Химический состав космических тел

Объекты космохимии представлены звездами (95 % массы вещества Вселенной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами, электронами, кварками. Они сгруппированы в галактики, которых насчитывается около 1500. По форме преобладают спиральные галактики (61 %), реже встречаются линзовидные (22 %), эллиптические (13 %), неправильные (4 %). В нашей галактике насчитывается около 10¹¹ звезд. Планета Земля находится в одном из рукавов спирали.

Химический состав космических тел отражает сложные пути их эволюции и определяется рядом физических и химических факторов: образованием и преобразованием атомов во времени; распределением атомов под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-химическим перераспределением групп атомов, электронов, молекул. Н Кларки солнечной атмосферы принято относить к кларкам космоса, которые рассчитывают на 10⁶ атомов Si или Н. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов с преобладанием Н(70 % по массе), Не (28), на долю остальных приходится 2 %. Очень мало тяжелых элементов после железа. Согласно Л. Аллерому и Дж. Россу (1976), для 13 элементов получены следующие данные: H – 10⁶ %, He– 6,3 ·10⁴, O – 6,9 ·10², C – 4,2 ·10², N – 87, Si – 45, Mg – 40, Ne – 37, Fe – 32, S– 16, Ca – 2,2, Ni – 1,9, Ar – 1,0 %.

При давлении в центре звезды 10¹⁶ Па и температуре 10⁷ К вещество состоит из свободных ядер и электронов (ионизированная водородно-гелиевая плазма). Возможно нейтронное сосуществование, напрмер, пульсары – источники мощного пульсирующего радиоизлучения. Ядерные реакции зависят от температуры звезд. Энергетически более выгодно образование устойчивых ядер с небольшим числом четного количества протонов и нейтронов, поэтому в космосе и не Земле преобладают элементы с небольшими атомными массами.

Солнце представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотностью 1,41 г/см³, который каждую минуту теряет 240 млн т массы путем излучения. Каждый квадратный сантиметр его поверхности излучает 375 859,48 Дж/мин. Отличие по химическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. Состав Солнца по углероду и инертным газам близок к составу Земли, что указывает на генетическое единство всех тел солнечной системы. Космохимия звезд однообразнее и проще геохимии Земли.

В настоящее время Солнце движется между рукавами созвездия Стрельца и пройдет это расстояние через 4,6 млрд лет. При вхождении в спиральный рукав условия для живых организмов ухудшаются, так как в них образуются новые звезды. Здесь вспышки Сверхновых звезд выбрасывают высокоэнергетические лучи, что губительно для всего живого.

Газовые туманности состоят из сильно разреженных газов, представляющих собой извержения из звездной материи. Соотношение Н: Н: О в газовых туманностях 1000: 10: 0,01.

Космические лучи – это поток частиц и атомных ядер очень высокой энергии, состоящих в основном из протонов p (90 %). Многие космические частицы обладают электрическим зарядом, поэтому отклоняются магнитном полем планеты. С ростом магнитной жесткости частицы будут глубже проникать в магнитное поле. В земной атмосфере они образуют вторичное излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой проникающей способностью. Поток космических лучей за пределами Земли составляет 10 частиц/см²/мин. Космические нейтроны (n) образуют вторичные радиоактивные изотопы в верхней части атмосферы, преобразуют атомные ядра азота:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p; ¹⁴N + n → ¹²C + ³H.

Образуются таким путем и радиоактивные изотопы: ¹⁰Be, ²²Na, ²⁶Al, ³²Si, ³⁶Cl, ³⁹Ar.

Космические частицы – по сравнению с Солнечной системой беднее Н, Не, Li, Be, B, но богаче тяжелыми металлами. За сутки на поверхность Земли поступает до 100 т космической пыли, метеоритов.

Метеориты – обломки космической материи. Изотопный состав по C, O, Si, Cl, Fe, Ni, Co, K, Cu, Ga, U такой же, как изотопный состав этих элементов земного происхождения. Различие в изотопах по некоторым редким элементам и инертным газам (He, Ne, Kr, Xe) образуется из-за облучения метеоритов космическими лучами.

По составу метеориты бывают металлические (Fe, Ni), силикатные (Si, Al), сульфидные (FeS и др.). Самые распространенные каменные (аэролиты) метеориты (90 %). Среди каменных преобладают хондриты, для силикатной части которых характерны «хондры» – шарики диаметром около одного миллиметра из стекла или нераскриста­лизованного материала. «Хондры» не встречаются в земных условиях и могут выполнять роль индикатора при изучении генезиса метеоритов.

Редко встречаются углистые хондриты с добавлением графита, органического вещества и аминокислот, еще реже – ахондриты без «хондр», близкие по составу к земным изверженным породам.

Средний состав хондритов следующий: O (33,24 %), Fe (27,24), Si (17,19), Mg (14,29), S (1,93), Ni (1,64), Ca (1,27), Al (1,22), Na (0,64), Cr (0,29), Mn (0,25), P (0,11), K (0,08 %) (Б. Мейсон, 1971).

Считается, что хондритовые метеориты возникли между Марсом и Юпитером при распаде астероидов с радиусами до 370 км. Относительная частота выпадения метеоритов разных классов по Дж. Вуду (1971) следующая: хондриты (85,7 %), ахондриты (7,1), же­лезные (5,7), железо-каменнные 1,5 %. Поверхности Земли ежегодно достигает 500 метеоритов размером меньше 10 см в диаметре. На Земле известно 150 кратеров от падения метеоритов: в Северной Америке 52, Европе 36, Азии 20, Австралии 18, Африке 16, Южной Америке 8. Известен кратер от астероида диаметром 1,2 км в штате Аризона (США), образовавшийся 50 тыс. лет назад. Кратеров диаметром более 10 км насчитывается 60, меньше 10 км – 90. Для глобальной катастрофы достаточно падения метеорита диаметром 1км с радиусом разрушения 200–300 км. При падении его в океан высокие волны затопят участки суши на низменностях. В марте 1989 г. астероид диаметром около 300 м пересек орбиту в точке, где всего лишь 6 часов назад находилась Земля. Наземные службы зарегис­трировали его лишь после удаления от планеты. Поэтому необходимо направлять усилия на усовершенствование сети наблюдений за небес­ными телами и разработку способов нейтрализации небесных тел, появляющихся в зоне притяжения Земли.

Метеориты позволяют получать данные по абсолютной распро­страненности нелетучих компонентов при наличии представительных аналитических данных.

Планеты солнечной системы

Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций. Рассмотрим особенности химического состава планет, за исключением Земли, о которой информация будет изложена в последующих главах.

Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам. Они делятся на две группы: внут­ренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см³), а внешние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см³). Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не, СН₄, NH₃ и др.). Планеты имеют по одному и более спутнику, за исключением Меркурия и Венеры. Химический состав планет приведен по Д. Ротери (2005).

Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца. Меркурий повернут одной стороной к нему.

Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хребты. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий. Исследовал планету аппарат «Маринер-10».

Венера вращается в противоположную сторону, по сравнению с Землей. Сила тяжести почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. По размерам, плотности, а также давлению и температуре на высоте 50 км она сходна с Землей, а солнечной энергии получает в два раза больше.

Атмосфера состоит из СО₂ (96,5 %), N₂ (3,4) вулканического происхождения, около 0,1 % приходится на H₂, O₂, H₂O, CO, COS, SO₂, S₂, H₂S, SF₆, HCl, HF, Ne, Ar, Kr, Xe. Предположительно облака состоят из паров и капелек серной кислоты. Процесс образования сернокислого тумана замедленный. За день образуется 25 капель на 1 см³ с диаметром 1,5 мкм. В нижних слоях атмосферы из-за высокой температуры кислота разрушается. Оксид углерода реагирует с серным ангидридом и образует углекислый и сернистый газ. У поверхности планеты оксид углерода отнимает у сернистого газа кислород с образованием газообразной серы. В наэлектризованной атмосфере зарегистрировано 50 молний в секунду в одном месте, а на всей Земле для сравнения – 100. Атмосферное давление в 100 раз выше земного. На высоте облаков атмосфера планеты вращается со скоростью 100 км/с, ниже 10 км – 1 м/с, на поверхности – не более 1 м/с, но эта скорость валит с ног из-за высокой плотности. Господствует западное направление ветра. Дневное освещение аналогично пасмурному дню.

Поверхностный грунт состоит на 50 % из SiO₂. В нем отождествлены элементы Al, Mg, Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U. Породы близкие к гранитоидам. Горы занимают 8 % всей поверхности, максимальная высота до 11 км (г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с множеством кратеров диаметром до 280 км, плоскогорья на высотах примерно 3500 м.

Луна – спутник Земли. Поворот вокруг оси совпадает с поворотом вокруг Земли (27,3 суток). Атмосфера отсутствует. На поверхности реголит (пыль) мощностью до нескольких метров. Реголит состоит из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы, спекшихся друг с другом и образовавших губчатую массу. «Материки» занимают 85 %, «моря» (пониженные места) 15 % и представлены базальтовой породой. Химический состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные породы изверженные, они кристаллизовались при температуре 1210–1060 ^°С с силикатного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин. Малоизвестные для земных условий минералы: пироксенманганит (обогащен Mn), ферапсевдобрукит (Fe, Mo, Ti), транквилитит (TiZrO₄) и др. В породах среди O, Si, Fe, Ca, Mg, Al, Ti повышенное количество Fe, Ti, Zr и редких земель. Выделяются элементы группы железа (V, Cr, Mn, Co, Ni), молибдена (Y, Zr, Nb, Ta).

Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780 дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55 млн км, на максимальном 102 млн км. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 65 ^°.

Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли. У полюсов облака голубые и состоят из СО₂, небо тускло-розового цвета. Атмосфера состоит из СО₂на 95 %, по другим источникам – на 75 и 50 %, N₂ (2,5), Ar (1,6), O₂(0,1–0,4), CO (0,06), Н₂О (0,03 %), очень мало Ne, Kr, Xe. Имеются пары воды, аэрозоли образуются за счет пылевых бурь. Скорость ветра около 100 м/с. Лед состоит из СО₂ и частично Н₂О. Ядро малое (5–9 % массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые «моря» в депрессиях. Высота гор до 27 км, они занимают 2 / 3 поверхности планеты. В грунте Марса содержится Fe – 12–14 %, Si – до 20, Ca – 4, Al – 2–4, Mg – 5, S – 3 %, а также другие элементы.

Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде, имеет низкую плотность. Совершает оборот вокруг своей оси за 10 часов. Имеет 16 спутников. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии.

Атмосфера на 90 % состоит из Н₂и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Магнитное поле в 50 раз сильнее земного, поэтому вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное. Внутреннее излучение планеты на 60 % больше, чем приток энергии от Солнца. При высокой температуре и давлении атом водорода разрушается и ведет себя как металл, создавая магнитное поле.

Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см³) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н₂ и Не. Ядро расплавленное силикатно-металлическое.

Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Уран движется в Солнечной системе лежа на боку, и ось вращения лежит почти в плоскости его орбиты. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15–18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н₂, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава.