Земля и марс

Астероиды и кометы
Два пояса астероидов:
1 – между орбитами Марса и Юпитера
2 – пояс Койпера за Нептуном

Пояс Койпера
Пояс астероидов за орбитой Нептуна
от 40 до 100 а.е.
~ 35 000 объектов Ø 100 км и более
Ледяные тела, кометы

Пояс Койпера
100 а.е.

Крупнейшие объекты пояса Койпера
Земля R ~ 6 400 км

В 50-е годы датский астроном Ян Оорт заметил, что афелии (самые удаленные от Солнца точки) орбит многих комет заключены в большом сферическом облаке вокруг Солнечной системы.
Граница облака Оорта – 50-100 000 а.е. – почти световой год
Облако Оорта – граница Солнечной системы

СЕДНА, возможно, принадлежит к облаку Оорта.
Большая полуось орбиты – 940 а.е. Год – 11 500 лет
Размер немного меньше Плутона
Облако Оорта

Кометы состоят в основном из льда и пыли.
Содержат железо-кремниевые включения
Ядро кометы Wild 2

Может ли Земля столкнуться с астероидом?
След. Слайд – астероиды, пересекавшие орбиту Земли за 2 мес. 2002г.
Вероятность оценивается
для астероидов
больше 1км – 1 : 250 тысяч лет
больше 10 км – 1 : 100 миллионов лет

Земля

Процесс образования планет условно разделен на два этапа.
На первом этапе – менее 1 млн. лет, из пылевого компонента облака образовалось множество промежуточных тел размером в сотни километров – планетезимали

На втором этапе планетезимали за счет гравитации сталкивались и образовывали планеты. Энергия столкновений расплавляла их и делала планеты горячими.
Этот этап длился десятки миллионов лет – пока орбиты планет не были расчищены.

Планеты разогревались за счет энергии
1. Столкновений
2. Гравитационной конвекции – тяжелые элементы опускались к центру, а легкие – поднимались на поверхность
3. Распада радиоактивных элементов в недрах

Температура в центре железного ядра Земли до сих пор ~ 6 500 K – больше, чем на поверхности Солнца
Внутреннее ядро твердое из-за высокого давления

Земля

Определение возраста Земли
Принцип актуализма. (Чарлз Лайель, 1830)
Геологические процессы в прошлом должны были протекать примерно с той же скоростью, что и ныне.
Первый метод.
Лайель определял возраст по толщине осадочных пород

Чарльз Лайель
Время, необходимое для образования только тех пород, что доступны для прямого изучения, оказалось несколько сотен миллионов лет.
Основы геологии, 1830

Определение возраста Земли
Второй метод – радиоизотопный
(Эрнест Резерфорд, 1990-е)
Основа: период полураспада изотопа не зависит от внешних условий.
Датировку породы проводят одновременно по нескольким изотопам:
Уран и торий → свинец и гелий
Калий → аргон и кальций
Рубидий → стронций

Радиоизотопный метод определяет время, прошедшее с тех пор, как порода в последний раз была в расплавленном состоянии

Периоды полураспада используемых для датировок элементов
238U – 4,51 млрд. лет 235U – 0.710 млрд. лет
232Th – 13,9 млрд. лет
40K – 1.30 млрд. лет
14С – 5 730 тыс. лет.

Древнейшие породы на Земле – 4.2 млрд лет (недавно найдены в Австралии)
Каменные метеориты – половина от 3.6 до 4.6 млрд. лет, остальные моложе (обломки планет и астероидов?)
Лунный грунт – не менее 4.4 млрд
Фаулер, Хойл, 1961: Последний космический ядерный синтез, повлиявший на состав протосолнечного вещества, мог произойти 4,7 + 0,1 млрд. лет назад.

Возраст ЗЕМЛИ 4.6 млрд.лет
Среднее расстояние от Солнца 150 млн. км
Самое большое в Солнечной системе соотношение масс спутник : планета: 1 : 81 (выше только Харон / Плутон)
Радиус ~ 6 400 км
Масса ~ 6·1024 кг
Средняя плотность 5.5 г/см3
Плотность коры 2.3 г/см3
Существование очень плотного ядра

Рецепт Земли
железо – 32,1 %
кислород – 30,1 %
кремний – 15,1 %
магний – 13,9 %
сера – 2,9 %
никель – 1,8 %
кальций – 1,5 %
алюминий – 1,4 %
остальные элементы – 1,2 %.
Углерод (в коре) – 0.27%

4.6 млрд. лет назад Земля была
Быстро вращающейся, горячей – более 1000° и безводной
Продолжались бомбардировки кометами и астероидами
Континентов нет
Высокая вулканическая активность
Земля в Гадее

Примерно через 200 млн. лет Земля остыла до температуры, когда могла существовать жидкая вода
Вода и атмосфера были
принесены кометами
пары вулканов

Гадей 4.6 – 4.0 млрд. лет назад
Луна была гораздо ближе ~ 17 тыс.км (сегодня – 384 тыс. км)
Сутки в гадее длились около
6 часов
(становятся длиннее ~ на 4 часа каждый миллиард лет)

4.5 млрд. лет назад – возраст лунных пород
Гипотеза возникновения Луны от столкновения Земли с другой протопланетой размером с Марс

Магнитное поле Земли – защита от солнечного ветра
(потока ионов: гелиево-водородной плазмы)

Инверсии магнитных полюсов за последние 5 млн.лет
Последнее 780 тыс. лет

Дрейф континентов
(спрединг)

1912
Альфред Вегенер

Горные цепи
Следы древнего оледенения
Пангея 200 млн. лет назад

Ареалы ископаемых видов

Срединный Атлантический хребет

Тихоокеанские срединные хребты

Самые старые участки океанической коры
~ 200 млн. лет
Скорость роста
1 см в год
= 10 км за млн. лет

Сила двигающая плиты – конвекция

Почему нет жизни на Марсе?
Граничные условия жизни

Рецепт жизни
Жидкость – среда для химических реакций
Источник энергии
Набор химических элементов
Все смешать, поместить на подходящую планету и выждать 100-200 млн. лет

Жидкая среда – почему?
В твердом теле ограничена подвижность молекул → взаимодействий между ними, необходимых для передачи сигнала и ответных реакций.
В газе не может быть макромолекул.
Они разрушаются при температурах, необходимых для перехода в газообразное состояние.

Какая-нибудь жидкость:
Граничные условия жизни
Вода жидкая: 0 – 100°С
Аммиак NH3 (–33) – (–78)°С
Метан СН4 (–182) – (–162 ) °С

2. Источник энергии
Свет (на Земле)
Тепло (трудно: нужен большой перепад T°)
Химические вещества – органические и неорганические.
Последние заканчиваются.
На Земле этот способ возможен, т.к. запасы пополняются фототрофами.
Граничные условия жизни
Должен быть неисчерпаем

3. Набор химических элементов
на Земле – С, Н, О, N, P, S
Для эволюции жизни нужен их круговорот: продукты метаболизма не должны улетучиваться с планеты
Парниковый эффект
Граничные условия жизни

Парниковые газы
CO2, метан
вода

Обитаемая зона – температурные границы
Ближняя к Солнцу: температура не выше точки кипения воды 100°С. (Другие потенциальные растворители выкипают еще раньше).
Дальняя от Солнца: Температура не ниже точки замерзания парниковых газов (CO2, метан СН4, вода)
CO2 замерзает при −57 °C
метан замерзает при −182 °C

Атмосферы планет Земной группы
Венера Земля Марс
CO2 96% 0.035% 95%
N2 3.5 % 78% 2.7 %
H2O 0.01% неск. % 0.03%
O2 ----- 21% 0.13%

Масса 0.8Земной
Атмосфера очень плотная, давление у поверхности 90 земных
Состав – СО2 (96%) и азот, пары воды и кислорода (~ 0.1%)
t + 460 ° C – больше, чем на Меркурии за счет парникового эффекта
Сутки = 243земных
Год = 225 земных суток
Венера

Атмосфера очень разрежена – давление в 160 раз меньше земного.
По составу похожа на венерианскую – 95 углекислого газа, 2,7 % азота, немного кислорода и воды.
Марс
Температура на экваторе от +30 °С в полдень до −80 °С в полночь.

Сезонное таяние льда из СО2 на Северном полюсе Марса
Телескоп Хаббл, NASA

10 km
M-01
В возрасте 1 млрд лет на Марсе были реки
Viking image from:
http://www.lpi.usra.edu/publications/slidesets/redplanet2/slide_26.html

Юпитер
Нет твердой поверхности
Плотная атмосфера из водорода и гелия
Мантия из жидкого водорода
Ядро из железа и камня
Быстрое вращение – сутки около 10 часов
Температура облаков –130°, но на глубине 130 км – уже +150

Температурные границы обитаемой планеты
Жизнь на Юпитере?
Нельзя исключить. Хотя среда слишком нестабильна.

Европа – спутник Юпитера
По химическому составу близка к Земле
Температура на поверхности –150—190°С
Предполагается, что под слоем льда – океан жидкой воды.
Наиболее вероятный кандидат на существование жизни

Европа

Жидкие озера на Титане
Радиолокационная съемка Кассини
Титан
t около −180°С
Единственное тело, кроме Земли, где в атмосфере преобладает азот (95%), остальное – метан,
Плотность близка к земной.
Метановые моря и дожди.
Водный океан под корой?

Экзопланеты
Обнаружены у 10% изученных звезд
На начало 2009 г. известно 342 экзопланеты в 290 планетных системах

Ссылки
Ссылки на источники рисунков даны под слайдами в строке заметок
Lectures of Prof. George Rieke
http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/syllabus/syllabus.htm
Тектоника плит – карты материков в прошлом и будущем
http://www.scotese.com/earth.htm