Диффузия водню з мантії Землі до космосу

Диффузия водню з мантії Землі в космос

В. І. Гузей Миллиарды років поверхні Землі покрита океанами і морями, загальна маса яких складає нині ~ 1,5?1018 т. Постає питання, завдяки чому протягом такої тривалої історичного періоду підтримується баланс такої великої кількості води? Адже достеменно відомо, що це званий «круговорот води в природі «насправді є незамкнутым. З одного боку, йде стала дисоціація воды:

а) під впливом фотохімічних процесів в стратосфері Земли;

б) при механічних кавитационных процесах на гребенях хвиль під час океанських штормов;

Биологическое зв’язування води з вуглекислим газом і із кисню, що у початковий період освіти біосфери зіграло роль, надалі можна вже було враховувати, оскільки процеси біосинтезу увійшли до рівновагу з процесами органічного розкладання, що супроводжуються вивільненням воды).

В результаті проходження у перших двох процесів йде постійне розкладання молекул води на водень і кислород:

2 H2O + ?E? 2 H2 + O2 (1).

Водород, як більше легкий газ, швидко дифундує до космосу, а кисень, який важче азоту, здебільшого опускається до поверхні Землі. Там кисень частково підтримує баланс свого вмісту у атмосфері, а частково пов’язується в різних окисних процесах (наприклад, окислювання NH3, CH4, H2S, CO, FeO і т.д., виходять на поверхні Землі внаслідок глибинних процессов).

Таким чином, але було постійного джерела підживлення Світового океану новими порціями води, його рівень у протягом мільярдів років поступово знижувався бы.

Принято вважати, що таких постійним джерелом води є термічне розкладання гидратированных силікатних глибинних порід Землі, нібито які потрапили до нього з космосу під час формування планет Сонячної системи. Але такий припущення викликає сомнения.

Из міркувань хімічної кінетики, термічне розкладання гидратированных силікатів має протікати у певному (за глибиною і температурі) шарі Землі і навіть повинна мати місце падаюча за експонентою тимчасова залежність валового виділення води принаймні зневоднення разлагающейся породы.

Поддерживать рівень океану міг би поступове просування фронту термічного розкладання порід у нові поверховіші верстви Землі, але цього необхідно було б підвищення температури всередині Землі. Але якщо і говорити про історичному зміні потоку енергії у надрах Землі, то, швидше за все, навпаки, температура повинна знижуватися з поступового виснаження запасів радіоактивних элементов.

Более правдоподібним є очікування у тому, що силікати не є джерелом води, а навпаки, хімічно пов’язують значну частину води, яка просочується на поверхні Землі через літосферу. У цьому шар гидратированных силікатів поступово йде всередину Землі принаймні її остигання через виснаження запасів радіоактивних элементов.

Все усе веде до думки, що має бути інший стабільний джерело виділення води на таку період існування земної гидросферы.

Известно, що з розпаді радіоактивних елементів (U235, U238, Th232, K40), що є в мантії Землі у набагато більших кількостях, ніж у поверхневих шарах кори, відбувається виділення таких високоенергічних часток як ?-частицы (ядра 2Не4), нейтрони (0n1) і гамма-випромінювання. Вступаючи у вторинні ядерні реакції, вони можуть спричинить виділенню значних кількостей протонів (ядер водню 1Н1):

ZXA + 2Не4? Z+1YA+3 + 1Н1 (2).

ZXA + 0n1? Z -1YA + 1Н1 (3).

ZXA + h?? Z -1YA -1 + 1Н1 (4).

Образующийся у своїй водень є досить активним восстановителем для низки окислів, карбідів, нитридов металів. До елементам, які можуть активно відновлюватися воднем при високих температурах розплавленого речовини мантії Землі (1800−27 000К), є, насамперед, сидерофильные елементи (Fe, Ni, Co) :

MeO + H2 = Me + H2O (5).

Me2C + 2H2 = 2Me + CH4 (6).

Me3N2 + 3H2 = 3Me + 2NH3 (7).

Сульфиды при умовах воднем не відновлюються, як і окисли литофильных елементів (Si, Al, Ca, Mg, Na, K, Ti, Mn, U, Th і т.д.).

Из халькофильных елементів найбільше зацікавлення представляє поведінка свинцю, оскільки цим елементом закінчуються уранові і ториевый ряди радіоактивного розпаду, і поза історію побутування Землі свинцю мало нагромадитися значну кількість. Оскільки уранові елементи в мантії перебувають у вигляді окислів (U3O8, ThO2), те й утворений свинець повинен виділятись як окисла. Окисли халькофильных елементів (Pb, Bi, Tl), які виникають під час радіоактивного розпаду, через свою летючості та термічним нестійкості, треба концентрувати у верхніх, більш низькотемпературних шарах мантії (очевидно, у районі астеносферы, сприяючи її розрідженню), де їх, в основному, повинні переходити в сульфіди. А сульфіди цих умовах воднем не восстанавливаются.

Таким чином, можна зрозуміти, що значним фінансовим і постійним джерелом води в історії Землі то, можливо відновлення сполук сидерофильных металів воднем, що утворюється внаслідок проходження реакцій радіоактивного распада.

Дополнительным джерелом води може статися реакция:

MeO + H2S = MeS + H2O (8).

С з іншого боку, очевидно, саме реакції 5 і побачили 8-го є головними в поповненні металевої і троилитовой (MeS) фаз ядра Земли.

Описываемое у літературі те, що основну роль освіті металевої фази зіграв вуглець, під сумнівом. У разі різко відновлювальної середовища в мантії через присутність великих кількостей H2, H2S, СН4, NH3 і дефіциту кисню практично неможливо освіту ЗІ, що є необхідним допоміжним компонентом для відбудовних реакцій з участю углерода:

2C + O2 = 2CO (9).

MeO + CO = Me + CO2 (10).

???‾ ;???

2MeO + 2C + O2 = 2Me + 2CO2 (11).

Реакция 11 йде практично за будь-яких температурних умовах, тоді як прямого відновлення вуглецем за відсутності кислорода:

2MeO + З = 2Me + CO2 (12).

начинает йти зліва-направо лише вище 25 000К нормального тиску, а умовах високого тиску в мантії той процес ще більше ускладнюється. У цей час реакція 5 розвивається вже за часів температурах вище 10 000К для FeO і 4000К для NiO, тому треба вважати, що більше краща при паралельному проходженні, ніж реакція 12.

Следует, у своїй, помітити, що наведені вище висновку про можливості або неможливості проходження реакцій носять скоріш якісний, ніж кількісний характер. Умови в глибинних шарах Землі дуже відрізняються від лабораторних, тому приведення точних термодинамічних розрахунків було тут некоректним. Проте, враховуючи, що це описувані вище реакції проходять приблизно одним і тих самих умовах, то термодинамические розрахунки дозволяють дати відносну наближену оцінку перевагу тих чи інших реакций.

Можно дійти невтішного висновку, що конкурентний тиск води, котра надходить на поверхню із глибин Землі в результаті відбудовних реакцій і встигла зв’язатися в гидросиликаты, має бути глобальний і довгостроковий характер. Рівень Світового океану, очевидно, історично залежав від цього, який був баланс між загальної масою води, що надходить із глибини Землі та масою води, розпаду у атмосфері. І, оскільки кількість радіоактивні речовини в Землі поступово знижується, то слід припустити, основна маса води Світового океану утворилася на ранніх стадіях існування Землі, коли зміст радіоактивних елементів у її надрах було в 4−6 порядків вищою. Проте, враховуючи періоди піврозпаду U235, U238, Th232, складові кілька мільярдів років, де вони могли перебувати у надрах Землі у кількостях. Можна припустити, що у ранніх стадіях розвитку Землі радіоактивну складову представляли інші більш короткоіснуючі ізотопи, майже зовсім распавшиеся до відома наших дней.

При такі умови для освіти нинішнього обсягу води вистачило б 1- 1,5 млрд. років. Проте поступове зменшення кількості выделяющейся води має було провадити до поступового зниження рівня Світового океану. Імовірно, колись його міг стати сталася на кілька кілометрів вище, ніж у справжнє час, повністю покриваючи всю поверхню Земли.

По-видимому, аналогічні процеси маємо проходити та інших планетах залежно від загальної кількості їх надрах радіоактивних елементів. Поява на Марсі полярних шапок і явище поступового відновлення темних плям на поверхні планети після піщаних бур може говорити, що із глибин Марса виділяється небагато вологи з присутності його мантії залишкових кількостей радіоактивних веществ.

Также можна припустити, що у мантії планет-велетнів (Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна) перебуває, за абсолютним вираженні, набагато більше радіоактивні речовини, ніж Землі, про що свідчить величезний потік енергії, який із їх глибин. У результаті внутрішню структуру цих планет може складатися зі чотирьох слоев:

металлическое ядро;

оксидная мантія;

солидная водна прошарок, яка може складатися з всіх трьох агрегатних станів (якщо температура за українсько-словацьким кордоном між мантією і води вище 3730С, то між мантією і переробки рідкої водою то, можливо парова прошарок; якби межі між водним і аммиачно-метановым шаром температура нижче від температури замерзання води тим більше тиску, вона може існувати й крижана прошарок);

внешний аммиачно-метановый шар, що може бути й у різних агрегатних станах.

В силу поступового підвищення температури всередину зазначених планет, в шарі рідкої води можна досить значний шар (кілька десятків кілометрів) з температурою 0 — 400С, цілком придатний розвитку анаеробних форм жизни.

В висновок можна було б зробити ще ще одна здогадка. Ми судимо у тому, які радіоактивні елементи перебувають у глибинних шарах Землі, за змістом в поверхневих шарах земної кори. Але це відповідає дійсності? Уран і торій, як хімічних елементи, мають високим спорідненістю до кисню, мало відновлюються до металу і тому містяться, переважно, в мантії, частково выносясь на поверхні Землі тектонічними процесами. Проте й інші радіоактивні елементи, у цьому однині і трансуранові, які можуть опинитися легко хімічно відновлюватися й можуть бути у своїй досить тугоплавкими. Такі елементи будуть присутні лише у металевої фазі. Причому, завдяки їхній високої густини, вони мають нагромаджуватися у центрі металевого ядра. Такі елементи навряд чи зможуть коли-небудь виявитися лежить на поверхні Землі, аби ми могли їх виявити. З з іншого боку, ми що не знаємо, як впливають на період піврозпаду радіоактивних елементів настільки гігантські тиску, що у центрі Землі. Найімовірніше, трансуранові елементи таких умов може бути настільки стабільнішими (наприклад, лише на рівні U238), що немає небезпеки перевищення критичної маси. І тут такий радіоактивний центральне ядро Землі та інших планет може значно перевищувати загальний вміст уранових елементів в мантії і «бути історично значно більше стабільним джерелом водню, отже, та води.

Список литературы

Бакулин Б.І., Кононович Е. В., Мороз В.І. Курс загальної астрономії. — М.: Наука, 1977.

Виноградов О. П. Космохимические проблеми. — Вісті АН СРСР, Серія геології, 1974, № 7.

Виноградов О.П. Освіта металевих ядер планет. — Геохімія, 1975, № 10.

Виноградов О.П. Хімічна еволюція Землі. — М.: Вид-во АН СРСР, 1959.

Виноградов В.І. Скільки років океану? — Природа, 1975, № 12.

Войткевич Г. В. Походження та хімічна еволюція Землі. — М.: Наука, 1973.

Войткевич Г. В. Радіоактивність історія Землі. — М.: Наука, 1970.

Войткевич Г. В. Хімічна еволюція сонячної системи. — М.: Наука, 1979.

Герасимов Я.И. та інших. Курс фізичної хімії, т.1. — М.: Госхимиздат, 1963.

Гинзбург В. Л. Про фізики й астрофізиці. — М.: Наука, 1985.

Горбачев А. М. Загальна геологія. — М.: Вищу школу, 1981.

Гуди Р., Вокер Дж. Атмосфери. — М.: Світ, 1975.

Жарков В.М. Внутрішнє будова Землі та планет. — М.: Наука, 1978.

Жарков В.М., Калінін В.А. Рівняння стану твердих тіл при високих тисках і температурах. — М.: Наука, 1968.

Кей Дж., Леби Т. Таблиці фізичних і хімічних постійних. — М.: Физ-мат. издат, 1962.

Климишин І.А. Елементарна астрономія. — М.: Наука, 1991.

Климов О. Н. Ядерна фізика й ядерні реактори. — М.: Атомиздат, 1971.

Краткая хімічна енциклопедія. — М.: Вид-во «Радянська енциклопедія », т.1, 1961; т.2, 1963; т.3, 1964.

Краткий довідник по хімії, ред. Куриленко О. Д. — Київ: Наукова думка, изд.3, 1965.

Краткий довідник хіміка, сост. Перельман В.І. — М.: Госхимиздат, 1963.

Кузьменко Г.І. Глибинні процеси Землі. Геофізичний журнал, 5. Т. 22, 2000, з. 3 — 13.

Куликов К.Л., Сидоренков М. С. Планета Земля. — М.: Наука, 1972.

Науки Землю. Т. 21. Довідник фізичних констант гірських порід. — М.: Світ, 1969.

Некрасов Б. В. Курс загальної хімії. — М.-Л.: Госхимиздат, 1960.

Ораевский В. М. Ядерна енергетика. — Київ: Наукова думка, 1978.

Ржевский В.В., Новік Г. Я. Основи фізики гірських порід — М.: Надра, 1973.

Справочник хіміка, ред. Микільський Б.П. — М.-Л.: Госхимиздат, изд.2, т.1, 1962; т.2, 1963; т. 3, 1964.

Тейлер Р.Дж. Походження хімічних елементів. — М.: Світ, 1975.

Трубицын В.П. Внутрішнє будова планет-велетнів, Земля і Всесвіт, 1974, № 1.

Элиот Л., Уїлкокс У. Фізика. — М.: Наука, 1967.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.