Происхождение и развитие Земли есть часть космической истории атомов химических элементов, истории, начало которой еще не расшифровано с достаточной полнотой и представляет собой важнейшую проблему астрофизики и космохимии. Химический состав пашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые пропорции количественных соотношений атомов.
В связи с этим нас в первую очередь должен интересовать вопрос о современных количественных соотношениях атомов химических элементов в пределах нашей солнечной системы, поскольку именно количественные соотношения являются одной из существенных причин, определивших природу данного конкретного тела солнечной системы, и фактором дальнейшего его развития. Между распространенностью элементов и формами нахождения их в природе существует глубокая и тесная связь. Космическое обилие водорода и кислорода конкретно выразилось в возникновении поды на нашей планете н многочисленных окислов. Относительно повышенная распространенность углерода была одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни в прошлых природных системах. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и в метеоритах необычайно распространенных силикатов. Наконец, обилие железа как ведущего металла солнечной системы наложило глубокий отпечаток па свойства, среднюю плотность и химический состав в целом планет земного типа, железных и железокаменных метеоритов.
Основными источниками сведений о распространении химических элементов в солнечной системе служат данные о составе Солнца, полученные с помощью спектрального анализа, данные химических анализов, проведенных в лабораториях по материалу земной коры, метеоритов и пород поверхности Лупы.
Распространенность элементов может быть представлена в виде таблицы или графика. В настоящее время космическую распространенность элементов в природной системе принято выражать в атомных соотношениях. Так, количество атомов данного химического элемента в определенной природной системе выражается по отношению к кремнию. Кремний выбран потому, что он принадлежит к труднолетучим и в то же время распространенным элементам.
Так, совершенно очевидно, что распространенность элементов характеризуется резкими контрастами. Например, атомов бериллия в миллион раз меньше, чем атомов кислорода. В то же время общий характер распространенности имеет глубокую связь с ведущим атомным параметром — порядковым номером или зарядом. В данном случае совершенно очевидно выступают следующие закономерности.
- Распространенность элементов неравномерно убывает с увеличением порядкового номера.
- Четные элементы (с четным Z) более распространены, чем соседние нечетные. Эта закономерность в геохимии и космохимии получила название правила Гаркинса.
- Повышенным распространением характеризуются элементы, состоящие в основном из изотопов с массовым числом (Л), которое делится на 4, т. е. кратным 4.
Другая часть максимумов па кривой распространения связана с ядрами, у которых число нейтронов или протонов равно 2, 8, 20, 50, 82 и 126
Эти числа, получившие у физиков название «магических», характеризуют заполненные ядерные оболочки, которые типичны для наиболее устойчивых атомных ядер.
Изложенные выше факты определенно свидетельствуют о зависимости распространения атомов в солнечной системе от состава и свойств их ядер. Это положение весьма ярко выражено видными американскими космохимиками Г. Юри и Г. Зюссом: «Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже па золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано».
Водород и гелий представляют собой наиболее распространенные и наиболее легкие элементы солнечной системы. Они легко теряются планетами малой массы при любом способе их образования.
Если мы подойдем к оценке состава вещества солнечной системы с точки зрения самых общих свойств элементов, то его можно разделить на две часты: летучую (включающую газы при нормальных условиях) и нелетучую. К летучей относятся H, Не, СО, СО2, О, N и все инертные тазы, к нелетучей — большая часть химических элементов и среди них главные породообразующие и образующие метеориты: Si, Pc, Mg, Са, Al, Ма, Ni.
Метеориты и внутренние планеты нашей системы образуют нелетучую часть солнечного вещества в отношении атомного состава. Такое заключение базируется на всем известном аналитическом материале. А. П. Виноградов, критически обобщивший данные, по распространению атомов Солнца и каменных метеоритов на 1962 г., показал, что материал планет нашей солнечной системы есть часть, непосредственно выброшенная самим Солнцем, и что он не был захвачен из других областей галактики. Наблюдаемые реальные различия в составе планет и метеоритов — результат вторичных процессов, связанных с дифференциацией и фракционированием первичного однородного солнечного вещества.
Нелетучую часть солнечного вещества лучше всего отражают наиболее распространенные каменные метеориты — хондриты.
Сопоставление на основании современных данных распространения нелетучих элементов в веществе Солнца и в обыкновенных хондритах хорошо изучено. Очевидно, что согласие между хондритами и Солнцем, за немногим исключением, является полным. Эти данные свидетельствуют о глубоком единстве вещества Солнца и метеоритов, что связано с историей возникновения солнечной Системы.
Однако наиболее убедительные доводы в пользу генетического единства всего вещества солнечной системы мы находим в изотопном составе химических элементов. Большинство устойчивых элементов представлено более чем одним изотопом, и число их зависит от четного или нечетного значения Z. Наличие изотопов связано с тем, что в атомном ядре при одинаковом количестве протонов может быть разное число нейтронов. Наибольшее число изотопов характерно для химических элементов середины периодической системы (так, олово состоит на 10 изотопов, ксенон — из 9). Элементы с четными порядковыми номерами содержат больше изотопов, чем элементы с нечетными. Стабильные элементы с нечетным Z имеют только один или два стабильных изотопа. Легкие элементы Z < 20 и очень тяжелые Z > 81 имеют меньше изотопов, чем элементы середины периодической системы в области значений Z от 28 до 81.
Изотопный состав целого ряда элементов, изученный материале метеоритов. Луны и Земли, оказался одинаковым. Например, изотопный состав С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, К, Си, Ga, Ва оказался практически одинаковым для вещества Земли и метеоритов. Что касается самого Солнца, то для него с небольшой точностью по некоторым молекулярным спектрам удалось определить изотопный состав углерода как отношение С12 — С13. Результаты этих исследований показали, что изотопный состав солнечного углерода практически такой же, как и па Земле. В то же время изотопный состав углерода других звездных миров отличается от углерода нашей солнечной системы. Особый интерес представляет изучение изотопных соотношений в материале солнечного ветра, который представляет собой ноток атомов и конов, выбрасываемых непосредственно Солнцем в мировое пространство. В течение веков материал солнечного ветра накапливался в веществе лунного грунта, обогатившегося инертными газами у самой поверхности. Эти газы можно рассматривать непосредственно как часть солнечного вещества, ибо более глубокие горизонты лунного грунта резко обеднены инертными газами. Измерения показали, что изотопный состав инертных газов вещества Солнца, метеоритов и Земли по существу одинаков в пределах ошибок эксперимента.
Таким образом, современные данные о распространении элементов и их изотопов в изученных космических объектах и материале Земли говорят о генетическом единстве — кровном родстве всего вещества солнечной системы.
В настоящее время химические элементы в солнечной системе и различных ее телах образуют определенные соединения, которые находятся в разных агрегатных состояниях, формируя газовые, жидкие и твердые тела планет в зависимости от физических условий бытия самих планет и их состава. Пропорция твердых, жидких и газовых состоянии в разных телах солнечной системы определяется также свойствами элементов, находящихся в свободном пли в химически связанном состоянии в той пли другой фазе.
Так, Солнце представляет собой газовый шар с температурой поверхности 3000° К, которая повышается к центру. Эта температура превышает температуру кипения любого материала. Поэтому вещество Солнца представляет собой ионизированный горячий газ. Большая часть массы Солнца состоит из водорода и гелия. Поэтому само Солнце мы вправе рассматривать как раскаленную водородно-гелиевую газовую сферу, слегка разбавленную примесью остальных химических элементов.
Непосредственно в планетах солнечной системы мы наблюдаем либо холодные газы, либо твердые тела. Из всех планет па Венере обнаружена самая теплая атмосфера. Газы составляют атмосферы разных планет. Менее распространенными являются жидкости. Это вода па нашей планете и, возможно, па других планетах в ограниченном количестве, а также, вероятно, жидкий металлический расплав в некоторых внутренних планетах земного типа.
Учитывая распространенность элементов и основные формы нахождения их в солнечной системе в широком диапазоне температур, можно наиболее распространенные в системе элементы подразделить на породообразующие — образующие твердые тела, летучие элементы и инертные газы. В табл. 1 приводятся данные по распространению химических элементов в солнечной системе в порядке их классификации на породообразующие, летучие и инертные газы. Породообразующие элементы слагают основную массу каменных тел солнечной системы: метеориты, земную кору, лунные породы и главную массу планет земного типа. Летучие элементы являются характерными элементами солнечного вещества. При низких температурах атомы их образуют молекулярные соединения, которые также являются в основном летучими и находятся в виде газов при температурах свыше 0° С. Однако в интервале температур от —10° до —200° С многие из них замерзают, переходя в твердое состояние. Инертные газы ко вступают в химические соединения с другими элементами и остаются в газовом состоянии даже при самых низких космических температурах в пределах нашей солнечной системы.
Таким образом, можно видеть контрасты в составе земной коры, Земли, Солнца и метеоритов, что отражает историю их формирования, включавшую фракционирование и дифференциацию химических элементов. Наша Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той стапеля, в какой они проявили свою химическую активность (например, Н, О, С). Инертные газы по существу чужды нашей планете. В метеоритах они также распространены мало.
Подводя итог сказанному о распространении и распределении химических элементов в солнечной системе, можно считать, что все ее тела построены в основном из немногих элементов. Наиболее распространенные ограничиваются номером 28 периодической системы.