ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

Вы твердо решили, что свой следующий отпуск обязательно проведете заграницей, рассудив, что отдых в Египте станет для Вас более захватывающим и незабываемым приключением, чем, скажем, посещение достопримечательностей Вологодчины. В таком случае я просто обязан донести до вашего сведения, что ведущая туристическая компания «Мир Странствий» готова взять на себя все заботы по подготовке вашего путешествия.

Более подробную информацию Вы сможете получить у менеджеров компании по адресу www.pro-travel.ru.


 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

В конце 50-х годов ХХ века Фрэд Хойл высказал идею о том, что при отделении протопланетного диска собственное магнитное поле небулы играло определяющую роль (Fred Hoyle — блистательный астрофизик и писатель фантаст в одном лице). Эта идея осталась практически невостребованной в космогонических построениях, однако она органически вписалась в наш сценарий происхождения Солнечной системы. Немного найдется космогонических концепций, которые можно было бы подвергнуть экспериментальной проверке. Но именно такова блистательная идея Хойла!

Схема этого теста удивительно проста. При формировании протопланетного диска вещество, сброшенное с протосолнечной небулы, должно было двигаться поперек магнитных силовых линий (см. рис. 2). Ионизированные, то есть заряженные, частицы не могут пересекать магнитные силовые линии (если у частиц не «релятивистские», а «тепловые» скорости перемещения), поэтому они захватываются магнитным полем и останавливаются в нем, тогда как нейтральные атомы свободно проходят через магнитное поле.

 

012012 1952 31 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

Рис. 2. Магнитная сепарация заряженных частиц при формировании протопланетного диска. Черные точки — ионизированные частицы, светлые кружки — нейтральные атомы.

 

Атомы различных химических элементов различаются по склонности к ионизации. К примеру, атом цезия может потерять свой электрон от света свечи или керосиновой лампы, в то время как атом гелия может оставаться нейтральным и в непосредственной близости от звезды. Таким образом, если идея Хойла и наши построения правомерны, то при формировании протопланетного диска элементы, которые легко ионизируются, должны были захватываться магнитным полем и останавливаться в околосолнечном (околопротосолнечном) пространстве, тогда как трудно ионизируемые элементы уходили в более удаленные зоны. Иными словами, мы предполагаем, что при формировании протопланетного диска происходило разделение элементов (магнитная сепарация) в зависимости от их потенциалов ионизации*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Способность того или иного элемента к ионизации оценивается либо энергией, которую необходимо затратить для отрыва от атома первого электрона, либо потенциалом ионизации первого электрона. В справочниках энергия ионизации приводится в электрон-вольтах, а потенциал ионизации — в вольтах.

—————————————————————————————————————————————————

 

Чтобы проверить это, необходимо провести ревизию данных о химических составах тел Солнечной системы. Само собой, для рассмотрения следовало брать только надежные, эмпирические (то есть аналитически установленные) данные и ни в коем случае не принимать в расчет «результаты», полученные на основе традиционно сложившихся умозрительных представлений о составе Земли и других планет, сколь бы убедительными они ни представлялись с точки зрения «бытующего здравого смысла». Какими же данными мы сегодня располагаем?

 

Во-первых, благодаря спектральному анализу нам известен состав фотосферы Солнца. Фотосфера отражает состав внешней зоны конвективного перемешивания, а в этой зоне заключено примерно 70% объема звезды.

 

Во-вторых, на Земле нам доступен только материал ее внешней геосферы до глубины примерно 150 км, и то в основном по обломкам глубинных пород, вытащенных на поверхность кимберлитовыми трубками взрыва.

 

В-третьих, образцы, собранные на Луне, позволяют судить о составе ее внешней оболочки.

 

Наконец, в-четвертых, по коллекциям метеоритов (собранных «в падениях») нам хорошо известен пояс астероидов, который отстоит от Солнца в три раза дальше Земли. Сведения по другим объектам Солнечной системы пока еще слишком фрагментарны.

 

Итак, мы знаем определенно лишь кое-что на Земле и Луне, но достаточно полно представляем состав Солнца и удаленного от него (на три астрономических единицы) пояса астероидов. Проведем сопоставление этих составов в парах: Земля — Солнце, Земля — пояс астероидов и Земля — Луна. По оси ординат откладываем относительную распространенность элементов, по оси абсцисс — их первые потенциалы ионизации. Результаты представлены на рис. 3, 4, 5. И они однозначно показывают, что распределение элементов в Солнечной системе действительно зависит от их потенциалов ионизации. Выходит, Хойл был все-таки прав! Пожалуйста, не торопитесь и вглядитесь в эти рисунки более внимательно. Хотелось бы, чтобы они отпечатались в вашей памяти. Это фундамент и основа всей концепции, и, как вы видите, этот фундамент установлен эмпирически на фактических данных, и в нем нет ничего умозрительного*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Много лет назад, когда я сообразил, что можно проверить идею Хойла на фактических данных и получил явные свидетельства ее правомерности, то сразу же обратился к нашему соотечественнику, не менее блистательному астрофизику И.С.Шкловскому. Он долго отказывался от встречи под разными надуманными предлогами, ссылаясь то на исключительную занятость, то на плохую погоду, которая не дай бог меня «простудит» и не дай бог сведет в могилу, и что он потом никак не простит себе этого. Я догадывался, таких людей, как Шкловский, часто осаждают люди, которые уверены, что они решили все проблемы мироздания. У этих «пророков» часто бывает не все в порядке с психикой, и общаться с ними тягостно, а иногда просто опасно, и тому были примеры. Однако я проявил настойчивость, лучше сказать — назойливость, а мягкая интеллигентность соотечественника не позволила ему ответить решительным отказом. Когда состоялась встреча, то Шкловский сразу увел меня подальше от коллектива (там ведь были беззащитные женщины), посадил на длинный диван в огромном пустом коридоре, сам сел с другого края и с вкрадчивой осторожностью обратился ко мне: «Скажите, Вы шизофреник?» До меня наконец-то дошел весь комизм ситуации, но я постарался наполнить взгляд искренностью идиота и с достоинством ответил: «Нет, что вы, гораздо хуже, я — невротик!» В глазах собеседника полыхнула паника, однако он преодолел себя и участливо спросил: «А что это такое?» Я стал объяснять: «Ну как, вы не знаете? Шизофреник уверен, что дважды два это пять! И это его никак не волнует. А невротик знает: дважды два — четыре, но это его постоянно раздражает». Видимо, мне не удалось «сохранить лицо», собеседник углядел лукавинку в моих глазах, его сразу отпустило, он заразительно расхохотался, подсел рядом и уже с интересом спросил: «Ну что там у вас?». Я достал объемистый текст, он замахал руками: «Нет-нет, увольте, читать ничего не буду, изложите суть в двух словах, а лучше покажите». Тогда я показал ему эти самые рисунки (3, 4, 5), и тут меня потрясла быстрота его реакции. Он глядел на них не более секунды, затем взглянул на меня ошарашенно и спросил: «А что, разве Хойл этого не сделал ?». Видимо, в моих глазах стало проявляться недоумение (кто же, кроме астрофизика Шкловского, может лучше знать об этом). Он понял неуместность своего вопроса и пробормотал: «Ну да, конечно, Хойл этого не сделал». Несколько секунд мы сидели молча, потом он вскинул на меня свой взгляд и вопрошающе произнес: «Но почему?» Некоторое время мы сидели и смотрели друг на друга с полнейшим недоумением. Затем я выступил у них (Шкловский и сотоварищи) на семинаре, где меня хорошо поддержали. По тем временам это было в диковинку, когда геолог выступал перед звездочетами с проблемой по астрофизике.

—————————————————————————————————————————————————

 

Теперь можно зримо представить, как протекала магнитная сепарация элементов по их потенциалам ионизации, которая и предопределила составы тел планетной системы. Во время формирования протопланетного диска вещество проходило через своеобразный магнитный сепаратор. Ионизированные частицы (с низкими потенциалами ионизации) захватывались магнитным полем и оставались в околосолнечном (околопротосолнечном) пространстве, в зоне формирования Земли (рис. 3), тогда как элементы с высокими потенциалами ионизации проходили без задержки и оказались в более удаленной от Солнца зоне. Поэтому относи -тельное содержание, например, углерода на Земле в тысячи раз меньше, чем на Солнце, его атомы, будучи преимущественно ней -тральными, проскочили мимо зоны Земли. Пояс астероидов отстоит от Солнца в три раза дальше зоны формирования Земли. И сразу становится понятным, почему в метеоритах много (по земным меркам) того же углерода, а также серы, золота, платиноидов, ртути, бериллия, — у этих элементов высокие потенциалы ионизации, и они слабо задерживались магнитным сепаратором (рис. 4). Вместе с тем, в метеоритах мало цезия, урана, калия, рубидия, которые легко ионизируются. Эти последние в своей основной массе не смогли просочиться сквозь магнитный сепаратор и были остановлены в зоне планет земного типа. Наконец, Земля и Луна находятся на одном расстоянии от Солнца, и магнитный сепаратор сработал для них (рис. 5) одинаковым образом (по всей видимости, они являются «двойной планетой» и их разделение произошло из-за быстрого вращения протопланетной сферы, набранного на стадии сбора протопланетных глобул).

Теперь мы подошли к самому главному, к определению исходного состава Земли, и здесь нам помогут два обстоятельства.

 

 

012012 1952 41 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

012012 1952 51 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

012012 1952 61 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ

Рис. 3. Распространенность элементов на Земле относительно их обилия на Солнце.

 

Первое: состав Солнца за всю историю своего существования в виде Звезды сравнительно мало изменился: уменьшилось содержание водорода, добавилось гелия, частично выгорели в термоядерном синтезе литий и бериллий. Баланс остальных элементов остался практически неизмененным. Следовательно, по составу современного Солнца можно судить о составе протовещества, некогда сброшенного с Протосолнца при формировании протопланетного диска.

Второе обстоятельство: нам крупно повезло в том, что внешняя геосфера Земли, состав которой мы приняли к рассмотрению, сохранила различимый отпечаток исходного состава планеты, в противном случае мы не смогли бы обнаружить закономерность, которая, однако, проявилась (рис. 3, 4, 5). По этому отпечатку (рис. 3) мы можем провести (и достаточно определенно) тренд изначального положения элементов на графике, которое у них было до того, как включились земные геологические процессы и элементы стали «погуливать» согласно своим геохимическим наклонностям.

Итак, мы: 1) узнали состав того вещества, которое при формировании протопланетного диска проходило через магнитный сепаратор; 2) выявили тренд, по которому можно определить, в какой мере тот или иной элемент задерживался магнитным полем. Нам оставалось лишь взять перо и выписать тот изначальный состав, из которого формировалась планета Земля, что и было сделано (см. таблицу № 1).

Однако к этой таблице все же следует сделать некоторые пояснения. На графике (рис. 3) мы видим «кислородную аномалию». Это означает, что кислорода во внешней геосфере (которую мы приняли к рассмотрению) в десятки раз больше того, что должна была определить магнитная сепарация, согласно его потенциалу ионизации (13,6 В). Обсудим возможные причины появления этой аномалии. Можно предположить, что кислород как химически активный элемент, был связан в химические соединения, потенциалы ионизации которых были существенно ниже 13,6 В, где-то около 9 — 10 вольт, и тогда это самое «в десятки раз больше» было бы для кислорода нормой. Но оказывается, что никаких химических соединений на стадии магнитной сепарации не было и быть не могло.

 

Таблица № 1.

 

Исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли.

 

Элемент Атомн. % Вес. % 

Кремний 

19,5 

45 

Магний 

15,5 

31 

Железо 

2,5 

12 

Кальций 

0,9 

3 

Алюминий 

1,0 

2 

Натрий 

0,7 

1,5 

Кислород 

0,6 

1,0 

Углерод 

0,03—0,3 

0,03—0,3 

Сера 

0,01—0,1

0,03—0,3 

Азот 

Менее 0,01 

Менее 0,01 

Водород 

59 

4,5 

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

 

Снова обратимся к рис. 3. Мы видим характерный излом тренда: в области до 8 В он идет горизонтально, но при больших значениях потенциалов ионизации круто поворачивает вниз и вправо. Этот излом тренда в области 8 вольт позволяет определить, что энергетический уровень (или уровень интенсивности) ионизирующего излучения был равен примерно 8 эВ. Все элементы, у которых энергия ионизации равна или меньше этого уровня, были ионизированы практически полностью. Если мы переведем эти электрон-вольты в привычную для термодинамики размерность — джоули на моль, то получим 772000 Дж/моль или 772 кДж/моль*.

 

—————————————————————————————————————————————————

* Для этого 8 эВ следует умножить на «постоянную Авогадро» (6,022045 . 1023 моль-1) и разделить на 6,24 . 1018 эВ/Дж (это число электрон-вольт в одном джоуле).

—————————————————————————————————————————————————

 

Эта величина примерно вдвое (и более раз) превышает энергию одинарной химической связи кислорода с другими элементами. Вывод: покуда сохранялся такой уровень ионизирующего излучения, стабильное существование химических соединений было невозможно, все было полностью диссоциировано и частично ионизировано.

 

Но если кислород при магнитной сепарации присутствовал в виде отдельных атомов и задерживался магнитным полем согласно своему потенциалу ионизации, то его содержание в зоне формирования Земли должно быть порядка одного процента (как указано в таблице). Ниже будет показано, что действительная причина «кислородной аномалии» — это перераспределение исходно низкого содержания кислорода в теле планеты в начальную эпоху ее эволюции уже как твердого космического тела.

Не следует также забывать, что протовещество, стекавшее некогда с Протосолнца, это, прежде всего, водород. Его нет на рис. 3, так как нет данных о его содержании на Земле. И это правильно (то, что нет данных), поскольку гравитация нашей планеты не способна удерживать водород и он легко утекает (диссипирует) в космическое пространство. Совершенно ясно, что раньше его было больше. Но сколько его было изначально? Теперь мы знаем положение тренда, которое определено магнитной сепарацией. Это дает нам возможность определить, согласно потенциалу ионизации водорода, что исходная концентрация этого элемента в зоне формирования Земли была около 60% (в атомных количествах, см. таблицу 1). Вполне достаточно, чтобы при образовании тела планеты все остальные элементы оказались в виде водородистых соединений — гидридов.

Предвижу вопрос внимательного читателя: «Но каким же образом можно удержать водород в глобулах и затем заставить его войти в твердое тело планеты?» Действительно, ведь даже Земля не в состоянии удерживать своей гравитацией водород, и что же говорить про глобулы, гравитация которых на несколько порядков меньше. К примеру, Луна, сила тяжести которой всего в шесть раз меньше земной, уже не способна удерживать не только водород, но и другие газы. Очень справедливый вопрос. Вместе с тем, мы имеем четкое свидетельство того, что при всем процессе аккумуляции Земли ка -ким-то образом осуществлялось удержание газов. Об этом свидетельствует «хвост» инертных газов на рис. 3, который однозначно показывает, что их концентрации на Земле остались такими же, какими их определила магнитная сепарация.

Я не буду исследовать причины данного явления, поскольку не считаю себя специалистом в астрофизике. Но если кто заинтересуется этой проблемой, то на мой непросвещенный взгляд за «газоудержание» прежде всего были ответственны следующие параметры. Во-первых, характерные размеры глобул, порядка миллиона км в диаметре, из такой структуры просто долго бежать. Во-вторых, низкие ионные температуры и, соответственно, малые скорости ионов и атомов (напомним, плазма была неизотермическая, с низкой ионно-атомной температурой и высокой электронной). В-третьих, сохранялся источник ионизации, и вещество находилось в виде частично ионизированной плазмы. Это означает, что каждый атом водорода также периодически подвергался ионизации на какое-то время. В-четвертых, в глобулах присутствовали магнитные силовые линии (скорее всего, смотанные в клубок из-за собственного вращения глобул), которые препятствовали выходу заряженных частиц наружу. По всей видимости, сбор глобул в протопланетную сферу происходил быстрее, чем потеря водорода.

Плотность сферы прото-Земли, с радиусом порядка миллиона километров, была в 1000 раз меньше плотности воздуха (при давлении в 1 атм). Следовательно, прото-Земля была прозрачна для тепловых фотонов, и по этой причине не могла иметь высокую температуру. Скорее всего, она была в интервале между 0 оС и 0 оК. И все же к началу конденсации, в связи с вымиранием короткоживущих изотопов, температура в протопланетной сфере была заведомо выше температуры застывания водорода и других газов, в том числе инертных. В этих условиях химически активный кислород еще в газовой фазе образовывал химические соединения (оксиды), которые уже и конденсировались в твердые частицы. Водород и азот менее активны химически, а благородные газы неактивны вообще, и их захват при конденсации происходил в связи с адсорбцией на поверхности «снежинок», растущих из кремния, магния, железа и др. металлов (см. таблицу № 1). Помните, мы говорили про «мягкий снегопад»? Конденсация приводила к образованию весьма рыхлых частиц твердой фазы, что весьма способствовало адсорбции (на их рыхлой поверхности) атомов водорода и других газов. В данной связи сошлюсь на эмпирический факт: при конденсации железа в водородной атмосфере каждый атом металла захватывает с собой по два атома водорода. Я понятия не имею, зачем металловеды делали эти опыты в 20-х годах прошлого века. Вряд ли они имели в виду проблемы космогонии. И тем не менее мне хочется выразить свою признательность исполнителям. Всегда приятно лишний раз убедиться, что «рукописи не горят», что факт, добытый в прошлом веке, остается фактом на все времена.

Итак, мы определили, как образовалась наша планета и какой состав она получила при рождении. Несмотря на «приближенно количественный» характер этих данных, они однозначно свидетельствуют против бытующих представлений. «Главная догма» в науках о Земле гласит: «ядро — железное, оболочка — силикатная». Для такой

планеты требуется 30% (вес.) кислорода и 40% железа. Однако магнитная сепарация отмерила возможную концентрацию кислорода в массе Земли порядка одного процента, а железа — около 10% (такая концентрация железа обычна для глубинных мантийных пород). В свете наших построений, преобладающими элементами в теле планеты являются (по убывающей) — кремний, магний и железо. В сумме они составляют примерно 87% массы планеты. Содержание кальция, алюминия и натрия на порядок меньше. О кислороде мы уже сказали. Концентрации остальных элементов не превышают долей процента. И все эти элементы в новорожденной планете присутствовали в виде водородистых соединений — гидридов. Поэтому ранние монографии на эту тему, изданные на русском, имели название «Гипотеза изначально гидридной Земли». В следующих главах мы рассмотрим, в каком направлении шло развитие изначально гидридной планеты и как согласуется эволюция ее внутренней структуры с фактами, накопленными геологами, по тектонике, петрологии, геохимии, палеомагнетизму, металлогении, сырьевым и энергетическим ресурсам и другим аспектам.

Однако, прежде чем мы перейдем к Земным делам, мне хотелось бы еще сказать несколько слов по поводу рисунков 3, 4, 5. Они отражают зависимость распределения элементов в Солнечной системе от их потенциалов ионизации, и эта зависимость оказалась исключительно информативной. Поскольку она установлена эмпирически, то любая космогоническая спекуляция обязана (как минимум) объяснить причину появления этой зависимости. Если же этого нет, значит, имеет место быть игнорирование эмпирически установленных фактов. Простите за протокольный язык, в данном случае я применил его, чтобы не сорваться на «неформальную лексику» в связи с этим самым игнорированием. О чем же свидетельствует обнаруженное нами явление?

Сначала примем к сведению очевидное: разделить сразу все химические элементы по их потенциалам ионизации (и разделить в едином процессе) можно только в том случае, если вещество было в частично ионизированном виде, то есть в виде плазмы, и если атомы и ионы этой плазмы перемещались поперек магнитных силовых линий (иного не дано). Естественно, такое было возможно только в протопланетную стадию развития Солнечной системы. Значит, на этой стадии вещество было (а) частично ионизировано (а — это первая буква в начавшемся перечислении). Далее, каким-то образом генерировалось исключительно мощное магнитное поле (б), эффективное воздействие которого распространялось на расстояние не менее 3-х астрономических единиц (в). При этом протопланетное вещество двигалось от центра на периферию (г), иначе мы бы имели иную картинку на рис. 4. Кроме того, выявленная нами зависимость позволяет поддержать мнение о том, что Солнце и планеты произошли из единой порции протовещества (д), а «хвост инертных газов» (на рис. 3) заставляет предусмотреть газоудержание (е) при аккумуляции тела Земли. По сути дела, все эти указатели от «а» до «е» так строго размечают сценарий происхождения Солнечной системы, что остается очень мало возможностей для полета фантазии. А как славно и смело «летали». Но теперь многие «результаты» этих полетов придется оставить, к сожалению.

Возьмем, к примеру, такую яркую идею, как «солнечный ветер», который якобы «выдул» из внутренней части протопланетного диска легкие элементы, и поэтому планеты земного типа обогащены металлами (в частности, железом), тогда как внешние планеты — это водород-гелиевые гиганты. Однако посмотрите на рис. 4. Почему в таком случае в поясе астероидов много (в сравнении с Землей) золота, платины, осмия, иридия? Разве эти элементы легкие? Или почему на том же графике тяжелая и легкоплавкая ртуть оказалась рядом с углеродом, легким и тугоплавким? Эти два элемента полярны по всем своим свойствам, единственное, что их объединяет — близкие потенциалы ионизации первого электрона, поэтому-то они и оказались рядом. Согласно магнитной сепарации — это норма, в свете «солнечного ветра» — это нонсенс. Такой же нонсенс, в рамках «солнечного ветра», положение легкого бериллия на графике рядом с самыми тяжелыми металлами — платиной и иридием. Однако в нашем понимании только так и должно быть. Наконец, водород и, особенно, гелий имеют высокие потенциалы ионизации, поэтому они в своей основной массе оказались во внешних планетах. Туда эти легкие (и, главное, трудно ионизируемые) элементы определила магнитная сепарация.

Это затянувшееся отступление от смысловой канвы повествования было сделано с единственной целью — показать, что в основе наших космогонических представлений лежит эмпирически установленный факт, который гласит: «распределение химических элементов в Солнечной системе зависит от их потенциалов ионизации». И это дает нам большое (вернее сказать неоспоримое) преимущество в сравнении с теми концепциями, которые базируются на умозрительных исходных посылках. По моему мнению, в области наук о Земле умозрительные гипотезы имеют скорее эстетическую ценность, нежели естественнонаучную значимость. И по -куда они в своей основе не будут подтверждены эмпирическими фактами, к ним надо относиться как к упражнениям по изящной словесности на заданную тему.


Найти на unnatural: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНОГО СОСТАВА ЗЕМЛИ
Автор: admin | 21 Январь 2012 | 550 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100