Поверхность Земли | Блог о природе

ph09413y Была ли когда либо поверхность Земли раскалённой жидкой?

Была ли поверхность нашей планеты когда-либо настолько горячей, что представляла собой жидкий расплав камня и металла? Скорее всего, нет. Но утверждать это однозначно у нас пока нет достаточных объективных оснований (фактов).

Однако очертить границы обстоятельств, при которых земная поверхность всегда была бы однозначно твёрдой (и никогда жидкой), или какое-то время однозначно была жидкой (речь сейчас идёт не о воде!) вполне возможно. Во всяком случае, мы можем показать зависимости, разграничивающие эти возможные варианты развития событий.

Понятно, что за счёт внутреннего тепла или за счёт тепла от Солнца поверхность Земли никогда не могла быть жидкой (ниже будет видно из цифр). Но возможны и другие механизмы, которые могли производить тепло на Земле в количествах, достаточных для того, чтобы её поверхность имела температуру выше температур плавления металлов и силикатов. Таким механизмом могло быть интенсивное выпадение на Землю межпланетных частиц различного размера в период активного начального формирования нашей планеты. При их падении вся кинетическая энергия падающих частиц на поверхности Земли (или неглубоко под ней) превращалась в тепловую энергию, которая в течение некоторого времени излучалась в межпланетное пространство (за вычетом незначительного количества тепла, пошедшего на нагрев вещества самой частицы). Так что практически вся усреднённая мощность падения частиц превращалась в среднюю излучаемую мощность. Не имеет большого значения, какими были эти частицы: отдельные молекулы, пылинки, или каменно-металлические глыбы изрядного размера. Имеет значение только интенсивность выпадения этих частиц на поверхность Земли (выраженная, скажем в (кг/м2 ) / день) и скорость сближения этих частиц с поверхностью Земли (в м/сек).

Все гипотезы образования Земли, имеющие сегодня хождение, едины в том, что изначально Земли в её нынешних размерах не существовало. То есть, размеры Земли выросли практически от нуля до нынешних размеров за какой-то отрезок времени (скажем, за сто тысяч, или за сто миллионов лет). Сделаем некоторые допущения о скорости роста размеров Земли в период её формирования. И посмотрим, как эти допущения отразятся на возможной температуре поверхности Земли.

Пусть в ходе роста Земли на её поверхность выпадали межпланетные частицы в таком темпе, что за год выпадал слой пыли, обломков толщиной в 1 метр, то есть радиус Земли за год увеличивался в среднем на 1м (один метр). Так что при таком темпе Земля сформировалась бы примерно за 6 000 000 лет (нынешний радиус Земли 6 370 000 метров). При таких темпах каждый день (нынешние 24 часа) на поверхность Земли выпадал бы слой космической пыли и обломков толщиной в среднем около 3 миллиметров. Так что на каждый квадратный метр поверхности за день выпадало бы около 17 кг космических обломков (средняя плотность Земли около 5.5 г/см3 ). Но это не просто пыль типа дорожной. Эта пыль встречалась (сталкивалась) с нашей планетой на изрядной скорости. Примем среднюю величину этой скорости равной 10 км/сек. Это допущение не очень обосновано, но какие-то доводы в его пользу есть. В какой-то момент времени оно будет очень близко к действительности — в настоящее время частица, начинающая падение на Землю в её поле силы тяготения с большого расстояния, при столкновении с поверхностью будет иметь скорость как раз около 10 км/сек (11.2 км/сек при падении с бесконечности). А различие беспорядочных скоростей межпланетных частиц в окрестностях точки (скажем, формирующейся Земли) при царивших тогда плотностях межпланетного вещества не могло быть велико из-за частых столкновений межпланетных частиц.

В качестве возражения против такого подхода можно указать на то, что какое-то количество частиц после «рикошета» покинуло нашу формирующуюся планету. Но таких частиц было немного (в процентах). Кроме того, при рикошете гасится сравнительно малая часть кинетической энергии частиц. А для того, чтобы покинуть зону притяжения Земли, частицы как раз и должны были иметь скорость больше 11.2 км/сек.

Подсчитаем, сколько тепла «выпадало» в результате оседания межпланетных частиц на одном квадратном метре земной поверхности за день (в среднем):

А = ? * m * V2 = ? * 17 кг * (10 000 м/сек)2 = 8.5 * 108 джоулей.

Эта энергия А падала на 1 м2 земной поверхности за 24 часа, что даёт падающую, а затем и излучаемую мощность N порядка 10 кВт/м2 (=850 000 000 (Дж/м2) / 86 400 сек).

Подсчитаем, какой температуре соответствует такой поток энергии, излучаемый с каждого квадратного метра. Для этого посмотрим в учебник физики, где приводится доказательство, что мощность, излучаемая «чёрным» телом, пропорциональна Т4 . А при температурах порядка 600?К и выше излучающие тела вполне можно считать абсолютно чёрными без особого ущерба для точности.

N = k * Т4 ,

здесь N – излучаемая мощность,

k – некий коэффициент,

Т — абсолютная температура в градусах Кельвина.

Посмотрим также в справочники, где приводится температура поверхности Солнца (5770?К) и мощность, излучаемая с каждого квадратного метра поверхности Солнца (порядка 64000 кВт). Заодно напомним, что на 1 квадратный метр поверхности Земли в среднем падает 340 Вт солнечной энергии (1370 Вт на площадку, перпендикулярную солнечному лучу на орбите Земли). А из внутренних областей к поверхности коры приходит тепловая мощность порядка 0.1 Вт на квадратный метр. Видим, что поток внутреннего тепла из недр Земли, родственный ныне существующему, и поток тепла от Солнца в те времена не очень-то влияли на температуру поверхности Земли на фоне вычисленных нами тепловой мощности в 10 кВт/м2 от выпавших частиц.

Зная параметры излучения поверхности Солнца, мы можем, не очень вдаваясь в выяснение сути и величин разных коэффициентов, вычислить температуру поверхности, излучающей с каждого квадратного метра 10 кВт, через температуру нашего Солнца.

Тз = Тс * (Nз/ Nс)¼ = 5770? * (10/64 000)¼ = 645? К = 372? С .

Здесь Тз – температура поверхности Земли,

Nз – мощность, излучаемая с поверхности Земли.

Этой температуры (Тз = 372? С) явно недостаточно для плавления силикатов и металлов. Нужно, чтобы температура была хотя бы 700? С = 973? К.

Этой температуре 700? С соответствует мощность

Nз = Nс * (Тз/Тс)4 = 64 000 * (973/5770)4 = 52 кВт .

Так что для обеспечения температуры, достаточной для плавления поверхности Земли, интенсивность выпадения космической пыли должна была бы быть хотя бы в 5 раз выше принятой нами. То есть, если бы Земля образовалась за миллион лет, или, ещё быстрее, за 100 000 лет, она имела бы некоторое время жидкокаменную поверхность. А если Земля образовалась за 10 миллионов лет, или даже за 100 миллионов лет, она определённо никогда не имела раскалённой жидкой поверхности. То есть, температура поверхности Земли была бы высока, но недостаточна для её плавления.

Таким образом, видим, что температура поверхности Земли в период её формирования решающим образом зависела от темпов роста нашей планеты. И для окончательного ответа на исходный вопрос о жидкой поверхности Земли нужно знать эти темпы. А надёжное установление темпов формирования Земли — это уже несколько иной вопрос. И мы пока не готовы рассматривать его достаточно аргументировано.


Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: