнечной системы. Вероятно, это была одна из звезд, родившихся одновременно с Солнцем в том же очаге звездообразования.

Итак — наша основная гипотеза астрокатализа, идея которой возникла довольно давно, в начале 1990-х гг. Первое сообщение о ней на конференции было сделано в 1996 г. (Snytnikov et al., 1996), а основательные публикации вышли в 2007 г. (Снытников, 2007а, б). Гипотеза состоит в том, что абиогенный каталитический синтез органических соединений проходил непосредственно при формировании первичных тел и протопланет при развитии гравитационной коллективной неустойчивости с одновременным объединением многих малых тел. Или, кратко, катализ сформировал планеты. И основные выводы по нашей работе. Если по гипотезе Опарина-Холдейна синтез органических соединений произошел на поверхности Земли, то сейчас стало ясно, что химическая предбиологическая эволюция прошла в допланетной околозвездной среде в первый миллион лет. Эта та цифра, которую хотел услышать от меня А.Ю. Розанов. Зародыши планет формировались в местах каталитического синтеза органических соединений благодаря гравитационным неустойчивостям.

В последовательности этапов возникновения жизни неорганическое вещество с активными каталитическими центрами увеличилось в своих размерах от наночастиц до тел в тысячи километров. Но при этом каталитические неорганические материалы последовательно уступали свое место катализаторам из органических соединений, вплоть до белков и ферментов.

Рис. 11. Тепловая энергия укрупняющихся тел в зависимости от их массы для трех моментов времени. Увеличенное ядро коагуляции в интеграле столкновений.

Неорганическое вещество меняло свою роль и влияние. Место и роль конкретных элементов, формировавших активные каталитические центры, в возникновении жизни, по-видимому, могут быть определены в настоящее время по их воздействию на внутриклеточные реакции в прокариотах и по способности ряда микроорганизмов избирательно концентрировать многие элементы.

Здесь мне необходимо отметить высказанное ранее предположение (Войткевич, 1979, с. 125), что «жизнь на Земле существует столько, сколько существует и сама Земля». Идея, что «химическая эволюция на предпланетной стадии в Космосе и протопланетном облаке заходит так далеко, что жизнь возникает практически сразу после сформирования земноподобной планеты», была отмечена как «наиболее радикальная точка зрения» (Цицин, 1980).

Рис. 12. Происхождение жизни как процесс самоорганизации.

Она почти 30 лет оставалась вне основного внимания исследователей, по-видимому, из-за недостаточного объема естественнонаучных данных, в частности, астрофизических и космохимических, по процессам в «протопланетных облаках».

Итак, происхождение жизни может быть представлено следующими основными этапами (рис. 12). Плотное молекулярное облако с его туннельными реакциями «холодной предыстории жизни» (Гольданский, 1997) предоставляет исходные вещества для образования звезд вместе с их протопланетными дисками. Это первый, физический этап. На втором этапе в околозвездных дисках из высокоактивных веществ синтезировались органические соединения с участием всевозможных по своим свойствам наночастиц. Подчеркну еще раз, что именно в наночастицах состава космической распространенности элементов было представлено все наше земное вещество, вещество планет и тяжелые элементы Солнца. Синтез проходил с преимущественным сохранением в диске высокомолекулярных соединений. Но только если они формировали крупные первичные тела. Обратно, отбор происходил и среди катализаторов по способности синтезировать именно высокомолекулярные соединения. Все низкомолекулярное и легкое вещество потоком водорода и гелия уносилось на протосолнце в термоядерную топку, источник энергии для «химического завода». На этом этапе, по-видимому, появились нуклеотиды, сахара, липиды, белки, тяжелые углеводороды, азотистые основания. Здесь было представлено все, что могло быть синтезировано абиогенным путем. На этом промежутке времени был сформирован первичный «допланетный хемоценоз». Его состав менялся во времени и в зависимости от расстояния от протозвезды. Большое влияние на состав оказывали температуры плавления, испарения и тому подобные свойства соединений. Общую эффективность синтезов на стадии допланетного хемоценоза по отношению к выходу сложных соединений из первичной органики, скорее всего, следует оставить в 0.01 %. Первичная масса вместе с водородом и гелием — масса Солнца. Характерные времена существования этих синтезов — сотни тысяч лет. По-видимому, кометы могут нести нам информацию об этапе «допланетного хемоценоза» на своих расстояниях от Солнца.

Следующий этап — формирование из первичных крупных тел зародышей планет. Это происходит при высоких давлениях в сгустках, в этих обнаруженных нами реакторах с кипящими метровыми зернами катализатора. На этом этапе среди всех возникающих реакторов есть такие, в которых происходит переход от «допланетного хемоценоза» к «миру РНК».

«Мир РНК» может появиться в умеренных по температурам условиях и, следовательно, на вполне определенных удалениях от протозвезды. Умеренные температуры — это диапазон от замерзания воды до ее испарения. И в этих условиях периодические увлажнение и высыхание поверхности тел становятся просто неизбежными. Отбор среди реакторов по температурным условиям, по активности катализаторов для дальнейшего усложнения органических молекул (по способности их полимеризовать), образовать километровые планетезимали и зародыши планет, а вместе с тем и перейти к «миру РНК», также можно оценить в 0.01 % по массе вещества. Этот этап самый быстрый, масштаба нескольких лет для одного реактора уединенной волны, иными словами, самогравитирующего сгустка вещества. Помимо сгустков, вещества в околозвездном диске еще много, не на одну планету. Вне сгустков, реакторов уединенной волны, «допланетный хемоценоз» эволюционирует в сторону преимущественно деструкции органических соединений, возможное свидетельство о которой и, возможно, об исходном составе первичного вещества находится в углистых хондритах. Методически, с точки зрения разделения труда, на этом этапе мы передаем свои данные по абиогенному синтезу исследователям «мира РНК». В этом месте у нас возникает совпадение с данными А.С. Спирина о необходимости интенсивного обмена тел с периодически высыхающей поверхностью. Возможные свидетельства этого этапа, кроме углистых хондритов, могут находиться в наименее плотных астероидах и спутниках планет (Маров и др., 2008; Адушкин и др., 2008).

Переход от «мира РНК» к сообществу простейших одноклеточных организмов нами не рассматривается. Но я возьму на себя смелость высказать, с использованием звучавшей в зале на совещании терминологии, «экстремистское» или, как говорили 30 лет назад, «радикальное» предположение. Оно состоит в том, что в какой-то момент времени из-за своей конденсации жидкая вода стала постоянно присутствовать на поверхности некоторых планетезималей и протопланет. И именно жидкая вода стала той причиной, по которой из всего богатства «мира РНК» оказались отобраны те соединения, которые в своей совокупности, сформировав оболочку — мембрану, смогли противостоять такому крайне разрушительному реагенту как вода. Все остальное богатство «мира РНК» погибло. А вот что осталось, то получило толчок к дальнейшему формированию сообществ одноклеточных организмов (биоценозов), способных использовать воду и выживать в новых катастрофических и других изменениях среды обитания с капельно-жидкой водой. Все отходы оказались отправлены в космос, Юпитер и Сатурн как «в третьи и развивающиеся страны», и в топку на Солнце. И если прав А.Ю. Розанов (Герасименко и др., 1999) относительно биоморфных микроструктур в метеоритах с возрастом 4.56 млрд. лет, то первичный биоценоз возник и существовал именно на допланетной стадии. Этот биоценоз перешел к «планете бактерий», естественно, с большими потерями органического вещества, большая часть которого подверглась деструкции, а что-то оказалось погребено в земных толщах.

Переход от первичного биоценоза к «планете бактерий» прошел в следующие два этапа, которые идентифицируются по биогеохимическим циклам в географической оболочке Земли (Заварзин, 2001). На первом этапе основная первичная биомасса подверглась деструкции:

(CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₄ → 53 СН₄ + 53 СO₂ + 8 N₂ + 24 Н₂ + [H₃PO₄] .

Легкие компоненты — Н₂, Не, СН₄ — Земля утратила. На сегодня существуют доводы полагать, что атмосферный азот является продуктом разложения первичной биомассы. Тогда массовое содержание азота в атмосфере к концу этого этапа стало близким к современному значению 4×10¹⁸ кг. Отсюда первичная земная биомасса может быть оценена в 2.4х10¹⁹ кг по углероду. Выделившееся 1.2×10¹⁹ кг СO₂ и абиогенные СO₂ связались в древнем «содовом океане» с отложением свыше 6×10¹⁹ кг карбонатов (Заварзин, 2006). Значит, масса абиогенного С0₂ в древнейшей атмосфере примерно 4.8х10¹⁹ кг по углероду, а давление в ней оценивается по порядку величины в 10 атмосфер. На этом же этапе осадочные породы закрыли древнейшие породы с возрастом в 4.56 млрд. лет, возможно, с погружением последних вместе с осадочными породами в мантию, метаморфизацией и вновь выносом на поверхность. Отметим, что на Земле современное количество воды 1.3×10²¹ кг. Не меньшее количество содержалось и в палеоокеане. При отсутствии воды на Земле объемное отношение СO₂ и N₂ в атмосфере было бы свыше 20, как на Венере и Марсе.

Атмосферы Венеры и Марса имеют главными компонентами 95 % СO₂ и 3-5 % N₂ по объемному содержанию. Предполагая, что содержание азота в атмосфере этих планет связано, как и для Земли, с разложением первичной биомассы с отношением элементов С : N = 6, получим, что свыше 60 % СO₂ в их атмосферах является абиогенным. Другие компоненты — Н₂, Не, СН₄, Н₂O — потеряны этими планетами. Вода в виде льда на прото-Марсе при его низкой температуре не обеспечила сток СO₂ в карбонаты. На прото-Венере связывания СO₂ не произошло из-за ее высокой температуры и воды в виде пара. Отсутствие воды в жидком виде не запустило на этих планетах важнейший геохимический процесс — углекислотное выщелачивание, связывание углекислоты в карбонаты и появление осадочных пород и, вместе с тем, питания микроорганизмов, что привело к исчезновению органического вещества на поверхности Марса и Венеры.

На последнем из рассматриваемых этапов становления «планеты бактерий» примерно 2 млрд. лет назад произошло формирование окислительной атмосферы (Розанов, 2008, с. 49). Первичная продукция образовывалась в реакциях фотосинтеза

CO₂ + Н₂O → [СН₂O] + O₂,

которая не была сбалансирована с деструкцией в биогеохимическом цикле. Это привело к накоплению избыточной мортмассы, которая в настоящее время представлена в основном керогеном в 1.5×10¹⁸ кг — рассеянным углеродом осадочных пород. Масса керогена примерно соответствует накопившемуся кислороду атмосферы в 1х10¹⁸ кг. Массу самой биосферы на этом этапе определить очень сложно. Поэтому оценим совместную эффективность двух последних этапов самоорганизации. Тогда для этапа деструкции первичной биомассы с выходом на фотосинтезирующий биоценоз и переходом к «планете бактерий» с ее современной массой 2х10¹⁵ кг получается эффективность 2х10¹⁵ кг / 2.4х10¹⁹ кг ~ 0.01 %, что совпадает с обычной эффективностью двух этапов самоорганизации. Итак, на рубеже примерно 2 млрд. лет масса биосферы достигла современного значения, и появилась «планета бактерий».

Работа выполнена по программе Президиума РАН № 18-2 по направлению академика В.Н. Пармона, которому автор приносит искреннюю благодарность за поддержку и обсуждения исследований по астрокатализу. Автор выражает признательность сотрудникам исследовательского коллектива СО РАН, в частности, Института катализа им. Т.К. Борескова, где в основном была выполнена эта работа. Многие идеи обсуждались на встречах у академика А.Ю. Розанова в дискуссиях с академиками Г.А. Заварзиным, А.С. Спириным, А.И. Григорьевым, Н.С Кардашевым, Н.А. Колчановым, СВ. Шестаковым, которым автор признателен за критику и полезные замечания.

Поздравляю, Вы наконец-то стали обладателем новенького айфона четвертого поколения и теперь Вам предстоит самая занимательная и интригующая часть знакомства с вашим мобильным устройством — установка программ. Все для Android, Symbian, Bada и iPhone! Вы найдете на сайте www.exclusivemobile.ru, благодаря которому Вы сможете превратить свой мобильник в настоящий мультимедийный центр!

Что происходило с пылью, которая двигалась вместе с газом при своей массе примерно в 1 % от газа? Заметим, что пылинки имеют сложную слоистую структуру. В среднем если диаметр пыли составляет сотню нанометров, то внутреннее ядро из тугоплавких оксидов кремния, магния, железа составляет несколько нанометров. Далее идут слои из веществ в порядке их летучести. Летучие органические соединения, вода, метан находятся на поверхности. Под поверхностью находятся указанные выше сложные органические соединения, причем их больше обнаруженных количеств в молекулярных облаках. В молекулярных облаках регистрируют соединения в газовой фазе, в то время как львиная доля органических соединений сконденсирована на пылинках и составляют эти пылинки. Еще надо отметить, что при вращении газа с пылью вокруг протозвезды значения центрифужного параметра достигает огромных по земным меркам значений в 1000-2000 для пыли относительно газа. (В земных условиях этих значений пока не достигли). Поэтому при поступлении газа и пыли с периферии околозвездного диска пыль начинала накапливаться в диске. При своем движении из холодных внешних областей диска во внутренние разогретые области пылинки теряли свою шубу из органических соединений. Ядра пылинок очищались. Но на ядрах могли происходить и гетерогенные реакции синтеза органических соединений из СО, водорода, соединений азота, если такие наночастицы обладали каталитической активностью. Состав наночастиц можно восстановить, исходя из распространенности элементов во Вселенной. Он приведен в наших предыдущих работах (напр., Снытников, 2007а) вместе с составом газа. Фактически это составы классических катализаторов для синтеза Фишера-Тропша получения сложных углеводородов из СО и водорода и синтеза аммиака из азота и водорода. Надо подчеркнуть, что все окружающее нас вещество, вся Земля и тяжелые элементы Солнца находились в виде этих наночастиц. При этом в наночастицах из тысяч атомов в качестве активного центра работал или был оттестирован на работоспособность не просто какой-либо элемент, а каждый атом даже самого редкого элемента!! Это поддерживает утверждение о необходимости для биоценоза всех элементов (Меклер, 1980). К примеру, отдельные атомы вольфрама, молибдена, ванадия и так далее, влияют на свойства наночастицы. На важность этих элементов для становления биосферы вновь было обращено внимание (Dobretsov et al., 2008; Федонкин, 2008). Отбор в протопланетном диске по активности катализаторов был осуществлен на этом этапе в совершенно невообразимых для химических технологий масштабах. Но для конечного продукта, биоценозов, каталитическая суперактивность наночастиц разрушительна.

Конечно, нужно было экспериментально подтвердить это предположение о высокой каталитической активности наночастиц состава природной распространенности элементов. Для этого в Институте катализа СО РАН была построена установка (Snytnikov et al., 2007), на которой методом лазерного испарения были приготовлены наночастицы из природных минералов и метеоритов, в частности, из метеорита Царев. Образцы наноматериалов были отданы в две независимые лаборатории Института катализа СО РАН для определения их активности в реакции синтеза углеводородов из СО и водорода. Все приготовленные наноматериалы оказались активны в этой реакции (Хасин, Снытников, 2005). А один из образцов показал активность, не уступающую активности промышленного катализатора. Далее, все это означает, что в указанных условиях протопланетного диска наночастицы синтезировали большое количество различной органики. И все неорганические частицы с диаметром в сантиметры, на которых обычно заканчивается укрупнение неорганических материалов (на больших масштабах неорганические материалы в условиях диска плохо соединяются между собой), реально были погружены в органическую связку, матрицу или пропитаны органическими соединениями, клеем. Фактически, это были кусочки пластилина, которые в столкновениях между собой могли легко слипаться. Тогда характерный масштаб, на котором заканчивается обычный рост частиц, составляет не сантиметры, а метры. Тем самым на этой уже относительно поздней стадии диска с температурой порядка 300-500 К на земном радиусе мы имеем газ и набор метровых в диаметре тел, двигающихся слабостолкновительно вокруг протозвезды. Слабостолкновительно означает, что тела могут столкнуться между собой на временах, сравнимых со временем одного оборота вокруг протозвезды. Такие столкновения происходят с космическими скоростями, большими скорости звука в твердом теле, и они приводят к дроблению тел.

Отметим, что органической компонентой и гетерогенными каталитическими реакциями в околозвездных дисках многие исследователи обычно пренебрегают, уделяя основное внимание газовой компоненте (Маров и др., 2008). Это справедливо в расчетах температуры и давления газовой компоненты по диску. Но в эволюции пылевой компоненты безусловно важную роль сыграли, в частности, реакции полимеризации на наночастицах с появлением комплекса разных полимеров. В качестве примера можно указать полиэтилен, мономер которого этилен синтезируется из СО и Н₂ наряду с другими углеводородами и молекулами воды.

Далее мы задались следующим вопросом, и в этом мы также были оригинальны по сравнению с исследователями московской и других школ (Маров и др., 2008). Существует ли физический механизм, который за предельно быстрые времена порядка нескольких лет приводит к формированию зародышей планет из первичных тел метрового размера? Почему год или несколько лет? Ответ прост, А.С. Спирин в своем выступлении на нашем совещании потребовал для синтезов «мира РНК» часы, возможно, несколько суток. Но диск функционирует миллион лет, и нужно связать астрофизические и химические времена. Отсюда, имеются ли в протопланетном диске существенно более быстрые процессы, чем процесс, определяющий этот миллион лет существования диска? Ответ на этот вопрос оказался «да». Но для ответа пришлось рассматривать гравитационную неустойчивость в двухфазной среде из газа и первичных тел, в которой из последних формируются зародыши планет. Данный вид неустойчивости отличается от неустойчивости Тоомре, которую анализировали М.Я. Маров и др. (2008). Мы рассмотрели длину Джинса в такой среде и показали, что при эффективной энергии, характеризующей разброс тел по скоростям, близкой к температуре газа, длина Джинса может уменьшиться на много порядков (Снытников, 20076). Возникает условие гравитационного собирания многих первичных тел в зародыши планет. Этот процесс коллективный и бесстолкновительный. Определенный и изученный аналог такого процесса можно найти в физике ускорителей элементарных частиц. Он известен как охлаждение легкими электронами тяжелых протонов. В изучаемом процессе при трении тел о газ разброс тел по скоростям снижается, и в какой-то момент времени возникают условия для гравитационного коллективного коллапса тел в газе.

Решили собственными силами создать качественный сайт, но в процессе осознали, что это очень сложное и кропотливое занятие, которое является непосильной для Вас задачей? Значит, пришло время вбить в поисковую строку вашего любимого поисковика «web студия» и перейти на сайт www.diogenes.ru, квалифицированные специалисты которого в кратчайшие сроки и с учетом всех ваших пожеланий разработают полностью функциональный сайт.