Читать книгу Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев - Страница 23

Гипотеза 15

О закономерности возрастания плотности веществ с возрастанием глубины известно. Так в верхней сфере Земли состав газов изменяется с высотой. Выше 2 тысяч километров превалирует самый легкий газ – водород, ниже до 600 км второй по плотности от водорода – гелий, еще ниже атомарный кислород, а ниже 200 км преобладает более тяжелый молекулярный азот. Ниже атмосферы, плотность воздуха которой на уровне моря равна примерно 1.2 кг/м³, вполне закономерно расположена гидросфера (реки, моря, океаны) с плотностью 1000 кг/м³, а под ней породы коры Земли со средней плотностью 2800 кг/м³. Глубже, информация о плотности получена сейсмическими методами и показывает, что плотность возрастает с увеличением глубины до значения примерно 12500 кг/м³ в центре Земли. Совершенно замечательно, что чудесным способом геофизических замеров в свое время найдена информация о том, что там у нас в глубинах, поскольку максимальная глубина, с которой удалось получить вещество прямым путем бурения на Кольской сверхглубокой скважине, только 12.262 км, что совсем немного, учитывая, что радиус Земли на экваторе составляет 6378 км. Зная плотность пород на разных глубинах, а также имея точную информацию о плотности всех элементов Земли, можно было бы составить полную схему состава пород по глубинам. Решение этой задачи осложняется тем, что элементы в глубинах Земли могут быть не только в твердом элементарном состоянии, но и в виде многочисленных их соединений, а сами соединения могут иметь еще и разные кристаллические структуры, имеющие разную плотность. При этом одни соединения могут трансформироваться в другие. Меняться могут и кристаллические структуры. Кроме того, может изменяться и агрегатное состояние веществ, они могут плавиться, могут закипать и переходить в газообразное состояние. Картина получается очень сложной. Атомы элементов более стабильны, чем кристаллические породы, поскольку для их преобразования нужно затратить более высокую энергию (энергию ионизации), чем для разрушения химических связей кристаллической решетки пород. По этой причине для оценки состава пород по глубинам предложено оценивать вещества по плотностям атомов, предполагая, что плотности пород, особенно под большим давлением, коррелируются с плотностями атомов, из которых они состоят.

Гипотезу можно представить следующей формулировкой.

В любом массивном космическом теле глубина расположения того или иного элемента в большой степени, как правило, коррелируется с плотностью его атома.

Заметно, как отличается эта схема от принятой в настоящее время концепции, где ядро Земли состоит из железа и кремния.

В определенной степени кривая отражает последовательность распределения элементов по глубине любого массивного космического тела. Элементы с большей плотностью атомов (Hg, Tl, W, Re, Pb, Os…) расположены глубже, а с меньшей (Li, Na, K, Ca…) – ближе к поверхности. Имеются и отклонения от этой зависимости, поскольку плотность вещества может зависеть еще и от вида химических соединений, валентности элементов, вида кристаллической решетки, агрегатного состояния или ионизации. Вещества изменчивы в разных условиях, и изменения приводят к перемещениям пород по уровню в космическом теле. Плотность же атомов стабильна для каждого элемента и является важным фактором плотности вещества, пока атомы существуют. Эти особенности будут рассмотрены в последующих главах.

Состояние веществ при различных температурах

Представления о строении внутренних сфер космических тел невозможно без знаний свойств веществ. Мир на поверхности Земли находится в узком диапазоне температур. Окружающие вещества находятся в виде определенных для этих условий химических соединений в соответствующих для этих температур состояниях – твердом, жидком и газообразном. Такого состояния в обозримом пространстве больше нет нигде. Даже Земля имеет такие условия только в незначительном ее объеме на поверхности земной коры. С увеличением глубины температура пород возрастает с градиентом примерно 20 градусов на километр. По этому значению приближенно оцениваем температуру в центре Земли. Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающаяся связью между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи:

Q=KFΔt_cpτ

Где Q – тепловой поток;

К – коэффициент теплопередачи;

F – площадь поверхности теплообмена;

Δt_cp – градиент температур;

τ – время.

Представим модель, где тепло идет из центра Земли. Температура там при сохранении градиента на всю глубину составит 120000 ^оС. И это упрощенная модель, не учитывающая уменьшения площади передачи тепла с увеличением глубины. Реально градиент температуры при неизменном тепловом потоке должен возрастать с глубиной пропорционально уменьшению площади (пропорционально квадрату глубины), поскольку Земля – шар, и с увеличением глубины площадь сфер уменьшается. Учитывая это, расчетная температура в центре окажется еще выше. Осознание такого состояния, похоже, вселило ужас в исследователей, и они дружно, без всяких обоснований, согласились, что температура в ядре не превышает 5000 ^оС, а чтоб еще больше успокоиться, выдвинули предположение, что внутреннее ядро вообще твердое, и нашли этому даже некоторые аргументы.

Высокая температура в глубинах Земли объясняется тепловыделением нестабильных изотопов при ядерных реакциях. Еще в 1909 году было высказано предположение Джоли [Joly, 1909], что геологические революции (периоды вулканической деятельности и горообразования) в истории Земли связаны с наличием урана в слоях на глубине 16—20 километров. Также отмечалось, что если значительное количество урана и тория существует и в более глубоких слоях, то им становилась совершенно непонятной приблизительная устойчивость теплового состояния Земли (Холмс) [Holmes,1926]. Учитывая это обстоятельство, а также необходимость объяснения магнитного поля, в 1923 году были опубликованы принципы Голдшмидта [Goldschmidt, 1923], по которым весь уран находится в земной коре, глубже его нет, а в центре Земли – ядро, содержащее железо. Такое ошибочное представление о глубинном строении Земли сохраняется до настоящего времени.

Это представление не дает объяснения целому ряду наблюдаемых явлений. В настоящее время полученная информация о Земле уже никак не укладывается в модель Земли с ядром, состоящим из железа и силикатов. Нет ясности в механизме образования магнитного поля Земли и его инверсиях. Нет объяснения факту расширения Земли. Нет понимания механизма предполагаемых турбулентностей в переходной зоне ядра. Даже вопрос происхождения такого объема газов, которые вырываются при извержениях вулканов, не имеет ответа. Кроме того, предположение Гольдшмидта, что весь уран в Земле каким-то образом сосредоточился в земной коре, противоречит закону Архимеда, поскольку плотность урана одна из самых больших среди элементов. Весьма странно, что такой нонсенс до настоящего времени имеет своих сторонников. Очевидно, уран и торий в глубине Земли есть, а, следовательно, там высокая температура.

Совершенно непонятная для Холмса приблизительная устойчивость теплового состояния Земли при допущении, что в ее центральной части имеется уран и торий, вполне может быть объяснима, если учесть, что при высоких температурах и давлениях совершенно изменяются законы теплопередачи. Если учесть, что температуры в глубинах Земли определяются не только процессами радиоактивного распада изотопов, но еще и реакциями, сопровождающимися поглощением тепла, и рассчитываются путем составления температурного баланса целого ряда как экзотермических, так и эндотермических процессов самых различных преобразований, о которых авторы Земли с железным ядром, видимо, имели недостаточное представление.

Для получения представления, в каком состоянии находятся вещества в глубинах Земли, рассмотрим какие свойства имеют вещества при высоких температурах. Обычно при повышении температуры любое вещество плавится, далее переходит в газообразное состояние, распадается на элементы, а затем происходит ионизация элементов. Верхние сферы Земли в большой степени состоят не из элементов, а из химических соединений (минералов). Их свойства плавиться, разлагаться, испарятся, находятся примерно в том же диапазоне температур, что и у элементов (0—6000 ^оК), поскольку их агрегатные состояния определяются, как и у элементов, прочностью химических связей. Для определения зон нахождения веществ в твердом, жидком, газообразном и ионизированном состоянии построена (таблица. 6). Приведены только стабильные элементы таблицы Д.И.Менделеева, которые здесь расположены последовательно сверху вниз в порядке возрастания температур их преобразования. Можно отметить, что эти последовательности чередования элементов для каждого свойства Т_пл, Т_кип и температур первой, второй, третьей ионизации различны. Температуры ионизации рассчитаны исходя из зависимости средней кинетической энергии атома газа от температуры:

где Е – средняя кинетическая энергия атома;

k – постоянная Больцмана;

Т – температура по шкале Кельвина.

Где R – универсальная газовая постоянная;

N – число Авогадро.

Принято, что ионизация атомов наступает, когда температура достигнет величины, при которой средняя кинетическая энергия атомов будет равна энергии ионизации.

Поскольку число Авогадро и постоянная Больцмана – величины постоянные, то для расчета температуры газа, соответствующей энергиям ионизации, предлагается более простая формула

T=dE

где Т – температура в градусах Кельвина;

d – число, рассчитанное в этой работе – 7752;

E – средняя поступательная энергия атома в эв.

Принято допущение, что газ ионизируется, когда энергия ионизации газа равна средней кинетической энергии поступательного движения атомов.

По данным таблицы построены графики (рис. 18). По абсциссе показана температура. По ординате – элементы в порядке возрастания свойства от температуры.

Рис. 18. Изменение состояния элементов при нагревании: а – температуры плавления элементов; б – температуры кипения элементов; в – температуры первой ионизации; г – температуры второй ионизации; д – температуры третьей ионизации; е – гипотетическая кривая температур К захвата (нейтронизации) элементов; 1 – твёрдое состояние; 2 – жидкое состояние; 3 – газообразное состояние; 4 – состояние первой ионизации; 5 – состояние второй ионизации; 6 – состояние третьей и последующих ступеней ионизации; 7 – нейтронное вещество

Из графика видно, что зоны твердого и жидкого состояний имеют небольшие размеры по сравнению с зоной состояния элементов от состояния образования газа до состояния ионизированного газа. По этой причине можно уверенно считать, что в космических телах их большая часть объема находится именно в этом (газообразном) состоянии. Ионизированное состояние – это тоже газообразное состояние. Весь объем сравнительно крупных космических тел глубже мантий находится в состоянии газа. Показаны кривые трех степеней ионизации, но в действительности каждые элемент может иметь столько степеней ионизации, сколько электронов на его орбитах. Например, для калия это 19 степеней, для урана 92 степени. Энергии ионизации на высоких степенях неизвестны, но они имеют очень большие значения. Неизвестно, какие максимальные значения может иметь температура вещества. Максимальные когда-либо полученные температуры равны примерно 20 миллионам градусов при взрывах ядерных бомб.

При высоких температурах все элементы являются газами и подчиняются законам для газов, без разницы – азот это, вольфрам или торий… В соответствие с кинетической теорией газов, при повышении температуры объемы их увеличиваются по закону Менделеева—Клапейрона:

что соответствует

учитывая, что плотность всех веществ, в том числе и газов, прямо пропорциональна массе и обратно пропорциональна объему

становится совершенно понятным, что плотности газов при высоких температурах могут быть малыми даже при значительных давлениях

Где

М– масса вещества;

Т – температура;

Р – давление.

Поскольку масса определенного количества вещества ограничена, и давление также для каждого космического тела имеет свои ограничения, то при повышении температуры, которому нет предела, плотность вещества оказывается небольшой даже в глубинах звезд и крупных планет.

Примером малой плотности газообразных металлов при высокой температуре можно назвать поднятие раскаленного шара при ядерном взрыве. Ядерная бомба весом в несколько тонн при взрыве превращается в большой яркий шар раскаленного газообразного вещества. При этом плотность этого вещества становится намного меньше, чем плотность воздуха, и шар из тяжелого урана и продуктов его распада (кпд ядерных взрывов меньше 100%, и часть урана остается) поднимается на несколько километров подобно аэростату.

По этой же причине раскаленное вещество из тяжелых элементов в глубинах звезд и планет может иметь малую плотность. Такое представление о плотности веществ совершенно устраняет необходимость прибегать к примитивной модели, что все звезды и крупные планеты состоят из водорода, объясняет почему плотность ядра Земли (12—12,5 г/см³), все-таки не столь велика, как у наиболее плотных элементов в твердом состоянии (19—20 г/см³). Объясняет расширение Земли во времени.

Снижение плотности газообразных веществ при нагревании происходит не только в соответствии с кинетической теорией газов. При очень высоких температурах, примерно выше 2 миллионов градусов, плотность газов начинает уменьшаться под действием образующегося фотонного газа. Об этом будет сказано ниже.