Диффузия водорода из мантии Земли в космос

В. И. Гузей

Миллиарды лет поверхность Земли покрыта океанами и морями, общая масса которых составляет на сегодняшний день ~ 1,5∙1018 т. Встает вопрос, благодаря чему в течение столь длительного исторического периода поддерживается баланс такого огромного количества воды? Ведь известно, что так называемый "круговорот воды в природе" на самом деле является незамкнутым. С одной стороны, идет постоянная диссоциация воды:

а) под действием фотохимических процессов в стратосфере Земли;

б) при механических кавитационных процессах на гребнях волн во время океанских штормов;

Биологическое связывание воды с углекислым газом и с выделением кислорода, которое в начальный период образования биосферы сыграло свою роль, в дальнейшем можно было уже не учитывать, поскольку процессы биосинтеза вошли в равновесие с процессами органического разложения, сопровождающимися высвобождением воды).

В результате прохождения первых двух процессов идет постоянное разложение молекул воды на водород и кислород:

2 H2O + ∆E → 2 H2 + O2 ( 1 )

Водород, как более легкий газ, быстро диффундирует в космос, а кислород, который тяжелее азота, большей частью опускается к поверхности Земли. Там кислород частично поддерживает баланс своего содержания в атмосфере, а частично связывается в различных окислительных процессах (например, окисление NH3, CH4, H2S, CO, FeO и т.д., выходящих на поверхность Земли в результате глубинных процессов).

Таким образом, если бы не было постоянного источника подпитки мирового океана новыми порциями воды, то его уровень в течение миллиардов лет постепенно снижался бы.

Принято считать, что таким постоянным источником воды является термическое разложение гидратированных силикатных глубинных пород Земли, якобы попавших туда из космоса в период формирования планет Солнечной системы. Однако такое предположение вызывает сомнения.

Из соображений химической кинетики, термическое разложение гидратированных силикатов должно протекать в определенном (по глубине и температуре) слое Земли и при этом должна наблюдаться падающая по экспоненте временная зависимость валового выделения воды по мере обезвоживания разлагающейся породы.

Поддерживать уровень океана могло бы постепенное продвижение фронта термического разложения пород в новые более поверхностные слои Земли, но для этого необходимо было бы постепенное повышение температуры внутри Земли. Однако если и говорить об историческом изменении потока энергии из недр Земли, то, скорее всего, наоборот, температура должна снижаться в силу постепенного истощения запасов радиоактивных элементов.

Более правдоподобным является предположение о том, что силикаты являются не источником воды, а наоборот, химически связывают значительную часть воды, просачивающейся на поверхность Земли через литосферу. При этом слой гидратированных силикатов постепенно уходит вглубь Земли по мере ее остывания из-за истощения запасов радиоактивных элементов.

Все это приводит к мысли о том, что должен быть другой стабильный источник выделения воды за столь длительный период существования земной гидросферы.

Известно, что при распаде радиоактивных элементов (U235, U238, Th232, K40), содержащихся в мантии Земли в гораздо больших количествах, чем в поверхностных слоях коры, происходит выделение таких высокоэнергичных частиц как α-частицы (ядра 2Не4), нейтроны (0n1) и гамма-излучение. Вступая во вторичные ядерные реакции, они способны приводить к выделению значительных количеств протонов (ядер водорода 1Н1):

ZXA + 2Не4 → Z+1YA+3 + 1Н1 ( 2 )

ZXA + 0n1 → Z -1YA + 1Н1 ( 3 )

ZXA + hν → Z -1YA -1 + 1Н1 ( 4 )

Образующийся при этом водород является довольно активным восстановителем для ряда окислов, карбидов, нитридов металлов. К элементам, которые способны активно восстанавливаться водородом при температурах расплавленного вещества мантии Земли (1800-27000К), являются, в первую очередь, сидерофильные элементы ( Fe, Ni, Co ) :

MeO + H2 = Me + H2O ( 5 )

Me2C + 2H2 = 2Me + CH4 ( 6 )

Me3N2 + 3H2 = 3Me + 2NH3 ( 7 )

Сульфиды при данных условиях водородом не восстанавливаются, также как и окислы литофильных элементов ( Si, Al, Ca, Mg, Na, K, Ti, Mn, U, Th и т.д.).

Из халькофильных элементов наибольший интерес представляет поведение свинца, поскольку этим элементом оканчиваются урановые и ториевый ряды радиоактивного распада, и за историю существования Земли свинца должно было накопиться значительное количество. Поскольку урановые элементы в мантии находятся в виде окислов ( U3O8 , ThO2 ), то и образующийся свинец должен выделяться в виде окисла. Окислы халькофильных элементов ( Pb, Bi, Tl), образующихся в период радиоактивного распада, в силу своей летучести и термической нестойкости, должны концентрироваться в верхних, более низкотемпературных слоях мантии (по-видимому, в районе астеносферы, способствуя ее разжижению), где они, в основном, должны переходить в сульфиды. А сульфиды в этих условиях водородом не восстанавливаются.

Таким образом, можно заключить, что значительным и постоянным источником воды в истории Земли может быть процесс восстановления соединений сидерофильных металлов водородом, образующимся в результате прохождения реакций радиоактивного распада.

Дополнительным источником воды может быть также реакция:

MeO + H2S = MeS + H2O ( 8 )

С другой стороны, по-видимому, именно реакции 5 и 8 являются основными в пополнении металлической и троилитовой (MeS) фаз ядра Земли.

Описываемое в литературе предположение о том, что основную роль в образовании металлической фазы сыграл углерод, вызывает сомнение. В условиях резко восстановительной среды в мантии из-за присутствия больших количеств H2, H2S, СН4, NH3 и дефицита кислорода практически невозможно образование СО, являющегося необходимым вспомогательным компонентом для восстановительных реакций с участием углерода:

2C + O2 = 2CO ( 9 )

MeO + CO = Me + CO2 ( 10 )

‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾

2MeO + 2C + O2 = 2Me + 2CO2 ( 11 )

Реакция 11 идет практически при любых температурных условиях, в то время как реакция прямого восстановления углеродом в отсутствие кислорода:

2MeO + C = 2Me + CO2 ( 12 )

начинает идти слева направо только выше 25000К при нормальном давлении, а в условиях высоких давлений в мантии этот процесс еще более осложняется. В это же время реакция 5 развивается уже при температурах выше 10000К для FeO и 4000К для NiO, поэтому можно считать, что она более предпочтительна при параллельном прохождении, чем реакция 12.

Следует, при этом, заметить, что приведенные выше заключения о возможности или невозможности прохождения реакций носят скорее качественный, чем количественный характер. Условия в глубинных слоях Земли намного отличаются от лабораторных, поэтому приведение точных термодинамических расчетов было бы здесь некорректным. Однако, учитывая, что все описываемые выше реакции проходят примерно в одних и тех же условиях, то термодинамические расчеты позволяют дать относительную приближенную оценку предпочтительности тех или иных реакций.

Можно сделать вывод, что давление воды, поступающей на поверхность из глубин Земли в результате восстановительных реакций и не успевшей связаться в гидросиликаты, должно носить глобальный и долговременный характер. Уровень мирового океана, по-видимому, исторически зависел от того, каким был баланс между общей массой воды, поступающей из глубины Земли и массой воды, распадающейся в атмосфере. И, поскольку количество радиоактивных веществ в Земле постепенно снижается, то следует предположить, что основная масса воды мирового океана образовалась на ранних стадиях существования Земли, когда содержание радиоактивных элементов в ее недрах было на 4-6 порядков выше. Однако, учитывая периоды полураспада U235, U238, Th232, составляющие несколько миллиардов лет, они не могли находиться в недрах Земли в таких количествах. Следует предположить, что на ранних стадиях развития Земли радиоактивную составляющую представляли другие более короткоживущие изотопы, почти полностью распавшиеся до наших дней.

При таких условиях для образования нынешнего объема воды достаточно было 1- 1,5 млрд. лет. Однако постепенное уменьшение количества выделяющейся воды должно было вести к постепенному снижению уровня мирового океана. Предположительно, когда-то его уровень мог быть на несколько километров выше, чем в настоящее время, полностью покрывая всю поверхность Земли.

По-видимому, аналогичные процессы должны проходить и на других планетах в зависимости от общего количества в их недрах радиоактивных элементов. Появление на Марсе полярных шапок и явление постепенного восстановления темных пятен на поверхности планеты после песчаных бурь может говорить о том, что из глубин Марса выделяется небольшое количество влаги в силу присутствия в его мантии остаточных количеств радиоактивных веществ.

Также можно предположить, что в мантии планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) находится, в абсолютном выражении, гораздо большее количество радиоактивных веществ, чем на Земле, о чем свидетельствует огромный поток энергии, выходящий из их глубин. Вследствие этого внутренняя структура этих планет может состоять из четырех слоев:

металлическое ядро;

оксидная мантия;

солидная водная прослойка, которая может состоять из всех трех агрегатных состояний (если температура на границе между мантией и водой выше 3730С, то между мантией и жидкой водой может быть паровая прослойка; если на границе между водным и аммиачно-метановым слоем температура ниже температуры замерзания воды при том давлении, то может существовать и ледяная прослойка);

внешний аммиачно-метановый слой, который может быть также в разных агрегатных состояниях.

В силу постепенного повышения температуры вглубь указанных планет, в слое жидкой воды может быть довольно значительный слой (несколько десятков километров) с температурой 0 - 400С, вполне пригодный для развития анаэробных форм жизни.

В заключение можно было бы сделать еще одно предположение. Мы судим о том, какие радиоактивные элементы находятся в глубинных слоях Земли, по содержанию их в поверхностных слоях земной коры. Но насколько это соответствует действительности? Уран и торий, как химические элементы, обладают высоким сродством к кислороду, практически не восстанавливаются до металла и потому содержатся, в основном, в мантии, частично выносясь на поверхность Земли тектоническими процессами. Однако есть и другие радиоактивные элементы, в том числе и трансурановые, которые могут легко химически восстанавливаться и быть при этом довольно тугоплавкими. Такие элементы будут присутствовать только в металлической фазе. Причем, благодаря своей высокой плотности, они должны скапливаться в самом центре металлического ядра. Такие элементы вряд ли смогут когда-либо оказаться на поверхности Земли, чтобы мы могли их обнаружить. С другой стороны, мы пока не знаем, как влияют на период полураспада радиоактивных элементов столь гигантские давления, которые существуют в центре Земли. Скорее всего, трансурановые элементы в таких условиях могут быть настолько более стабильными (например, на уровне U238), что не существует опасности превышения критической массы. В этом случае такое радиоактивное центральное ядро Земли и других планет может значительно превышать общее содержание урановых элементов в мантии и быть исторически гораздо более стабильным источником водорода, а, следовательно, и воды.

Список литературы

Бакулин Б.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. - М.: Наука, 1977.

Виноградов А.П. Космохимические проблемы. – Известия АН СССР, Серия геологии, 1974, № 7.

Виноградов А.П. Образование металлических ядер планет. – Геохимия, 1975, № 10.

Виноградов А.П. Химическая эволюция Земли. – М.: Изд-во АН СССР, 1959.

Виноградов В.И. Сколько лет океану? – Природа, 1975, № 12.

Войткевич Г.В. Происхождение и химическая эволюция Земли. – М.: Наука, 1973.

Войткевич Г.В. Радиоактивность в истории Земли. – М.: Наука, 1970.

Войткевич Г.В. Химическая эволюция солнечной системы. – М.: Наука, 1979.

Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии, т.1. – М.: Госхимиздат, 1963.

Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. – М.: Наука, 1985.

Горбачев А.М. Общая геология. - М.: Высшая школа, 1981.

Гуди Р., Уокер Дж. Атмосферы. – М.: Мир, 1975.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. – М.: Наука, 1978.

Жарков В.Н., Калинин В.А. Уравнения состояния твердых тел при высоких давлениях и температурах. – М.: Наука, 1968.

Кей Дж., Леби Т. Таблицы физических и химических постоянных. – М.: Физ-мат. издат, 1962.

Климишин И.А. Элементарная астрономия. – М.: Наука, 1991.

Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. – М.: Атомиздат, 1971.

Краткая химическая энциклопедия. – М.: Изд-во "Советская энциклопедия", т.1, 1961; т.2, 1963; т.3, 1964.

Краткий справочник по химии, ред. Куриленко О.Д. – Киев: Наукова думка, изд.3, 1965.

Краткий справочник химика, сост. Перельман В.И. – М.: Госхимиздат, 1963.

Кузьменко Г.И. Глубинные процессы Земли. Геофизический журнал, 5. Т. 22, 2000, с. 3 - 13.

Куликов К.Л., Сидоренков Н.С. Планета Земля. – М.: Наука, 1972.

Науки о Земле. Т. 21. Справочник физических констант горных пород. - М.: Мир, 1969.

Некрасов Б.В. Курс общей химии. – М.-Л.: Госхимиздат, 1960.

Ораевский В.Н. Ядерная энергетика. – Киев: Наукова думка, 1978.

Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород – М.: Недра, 1973.

Справочник химика, ред. Никольский Б.П. – М.-Л.: Госхимиздат, изд.2, т.1, 1962; т.2, 1963; т. 3, 1964.

Тейлер Р.Дж. Происхождение химических элементов. – М.: Мир, 1975.

Трубицын В.П. Внутреннее строение планет-гигантов, Земля и Вселенная, 1974, № 1.

Элиот Л., Уилкокс У. Физика. – М.: Наука, 1967.