Лаборатория происхождения, внутреннего строения и динамики Земли и планет №102

В начале 50-х годов основатель Института академик Отто Юльевич Шмидт (1891-1956) впервые сформулировал вопрос о происхождении Земли как комплексную астрономо-геофизическую проблему и заложил основы новой теории, согласно которой Земля и планеты образуются путем аккумуляции небольших твердых тел. Эта теория позволяла объяснить основные характеристики движения планет Солнечной системы и приводила к «холодному» начальному состоянию Земли.

Пригласив астрономов и физиков, О.Ю. Шмидт создал для разработки теории небольшое подразделение в Институте. Для понимания догеологической истории Земли и процесса ее формирования потребовалось шаг за шагом изучить эволюцию допланетного газопылевого облака (протопланетного диска), окружавшего молодое Солнце. Это было выполнено Виктором Сергеевичем Сафроновым (1917-1999) и его коллегами. 

В. С. Сафронов создал современную теорию, которая охватывает основные этапы образования планет, начиная от формирования километровых планетезималей внутри газопылевого околозвездного диска и кончая завершающим этапом, когда на уже сформировавшуюся планету падают тела размерами в сотни километров, приводя к существенному прогреву ее недр. Протопланетный диск был смоделирован им на десятки лет раньше, чем астрофизические наблюдения позволили открыть диски у молодых звезд. Размеры и массы (и температуры) этих дисков оказались сходными с моделью, построенной в ИФЗ. В настоящее время крупнейшие телескопы мира нацелены на наблюдение околозвездных дисков и открытие внесолнечных планетных систем. Ученые всех стран признают первопроходческую роль В.С.Сафронова в исследование происхождения планет. Его монография, изданная в 1969 г. (переведенная на английский язык в 1972 г.) до сих пор остается настольной книгой для ученых, работающих в этой области. В 2000 г. ему была посвящена фундаментальная коллективная монография “Protostars and planets IV” (1440 стр.). Исследования происхождения Земли показали, что время ее формирования составляет около 100 млн. лет и что в ее аккумуляции принимали участие крупные тела с массой до 10-2 – 10-3 массы Земли, которые создали первичные неоднородности в недрах, способствовали нагреванию ее мантии до температуры плавления пород и выделению ядра в ее ранней истории.

Основные направления современных исследований в рамках школы Шмидта – Сафронова: происхождение и эволюция протопланетного газопылевого облака вокруг молодого Солнца, образование планет, спутников и малых тел (с привлечением новейших астрономических данных по дискам у молодых звезд и внесолнечным планетным системам, а также физических и космохимических данных, полученных с помощью космических аппаратов, и исследований метеоритного вещества); начальное состояние и ранняя эволюция Земли,  планет, спутников, астероидов и комет, образование земного и планетных ядер (с учетом современных данных сравнительной планетологии, гео- и космохимии).

Направления деятельности

Исследования происхождения и эволюции Солнечной системы - А.Б. Макалкин

Это научное направление заложено трудами О.Ю. Шмидта и В.С. Сафронова, который возглавлял его до своей кончины в 1999 г. По этой же тематике в лаборатории работали в разное время Б.Ю. Левин, С.В. Козловская, С.В. Маева, Е.Л. Рускол, А.В. Витязев, Г.В. Печерникова, Т.В. Рузмайкина, А.В. Колесниченко. В настоящее время по этому направлению продолжают работать сотрудники лаборатории А.Б. Макалкин, И.Н. Зиглина, М.Е. Артюшкова. Основные монографии сотрудников лаборатории за весь период деятельности по данному направлению: О.Ю. Шмидт. Четыре лекции о теории происхождения Земли. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 139 с.; В.С. Сафронов Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука, 1969. 244 с.; Е.Л. Рускол. Происхождение Луны. М.: Наука, 1975. 188 с.; Е.Л. Рускол. Естественные спутники планет. М.: ВИНИТИ, 1986. 116 с.; А.В. Витязев, Г.В. Печерникова, В.С. Сафронов. Планеты земной группы: Происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990. 296 с.;  В.С. Сафронов. Происхождение Земли и планет. Избранные труды, Т.1, 2. М.: ОИФЗ РАН, 2002. 498 с.;  В.А. Дорофеева, А.Б. Макалкин. Эволюция ранней Солнечной системы: Космохимические и физические аспекты. М.: Эдиториал УРСС, 2004. 264 с.

Выполненные в последние десятилетия сотни наблюдений молодых звезд с газопылевыми дисками дают богатый материал для моделирования ранних стадий образования планет: эволюции газопылевого околосолнечного диска, переноса пылевых частиц, их роста при соударениях, образования планетезималей. Продолжающиеся исследования Солнечной системы с помощью космических аппаратов и наземных наблюдений дают новые исходные данные для моделей образования малых тел, планет и спутников. Важную информацию для таких моделей поставляет космохимический анализ вещества метеоритов и лунного грунта. Весь этот комплекс данных учитывается в исследованиях проблемы происхождения Земли и других тел Солнечной системы, проводимых в лаборатории.

Исследования внутреннего строения планет и их спутников - В.Н. Жарков, Т.В. Гудкова.

Направление планетной геофизики и сравнительной планетологии в Институте физики Земли занимается  исследованием Луны, планет земной группы Венеры и Марса и планет-гигантов и их спутников, начиная с 60-х годов с началом космической эры, и развивается трудами В.Н. Жаркова и его коллег и учеников. При этом базой для исследования планет и спутников являются накопленные достижения геофизики при изучении Земли и в то же время  вносится свой вклад в развитие физики Земли. Так, были разработаны   теоретические методы  для  исследования  свойств  минералов и  горных пород  в условиях земных  и  планетных недр,  построена термодинамика  ядра  и мантии Земли,  обнаружен  слой  низкой  механической  добротности в мантии  и  введена  диффузионная  вязкость  в  физику мантии,  разработана  общая  теория  температурных  деформаций Земли.. В результате  исследований  планет  и спутников  опубликованы  пионерские работы по сейсмологии  Юпитера, исследована эволюция лунной орбиты, предсказан слой пониженных сейсмических скоростей на Луне. Выполнен обширный  цикл  работ  по физике недр Марса и Венеры. Выдвинута  новая гипотеза  об  образовании  планет-гигантов, согласно  которой  Юпитер, образовавшийся первым, сыграл огромную роль в формировании остальных  планет.  Много  работ  посвящено  развитию методов уравнений состояния, построению моделей внутреннего строения планет, расчету собственных колебаний и чисел Лява. В последние годы важным направлением работ является продолжение исследования внутреннего строения Марса и Венеры.

История развития этого направления в ИФЗ  в выпуске журнала «Физика Земли» к 90-летию Института - Жарков В.Н., Гудкова Т.В. Сравнительная планетология в ИФЗ РАН // Физика Земли. 2019. N. 1. C.61-77.

Исследование глубинного строения земли сейсмическими методами - Л.П. Винник, Л.И. Макеева, С.И. Орешин и др.

Исследования глубинного строения Земли в ИФЗ РАН активно проводятся в последние десятилетия с помощью анализа записей широкополосных цифровых сейсмических станций и включают оценки неоднородности и сейсмической анизотропии. Получаемые данные необходимы для понимания глубинных геодинамических процессов. Значительным достижением в последние годы является разработка и введение в практику метода приемных функций поперечных волн. Этот метод широко используется для оценки параметров литосферы и астеносферы. Применение этого метода на Луне позволило впервые определить некоторые тонкие характеристики лунной коры. Разработан метод оценки сейсмической азимутальной анизотропии как функции глубины, позволяющий картировать течения мантии различного возраста. В горячих точках обнаружен неизвестный ранее низкоскоростной слой в переходной зоне мантии и получено новое объяснение так называемой 520-км границы. Разработан новый метод сейсмической томографии, основанный на совместном использовании приемных функций различного типа. Исследовано глубинное строение Индийского щита, центральной Фенноскандии, восточной Гренландии, Байкальской рифтовой зоны, Тянь-Шаня, западного Средиземноморья, Сибирских траппов и нескольких современных горячих точек. В последние десятилетия одной из важнейших задач является изучение тонкой структуры и региональных вариаций границ переходной зоны мантии, связанных с фазовыми переходами. 

Гелиосейсмология - С.В. Воронцов

Сейсмология Солнца активно развивается в последние десятилетия на стыке астрономии и геофизики. Созданы глобальные мировые сети для наблюдений солнечных осцилляций, существуют обширные программы наблюдений из космоса. Исследования в области теоретической гелиосейсмологии были начаты в Институте физики Земли примерно 40 лет назад  как продолжение аналогичных работ по сейсмологии газово-жидких планет - гигантов и развивались в следующих направлениях: изучение общей структуры теоретического спектра колебаний моделей Солнца с целью интерпретации наблюдаемых периодов колебаний; изучение эффектов вращения в недрах Солнца по наблюдаемому расщеплению частот солнечных осцилляций; изучение влияния эффектов магнитного поля на частоты солнечных колебаний; исследования в области обратной задачи  гелиосейсмологии – построение модели внутреннего строения Солнца по частотам наблюдаемых колебаний.

Исследование внутреннего строения Солнца с помощью наблюдаемых глобальных осцилляций аналогично исследованию внутреннего строения Земли сейсмическими методами. Имеющиеся к настоящему времени экспериментальные данные включают тысячи частот собственных колебаний Солнца, измеренных с высокой точностью, что позволяет продолжать исследования структуры Солнца

Реология мантии Земли по данным о медленных движениях земной коры - Б.И. Биргер, С.В. Гаврилов

Аппроксимационные методы в задачах геофизики - И.Э. Степанова

Исследование пространственно-временных вариаций поля поглощения короткопериодных сейсмических волн - Ю.Ф. Копничев

Заведующий лабораторией
Макеева Лариса Ивановна Заведующий лабораторией, Профгруппорг Профкома