Читать книгу No kā viss ir izgatavots? Stāsti par vielu - - Страница 3

No nekā nevar radīt neko, ja vien tas nav muļķīgi. Jūs jau esat sapratuši – lai izveidotu molekulu, ir vajadzīgi atomi, un, lai izveidotu atomus, ir vajadzīgi protoni, neitroni un elektroni. Bet nav noliktavas, kur prototi, elektroni un neitroni būtu sakārtoti kastēs, un kastes – plauktos: nāc un ņem, kas tev vajadzīgs. Un no kurienes, jūs varētu jautāt, jūs to visu paņemsiet? To visu var iegūt no citām vielām, kas jau eksistē. Atomu fiziķi zina, kā paātrināt dažādus atomus līdz neprātīgam ātrumam paātrinātājos, sadursināt tos un sadursmes rezultātā iegūt citus atomus un elementārdaļiņas. Savukārt ķīmiķi, kas nenogurstoši pēta visas iespējamās vielas pasaulē, ar dažādu ķīmisku reakciju palīdzību spēj no vienas vielas iegūt citu.

Bet paliek jautājums – kur iegūt šīs sākotnējās vielas? Mēs neesam iemācījušies, kā ar milzu karotēm no kosmosa izslaukt ūdeņradi, hēliju un kosmiskos putekļus. Bet mums tas arī nav vajadzīgs. Galu galā mums ir sava milzīga ķīmisko reaģentu krātuve, kas ir 4,5 miljardus gadu veca un sver miljardu triljonu tonnu (6*1021 tonnu) – mūsu brīnišķīgā planēta Zeme, kas sastāv no visdažādākajām vielām.

Un izurbsim milzu tuneli līdz Zemes centram, nosūtīsim cauri tam caurspīdīgu liftu un apskatīsim, kas tur glabājas. Protams, tas ir tīri spekulatīvs eksperiments. Lielākais dziļums, līdz kuram cilvēkam ir izdevies ierakt Zemē, ir tikai divpadsmit ar mazliet kilometru – tas ir mūsu superdziļais urbums Kolas pussalā. Tas šķiet daudz. Taču Zemei tas ir kā Ziemassvētku eglītes adata, kas iesprausta ziloņa ādā. Mums ir vajadzīgs 6 371 kilometru garš tunelis, kas ir Zemes rādiuss. Citiem vārdiem sakot, mums būtu jāizurbj 530 urbumi, piemēram, Kolas aka, lai nokļūtu planētas centrā.

Un tomēr nekas mums netraucē doties garīgā ceļojumā. Attēlu, kurai būtu jāatver mūsu acīm aiz caurspīdīgajām lifta sienām, tagad detalizēti apraksta ģeofiziķi, kas pēta Zemes uzbūvi. Un, lai gan neviens no viņiem nav sajutis mūsu planētas saturu dziļāk par divpadsmit kilometriem un noteikti nav redzējis Zemes sirdi – tās kodolu, tomēr mūsu planētas iekšējā uzbūve ir diezgan labi zināma.

Bet kā var aprakstīt to, ko neesat redzējuši, vaicāsiet jūs? Un galu galā mēs ar jums jau zinām atbildi uz šo jautājumu – ar netiešiem novērojumiem.

Zinātnieki klausās, zondē un pēta mūsu planētu – gluži tāpat kā ārsti pēta mūsu ķermeņus. Ar rentgena staru, ultraskaņas un dažādu zondes aparātu palīdzību, kas dažkārt ir jānorij vai jāceļo pa asinsrites ceļiem, ārsti pēta mūsu iekšienes. Un ar skaņu, kas nāk no aukstā fonendoskopa, kuru ārsts pieliek pie mūsu krūškurvja, viņi klausās plaušās un bronhos: vai tur ir kāds iekaisums, iffu, iffu, iffu, iffu. Ģeofiziķi ietekmē Zemi tādā pašā veidā – ar dažādiem elektromagnētiskajiem starojumiem un seismiskajiem viļņiem. Tad viņi klausās atbalsis, pēta reakciju un izdara secinājumus par vielas stāvokli tajā vai citā dziļumā – vai tā ir šķidra vai cieta, kāds ir tās blīvums un temperatūra.

Nu, mēs jau esam pacēlājā. Grīdā iestrādāts spīdošs ekrāns atskaita mūsu niršanas kilometrus. Mūsu ceļojuma pirmais un īsākais posms – aptuveni 40 kilometri Zemes līdzenajos apgabalos – iet cauri slānim, ko sauc par Zemes garozu. Zeme ir pārklāta ar mizu, līdzīgi kā koks.

Ja pagriezīsiet galvu pa kreisi un pa labi, tad, atklāti sakot, jūs tik un tā neko nevarēsiet saskatīt – zem zemes ir melns. Tomēr liftā mums ir jaudīgi prožektori, tie mums nedaudz palīdzēs.

Pēc plānākā augsnes un māla slāņa iegrimstam akmens tunelī ar granīta un bazalta sienām. Tomēr dažkārt lifts izskrien cauri ūdens, naftas un gāzes slāņiem jeb horizontiem, kā zinātnieki tos sauc, tāpēc aina aiz lifta sienām joprojām ir daudzveidīga. Tikmēr kļūst arvien karstāks un karstāks. Desmit kilometru dziļumā temperatūra jau ir zem divsimt grādiem! Un tālāk dziļumā ir vēl karstāks. Labi, ka mēs pārdomāti, pat mentāli, uzvelkam karstuma aizsargtērpus.

Asā sirēnas skaņa novērš mūsu uzmanību no skatīšanās uz zemes saturu. Uz ekrāna zem mūsu kājām parādās uzraksts: «Visi sēžiet savās vietās un piesprādzējieties drošības jostām. Pēc desmit minūtēm mēs šķērsosim Moho robežu!» Šo norādījumu nedrīkst ignorēt. Moho robeža, ko 1909. gadā atklāja horvātu ģeofiziķis un seismologs Andrejs Mohorovičičs, satricinās kā laba zemestrīce. Šī seismisko viļņu augstas aktivitātes zona aptver visu Zemi no piecu (zem okeāna dibena) līdz septiņdesmit kilometru dziļumā. Tā atdala Zemes garozu no lielākās Zemes daļas – mantijas, kas veido 67% no mūsu planētas kopējās masas un aptuveni 83% no kopējā apjoma.

Ceļošana pa mantiju ir gara un neinteresanta – tā joprojām ir tā pati granītam līdzīgā iezis, tikai vēl blīvāks un smagāks. Varētu teikt, ka Zemes garozā ir relatīvi kausējamas vielas, bet mantijā – ugunsizturīgas vielas. Tā domā ģeofiziķi. Taču patiesībā tā var nebūt, jo zinātnieki atrod jaunus datus un rada jaunas teorijas. Tikmēr mūsu lifts nobrauc vairāk nekā 2800 kilometru – tas ir tāpat kā divas reizes aizbraukt no Maskavas uz Sanktpēterburgu un atpakaļ.

2900 kilometru dziļumā mēs sasniedzam robežu starp Zemes mantiju un kodolu. Tālāk lifts atsakās doties pat mentāli, jo tas būtu liktenīgi. Galu galā liftam būtu jāiegrimst izkausētā metālā, kas veido kodola ārējo apvalku, jānoiet 2200 kilometrus šajā sarkanā karstajā putrā un jāiebirst Zemes cietajā kodolā. Pēc zinātnieku domām, tas ir izgatavots no dzelzs un niķeļa sakausējuma, kam pievienoti citi elementi. Tas izskatās pēc smagas nerūsējošā tērauda lodītes, no kāda tiek izgatavoti gultņi, tikai ļoti lielas. Temperatūra šeit ir velnišķīgi augsta – 5000 grādu, gandrīz kā Saules virspusē. Taču kodols ir ciets milzīgā spiediena dēļ. Un ļoti blīvs, tāpēc caur to nav iespējams izurbt tuneli, pat hipotētiski.

Kā ir ar Žila Verna grāmatu «Ceļojums uz Zemes centru»? Patiešām, zinātniskās fantastikas rakstnieki savos romānos ir ceļojuši uz mūsu planētas kodolu. Taču stingrie ģeofiziķi mums nav atstājuši ne mazāko iespēju ieraudzīt to apbrīnojamo un krāsaino pasauli, kas Žila Verna romāna varoņiem pavērās zem zemes.

Tomēr mēs jau esam sapratuši, ka mums nav vajadzības doties tik dziļi. Galu galā mēs meklējam mums nepieciešamās vielas, un to ir pilnīgi pietiekami daudz Zemes garozā, kas ir diezgan plāna – no pieciem kilometriem okeānā līdz septiņdesmit kilometriem kalnos. Un mēs ļoti labi protam rakt un urbt.

No kā ir veidota Zeme?

Viņi apgalvo, ka gandrīz visi Mendeļejeva tabulas elementi ir atrodami Zemē. Ja ne visi, tad deviņdesmit noteikti. Zinātnieki pat ir aprēķinājuši, cik daudz dažādu elementu atomu ir ietilpuši Zemes būvniecībā. Tas ir tik liels skaitlis, ka tam pat nav nosaukuma. Paņem papīra lapu, uzraksti vieninieku un tam pievieno 50 nulles. Iegūsiet skaitli, kas nevar iekļauties vienā piezīmju bloka lapas rindiņā. Ko mums stāsta šis garais, čūskai līdzīgais skaitlis? To, ka uz Zemes ir ne tikai daudz atomu, bet fantastiski daudz atomu.

Kas ir šie atomi? Trešdaļa no tiem ir dzelzs atomi, vēl gandrīz trešdaļa ir skābekļa atomi, sestā daļa ir silīcija, astotā daļa ir magnija, divpadsmitā daļa ir sēra, niķeļa, kalcija un alumīnija atomi. Un pārējiem elementiem ir palikusi viena simtā daļa. Tāds ir visu mūsu planētas elementu sastāvs. Taču mūs ar jums interesē tikai Zemes garoza, kas veido tikai vienu divsimtdaļu no Zemes masas. Lai gan tas ir daudz, ņemot vērā mūsu planētas milzīgo svaru.

No kā sastāv Zemes garoza? Šeit ēdienkarte ir bagātāka un daudzveidīgāka.

Astoņpadsmit elementi – skābeklis (O) un silīcijs (Si), alumīnijs (Al) un dzelzs (Fe), kalcijs (Ca) un nātrijs (Na), kālijs (K) un magnijs (Mg), ūdeņradis (H) un titāns (Ti), ogleklis (C) un hlors (Cl), fosfors (P) un sērs (S), slāpeklis (N) un mangāns (Mn), fluors (F) un bārijs (Ba) – veido 99,8% Zemes garozas masas. Visvairāk ir skābekļa (puse no Zemes garozas masas) un silīcija (ceturtā daļa). Un kur ir zelts, sudrabs un platīns – mūsu tik dārgie un iemīļotie metāli? Arī tie tur ir. Tomēr kopā ar pārējiem desmitiem elementu tie veido tikai vienu piecsimtdaļu no Zemes garozas masas.

Protams, visi šie elementi nav izvietoti atsevišķās kastēs, pudelēs un kastītēs ar attiecīgām etiķetēm, kā tas būtu jādara reālā ķīmisko reaģentu noliktavā. Elementi tīrā veidā, t. i., vienkāršu vielu veidā, zemē sastopami ļoti reti. Piemēram, zelts, kura sarežģītus, mazus un lielus lietņus var aplūkot mineraloģijas muzejos. Vai dzeltens sērs vaskainos kristālos. Un tad ir ogleklis dimantu veidā, kas veido brīnišķīgus caurspīdīgus dimantus, spīdīgu melnu un pelēku grafītu vai melnus ogļu slāņus. Būtībā Zemes ieži sastāv no oksīdiem – tā ķīmiķi sauc elementu savienojumus ar skābekli dažādās attiecībās. Tāpēc Zemes garozā ir visvairāk skābekļa.

Un bez oksīdiem Zemes ieži satur arī dažādus sāļus – tā ķīmiķi sauc metālu atomu savienojumus ar citiem elementiem. Piemēram, mūsu galda sāls, nātrija hlorīds, vai pirīts, dzelzs sulfīds, kas spīd akmeņos ar zeltainām dzīslām un bieži mulsina zelta meklētājus – tas izskatās ļoti līdzīgi.

Un ir arī sarežģītāki sāļi, kas satur metāla, skābekļa un kāda cita elementa atomus, piemēram, kalcija karbonāts jeb baltais mīkstais krīts, ar kuru skolotājs raksta uz tāfeles. Arī tas ir dabīgs akmens, kas sastāv no kalcija, oglekļa un skābekļa atomiem proporcijā 1:1:3. Lai īsāk pierakstītu šīs vielas sastāvu, ķīmiķi izmanto šādu paņēmienu: viņi rindā uzraksta elementu simbolus, bet blakus, tieši zem tiem, to relatīvo daudzumu vielā. Izrādās: Ca1C1O3 vai, vēl vienkāršāk, CaCO3. Īsi un vienkārši. To sauc par vielas ķīmisko formulu.

Visas šīs vielas ir cietas, tās spēj veidot dažādu krāsu kristālus, pēc dabas diktāta tās sajaucas, savijas, pārtop viena otrā. Un rezultātā veidojas visdažādākie akmeņi – neglītie, parastie, pelēkie vai košie, ar sarežģītiem rakstiem un dzīslām. Vai arī dažādu krāsu caurspīdīgi kristāli, kurus sauc par dārgakmeņiem un pusdārgakmeņiem. Smiltis un oļi pludmalē, slidenais māls uz sabrukušiem ceļiem, akmeņi kalnos, kas krīt zem kājām, – tie visi ir sasalušo kristālu kokteilis no vielām, par kurām tikko runājām. Un to visu sauc par minerāliem.

Jūs jautājat, kā mēs to zinām? Nu, pateicoties ģeologiem, mineralogiem un ģeohēmiķiem. Viņi nenogurstoši pēta, kas atrodas zem mūsu kājām. Ģeologi ar mugursomu mugurā un īpašu āmuru rokās ceļo pa pasauli cauri mežiem, kalniem, upju ielejām un tuksnešiem, vācot dažādus neparastus akmeņus un iežu paraugus. Mineralogi un ģeohēmiķi laboratorijās rūpīgi pārbauda paraugus – aplūko zīmējumu, pēta akmens spīdumu un lūzumu, pārbauda tā magnētiskās īpašības, rentgena starojumu un ķīmiskos reaģentus, lai noskaidrotu ķīmisko sastāvu un kristālisko struktūru.

Pirmatklājējā tiesības

Manuprāt, «minerāls» ir ļoti skaists franču valodas vārds. Tā sauc visas dabiskās vielas ar noteiktu kristālisku struktūru un īpašībām, kuras izveidojusies daba. Tās ir Zemes garozas, iežu un rūdu sastāvdaļas.

Bet tas ir tas, ko mēs jau zinām. Tas, ko mēs vēl nezinām, ir tas, cik daudz minerālu dabā eksistē. Neviens mineralogs nevar atbildēt uz šo jautājumu. Viņš tikai pateiks, ka pirms divsimt gadiem bija zināmi mazāk nekā simts minerālu, bet šodien ir atklāti vairāk nekā četri tūkstoši. Un katru gadu zinātnieki atrod desmitiem jaunu, rūpīgi tos pēta, nodod savu pētījumu rezultātus zinātniskās sabiedrības tiesai un, ja iznākums ir labvēlīgs, piešķir tiem nosaukumu. Tad jauno minerālu iekļauj oficiālajā katalogā.

No šiem četriem tūkstošiem tikai 20—30 minerālu, no kuriem vissvarīgākie ir kvarcs, laukšpats un raga blends, veido lielāko daļu Zemes garozas, bet pārējie ir samērā reti. Ja uz lauku ceļa ar kurpes pirkstgalu paceļat pelēku plakanu oļu, visticamāk, tas ir viens no trim iepriekš minētajiem minerāliem.

Starp citu, no kurienes nāk minerālu nosaukumi? Ir zināms, ka nosaukumus dod vecāki. Un minerālu vecāki ir tie pētnieki, kas tos atklājuši un pētījuši. Senos laikos, pirms vairākiem simtiem gadu, minerālus nosauca pēc vietas, kur tie tika atrasti. Piemēram, topāzs pirmo reizi tika atklāts Sarkanajā jūrā, Topaziona salā, bet haldedons – pie tāda paša nosaukuma pilsētas Mazāzijā. Tomēr šo metodi izmanto arī mūsdienu ģeologi. Skaistais minerāls čaroīts, kas tika atklāts tikai nesen, apmēram pirms trīsdesmit gadiem, tika nosaukts Čaras upes vārdā Jakutijas dienvidos.

Bieži vien minerālu nosaukumos «iekodētas» to īpašības, vispirms – krāsa: rubīns nozīmē «sarkans», akvamarīns – «jūras ūdens krāsa». Taču bieži vien par pamatu nosaukumam kalpoja akmeņu struktūra. Šeit, piemēram, ir laukšpats. Tā kristāliskās struktūras īpatnību dēļ šis akmens var sadalīties plānās plāksnītēs. Tāpēc to sauc par «laukšpatu» no sengrieķu vārda spate – plāksne. Vai arī ņemsim hornblendi. Ja šo akmentiņu salauzsim, tas lūzuma vietā izskatīsies pēc zvīņveida raga. No tā arī cēlies nosaukums.

Šodien ir cita mode. Gandrīz 40% visu minerālu nosaukumu ir veidoti no dažādu cilvēku uzvārdiem vai vārdiem. Šo modi 18. gadsimtā ieviesa vācu ģeologs Ābrahāms Verners. Pirmais nosauktais minerāls – prehnīts – bija viņa darbs. Viņš to nosauca par godu pulkvedim fon Prenam, kurš no Labās cerības zemes raga nogādāja pirmos šī minerāla paraugus.

Sākotnēji šī mode ieviesās ar grūtībām, un tika lietoti tikai nozīmīgu personu vārdi. Piemēram, skaistais akmens aleksandrīts tika nosaukts par godu caram Aleksandram II. Taču tagad daudzos nosaukumos dzirdamas atbalsis no zinātnieku, rakstnieku, filozofu, dzejnieku, kolekcionāru, mākslinieku, politiķu vārdiem… Jūs nevarat tos visus saskaitīt. Piemēram, minerāls belovīts nosaukts par godu kristalogrāfam un ģeohēmiķim Nikolajam Vasiļjevičam Belovam, bet biotīts – par godu franču fiziķim Žanam Baptistam Bio, kurš pētīja magnētismu un optiku. Akmeņu nosaukumos iemūžināti slavenā Pjēra Kirī, kurš atklāja elementus poloniju un radiju, Antuāna Anrī Bekerēla, kurš atklāja urāna un tā sāļu radioaktivitātes parādību, un daudzu citu cilvēku vārdi.

Minerālu vecāki nav aizmirsuši arī par kosmonautiem. Gagarinīts parādījās par godu Jurijam Gagarinam, pirmajam cilvēkam, kurš 1961. gadā uzlidoja kosmosā. Savukārt amerikāņu astronauta Nīla Aldena Ārmstronga, kurš pirmais kāpa uz Mēness virsmas, uzvārds skan nosaukumā «Armstrongīts». Vārdā «goetīts» skan slavenā vācu rakstnieka un filozofa Johana Volfganga Gētes vārds, kurš, starp citu, bija aizrāvies ar mineraloģiju un vācis brīnišķīgas akmeņu kolekcijas. Un uz ko atsaucas «ruzveltīts» un «jeffersonīts»? Jūs nezināt? Pajautājiet savam tēvam. Viņš jums pateiks, ka tie nepārprotami ir divu Amerikas Savienoto Valstu prezidentu vārdi.

Jaunā minerāla atklāšana tomēr ir zinātnisks notikums, jo tas ļauj mums spert vēl vienu soli ceļā uz izpratni par Zemes un citu planētu rašanos un veidošanos. Nemaz nerunājot par to, ka jaunais minerāls varētu būt noderīgs cilvēcei – no šī akmens nav daudz ko iespējams izgatavot. Lai gan mineraloģijai ir simtiem gadu ilga vēsture, tā joprojām ir zinātne, kas glabā noslēpumus.

Iespējams, ka arī jūs aizraus akmeņos ietvertais skaistums un harmonija, kļūsiet par slavenu zinātnieku, atklāsiet jaunu minerālu un nosauksiet to savas mātes vārdā. Viņa būs ļoti priecīga! Ne velti viņa pārliecināja tevi cītīgi studēt un iestāties ģeoloģijas fakultātē. Un vispār, kura mamma nevēl saviem bērniem labu? Nav nevienas.