ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3901
Скачиваний: 7
16
2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ
2.1. Химический состав космических тел
Объекты космохимии представлены звездами (95% массы вещества Вселен-
ной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной
космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами,
электронами, кварками. Химический состав отражает сложные пути их эволюции
и определяется рядом физических и химических факторов: образование и преоб-
разование атомов во времени; распределение атомов под влиянием космических
причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-
химическое перераспределение групп атомов, электронов, молекул.
Кларки солнечной атмосферы принято считать кларками космоса, которые
рассчитывают на 10
6
атомов
Si
или
Н
. В спектре солнечной атмосферы открыто
более 70 элементов с преобладанием
Н
(70% по массе),
Не
(28), на долю осталь-
ных приходится 2%. Очень мало тяжелых элементов после железа. По
Л. Аллерому и Дж. Россу (1976) для первых 13 элементов получены следующие
данные:
H
– 10
6
,
He
– 6,3·10
4
,
O
– 6,9·10
2
,
C
– 4,2·10
2
,
N
– 87,
Si
– 45,
Mg
– 40,
Ne
–
37,
Fe
– 32,
S
– 16,
Ca
– 2,2,
Ni
– 1,9, Ar – 1,0.
Солнце
представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотно-
стью 1,41 г/см
3
, который каждую минуту теряет 240 млн. т массы путем излуче-
ния. Каждый квадратный сантиметр излучает 375859,48 Дж/мин. Отличие по хи-
мическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. состав
Солнца по углероду и инертным газам близкий к составу Земли, что указывает на
генетическое единство всех тел солнечной системы. 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
выбрасывают высокоэнергетические лучи, что губительно для всего живого.
Газовые туманности
состоят из сильно разреженных газов, представляю-
щих собой извержения из звездной материи. Соотношение
Н:Н:О
в газовых ту-
манностях 1000:10:0,01.
Космические лучи
– это поток атомных ядер очень высокой энергии, состоя-
щих в основном из протонов (90%). В земной атмосфере они образуют вторичное
излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой прони-
кающей способностью. Поток космических лучей за пределами Земли составляет
10 частиц/см
2
/мин. Космические нейтроны образуют вторичные радиоактивные
изотопы в верхней части атмосферы, преобразуют атомные ядра азота:
14
N+n→
14
C+p;
14
N+n→
12
C+
3
H.
Образуются также радиоактивные изотопы
10
Be,
22
Na,
26
Al,
32
Si,
36
Cl,
39
Ar
.
Космические частицы
– по сравнению с Солнечной системой, беднее
Н, Не,
Li, Be, B
, но богаче тяжелыми металлами. За сутки на поверхность Земли поступа-
ет до 100т 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 земно-
го происхождения. Различие в изотопах по некоторым редким элементам и
17
инертным газам (
He, Ne, Kr, Xe
) образуется из-за облучения метеоритов космиче-
скими лучами.
По составу метеориты делятся на металлические (
Fe, Ni
), силикатные (
Si, Al
),
сульфидные (
FeS
и др.). Самые распространенные каменные (аэролиты) метеори-
ты (90%). Среди каменных преобладают хондриты, для силикатной части которых
характерны ―хондры‖ – шарики диаметром около одного миллиметра из стекла
или нераскристаллизованного материала.
Очень редко встречаются углистые хондриты с добавлением графита,
органического вещества и аминокислот, еще реже – ахондриты без ―хондр‖1
близкие по составу к земным изверженным породам.
Считают, что хондритовые метеориты возникли между Марсом и Юпитером
при распаде астероидов с радиусами до 370км. 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 10см 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 1,2км в штате Аризона в США, образовавшийся 50 тыс. лет
назад. Кратеров диаметром более 10км насчитывается 60, меньше 10км – 90. Для
глобальной катастрофы достаточно падения метеорита диаметром 1км с радиусом
разрушения 200–300км. При падении его в океан высокие волны затопят участки
суши на низменностях. В марте 1989г. астероид диаметром 300м пересек орбиту в
точке, где всего лишь 6 часов назад находилась Земля. Наземные службы
зарегистрировали лишь после удаления его от планеты. Поэтому необходимо
направлять усилия на усовершенствование сети наблюдений за небесными телами
и разработку способов нейтрализации небесных тел, появляющихся в зоне
притяжения Земли.
2.2.
Планеты солнечной системы
Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX века
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 гла-
вах.
Планеты отличаются по размерам, плотности, массам, расстоянию от Солнца
и другим параметрам. Они делятся на две группы: внутренние (Меркурий, Вене-
ра, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет коль-
цо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты,
вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3-3,5 г/см
3
), а
внешние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71-2,00
г/см
3
). Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, по-
следняя особенно выражена у Меркурия (62%); чем ближе к Солнцу, тем больше
металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (
Н,
Не, СН
4
, NH
3
и др.). Планеты имеют по одному и более спутнику, за исключением
Меркурия и Венеры. Химический состав планет приведен по Д.Ротери (2005).
Формат:
Список
18
Меркурий
. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому
времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом
вращения вокруг Солнца, и он повернут одной стороной к нему.
Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хребты. Кора
андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4млрд. лет. Ядро массивное металличе-
ское с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содер-
жит
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
натрий в атмосферу. Исследовал планету аппарат «Маринер-10».
Венера
вращается в противоположную сторону, чем Земля. Сила тяжести
почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. По размеру, плот-
ности, а также давлению и температуре на высоте 50км она сходна с Землей, а
солнечной энергии получает в два раза больше.
Атмосфера состоит из
СО
2
(96,5%),
N
2
(3,4) вулканического происхождения,
около 0,1% приходится на
H
2
, O
2
, H
2
O, CO, COS, SO
2
, S
2
, H
2
S, SF
6
, 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 1см
3
с диаметром 1,5мкм. В нижних слоях атмосферы из-за высокой
температуры кислота разрушается. Оксид углерода реагирует с серным ангидри-
дом с образованием углекислого и сернистого газа. 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 вы-
ше земного. На высоте облаков атмосфера вращается со скоростью 100км/с, ниже
10км – единицы метров в секунду, на поверхности – не более 1м/с, но этот ветер
валит с ног из-за высокой плотности. Для него характерно постоянное западное
направление. Дневное освещение аналогично пасмурному дню на Земле.
Поверхностный грунт состоит на 50% из
SiO
2
. В нем отождествлены элемен-
ты
Al, Mg
,
Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U
. Породы близкие к гранитоидам.
Горы занимают 8% всей поверхности, максимальная высота до 11км
(г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с множеством крате-
ров диаметром до 280км, плоскогорья на высотах примерно 3500м.
Луна
– спутник Земли. Поворот вокруг оси совпадает с поворотом вокруг
Земли (27,3 суток). Атмосфера отсутствует. На поверхности реголит (пыль) мощ-
ностью 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%, «мо-
ря» (пониженные места) 15% и представлены базальтовой породой. Химический
состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные
породы изверженные и кристаллизовались при температуре 1210-1060
о
С с сили-
катного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагио-
клаз, ильменит, оливин. Малоизвестные для земных условий минералы: пи-
роксенманганит (обогащен
Mn
), ферапсевдобрукит (
Fe, Mo, Ti
), транквилитит
(
TiZrO
4
) 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
).
19
Марс
обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780
дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55
млн. км, максимальное 102 млн. км. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты
под углом 65
о
.
Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности
Земли. У полюсов облака голубые и состоят из
СО
2
, небо тускло-розового цвета.
Атмосфера состоит из
СО
2
(95%, по другим источникам 75 и 50%),
N
2
(2,5),
Ar
(1,6),
O
2
(0,1-0,4),
CO
(0,06),
Н
2
О
(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
СО
2
и частично
Н
2
О
.
Ядро малое (5-9% массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю
кратерированную кору и базальтовые ―моря‖ в депрессиях. Высота гор до 27км,
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 разме-
рам и массе к звезде, имеет низкую плотность. Совершает оборот вокруг своей
оси за 10 часов. Имеет 16 спутников. В атмосфере образуются неподвижные вих-
ревые образования и оглушительные раскаты грома, сопровождаемые молниями.
Атмосфера на 90% состоит из
Н
2
и 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 сия-
ния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена метал-
лическим водородом (80%) в твердой фазе и гелием (20%). На глубине 0,02 ради-
уса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера же-
лезосиликатное. Внутреннее излучение планеты на 60% больше, чем приток энер-
гии 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/см
3
) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг пла-
неты 2км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10м, ширина всех колец
400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97%) и гелия (3%), аммиака, метана,
этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800км/ч, что в 20 раз больше штор-
мового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000км. Поверхность пред-
ставлена океаном из
Н
2
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
Н
2
, на 80% из более тяжелого вещества железо-силикатного со-
става.
Формат:
Список
20
3.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ И ЕЕ ОБОЛОЧЕК
3.1.
Строение и состав Земли
Земля делится на несколько оболочек (слоев), имеющих близкие особенно-
сти условий существования химических элементов и характерных геохимических
процессов: ядро (твердое и жидкое), мантия (нижняя и верхняя), астеносфера, по-
верхность Мохоровичича (промежуточный слой), литосфера (нижняя – базальто-
вый слой, граница Конрада, средняя – гранитный, гранитоиды, верхняя – мета-
морфическая зона и кора выветривания. Геохимия сфер Земли, термодинамика и
геохимия ядра и мантии представлена в работах Н.П.Семененко (1987),
О.Л.Кускова, Н.И.Хитарова (1982).
Рис.2. Строение Земли
Ядро
предположительно состоит из твердой части (
G
5100-6371км) с плот-
ностью 12-13г/см
3
, верхняя (
Е
2900-5000км) часть его – жидкая. Переходное ядро
F
на глубине 5000-5100км. Считают, что состав ядра соответствует железным ме-
теоритам (
Fe
80,78%,
Ni
8,59,
Co
0,63%). По В.А.Руднику, Э.В. Соботовичу, в яд-
ре содержание железа 90,2 %, никеля 9,04 %. Возможно, в железо-никелевом ядре
имеется примесь легких элементов (
Si, S, Al, O
). Существует также мнение о гид-
ридном (соединение элементов с водородом) и карбидном (металлы + неметаллы
+ С, SiC, Fe
3
C, WC, TiC, CaC
2
) ядре Земли. По А.Ф. Капустинскому, в ядре Земли
вещество состоит из ядер атомов в электронной плазме, поэтому его называют
зоной «нулевого химизма», «центросфера». По данным эксперимента
О.Л.Кускова, Н.И.Хитарова (1982), внешнее ядро может быть железо-никелевым,
внутреннее – состоять из чистого железа. Кремний является одним из наиболее
приемлемых элементов-примесей во внешнем ядре. В нем могут быть углерод,