Откуда инертные газы в атмосфере

ОТКУДА ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ В АТМОСФЕРЕ

Этот вопрос непосредственно связан с другим: как и из чего возникла   Земля и  как   она  эволюционировала?
По современным воззрениям рисуется такая картина. Присутствующие ныне  в атмосфере инертные газы в какой-то мере являются первичными (реликтовыми), миллиарды лет назад захваченными уплотнявшейся космической пылью, из которой образовалась Земля. Это в первую очередь относится к неону и криптону, меньше к ксенону и еще меньше к аргону. Как в процессе первичного захвата, так и при последующем выделении из расплавленного земного вещества происходило фракционирование изотопного состава инертных газов. Следовательно, уже первичные инертные газы атмосферы имели иной изотопный состав, чем космические. Со временем это различие усиливалось, так как в атмосферу поступали вторичные инертные газы с иными соотношениями изотопов.
 
В основном вторичным является современный атмосферный гелий, почти весь состоящий из тяжелого изотопа Не; он — продукт α-распада тяжелых радиоактивных элементов Земли. Иначе возник реликтовый гелий — продукт термоядерных реакций на Солнце и других звездах. Иного происхождения и легкий гелий ³Не, содержание которого в выделенном из воздуха гелии ничтожно мало: 0,00013 об,%.
 
Легкий гелий — продукт радиоактивного распада сверхтяжелого водорода — трития (T = ³H), образующегося в ряде ядерных реакций в земной коре и верхних слоях атмосферы. В последних тритий возникает при обстреле азота нейтронами космического излучения.
Тритий довольно быстро (T½ =12,46 лет) распадается с образованием ³Не, электронов и нейтрино:    
  
³Т  ³Не + —1e + ν
 
Здесь мы сталкиваемся с очень распространенным, типом распада-ядра — β-распадом. Как показал Ферми, β-распад представляет собой самопроизвольный распад одного из нейтронов ядра на протон и электрон:  
 
 p + β + ν
 
Протон остается в ядре, увеличивая его заряд, следовательно, образуется новый элемент, расположенный в периодической системе справа от  исходного элемента. А свободный электрон выбрасывается вместе с нейтрино наружу. Бета-распад присущ тем ядрам, которые как бы перегружены нейтронами по сравнению со стабильными атомами.
Маловероятно, чтобы первичный гелий сохранился в атмосфере в большом количестве, так как он сравнительно быстро удаляется в космос. Так как ³Не быстрее, чем Не, покидает атмосферу, то древняя атмосфера была богаче легким гелием, чем современная.
 
Все же какая-то доля первичного гелия и теперь присутствует в атмосфере — экспериментальные данные позволяют думать, что в недрах Земли сохранились остатки первичных инертных газов, в том числе и гелия, сравнительно богатого легким изотопом. Эти газы и теперь проникают в атмосферу, выделяясь из кристаллических структур, подземных газовых струй, из гидросферы и вулканических газов.
 
Интересно проследить, как удалось установить происхождение ³Не. Исследовались и сопоставлялись между . собой концентрации легкого изотопа в образцах гелия, добытых из различных сред. Очень много ³Не (до 30%) было обнаружено в гелии, добытом из железных метеоритов; последние, очевидно, подвергались длительному воздействию космических лучей. В гелии из каменных метеоритов находят до 2% ³Не. С другой стороны, очень мало, в несколько раз меньше, чем в гелии воздуха, содержится ³Не в гелии природных газов из скважин. И совсем мало его содержание в гелиевых включениях урановых и ториевых руд, генерирующих Не. Между тем реакции образования трития протекают в природе и воспроизводимы искусственно. Так замкнулась логическая цепь доказательств: на Земле легкий гелий возникает из трития.
 
Неон присутствует в атмосфере в виде трех стабильных изотопов: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Наибольшее количество (90,92%) приходится на долю легкого изотопа ²⁰Ne, чуть больше четверти процента — на долю ²¹Ne и около 9% — на долю ²²Ne. Именно на примере неона Д. Томсон методом каналовых лучей в 1913 г. впервые установил существование изотопов в стабильном элементе. До этого опыта считалось, что изотопия присуща лишь элементам радиоактивных рядов и разновидностям свинца, которыми эти ряды завершаются.
 
В противоположность гелию почти весь неон атмосферы представлен первичным газом. Таким приходится признать весь легкий ²⁰Ne, поскольку неизвестны земные источники сколько-нибудь существенных его количеств. Что касается ²¹Ne и ²²Ne, то зафиксирован ряд малопродуктивных ядерных реакций, протекающих во всех доступных изучению оболочках Земли и порождающих эти изотопы.
 
Для результативности природных ядерных реакций необходимо, чтобы частицы-снаряды обладали достаточно высокими энергиями. Поставщиками быстрых частиц — протонов, нейтронов, γ-квантов, α-частиц и других многозарядных ионов — предстают на Земле космические лучи, процессы радиоактивного распада, спонтанное (самопроизвольное) и индуцированное деление ядер урана и тория.
Подсчеты показывают, что в течение 4,5—5,0 млрд. лет за счет ядерных реакций могло накопиться не более трех процентов присутствующих на планете ²¹Ne и ²²Ne. К тому же основная масса земного неона сосредоточена в атмосфере; на долю литосферы, т. е. земной коры вместе с лежащим под ней слоем мантии, приходится лишь несколько процентов. Вероятно, существуют не обнаруженные еще процессы образования неона в земных недрах.
 
Аргон представлен в атмосфере также тремя стабильными изотопами. Анализы выделенного из воздуха газа показывают, что подавляющая масса его (99,6%) состоит из тяжелого изотопа ⁴⁰Аr. Содержание легкого изотопа ³⁶Аr составляет 0,337, а среднего ³⁸Аr — 0,063%. Достаточно убедительно доказано, что почти весь тяжелый изотоп возник на Земле в результате радиоактивного распада изотопа калия ⁴⁰К. Из горных пород окклюдированный аргон непрестанно переходит в воздух в процессе выветривания или вулканической деятельности. Ярким примером могут служить борсодержащие вулканические газы (соффиони), имеющие естественный выход близ Лардерелло в Италии; ежегодно с ними выносится в воздух около 4,4 т тяжелого изотопа аргона.
 
Непрестанное поступление гелия в воздух из земных и водных толщ Вернадский назвал гелиевым дыханием Земли. С не меньшим правом можно говорить и о ее аргоновом дыхании.
 
Геохимические подсчеты дают основание думать, что и поныне за счет распада радиоактивного калия продолжается крайне медленное — учитывая колоссальную емкость воздушного бассейна — повышение концентрации аргона в атмосфере. Таким образом, если измерять время геологическими периодами, традиционное представление о стабильности атмосферы выглядит достаточно условным.
 
В свете изложенного становится понятным необычайно высокое в сравнении с прочими недеятельными газами содержание аргона в воздухе. Достаточно сказать, что присутствующий в атмосфере аргон составляет по расчетам только ~²/3 того количества, которое образовалось в земной коре из ⁴⁰К за 3,3 млрд. лет. Дело в том, что реакция образования аргона из калия протекает в более крупном масштабе, чем прочие природные реакции образования инертных газов. Кроме того, аргон в отличие от гелия не ускользает из атмосферы.
 
Прояснилась и причина необычного положения аргона в периодической системе. Имея больший, чем у калия, атомный вес, он занимает клетку не позади, а впереди калия, нарушая этим первоначальный принцип построения системы. Это связано с исключительно высоким содержанием в аргоне тяжелого изотопа. Если бы в атмосферном аргоне преобладал изотоп ³⁶Аr, как это имеет место у космического аргона и было в древней атмосфере Земли, то его атомный вес был бы близок не к 40, а к 36 й не было бы указанной аномалии.
Известны природные ядерные реакции, продуцирующие легкие изотопы аргона, но с количественной стороны они еще мало изучены.
 
Часть имеющегося в воздухе ³⁶Аr произошла из долго-живущего изотопа хлора ³⁶Сl в результате его β-распада, а также от изотопа серы ³³S, присутствующего в урановых минералах.   Возникающие  вследствие   распада   урана α-частицы взаимодействуют с атомами серы, в результате чего выбрасывается нейтрон и образуется ³⁶Аr: ³³S(α, n) ³⁶Аr.
В урановых минералах встречаются и другие элементы, склонные вступать во взаимодействие с α-частицами; таким путем из ³⁵Сl образуется ³⁸Аr.
 
Природный криптон являет собой семейство из шести стабильных изотопов.
Современные знания об источниках генерации криптона и ксенона на Земле позволяют считать, что эти газы, криптон в особенности, в своей значительной части — первичные; их история восходит к протопланетному облаку. Помимо космических пришельцев, на Земле присутствуют изотопы этих элементов, обязанные своим существованием радиоактивному распаду урана и самопроизвольному делению урана и трансурановых элементов.
 
Среди порождающих криптон природных ядерных реакций относительно хорошо изучена одна — самопроизвольное деление урана, открытое в 1939 г. Г. Н. Флеровым и К. А. Петржак. Ученые показали, что очень редко — примерно в миллион раз реже, чем α-распад, — происходит без какого-либо толчка извне расщепление ядра 238U на два осколка почти одинаковой массы. Осколки с огромной скоростью разлетаются в разные стороны, так как при каждом акте деления уранового ядра выделяется колоссальная энергия (200 МэВ). Кроме того, испускаются 2—3 нейтрона (в среднем 2,2).
 
Масса осколков отвечает изотопам элементов средней части периодической системы — примерно от галлия до гадолиния. Эти осколки имеют избыточное количество нейтронов и поэтому неустойчивы; они претерпевают ряд последовательных β-распадов, в процессе которых освобождаются от избытка нейтронов. Среди продуктов деления встречаются изотопы криптона и ксенона, имеющиеся в атмосфере. В природном уране содержится 0,7% ²³⁵U, который также способен к спонтанному делению, но совершает его в 23 раза реже, чем ²³⁸U. Зато у легкого у рапа имеется еще одно свойство: при воздействия нейтронов его ядро возбуждается и делится примерно так же, как это самопроизвольно происходит у ядра ²³⁸U. Изотопные составы криптона и ксенона, образующихся при обоих видах деления, близки между собой, но отличаются от изотопного состава в атмосфере. Некоторые легкие изотопы, находящиеся в атмосфере, вовсе отсутствуют в минералах.
 
Однако, как подсчитали в. г. Хлопин и Э. К. Герлинг, за последние 2 млрд. лет деление дало только сотые доли процента присутствующего на Земле криптона. В настоящее время доказано давнее предположение Хлопина о самопроизвольном делении тория, но исследование газообразных продуктов его деления не улучшило баланс криптона, поскольку период полураспада ²³²Th в процессе спонтанного деления почти в 170 раз больше, чем ²³⁸U.
Подобные факты несоответствия встречаются при подсчете масс любого инертного газа. Это заставляет думать о сохранности космических газов, первоначально замурованных в глубинах Земли (мантии).
 
Вместе с тем успехи, достигнутые в искусственном получении и изучении свойств трансурановых элементов, позволяют предположить, что в далеком прошлом нашей планеты на ней могли существовать эти элементы. Они также претерпевали спонтанное деление и, следовательно , являлись активными генераторами криптона и ксенона.
Довольно равномерно распределен в воздухе β-активный криптон-85 — продукт деления урана-235 в ядерных реакторах. Его количество в атмосфере планеты, оцениваемое ныне в ~200 кг, постепенно увеличивается. Чтобы устранить потенциальную радиационную опасность, обусловленную этим радиоизотопом, его улавливают в местах возникновения и закачивают .под землю в пористые породы, где ⁸⁵Кr медленно распадается.
 
Большой группой из девяти изотопов представлен в атмосфере ксенон.
Криптон и ксенон имеют не только близкие свойства, но и одинаковые источники образования. Присутствие ксенона среди осколочных ядер процессов деления впервые было установлено Хлопиным с сотрудниками. Содержание ксенона в газах урановых минералов в 6—8 раз больше, чем криптона. Он составляет 19% общего количества образующихся элементов. Обратная картина наблюдается в атмосфере: ксенона там в 12,5 раза меньше, чем криптона. Отметим, что в атмосфере неона больше, чем криптона, примерно в 18 раз, а в космосе — порядка миллиона раз. Зато одинаковы соотношения криптона и ксенона в космосе и атмосфере.
 
Атмосфера пополняется благородными газами не только «снизу» из лито- и гидросферы, но также из космоса, правда, в гораздо меньшей степени. Главным космическим источником является  метеорное   вещество — его   ежесуточно выпадает на поверхность Земли около 100 т в виде метеоритов и межпланетной пыли. Значительная часть сорбированных на нем газов десорбируется в атмосфере. Меньший вклад в поступление инертных газов из космоса вносят солнечный ветер и космические лучи. Первый несет 5%α-частиц, а космические лучи вступают в реакции с азотом и  кислородом   атмосферы,   продуцируя ³Не и ²¹Ne.
 
Бесспорно земного происхождений весь атмосферный радон. Он постоянно поступает в воздух из почвы, куда просачивается из минералов, содержащих уран и торий. Вследствие быстрого распада содержание радона убывает по мере подъема в верхние слои атмосферы. Так, в района горы Эльбрус на высоте 1800 м над уровнем моря содержание радона составляет 5·10¹³, а на высоте 4800 м — 0,27· 10¹³ кюри/л. Естественно, что над сушей содержание радона в сотни раз больше, чем над океаном, поскольку радиоактивность океана во много раз меньше, чем суши. В среднем над сушей концентрация радона вблизи поверхности земли составляет 1 атом на 1 см². Торон более активен, чем радон, т. е. число распадов в единицу времени на единицу массы у него больше, но концентрация торона в воздухе в миллион раз ниже, чем радона, поэтому ее можно измерить только над сушей и в нижних слоях атмосферы.
 
Над океаном вдали от суши торон не удается обнаружить. Над полярными льдами радон почти полностью отсутствует , в приземном   слое   воздуха   содержание   радона колеблется в зависимости от метеорологических условий; в жаркую или тихую погоду оно больше, чем в холодную или ветреную. В тихие дни содержание радона достигает максимума при восходе  солнца,  когда  турбулентное перемешивание воздуха наименьшее, и снижается до минимума в полдень, когда турбулентность наиболее развита. Содержание радона в воздухе южного полушария ниже, чем в северном полушарии, что связывают с меньшей площадью континентов в южном полушарии. в почвенном воздухе концентрация радона приблизительно в тысячу раз больше, чем в околоземных слоях атмосферы; это — следствие высокой плотности и хорошей сорбируемости радона.   Относительно   много   радона  (до  25—100 X10 кюри/л) находят в воздухе невентилируемых рудников.
 
Последнее в свою очередь зависит от активности Солнца. Связь эта, вероятно, обусловлена тем, что с усилением геомагнитной активности более выраженным Становится  магнитострикционное сжатие горных пород, как бы выжимающее из них радон.
Все без исключения продукты распада эманации представляют собой твердые изотопы тяжелых металлов; они быстро захватываются в воздухе пылинками, частицами тумана и дыма. В конце концов эти аэрозольные частицы возвращаются на землю, где под действием атмосферных и океанических процессов горизонтально перераспределяются относительно их первоисточников в земной коре. Вследствие быстрого распада торон и особенно актинон не всегда обнаруживаются в атмосфере. Но бывает, что при сильных ветрах торон находят на довольно больших высотах.
Статья на тему Откуда инертные газы в атмосфере