Выдержки из статьи Н. Н. Христофоровой из Казанского государственного университета

«О влиянии спиральной структуры Галактики на эволюцию планеты»

В действительности Галактика вращается не как твердое тело; орбитальная скорость звезд диска падает к периферии Галактики. Солнце совершает оборот вокруг центра Галактики приблизительно за 200 – 220 млн. лет («галактический год»). Наша Галактика имеет отчетливо выраженный спиральный узор, простирающийся по всему диску Галактики. Этот узор существует на протяжении многих оборотов Галактики, несмотря на разрушающее действие дифференциального вращения. Рукава не являются постоянными образованиями! Звезды, в данный момент находящиеся в рукаве, через некоторое время выйдут из него. Основные фрагменты глобальной двухрукавной структуры Галактики – это рукав Стрельца-Киля и рукав Персея. Кроме того, обнаруживается еще одна концентрация молодых звезд и скоплений – рукав Ориона, в пределах которого лежит и Солнце.

Понятие спиральной структуры включает в себя сложный комплекс явлений, процессов и элементов. Индикаторами спиральной структуры в оптическом диапазоне являются: скопления облаков ионизированного водорода Н II; полосы пыли (облака поглощающей материи); голубые сверхгиганты (с примесью красных); неголубые звезды; гигантские звезды ранних спектральных классов; цефеиды; пульсары; рассеянные скопления. Спиральный узор наблюдается в радиодиапазоне, по межзвездному газу. Распределение нейтрального водорода, гамма-излучение, синхротронное и инфракрасное излучение также дают информацию о крупномасштабной, глобальной структуре. Спирали имеют сложную вторичную структуру.

Ключ к пониманию динамики галактики заключен в природе гравитационных коллективных взаимодействий звезд. Во вращающихся звездных системах появляется упругость, обусловленная действием кориолисовых сил, и это приводит к тому, что в бесстолкновительном звездном диске могут распространяться волны с геометрией фронта в виде тугозакрученных спиралей, неискажаемые дифференциальным вращением диска.

«Согласно развиваемой в настоящее время... волновой теории, спиральные ветви галактик есть... волны плотности, распространяющиеся по галактическому диску, и процесс распространения представляет собой твердотельное вращение волн в отличие от дифференциального вращения материи в галактике». (Марочник и Сучков, 1984). Итак, спиральные волны в галактике представляют собой возмущения плотности, гравитационного поля, систематической скорости звезд. Для Галактики имеются два прямых доказательства того, что спиральная структура имеет волновую природу – это «динамические» индикаторы спирального узора: существование спиральной структуры поля систематических скоростей звезд и существование градиента возраста в спиральных ветвях.

Теория спиральных волн плотности допускает наличие галактических ударных волн (ГУВ). Галактические ударные волны - это узкая область сжатого газа вдоль внутренней кромки спиральной волны. ГУВ были предсказаны в результате исследований течения галактического газа в поле спиральной волны плотности.

Галактические ударные волны проявляются целым рядом эффектов. Ударная волна приводит к сжатию межзвездной пыли, и в области фронта должно наблюдаться увеличение ее концентрации. Наличие узкой полосы пыли вдоль внутренней кромки спиральной волны непосредственно подтверждается наблюдениями. В ГУВ происходит сжатие магнитного поля и ударные волны могут служить механизмом усиления и поддержания магнитного поля в галактике.

На фронте ГУВ в межзвездном газе может происходить фазовый переход - из горячей разряженной среды образуются плотные холодные облака газа. Здесь, возможно, происходит образование молекул Н и молекулярных облаков. Сжатие облаков межзвездного газа приводит к тому, что они становятся гравитационно неустойчивыми и коллапсируют. Коллапс и гравитационная фрагментация обломков завершаются образованием звезд. Таким образом, галактические ударные волны могут служить крупномасштабным триггерным механизмом звездообразования. В этом заключается роль ГУВ для жизни галактики.

По мнению большинства специалистов, ветвь Ориона не есть фрагмент основных спиральных рукавов Галактики, а представляет собой локальное уплотнение молодых звезд типа ярких перемычек между спиральными ветвями. Однако, наличие узких полос пыли в перемычках и спиралях внешних галактик может быть свидетельством в пользу существования на кромке Ориона галактических ударных волн (Марочник и Сучков, 1984).

Существует несколько сценариев происхождения Солнечной системы; все они предполагают образование Солнца и планет из «протосолнечного» газового облака. Дальше начинаются расхождения. В космогоническом сценарии Ривса досолнечное облако периодически встречается со спиральным рукавом, или волной плотности приблизительно каждые 270000000 лет, при этом наблюдается процесс «загрязнения» облака радиоактивными нуклидами 129-I и 244-Pu (Марочник и Сучков, 1984). Вероятно, сценарий Ривса можно рассматривать как первое предположение о возможной связи ранней истории Солнечной системы со спиральной структурой Галактики. Позже гипотеза Ривса была уточнена Трайведи и Шраммом.

Принципиально иной космогонический сценарий происхождения Солнечной системы предложил Марочник в 1983. Его расчеты основаны на ином значении угловой скорости вращения спиральной волны, которое допускает, что облако только один раз пересекло спиральный рукав, выйдя из него 4.6 млрд. лет назад (Марочник и Сучков, 1984). Авторами сделано предположение, что Солнце в Галактике находится в специфических условиях близости к «коротационному кругу» [1], что может иметь значение для проблемы происхождения жизни (Марочник и Сучков, 1984).

Исходя из гипотезы регулярного пересечения Солнечной системой спиральных рукавов Галактики , могут быть определены 3 характерных временных промежутка:

- Временная шкала Тр = 370 млн. лет, - время, которое Солнечная система проходит между двумя рукавами (с учетом встречи с рукавом Ориона Тр делится на два промежутка).

- Временная шкала Те = 20-30 млн. лет, - время, в течение которого Солнечная система находится внутри рукава.

- Временная шкала Тк = 4-5 млн. лет, - время, в течение которого Солнечная система испытывает влияние галактических ударных волн.

Соответственно, в истории Земли могут быть выделены три периодически повторяющихся эпохи, которые имеют глобальный характер:

- состояние покоя или медленной эволюции, определяемое временем Тр;
- периоды сравнительно быстрого развития событий или быстрой эволюции, связанные со временем Те;
- критические периоды или эволюционные скачки, стремительное изменение системы, соответствующее характерному времени Тк.

Некоторые факты, подтверждающие эту гипотезу:
Внезапное появление множества новых биологических форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху, или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение примерно 3 - 5 миллионов лет (Fedonkin and Waggoner, 1997); что явно соответствует времени Тк.

1. Тектонические эпохи, тектоническая активность продолжается примерно 15-20 млн. лет. Это время сопоставимо со временем прохождения системы внутри рукава.

2. Кульминационные стадии докембрийского горообразования имеют период 300-400 млн. лет.

3. Возраст существования океана - 400 млн. лет. Пять генерализованных эр тектогенеза имеют период 387 млн. лет.

Находясь в спиральном рукаве, Солнечная система находится при повышенном внешнем давлении. Действие же галактических ударных волн на планетарную систему - это целый комплекс сильнодействующих факторов: влияние потока космических лучей, рентгеновского излучения, ультрафиолетовой радиации и многих других, перечисленных ранее. Необходимо отметить, что встреча со спиральной ветвью - это «спусковой крючок» для ряда геодинамических процессов, а не кратковременное коренное изменение всех структур.

Главным направлением развития геохронологии в последнее время становится использование мультидисциплинарных (биологических, геологических, климатических, физических, геохимических и др.) критериев для обоснования шкал высокой разрешающей способности. (Семихатов, 1993).

Основное геологическое время приходится на докембрий. Существует несколько шкал периодизации основных событий в докембрии: международная, российская, шкала Харленда, национальные шкалы (Рудник, Соботович, 1973; Harland et al., 1989; Семихатов, 1993). В основу каждой из них заложена определенная концепция.

Международная шкала в основе своей является хронометрической; российская - составлена на хроностратиграфической основе; шкала Харленда является комплексной, совмещая отрезки нескольких шкал и охватывая как геологическую летопись Земли, так и более древние события в эволюции Солнечной системы и космоса.

Определенные геоисторические рубежи земной эволюции, безусловно, имеют глобальный характер; и это хорошо известно. «Существование перекрывающихся малых и больших геодинамических, геологических и палеонтологических аномалий указывает на одну общую внутреннюю причину» (Courtillot, 1990). Важно подчеркнуть и то, что многие геодинамические крупномасштабные перестройки представляют собой упорядоченные и периодические процессы, что согласуется с галактическим циклом прохождения Солнечной системы через спиральные ветви звездной плотности.

В рамках данной гипотезы большая часть геофизических событий получает свое обоснование: геодинамические циклы - цикл Уилсона и суперконтинентальный цикл; возникновение, эволюция и структурно-тектонические перестройки земных оболочек - ядра, мантии, литосферы; всемирный характер фаз складчатости (Озима, 1983); периодически зарождающиеся и затухающие конвективные течения в мантии и ядре; резкие изменения в составе гидро- и атмосферы, например изменения содержания СО2 и кислорода, и связанные с ними вариации климата, ледниковые эпохи; и, наконец, биологические кризисы и взрывы - быстрая смена популяций живых организмов. Сюда же можно отнести мощные метеоритные бомбардировки планет, имеющие также упорядоченный характер.

Процессы, происходящие при прохождении Солнечной системы через спиральные рукава Галактики и связанные с наличием галактических ударных волн, могут быть ответственны за внезапные изменения атмосферы, в частности, изменения ее состава и наличия в ней кислорода. Можно ставить вопрос, что кислород на Земле имеет не только органическое происхождение.

Определяя средний период событий по точкам восходящей спирали биосферы, мы приходим к значению 2DТср.= 740 млн. лет. Этот важный результат свидетельствует о том, что период галактической шкалы DТ = 370 млн. лет (740/2) является наиболее подходящим и подтверждает значения параметров, выбранные для определения DТ.

Определенные геодинамические процессы также имели место при пересечении с рукавом Персея. Так, в работе (Рудник и Соботович, 1973) приводится схема периодизации докембрия, в основу которой положены тектоно-магматические циклы и мегациклы. Средний период (время между двумя событиями) составляет 720 млн. лет (полупериод - 360), и сопоставимость событий со шкалой Персея поистине удивительная.

В целом, подавляющее большинство точек шкалы Персея соответствует важнейшим рубежам на стратиграфических шкалах. Из сопоставления двух последовательностей можно сделать определенный вывод о возрасте жизни на Земле. Напрашивается ответ, что жизнь возникла во время первой встречи с рукавом Персея, т.е. около 4285 млн. лет назад. Многие исследователи допускают это.

С временными точками пересечения Солнечной системы с рукавом Стрельца связано много геодинамических событий, в том числе и катастрофического характера. Шкала Стрельца выделена, преимущественно, как тектонодинамическая, но здесь, естественно, наблюдается весь комплекс явлений, приводящих к биологическим, климатическим и др. изменениям на Земле. Во-первых, она маркируется важнейшими рубежами на стратиграфической шкале: протерозоя, неопротерозоя, мезозоя. К выделенным временам приурочены события катастрофического характера, такие, как пермо-триасовая катастрофа; важнейшие рубежи в истории планктона: 1650 (1695); 1350 (1325); 1000 (955); 575 (585); отклонение составляет не более 5 %.

Появление на Земле свободного кислорода 3.8 - 4 млрд. лет назад привело к массовому вымиранию анаэробных организмов, то есть вызвало одну из первых глобальных экологических катастроф (Селиверстов, 199 , - эта точка также соответствует пересечению с рукавом Стрельца 3915 млн. лет назад.

Пересечениям с рукавом Стрельца соответствуют важнейшие рубежи кардинальной перестройки литосферы (Глебовицкий, Шемякин, 1996): 2450 (2435 - по шкале) и 1650 (1695) млн. лет. Известно, что значения возраста докембрийских пород не распределены непрерывно по всему интервалу докембрия, а концентрируются вокруг нескольких характерных значений. Причина - дискретность орогенических складкообразовательных движений в земной коре. Сравним схему докембрийских фаз складчатости Канады (Озима, 1983) с галактической шкалой: 2490 - 2435 Стр.; 1735 - 1695 Стр.; 1370 - 1325 Пер.; 945 - 955 Стр. Совпадаемость шкал поразительная, отклонения составляют 1-3%.

В ранние эпохи с рукавом Стрельца ассоциируются такие события, как интенсивная бомбардировка Земли метеоритами, переход от плюм- к плейттектонике. Наблюдается корреляция выделенных рубежей с процессами на Луне, Венере, Марсе. Эти тела в указанные этапы подвергались мощным метеоритным бомбардировкам. На Луне для двух точек Стрельца характерны определенные эффекты: извержения морских базальтов, формирование крупных кольцевых структур и масконов и заполнение их базальтами в период 3900-4000 (3915) и повторный расплав Луны, образование вулканических депрессий, зон растяжения и утонения коры в период 3100-3200 (3175). Эти факты находятся в соответствии с принятой гипотезой о важности механизма растяжения при прохождении ветви Стрельца. Интересным является факт резкого возрастания напряженности магнитного поля Луны перед датой 3950 млн. лет.

Ранний сценарий происхождения планеты выглядит следующим образом. При прохождении интервала от Персея к Стрельцу силы действовали как стягивающие, и возраст нашей планеты 4655 млн. лет - крайняя точка на шкале Стрельца. Возможно, именно она является началом формирования планет в Солнечной системе. Далее в системе действуют силы растяжения, и формирование Луны примерно 4500 млн. лет назад из земного материала при прохождении через ветвь Ориона (4505) связано с этими двумя фактами. Гипотеза Рингвуда (1982) заключается в том, что Луна образовалась из вещества, испарившегося из мантии Земли, путем «удаления плотной первичной атмосферы после аккреции» примерно 4,5 млрд. лет назад.

Гипотеза влияния спиральных волн подтверждает теорию Рингвуда тем, что указывает причину этого события - встречу с рукавом Ориона, которая послужила спусковым механизмом. И тем, что именно в интервале пути от ветви Стрельца к ветви Персея на систему действуют силы, похожие на силы растяжения (распад континентов и расхождение их друг от друга). Поскольку силы сжатия и растяжения действуют на все способные двигаться части планеты, (как внешние, так и внутренние) эти же факты имеют значение при формировании и дальнейшей эволюции ядра и мантии. При следующем прохождении через ветвь Стрельца, если существовала на Земле единая первичная оболочка (York, 1992), то она должна была лопнуть примерно 3915 млн. лет назад.

Временные точки на шкале Ориона прежде всего тесно связаны: а) со скачками в развитии органического мира, крупномасштабными катастрофами; б) со временем проявления грандиозных оледенений; в) с изменениями в атмо- и гидросфере (СО2 , О2 ); г) с эрами тектогенеза. Такие факты, как наличие углеродистых включений (3800); обнаружение углерода явно органического происхождения (3000); скачкообразное возрастание О2 в атмосфере в точках 800-900 и 2300, - явное доказательство связи этой ветви с резкими изменениями в химическом составе земных оболочек. Это периоды крупных изменений тектонической обстановки и среды обитания.

Резкое вымирание и появление новых, более сложных биологических форм характерно для ветви Ориона. Особенность проявления ветви Ориона в эволюции Земли, в отличие от других ветвей проявляется в развитии серии оледенений, что возможно связано с «сильным ослаблением прозрачности атмосферы», т.е. с резкими изменениями в составе атмосферы и гидросферы (Ушаков, Ясаманов, 1984; Knoll, 1991). Облака поглощающей материи, один из индикаторов спиральной структуры, могут быть причиной этого события. Поэтому данную ветвь, учитывая ее характерные особенности, мы называем климатической.

В ранней стадии с этой ветвью (4505) связываются такие грандиозные события, как образование ядра Земли и образование Луны. В целом, большинство точек шкалы Ориона соответствует рубежам на стратиграфических и геохронологических шкалах.

Вместе с тем, нельзя сказать, что все периоды, соответствующие прохождению через рукав Ориона выделяются очень ярко на геохронологических шкалах (за исключением ближних: 65 и 805 млн. лет назад), но, безусловно, с каждым из них могут быть сопоставимы определенные изменения в эволюции планеты.

Очень слабо в геологической летописи выделяется точка, соответствующая пересечению с ветвью Ориона 1545 млн. лет назад. Если выдвинутая гипотеза является справедливой, то к этому рубежу должны быть приурочены сильные изменения климата, развитие глобальных оледенений, скачок в развитии органического мира. Однако для этой временной точки в литературе отмечаются лишь незначительные изменения в био- и атмосфере: средний размер клеток ископаемых микроорганизмов значительно увеличился около 1.4 - 1.5 млрд. лет назад, что свидетельствует о некотором увеличении свободного кислорода в атмосфере того времени (Ушаков, Ясаманов, 1984); усиление тектонической и магматической активности, внедрение анортозитовых массивов (Рудник, Соботович, 1973).

Можно предположить косвенное влияние спиральных рукавов на инверсионную шкалу геомагнитного поля. Известно, что существовали эпохи с частой сменой магнитных полюсов Земли и эпохи «спокойные», когда инверсий почти не происходило. Перед катастрофами количество инверсий магнитного поля резко сокращалось. Например, установлено, что в меловом и пермском периодах инверсий магнитного поля не было. А это периоды, непосредственно предшествовавшие великим катастрофам, т. е. перед 240 и 67 млн. лет назад. В данном случае влияние галактических ударных волн на магнитное поле Земли может проявляться в поддержании или усилении механизма, ответственного за учащение процесса миграции полюсов.

Наступления ледниковых эпох, включающие серию ледниковых периодов, могут также развиваться по подобному сценарию: не одно глобальное оледенение, а целая серия их, растянутая на все время прохождения спиральной ветви, - механизм пульсаций.

Возможно, что и эволюция биосферы происходит таким образом, что очередное прохождение через спиральную ветвь выражается также в усилении пульсаций, - более быстрой смене и эволюции бентоса. Исходя из этого, можно предположить, что после полного прохождения через ветвь Ориона в Солнечной системе наступит эпоха стабилизации, а на Земле живой мир будет подвержен медленному и слабому изменению. Эволюция затормозится, и будет лишь совершенствовать существующие виды. Учитывая расположение Солнца на краю ветви Ориона, можно надеяться, что эта эпоха наступила. И лишь будущая (через 155 млн. лет) встреча с рукавом Персея будет причиной нового биологического «взрыва».

Примечания.
1. Коротационный круг (от лат. co- совместно и -rotatio – вращение) - область в Галактике, где скорость галактической ударной волны совпадает с орбитальной скоростью звезд диска. Близость Солнечной системы к области коротации может означать выделенное положение ее в Галактике (как, впрочем, и выделенное положение всех звезд в этой области).

Литература
1. Афанасьев С.Л. Взрывы Галактики. 3 межд. конгр. Новые идеи в науках о Земле. Москва, 1997. Тез. Т. 1, М., 1997, с. 20.
2. Базилевский А.Т. Первая схема глобальной стратиграфии Венеры. Природа. 10, 1997, 21-26.
3. Баренбаум А.А. Мегацикличность геологических процессов и эволюция Галактики. Циклы природных процессов, опасных явлений и экологический прогноз. Вып.1. М., 1992, с. 26-48.
4. Глебовицкий В.А., В.М. Шемякин. Расчленение и корреляция раннего докембрия. Региональная геология и металлогения. 5. 1996. 25-76.
5. Заколдаев Ю.А. Геохронологическая шкала фанерозоя как отражение движения Солнечной системы на галактической орбите. Стратиграфия и палеонтология палеозоя Арктики. 1991, с. 157-166.
6. Марочник Л.С., А.А. Сучков. Галактика. М: Наука. 1984. 392с.
7. Озима М. История Земли. М: изд-во Знание. 1983. 205с.
8. Озима М. Глобальная эволюция Земли. М: Мир. 1990. 165с.
9. Рингвуд А.Е. Происхождение Земли и Луны. М: Недра. 1982. 293с.
10. Рудник В. А., Э.В. Соботович. Ранняя история Земли. Л: Недра. 1973. 22с.
11. Семихатов М.А. Новейшие шкалы общего расчленения докембрия: сравнение. Стратиграфия. Геологическая корреляция. Т.1, 1. 1993. 6-20.
12. Селиверстов Ю.П. Прогнозные оценки состояний окружающей среды в свете современных представлений об эволюции географической оболочки. Известия Русского географического общества. Т. 130, вып. 3. Изд.во Санкт-Петербург: Наука. 1998. C. 25.
13. Сергеев В.Н. Окремненные микрофоссилии докембрия и кембрия Урала и Средней Азии. М., 1992.
14. Сергеев В.Н., Э.Х. Нолл, Г.А. Заварзин. Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам. Природа, 6, 1996. 54-67.
15. Сивер Р.. Динамичная Земля. В мире науки, 11, 1983. 4-15.
16. Ушаков С.А., Н.А. Ясаманов. Дрейф материков и климаты Земли. М: Мысль. 1984. 206с.
17. Фридман А.М., О.В. Хоружий. Предсказание и открытие гигантских вихрей в галактиках. Природа, 9, 1998, с. 25-39.
18. Хаин В.Е., Н.А. Божко. Историчская геотектоника. Докембрий. М., Недра, 1988. 382с.
19. Хаин В.Е., М.Г. Ломизе. Геотектоника с основами геодинамики. М: Изд-во МГУ. 1995. 480с.
20. Харленд У.Б.и др. Шкала геологического времени. М., 1985. 139с.
21. Ясаманов Н.А. Геохронологическая шкала и геологическое время в свете концепции о галактическом годе. Жизнь Земли: Землевед. и экология. . Сборник Музея землеведения МГУ. Вып. 30. М., 1997. С. 187-202.