книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

показали полное отсутствие в них воды и окисных форм металлов, например Fe3+.

Все эти исследования свидетельствуют о том, что для планет зем­

распространенность тяжелых металлов. Так, например, у наиболее близкой к Солнцу планеты Меркурий предполагается наличие ядра, занимающего около 60% планеты и состоящего из сплава железа с никелем и др.

Что же представляют собой планеты-гиганты, отделенные от земных планет поясом астероидов, лежащим между Марсом и Юпите­ ром, по-существу занимающим промежуточную орбиту и, вероят­ но, представляющим скопление осколков распавшейся некогда планеты?

Атмосфера ближайшей к нам планеты Юпитера имеет мощность около ІООООлі и температуру около 112° К. Главной составляющей спектра атмосферы Юпитера являются метан СН4 и аммиак NH3. Им сопутствует также водород ГІ2 и в незначительной степени углекислый газ С02. Возможно, что в атмосфере Юпитера присутст­ вуют газы, распространенные в спектре Солнца, — гелий, неон и др.

Одной из особенностей Юпитера являются облака, вытянутые в виде полос в широтном направлении, изменяющие свою конфигу­ рацию каждые 9—10 лет. Предполагается аммиачный состав их.

Распространенность аммиака на Сатурне, имеющем, как и Юпи­ тер, метано-водородно-аммиачную атмосферу, ничтожна, посколь­ ку основная масса его заморожена. Сатурн окружен сложным коль­ цом небольших спутников, состоящих из отдельных глыб заморо­ женных газов и воды, и девятью более крупными спутниками. Один из них — Титан—имеет радиус 2500км и так же, как Сатурн, мета­ новую атмосферу.

Планеты Уран и Нептун также имеют водородно-метановую ат­ мосферу.

Планета Плутон является планетой загадок. Ее радиус состав­ ляет половину радиуса Земли, в то время как плотность достигает —4,0 г/см3.

Планеты-гиганты (Плутон из рассмотрения исключается), види­ мо, резко отличаются по составу от планет земного типа, что выра­ жается прежде всего в их исключительно малой плотности. Основ­ ным веществом их, по-видимому, является водород в кристалли­ ческом состоянии и гелий.

Известно, что при Т= 14° К и Р = 800 000 атм плотность кристал­ лического водорода должна достигать 0,78 г/см3, а при четырех­ кратном увеличении давления — 3,1 г/см3, для гелия — 7,6 г/см3.

Поскольку в центральной части Юпитера давление именно та­ кое, предполагается, что 60—70% объема планет-гигантов состав­ ляет водород.

Плотность Урана и Нептуна значительно выше, что позволяет предполагать преобладание в их составе Н2, СН4 и др. в металли­ ческой фазе.

§ 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛ

После планет следующими по размерам космическими телами являются астероиды, образующие пояс в районе промежуточной планетарной орбиты между Марсом и Юпитером, что дало основание предполагать, что астероиды являются реликтами некогда сущест­ вовавшей и разрушившейся планеты.

Некоторые астероиды достигают в поперечнике сотен километров; более мелкие (менее 1 м в диаметре) носят название метеоров. По­ падая в земную атмосферу, метеоры обычно сгорают, и лишь часть их достигает земной поверхности в виде метеоритов.

Около 90% метеоритов состоит из силикатов и носит название каменных; 6% метеоритов представлены сплавами железа и никеля и называются железными, и лишь 2% метеоритов относятся к про­ межуточному типу железо-каменных.

Железные метеориты (октаэдриты, сидериты) наряду с никели­ стым железом содержат такие необычные для Земли минералы, как троилит FeS, ольдгамит CaS, добреелит FeCr2S4, шрейберзит (Fe, Ni)3P, муассанит SiC и др. Собственно железные минералы камасит и тэнит, самородное железо с содержанием никеля от 4,5 до 25%, образующие тонкие срастания, являются доказательством весьма медленного остывания метеоритного вещества, так как ни в одном земном процессе такие структуры не наблюдаются.

Железо-каменные метеориты (палласиты и мезосидериты) явля­ ются уникальными телами. Так, например, в железо-никелевой массе палласита вкраплены застывшие капли оливина, причем желе­

сориями типа шрейберзита, троилита и др.

Каменные метеориты разбиваются на три класса: хондриты, ахондриты и тектиты.

Наиболее распространенные из них хондриты представляют собой каплевидные выделения силиката, сцементированные нике­ листым железом размером от микрометра до нескольких сантиметров. Хондры сложены пироксеном, оливином, реже никелистым желе­ зом. Форма хондр сплюснутая, напоминающая эллипсоид вращения; это свидетельствует о том, что хондры возникали в поле слабого гра­ витационного тяготения.

Известны хондриты энстатитовые с 40%-ным содержанием метал­ лической фазы. Наиболее часты хондриты, состоящие из оливина, пироксена, плагиоклаза с 6% железа.

Особое место занимают углистые хондриты, отличающиеся вы­ соким содержанием углеродистого вещества гидратированных мине­ ралов. ТІесмотря на различный минеральный состав хондр, все хондриты имеют близкий химический состав, свидетельствующий, что они произошли из единого первичного вещества.

Ахондриты отличаются отсутствием хондр и малым содержанием никелистого железа. Среди них известны уреилиты — метеориты, содержащие до 1 % алмазов. Однако наиболее часто встречаются базальтические ахондриты, состоящие из двух минералов — пирок­ сена и плагиоклаза, отличающиеся высоким содержанием кальция и алюминия, весьма напоминающие земные породы. Имеющиеся данные позволяют считать эти анондриты породами лунного проис­ хождения, выброшенными лунными вулканами в гравитационное поле Земли.

Тектиты, представленные вулканическими стеклами, иногда находят на Земле в виде ореола вокруг некогда действовавших

вулканов. В связи с этим их космическое происхождение оспари­ вается некоторыми исследователями.

В метеоритах обнаружено большое число короткоживущих ра­ диоактивных изотопов: C P, Ar30, Ai26, Be10, С14, Не3 и др. Присут­ ствие этих радиоактивных изотопов является следствием облучения метеоритов космическими лучами, солнечным ветром. Так, напри­ мер, в некоторых обломках Сихотэ-Алиньского метеорита обнару­ жено заметное количество Не3 (в участках, близких к первичной поверхности метеорита, которые подвергались облучению). В дру­ гих обломках содержание Не3 убывает по мере удаления от поверх­ ности к центру. Этим методом (по изменению содержания Не3) уда­ лось восстановить былую конфигурацию метеорита.

Большинство метеоритов имеет тот же возраст, что и Земля,

— 4,5 млрд, лет и, кроме того, они запечатлели на себе влияния различных реакций ядерного характера, протекавших в космосе.

Существует понятие — космический возраст метеорита, а имен­ но, длительность пребывания его в космическом пространстве, на­ чиная с момента разрушения более крупного астероида, из которого возник данный метеорит, до того момента, пока он не попадет в земную атмосферу и не подвергнется абляции (сдуванию, обгоранию внешнего его слоя).

Космический, или радиационный, возраст определяется по фор­ муле

NA=HA \ X\ t K,

где N A — число атомов космогенного изотопа в метеорите; На — скорость образования космогенного изотопа с массовым числом А на глубине X; tK— время облучения метеорита космическими лу­ чами (космический, или радиационный, возраст метеорита).

Изучение соотношений С136 и Ar36, Н3 и Не3 и других показало, что космический возраст большинства метеоритов колеблется в пре­ делах от 0,3 • ІО9 до 0,7 • ІО9 лет; максимальное значение найдено для метеорита Кларк Каунти-—4,8 • ІО9 лет (по соотношению Не3 и Н3).

Среднее содержание наиболее распространенных в метеоритах элементов, согласно А. П. Виноградову, приведено в табл. 9.

Характерными элементами межзвездного газа оказывается так­ же водород и гелий, линии которых относятся к недоступной ультра­

фиолетовой части спектра.

Однако измерение радиоизлучений водорода, возникающих при переходе его с одного энергетического уровня на другой (М и N) с длиной волны ^ = 21,11 см, позволило установить плотность во­ дорода от 0,1 до 3 атомов в 1 см3 ■— наивысшую плотность элемента в межзвездном газе.

§ 3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Какие закономерности из рассмотренных нами сведений о строе­ нии Вселенной являются главными для выяснения происхождения нашей Солнечной системы?

Солнце, как и вся связанная с ним система планет, вероятно, не один раз за свою историю прошло через сгущения вещества, име­ нуемые газово-пылевыми облаками.

Система планет, вращающихся вокруг Солнца, подчиняется стро­ гим закономерностям. К ним относятся движения всех планет во­ круг Солнца в одну сторону, против часовой стрелки, по удлинен­ ным орбитам, лежащим практически в одной плоскости. В том же направлении вращаются вокруг своей оси и сами планеты (за исклю­ чением Урана).

Относительные размеры планет и расстояние их до Солнца нич­ тожны по сравнению с массами звезд и межзвездными расстояниями.

Все это дает основание думать, что планеты Солнечной системы возникли одновременно и существуют как единая ассоциация кос­ мических тел на протяжении всей своей истории.

Это подтверждается и зональным распределением планет. Наи­ более плотные планеты малых размеров занимают внутренние ор­ биты, в то время как гигантские планеты с малой плотностью сосредоточены на периферии Солнечной системы и отличаются мень­ шими скоростями движения по орбитам, чем планеты земного типа.

Одна из первых попыток научного объяснения происхождения Солнечной системы принадлежит французскому ученому Ж. Бюффону (1745 г.), предположившему, что планеты представляют собой сгустки вещества, выброшенного Солнцем при столкновении с ги­ гантской кометой — крупным космическим телом, появившимся из глубин Вселенной.

Более совершенными явились гипотезы И. Канта (1755 г.) и П. С. Лапласа (1796 г.). По их мнению, Солнце и планеты произошли из единой туманности, вращавшейся со значительной скоростью. По мере сжатия и образования плотного ядра — Солнца— туман­ ность становилась более плоской, в ней возникали местные сгуще­ ния — прообразы будущих планет, скорость вращения которых заметно снижалась по закону сохранения момента движения mvR, где т — масса, ѵ — скорость, R — расстояние от центра вращения.

Всякое Сжатие, сгущение вещества вело к разогреву, а затем к посте­ пенному его охлаждению.

Существенным противоречием в гипотезе Канта — Лапласа, про­ существовавшей почти 150 лет, явилось несоответствие удельных моментов количества движения Солнца и планет. Удельный момент количества движения Солнца, как это показали расчеты О. Ю. Шмид­ та, оказался по крайней мере в 45 000 раз меньше, чем у планет. Таким образом, происхождение Солнца и планет из единой туман­ ности оказалось нереальным. Кроме того, открытие новой планеты— Урана, вращавшейся в противоположную сторону по сравнению с остальными планетами, и спутников планет с аналогичными ано­ малиями движения породили новые концепции происхождения Солнечной системы.

Одной из таких попыток была теория Дж. Джинса (1920 г.): уче­ ный предположил, что вблизи Солнца прошла гигантская звезда. Притяжение этой звезды вырвало часть солнечного вещества из Солнца в виде сигарообразной массы, приобретшей вращательное движение вокруг центрального светила. Дальнейшая эволюция этого вещества должна была бы привести к образованию планет.

Однако такая теория предполагала случайный характер проис­ хождения Солнечной системы, что выглядело маловероятным. Кро­ ме того, математически можно рассчитать, что планеты подобного происхождения не смогли бы быть удаленными от Солнца на расстоя­ ние, в несколько тысяч раз превышающее диаметр Солнца.

Теория Канта — Лапласа (как и теория Джинса) страдала недо­ статком: диспергированное вещество, раскаленное до температуры Солнца, должно было рассеяться в космическом пространстве за­ долго до его вероятной конденсации в виде плотных сгустков. Про­ тиворечило этой гипотезе также заметное различие состава Солнца

иокружающих его планет.

Кначалу 40-х годов нашего столетия некоторые ученые пришли к выводу о вероятности образования планет из холодного газово­ пылевого облака.

Создателями этих теорий были В. И. Вернадский и О. Ю. Шмидт. Согласно теории О. Ю. Шмидта, Солнцем при его движении в про­ сторах Галактики и прохождении через газово-пылевую туманность было захвачего облако, состоявшее из холодных частиц, сложная дифференциация и агрегация которых привели к возникновению первоначально холодных планет. Они разогрелись в результате генерации радиогенного тепла за счет радиоактивных элементов самих планет. Очень важной деталью процесса консолидации частиц явился процесс их сталкивания, соударения, приводивший вначале

кобразованию промежуточных сгущений — астероидов.

Поскольку протооблако отличалось малой прозрачностью, то произошел существенный перепад температур под действием энер­ гии Солнца. В области будущих планет земного типа эти температу­ ры достигали 500° С, в то время как в области планет-гигантов тем­ пература была близка к абсолютному нулю — 200—250° С. По мере

сдувания световым давлением с ближних планет легких газов — Н2, Не, СН4, NH3 и других, происходило их вымораживание на периферии Солнечной системы.

Так теория О. Ю. Шмидта объяснила различие в составе строе­ ния планет.

Известный американский физик Г. Юри, во многом повторяющий эту схему образования планет, придавал повторному радиогенному разогреванию планет огромное значение, так как в результате это­ го, по его мнению, происходило сдувание с планет значительного количества легких элементов и даже силикатов. Это обусловило образование металлических ядер ближних планет различных раз­ меров в зависимости от расстояния их до Солнца.