Катастрофа Протолуны и рождение Луны
С приближением массивного спутника к центральной планете его тело все более деформируется приливными силами и вытягивается вдоль продольной оси, соединяющей центры тяжести планет. Начиная с некоторого расстояния от центральной планеты до орбиты спутника, известного как предел Роша, приливная сила, действующая на спутник, становится больше силы его самогравитации. Для разрушения твёрдого спутника необходимо, чтобы разность этих сил превысила предел прочности пород спутника на разрыв, так как только в этом случае спутник теряет свою устойчивость и начинает разрушаться. Следовательно, для разрушения твёрдого спутника он должен как бы погрузиться в полость Роша на ту глубину, при которой притяжение со стороны центральной планеты превышает собственную силу тяжести спутника на величину, равную прочности его пород. В противоположность этому разрушение жидкого спутника путём перетекания его вещества на планету, начинается, как только спутник переходит на орбиту, равную пределу Роша. В астрофизике явления перетекания звёздного вещества от меньшей по массе звезды к большей в тесных двойных звёздных системах известны довольно широко (Физика космоса, 1986).
На пределе Роша угловые скорости вращения планеты и её спутника совпадают. Для Земли и Луны эта скорость приблизительно равнялась одному обороту за 6 ч. Для Луны радиус сферы Роша вокруг Земли был примерно равен 17 150 км и превышал радиус нашей планеты всего в 2,7 раза. Исходный радиус Протолуны составлял приблизительно 2 560 км, тогда как благодаря приливным деформациям на пределе Роша большая полуось спутника вытягивалась в 1,5 раза, т.е. до 3 840 км. Средний радиус Протоземли и тогда уже приблизительно равнялся радиусу современной Земли (6 370 км), с учётом же быстрого вращения Земли её экваториальный радиус тогда достигал 6 720 км. Отсюда можно подсчитать, что в момент перехода Протолуны на орбиту предела Роша она нависала над земной поверхностью на высоте всего около ... 6 590 км (можно только догадываться, какое впечатление могло производить такое сближение планет!).
Разрушение жидкой и расслоённой (прошедшей дифференциацию) Протолуны при её переходе на орбиту критического предела с последующим постепенным погружением в сферу Роша должно было происходить за счёт стекания расплавленного вещества внутреннего (обращённого к центральной планете) приливного вздутия в сторону Протоземли. Сорванное с поверхности Протолуны силикатное вещество в форме небольших застывших «брызг» — лапиллий и «вулканических» бомб — должно было по широкой спирали устремляться к центральной планете, формируя вокруг Протоземли (в её экваториальной плоскости) достаточно плотные кольца раздробленного метеоритного материала вроде современных колец Сатурна, также возникших за счёт разрушения одного из спутников Сатурна на пределе Роша (рис. 23).
На первых этапах разрушения Протолуны осколки её внутреннего приливного горба неизбежно должны были выпадать на поверхность Протоземли, непосредственно передавая ей момент количества движения спутника. В дальнейшем выпадение осколков из плотных метеоритных роев на Протоземлю, по-видимому, происходило уже под влиянием возмущающего действия самого спутника на потоки осколочного вещества в кольцах и процессов столкновения в них отдельных частиц. Это, в свою очередь, должно было приводить к турбулизации потоков осколочного вещества, к гашению кинетической энергии их движения и к выпадению осколков на поверхность центральной планеты. В результате угловая скорость осевого вращения Протоземли повышалась, а скорость погружения остатков Протолуны в сферу Роша уменьшалась.
Многие черты развития катастрофы Протолуны определялись скоростью её погружения в сферу Роша. Изучение этого процесса и выполненные нами оценки показывают, что скорость сближения наших планет тогда была достаточно большой: за один оборот Протолуны с периодом около 6 ч она погружалась в сферу Роша приблизительно на 24-35 м, а за год — на 35-51 км.
Как видно из приведённых оценок, сближение Протолуны с Протоземлей действительно происходило стремительно. При такой скорости погружения Протолуны в сферу Роша даже расплавленное, но все-таки вязкое протолунное силикатное вещество из внутреннего приливного выступа спутника просто не успевало стекать с его поверхности в сторону Протоземли. В результате Протолуна в те трагические для неё времена, могла погружаться в сферу Роша значительно глубже, чем это допускается теорией, не учитывающей конечную вязкость вещества разрушаемого спутника.
Задача разрушения расслоённого спутника с маловязким (единицы пуаз), но плотным (около 8 г/см3) ядром и более вязкой (порядка 1010 П), но легкой (около 3,3 г/см3) оболочкой при быстром его погружении в сферу Роша строго ещё не решена. Качественное рассмотрение этой проблемы показывает, что ситуация, по-видимому, должна была резко измениться, как только приливное ускорение со стороны Протоземли превысило ускорение силы тяжести на поверхности протолунного ядра. После этого момента, при быстром погружении спутника в сферу Роша, в большей части его ядра должны были возникнуть значительные растягивающие напряжения. В таких условиях после преимущественного разрушения внутреннего приливного горба Протолуны могло произойти быстрое «выливание» маловязкого расплавленного железа из её ядра на земную поверхность.
Если катастрофический разрыв расплавленного железного ядра Протолуны действительно произошёл достаточно быстро и большая часть его вещества вместе с остатками внутреннего приливного вздутия устремилась к Земле, то внешний приливный горб, менее всего пострадавший от разрушения и почти лишённый остатков «ядерного» железа, должен был испытать инерционную отдачу и перейти на более удалённую орбиту, т.е. покинуть опасную зону предела Роша.
К этому времени, как показывают расчёты, благодаря выпадению на Протоземлю большей части протолунного вещества её масса возросла до массы современной Земли, а угловая скорость осевого вращения за счёт приливных взаимодействий с Протолуной увеличилась до критического значения, равного угловой скорости орбитального обращения спутника на пределе Роша (один оборот приблизительно за 6 ч.). Благодаря инерционной «отдаче» остатки Протолуны, которые теперь уже можно называть Луной, должны были перейти на орбиту с меньшей орбитальной скоростью её обращения вокруг Земли. В результате после этого приливные взаимодействия планет поменяли свой знак на противоположный и молодая Луна начала отодвигаться от Земли, что и спасло её от окончательного разрушения, а собственное осевое вращение Земля стало тормозиться (продолжается этот процесс и сейчас).
Начиная с этого момента можно говорить об образовании на околоземной орбите настоящей Луны — вечного и верного спутника нашей планеты. Но образовалась она около 4,6 млрд лет назад ценой разрушения более крупной материнской планеты — Протолуны, захваченной несколько ранее гравитационным полем растущей Земли с соседней близкой орбиты.
На пределе Роша угловые скорости вращения планеты и её спутника совпадают. Для Земли и Луны эта скорость приблизительно равнялась одному обороту за 6 ч. Для Луны радиус сферы Роша вокруг Земли был примерно равен 17 150 км и превышал радиус нашей планеты всего в 2,7 раза. Исходный радиус Протолуны составлял приблизительно 2 560 км, тогда как благодаря приливным деформациям на пределе Роша большая полуось спутника вытягивалась в 1,5 раза, т.е. до 3 840 км. Средний радиус Протоземли и тогда уже приблизительно равнялся радиусу современной Земли (6 370 км), с учётом же быстрого вращения Земли её экваториальный радиус тогда достигал 6 720 км. Отсюда можно подсчитать, что в момент перехода Протолуны на орбиту предела Роша она нависала над земной поверхностью на высоте всего около ... 6 590 км (можно только догадываться, какое впечатление могло производить такое сближение планет!).
Разрушение жидкой и расслоённой (прошедшей дифференциацию) Протолуны при её переходе на орбиту критического предела с последующим постепенным погружением в сферу Роша должно было происходить за счёт стекания расплавленного вещества внутреннего (обращённого к центральной планете) приливного вздутия в сторону Протоземли. Сорванное с поверхности Протолуны силикатное вещество в форме небольших застывших «брызг» — лапиллий и «вулканических» бомб — должно было по широкой спирали устремляться к центральной планете, формируя вокруг Протоземли (в её экваториальной плоскости) достаточно плотные кольца раздробленного метеоритного материала вроде современных колец Сатурна, также возникших за счёт разрушения одного из спутников Сатурна на пределе Роша (рис. 23).
Рисунок 23. Картина разрушения Протолуны на пределе Роша Земли
На первых этапах разрушения Протолуны осколки её внутреннего приливного горба неизбежно должны были выпадать на поверхность Протоземли, непосредственно передавая ей момент количества движения спутника. В дальнейшем выпадение осколков из плотных метеоритных роев на Протоземлю, по-видимому, происходило уже под влиянием возмущающего действия самого спутника на потоки осколочного вещества в кольцах и процессов столкновения в них отдельных частиц. Это, в свою очередь, должно было приводить к турбулизации потоков осколочного вещества, к гашению кинетической энергии их движения и к выпадению осколков на поверхность центральной планеты. В результате угловая скорость осевого вращения Протоземли повышалась, а скорость погружения остатков Протолуны в сферу Роша уменьшалась.
Многие черты развития катастрофы Протолуны определялись скоростью её погружения в сферу Роша. Изучение этого процесса и выполненные нами оценки показывают, что скорость сближения наших планет тогда была достаточно большой: за один оборот Протолуны с периодом около 6 ч она погружалась в сферу Роша приблизительно на 24-35 м, а за год — на 35-51 км.
Как видно из приведённых оценок, сближение Протолуны с Протоземлей действительно происходило стремительно. При такой скорости погружения Протолуны в сферу Роша даже расплавленное, но все-таки вязкое протолунное силикатное вещество из внутреннего приливного выступа спутника просто не успевало стекать с его поверхности в сторону Протоземли. В результате Протолуна в те трагические для неё времена, могла погружаться в сферу Роша значительно глубже, чем это допускается теорией, не учитывающей конечную вязкость вещества разрушаемого спутника.
Задача разрушения расслоённого спутника с маловязким (единицы пуаз), но плотным (около 8 г/см3) ядром и более вязкой (порядка 1010 П), но легкой (около 3,3 г/см3) оболочкой при быстром его погружении в сферу Роша строго ещё не решена. Качественное рассмотрение этой проблемы показывает, что ситуация, по-видимому, должна была резко измениться, как только приливное ускорение со стороны Протоземли превысило ускорение силы тяжести на поверхности протолунного ядра. После этого момента, при быстром погружении спутника в сферу Роша, в большей части его ядра должны были возникнуть значительные растягивающие напряжения. В таких условиях после преимущественного разрушения внутреннего приливного горба Протолуны могло произойти быстрое «выливание» маловязкого расплавленного железа из её ядра на земную поверхность.
Если катастрофический разрыв расплавленного железного ядра Протолуны действительно произошёл достаточно быстро и большая часть его вещества вместе с остатками внутреннего приливного вздутия устремилась к Земле, то внешний приливный горб, менее всего пострадавший от разрушения и почти лишённый остатков «ядерного» железа, должен был испытать инерционную отдачу и перейти на более удалённую орбиту, т.е. покинуть опасную зону предела Роша.
К этому времени, как показывают расчёты, благодаря выпадению на Протоземлю большей части протолунного вещества её масса возросла до массы современной Земли, а угловая скорость осевого вращения за счёт приливных взаимодействий с Протолуной увеличилась до критического значения, равного угловой скорости орбитального обращения спутника на пределе Роша (один оборот приблизительно за 6 ч.). Благодаря инерционной «отдаче» остатки Протолуны, которые теперь уже можно называть Луной, должны были перейти на орбиту с меньшей орбитальной скоростью её обращения вокруг Земли. В результате после этого приливные взаимодействия планет поменяли свой знак на противоположный и молодая Луна начала отодвигаться от Земли, что и спасло её от окончательного разрушения, а собственное осевое вращение Земля стало тормозиться (продолжается этот процесс и сейчас).
Начиная с этого момента можно говорить об образовании на околоземной орбите настоящей Луны — вечного и верного спутника нашей планеты. Но образовалась она около 4,6 млрд лет назад ценой разрушения более крупной материнской планеты — Протолуны, захваченной несколько ранее гравитационным полем растущей Земли с соседней близкой орбиты.