СОЛНЕЧНЫЙ ГЕЛИЙ
Очередную гелиевую проблему можно было бы сформулировать так: почему в вулканических газах, появляющихся на поверхности в любом районе Земли, гелия-3 в сотни и тысячи раз больше, чем в образцах земной коры . Если учесть, что вулканические газы — естественные посланцы мантии к поверхности Земли, оставалось предположить, что избыточные гелий-3 находится именно в мантии.
Сначала думали, что этот мантийный гелий (в том числе и гелий-3) имеет радиогенное происхождение. Однако расчеты показали, что ни ядерные превращения, ни радиоактивный распад тяжелых элементов обеспечить необходимое количество гелия-3 не могли. Другая попытка объяснить избыток легкого изотопа гелия в глубоких недрах связывалась с предположением, что в отдаленном прошлом в недрах Земли существовал относительно интенсивный поток нейтронов. Эти нейтроны возникали при спонтанном делении трансурановых элементов, в частности наиболее подходящим оказывался изотоп плутония — плутоний-244. Сами трансурановые до наших дней не «дожили»: период их полураспада оказался значительно меньше возраста Земли. Но нейтроны, сопровождающие процесс деления ядер, должны были испытывать взаимодействие с веществом литосферы, в результате чего появлялся и гелий-3. Но и эта гипотеза не смогла объяснить необходимое количество гелия-3 в мантии.
Японский физик И. Такаги пытался объяснить избыток легкого изотопа гелия за счет продуктов ядерных взаимодействий мю-мезонов космического излучения (так называемой жесткой, проникающей компоненты космического излучения) с веществом мантии. Но увы, специально поставленные эксперименты показали, что на глубине 3—5 км от поверхности поток космических мю-мезонов уменьшается в сотни тысяч раз .Необходимое количество гелия-3 не смогло бы накопиться за время существования Земли, Высказывались предположения, что в природе существует неизвестные пока науке процессы разделения изотопов. Но тогда и для других содержащихся в мантии летучих элементов должны наблюдаться отклонения в изотопных отношениях. Однако сравнение природных изотопных отношений водорода, углерода, кислорода, неона и гелия заставило отказаться и от этой гипотезы . Оставалось только одно предположение: тот гелий, который находится в мантии и который выходит на поверхность Земли вместе с вулканическими газами, представляет собой смесь радиогенного и первичного гелия . В недрах Земли сохранился гелий, захваченный ею при образовании планеты. По-видимому, около 4,5 млрд. лет назад изотопное отношение для земного гелия приближалось к космическому: около 3·10⁻⁴.
Но находившиеся в мантии тяжелые элементы способствовали увеличению доли гелия-4, а дегазация недр уменьшала количество гелия-3. Кстати, в мантии сохранился не только первичный гелий. Расчеты, выполненные И. Н. Толстихиным, показали, что в недрах осталось к настоящему времени около 10 % первичных газов.
Теперь история нашей планеты представала в принципиально новом свете. Обнаружение первичного, солнечного, гелия в мантии Земли было зарегистрировано в конце 1981 года в государственном Реестре изобретений СССР как открытие.
«Суть нашего открытия,— сказал один из его авторов, советский физик Б. А. Мамырин, — заключается в том, что мы выяснили новую особенность устройства нашей планеты. Всем известно, что земной шар имеет слоистую структуру: сверху тонкая кора (30—70 км), а далее мантия толщиной около 3000 км, внутри тяжелое ядро. Так вот, мы установили, что гелии, которыми пропитаны породы земной коры и породы мантии, резко отличны по изотопному составу. В гелии мантии соотношение ³Не/⁴Не в 1000 раз больше, чем в гелии земной коры, Я не ошибся — в 1000! Это — редчайший феномен природы, так как сдвиги в изотопном отношении для различных элементов на Земле не превышают обычно единиц процентов .
Второй особенностью мантийного гелия является удивительное постоянство его изотопного состава на земном шаре.
Оба эти свойства нельзя было предвидеть, и мы выяснили их, когда после разработки нашего прибора начали систематическое изучение гелия в земных газах и породах.
И единственный, не противоречащий экспериментальным фактам ответ заключался в том, что в мантии сохранился так называемый «первозданный» или «солнечный» гелий, который непрерывным потоком излучает наше светило до сих пор. Этим гелием с высоким изотопным отношением ³Не/⁴Не были пропитаны частицы пылевого облака, из которого образовались планеты Солнечной системы 4,5 млрд. лет назад. И вот «упаковка» оказалась столь добротной, что, несмотря на высокую подвижность и химическую инертность, первозданный гелий сохранился в мантии до наших дней».
Несколько разгадок гелия
Итак, представления о полной потере Землей первичного гелия не подтвердились. Но ученым нужно было ответить на вопрос: каким образом была обеспечена сохранность на Земле самого летучего газа? Предполагали, что первичный гелий мог сохраниться до наших дней лишь в одном случае: максимальная температура Земли при ее образовании не превышала 500—700 С. Иными словами, наша планета никогда не была в расплавленном состоянии, иначе первозданный гелий должен был бы испариться. Таким образом, проблема гелия, и в частности гелия-3, должна учитываться при обсуждении вопроса об условиях образования планет Солнечной системы.
Однако вернемся на Землю. Сам факт сохранности первичного гелия в мантии очень многое дал для изучения нашей планеты. Через глубинные разломы в земной коре, через подводные и материковые вулканы происходит постоянный выход гелия на поверхность. При этом он имеет характерную изотопную метку. А поскольку гелий — единственный на планете газ, для которого существует только восходящий поток (из недр через атмосферу в космическое пространство), то он, наподобие рентгеновского излучения, как бы просвечивает земную кору изнутри.
Вещество, мигрирующее из мантии к поверхности, всегда оказывается помеченным гелием-3. Но в земной коре эта изотопная метка постепенно исчезаете так как там постоянно образуется радиогенный гелий, и это приводит к постепенному уменьшению изотопного отношения гелия. Разумеется, это очень медленный процесс. Пройдет 1 млрд. лет после завершения тектонической активности региона, прежде чем в гор-ных породах установится характерное для радиогенного гелия изотопное отношение 10⁻⁸.
Дальнейший путь гелия лежит через атмосферу. Но до последнего времени изотопное отношение для атмосферного гелия тоже таило в себе загадки. После открытия первозданного легкого гелия в мантии Земли стало ясно, что источником недостающего изотопа гелия-3 в атмосфере служит именно мантия Земли. Постоянная дегазация мантии объясняет, почему изотопное отношение ³Не/⁴Не в атмосфере в 100 раз выше, чем в земной коре.
Итак, земная кора является постоянной трассой для гелиевых потоков. Знание изотопного состава гелия в различных регионах позволяет уточнить ее строение и, что очень важно, дать полезную информацию, на основании которой можно будет прогнозировать приносящие бедствия жителям разных континентов землетрясения и извержения вулканов.
Статья на тему Солнечный гелий