Среди метеоритов особую научную ценность имеют хондриты — наиболее распространенная разновидность каменных метеоритов; в их структуре содержатся мелкие каменные- шарики — хондры. Имеются веские основания считать, что хондриты отражают средний состав космического вещества.
Углистые хондриты типа 1, наиболее богатые инертными газами, по атомному и изотопному составу наиболее близки к веществу Солнца. Они несут огромную информацию. Многое указывает на то, что метеориты этого вида представляют собой осколки протопланетного вещества в первозданном виде, почти не претерпевшего дифференциации и фракционирования. Исследование изотопов инертных газов в такого рода телах проливает немалый свет на то, как возникла и развивалась солнечная система, что было первичным веществом Земли.
Исследования показали, что состав элементов Вселенной и Земли резко отличен один от другого. Земля состоит в основном из атомов среднего и тяжелого веса, а в космосе преобладают легчайшие газы — водород и гелий. Именно они доминируют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Невольно вспоминается идея Праута, что водород является единственным кирпичом мироздания. По своей распространенности на Земле он занимает десятое место, а в космосе его в 2000 и 4000 раз больше, чем кислорода и кремния,— самых обильных на Земле элементов.
Гелия на Земле меньше, чем на Солнце, в 100 триллионов, а неона — в 370 миллиардов раз. Та же картина наблюдается и на других внутренних планетах. Зато много гелия и неона на внешних планетах-гигантах, возникших на легких веществ протопланетного облака и очень близких по составу к веществу Солнца.
Данных прямых измерений концентраций элементов на внешних планетах еще не получено, но косвенными путями установлено, что там преобладают водород, гелий; неон и азот и что отдельные слои и спутники Юпитера — огромные кладовые гелия. 5 декабря 1973 г. американский космический аппарат «Пионер-10» прошел на расстоянии 130 тыс. км от облаков, закрывающих Юпитер. Ультра-фиолетовый фотометр на борту аппарата зарегистрировал свечение гелия в атмосфере Юпитера, которое было при-мерно в 100 раз менее интенсивным, чем свечение водорода.
Детальный анализ данных, полученных «Пионером-10», в частности характеристик гравитационного поля Юпитера, привел ученых к выводу, что эта гигантская! планета состоит в основном из водорода в газообразной и жидкой формах и твердого ядра. Ее атмосфера имеет глубину 110 км и содержит 82% водорода, 17% гелия и около 1% других элементов. В верхних слоях атмосферы Юпи-тера соотношение водорода и гелия примерно такое же, как на Солнце: ниже атмосферы расположен жидкий водород, а выше — облачный слой из аммиака, сульфида аммония и льда.
Американский астроном М. Харт в 1974 г. установил, что Плутон имеет атмосферу, плотность нижнего слоя которой близка к земной. Но, учитывая ее низкую тем-пературу (43° К), Харт сделал вывод, что атмосфера Плутона состоит почти из чистого неона.
Распространенность атомов инертных газов в космосе, по данным Г. Зюсса и Г. Юри (1956 г.), характери-зуется следующими цифрами:
Si — 1
Аr —0,15
Не — 3,08 · 10³
Кr — 5,13 · 10⁻⁵
Ne —8,6
Хе —4 ·10⁻⁶
Отсюда видна огромная доля гелия в космическом; веществе. Гелий обнаруживают в атмосферах бесчисленных горячих звезд. По современным данным, Солнце по объему состоит на 81,76% из водорода, на 18,17% из гелия, на 0,03% из кислорода и только на 0,04% из прочих элементов. Что касается атмосферы Солнца, то, по сводным данным Л. Адлера и Дж. Росса (1976 г.), в ней на 1 млн. атомов водорода приходится 63 тыс. атомов гелия, 690 атомов кислорода, 420 углерода, 87 азота, 45 кремния, 40 магния, 37 неона, 32 железа, 16 серы и 1 атом аргона.
Исключив водород и гелий, находят, что химический состав солнечного вещества почти такой же, как и земной коры. Обнаружены «гелиевые» звезды, где гелия в 100 раз больше, чем водорода. Известна и такая звезда, где легкого гелия в 5 раз больше, чем тяжелого. На большинстве же звезд гелия в несколько раз меньше, чем водорода. По современным подсчетам, 76% массы Солнечной системы приходится на водород и 23% — на гелий. На долю всех прочих элементов остается 1% вещества по весу и еще меньше, если вести счет по количеству атомов. Все остальные элементы можно рассматривать как примесь в водородно-гелиевой материи.
Вполне очевидна связь между космическим обилием водорода и гелия, с одной стороны, и простотой и прочностью конструкции их ядер и атомов — с другой. Но если бы мы попытались продолжить сопоставление мест атомов в периодической системе с их распространенностью в Галактике, то не увидели бы строгой закономерности. Постепенное уменьшение распространенности элементов по мере усложнения конструкций их атомов имеет место, но как тенденция самого общего характера. Слишком часто встречаются исключения, которым еще не найдено достоверных объяснений.
У звездного гелия происхождение иное, чем у гелия земного. Еще в 1923 г. шведский химик С. Аррениус предположил, что источником энергии Солнца могут быть ядерные реакции синтеза гелия из водорода. А в 1938 г. физики Бете и Вейцзекер теоретически обосновали эту реакцию.
Чтобы реакция началась и самопроизвольно продолжалась, необходима очень высокая температура. Потому эта реакция и называется термоядерной.
Начавшись, она протекает лавинообразно, имеет цепной характер и сопровождается выделением исключительно большого количества энергии: 175 млн. квт·ч на 1 кг синтезированного Телия. Это результат синтеза ядра гелия, имеющего меньший запас энергии, чем составляющие его нуклоны, и, стало быть, более прочного. Термоядерные реакции протекают, в сравнительно небольшой области Солнца, в самом его центре, при температурах 15—21 млн. °С.
Теперь наука располагает убедительными доказательствами того, что термоядерные процессы синтеза гелия осуществляются на Солнце двумя путями. Первый называют протонно-протонным циклом. Он складывается на трех превращений. Вначале сливаются два протона, образуя тяжелый изотоп водородного ядра — дейтрон, построенный из протона и нейтрона. Далее дейтрон соединяется с третьим протоном, что ведет к появлению легкого изотопа гелия ³Не. Наконец, два ядра гелия реагируют между собой, преобразуясь в ⁴Не и два протона.
Долог этот цикл реакций во времени. Его продолжительность определяется скоростью первой, самой медлен ной ступени, а она длится 14 млрд. лет. Здесь вновь нам приходится столкнуться с вероятностным процессом. Дело случая — когда отдельному, наугад взятому протону удастся прореагировать со своим партнером, преодолев его потенциальный барьер. Это может произойти и через секунду, и спустя миллиарды лет. Однако даже при такой ничтожно малой вероятности успешного соударения двух сблизившихся протонов (а отсюда и относительно редкого слияния) оно протекает на Солнце непрестанно и в огромных масштабах.
В результате термоядерных реакций наше светило теряет в течение суток более 480 млрд. т своего, протонного вещества. Причина тут очевидна: на Солнце сконцентрирована очень большая масса протонов. Если бы их слияния происходили чаще, то Солнце сгорело бы задолго до нашего времени. Именно потому, что ядра тяжелого водорода (дейтроны) — превосходное термоядерное горючее, они не накапливаются на Солнце и звездах.
Второй цикл называется углеродно-азотным. Он совершается при участии углерода, который играет роль катализатора процесса слияния протонов. Сам углерод синтезируется при температуре, близкой к 100 млн, градусов, что в 6—8 раз превышает температуру в центре Солнца. Тем не менее углерод здесь присутствует; быть может, он образовался из ядер гелия в раннюю пору жизни Солнца, а вероятнее — проник из более горячих звезд предшественниц, некогда закончивших своё существование взрывом. Углеродный цикл складывается из шести ступеней.
Таким образом, конечные результаты обоих циклов одинаковы и сводятся к слиянию четырех протонов в прочнейшее сооружение природы — ядро гелия. Попутно два из этих протонов, отделяя позитроны и нейтрино, превращаются в нейтроны. На Солнце и звездах малой яркости преимущественно действует медленный протонно-протонный цикл. На более массивных и горячих звездах усиливается роль углеродно-азотного цикла, активность которого растет с температурой. В красных карликовых звездах вероятно параллельное действие обоих циклов.
Процесс синтеза гелия является первопричиной свечения неисчислимого множества звезд, их деятельности в качестве саморегулируемых энергетических «станций». Водород — их горючее, роль шлака этих станций играет гелий. Синтез гелия — основа жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле. Каждую секунду 564 млн. т солнечных протонов превращаются в 560 млн. т ядер гелия. Исчезнувшие 4 млн. т составляют дефект чассы гелия; эта масса превращается в энергию, ощущаемую нами в виде солнечного тепла и света. 3anac водорода достаточен для существования Солнца на протяжении миллиардов лет; согласно недавним расчетам, за 5 млрд. лет водород выгорел в недрах Солнца на одну треть.
Но существуют звезды — белые карлики, где весь водород уже исчерпался; они светят за счет накопленного запаса энергии. Их размеры малы, но плотность необычайно велика; основную массу их составляют, вероятно, магний и тяжелые элементы. Приняв, что на Солнце преобладает протонно-протонный цикл, мы вправе ожидать там высокой концентрации легкого гелия, Прямых доказательств этому нет, однако косвенные данные позволяют думать, что на Солнце и звездах, имеющих невысокую плотность и умеренную температуру, отношение содержания ³Не к⁴Не в тысячи и десятки тысяч раз выше, чем на Земле. Полагают, что причиной вспышек на звездах является последняя реак-ция протонно-протонного цикла — реакция превращения ³Не в ⁴Не.
Подобно гелию, неон неравномерно распределен в космосе. Наиболее обильно он представлен на Солнце и других горячих звездах, в газовых туманностях и атмосфере внешних планет Солнечной системы. В атмосфере многих звезд неон занимает третье место после водорода и гелия. В больших количествах он обнаружен в атмосфере звезды Скорпиона.
Разумеется, тяжелых инертных газов во Вселенной меньше, чем легких; это отвечает общей закономерности преобладания легких элементов над тяжелыми. Однако в сравнении с другими элементами тяжелые инертные газы обильнее представлены в космосе, чем на Земле. На Солнце не обнаружено заметных количеств тяжелых инертных газов; температура там недостаточно высока для их возникновения. Аргон (вместе с неоном) наблюдается на некоторых звездах и в планетарных туманностях. В целом его в космосе больше, чем кальция, фосфора, хлора, в то время как на Земле существуют обратные отношения.
Любопытно и очень важно для познания изотопного состава космического аргона то обстоятельство, что калий распространен в космосе примерно в 50 000 раз меньше, чем аргон. На Земле же он преобладает над аргоном в 660 раз. Отсюда вывод: отсутствие в космосе главенствующего на земном шаре изотопа ⁴⁰Аr является следствием исчезающе малой концентрации радиоактивного калия во Вселенной. Подавляющая часть космического аргон состоит из изотопов ³⁶Аr и ³⁸Аr. Примечателен произведенный геохимиками подсчет: вычтя из аргона земной атмосферы радиогенный ⁴⁰Аr, они получили изотопный состав, очень близкий к составу космического аргона.
Громоздкие конструкции ядер криптона и ксенона в космосе относительно редки, причем отношение первого ко второму вряд ли меньше, чем на Земле (где оно равно 12,5). Тем не менее даже меньше всего распространенного ксенона Вселенная содержит примерно столько же, сколько бария и мышьяка, и больше, чем олова, свинца, ртути, молибдена, серебра.
Присутствуют ли инертные тазы на других внутренних планетах нашей системы? Непосредственные наблюдения с поверхности Земли не в состоянии дать на это ответ, так как планеты не имеют собственного излучения и, следовательно, у них нет и собственных линейчатых спектров испускания. Последние, как известно, присущи только возбужденным атомам, испускающим свет. Будучи одноатомными, инертные газы не дают и молекулярных (полосатых) спектров поглощения, что также препятствует обнаружению их в атмосфере холодной планеты.
Тем не менее сведения, полученные с помощью автоматических межпланетных станций, да и ряд косвенных данных не оставляют сомнений: инертные газы присутствуют на всех телах солнечной системы.
30 марта 1974 г. приборы, установленные на межпланетной станции «Маринер-10», приблизившейся к Меркурию на 720 км, сообщили, что у этой самой плотной и близкой к Солнцу планеты имеется весьма разреженная атмосфера, состоящая из аргона, неона, гелия и водорода. 21 сентября 1974 г. при повторном облете планеты «Мари-нером-10» был получен спектр излучения в ультрафиолетовой области, подтвердивший присутствие гелия в атмосфере Меркурия. По-видимому, газы меркурианской атмосферы радиогенного происхождения, вероятно, с примесью компонентов солнечного ветра. Ввиду относительно малой массы Меркурия эти газы заметно отлетают в космическое пространство.
Атмосфера Марса наряду с углекислым газом должна содержать также аргон. Это вытекает из современных представлений о близости вещественного и изотоп-ного состава внутренних планет, а следовательно, и содержания радиоактивного калия-40, продуцирующего аргон. Этот газ не может улетучиваться из атмосферы Марса, как и более тяжелые инертные газы.
Все сказанное имеет важное значение для понимания эволюции атмосферы Марса. Полагают, что десятки тысяч лет назад она была много плотнее, чем теперь, и почти полностью состояла из углекислого газа. Затем наступил продолжающийся ныне циклический период оледенения Марса; вероятная длительность цикла около 100 тыс. лет. Оледенение повлекло вымораживание из атмосферы некоторой части СО2 и водяных паров, атмосферное давление уменьшилось и теперь у поверхности составляет 6,5 мбар (в 160 раз меньше, чем на уровне моря для Земли). За счет разрежения атмосферы возросло относительное содержание аргона и прочих инертных газов, так как их температура замерзания ниже средней температуры марсианской тропосферы, равной 228 + 10° К.
Американские автоматические станции «Викинг-1» и «Викинг-2», опустившиеся на Марс в 1976 г., уточнили данные о содержании аргона на этой планете. По данным американских станций, главным компонентом марсианской атмосферы является углекислый газ (95%), аргона зафиксировано только 1,5—2,0%, азота 2,5%.
Анализы, выполненные спускаемыми аппаратами серии советских межпланетных автоматических станций «Венера», показали наличие в венерианском грунте калия, урана и тория; к тому же средние плотности Венеры и Земли почти одинаковы, а их массы различаются только на 17%. Стало быть, и твердое вещество Венеры, и ее атмосфера содержат все шесть инертных газов. Видимо, в атмосфере Венеры их относительное содержание мало,так как автоматическими станциями установлено, что на 97% она состоит из углекислого газа. Абсолютные же концентрации инертных газов могут оказаться внушительными, так как давление у поверхности планеты превышаем 90 ат.
Во время пребывания американских космонавтов экипажа «Аполлон-16» на Луне ими были идентифицированы линии гелия в ультрафиолетовой части спектра в межпланетном пространстве. Это указывает на свечение межпланетного гелия — по-видимому, как следствие взаимодействия межпланетных газов с солнечным ветром и ультрафиолетовой радиацией Солнца. По космическим масштабам от нас до Луны — «рукой подать». Рельеф ее поверхности можно наблюдать в телескоп и даже невооруженным глазом. И все же немало но-вых сведений принесли научные экспедиции на Луну.
Давно было установлено, что Луна лишена атмосферы. Сейчас благодаря новым методам радиоастрономии внесена небольшая поправка; стабильной атмосферы у спутника Земли почти нет, имеется лишь разреженная газовая оболочка, плотность которой составляет 2—6 ·10-13 плотности приземного слоя атмосферы, а толщина — всего несколько километров.
В пробах лунного грунта, доставленных американскими космонавтами и советскими луноходами, обнаружены большие концентрации инертных газов, тесно связанных с древними породами и трудно из них выделяемых. Особенно много инертных газов в обломочных силикатных материалах — брекчиях.
Поскольку соотношения изотопов гелия, неона и аргона в лунных образцах отвечают величинам, теоретически рассчитанным для Солнца, отсюда следует вывод, что источником инертных газов, окклюдированных лунным материалом, является солнечный ветер.
Другой возможный источник — газы, захваченные лунным материалом из протопланетного облака на раннем этапе истории Солнечной системы. В изверженных лунных породах концентрации инертных газов меньше; это связывают с их дегазацией при образовании пород либо с тем, что глубинные изверженные породы испытали воздействие солнечного ветра уже в твердом состоянии. В лунном грунте обнаружены и малые количества криптона и ксенона, являющихся продуктами деления урана.
Космохимик Ван Шмус назвал метеориты машиной времени, доставляющей нас в прошлое на миллиарды лет назад. В большей мере это свойство метеоритов следует отнести на счет несомых ими инертных газов. Как пример этого осветим роль ксенона-129 в современных представлениях космогонии.
Установлено, что в метеоритном ксеноне доля изотопа-129 намного больше, чем в ксеноне из земных сред. Эта аномалия привела ученых к далеко идущим выводам. Первым звеном в цепи логических построений явился доказанный астрофизиками факт происхождения метеоритного ¹²⁹Хе из радиоактивного ¹²⁹I, который успел уже полностью превратиться в ¹²⁹Хе в результате β-распада:
¹²⁹I → ¹²⁹Хе + -1е + ν.
Первоначальное содержание в метеорите ¹²⁹I оценивают по найденному в нем количеству стабильного ¹²⁷I — тут есть известная закономерность. Содержание же ксенона-129 эквивалентно количеству иода-129 в момент отвердевания метеоритного вещества— ведь, будучи в расплавленном состоянии, оно не могло удерживать возникающий газ. Далее, но кривой распада ¹²⁹I (T ½=16,9 млн. лет) рассчитали промежуток времени между датой возникновения ¹²⁹I (она совпадает с датой появления всех тяжелых элементов в Солнечной системе) и временем образования твердого вещества метеоритов.
Оказалось, что в космогонических масштабах этот интервал времени не очень велик — в пределах 40— 60 млн. лет. Отсюда следует фундаментального значения вывод: Солнце и его планеты возникли в едином, относительно быстро протекавшем процессе. Этот тезис и лежит в основе современных космологических представлений.
Статья на тему Гелий за пределами земли