Источники гелия

ИСТОЧНИКИ ГЕЛИЯ

У гелия есть одно замечательное свойство: его непрерывное, проходящее не только через всю историю Земли, но и через всю историю Вселенной образование, как, впрочем, и исчезновение. Вообще, известное непостоянство свойственно любому химическому элементу: распад ли радиоактивных изотопов (которых, кстати, в нашем мире большинство), постоянное ли рождение новых ядер под действием космического получения, накопление ли дочерних продуктов ядерных процессов. Но гелий и здесь выходит на первое место, во всяком случае по темпам своего образования. Значит, на ранних стадиях Земли высокие концентрации гелия в ее веществе были вполне допустимы.
 
Доказано, что гелий и водород являются единственными химическими элементами, способными преодолеть «гравитационные тиски»  Земли и выйти из атмосферы в околоземное пространство. Поэтому и водорода, и гелия так мало в атмосфере. Но если водород остается на Земле в виде химически связанных соединений, то летучему и легкому инертному гелию оставался один путь — в космос. Гелий не участвует в круговороте природных веществ. Поток гелия идет только в одном направлении: из глубинных частей планеты в атмосферу, а затем в космическое пространство.
 
Изотопное отношение гелия (З ÷4)·10, которое наблюдается и в солнечном ветре, и в составе лунного грунта, и в веществе метеоритов, можно считать характерным для первичного гелия, своеобразным тестом для его обнаружения. На Земле же такого относительного обогащения легким изотопом гелия никто не наблюдал. Могло ли это означать, что первичный гелий был действительно полностью потерян Землей, как считали многие исследователи?
 

Источники гелия на Земле

Кроме первичного гелия, который на Земле пока не обнаружили, можно было бы назвать еще два источника гелия на нашей планете. Это, во-первых, радиогенный гелий, образующийся при альфа-распаде радиоактивных элементов. И, во-вторых, гелий космогенный, за происхождение которого ответственны ядерные реакции, протекающие в атмосфере Земли и земной коре под действием космического излучения.
Постоянная генерация гелия происходит при радиоактивном распаде тяжелых элементов: урана, тория и других представителей радиоактивных семейств. Один грамм радия, например, ежесекундно рождает 37 млрд. атомов гелия. Земная кора и мантия генерируют 5·10 г гелия-4 в год.
 
По расчетам академика А. П. Виноградова, за всю историю Земли в ее недрах должно было накопиться
3,1 · 10¹³ т гелия. Этот радиогенный гелий мог застрять в кристаллических решетках минералов. Растворяясь в нефти, подземных водах и газах, он должен был заполнить поровые пространства в земной коре и найти через ее разломы выход на поверхность; 10 % радиогенного гелия должно было выделиться в атмосферу в результате дегазации. Если бы это случилось, то на одну тысячную долю наша атмосфера должна была бы состоять из гелия. На самом же деле в атмосфере Земли гелия гораздо меньше: всего 3,6· 10 т, а общая масса воздушной оболочки Земли составляет 5· 10¹⁵ т. Следовательно, попадающий в атмосферу гелий, не задерживается в ней.
 
Космогенный, или, как его называют, спалогенный гелий возникает в результате взаимодействия жесткого галактического космического излучения, а также вторичных нейтронов с веществом. Кроме того, он попадает на Землю вместе с метеоритами и космической пылью. Ежегодно на поверхность Земли выпадают тонны космического вещества. Небольшое количество гелия (примерно в 1000 раз меньше, чем выпадает с метеоритами) приносит космическое излучение. Этот гелий попадает в верхние слои атмосферы. И наконец, еще один источник гелия — ядерные реакции между нейтронами космического происхождения и веществом литосферы. Но все это дает ничтожно малое количество гелия по сравнению с его генерацией в результате альфа-распада.
 

Снова о легком изотопе

Все сказанное относится в основном к гелию-4. Рассмотрение возможных источников генерации легкого изотопа заставляет нас сразу же убедиться, что гелия-3 на Земле должно быть гораздо меньше, чем гелия-4.
Основным источником гелия-3 служит тяжелый изотоп водорода — тритий, при бета-распаде которого и возникает гелий-3.
Однако тритий, содержащийся в атмосфере Земли, имеет вторичное происхождение. В  основном — это продукт ядерных реакций, протекающих под действием нейтронов. В атмосфере Земли трития примерно в 10¹⁸ раз меньше, чем основного изотопа водорода.
Максимально обогащен гелием-3 минерал сподумен (алюмосиликат лития), где изотопное отношение гелия достигает рекордной для земных образцов цифры: 10—10. Предполагают, что образование гелия в этих минералах происходит за счет реакции лития с нейтронами:
 
Li + n  Не + ³Н; ³Н  Не³.
 
Нейтроны, инициировавшие эти реакции, могут иметь космическое происхождение (вторичные нейтроны из космического излучения), а могут возникать непосредственно в литосфере в результате спонтанного деления урана.
Некоторое количество гелия-3 попадает на Землю из космического пространства вместе с обогащенным гелием-3 космическим излучением, космической пылью й метеоритами, однако большинство ученых считает, что, несмотря на постоянное пополнение запасов легкого изотопа гелия, преобладающим для него процессом Является непрерывный уход гелия-3 в космическое пространство.
 

Гелиевое излучение

Термин «газовое дыхание» Земли был введен в науку в 1912 году академиком В. И. Вернадским, который понимал этот процесс как выделение в атмосферу из недр планеты газов: гелия, неона, водорода. Сейчас показано, что газовое дыхание Земли — явление настолько грандиозное, что в нем участвуют и атмосфера, и гидросфера, и биосфера. По расчетам академика А. П. Виноградова, за время существования Земли из мантии было вынесено до 10 % воды, натрия, аргона, хлора и около 1,5 % существующего во внешних геосферах углерода.
При газовом дыхании Земли из глубин выделяются очень многие газы: метан, окись и двуокись углерода и т. д. Но особую роль в этом процессе играют оба изотопа гелия: легкий и тяжелый. В современной атмосфере Земли на каждые 10 млн. атомов гелия-4 приходится всего 14 атомов легкого изотопа. Известно, что из атмосферы гелий способен двигаться только в одном направлении : уходит в космическое пространство .
 
Но в атмосфере Земли происходят таинственные вощи. Если предположить, что весь гелий из земной коры поступает в атмосферу и далее в космическое пространство, т. е. атмосфера является как бы трассой гелия (а исходя из всего, что мы знаем о свойствах гелия, это единственно возможное и разумное предположение), то изотопное отношение гелия для атмосферы должно быть таким же, как и для земной коры. Однако согласно наблюдениям в атмосферном воздухе относительное содержание гелия-3 значительно больше, чем в земной коре. Каким же образом этот избыточный гелий-3 накапливался в атмосфере? Эта загадка усугублялась тем, что собранные воедино всевозможные источники гелия-3 не могли дать столь высокого изотопного отношения.
 
Предполагали, что избыток гелия-3 можно объяснить его космическим происхождением. В верхних слоях атмосферы протекают ядерные реакции, приводящие к добавочному появлению и трития, и гелия-3 непосредственно. Но эксперименты показали, что кос-могенного гелия образуется примерно в 20 раз меньше, чем нужно для объяснения высокого изотопного отношения атмосферного гелия. Космогенного гелия, поступающего в верхние слои атмосферы с метеоритами, космической пылью и космическим излучением, тоже оказалось недостаточно.
В 50-е годы текущего столетия было замечено поступление в атмосферу трития, несомненно антропогенного происхождения (следствие ядерных взрывов) — дополнительный источник гелия-3. Этот тритий мог бы изменить в нужную сторону изотопное отношение атмосферного гелия. Однако разгадки гелия-3 не последовало. Во-первых, потому что появление техногенного трития в количествах, даже, предположим, в сотни раз больших, чем природное его содержание, существенно не могло изменить концентрацию гелия-3, поскольку трития в атмосферном воздухе намного меньше, чем основного изотопа водорода. А во-вторых, и это главное, изотопное отношение для атмосферного гелия, равное 1,4·10, оставалось таким же и до на-чала атомных испытаний. Итак, в атмосфере относительное содержание легго изотопа гелия больше, чем может выделить земная кора .
 
Для того чтобы уловить поток гелия, идущий из земной коры, над исследуемыми участками поверхности  ставились  металлические  колпаки.  Однако, когда исследовали состав скапливающихся под колпаками газов, избытка гелия обнаружить не удавалось. Он непостижимым образом ускользал.
Один из первых удачных экспериментов по обнаружению гелиевых потоков из недр был сделан в 1938 году советским ученым Э. К. Герлингом. Изучая состав надпочвенного воздуха в районе одного из гелиевых месторождений, ученый обнаружил там избыток легких инертных газов: неона и гелия.
В 60-х годах текущего столетия советским ученым удалось найти способ обнаружения гелия. Оказалось, что более эффективным будет поиск гелия не над почвой, а в подземных водах. Подземные воды в какой-то мере растворяют гелий. Они заполняют свободное трещинно-поровое пространство горных пород, и там, где имеется восходящий поток гелия, его концентрация в подземных водах может быть более высокой. Так родилась водно-гелиевая съемка, оказавшаяся достаточно доступной.
Земная кора проницаема для гелия. Однако главный и наиболее быстрый путь для него из недр лежит через трещины и разломы коры. Потоки гелия переносятся вместе с водами, насыщенными газами. Ученые выяснили очень интересное обстоятельство: распределение концентраций гелия в подземных водах, иными словами, поля гелия четко отражали элементы глубинной неоднородности земной коры. По словам советских геологов А. Н. Еремеева и И. Н. Яницкого, «в региональном поле гелия отразилась глубинная структура земной коры, напоминающая марсианские каналы».
В настоящее время существование гелиевого дыхания Земли доказано. Необъясненным до последнего времени оставалось изотопное отношение гелия в атмосфере.
 
Д.Д. Финкельштейн — Инертные газы . А.С. Ассовская — Гелий на земле и во вселенной .
Статья на тему Источники гелия