Текст книги "Природа космических тел Солнечной системы"

Массообмен в ядре Земли

Гипотеза 25

Состояние веществ в ядре Земли не является стабильным и неизменным. Процессы изменения и перемещения веществ начались с самого зарождения планет и продолжаются в настоящее время. Изменения проходят закономерно, одновременно с участием целого ряда процессов, при этом одни процессы завершаются окончательно, как например, полный распад определенных изотопов, другие в определенный момент времени начинаются и продолжаются миллиарды лет. Одни процессы имеют глобальное значение, как по массам, так и по выделениям энергии, другие проходят в малых масштабах. Выглядит так, будто преобразования происходят по программе какого-то командно-временного механизма планетарного масштаба, при этом процессы на разных планетах похожи, имеют сравнительно небольшое отличие, связанное с несколько отличающимися их составами и с разной массой.

Перемещение масс вещества мантии в ядро

Гипотеза 26

С поднятием температуры до достижения значения, при котором энергия теплового движения частиц достигает энергии химических связей, происходит распад пород в атомарное состояние. Такой процесс начался в архее и образовал зарождающиеся ядро Земли и мантию, с образованием границы, где протекают реакции распада.

В процессе распада вещество мантии, имеющее часто сложный состав, разделяется на две основные фракции.  Легкую фракцию, состоящую из веществ со сравнительно малой плотностью атомов, которая поднимается вверх через слои мантийного вещества, образуя столбы дистиллированного (деплетированного) вещества, очищенные от включений более плотных атомов и тяжелую фракцию, которая состоит из веществ со сравнительно большой плотностью атомов. Тяжелая фракция опускается в ядро Земли и разделяется на отдельные виды атомов, распределяясь по соответствующим слоям.  В настоящее время граница раздела находится на глубине примерно 2900 км от поверхности Земли, где давление составляет примерно 1.5 миллиона атмосфер. Известно, что ряд веществ может находиться в состоянии элементов в нормальных условиях (ртуть, золото, инертные газы…). С возрастанием температуры перечень таких элементов увеличивается. Для этих элементов нет препятствий под высоким давлением переходить в состояние кристаллического газа даже не на границе между мантией и ядром. Эти элементы при определенных для них температурных условиях переходят в плотное состояние кристаллического газа в объеме мантии, что приводит к выпадению их из мантии в ядро (для тяжелых элементов) раньше, чем до них дойдет горячий фронт ядра Земли. На поверхности ядра Земли при температуре 4000—5000°С происходит распад самых термостойких здесь мантийных соединений. Образовавшиеся при распаде тяжелые атомарные элементарные вещества конденсируются в отдельные капли кристаллического газа разного состава по видам элементов, которые погружаются в ядро. По расчетам верхний слой ядра состоит из цинка в состоянии кристаллического газа. Нахождение цинка в жидком состоянии здесь исключено, поскольку он имеет сравнительно невысокую температуру кипения 907°С. Таким образом, все элементы образовавшейся тяжелой фракции, если это не цинк, который просто вливается в верхний слой ядра дождем из капель кристаллического газа, идут через цинковый слой, погружаются через другие слои ядра, находя свои слои для каждого элемента, и вливаются в них. По мере опускания происходит нагревание капель более горячими нижними слоями, через которые они проходят, и вещество их в определенные моменты может перейти в состояние реального газа, что, тем не менее, не позволяет ему и в этом состоянии смешиваться с веществом любых окружающих слоев, кроме своего. Производительность выпадающего дождя, пополняющего массу ядра Земли, в среднем за период его развития составляет (масса ядра, деленная на возраст Земли 1934х10²¹/4.5х10⁹=429.7х10¹² кг/год) порядка 500 миллиардов тонн в год. Если мантия будет разрушаться с такой же скоростью и далее, то раскаленные массы ядра появятся на поверхности Земли через 9.4 миллиарда лет, и вся Земля будет состоять из ядра, как практически из одного ядра состоит в настоящее время Юпитер или Солнце.

Термониз перехода вещества в кристаллический газ

Гипотеза 27

На поверхности Земли в условиях малого давления хорошо известно явление конвекции. Конвекция – это всплытие разогретой массы в среде менее нагретого вещества. Объясняется конвекция тем, что вещество при нагревании расширяется, и плотность его уменьшается. В глубинах Земли, где высокие давления препятствуют тепловому расширению (силы гравитационного сжатия превосходят силы расширения, вызванные кинетической энергией теплового движения частиц), при нагревании может происходить явление погружения более нагретого вещества. В условиях глубин Земли есть два фазовых перехода при нагревании, вызывающих увеличение плотности веществ. Переход в состояние кристаллического газа при температурах разрушения межатомных связей (1000—6000°К) и переход в ионизированное состояние при температурах более 30000°К. Оба эти перехода фазового состояния могут создавать условия для погружения более разогретого вещества в ядре Земли. Явление погружения более разогретого вещества получило название «термониз» [Тимофеев, 2009б].

Термониз – это перемещение разогретого вещества вниз в условиях, когда плотность его из-за разогрева возрастает.

Зонами термониза от перехода вещества в состояние кристаллического газа являются слои элементов верхней части наружного ядра. Одними из веществ в этой зоне, переходящими в состояние кристаллического газа, могут быть H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar. Плотность атомов этих элементов достаточно высокая, и в состоянии близком к состоянию кристаллического газа они вполне могут быть в числе элементов, образующих геосферы в этой зоне. Слои этих веществ образуют тепловой барьер на поверхности ядра.

Слои элементов на границе нижней части верхнего ядра Земли и субъядра являются зонами термониза от перехода вещества в ионизированное состояние.

Плотность атомов при ионизации, а также при дальнейшем увеличении ее степени, существенно возрастает из-за резкого уменьшения их размеров. Очевидно, что вещество при ионизации погружается.

В нормальных условиях явление термониза наблюдается у воды в температурном диапазоне +4—0°С. В этом диапазоне при нагревании у воды увеличивается плотность, и более нагретая вода погружается вниз. На рис. 23 показан термониз (тепловой барьер) перехода в кристаллический газ на границе мантии и ядра Земли. Также образно, в виде языков пламени, направленных в центр, изображена картина термониза ионизированного вещества в ядре Земли.

Рис. 23. Ядро Земли. Термониз. 1 – уран 238 и ионизированные продукты ядерных реакций; 2 – слой F (уран 235, 233); 3 —слои наружного ядра Земли; 4 – термониз перехода в кристаллический газ (граница между ядром Земли и мантией)

Математически процесс может быть описан формулой:

К – коэффициент термониза.

При К <0 происходит процесс конвекции, при К> 0 – процесс термониза.

Процессы термониза создают условие для длительного существования твердой стабильной коры Земли при значительных температурах в ее глубинах, иначе бы вся поверхность сейчас была бы раскалена до температур в сотни градусов, и никакая жизнь на Земле не была бы возможна.

Перемещение веществ, вызванное α– и β-распадами изотопов

Гипотеза 28

Процессы α– и β-распадов изотопов начали идти сразу после образования элементов, как только произошел взрыв нейтронной звезды. Еще не сконденсировался газ от раскаленных продуктов взрыва, а распад уже сильно шел, постепенно ослабевая по мере уменьшения содержания короткоживущих изотопов. При взрыве образовалось примерно 1200 видов ядер, большая часть из которых распалась к настоящему времени полностью. От всего многообразия радиоактивных изотопов до настоящего времени в природе осталось около 50. Из них основные долгоживущие: U²³⁸ (Т_1/2=4.507х10⁹ лет), U²³⁵ (Т_1/2=7.13х10⁸ лет), Th²³² (Т_1/2=1.45х10¹⁰ лет), К⁴⁰ (Т_1/2= 1.32х10¹⁰лет), которые распадаются и в настоящее время. Короткоживущие изотопы в настоящее время в природе все-таки имеются благодаря тому, что они постоянно образуются в результате целого ряда протекающих ядерных реакций от распада долгоживущих изотопов или космического излучения. Кроме того, короткоживущие изотопы образуются сейчас от реакций цепного ядерного деления U²³⁵, U²³³, Рu²³⁹как в ядре Земли, так и в ядерных реакциях на АЭС.

Распад природных радиоактивных изотопов образует радиоактивные семейства-цепочки атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате α– или β-распадов. Цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Так U²³⁸, пройдя через четырнадцать ступеней распада, среди которых есть и радий Ra²²⁶ (Т_1/2 =1622 года), и радон Rn²²² (Т_1/2 =3.825 дней), превращается в стабильный свинец Pb²⁰⁶.

Другие родоначальники – U²³⁵, Th²³², а возможно и нептуний Np²³⁷ – имеют свои радиоактивные семейства из других изотопов.

Цепочки α– или β-распадов образуют и осколки цепного деления ядер U²³³, Рu²³⁹, U²³⁵. Осколки от цепного деления имеют намного меньше атомные массы, чем при естественном распаде. Состав осколков показан на рис.11. Осколки существенно перегружены нейтронами, и распадаются ступенчато через ряд изотопов элементов по реакциям β-распада.

При любом распаде изотопа элемента образуется новый элемент с другой плотностью, из-за изменения массы ядра атома и из-за изменения заряда ядра, которое приводит к изменению размера электронной оболочки, следовательно, к изменению объема атома. При β-распаде ядра масса его не меняется, а меняется только его заряд. При этом распаде могут быть варианты. В одних случаях происходит испускание отрицательной β-частицы – электрона. И тогда один нейтрон ядра превращается в протон, заряд ядра увеличивается на единицу, а изотоп превращается в следующий элемент по таблице Д. И. Менделеева. В других случаях происходит испускание положительной β – частицы – позитрона или захват электрона из оболочки. И тогда один протон ядра превращается в нейтрон, заряд ядра уменьшается на единицу, а изотоп превращается в предыдущий элемент по таблице Д. И. Менделеева. β-распад происходит у ядер, которые имеют или больше, или меньше нейтронов по сравнению со стабильным изотопом. β-распад является основным типом радиоактивности для изотопов с атомными номерами меньше 60. При α-распаде ядрами атомов испускается α-частица, которая представляет из себя ядро атома гелия (имеет два протона и два нейтрона). При этом «материнское» ядро превращается в «дочернее», имеющее массовое число меньше на 4, а заряд меньше на 2. Элемент превращается в более легкий, имеющий порядковый номер на 2 меньший по таблице Д. И. Менделеева. Например, уран в торий. Всего известно около 25 естественных и более 100 искусственных α-активных ядер. Как правило α-активными являются ядра с большими атомными номерами, начиная с висмута, в которых прочность связей между нуклонами меньше.

В результате α– и β-распадов атомы вновь образовавшихся элементов уже не могут находиться в слоях элементов своих прежних состояний и всплывают (или тонут), перемещаясь в слои соответствующих им элементов. Такие перемещения значительны. Так, за историю Земли в результате естественного распада урана, например, U²³⁸ (Т_1/2 =4.507х10⁹ лет), половина его запасов распалась естественным образом. По представленной выше гипотезе состава космических тел количество урана в Земле составляло 0.26%, что равно 5976 ∙10²¹х0.0026 = 15.54∙10²¹кг. Получается, что распалось 7.77∙10²¹кг урана. На такую величину уменьшилась масса уранового ядра только за счет реакции естественного распада. Практически вся масса этого урана превратилась в свинец и пополнила его слой. Образующиеся сейчас вновь в результате ядерных реакций элементы продолжают перемещаться в объеме Земли. Каждое промежуточное ядро радиоактивного изотопа, трансформируется по цепочке преобразования из изотопа одного элемента в изотоп другого элемента, каждый раз перемещается из одного слоя в другой слой, то поднимаясь, то опускаясь через слои ядра Земли в соответствии с тем, в изотоп какого атома оно превратилось в данный момент, пока не перейдет в стабильное состояние. Похожая, как у распада урана, картина и по другим естественным и вновь образованным радиоактивным изотопам: Th²³², Np²³⁷, U²³³, Рu²³⁹…

Картина перемещений преобразующихся изотопов является частью общей картины массообмена в ядре Земли.

Перемещения веществ, вызванные делениями ядер элементов

Гипотеза 29

Перемещения магнитных полюсов Земли говорят о мощных процессах, которые происходят в ее ядре. Такими процессами могут быть деления ядер тяжелых элементов U²³⁵, U²³³, Рu²³⁹. Природный уран состоит в основном из U²³⁸, но содержит в своем составе 0.7204% изотопа U²³⁵. В соответствии с существующими законами при увеличении концентрации изотопа U²³⁵ неизбежно начнет происходить цепная реакция деления ядер урана на осколки. При распаде ядра выделяется 2—3 нейтрона, которые раскалывают другие ядра, где в свою очередь выделяются нейтроны, продолжающие процесс. При этом выделяется значительная энергия, составляющая 200 Мэв на ядро атома. Подобные реакции происходят в атомных электростанциях, а также при взрывах ядерных боеприпасов.

Причина концентрации изотопа урана U²³⁵ в ядре Земли показана в гипотезе №20. По фундаментальному закону Кричевского—Большакова, газы при высоком давлении и температурах выше критических расслаиваются с образованием поверхностей раздела. При этом расслаивание происходит не только по элементам, но и по их изотопам, что неизбежно приведет к увеличению содержания изотопа урана U²³⁵ в определенном слое и создаст условия для протекания реакции ядерного деления.

В результате реакций ядерного деления образуются лишние нейтроны, которые приводят к реакциям ядерного синтеза дополнительных количеств ядерного топлива U²³³, Pu²³⁹:

Th²³² + n = Th²³³ →^β→Pa²³³→^β→U²³³

U²³⁸ + n = U²³⁹→ ^β→Np²³⁹→ ^β→Pu²³⁹

Эти изотопы также способны на реакции деления по цепному механизму. Образующиеся в реакциях изотопы U²³³, Pu²³⁹, изменив плотность ядер, образуют свои слои на глубинах, соответствующих их плотностям, где распадаются в своих реакциях ядерных делений. В отличие от реакций естественного радиоактивного распада изотопов при реакциях ядерного деления образуются осколки, имеющие значительно меньшие атомные массы. Ядра делятся не на равные части. Осколки по массам примерно соотносятся как 2/3, например,

U²³⁵→Sr + Xe

Осколки перенасыщены нейтронами, и испытывают последовательно несколько β-распадов, из изотопа одного элемента превращаются в изотоп другого элемента, прежде чем становятся устойчивыми ядрами.

Известна реакция спонтанного деления ядер, при которой ядра распадаются самопроизвольно без воздействия нейтронов. Период полураспада при спонтанном делении быстро уменьшается с увеличением заряда ядер. При реакциях спонтанного деления образуются, как правило, два сравнимых по массе осколка.

При цепном делении ядер образуется до 200 радиоактивных изотопов от цинка до гадолиния, каждый из которых в условиях ядра Земли совершает перемещение в свой слой вещества. Изотопы с малым периодом полураспада слои не образуют, а в процессе перемещения преобразуются в другие изотопы и далее совершают перемещение уже в соответствии со своим новым состоянием.

Таким образом, существуют перемещения вновь образовавшихся атомов (осколков деления) от разрушающихся в реакциях деления U²³⁸, Th²³², U²³⁵, U²³³, Pu²³⁹ из глубинной части ядра Земли вверх, ближе к мантии Земли, увеличивая массы имеющихся там слоев элементов.

Перемещения, вызванные образованием водорода и гелия

Гипотеза 30

Цепные ядерные реакции в глубинах Земли создают излучение нейтронов. Образуются и так называемые запаздывающие нейтроны, которые выделяют осколки деления распавшихся ядер. Свободные нейтроны имеют небольшой период полураспада Т_1/2=12.8 мин. При этом они испытывают β-распад:

n → p+e^-+ν

В ходе распада образуется протон, электрон и нейтрино. Заторможенные протоны и электроны образуют атомы водорода. Таким образом, в среде реакций цепного ядерного деления, очевидно, образуется определенное количество водорода, который, обладая сравнительно малой плотностью при повышении температуры будет подниматься в ядре Земли к его поверхности.

В процессе естественного радиоактивного распада урана и тория выделяются α-частицы, представляющие из себя ядра атомов гелия. Учитывая, что гелий имеет очень большую энергию ионизации, его ядра неизбежно в условиях ядра Земли соберутся с электронами в атомы и далее начнут подниматься в верхние слои. Как гелий, так и водород имеют очень большую проникающую способность и поднимаются до поверхности Земли, выходя в атмосферу. В отличие от гелия водород имеет довольно большую реакционную способность, взаимодействует с другими атомами с образованием различных химических соединений, в том числе углеводородов и силанов, в виде которых и поднимается к коре Земли. Это приводит к образованию залежей углеводородов и отложению силикатных пород. Гелий в пластах способны удержать только очень плотные покрышки газовых залежей, например, слои соли в месторождениях природного газа Восточной Сибири, где он и обнаруживается. Процессы поднятия гелия и водорода являются частью общего процесса массообмена в ядре и во всем объеме Земли.

Генерация магнитного поля слоями элементов ядра Земли

Гипотеза 31

До настоящего времени нет однозначного ответа на природу образования магнитных полей Солнца и планет Солнечной системы. Одна из выдвинутых ранее гипотез предполагает генерацию магнитного поля Земли за счет индукции от суточного движения ее слоев, имеющих разные заряды. Гипотеза основана на гироскопическом эффекте Эйнштейна—Барнетта [Яновский, 1978]. Однако не был решен вопрос, какие слои и по какой причине имеют разные заряды. Предлагаемая концепция дает ответ на этот вопрос. При высоком давлении и температуре, превышающей критические значения, смеси газов расслаиваются с образованием поверхностей раздела [Кричевский, Большаков, 1941]. Ядро Земли сепарировано по слоям элементов (рис. 13), поскольку там высокое давление и высокая температура [Тимофеев, 2009б]. Слои разных раскаленных газообразных элементов ядра Земли на границах раздела заряжаются разными зарядами из-за разной величины сродства к электрону. Не исключено также, что отдельные слои ядра приобретают заряды из-за радиоактивного распада веществ слоев нестабильных изотопов. Возможно, что и слои разных пород геосфер мантии Земли имеют разные заряды. Существует ряд закономерностей возникновения электрического потенциала при контакте веществ. Это и термическая ЭДС, проявляющаяся в эффекте Зеебека, его проявление в полупроводниковых материалах, отраженное в работах А.Ф Иоффе (СССР), эффект термоэлектронной эмиссии, а при высоких температурах – ионизация элементов. Величины удельных температурных ЭДС для некоторых элементов ядра, а также приближенная оценка потенциалов слоев элементов (таблица 9).

* Коэф. Зеебека (термоэлектрическая способность элемента по отношению к Pb). ** Приближенное значение ЭДС в вольтах при температуре 10000°С

Термическая ионизация элементов даст еще большие потенциалы. Большие потенциалы могут иметь слои кислорода, фтора и йода, расположенные в верхней части ядра. Суточное вращение разнородно заряженных слоев ядра и мантии создает главное магнитное поле Земли [Тимофеев, 2011б] (рис. 24).

Рис. 24. Генерация магнитного поля Земли. Изображение поверхности Земли из сайта https://live.staticflickr.com/5343/10209385305_8b2341f255_b.jpg

Суточное вращение Земли, следовательно, и заряженных слоев ядра, вызывает кольцевой ток. По закону магнитной индукции, кольцевой ток должен создавать магнитное поле.

где H – напряженность магнитного поля, I — ток, R —радиус.

Слои заряжены противоположными зарядами, и общее магнитное поле будет равно сумме магнитных полей слоев.

Н=Н₁+Н₂+Н₃+…Н_n

На рис. 25 изображена картина суммирования магнитных полей фрагментов двух слоев ядра.

Рис. 25.  Суммирование магнитных полей фрагментов слоев

Если снаружи наружного и внутри внутреннего разно заряженных, равных по величине слоев магнитные поля будут компенсировать друг друга, то в промежутке между слоями магнитные поля будут суммироваться. По этой причине, при равной напряженности полей, доминировать будет магнитное поле наружного слоя.

Отрицательные заряды могут преобладать или во внутренней части ядра, или в наружной.

От этого зависит полярность суммарного магнитного поля Земли. На заряд слоя будет влиять температура слоя, которая может изменяться. Энергия магнитного поля в процессе трансформации космического тела может возрастать из-за увеличения электрического потенциала слоев и скорости вращения Земли. Доказательством такого механизма генерации магнитного поля является тот факт, что ориентация магнитного поля приблизительно соответствует оси вращения космических тел, а максимальная величина магнитного поля разных космических тел больше при большей скорости их вращения. Например, нейтронные звезды, скорость вращения которых может достигнуть 1800 оборотов в минуту (наблюдаемый период вращения до 0,033с), имеют магнитные поля в миллиарды и триллионы раз больше магнитного поля Земли. Величины магнитных полей медленно вращающихся космических тел, например, Луны незначительны.