Текст книги "Природа космических тел Солнечной системы"

Концепция распределения элементов по глубине космических тел в зависимости от плотностей их атомов

Гипотеза 13

Если в состоянии реальных газов распределение в ядре Земли элементов происходит в соответствии с их атомными массами, то в других состояниях оценку распределения элементов по глубине нужно проводить по плотности их атомов.

О закономерности возрастания плотности веществ с возрастанием глубины известно. Так в верхней сфере Земли состав газов изменяется с высотой. Выше 2 тысяч километров превалирует самый легкий газ – водород, ниже до 600 км второй по плотности от водорода – гелий, еще ниже атомарный кислород, а ниже 200 км преобладает более тяжелый молекулярный азот. Ниже атмосферы, плотность воздуха которой на уровне моря равна примерно 1.2 кг/м³, вполне закономерно расположена гидросфера (реки, моря, океаны) с плотностью 1000 кг/м³, а под ней породы коры Земли со средней плотностью 2800 кг/м³. Глубже, информация о плотности получена сейсмическими методами и показывает, что плотность возрастает с увеличением глубины до значения примерно 12500 кг/м³ в центре Земли. Совершенно замечательно, что чудесным способом геофизических замеров в свое время найдена информация о том, что там у нас в глубинах, поскольку максимальная глубина, с которой удалось получить вещество прямым путем бурения на Кольской сверхглубокой скважине, только 12.262 км, что совсем немного, учитывая, что радиус Земли составляет 6378 км (на экваторе). Зная плотность пород на разных глубинах, а также имея точную информацию о плотности всех элементов Земли, можно было бы составить полную схему состава пород по глубинам. Решение этой задачи осложняется тем, что элементы в глубинах Земли могут быть не только в твердом элементарном состоянии, но и в виде многочисленных их соединений, а сами соединения могут иметь еще и разные кристаллические структуры, имеющие разную плотность. При этом одни соединения могут трансформироваться в другие. Меняться могут и кристаллические структуры. Кроме того, может изменяться и агрегатное состояние веществ, они могут плавиться, могут закипать и переходить в газообразное состояние. Картина получается очень сложной. Атомы элементов более стабильны, чем кристаллические породы, поскольку для их преобразования нужно затратить более высокую энергию (энергию ионизации), чем для разрушения химических связей кристаллической решетки пород. По этой причине для оценки состава пород по глубинам предложено оценивать вещества по плотностям атомов, предполагая, что плотности пород, особенно под большим давлением, коррелируются с плотностями атомов, из которых они состоят.

Гипотезу можно представить следующей формулировкой.

В любом массивном космическом теле, на участках, не находящихся в состоянии реального газа, глубина расположения того или иного элемента в большой степени, как правило, коррелируется с плотностью его атома.

Заметно, как отличается эта схема от принятой в настоящее время концепции, где ядро Земли состоит из железа и кремния.

В определенной степени кривая отражает последовательность распределения элементов по глубине любого массивного космического тела. Элементы с большей плотностью атомов (Hg, Tl, W, Re, Pb, Os…) расположены глубже, а с меньшей (Li, Na, K, Ca…) – ближе к поверхности. Имеются и отклонения от этой зависимости, поскольку плотность вещества может зависеть еще и от вида химических соединений, валентности элементов, вида кристаллической решетки, агрегатного состояния или ионизации. Вещества изменчивы в разных условиях, и изменения приводят к перемещениям пород по уровню в космическом теле. Плотность же атомов стабильна для каждого элемента и является важным фактором плотности вещества, пока атомы существуют. Эти особенности будут рассмотрены в последующих главах.

Плотность атомов изменяется не в порядке возрастания атомных номеров в таблице Д. И. Менделеева, а достаточно сложно (рис. 15)

В архейский период развития Земли произошла великая перестройка элементов (состояние рис.12 б), когда вещества распределились в соответствии с увеличением их плотностей с глубиной (таблица 6).

В таблице теоретическое расположение элементов по глубине в архейский период (в порядке увеличения плотностей их атомов) и содержание элементов в Земле по нуклонной концепции гипотезы 4, показывающее толщину пластов залегания.

Водород, азот, кислород, фтор являются достаточно тяжелыми элементами. Породы на основе самых тяжелых элементов погрузились в центр Земли, образовали ядро из соединений He, Ir, Os, Pt, Re, W, Au …, в том числе радиоактивных урана и тория, распад которых разогревает ядро (рис. 12, в). Легкие породы, содержащие Li, Na, K, Ca, Mg всплыли в верхнюю мантию. В следующие периоды произошел дополнительный разогрев ядра Земли, далее расширение Земли, выход из глубин воды и газов, переход ее в нынешнее состояние (рис. 12, г).

Образование ядра Земли

Гипотеза 14

Погружение пород на основе более тяжелых элементов ближе к центру Земли привело к повышению содержания там радиоактивных элементов U, Th. Это привело к дополнительному разогреву центральной части Земли в результате их естественного радиоактивного распада. При разогреве до 1500—5000°С (рис. 17 в) произошло химическое разложение пород ядра Земли на атомы (атомизация), например, по реакциям

2UH₃→2U↓+6H ↑

2PdO→2Pd↓+2O↑

Th₃N₄→3Th↓+4N↑

Бассетит Fe (UO₂) ₂ (PO₄) ₂→Fe↑+2U↓+2P↑+12O↑

Далее произошла естественная сортировка атомов по плотности, более тяжелые атомы погрузились, а более легкие поднялись выше. В кристаллическом состоянии плотность веществ ограничена связями между атомами. Например, в алмазе атомы занимают только 34.01% всего объема (рис. 17 а). В газообразном состоянии связи между атомами отсутствуют, и при высоком давлении атомарным элементам ничего не мешает собраться в более плотное состояние, чем кристаллическое. Такое состояние получило название КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГАЗА [Тимофеев, 2009], когда атомы не имеют свободного межатомного пространства, а собраны в наиболее плотную гексагональную структуру (рис. 17 б). Плотность вещества в состоянии кристаллического газа всегда выше его плотности в твердом кристаллическом состоянии, когда атомы рассредоточены химическими связями. Переход вещества ядра Земли в состояние кристаллического газа привел в архее к сжатию ядра Земли и всей планеты.

Рис. 17. Объем, занимаемый веществом: а – кристаллическое состояние; б – состояние кристаллического газа; в – состояние реального газа, здесь объем зависит от давления и температуры

Ядро Земли образовалось в результате термического разложения пород центральной части Земли, поднятия и выхода легких элементов из зоны ядра, перехода тяжелых элементов ядра в сжатое состояние кристаллического газа и гравитационного разделения этих элементов на слои.

Природа границы перехода между мантией и ядром Земли

Гипотеза 15

Геофизическими методами путем замера скоростей сейсмических волн определено, что на глубине примерно 2900 км наблюдается скачок плотности пород Земли. По этой границе глубинную сферу с более плотной породой назвали ядром Земли, а сферу выше этой границы назвали мантией Земли. При переходе от мантии к ядру плотности пород резко увеличиваются от 5 до 10 г/см³ (рис. 18).

Рис. 18. Изменение плотности пород Земли с глубиной. 1– скачок плотности между мантией и ядром Земли

При этом объяснение природы этой границы никто до настоящего времени не дал. Если предположить, что здесь только изменяется элементарный состав веществ, то такое изменение должно быть и на кривой изменения плотностей атомов элементов. На (рис. 16) изображено изменение плотностей атомов, где атомы по абсциссе расположены в порядке возрастания плотностей. Видно, что нет резких скачков плотности от элемента к элементу, если не считать увеличение плотности гелия в конце кривой. Таким образом, можно сделать вывод о том, что скачок плотности при переходе от мантии к ядру не вызван только изменением состава вещества в этой зоне, а вызван, в большей мере, изменением состояния вещества. С увеличением глубины температура в Земле увеличивается. На какой-то глубине должен происходить термический распад веществ, сортировка элементов по плотностям и переход элементов с плотными атомами в кристаллический газ, а для менее плотных – поднятие из зоны разложения вещества, что должно наблюдаться как резкое увеличение плотности ниже этого горизонта. Такой скачок наблюдается на глубине 2900 км. Следовательно, здесь и есть граница распада пород, ниже которой находится элементарное вещество в состоянии кристаллического газа, а выше – породы Земли в обычном (твердом, жидком) состоянии. На этой границе происходит температурное химическое разложение пород, погружение в ядро Земли образовавшихся при разложении и перешедших в состояние кристаллического газа тяжелых атомов и поднятие в мантию образовавшихся легких атомов, которые в мантии при взаимодействии с другими веществами, образуют новые химические соединения.

Причина сравнительно небольшой плотности вещества ядра Земли

Гипотеза 16

По результатам замеров скоростей сейсмических волн определили, что плотность вещества в ядре Земли имеет величину 12.5 см³, что не соответствует (существенно меньше) плотностям ряда тяжелых элементов. Таких элементов достаточно много, это вольфрам 19.3 г/см³, гафний 13.31г/см³, золото 19.3г/см³, иридий 22.42г/см³, осмий 22.48г/см³, платина 21.45г/см³, рений 20.53г/см³, ртуть 14.19г/см³, тантал 16.6 г/см³, уран 18.7г/см³. Эти элементы в тех или иных количествах имеются в составе коры Земли, и, очевидно, они, благодаря своей высокой плотности, должны находиться в ее центре. Не утруждая себя занятием по объяснению такого несоответствия, наши предшественники [Goldschmidt,1923] просто решили, что этих элементов в ядре практически нет, и декларировали, что ядро в основном железное, объясняя этим еще и природу магнитного поля Земли. В последствии выяснилось, что при температуре выше 500°С железо теряет магнитные свойства, и поэтому железное ядро никак не может создавать магнитное поле, но пересматривать концепцию железа в ядре уже не стали.

Здесь дается следующее объяснение сравнительно малой плотности вещества ядра Земли при его составе из самых тяжелых элементов таблицы Д. И. Менделеева.

В период образования весь объем ядра Земли состоял из элементов в состоянии кристаллического газа, а плотность составляющих его веществ была значительно больше, чем в настоящее время. При продолжающемся нагревании от распада радиоактивных изотопов тепловая энергия атомов увеличивалась, и вещества в определенные исторические периоды перешли из состояния кристаллического газа в состояние реального газа с образованием небольших свободных межатомных пространств (рис. 17 в). При этом плотность веществ становится меньше. По этой причине плотности находящихся здесь элементов урана, тория, осмия, вольфрама, ртути, свинца и др. не равны их плотностям в кристаллическом состоянии, а находятся в диапазоне 10—12.5г/см³.

Перемещения элементов в ядре Земли, связанные с переходом «кристаллический газ – реальный газ» (КР перестановка)

Гипотеза 17

В архее ядро Земли включало в себя меньше слоев разных элементов (самые тяжелые элементы), и эти элементы в то время находились в состоянии кристаллического газа. Это состояние, когда атомы не связаны друг с другом, но свободное межатомное пространство отсутствует из-за высокого давления (рис. 17 б) [Тимофеев, 2012]. В этом состоянии слои элементов ядра Земли были расположены в последовательности увеличения плотностей атомов с глубиной (рис. 19 левая сторона). При повышении температуры от дальнейшего разогрева в течение длительного времени происходит переход атомарного вещества слоев из состояния кристаллического газа в состояние реального газа (рис. 19 правая сторона). В состоянии реального газа последовательность расположения слоев не зависит от размера атома, а зависит только от атомной массы, что определяется законом Авогадро, это приводит к перестановке слоев элементов в последовательность по нарастанию атомных масс к центру Земли. В центр Земли переместились уран, торий, свинец, а слои водорода, азота, кислорода, фтора, неона, гелия, аргона переместились вверх, что показано в рис. 19 правая сторона. Слои перестраиваются независимо друг от друга отдельными шагами от уровня к уровню. Поднявшись (или опустившись) на другой уровень, слой элемента задерживается в этом состоянии, пока плотность его вещества от изменения температуры не достигнет соответствующего значения для следующей перестановки, которая может начаться, например, через миллион лет.

Поскольку перестановка с переходом «кристаллический газ – реальный газ» имеет очень важное значение в процессе трансформации Земли, дадим ей отдельное название – КР перестановка.

Картина перестановок осложняется тем, что отдельно происходит перестановка каждого из 300 стабильных изотопов элементов, поскольку плотность их различна. Кроме того, поскольку в условиях ядра Земли существенную роль играют ядерные реакции, постоянно образуется и существует достаточно заметное количество нестабильных изотопов, а отдельные элементы могут иметь дублирующие слои в другой степени ионизации, на другом уровне с иной температурой.

Рис. 19. Начальное и конечное положение слоёв элементов при разогреве ядра Земли

В таблице показана последовательность расположения слоёв элементов в начальной и конечной стадии перестановки слоёв элементов ядра Земли, при переходе из кристаллического газа в реальный газ (в таблице ряд элементов, слои ионизированных элементов, а также слои изотопов не показаны).

КР перестановка началась в конце протерозоя примерно 540 миллионов лет назад, при этом кроме перемещений внутри ядра происходит изгнание газов H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, как элементов с малыми атомными массами из ядра Земли. Перестановка приводит к инверсиям магнитного поля Земли, образованию силановой нефти, росту Земли и современной ее коры, выходу на поверхность вод океанов и газов атмосферы, образованию углеводородов. Процесс этой великой перестановки продолжается в настоящее время.

Подробней о кристаллическом газе в главе 11 гипотеза 130.

Слои газов элементов на поверхности ядра Земли

Гипотеза 18

Атомы газообразных элементов водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон, сера, хлор, аргон (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar) по причине малых размеров имеют высокую плотность, изначально в условиях ядра Земли находились в состоянии кристаллического газа в слоях расположенных между слоями других тяжелых элементов рис. 19. В ходе разогрева ядра и протекания КР перестановок эти газы вытесняются из ядра, поднимаются несколько охлаждаются в более высоких горизонтах (в том числе и из-за адиабатического расширения) и переходят в состояние близкое к состоянию кристаллических газов. В условиях высоких давлений эти элементы способны сжиматься до плотностей, превышающих наибольшую плотности пород мантии 5.6 г/см³ Земли и поэтому должны находиться ниже нижней границы мантии.

Вещество нижней мантии постепенно распадается, образуя новые слои в ядре. В предыдущие периоды образовались последовательно слои серы, серебра, гольмия, кобальта, диспрозия, цинка. В будущие миллионы лет ядро Земли последовательно наростится слоями эрбия, железа, тербия, циркония, гадолиния, углерода (в порядке уменьшения плотностей атомов). Всё это время слои газовых элементов H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar находились и будут продолжать находится на верхнем слое ядра Земли поднимаясь по мере его роста, и снижая свою плотность по мере поднятия на новые горизонты.

Верхний слой газовых элементов водород, имеет плотность кристаллического газа 5.64 г/см3 которая лишь немного превышает плотность пород нижней мантии. Когда эта плотность приблизится к плотности веществ нижней мантии газы по очереди начнут резкий подъём через мантию к поверхности Земли. Ряд газов, имеющих меньше атомные веса водород, гелий, азот, кислород по причине диффузии поднимаются в некотором количестве и сейчас, но поднятие затрудняется химическим взаимодействием их с породами мантии, в результате которых образуются вода, различные силикатные породы, руды и углеводороды. В некоторых случаях при местном скоплении избытков образовавшейся горячей воды с паром происходят её выброс совместно с разрушенной породой на поверхность с образованием курумников. Такие образования есть на Урале, также к такому образованию относится Патомский кратер в Восточной Сибири. По мере роста ядра Земли и приближении его границы к коре вся масса этих газов, а также близкая к ним по свойствам сера, поднимется в атмосферу, давление и температура которой увеличатся и приблизятся к состоянию атмосферы на Венере, которая опережает Землю по своей трансформации.

Расчётные значения состояния элементов в слоях ядра Земли

Гипотеза (концепция) 19

Строение современного ядра было рассчитано и впервые представлено в работе [Тимофеев, 2018] табл. 7. Положение слоёв элементов и их толщины в ядре Земли со временем меняются. Изменение происходит постоянно и одновременно по многим параметрам.

Целый ряд тяжелых элементов стабильных изотопов не имеют, поэтому находятся в составе Земли в незначительных количествах и в таблице не показаны. Это TcТ_1/2 2х10⁵лет, PmT_1/2 30лет, PoT_1/2 103 года, AtT_1/2 8.3 часа, RnT_1/2 16 часов, FrT_1|2 22 мин, RaТ_1/2 1617 лет, Ас Т_1/2 21.6 года, Ра Т_1/2 3.43х10⁴ лет.

Не ионизированные элементы с плотностью кристаллического газа меньше 10 г/см³ в ядре образовывать свои слои не могут. Если они образуются в ядре Земли в результате ядерных реакций, то всплывают в мантию.

В расчёте принято, что практически все количество тяжелых элементов состава Земли находится в ядре и соответствует процентному составу элементов Земли, показанному в гипотезе №4 Реальный состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция) [Тимофеев 2013а, Тимофеев 2013в]. Этот состав получен по методу, основанному на использовании в расчетах энергии связей нуклонов в ядрах атомов элементов. По процентному составу и массе Земли (5976Е+21кг) определена масса каждого элемента в планете и показана в столбце 5. В мантии и коре Земли количество тяжелых элементов небольшое, оно укладывается в величину погрешности расчетов и при рассмотрении строения ядра не учитывается. В столбце 6 показана ориентировочная плотность элементов в слоях, взятая из результатов сейсмических исследований ядра Земли на соответствующих глубинах. Используя величины количества элементов в слоях и их плотности, рассчитаны объемы, занимаемые элементами в ядре Земли, показаны в столбце 7. Для определения положения слоя элемента в ядре Земли, рассчитаны плотности элементов в состоянии кристаллического газа. Учитывая, что при максимально плотной гексагональной укладке атомы занимают 74.05% объема вещества, а 25.95% объема вещества составляет межатомное пространство, плотность кристаллического газа составит 0.7405 от плотности соответствующего атома. Расчётные значения плотностей кристаллических газов показаны в столбце 8.

На границе ядра и мантии Земли находятся слои элементов H, N, O, F, S, Cl, He, Ne, Ar суммарная толщина которых может составлять до 40 км.

Элементы Zn, Ho, Dy, Ag, Ni, Cd, Ga, Pd, Mo имеют плотности больше плотностей соответствующих кристаллических газов. Здесь нет свободного межатомного пространства, атомы зажаты в плотную структуру. Предположено, что электронные орбиты этих элементов несколько поджаты давлением до размеров, обеспечивающих соответствующую плотность вещества в слоях. Кинетическая теория газов в этих слоях не работает. В ядре Земли эти элементы по мере возрастания глубины расположены в порядке увеличения плотностей их кристаллических газов. Элементы, расположенные ближе к центру Земли – Ge, As, Se, Br, Ru, Rh, In, Sn, Sb, J, Te, Tu, Lu, Ta, Hf, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U – имеют плотности в ядре Земли меньше плотностей их кристаллических газов, следовательно, эти элементы находятся в состоянии реального газа. Их плотности в одинаковых условиях по закону Авогадро пропорциональны атомным массам элементов, и расположение их по слоям должно быть в порядке увеличения атомных масс к центру Земли. Из-за высокой температуры в более глубокой части ядра Земли слои элементов, начиная со слоя 24 (рутения), становятся ионизированными. Степень ионизации элементов в слоях возрастает по мере нарастания глубины и доходит до +7 в центре Земли. В слоях ионизированных элементов объемы свободных межатомных пространств становятся больше, поскольку при ионизации атомы значительно уменьшаются в размерах.

В столбце 12 показаны объемы свободных межатомных пространств, которые рассчитаны по формуле:

где V– объем межатомного пространства;

ρ_сл – плотность элемента в слое;

ρ_кр– плотность элемента в состоянии кристаллического газа.

Большее свободное пространство означает, что ионизированные слои нагреты до более высоких температур. При положительном значении величины свободного межатомного пространства вещество находится в состоянии реального газа. При отрицательном значении величины вещество находится в состоянии кристаллического газа. Поскольку ядро Земли разогревается, слои со временем, по достижении определенных температур (рис. 17 в) переходят из состояния кристаллического газа в состояние реального газа, что приводит к уменьшению их плотности и перемещению веществ на другие уровни. Очередность перехода зависит от размеров атомов. Атомы малого размера переходят в состояние реального газа при меньшей температуре. По величинам межатомного пространства можно оценить последующие и предшествующие настоящему времени перемещения слоев элементов. Также по величинам свободного межатомного пространства можно рассчитать температуры в слоях ядра Земли, а по температурам определить степень ионизации веществ в слоях.

Учитывая массовый состав элементов и известную массу ядра Земли (внешнего + внутреннего) равную 1934 Е +21 кг определяем, что граница между ядром и мантией проходит по слою цинка с разложением цинковых пород нижней части мантии и нарастанием цинкового слоя в ядре. Масса погруженного цинка в ядро Земли в настоящее время по расчету составляет примерно 668х10²¹кг. Учитывая, что по расчёту количество цинка в массе Земли составляет 12.77% (763 х10²¹кг) оставшаяся масса цинка в мантии и коре 95х10²¹кг. При расчёте не по массам элементов, а по радиусам их слоёв граница ядра-мантии проходит примерно в зоне цинк-аргон, что практически совпадает с расчётом по массам.

При распаде пород вещества мантии, образующиеся тяжелые элементы, распределяются по соответствующим слоям ядра, а легкие элементы поднимаются в кору Земли. Со временем, при дальнейшем росте ядра Земли, над слоем цинка начнёт образовываться следующий по плотности ядер слой элемента эрбия затем слой железа. В настоящее время железа в ядре Земли быть не может совсем, поскольку плотность его атомов (Fe 10.92 г/см³) меньше плотности атомов веществ верхнего слоя в ядре Земли цинка (Zn 11.12 г/см³).

В ядре Земли элементы йод и теллур расположены не в той последовательности, как они находятся в таблице Д. И. Менделеева по той причине, что из-за особенностей изотопного состава элементов йод имеет меньшую атомную массу, чем теллур, следовательно, по закону Авогадро он в газообразном состоянии в одинаковых условиях будет иметь меньшую плотность и находиться выше.

Таблица представлена в упрощенном виде, поскольку многие элементы имеют по несколько изотопов, каждый из которых создал свой слой. В природе около 250 стабильных и около 50 естественных радиоактивных изотопов большая часть из которых находится в ядре Земли Для упрощения в таблице показаны изотопы только в одном слое №2, где изотоп урана 238 обогащенного ураном 235 и ураном 233, поскольку эти изотопы значительно влияет на процессы в ядре Земли. Свои слои образуют и радиоактивные изотопы продуктов ядерных реакций, протекающих в ядре Земли. Кроме того, каждый из элементов может создавать по несколько слоёв в разной степени ионизации. Количество всех слоёв ядра Земли более 300.

Используя значения объемов веществ в слоях и расположения слоев, рассчитаны радиусы верхних границ слоев элементов и их толщины, показанные в столбцах 10 и 11.

В столбце 12 показана сравнительная величина объема свободного межатомного пространства в слое по отношению к объёму кристаллического газа этого элемента. При отрицательных значениях этих величин можно предположить, что атомы несколько упруго сжаты давлением выше плотности кристаллических газов, чего может и не быть если атомы ионизированы и от этого уменьшили свои радиусы.

В столбцах 13,14 показаны рассчитанные температуры в слоях и степени ионизации вещества.

В таблице показаны рассчитанные параметры слоёв с достаточно большой точностью, но эта точность всего лишь результат математических вычислений значений. Реальная картина может несколько отличаться, тем более, что в ядре Земли постоянно протекают множество процессов, например, распадаются радиоактивные элементы, идут некоторые цепные реакции, от излучений образуются новые элементы, от повышения температуры элементы из состояния кристаллического газа переходят в состояние реального газа, снижают свою плотность и перетекают на другой горизонт, образуя другой слой. Кроме того, некоторые элементы, как водород и гелий, выходят из ядра Земли, а другие погружаются в ядро как продукты распада веществ мантии.

В таблице получилось хорошее совпадение. Количества элементов с плотностью кристаллического газа приближенной к плотности веществ ядра Земли практически совпадают с количеством этих элементов по расчёту согласно гипотезе №4 состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция), что показывает правильность этой концепции.