Химия космоса

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Перераспределение элементов в космосе

«Вселенная явилась в величественном образе электромагнитного поля, в котором развертывается двигатель жизни—излучение».

Н. Умов. 1912 г.

§ 54. На предыдущих страницах, последовательно, шаг за шагом, мы выясняли распределение отдельных элементов в земле и различных космических телах, пытаясь вникнуть в законы, определяющие современное распределение, и в те причины, которые могли это распределение вызвать.

В этом направлении мы сразу столкнулись с двумя возможностями объяснить современное распределение атомов мироздания. С одной стороны в основу наших представлений можно поставить идеи взаимного превращения и образования новых атомов из старых; в этом случае наблюдаемое сочетание атомов в мироздании могло-бы получить объяснение в том последовательном процессе превращения, радиоактивного распада или интеграции элементов, который вне каких-либо механических перемещений атомов, на том-же самой месте, в зависимости от хода процесса, может вызвать большое разнообразие элементарных тел. Так, в куске очищенного урана под влиянием радиоактивнаго распада возникает целый цикл новых атомов вплоть до свинца.

К этой группе природных явлений, в значительной степени лежащих за пределами точного знания и наблюдения природы, мы вернемся в последней заключительной главе.

Но есть еще другая область явлений, совершенно несомненная и играющая огромную роль в мироздании: это явление переноса, концентрации или рассеяния уже готовых атомов элементарных тел. Это целый цикл процессов , космического, геологического и физикохимического характера, не только в значительной степени положивших начало скоплению, космической материи и образованию космических тел, но и постоянно перегруппировывающих космос согласно ряду основных законов природы *).

Мы должны считать, что современное распределение элементов ввприроде не есть законченная, постоянная фор ма их накопления; наоборот, мы наблюдаем многочисленные и сложные явления перегруппировок и перераспределения; каждое космическое тело—солнце, зешга или кометы — не сохраняют своего состава, а связаны между собою и с космосом постоянным и сложным обменом материальных частиц. В нашей земле мы также наблюдаем постоянное перемещение элементов, приход и уход отдельных атомов в мироздание, сложный обмен наружной пленки с внутренними частями планеты и т. д.

Область, которой я касаюсь, является еще новою в истории науки; в ней еще не может быть дано никаких количественных данных; пока намечаются лишь самые явления и те силы, которые их вызывают.

§ 55. Силы, которые перемещают атомы в мировом пространстве, могут быть весьма различными и связаны с общими законами свойств материи.

В основу всех явлений этого порядка мы должны внешне поставить следующие пять сил (77):

1.         Силы мирового тяготения.

2.         Силы светового давления.

3.         £илы радиоактивного распада и излучения (в разреженной среде), связанные с ядром или внутренними электронами.

4.         Силы теплового движения молекул и атомов (силы диффузии).

J) Идеи перераспределения материи особенно горячо выдвигались Аррениусом.

5.         Силы химического сродства и силы кристаллизационные (связанные с внешними электронами).

С этими основными силами связаны следующие явления переноса—миграции элементов (78):

6.         Движение космических тел.

1. Падение метеоритов.

8.         Унос легких газовых молекул.

9.         Механические движения в космическом теле.

10.       Дифференциация магмы.

11.       Разделение по аггрегатному состоянию.

12.       Перенос в водных растворах и в газовых струях.

13.       Перераспределение под влиянием органического мира и деятельности человека.

1. — Перехожу к краткому рассмотрению вышеперечисленных пунктов, оставляя более детальное изучение этого вопроса до специальной монографии о миграции элементов в земной коре и в космосе.

Несомненно, одною из главнейших сил, определяющих распределение элементов в их основных, грубых чертах, является сила мирового тяготения, сила взаимного притяжения атомов, подчиняющаяся прямой пропорциональности масс и обратной пропорциональности квадрату расстояния.

В основе всех космогоний, начиная с Канта — Лапласа, Дарвина, Чемберлена и кончая новейшими теориями Эддингтона, значение силы взаимного притяжения и распределения элементов по их массам является общепризнанным. Теория Кант а—Л а п л а с а всецело придаваламировому тяготению огромное значение, приписывая ему образование туманности, сгущение последней в жидкую фазу и распределение материи обратно пропорционально плотностям (удельным весам элементов). В сущности и изящные идеи Дж. Дарвина и особенно последние идеи Грина в одинаковой форме приливную волну ставят в основу космогоническаго процесса, т. е. опять-таки силы тяготения. Теория Чемберлена—Салисбюри, в значительной степени связанная с идеями Д ж. Дарвина, тоже основана на этом законе, но главное его проявление, согласно этим идеям, принадлежит не первичному скоплению метеоритов, а позднейшей перегруппировке, с выделением кверху — к коре, наиболее легких частиц.

Отчасти к этим идеям примыкают Шварц и В. М. Гольдшмидт, который считает, что и сейчас под влиянием этих сил в земле идет постоянное и постепенное перемещение атомов: тяжелые уходят в глубины, а легкие поднимаются кверху.

Наконец, изящная теория Эддингтона, признавая большое значение при образовании звезд светового давления, противополагает ему силу мирового тяготения, благодаря чему сочетание и взаимное преодоление этих сил обусловливает собою и замечательное постоянство масс звезд, и всю историю их эволюции.

Все земные процессы миграции элементов, на которых Тине ниже придется остановить свое внимание, идут в первую очередь под влиянии этой мировой силы, распределяющей элементы в мироздании согласно своим основным законам—концентрирующей в центре более тяжелые атомы и собирающей более легкие в наружных частях космических тел.

2. — Силы светового давления были выдвинуты, как могучая космическая причина, после того как П. Лебедеву удалось экспериментально доказать отталкивающую силу луче- испускающих тел (79). Световое давление ныне, после классических работ А ррениу с а и Эддингтона, рассматривается, как величайшая космическая сила, отталкивающая легкие атомы или противодействующая мировому тяготению. Подсчеты Кембриджского астронома показывают, что при очень большом коэффициенте излучения световое давление космического тела преодолевает Ньютоновские силы и отбрасывает частицы на расстояния до тех пор, пока эти две силы не уравновесятся. Подсчеты Лебедева для кометных хвостов без всякого сомнения определили их образование, как результат давления лучей света на частицы с радиусом около Ю-8 см. Так как величина давления зависит от удельнаго веса частицы и ее массы (т.-е. поверхности), то очевидно, что световое давление сортирует в мировом масштабе частицы, как по их величине, так и по их удельному весу; оптимум отталкивания наблюдается при удельном весе 1 и размере частичек в 0,00016 мм.

Действительно, законы светового давления приложимы не к молекулам, а к их группам—пылинкам, даже кристаллическим частицам, причем пылинки, радиус которых не превышает одной тысячной миллиметра, будут отталкиваться при 0° С в мировом пространстве с силою, порядок которой в миллион раз превышает порядок силы их Ньютоновского притяжения.

В случае давления на газы происходит еще большая дифференцировка элементов, так как свет давит только те газы, которые его избирательно поглощают, хотя в общем световое давление, при ничтожной величине газовых молекул, менее действительно.

Космическая роль светового давления сказывается в отбрасывании от центральных космических тел и отдельных газовых частиц, но более всего, космической пыли. Она широко проявляется, если правильно современное толкование, в образовании кометных хвостов, зодиакального света и солнечной короны, а также в дифференциации элементов на звездах. Повидимому, на нашей планете непосредственная миграция элементов [под влиянием этой силы в настоящее время не происходит, но ее значение было очень велико при процессе образования нашей планеты и при первичном *) распределении элементов.

3. — Третья группа сил, вызывающих миграцию элементов, это те излучения, которые вызываются при радиоактивном распаде и электрических разрядах (80).

При распаде радиоактивного вещества прежде всего наблюдается выделение а-лучей и связанный с ним вынос частиц гелия, которые освобождаются из старого атома и свободно мигрируют далее под влиянием уже физикохимических условий равновесия среды. Мы знаем сейчас, что частицы а в воздухе обладают длиною пробега до 70 мм., тогда как в минералах, напр., в биотите, их пробег измеряется только 0,01 — 0,03 мм. Как ни малы эти числа, но они показывают миграцию элемента гелия в самой твердой среде и перенос его частицы излучением.

1)     Под „первичным" как здесь, так и в дальнейшем изложении я понимаю явления, стоящие за границею наших геологических данных и геологической хронологии.

2)      

Гораздо грандиознее явление переноса материальных частиц теми излучениями, которые наполняют собою мировое пространство, и природа которых еще не установлена. В частности некоторые думают видеть в явлении северного сияния влияние а-частиц солнечных излучений, другие приписывают большое значение в миграции элементов светящимся холодным туманностям, в которых свечение обусловливается электрическими разрядами в сильно разреженной среде.

Мы не в состоянии сейчас дать полной картины химического значения этих явлений в ; миграции элементов, но не можем не остановить внимания на том примере переноса гелия в твердой среде, который я привел выше. Как известно, вокруг радиоактивных минералов, включенных в разные силикаты, образуются темно-окрашенные дворики. Эти дворики вызываются проникновением в минерал а-лучей, т. е. частиц гелия. Эти лучи, как нам указал Рёзерфорд, вызывают расщепление ряда нечетных элементов с выпадением водородных атомов. Очевидно, что образование двориков есть процесс расщепления каких-либо атомов, вероятно алюминия, вызванный миграцией внутри минерала а-лучей материального характера.

Нет никакого сомнения, что этот маленький случай есть только пример огромных процессов природного расщепления элементов в земной коре, вызванного миграцией частиц гелия.

4.— Четвертая основная сила заложена в самостоятельном тепловом движении молекул, в так назыв., Броуновском движении. Это одна из величайших сил мироздания, имеющая огромное значение как при формировании космических тел, так и при их дальнейшем существовании.

Особенное внимание на эту силу впервые обратила планетезимальная гипотеза (81), которая, противополагая ее силам Ньютоновского тяготения, в этой силе видела причину очень важного закона распределения легких и тяжелых элементов в мировом пространстве.

Авторы этой теории отмечали, что движение молекул, находится в тесной зависимости от молекулярного веса, и приводили табличку скоростей движения частиц. Stoney для Т=0° С. дает следующие средние скорости:

Эти цифры, хотя и являются только средними, а не максимальными, все же показывают, что преодоление ими мирового тяготения может итти только на очень малых космических телах, так как напр., для земли предельная скорость, отвечающая силе тяготения, равна И клм., а для луны—2,38 клм. Между тем максимальные Скорости движения частиц газов не достигают утроенных цифр нашей таблицы. Отсюда делается ясным, что в порядке увеличения молекулерного веса легкие газы должны постепенно исчезать из малых космических тел, сначала Н2, потом Не, Н20, N2, 02 и, наконец, СОг и более тяжелые углеводороды (82).

Из этих данных вытекает, что сохранение газов в каком- либо космическом теле зависит от его массы или, иначе говоря, от величины поля тяготения. Если масса очень мала, то Ньютоновские силы не могут удержать легких элементов, улетающих согласно кинетической теории газов. Таким образом первичный зарождающийся комок элементов не может содержать в себе легких летучих тел. Потом при постепенном космическом увеличении'комка газы смогут удерживаться в порядке, обратном вышеприведенному списку, и "Ъ зависимости от взаимоотношений Ньютоновского притяжения и сил молекулярных, мы будем иметь вокруг космического тела оболочку или только из тяжелых газов СОг, тяжелых углеводородов (при малых ядрах), или-же оболочку из О, N и СОг, типа нашего воздуха (при больших ядрах).

Н, 1,69 клм./сек. N2 0,45 клм./сек.

Воздух 0,45 02 0,42 С02 0,36 СЬ 0,29

Не 1,1 СН4 0,60 Н20 0,57 СО 0,45

Эти необычайно интересные идеи совершенно определенно говорят нам о том, что накопление газовых оболочек в наружных частях космических тел идет строго закономерно, с определенным отбором химических элементов. В частности, процесс вылета легких газов из атмосферы земли вполне возможен и вероятен; частицы водорода и гелия при известных условиях могут преодолевать мировое тяготение и из высших слоев атмо

сферы улетать в мировое пространство; это совершенно необходимый и, повидимому, могучий процесс потери землею части своего вещества; впрочем Meyer и Wegener пытаются опровергнуть это явление, указывая, что атомы водорода недостигают нужных скоростей и, потому, накапливаются в верхних частях атмосферы.

Силы молекулярные проявляются, однако, в явлениях миграции еще иначе. Вся область явлений диффузии есть не что иное, как проявление молекулярных сил движения. Между тем силам диффузии мы обязаны в жидких и твердых космических телах огромной важности физикохимическими процессами: на нашей земле они сказываются как в магматической области, так и в области водных растворов (83), и в газообразной среде. В последней, благодаря силам диффузии, происходит быстрое перемешивание элементов и их равномерное распределение; в водных и магматических растворах, благодаря диффузии, идут процессы кристаллизации; благодаря диффузии идет для некоторых элементов (напр., Аи) их распыление в поверхностной пленке земли и благодаря тем-же силам, по мнению В. Вернадского, некоторые элементы с наибольшими способностями к. рассеянию исчезают из обихода космического тела.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА