Earth’s Accretion and Differentiation

Аккреция и дифференциация Земли

Аккреция и дифференциация Земли

От planetesimals к протоземле и разделение на ядро, мантию и кору

1. Каменистая планета возникает из пыли

Over 4.5 billion years ago, the proto-Sun was surrounded by a protoplanetary диск— пространство газа и пыли, оставшееся от туманности, которая коллапсировала, чтобы сформировать солнечной системы. Внутри этого диска бесчисленные planetesimals (камнеподобных/ледяных тел километрового масштаба) сталкивались, сливались и постепенно формировали земные планеты во внутренней части солнечной системы. Путь Земли от рассеянных переход от твердых тел к слоистому, динамичному миру был далеко не спокойным, прерываемым гигантскими столкновениями и интенсивным внутренним нагревом.

Слоистая структура нашей планеты — железосодержащая ядро, силикатный мантия и тонкий, жёсткий кора — отражает процесс дифференциации, в ходе которого материалы Земли разделялись по плотности во время интервалов частичного или полного плавления. Состав и свойства каждого слоя сформировались в результате продолжительные космические столкновения, магматическая сегрегация и химическое распределение. Путём понимая раннюю эволюцию Земли, мы получаем важные сведения о том, как каменистые планеты обычно формируются и как важные аспекты, такие как магнитное поле, плиты тектоника и запасы летучих веществ возникают.

2. Строительные блоки планет: планетезимали и эмбрионы

2.1 Формирование планетезималей

Планетезимали — «фундаментальные строительные блоки» каменистых планет в модели core accretion. Изначально микроскопические пылевые зерна в внутренняя солнечная туманность слипалась, образуя мм–см гальку. Однако «барьер метрового размера» (радиальный дрейф, фрагментация) препятствовал дальнейшему медленному росту. Современные решения, такие как streaming instability, предполагают, что пылевые сгустки в локальных перенаселениях могут гравитационно коллапсировать, образуя планетезимали от ~1 км до сотен километров в диаметре [1], [2].

2.2 Ранние столкновения и протопланеты

По мере агрегации планетезималей гравитационный бегущий рост сформировал больших тел — протопланеты обычно размером от десятков до сотен километров по всей системе. Во внутренней части Солнечной системы они были преимущественно каменисто-металлическими из-за высокой температуры и минимальное количество водяного льда. За несколько миллионов лет эти протопланеты объединялись или разлетались друг от друга, в конечном итоге сливаясь в один или несколько крупных планетарные эмбрионы. Эмбриональная масса Земли могла сформироваться из десятков или сотен протопланеты, каждая из которых содержит уникальные изотопные подписи и элементный состав.

2.3 Химические подсказки из метеоритов

Метеориты — особенно хондриты — это сохранившиеся фрагменты планетезимали. Их состав и изотопные паттерны отражают солнечную туманность раннее химическое распределение. Нехондритные метеориты из дифференцированных астероидов или протопланеты показывают частичное плавление и разделение металла и силиката, указывая на процессы, аналогичные тем, через которые Земля должна была пройти в большем масштабе [3]. Сравнивая общую композицию Земли (выведенную из мантии горные породы и среднюю кору) с классами метеоритов, ученые ограничивают, какие первичные материалы, вероятно, сформировали Землю.

3. Временные рамки аккреции и раннее нагревание

3.1 Временные рамки формирования Земли

Аккреция Земли длилась десятки миллионов лет, начиная с самые ранние столкновения планетезималей до финального гигантского удара (~30–100 миллионов лет после формирования Солнца). Модели, использующие изотопную хронометрию Hf–W уточнить формирование ядра Земли в пределах ~30 миллионов лет после рождения солнечной системы, указывает на значительный внутренний нагрев на раннем этапе, позволяющий железу отделиться к ядро [4], [5]. Этот временной масштаб также совпадает с образование других земных планет, каждая из которых имеет уникальную историю столкновений.

3.2 Источники тепла

Несколько факторов повысили внутреннюю температуру Земли достаточно, чтобы обеспечить масштабное плавление:

  • Кинетическая энергия столкновений: столкновения на высокой скорости преобразуют гравитационный потенциал в тепло.
  • Радиоактивный распад: короткоживущие нуклиды, такие как 26Al и 60Fe, обеспечивали интенсивный, но относительно кратковременный нагрев, в то время как долгоживущие изотопы (40K, 235,238U, 232Th) способствовали продолжительному нагреву на протяжении миллиардов лет.
  • Формирование ядра: миграция железа вниз высвобождала гравитационную энергию, дополнительно повышая температуру и потенциально поддерживая фазу «магматического океана».

Во время фаз частичного или полного плавления внутренняя часть Земли позволяла более плотным металлам чтобы отделиться от силикатов — критический этап дифференциации.

4. Гигантское столкновение и поздняя аккреция

4.1 Столкновение, приведшее к образованию Луны

Гипотеза гигантского столкновения предполагает, что протопланета размером с Марс (часто называемая Theia) столкнулся с протоземлей на позднем этапе аккреции (~30–50 миллионов лет спустя первые твердые тела). Это столкновение выбросило расплавленный и испарившийся материал из Земли мантия, образующая диск обломков вокруг Земли. Со временем эти обломки слились в Луна. Доказательства включают:

  • Похожие изотопы кислорода: Лунные породы имеют почти идентичные изотопные соотношения с мантией Земли, в отличие от многих хондритных метеоритов.
  • Высокий угловой момент: Система Земля–Луна обладает значительным вращением, что соответствует энергичному косому столкновению.
  • Обеднение Луны летучими веществами: Столкновение могло испарить более легкие компоненты, оставив химически отличающуюся Луну [6], [7].

4.2 Поздний венец и доставка летучих веществ

После столкновения, приведшего к образованию Луны, Земля, вероятно, получила дополнительные мелкие удары от оставшиеся планетезимали — поздний венец — которые могли внести вклад определенные сидерофильные (любящие металл) элементы в мантию Земли и драгоценные металлы. Часть воды Земли могла также прибыть в таких столкновениях после гигантских импактов, хотя значительное количество воды могло сохраниться или быть доставлено и ранее.

5. Дифференциация: ядро, мантия и кора

5.1 Разделение металла и силиката

Во время расплавленных фаз — часто называемых «магматическим океаном» интервалы — железные сплавы (с никелем и другими металлами) опускаются к центру Земли под гравитация, формирующая ядро. Тем временем более легкие силикаты остаются сверху. Ключевые аспекты:

  1. Формирование ядра: Вероятно происходило поэтапно, каждый крупный столкновение способствовало сегрегации металла.
  2. Уравновешивание: Взаимодействия между металлом и силикатом в условиях высокого давления определяют распределение элементов (например, сидерофильные элементы переходят в ядро).
  3. Временные рамки: Изотопные системы (Hf-W и др.) указывают, что формирование ядра было в основном завершено примерно через 30 млн лет после образования Солнечной системы.

5.2 Мантия

Толстая мантия — доминирует силикаты (оливин, пироксены, гранат на глубине) — остается крупнейшим слоем Земли по объему. После сегрегации ядра, мантия, вероятно, частично кристаллизовалась из глобального или регионального магматического океана. Со временем со временем конвективные процессы сформировали композиционное слоение мантии (например, возможный ранний двухслойный мантия), но в конечном итоге происходит смешивание через тектоника плит и восходящие плюмы.

5.3 Формирование коры

As the outer portions of the magma ocean cooled, Earth’s earliest кора образовалась:

  1. Первичная кора: Возможно, базальтового состава, образованная напрямую затвердевание магматического океана. Эта кора могла многократно перерабатываться из-за интенсивных ударов или ранних тектонических процессов.
  2. Гадейская и архейская кора: Сохранились лишь скудные остатки, например, Акаста гнейс (~4.0 Ga) или Цирконы Джек-Хиллс (~4.4 Ga), дающие представление о Земле ранние условия коры.
  3. Континентальная vs. Океаническая: В конечном итоге Земля развила стабильную континентальная кора (более фельзитовая, плавучая), которая со временем утолщалась, критична для последующая тектоника плит. Тем временем океаническая кора формируется на срединно-океанических хребтах, более мафического состава, перерабатывались относительно быстро.

Во время Гадейского эона поверхность Земли оставалась нестабильной — удары, вулканизм, формирование ранних океанов — но из этих хаотичных начал сформировалась слоистая структура Земли геология уже была хорошо установлена.

6. Последствия для тектоники плит и магнитного поля

6.1 Тектоника плит

Разделение плотных металлов и более лёгких силикатов, а также наличие после столкновения значительного теплового бюджета, способствует конвекции мантии. На протяжении миллиардов в течение миллионов лет кора Земли трескается на тектонические плиты, которые дрейфуют сверху мантия. Этот движущий механизм:

  • Перерабатывает кору в мантию, регулируя атмосферные газы (через вулканизм и выветривание)
  • Строит континенты через орогению и частичное плавление
  • Возможно, задаёт уникальный «климатический термостат» Земли через карбонатно-силикатный цикл.

Ни одна другая планета в солнечной системе не демонстрирует устойчивую глобальную тектонику плит, намекает на то, что специфическая масса Земли, содержание воды и внутреннее тепло являются ключевыми для его поддержания.

6.2 Генерация магнитного поля

После формирования железосодержащего ядра Земли, её внешнее ядро, которое является жидким железным сплавом, вероятно произошло динамо действие, создавая глобальное магнитное поле. Это геодинамо помогает защищать поверхность Земли от космических и солнечных частиц ветра, предотвращая эрозию атмосферы. Без ранней дифференциации ядра Земля не имела бы стабильное магнитосферное поле и, возможно, потеряла воду и другие летучие вещества более легко — что дополнительно подчеркивает важность ранней сегрегации металлов и силикатов в история обитаемости Земли.

7. Подсказки из самых древних пород и цирконов

7.1 Запись гада

Прямые коровые породы из гада (4,56–4,0 Ga) являются редки — большинство ранних пород было субдукцировано или разрушено ударами. Однако, минералы циркона в более молодых осадках имеют U-Pb возраста до ~4,4 Ga, что подразумевает наличие континентальной коры, относительно холодных поверхностей и, возможно, жидкая вода существовала тогда. Их изотопные сигнатуры кислорода свидетельствуют об изменениях под воздействием вода, указывающая на гидросферу с ранних этапов.

7.2 Архейские терраны

К ~3,5–4,0 Ga Земля вошла в архейскую эру — некоторые хорошо сохранившиеся зеленокаменные пояса и кратонные области датируются примерно 3,6–3,0 Ga. Эти терраны показывают, что по крайней мере частичные процессы, похожие на движение плит, и стабильные литосферные блоки существовали, указывая на значительную часть ранней мантии и коры Земли продолжая развиваться после окончания основной фазы аккреции.

8. Сравнения с другими планетарными телами

8.1 Венера и Марс

Венера, предположительно, прошла несколько похожий ранний путь (ядро образование, толстая базальтовая кора), но экологические различия (бегущий парниковый эффект, отсутствие большой луны, возможно, ограниченное количество воды) привели к кардинально разным результатам. Марс мог аккрецировать быстрее или частично из другого резервуара, формируя меньшую планету с меньшей способностью поддерживать геологическую и магнитную динамику. Контрасты с слоистой структурой Земли помогают выявить, как небольшие изменения массы, начальный состав или влияние гигантских планет формируют конечные состояния планет.

8.2 Образование Луны как подсказка

Состав Луны (отсутствие значительного железного ядра, изотопное сходство с Земля) сильно поддерживает сценарий гигантского удара в финальной основной этап сборки. Нет прямого аналога большой одиночной луны, образующейся в результате гигантского удар был подтверждён вокруг других земных планет, хотя маленький захваченные луны и крупный спутник Плутона-Харона образуют интересные параллели.

8.3 Exoplanets

Хотя мы не можем напрямую видеть внутреннее слоение экзопланет, процессы, которые построение Земли, предположительно, универсально. Наблюдение плотностей супер-Земель или измерение атмосферные составы могут указывать на состояния дифференциации. Планеты с высоким содержанием железа содержание может отражать более жестокие столкновения или различные составы туманностей, в то время как другие могут оставаться недифференцированными, если они меньше или менее нагреты.

9. Текущие дебаты и будущие направления

9.1 Время и механизмы

Точная временная шкала аккреции Земли — особенно гигантских время столкновений — и степень частичного плавления на каждом этапе остаются областью активные исследования. Хф-В хронометрия задаёт широкие ограничения, но уточнение этих возрастов с помощью новых изотопных методов или лучших моделей металло-силикатного распределение имеет решающее значение.

9.2 Происхождение летучих веществ и воды

Пришло ли вода на Землю преимущественно от местных гидратированных планетезималей или от поздних покров комет/астероидов? Взаимодействие раннего ингассинга и поздней доставки влияет на формирование начального океана Земли. Исследования изотопных соотношений в метеоритах, кометах (HDO/H2O-отношение), и мантии Земли (например, ксенон изотопы) продолжают уточнять сценарии водного баланса Земли.

9.3 Глубина и продолжительность магматического океана

Дебаты продолжаются относительно глубины и продолжительности начального "магматический океан(ы)". Некоторые модели предлагают повторное частичное переплавление от крупных столкновений. Финальное гигантское столкновение могло создать глобальный магматический океан, после чего атмосферное извержение сформировало паровую атмосферу. Наблюдение фазы экзопланет с "магматическим океаном" с помощью телескопов следующего поколения в ИК-диапазоне могут в конечном итоге подтвердить или оспорить эти модели для горячих каменистых экзопланет.

10. Заключение

аккреция и дифференциация Земли — преобразование из агрегат пыли и планетезималей в слоистую, динамичную планету — лежит в основе каждого аспект более поздней эволюции Земли: формирование Луны, появление плит тектоника, генерация глобального магнитного поля и установление стабильная поверхностная среда для жизни. Через геохимический анализ пород, изотопные подписи, сравнения метеоритов и астрофизические модели, мы восстанавливаем, как повторяющиеся столкновения, эпизоды плавления и химическое распределение сформировали Землю слоистый внутренний слой. Каждый этап этого жестокого рождения оставил планету, хорошо приспособленную для устойчивые океаны, стабильное регулирование климата и, в конечном итоге, живые экосистемы.

Смотрим в будущее, новые данные с миссий по возврату образцов (таких как OSIRIS-REx’s Bennu samples or possible near-future missions to the Moon’s far side) и лучшие изотопные хронометры продолжат уточнять самую раннюю хронологию Земли. Интеграция этих данных с передовыми HPC-симуляциями даст еще более детальную информацию о том, как расплавленные капли железа опускались, чтобы сформировать ядро Земли, как гигантское столкновение создало Луна, и как вода и другие летучие вещества появились вовремя, чтобы обеспечить планету, изобилующую с жизнью. По мере того как мы продвигаемся дальше в наблюдениях экзопланет, история Земли сборка остается основным планом для понимания судеб бесчисленных каменистые миры по всему космосу.

Ссылки и дополнительная литература

  1. Chambers, J. E. (2014). "Планетарная аккреция во внутренней части Солнечной Система." Icarus, 233, 83–100.
  2. Morbidelli, A., Lunine, J. I., O’Brien, D. P., Raymond, S. N., & Walsh, K. J. (2012). “Building Terrestrial Planets.” Annual Review of Earth и планетарных наук, 40, 251–275.
  3. Kleine, T., et al. (2009). "Хф–В хронология метеоритов и времени аккреции и дифференциации планет." *Geochimica et Cosmochimica Acta*, 73, 5150–5188.
  4. Rubie, D. C., et al. (2015). "Аккреция и дифференциация земных планет с последствиями для состава раннеобразованных солнечных тел тел и аккреция воды." Icarus, 248, 89–108.
  5. Rudge, J. F., Kleine, T., & Bourdon, B. (2010). "Широкие границы на аккрецию Земли и формирование ядра, ограниченные геохимическими моделями." Nature Geoscience, 3, 439–443.
  6. Canup, R. M. (2012). "Формирование Луны с землеподобным состав через гигантское столкновение." Science, 338, 1052–1055.
  7. Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). "Создание Луны из быстро вращающаяся Земля: гигантское столкновение, за которым последовало резонансное замедление вращения." Наука, 338, 1047–1052.
Вернуться в блог