ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.09.2020

Просмотров: 4365

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

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, 

– 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 


background image

 

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


background image

 

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

).  


background image

 

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


background image

 

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,