Читать книгу Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев - Страница 16

Гипотеза 8

Инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe в соединениях с галогенами и кислородом имеют большие значения изобарных потенциалов (рис. 11), образуют ряд прочных соединений, стабильных в условиях высоких давлений и температур, что препятствует их выходу на поверхность Земли, уменьшает их концентрации в коре Земли, задерживает их в мантии. Этим объясняется то, что элементов восьмой группы сравнительно мало в атмосфере, хотя расположение их в четной группе таблицы Д. И. Менделеева должно предполагать их высокое содержание в составе элементов Земли.

Рис.11. Зависимость стандартного изобарного потенциала образования в ккал/г-экв хлоридов от порядкового номера элементов в периодической системе [Карапетянц, 1970]

Особенно это должно проявляться для Ne, Ar, Kr, Xe, способных к созданию плотных соединений с высокой валентностью, вплоть до восьми. Гелий не способен образовывать соединения с валентностью больше двух, что делает значительно меньше вероятность его наличия в мантии Земли, поскольку элементы с большей валентностью образуют, как правило, более плотные и менее подвижные соединения. Гипотезу можно сформулировать следующим выражением.

Элементы, способные давать химические соединения с высоким изобарным потенциалом, например, инертные газы, в большей степени задерживаются в мантии Земли, что приводит к меньшей концентрации их в коре.

Расчет поправок для определения фактора особенностей ядер К

Учитывая особые химические свойства некоторых элементов, концентрации их в коре Земли должны сильно отличаться от концентраций во всей Земле, что нужно учесть. Ниже приведен расчет поправок для некоторых элементов.

Поправки для элементов с высоким электродным потенциалом

Введем поправки для концентраций элементов с высоким электродным потенциалом, учитывая, что при увеличении потенциала в 1 вольт концентрация элемента в коре Земли уменьшается в 11 раз.

Bi – нормальный электродный потенциал 0.32. Содержание в Земле должно быть увеличено в 3.2 раза. 0.000019х3.2=0.0000608.

Hg – нормальный электродный потенциал 0.798. Содержание в Земле должно быть увеличено в 8.778 раза. 0.0000062х8.778=0.0000544.

Os – нормальный электродный потенциал 0.85. Содержание в Земле должно быть увеличено в 9.35 раза. 0.0000048х9.35=0.0000448.

Ir – нормальный электродный потенциал 1.0. Содержание в Земле должно быть увеличено в 11 раз. 0.0000001х11=0.0000011.

Pt – нормальный электродный потенциал 1.2 Содержание в Земле должно быть увеличено в 13.2 раза 0.00000048х13.2=0.0000052.

Au – нормальный электродный потенциал 1.7. Содержание в Земле должно быть увеличено в 18.7 раза. 0.000000042х18.7=0.000000785.

Поправки для инертных газов

Инертные газы в коре Земли представлены в малых количествах. Характеристики ядер атомов инертных газов (четность протонов) предполагают достаточно большое количество этих элементов в Земле. Можно назвать три причины, по которым содержание инертных газов в атмосфере и коре Земли мало.

Аномально малое содержание инертных газов в Земле может быть объяснено низкой способностью их вступать в химические соединения в условиях космоса. Большинство элементов, благодаря высокой химической активности, в процессе расширения атомарного вещества после взрыва нейтронной звезды быстро образовали химические соединения и агрегатировались в плотные частицы, что снизило их парусность, следовательно, степень уноса от места взрыва. Инертные газы остались в атомарном состоянии с большой парусностью, что привело к значительному уносу их на большее расстояние от будущей орбиты Земли в сторону более удаленных планет.

Второй причиной аномально малого содержания инертных газов в атмосфере Земли могут быть очень высокие изобарные потенциалы (рис. 11) в соединениях с галогенами, это предполагает наличие очень стабильных и плотных соединений инертных газов в мантии, что препятствует выходу их в кору Земли.

Третьей причиной аномально малого содержания инертных газов в атмосфере Земли может быть реально высокая плотность атомов этих элементов из-за их малых размеров. Атомные радиусы инертных газов малы, что соответствует строению их электронных оболочек. Инертные газы с большой атомной массой находятся в ядре Земли. Высокая плотность атомов в сочетании с химической инертностью привела к погружению этих элементов в глубь ядра и малой концентрации их в атмосфере Земли.

Не исключено, аномально малое содержания инертных газов в атмосфере Земли имеет место вследствие всех трех факторов. Вопрос этот не изучен, и читатель сам может попробовать в этом разобраться.

Учитывая отсутствие какого-либо способа оценить содержание инертных газов в Земле, а ядерные характеристики их атомов показывают большое их содержание, примем для расчетов их содержание как среднеарифметическое из 83 рассматриваемых элементов – 1.2%.

Подставим поправки в таблицу 2, столбец 6.

Влияние способности ряда элементов создавать легкие подвижные соединения

Исследование состава элементов коры Земли показало, что в ней кроме легких по плотности атомов элементов Na, K, Mg преобладают и сравнительно тяжелые по плотностям атомов элементы О, Si, Fe, Al, C, S, H. Поднятие углерода наглядно объясняется существованием углеводородов. По аналогии можно считать, что и другие элементы этого ряда образуют в мантии сравнительно легкие подвижные соединения. Главными составляющим этого подвижного вещества являются силаны Si_nH_2n+2. Такое предположение сделано, поскольку из всех элементов (не учитывая кислород) в составе пород больше всего кремния, по которому поднимающееся вещество получило название «силановая нефть» [Тимофеев, 2015]. Кроме соединений кремния силановая нефть содержит большое количество соединений алюминия и железа, что привело к аномально большому содержанию этих элементов в коре Земли, поскольку именно силановая нефть явилась главным компонентом ее состава. Плотность углеводородов и силанов меньше единицы. Например, для тетросиланаSi₄H₁₀ она равна 0.825 г/см³. Жидкий пентакорбанил железа Fe (CO) ₅, который может входить в состав силановой нефти, имеет плотность 1.46г/см³. При таких плотностях поднятие этих веществ через мантию, имеющую плотность, даже у верхней граници 3.1г/см³, вполне естественно. Значительный процент в коре Земли кремния, алюминия, железа, а также кислорода привел к иллюзии преобладания этих элементов в составе всей Земли. Такое мнение закрепилось с начала 20 века, но и в настоящее время продолжают встречаться работы с таким упрощенным подходом, например, работа [Ларин В. Н., Ларин Н. В. 2012]. Очевидно, что на поверхности будет не то вещество, которого много, а то которое легче. Например, даже небольшое количество масла может составить подавляющую его концентрацию на поверхности воды, но это вовсе не означает, что масло преобладает во всем объеме.

Оценка количества водорода в составе Земли

В отличие от остальных элементов, образованных при взрыве нейтронной звезды и последующего распада нестабильных изотопов, водород способен образовываться по другому механизму, от радиоактивного излучения, что не позволяет рассчитывать его содержание по энергиям связи нуклонов. Да и нуклонов в ядре водорода, как правило, только один протон, что ставит его на особое место в ряду атомов. Водород может образоваться из протонов или нейтронов. Для оценки количества водорода в Земле сделаем допущение, что в начальный период образования Земли водород был равномерно распределен по всему ее объему. В настоящее время, предположим, что весь водород, который имеется в коре Земли, в океанах и атмосфере выделен из массы вещества ядра Земли. Тогда весь водород, который сейчас находится в составе всей Земли, составляет массу всего водорода на поверхности 1.98E+20кг, деленную на массу ядра Земли 1.934Е+24 кг и умноженную на массу всей Земли 5.98E+24кг. Получаем 6,12Е+20кг, что составит 0.0102% от массы Земли. Оценка очень приближенная, и не учитывает ряд факторов, например, рассеивание водорода в космическое пространство или протонное излучение Солнца, которое добавляет водород в атмосферу Земли. Также нет оснований быть уверенным в том, что весь водород, вышедший из ядра Земли, поднялся на поверхность.

Результаты расчета состава элементов Земли

В соответствии с представленными выше принципами мной проведен расчет состава элементов всего объема Земли (таблица 2). Этот расчет и состав впервые были опубликованы в работе [Тимофеев, 2013б].

В столбце 5 показаны содержания элементов в массовых процентах, в сумме взятых в коре Земли, атмосфере и океанах. Эти же данные, но с поправками на химические свойства показаны в столбце 6.

Содержание элементов в Земле получено умножением D_св —критерия удельной энергии связи нуклонов в ядрах атомов (столбец 4) – на фактор особенностей ядер К (столбец 7). В столбце 8 показаны содержания элементов в массовых процентах.

Если исходить из концентраций углерода и водорода в составе Земли, потенциальные запасы в пересчете на углеводороды нашей планеты можно оценить в размере 1.9х10¹⁸ тонн.

Содержание ряда элементов, рассчитанное по ядерным характеристикам, в сравнении с версиями других ученых, сделанными при изучении состава метеоритов, показано в (таблица 3).

Зависимость содержания элементов от прочности ядер атомов для всех элементов таблицы Д. И. Менделеева (рис. 12).

Рис. 12. Содержание элементов и прочность атомов: 1 – энергии связи нуклонов в атомах; 2 – состав элементов в земной коре [Григорьев, 2009], атмосфере и океанах [Куриленко, 1962]; 3 – состав элементов осколков ядер урана; 4 – состав элементов в космосе (Земле) рассчитанный по предложенной гипотезе

Видно, что начиная с кремния концентрации элементов в коре Земли резко уменьшаются, что можно объяснить сепарацией тяжелых элементов под действием гравитации. Более тяжелые элементы в ходе истории Земли погрузились в более глубокие геосферы, что вызвало снижение их концентрации в коре.

Такое представление совпадает с тем, что в составах ряда метеоритов находится повышенное содержание такого тяжелого элемента как иридий (плотность 22.42 г/см³). Как бы не замещались реликтовые метеориты на вторичные, содержание первозданных тяжелых элементов на малых космических телах все-таки будет больше, чем на поверхности планет, где есть процессы сепарации. Кроме того, иридий имеет довольно большое положительное значение электродного потенциала (рис. 10), что мешает ему подниматься в составе подвижных соединений в кору Земли. Пониженное содержание иридия в коре Земли, по сравнению с его содержанием в метеоритах, подтверждает предположение, что тяжелые металлы погрузились в глубины Земли.

На рис. 12 также изображена кривая 3 концентраций осколков деления урана, показывающая, что в ходе ядерных реакций образуются достаточно тяжелые элементы, а не те, что преобладают в составе земной коры. Значит, вероятность образования не легких элементов в ядерных реакциях достаточно велика. Это является дополнительным аргументом наличия в составе Земли значительного количества более тяжелых элементов, чем Fe, O, Mg, Si…

Известен также и другой альтернативный подход к составу элементов в космическом пространстве. На основании ошибочных представлений о водородном строении звезд Зюсом и Юри, предложен состав веществ в космическом пространстве по которому количество водорода преобладает над всеми другими элементами. Такое представление не объясняет по какой причине планеты состоят из более тяжелых элементов, чем водородное Солнце.

Авторы никак не могут объяснить возникшее в их концепции несоответствие состава звезд и планет, поэтому такие представления нельзя считать верными.

Расчет содержания элементов по энергиям связей нуклонов в ядрах атомов показывает совсем другие значения, чем представлялось прежде, например, показывается наличие в составе Земли большего количества тяжелых элементов. Величины концентраций элементов в составе Земли могут быть уточнены, здесь же отражено основное направление расчетов.

Гипотезу «Нуклонная концепция состава элементов Солнечной системы» можно представить следующей формулировкой.

Концентрации элементов в составе Солнечной системы зависят от энергий связей нуклонов в ядрах атомов (прочностей атомов), при этом значения концентраций имеют определенный разброс, связанный с ядерными свойствами элементов.

В представленном выше составе элементов Земли не учтено изменение состава планет, получившееся из-за разных их расстояний от Солнца.