II. Исходный состав земли в свете современной космогонии

Научная космогония за два столетия существования накопила Достаточное число фактов, заставивших исследователей отказаться от разнообразных версий «захвата» планетарного вещества Соли-

* Непразомерно прямое отождествление. Однако п разделе IX будет пока­зано, что хондрнты могут быть использованы для оценки среднего состава Земли, но с учетом дифференциации протопланетного вещества при формировании сол­нечной системы."цем или «выброса» материи в силу различных причин из его недр. Совпадение экватора Солнца с плоскостью эклиптики, прямое об­ращение планет, малые эксцентриситеты их орбит, характер рас­пределения момента количества движения и некоторые . другие факты заставили космогонию вернуться к небулярной² концепции, т. е. к идее совместного происхождения планет и Солнца из еди­ной туманности.

Современная космогония в акте творения солнечной системы видит следующую цепь событий. Сначала существовала пыле-га-зовая туманность как часть межзвездной диффузной материи на­шей галактики. Затем, примерно 4,7 млрд. лет назад, где-то «не­далеко», в ее «окрестности» взорвалась Сверхновая, в результате чего туманность потеряла гравитационную устойчивость и начала сжиматься к своему центру тяжести. Обладая некоторым исход­ным моментом вращения, туманность при сжатии вращалась все быстрее. Центробежная сила в процессе сжатия возрастает бы­стрее, чем сила тяжести, и в тот момент, когда они уравниваются, наступает резким ротационной неустойчивости. На этом этапе по экватору сгустившейся туманности (будем называть ее прото-Солн-нем) происходило истечение вещества, образовавшего в плоскости эклиптики протопланетный диск (подобно кольцу Сатурна). Под­считано, что у нашего ирото-Солнца ротационная неустойчивость возникла тогда, когда его радиус примерно соответствовал ради­усу орбиты Меркурия. В дальнейшем из прото-Солнца образова­лась наша звезда, а из протопланетного диска — планеты.

Эти положения о совместном происхождении планет и Солнца из единой пыле-газовой туманности в общем виде были высказаны два века назад Кантом и Лапласом. Однако до последнего време­ни был совершенно неясен механизм передачи момента количества движения от протосолнечного сгущения к протопланетному диску. Без этого перераспределения количества движения поступательное развитие системы, достигшей режима ротационной неустойчивости, стало бы невозможным, так как дальнейшему сгущению прото-Солнца препятствовали бы центробежные силы.

Этот трудный вопрос был решен астрофизиком Фредом Хой-лом, который в 1958 г. высказал идею о наличии, дипольного маг­нитного поля у прото-Солнца, магнитные силовые линии которого, будучи «вмороженными» в центральное сгущение и в частично ионизированное вещество диска, играли роль сцепления в системе (примерно как спицы в колесе) и поддерживали в ней равенство угловой скорости. При этом прото-Солнце тормозилось (аналогич­ным образом тормозит свое вращение фигуристка, выбрасывая руки в стороны), выходило из режима ротационной неустойчиво­сти и получало возможность к дальнейшему сжатию, тогда как щество протопланетного диска, приобретая момент количества нжения системы, распространялось в плоскости эклиптики и уда­лось от протосолнсчного сгущения (Хойл, 1960). Именно этот аспект происхождения солнечной системы, по на­шему мнению, является определяющим в планетохимии но сле­дующим причинам. При формировании диска и распространении

протопланетного вещества в плоскости эклиптики оно перемеща­лось в магнитном поле. Заряженные (ионизирозанные) частицы не могут двигаться, пересекая магнитные силовые линии, и по­этому они должны оставаться во внутренней части диска. Магнит­ное ноле для заряженных частиц (с тепловыми энергиями) явля­лось своеобразной ловушкой. Нейтральные частицы, наоборот, должны были фракционироваться (выталкиваться) и уходить на дальнюю периферию диска (рис. I).

Высказано предположение, что именно эта магнитная сепара­ция обусловила различие в составах внутренних и внешних пла­нет: внутренние (земного типа) — обогащены металлами, которые имеют низкие потенциалы ионизации, внешние планеты-гиганты состоят в основном из газов с высокими потенциалами ионизации (Мороз, 1967). Было также показано, что этим фракционированием элементов в зависимости от их потенциалов ионизации можно объяснить дефицит инертных газов на Земле (Iokipii, 1964).

Если магнитная сепарация элементов имела место в действи­тельности, то она должна была найти отражение в составе Земли в том отношении, что чем выше потенциал ионизации элемента, тем меньше степень ионизации его атомов и тем меньше его дол­жно было «осесть» в зоне формирования Земли из протовешества, ^текавшего с прото-Солнца. О составе протовешества можно су-

дить по составу современного Солнца, так как все изменения его химизма в основном были ограничены «выгоранием» водорода и превращением его в гелий и не затрагивали баланса более тяже­лых элементов. Состав Земли, естественно, нам неизвестен. Одна­ко внешние геосферы, по всей вероятности, должны нести на себе 5олее или менее отчетливые следы исходного состава планеты³.

Таким образом, сравнение составов внешних геосфер нашей ланеты и современного Солнца позволяет проверить, имела ли тесто магнитная сепарация частиц миллиарды лет назад в на-чальные этапы формирования нашей системы. Результаты этой проверки изображены на графике (рис. 2), который со всей оче-видностью свидетельствует о реальности нашего предположения и озволяет утверждать, что именно магнитная сепарация элементов о их потенциалам ионизации определила геохимию.

Состав Солнца взят по Л. Аллеру (19G3); за состав внешних геосфер принят пиролит Рингвуда и Грина (три части ультрабазнта -I- одна часть базальта), кларкц пород — по А. П. Виноградову. Коэффициенты недостачи ниертнык га-

зов заимствованы у В. И. Мороза. (1967). Принципиальный характер графика не изменится при замене пнролита на гра­ниты или усредненные осадочные породы. По-видимому, все широко распростра­ненные горные породы несут «отпечаток» исходного состава планеты

И

Здесь следует обсудить одно возражение, направленное против ипотезы Ф. Хойла. Некоторые исследователи полагают, что маг-штное поле не могло осуществлять сцепление протопланетного иска с прото-Солнцем и обеспечивать перераспределение момента количества движения, так как коагуляция в диске должна была бы быстро (менее чем за год) укрупнить частицы и сделать их ндифферентными к магнитному воздействию.

Однако при этом не учитывается, что вспышка Сверхновой, послужившая толчком к формированию солнечной систе­мы, одновременно явилась последним актом нуклеосинтеза в этом районе Галактики (Hoyle, Fowler, 1960, 1964), в процессе которого пыле-газовая туманность обогатилась тяжелыми ядрами и в их числе торием, ураном и другими элементами, стоящими в конце периодической таблицы Менделеева. Но наряду с образованием тяжелых ядер попутно с ними должна была сформироваться мас­са легких короткоживущнх изотопов (Соботович, 1971), и, следо­вательно, пыле-газовая прототуманность на ранних этапах форми­рования солнечной системы должна была обладать высокой радио­активностью. Радиоактивность, в свою очередь, должна была вы­зывать ионизацию вещества (потерю внешних электронов), в ре­зультате чего частицы получали одинаковый положительный заряд, который препятствовал их соприкосновению, а следовательно, и коагуляции.

По всей вероятности, коагуляция в диске могла начаться лишь по мере «вымирания» этих короткожнвущнх изотопов, поэтому стабильные продукты их распада могут отсутствовать на Земле. В настоящее время многие короткоживущпе изотопы (бериллий-10, алюминий-26, хлор-36, железо-60 и др.) получены искусственным путем, и измеренные периоды их полураспада достигают 10^е— 10^s лет, что хорошо совпадает со временем, которое прошло от нуклеосинтеза до аккреции Земли и составляло не менее 0,5-10» лет (Kuroda, 1961).

Высказывалось также мнение, что размеры частиц в протове-ществе могли быть изначально достаточно крупными. Однако в процессе сжатия прототуманпости ее температура (за счет реали­зации гравитационной энергии) должна была возрасти до несколь­ких тысяч градусов (К. Хаяши, 1962 г.) и, таким образом, еще на стадии прото-Солнца все вещество должно было претерпеть испа­рение и находиться в виде.раскаленного ионно-атомно-молекуляр-ного газа. При отделении от прото-Солнца и формировании прото­планетного диска этот газ быстро остывал и превращался в отно­сительно холодный «дымный туман» (smog), стабилизация дисперсности которого, повторяем, осуществлялась не вследствие высоких температур, а в результате ионизации в связи с сильной начальной радиоактивностью протовешества.

Таким образом, ни коагуляция, ни исходные размеры частиц не могли препятствовать магнитной сепарации элементов. Об этом же свидетельствует выявленная нами закономерная связь дефи­цита элементов па Земле с их потенциалами ионизации, которая является как бы вещественным подтверждением гипотезы Хонла и которой, естественно, не должно бы быть в случае быстрой конденсации вещества в протопланетном диске или при значи­тельных исходных размерах частиц.

Теперь продолжим обсуждение вопроса, почему из общей за­кономерности (см. рис. 2), характерной для всех элементов, опре-

денных на Солнце, выпадает кислород. Его содержание на Зем-ле во много раз выше теоретически ожидаемой (в свете процесса магнитной сепарации) концентрации. По поводу этой аномалии можно сделать два предположения: I) кислород по "каким-то при-чинам сепарировался («вычерпывался» магнитным полем) так же, как и металлы, несмотря на свой высокий потенциал ионизации; 2) исходное содержание кислорода на Земле было небольшим, но в процессе ее развития он перераспределился и сконцентрировался

00 внешних геосферах.

Рассмотрим первое предположение. Единственный способ удер­жать магнитным полем кислород наравне с металлами — это по­низить его потенциал ионизации до 7—8 В. Понизить потенциал ионизации элемента можно, лишь связав его в соединения, которые легче ионизируются. Какие же соединения были возможны в про­товеществе? Оказывается, выбор был невелик. Резкое преоблада­ние водорода в протовеществе (на 3—4 порядка по сравнению с числом остальных атомов) в силу закона действующих масс дол­жно было обеспечить образование преимущественно водородистых, соединении — Н2О и ОН потенциалы ионизации которых (соот­ветственно 12,6 и 13,2 В) мало отличаются от потенциала иониза­ции элементарного кислорода (13,6 В).

Итак, потенциал ионизации кислорода в протовеществе, по всей вероятности, существенно (до 7—8 В, как у металлов) не снижался. Следовательно, кислород не мог удерживаться магнит­ным полем прото-Солнца наравне с металлами и должен был ухо­дить (фракционироваться) наряду с другими трудноионизируемы-ми газами из зоны планет земного типа на периферию системы в зону формирования планет-гигантов.

Таким образом, первое предположение оказалось неприемле­мым и мы можем принять второе, из которого следует что исход­ное содержание кислорода на Земле гораздо ниже, чем принятое

' в настоящее время, но в процессе развития планеты он, по всей вероятности, перераспределился и скопился во внешних геосферах что обусловило кислородную аномалию (см. рис. 2).

Планетохимическое следствие, вытекающее из гипотезы Хойла. дает возможность в первом приближении (в пределах порядков величин) оценить первичный состав Земли, исходя из состава Солнца и руководствуясь формулой

к₃=к_с-F

где Кз— искомая концентрация элемента на Земле: ¹ . Кс— концентрация элемента па Солнце; F — коэффициент недостачи (дефицит).

Характер расположения металлов на графике (см. рис 2) по­казывает, что их коэффициенты недостачи, по всей вероятности, близки к единице; это, по-видимому, отражает их высокую сте-

пень ионизации в протопланетном диске и соответствен но полный захват магнитным полем. Следовательно, Земля должна была унаследовать солнечный спектр металлов, т. е. содержания метал­лов на Земле должны соответствовать их распространенности на Солнце.

Отсюда вытекает, что среди металлов на нашей планете дол­жны преобладать магний, кремний и в меньшей мере железо, так как они доминируют среди остальных металлов на Солнеце Под­чиненное значение будут иметь алюминий, калий и натрий. Содержания остальных металлов должны быть малыми и исче-зающе малыми.

Сера, углерод и азот являются весьма распространенными эле­ментами на Солнце (после водорода и гелия), однако они имеют высокие потенциалы ионизации и соответственно' большие коэффи­циенты недостачи, в связи с чем концентрации их на Земле не должны превышать долей процента.

Если магнитная сепарация кислорода происходила в соответ- ствии с его ионизационным потенциалом или потенциалами иони- зации его водородистых соединений (как мы выяснили, иных вари- антов быть не могло), то на графике (см. рис. 2) on не должен выходить за пределы прямой, ограничивающей всю совокупность точек сверху. Этим определяется верхний предел его дефицита, согласно которому исходное содержание кислорода на Земле не должно превышать 5—6 атомн. %, или 3—4% от массы пла- неты.

Таким образом, основной объем Земли не может иметь кисло­родного сложения и в составе ее должны резко преобладать ме­таллы. Однако, учитывая способностъ_металлов поглощать громад-ные количества, водорода, (до атомных отношений Н/Ме=1 и более) и принимая во внимание сто широчайшее распространение в протовеществе, естественно предположить значительнос насыще-н не пыл еватых частиц водородом, что дол ж но было обусловить преимущественно водородный (гидридный) изначальный состав Земли. При этом весовая доля водорода в общей массе планеты должна составлять всего лишь несколько процентов.

111. РАЗВИТИЕ ИЗНАЧАЛЬНО ГИДРИДНОЙ ЗЕМЛИ И ЕЕ СОВРЕМЕННОЕ СТРОЕНИЕ