ГДЕ НАХОДИТСЯ ГЕЛИЙ НА ЗЕМЛЕ
Любопытно, что на нашей железо-кремниевой планете гелий занимает далеко не первое место, пропуская вперед множество химических элементов. Более того, относительное содержание гелия во внешних оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, в десятки миллиардов раз меньше, чем во Вселенной в целом. Предполагают, что тот гелий, который был захвачен Землей при ее образовании, постепенно улетучился, ушел в мировое пространство, как, впрочем, и свободный водород.
Однако и водород, и гелий полностью покинуть Землю не могли. Первый присутствует на Земле в химически связанном состоянии, второй постоянно возникает в процессе радиоактивного распада. И хотя гелий в свободном состоянии не встречается, геологи утверждают, что невозможно найти природную газовую смесь совершенно лишенную гелия. Концентрация гелия в природных газах, естественно, невелика и варьирует в широчайших пределах: от десятитысячных долей процента до нескольких процентов. И хотя на Земле нет таких областей, о которых можно сказать, что они насыщены гелием, этот элемент присутствует повсюду. Он рассеян по планете.
Гелий в атмосфере
Вскоре после открытия У. Рамзая, когда гелий обрел права гражданства на нашей планете, начались усиленные поиски его на Земле. Довольно скоро выяснилось , что гелий все же входит в состав земной атмосферы. Впервые это было установлено при взятии проб воздуха над Бонном в 1904 году, а спустя 9 лет присутствие этого элемента в земном воздухе получило окончательное подтверждение. Правда, в земной атмосфере его оказалось чрезвычайно мало: около 0,0005 об- %. Впоследствии эти данные неоднократно проверялись. Оказалось, что содержание гелия в земной атмосфере отличается постоянством. Согласно уточненным данным, на каждую 1000 м³ воздуха приходится 5,24 л гелия. Позднее, когда возник промышленный интерес к гелию, стало ясно, что источником гелия воздух быть не может.
Сначала предполагали, что обедненность гелием характерна лишь для прилегающего к Земле атмосферного слоя. Ожидалось, что верхние слои атмосферы более насыщены им. Однако исследование этих слоев, начатое еще в 30-е годы при помощи радиозондов и стратостатов, а после второй мировой войны с помощью ракет и искусственных спутников Земли, показало, что это не так. Состав атмосферы остается удивительно постоянным, т. е в основном азотно-кислородная атмосфера сохраняется на протяжении 100 км от поверхности Земли. Лишь в экзосфере, внешней, постепенно переходящей в космическое пространство оболочке Земли, концентрация свободного гелия заметно увеличивается.
Водное пространство планеты, как заметил в свое время В. И. Вернадский, так же как и атмосфера, не может быть местом сосредоточения гелия. Дело в том, что он плохо растворяется в воде. В 1 л морской воды содержится около одной-двух десятитысячных долей гелия и других инертных газов, хотя не исключено, что на больших глубинах, где давление достигает 1000 кгс/см², растворимость гелия в воде может несколько увеличиться.
Хранилища гелия
Земная кора более богата гелием, чем атмосфера и гидросфера. По оценкам, сделанным еще В. И. Вернадским, гелий столь же распространен в земной коре, как золото, теллур и платина, хотя, конечно, распространенность его на Земле значительно ниже, чем во Вселенной в целом. В. И. Вернадский не раз задавался вопросом: «Почему так мало гелия? Куда он девался?».
Вскоре после открытия гелия начались его интенсивные поиски в горных породах. Именно в составе минералов и был впервые обнаружен земной гелий. Еще У. Рамзай обратил внимание на то, что все богатые ураном и торием минералы содержат и гелий. Но почему это так, в 1897 году объяснить не могли. Минералы вообще способны были удерживать многие газы, не только гелий.
Содержание гелия в урановых минералах, в частности в 1 г торианита, достигает 10,5 см³. Это означает, что парциальное давление гелия внутри кристаллической решетки минерала могло составлять примерно 10 кгс/см². В 1 г знакомого нам клевеита содержится 0,8—3,5 см³ гелия.
Когда была установлена генетическая связь гелия с радиоактивными веществами, присутствие его в содержащих уран и торий минералах стало понятным: гелий должен был постоянно образовываться в результате радиоактивного распада. Это обстоятельство показалось очень перспективным для определения абсолютного возраста горных пород. Но о проблемах геохронологии мы будем более подробно говорить в главе VII. Зесь же нас интересует другое: колебания содержания гелия в минералах были столь велики и, как оказалось, далеко не всегда пропорциональны возрасту минералов, что определяемый с помощью гелия возраст оказывался в десятки и даже в сотни раз заниженным или завышенным. Минералы не были самым надежным хранилищем гелия.
Но, пожалуй, самым интересным было то, что наряду с минералами, содержащими гелий, накопившийся в результате радиоактивного распада, нашлись и такие, где радиоактивный распад не происходил или же концентрация радиоактивных веществ была ничтожной, но гелий наблюдался в повышенном количестве. Впервые с этим явлением столкнулся в 1903 году английский ученый Р. Стретт, который систематически исследовал очень многие минералы на предмет содержания в них гелия. Особенно богаты гелием оказались бериллы. Но обнаруженный в них гелий никак не связывался с радиоактивностью элементов, входящих в их состав. Содержание гелия в бериллах из различных месторождений колебалось, но Р. Стретт установил, что, чем древнее минерал, тем больше в нем гелия. Возраст таких минералов, определенный по гелиевому методу, достигал десятков миллиардов лет и значительно превышал возраст самой Земли.
Объяснение этому явлению дал в 40-х годах текущего столетия советский ученый Э. К. Герлинг, который в результате специально поставленных экспериментов показал, что в расплавленных породах растворимость гелия, заметно возрастает. Таким образом, избыточный гелий, очевидно, не имеет никакого отношения к собственной радиоактивности минерала. Он попал в эти минералы еще в то время, когда на поверхности Земли господствовали достаточно высокие температуры и многие породы находились в расплавленном состоянии. Минералы, содержащие избыточный гелий, очевидно, представляют интерес не для определения возраста горных пород, а для получения сведений о тепловой истории Земли.
Долгое время, во всяком случае до первой мировой войны, минералы служили единственным источником свободного гелия. При нагревании минералов до 1000 °С можно было заставить их расстаться с гелием, попавшим в поровое пространство. Однако таким способом удалось получить незначительное количество гелия: его хватило лишь для научных исследований.
Кстати, именно таким путем добыл гелий для своих ставших классическими опытов по обращению гелия в жидкое состояние голландский ученый X. Камерлинг-Оннес.
«Пузыри Земли»
«Земля, как и вода, содержит газы, и это были пузыри Земли». Эти слова вложил В. Шекспир в уста одного из своих героев.
Природные газы, как их понимает современная наука,— это часть естественного природного вещества, находящегося в газообразном состоянии. В понятие «природные газы» атмосфера не входит. Природные газы — это сравнительно небольшие объемы газа, спрятанного в порах горных пород. Размеры пор и пустот в недрах могут колебаться в широчайших пределах: от долей микрометра до сотен кубических метров. В природных газах немало компонентов: азот и двуокись углерода, сероводород, широчайшая гамма углеводородов, начиная от метана и кончая более сложными соединениями, инертные газы ксенон, криптон и неон и, как правило, гелий с аргоном.
Поскольку гелий генетически связан с радиоактивными элементами, которые рассеяны в земной коре, то и он, как правило, образуется всюду. Частично, как мы уже знаем, накапливается в минералах, а частично растворяется в том веществе, которое его окружает: в первую очередь в воде, а также в природных газах и в нефти. Вместе с природными газами, нефтью, под-. земными водами гелий мигрирует по трещинам и порам, которыми изобилуют горные породы, и, как сказала известный советский геолог В. П. Якуцени, «создает там некоторый, пусть небольшой, но заметный фон собственного присутствия».
На отдельных участках содержание гелия может быть даже весьма -большим. Из всех компонентов максимально обогащенными гелием оказываются именно природные газы. Рекордсменом в этом отношении стал горячийfисточник в Танзании, где содержание гелия в газах, растворенных в водах, достигло 17,7 %.
Исследование-«ископаемого гелия» началось еще в конце прошлого века: впервые его обнаружили в вулканических газах Италии, затем в, гейзерах Исландии. Постепенно выяснилось, что в том или ином количестве он наряду с другими благородными газами Присутствует в природных газах различного происхождения: вулканического (сопровождающих извержение вулканов и являющихся результатом химических реакций, протекающих при высоких температурах), тектонического (такие газовые струи возникают там, где имеются нарушения залегания горных пород; выводящими путями для них служат тектонические трещины) и, наконец, осадочного. Нашли гелий и в составе рудничных газов.
Конечно, степень насыщенности естественных газов гелием зависит от многих факторов, в частности от интенсивности поступающего гелия из окружающих пород. Но ни вода, ни нефть по степени накопления гелия не могут конкурировать с природными газами И с практической точки зрения, как потенциальный источник гелия, наибольший интерес представляют именно «пузыри Земли», т. е. газовые месторождения
Гелий-3 на Земле
Если радиоактивным изотопам гелия из-за кратковременности их существования так и не удалось покинуть лабораторию и сыграть сколько-нибудь значительную роль в эволюции вещества, то поиски второго после гелия-4 стабильного изотопа — гелия-3 — представляют определенный интерес. Здесь ученым пришлось столкнуться с очередной загадкой гелия: легкий изотоп встречался в земном веществе в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз реже, чем гелий-4.
На изотопное отношение природного гелия обратили внимание еще в 1939 году, после открытия изотопа гелия с массовым числом 3. Первые оценки содержания гелия-3 в атмосфере и некоторых природных газах, сделанные Л. Альваресом и Р. Корногом, показали, что его в 10⁶ — 10⁸ раз меньше, чем гелия-4. То, что этот изотоп не был обнаружен в свое время Ф. Астоном, казалось неудивительным: чтобы определить присутствие таких малых количеств изотопа гелия-3, нужна была более чувствительная аппаратура.
Самым же странным было не крайне низкое содержание гелия-3, изотопа стабильного в земном веществе, а необычайные вариации изотопного отношения гелия.
«В природе нет другого элемента, изотопное отношение которого менялось бы в столь широких пределах (отношение 3Не/4Не меняется более, чем на девять порядков)»,— писал в 1956 году известный советский
физик В. В. Чердынцев.
Исследование изотопного отношения гелия в природе знаменовало собой начало второго гелиевого века. Оказалось, что в различных местах земного шара оно различно. Наиболее высокая концентрация гелия-3 характерна для вулканических газов, где отношение ³Не/⁴Не примерно в 10 раз превышает атмосферное. Меньше всего гелия-3 обнаружили в радиоактивных минералах, где отношение 3Не/4Не приблизительно равно 10⁻¹⁰. Это становится понятным, если учесть, что радиоактивные минералы содержат до 10 % урана и тория, при альфа-распаде которых постоянно пополняются запасы только тяжелого изотопа гелия. А вот литиевые минералы оказались в десятки и сотни тысяч раз более богатыми гелием-3, чем урановые и ториевые.
Обращало на себя внимание и такое обстоятельство: чем с больших глубин брались пробы газа, тем более высоким оказывалось и изотопное отношение гелия. Для вулканических и природных газов осадочной толщи оно различалось в сотни тысяч раз.
Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Для ответа на вопрос необходимо обратиться к внеземным объектам. Оказалось, что практически во всех объектах внеземного происхождения: метеоритах и образцах лунного грунта, космическом излучении и солнечном ветре — присутствуют стабильные изотопы гелия. В 1952 году Ф. Панет исследовал изотопное отношение гелия в железных метеоритах. Он нашел, что хотя гелий и составляет миллионные доли вещества метеоритов, но изотопное отношение его достигает рекордного по сравнению с веществом Земли значения: 0,315. Предполагали, что легкий изотоп гелия образуется в метеоритах в результате ядерных реакций, протекающих под действием космического излучения. Подсчитано, что за один год в 1 г вещества железных метеоритов может обра-зовываться 5·10⁻¹⁴ см³ гелия. А возраст метеоритов составляет 10⁸— 10⁹ лет, и все это время они подвергаются «обстрелу» космическим излучением.
В каменных метеоритах изотопное отношение ге-лия в десятки раз ниже, чем в железных. Такое обеднение легким изотопом гелия объясняют, как и в случае радиоактивных минералов Земли, тем, что доля радиогенного гелия, возникшего в этих телах в результате альфа-распада, выше, чем в железных метеоритах из-за более высокого содержания в них радио-активных элементов. Кстати, такое обогащение гелием-3 справедливо только для поверхностных областей метеоритов, куда могло проникнуть космическое излучение. Во внутренних же областях метеоритов изотопное отношение гелия оказывается удивительно постоянным: 3·10⁻⁴, т. е. на 10000 ядер гелия приходится три его легких изотопа.
Впервые такие данные получили в 1955 году советские ученые Э. К. Герлинг и Л. К. Левский, изучавшие состав метеорита Старое Песьяное. Они пред-, положили, что в веществе метеоритов сохранился так называемый первичный, солнечный, гелий, отражающий состав того вещества, из которого метеориты некогда образовались. Гипотеза о сохранении первичного гелия получила подтверждение, когда в руки исследователей попали образцы лунного грунта, доставленные советскими космическими станциями «Луна-16», «Луна-17» и американской экспедицией «Аполлон-14». В лунных породах изотопное отношение гелия было гораздо выше, чем для любого образца земного вещества: 10⁻²—10⁻⁴.
Гелий-3 в космосе
Однако в природе есть еще один объект (если его можно назвать объектом), богатый гелием-3. Это — космическое излучение. Несмотря на исчисляемый миллионами лет возраст, это излучение — не первое (относительно начала расширения) поколение вещества Вселенной. Согласно современным представлениям галактическое космическое излучение образуется во время взрывов сверхновых звезд, когда высокие температуры и огромная концентрация нейтронов делают за короткое время осуществимыми реакции присоединения нейтронов. И это приводит к возникновению практически всех мыслимых изотопов атомных ядер. В космическом излучении, как и во Вселенной в целом, гелий занимает второе место после водорода: 85 % водорода, 14 % гелия и 1 % ядер.
Относительно изотопного состава космического излучения долго сведений не было. Дело в том, что основным детектором, позволяющим судить о зарядах частиц, входящих в состав космического излучения,
долгое время служила ядерная фотоэмульсия, с помощью которой можно было провести достаточно надежную идентификацию частиц в зависимости от зарядов, но не от масс частиц. Гелий-3 и гелий-4, попавшие в фотоэмульсию, практически неразличимы, как и гелий-6 и гелий-8. Но радиоактивные изотопы гелия можно идентифицировать по их распадам, как это, в частности, было сделано в опытах О. В. Ложкина и А. А. Римского-Корсакова.
Было установлено, что изотопное отношение гелия в космическом излучении достаточно высоко. При энергии 8 — 350 МэВ/нуклон одно ядро гелия-3 можно встретить среди десяти ядер гелия-4. А в составе очень быстрой, галактической, части космического излучения гелий-3 может встретиться даже чаще, чем основной изотоп.
В околосолнечном пространстве есть еще один источник корпускулярного, т. е. состоящего из частиц, излучения. Это — солнечный ветер, представляющий собой поток нейтральной плазмы из положительно заряженных частиц [в основном легких ядер: протонов, дейтронов, тритонов (ядер трития), гелия-3 и гелия-4 и электронов. Солнечный ветер отражает состав внешних оболочек Солнца. Интересующее нас изотопное отношение ³Не/⁴Не в солнечном ветре составляет (З÷4)·10⁻⁴.
Солнечный ветер «дует» в нашей Солнечной системе постоянно. Но энергия и интенсивность входящих в его состав частиц невелики, во всяком случае поверхности Земли солнечный ветер достигнуть не может; атмосфера и магнитное поле нашей планеты полностью гасят его «порывы». Что же касается безатмосферных планет земной группы (Луны, Меркурия), к тому же лишенных магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы, то их поверхности находятся под непрерывным «обстрелом» солнечными частицами. И это не может не сказаться на изотопном составе. Поэтому неудивительно, что в пробах лунного грунта изотопное отношение гелия было таким же, что и для солнечного ветра.
Однако время от времени астрономы наблюдают явления, которые называют солнечными вспышками. При помощи специальной аппаратуры, установленной на космических аппаратах, удалось выяснить, что многие вспышки аномально богаты гелием-3, именно гелием-3, который по содержанию в несколько раз превышал гелкй-4, а нередко был сравним с потоками водорода. Наиболее вероятное объяснение этих фактов связывается с ядерными реакциями, протекающими на поверхности Солнца, хотя, очевидно, имеется и некоторая связь между содержанием гелия-3 в солнечных недрах и энергетикой Солнца. Именно ядерные реакции объясняют и обогащение поверхностных областей метеоритов и космического излучения гелием-3.
В 40—50-х годах многими физиками, изучавшими взаимодействие достаточно энергичных частиц (протонов, мезонов, нейтронов, легких ядер как космического происхождения, так и искусственно ускоренных) с атомными ядрами, наблюдалось рождение новых ядер из ядерного вещества. Физики назвали этот процесс фрагментацией. Оказалось, что при расщеплении атомных ядер частицами высоких энергий могут образовываться практически все изотопы легких ядер какие только могут быть в природе. Выяснилось что этот процесс играет не последнюю роль и в эволюции Вселенной .
Именно фрагментацией можно объяснить богатые гелием-3 солнечные вспышки. Осколки ядер рожденных из атомных ядер, в которые попали частицы космического излучения, меняют химический со-став метеоритов. И даже состав космического излучения при его длительном путешествии через межзвёздную среду в известной степени определяется фрагментацией. В ядерных реакциях , протекающей под действием протонов, пи-мезонов , дейтронов и других частиц высокой энергии, доля гелия-3 (по отношению к гелию-4) может достигать в среднем 40 %, причем в высокоэнергетической части спектра отношение гелия-3 к гелию-4 приблизительно равно 3. Таким образом, неудивительно, что в тех космических объектах, где в течение .длительного времени происходили ядерные превращения, должно накопиться гораздо больше гелия-3, чем осталось от первых, начальных, мгновений Вселенной. И поскольку содержание гелия-3 и гелия-4 постоянно меняется, возникает вопрос: сохранилось ли первозданное изотопное отношение гелия и если сохранилось, то где его искать?
Статья на тему Где находиться гелий на Земле