Геохимия, 2021, T. 66, № 11, стр. 964-971

Формирование Земли и Луны: влияние малых тел

М. Я. Маров a*, С. И. Ипатов a**

a Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
119991 ул. Косыгина, 19, Москва, Россия

* E-mail: marovmail@yandex.ru
** E-mail: siipatov@hotmail.com

Поступила в редакцию 26.04.2021
После доработки 04.05.2021
Принята к публикации 05.05.2021

Аннотация

Рассмотрена модель ударной бомбардировки Земли и Луны малыми телами на стадии их формирования. Показано, что суммарная масса льда воды в телах, доставленных к Земле из зоны питания планет-гигантов и внешнего астероидного пояса, могла быть соизмерима с массой земных океанов. Тела, первоначально пересекавшие орбиту Юпитера, могли приходить к орбите Земли в основном в течение первого миллиона лет. Большинство выпадений тел, первоначально находившихся на расстоянии от 4 до 5 а. е. (астрономических единиц) от Солнца, на Землю происходило в течение первых 10 млн лет. Некоторые тела из зоны Урана и Нептуна могли выпадать на Землю через время большее 20 млн лет. С начальных расстояний от Солнца примерно от 3 до 3.5 а. е. отдельные тела могли выпадать на Землю и Луну через несколько миллиардов лет для модели, учитывающей только гравитационное влияние планет. Отношение количества тел, сталкивавшихся с Землей, к числу тел, сталкивавшихся с Луной, варьировалось в основном от 20 до 40 для планетезималей из зоны питания планет земной группы. Для тел, первоначально находившихся на расстоянии от Солнца, большем 3 а. е., это отношение было в основном в диапазоне от 16.4 до 17.4. Характерные скорости столкновений планетезималей из зон питания планет земной группы с Луной варьировались от 8 до 16 км/c в зависимости от начальных значений больших полуосей и эксцентриситетов орбит планетезималей. Скорости столкновений с Луной тел, пришедших из зон питания Юпитера и Сатурна, были в основном пределах от 20 до 23 км/c.

Ключевые слова: Земля, Луна, планетезимали, малые тела, скорости столкновений

Список литературы

  1. Васильев С.В., Кривцов А.М., Галимов Э.М. (2011) Исследование процесса роста системы планета-спутник в результате аккумуляции вещества пылевого облака. Астрон. вестник 45(5), 420-429.

  2. Витязев А.В., Печерникова Г.В. (1996) Ранняя дифференциация Земли и проблема лунного состава. Физика Земли (6), 3-16.

  3. Галимов Э.М. (1995) Проблема происхождения системы Земля-Луна. Проблемы зарождения и эволюции биосферы (Под ред. Галимова Э.М.). М.: Наука, 8-45.

  4. Галимов Э.М. (2008) Современное состояние проблемы происхождения системы Земля-Луна. Проблемы зарождения и эволюции биосферы (Под ред. Галимова Э.М.). М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 213-222.

  5. Галимов Э.М. (2011) Образование Луны и Земли из общего супрапланетного газо-пылевого сгущения (доклад на XIX всероссийском симпозиуме по геохимии изотопов 16 ноября 2010 г.). Геохимия (6), 563-580.

  6. Galimov E. M. (2011) Formation of the Moon and the Earth from a common supraplanetary gas-dust cloud (lecture presented at the XIX all-Russia symposium on isotope geochemistry on November 16, 2010). Geochem. Int. 49(6) 537-554.

  7. Галимов Э.М. (2013) Анализ изотопных систем (Hf-W, Rb-Sr, J-Pu-Xe, U-Pb) применительно к проблеме формирования планет на примере системы Земля-Луна. Проблемы зарождения и эволюции биосферы (Под ред. Галимова Э.М.) М.: КРАСАНД, 47-59.

  8. Галимов Э.М., Кривцов А.М., Забродин А.В., Легкоступов М.С., Энеев Т.М., Сидоров Ю.И. (2005) Динамическая модель образования системы Земля–Луна. Геохимия. (11), 1139-1150.

  9. Galimov E.M., Sidorov Yu.I., Krivtsov A.M., Zabrodin A.V., Legkostupov M.S., Eneev T.M. (2005) Dynamic model for the formation of the Earth-Moon system. Geochem. Int. 43(11), 1045-1055.

  10. Горькавый Н.Н. (2007) Образование Луны и двойных астероидов. Изв. Крымской Астрофиз. Обс. 103(2), 143-155.

  11. Ипатов С.И. (1993) Миграция тел в процессе аккумуляции планет. Астрон. вестник. 27(1), 83-101.

  12. Ипатов С.И. (1995) Миграция малых тел к Земле. Астрон. вестник. 29(4), 304-330.

  13. Ипатов С.И. (2000, 2021) Миграция небесных тел в Солнечной системе. Изд-во УРСС, 320 с.

  14. Ипатов С.И. (2017) Формирование транснептуновых спутниковых систем на стадии сгущений. Астрон. вестник 51(4), 321-343.

  15. Ипатов С.И. (2018) Формирование зародышей Земли и Луны из общего разреженного сгущения и их последующий рост. Астрон. вестник 52(5), 411-426.

  16. Ипатов С.И. (2019) Вероятности столкновений планетезималей из различных областей зоны питания планет земной группы с формирующимися планетами и Луной. Астрон. вестник 53 (5), 349-379.

  17. Маров М.Я. (2017) Космос. От Cолнечной системы вглубь Вселенной. М.: Физматлит, 536 с.

  18. Маров М.Я., Ипатов С.И. (2005) Миграция пылевых частиц и доставка летучих на планеты земной группы. Астрон. вестник 39(5), 1-5.

  19. Маров М.Я., Воропаев С.А., Ипатов С.И., Бадюков Д.Д., Слюта Е.Н., Стенников А.В., Федулов В.С., Душенко Н.В., Сорокин Е.М., Кронрод Е.В. (2019) Формирование Луны и ранняя эволюция Земли. URSS. 2019. 320 с.

  20. Мясников В.П., Титаренко В.И. (1989) Эволюция самогравитирующих сгустков газопылевой туманности, участвующих в аккумуляции планетных тел. Астрон. вестник 23(1), 14-26.

  21. Мясников В.П., Титаренко В.И. (1989a) Эволюция самогравитирующего газопылевого сгустка с учетом переноса излучения в диффузионном приближении. Астрон. вестник 23, 207-219.

  22. Cameron A.G.W., Ward W.R. (1976) The origin of the Moon. Lunar and Planet. Sci. Conf. 7, 120-122 (abstract).

  23. Canup R.M. (2004) Simulations of a late lunar-forming impact. Icarus, 168(2), 433-456.

  24. Canup R.M. (2012) Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science 338, 1052-1055.

  25. Canup R.M., Asphaug E. (2001) Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation. Nature 412(6848), 708-712.

  26. Canup R.M., Pierazzo E. (2006) Retention of water during planet-scale collisions. 37th Annual Lunar and Planetary Science Conference, abstract no.2146.

  27. Canup R.M., Barr A.C., Crawford D.A. (2013) Lunar-forming impacts: High-resolution SPH and AMR-CTH simulations. Icarus 222, 200-219.

  28. Canup R.M., Righter K., Dauphas N., Pahlevan K., Ćuk M., Lock S.J., Stewart S.T., Salmon J., Rufu R., Nakajima M., Magna T. (2021). Origin of the Moon. In New Views on the Moon II; arXiv:2103.02045.

  29. Citron R.I., Aharonson O., Perets H., Genda H. (2014) Moon formation from multiple large impacts. 45th Lunar and Planet. Sci. Conf. #2085 (abstract).

  30. Cuk M., Stewart S.T. (2012) Making the Moon from a fast-spinning Earth: A giant impact followed by resonant despinning. Science 338, 1047-1052.

  31. Cuk M., Hamilton D.P., Lock S.J., Stewart S.T. (2016) Tidal evolution of the Moon from a high-obliquity, high-angular-momentum Earth. Nature 539, 402-406.

  32. Cuzzi J.N., Hogan R.C. (2012) Primary accretion by turbulent concentration: The rate of planetesimal formation and the role of vortex tubes. 43th Lunar and Planet. Sci. Conf. #2536 (abstract).

  33. Cuzzi J.N., Hogan R.C., Sharif K. (2008) Toward planetesimals: Dense chondrule clumps in the protoplanetary nebula. Astrophys. J. 687, 1432-1447.

  34. Cuzzi J.N., Hogan R.C., Bottke W.F. (2010) Towards initial mass functions for asteroids and Kuiper belt objects. Icarus 208, 518-538.

  35. Davidsson B.J.R., Sierks H., Güttler C., Marzari F., Pajola M., Rickman H., A’Hearn M.F., Auger A.-T., El-Maarry M.R., Fornasier S., Gutiérrez P.J., Keller H.U., Massironi M., Snodgrass C., Vincent J.-B., and 33 co-authors. (2016) The primordial nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. and Astrophys. 592, A63, 30 pp.

  36. Drake M., Campins H. (2006) Origin of water on the terrestrial planets. Proc. IAU Symp. 229 “Asteroids, Comets, and Meteors”. 381-394.

  37. Galimov E.M., Krivtsov A.M. (2012) Origin of the Moon. New concept. Berlin.: De Gruyter, 168 p.

  38. Gorkavyi N.N. (2004) The new model of the origin of the moon. Bulletin of the American Astron. Society. 36, 861.

  39. Greenberg J.M. (1998) Making a comet nucleus. Astron. and Astrophys. 330, 375-380.

  40. Hahn J.M., Malhotra M. (1999) Orbital evolution of planets embedded in a planetesimal disk. Astron. J. 117, 3041-3053.

  41. Hartmann W.K., Davis D.R. (1975) Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus 24, 504–515.

  42. Ipatov S.I. (1999) Migration of trans-Neptunian objects to the Earth. Celest. Mech. Dyn. Astron. 73, 107-116.

  43. Ipatov S.I. (2001) Comet hazard to the Earth. Adv. Space Research 28 (8), 1107-1116.

  44. Ipatov S.I. (2010) Collision probabilities of migrating small bodies and dust particles with planets. Proc. IAU 5, Symp. S263. “Icy bodies in the Solar System” (Eds. Fernandez J.A., Lazzaro D., Prialnik D., Schulz R.). Cambridge Univ. Press, 41-44.

  45. Ipatov S.I. (2020) Migration of planetesimals from beyond Mars’ orbit to the Earth. 14th Europlanet Science Congress 2020, Online at https://www.epsc2020.eu/, id. EPSC2020-71; https://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2020/EPSC2020-71.html. https://doi.org/10.5194/epsc2020-71

  46. Ipatov S.I., Mather J.C. (2004) Comet and asteroid hazard to the terrestrial planets. Adv. Space Research 33(9), 1524-1533.

  47. Ipatov S.I., Mather J.C. (2006) Migration of small bodies and dust to near-Earth space. Adv. Space Research 37(1), 126-137.

  48. Ipatov S.I., Mather J.C. (2007) Migration of comets to the terrestrial planets. Proc. IAU Symp. No. 236 “Near-Earth Objects, Our Celestial Neighbors: Opportunity and Risk” (Eds. A. Milani, G.B. Valsecchi, D. Vokrouhlický). Cambridge Univ. Press, Cambridge, 55-64.

  49. Johansen A., Oishi J.S., Mac Low M.-M., Klahr H., Henning T., Youdin A. (2007) Rapid planetesimal formation in turbulent circumstellar disks. Nature 448, 1022-1025.

  50. Johansen A., Youdin A., Klahr H. (2009) Zonal flows and long-lived axisymmetric pressure bumps in magnetorotational turbulence. Astrophys. J. 697, 1269-1289.

  51. Johansen A., Youdin A., Mac Low M.-M. (2009a) Particle clumping and planetesimal formation depend strongly on metallicity. Astrophys. J. 704, L75-L79.

  52. Johansen A., Klahr H., Henning T. (2011) High-resolution simulations of planetary formation in turbulent protoplanetary discs. Astron. Astrophys. 529, A62, 16 pp.

  53. Johansen A., Youdin A.N., Lithwick Y. (2012) Adding particle collisions to the formation of asteroids and Kuiper belt objects via streaming instabilities. Astron. Astrophys. 537, A125. 17 pp.

  54. Levison H.F., Dones L., Chapman C.R., Stern S.A., Duncan M.J., Zahnle K. (2001) Could the lunar “late heavy bombardment” have been triggered by the formation of Uranus and Neptune? Icarus 151, 286-306.

  55. Levison H.F., Duncan M.J. (1994) The long-term dynamical behavior of short-period comets. Icarus 108(1), 18-36.

  56. Lunine J.I., Chambers J., Morbidelli A., Leshin L.A. (2003) The origin of water on Mars. Icarus 165(1) 1-8.

  57. Lunine J., Graps A., O’Brien D.P., Morbidelli A., Leshin L., Coradini A. (2007) Asteroidal sources of Earth’s water based on dynamical simulations. 38th Lunar and Planet. Sci. Conf. #1616 (abstract).

  58. Lyra W., Johansen A., Klahr H., Piskunov N. (2008) Embryos grown in the dead zone. Assembling the first protoplanetary cores in low mass self-gravitating circumstellar disks of gas and solids. Astron. and Astrophys. 491, L41-L44.

  59. Lyra W., Johansen A., Zsom A., Klahr H., Piskunov N. (2009) Planet formation bursts at the borders of the dead zone in 2D numerical simulations of circumstellar disks. Astron. and Astrophys. 497, 869-888.

  60. Marov M. (2018) The Formation and Evolution of the Solar System. Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science (Eds. P Read et al.). Oxford: Oxford University Press, id.2.

  61. Marov M.Ya., Ipatov S.I. (2001) Volatile inventory and early evolution of planetary atmospheres. Collisional processes in the solar system (Eds. Marov M.Ya., Rickman H.) Astrophysics and space science library 261. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 223-247.

  62. Marov M.Ya., Ipatov S.I. (2020) Water inventory from beyond the Jupiter orbit to the terrestrial planets and the Moon. Proc. IAU 14, Proc. IAU Symp. No. 345 “Origins: from the Protosun to the First Steps of Life” (Eds. Elmegreen B.G., Tóth L.V., Gudel M.), Cambridge Univ. Press, 164-167.

  63. Morbidelli A., Chambers J., Lunine J.I., Petit J.M., Robert F., Valsecchi G.B., Cyr K.E. (2000) Source regions and timescales for the delivery of water to the Earth. Meteoritics and Planetary Science 35, 1309-1320.

  64. Morbidelli A., Lunine J.I., O’Brien D.P., Raymond S.N., Walsh K.J. (2012) Building terrestrial planets // Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2012. 40(1), 251-275.

  65. Nesvorny D., Youdin A.N., Richardson D.C. (2010) Formation of Kuiper belt binaries by gravitational collapse. Astron. J. 140, 785-793.

  66. Nesvorný D., Roig F., Bottke W.F. (2007) Modeling the historical flux of planetary impactors. Astron. J. 153(3), art. ID A103, 22 p.

  67. O’Brien D.P., Walsh K.J., Morbidelli A., Raymond S.N., Mandell A.M. (2014) Water delivery and giant impacts in the ‘Grand Tack’ scenario. Icarus 239, 74-84.

  68. Okabayashi S., Yokoyama T., Hirata T., Terakado K., Galimov E.M. (2019) Iron isotopic composition of very low-titanium basalt deduced from the iron isotopic signature in Luna 16, 20, and 24 soil. Geochimica et Cosmochimica Acta Pub Date: 2019-10-23.https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.020; https://www.x-mol. com/paper/5910114

  69. Petit J.-M., Morbidelli A., Chambers J. (2001) The primordial excitation and clearing of the asteroid belt. Icarus 153(2), 338-347.

  70. Raymond S.N., Quinn T., Lunine J.I. (2004) Making other earths: dynamical simulations of terrestrial planet formation and water delivery. Icarus 168(1), 1-17.

  71. Ringwood A.E. (1989) Flaws in the giant impact hypothesis of lunar origin. Earth and Planetary Science Letters 95(3–4), 208-214.

  72. Rufu R., Aharonson O. (2015) A multiple impact hypothesis for Moon formation. 46th Lunar Planet. Sci. Conf. #1151 (abstract).

  73. Rufu R., Aharonson O. (2017) A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience 10, 89-94.

  74. Youdin A.N. (2011) On the formation of planetesimals via secular gravitational instabilities with turbulent stirring. Astrophys. J. 731, A99, 18 pp.

  75. Youdin A.N., Kenyon S.J. (2013) From disks to planets. Planets, stars and stellar systems (Eds. Oswalt T.D., French L.M., Kalas P.). Solar and Stellar Planetary Systems, Springer Science + Business Media Dordrecht. 3, 1-62.

Дополнительные материалы отсутствуют.