Природа эндогенной активности Земли и других планет

Советские и американские автоматические станции, проанализировавшие состав атмосферы Венеры, обнаружили поразительное отличие изотопного состава венерианского аргона от земного:

                                            Ar-40        Ar-38       Ar-36
               Венера 47.2 8.6 44.2
              Земля 99.6 0.063 0.337

- При практически одинаковом отношении Ar-38/Ar-36 отношение Ar-40/Ar-36 оказалось в 296.5 раза меньше земного. В  результате атомный вес аргона на Венере равен 38.1 вместо 39.998  на Земле. Это означает, что аномалия атомного веса Ar - K на Венере отсутствует. Точнее говоря, она является скрытой аномалией, т.к."правильный" атомный вес агона должен быть близок к 36  (см. рис. 2 в первой статье).

Новый сюрприз преподнесли данные по изотопному составу аргона в атмосфере Марса: отношение Ar-40/Ar-36 ~ 3000, т.е. от земного отличается в 10 раз, но в противоположную сторону. При этом марсианское отношение Ar-38/Ar-36, как и венерианское,  в пределах точности определений совпадает с земным.  Анализ изотопного состава других инертных газов - Ne и Kr - выявил на всех трех планетах практически одинаковые распределения (по 8-ми изотопам)[1]. Это снимает любые подозрения относительно возможности вторичного изменения изотопного состава аргона, тем более в таких "немыслимых" масштабах. Поскольку, в отличие от других упомянутых изотопов, Ar-40 имеет радиогенное происхождение, будучи продуктом электронного захвата K-40, остается сделать "почти немыслимый" вывод: распад K-40 - Ar-40 на трех планетах шел с резко различной скоростью (на порядки).

Предупреждая возможную бурную реакцию некоторых читателей на такое утверждение, сразу заметим, что небольшое влияние внешних условий на скорость электронного захвата давно известно (это влияние природы соседних атомов в исследуемом образце, давления, температуры), однако наблюдаемые колебания скорости распада обычно не превышают 1%. Рассуждая отвлеченно, можно предположить, что три планеты испытали буквально космическое по мощности воздействие на атомы, вызвавшее колоссальное возмущение их электронных структур, захватившее и глубинные электронные оболочки, что привело к росту электронной плотности в ядрах и интенсивному захвату электронов. При этом возмущающий фактор действовал наиболее мощно на тело Марса, менее мощно на тело Земли и в наименьшей степени - на тело Венеры. Это представление подтверждается сопоставлением химического состава атмосфер Венеры и Марса: СО2 - 96.5 и 95% соответственно; N2 - 3.2 и 2.7%; Ne - 7. 10-4 и 2.5.10-4%; Kr - 7.10-5 и 3.10-5% . - При столь разительном общем сходстве (оно усиливается, если учесть, что приведенные цифры по Марсу систематически ниже венерианских) различие по абсолютному содержанию Ar оказывается огромным: 7.10-3 и 1.6%. (Если в атмосферу Земли ввести весь углекислый газ, растворенный в океане и связанный в карбонатах, а также добавить тот, который разложился в процессе фотосинтеза на атмосферный кислород и углерод горючих ископаемых и живого вещества, то и земная атмосфера будет иметь химический состав очень близкий к марсианской и венерианской. При этом содержание Ar составит величину промежуточную между марсианской и венерианской, но ближе к марсианской.)

Многие, думаю, уже догадались, что возмущающим фактором могла стать мощная метеоритная бомбардировка, пережитая всеми планетами земной группы примерно 4 млрд лет назад, которая длилась около 300 млн лет. Следы ее хорошо видны на Марсе, Венере, Меркурии и, будучи почти стертыми на Земле, хорошо сохранились на лунной поверхности. Марс, расположенный ближе всего к астероидному поясу, являющемуся источником метеоритов, испытал наиболее мощное воздействие, а Венера наименьшее (Меркурий, как показывают расчеты и особенности его орбиты, в те времена, возможно, был спутником Венеры).

Породы Земли, Венеры, Марса и Луны по величине Th/U -отношения близки между собой и к веществу углистых и обыкновенных хондритов (метеоритов), что свидетельствует об их генетическом родстве. В то же время, по уровню содержания калия планеты образуют последовательность: Земля, Венера > Марс > Луна [ 2 ]. Последующие (американские) экспедиции к Венере выявили более высокое содержание калия на ее поверхности, чем на земной, так что в итоге имеем последовательность: Венера > Земля > Марс > Луна. Такую последовательность можно объяснить, учитывая два обстоятельства. Во-первых, массовые определения содержания калия на других планетах произведены почти целиком методами радиационной спектрометрии, поэтому приведенная последовательность отражает, строго говоря, именно соотношение содержаний радиоактивного K-40, а не калия как такового. Во-вторых, на Марсе в древности существовала атмосфера наподобие земной, о чем свидетельствует  сеть речных русел на его поверхности. Атмосфера разрушала и тормозила метеориты, тогда как Луна ввиду малой массы не могла удержать атмосферу и оказалась наименее защищенной.

 Калий-аргоновый метод, примененный для определения возраста наиболее плотных минералов, извлеченных из глубинных мантийных пород Земли (где процессы миграции атомов максимально подавлены огромным горным давлением и сохранность радиогенного аргона должна быть особенно высокой), дает для них возраст порядка 15 млрд лет, т.е. втрое выше возраста Солнечной стстемы. Этот давно обнаруженный и "неразрешимый" парадокс также можно отнести на счет принудительного "состаривания" пород, содержащих К-40, под действием метеоритной бомбардировки.

Перейдем к рассмотрению магматических проявлений на планетах. Расчеты показывают, что энергетический потенциал К-40 достаточен для объяснения лунного магматизма, поэтому особенности проявления магматической активности Луны, имеющей предельно простую геологическую историю, также дают стройную систему доказательств ее "метеоритного" происхождения: а) почти все ее магматические моря сосредоточены в одном, видимом с Земли полушарии; б) почти все моря концентрируются в приэкваториальной полосе. - Поскольку приливное трение всегда ориентировало Луну одной стороной к Земле, эта сторона была хорошо защищена от метеоритов и бомбардировке подвергалась в основном невидимая с Земли сторона, естественно, в экваториальной зоне. Но одностороннее наращивание массы Луны за  счет астероидов и метеоритов привело в конечном счете к ощутимому дисбалансу (его существование доказано), и внешняя сторона, ставшая более массивной, притянулась к Земле, произошел разворот на 180 градусов. Логично выглядит не только пространственно-временная картина, но также тот факт, что масштаб магматических проявлений на Луне - вопреки стандартной логике - значительно больше, чем на более массивном Меркурии, также не имеющем атмосферы. При этом магматические проявления на поверхности Меркурия почти целиком представлены магматическими озерами на дне метеоритных кратеров, хотя энергии удара совершенно недостаточно для плавления таких больших масс (давно обнаруженный парадокс). В полном согласии с "метеоритной" версией магматическая активность Венеры, имеющей мощную атмосферу, проявилась главным образом в наличии многочисленных вулканов, расположенных во всей экваториальной зоне.

Изучение тектонической истории Луны и Марса давно уже привело к выводу: история этих планет лучше всего укладывается в представление, согласно которому магматический расплав возник в поверхностной зоне, а глубокие недра остались холодными. Метеоритная бомбардировка, вызвавшая ускоренный распад К-40, идеально согласуется с этим "сценарием".

Из приведенного выше соотношения содержаний калия в породах планет видно, что по нашей верссии Луна испытала особенно глубокое истребление К-40, и это приводит к поддающимся проверке следствиям: 1) поскольку одно полушарие Луны было особенно хорошо защищено от бомбардировки, а второе, наоборот, подвергалось особенно "нещадной" бомбардировке, распространенность К-40 в двух полушариях должна быть резко различной; 2) должно наблюдаться резкое различие в распространенности К-40 между "морскими" и "континентальными" районами.

Но изложенные выше факты, образующие, казалось бы, стройную и разностороннюю систему доказательств, "напарываются" на внутреннее противоречие: распад К-40 - Ar-40 через ускоренный электронный захват не объясняет сопутствующие магматические проявления, т.к. почти вся энергия такого распада бесследно для тела планет уносится электронным антинейтрино. Более того, мощное ускорение электронного захвата должно было резко снизить долю распадов, идущих в направлении Са-40 (в обычных условиях на него приходится ~90%) и т.о. привести к резкому ослаблению тепловыделения в телах планет, особенно Луны, в действительности породившей за короткий срок океаны магмы.

Это противоречие в принципе можно разрешить, если обратить внимание на третий канал распада К-40, на который в обычных условиях приходится ~0,001% всех распадов: позитронный распад К-40 - Ar-40 с образованием наряду с нейтрино мощного гамма-излучения, легко поглощаемого телами планет. Если допустить, что метеоритная бомбардировка колоссально ускоряла именно этот вид бета-распада, а не конкурирующий с ним электронный захват, то "все встает на места". Экспериментальные данные по принудительному ускорению позитронного распада, видимо, отсутствуют, но из самых общих теоретических представлений следует, что "накачка" способных к такому распаду атомов энергией должна ускрять позитронный распад и метеоритная бомбардировка такую роль могла сыграть. Ниже, в несколько иной связи, обсуждаются также теоретические исследования И.В. Копытина с сотрудниками [3 ], свидетельствующие об общей  "податливости" процессов бета-распада к внешним воздействиям. [Подчеркнутый фрагмент текста вставлен 25.08.2016 ]

Акт распада ядра в конденсированной фазе обычно представляет собой микровзрыв с высокими PT-параметрами, что превращает его в самостоятельный фактор возбуждения окружающих атомов, в фактор самоподдержания начавшегося процесса механически стимулированного распада. Учитывая высокую и примерно равную исходную распространенность калия на всех планетах, высокую подвижность калия и тенденцию концентрироваться в коре, можно с высокой степенью уверенности утверждать, что планеты земной группы в своей эволюции прошли стадию, когда все они являлись природными ядерными реакторами. Не исключено, что и человек сможет реализовать этот процесс. (Если бы удалось создать эффективные детонаторы для подрыва боеприпасов на основе К-40 (простейший способ - с еще неясной эффективностью - введение этого изотопа в состав обычной взрывчатки), то, имея мощность ядерного заряда, они не порождали бы радиоактивных продуктов распада и не нуждались в защите от излучения при обращении с ними. - Чистое ядерное оружие, а также чистая ядерная техническая врывчатка и безотходная, безопасная энергетика, - вплоть до создания миниатюрных "дизельных" двигателей, - при более высокой сырьевой обеспеченности, чем урановая.)

Сказанное означает также, что метеоритная бомбардировка привела к геологически быстрому истреблению преобладающей части K-40 на всех планетах земной гоуппы и их спутниках, что сопровождалось интенсивной генерацией тепла, не сравнимой с той, которая следует из стандартых представлений о радиоактивном саморазогреве, а также генерацией мощного потока газа.   Кипящие, "газированные" недра, в свою очередь, должны были породить интенсивную конвекцию и чрезвычайно активную гравитационную дифференциацию вещества, быстро исчерпывая и ее энергетический потенциал. Это согласуется с практически единодушным выводом планетологов о том, что планеты земной группы одновременно пережили - неизвестно почему - раннюю, бурную и короткую фазу магматической активности, имея очень разные значения массы и средней плотности. При этом расчеты показывают, что Луне при естественной скорости радиоактивного саморазогрева потребовался бы 1 млрд лет или более. Кроме того, на Земле 4 млрд лет назад за геологически короткий отрезок времени образовались ядра континентов. Этот процесс интенсивного корообразования также потребовал мощного источника энергии краткого действия. Поскольку запасы Th, U и остатков K-40, как считается, были вынесены наверх, глубокие недра планет должны были до такой степени истощить все запасы внутренней энергии, что на их основе совершенно невозможно объяснить  наблюдаемые в ходе последующей геологической истории интенсивные, гигантские излияния лавы. Это ставит вопрос (далеко не новый) о существовании в недрах планет каких-то неизвестных источников энергии.

В этой связи представляет исключительный интерес классическая аномалия атомного веса Co - Ni.  Как можно видеть из рис. 2 первой статьи, эта аномалия обусловлена заниженным атомным весом Ni, что определяется аномально высокой распространенностью самого легкого стабильного изотопа Ni-58 вместо естественного преобладания средних членов изотопной плеяды с четными массовыми числами:

                Ni-58 - 67.76%,   Ni-60 - 26.16%,   Ni-61 - 1.25%,   Ni-62 - 3.66%,   Ni-64 - 1.16%

С нею по массовому ряду соседствует аномалия в распространенности изотопов железа:

                        Fe-54 - 5.84%,   Fe-56 - 91.68%,   Fe-57 - 2.17%,   Fe-58 - 0.31%

Здесь аномально низкую распространенность имеет самый тяжелый изотоп Fe-58, - почти на порядок ниже, чем у соседнего нечетного Fe-57, что неестественно. Т.о. имеем две аномалии, связанные с одним массовым числом 58. Если это сопоставить с высокой общей распространенностью железа и значительно более низкой распространенностью никеля, то напрашивается вывод о том, что обе изотопные аномалии возникли в результате одного процесса: Fe-58 почти нацело превратился в Ni-58, имеющий "магическое" число протонов 28.

Выглядит логично, но есть два препятствия: материнское ядро стабильно, переход требует затраты значительной энергии, около 2 Мэв. Эту ситуацию, которая кажется тупиковой, сравнительно недавно кардинально изменили теоретические исследования И.В. Копытина с сотрудниками, в которых доказана возможность вынужденного бета-распада стабильных изотопов в различных процессах, среди которых выделим, как наиболее реалистичные для физики планет, процессы нуклон-ядерных столкновений при сравнительно небольших энергиях [3]. Цитирую:

"Для осуществления процесса столкновительного бета-распада (СБР) требуется выполнение следующего условия: кинетическая энергия столкновения должна превышать порог, определяемый разностью значений энергии основных состояний дочернего и материнского ядер. Т.о. СБР, в отличие от других процессов, обусловленных ядро-ядерными столкновениями, может происходить при энергии много меньшей высоты кулоновского барьера, и в этом случае взаимодействие ядер  можно считать чисто кулоновским". "Сечение СБР ... сильно зависит от зарядового числа столкновительного партнера Z... основной вклад в СБР вносят столкновения с наиболее легкими элементами - H и He".  "Столкновения нуклонов или ядер с ядрами при достаточной относительной энергии могут ...вызвать (или ускорить) альфа- или бета-распад стабильных или естественно активных изотопов"(выделено мною - Г.Г.).

Можно сразу указать масштабный пример такого процесса в Солнечной системе. - При исследовании Луны был  выявлен парадоксальный факт: поверхностный слой лунного грунта (реголит), состоящий из пыли и обломочного материала, имеет более древний возраст, чем подстилающие скальные породы, хотя мало чем от них отличается химически и петрографически. Причина этого, как можно догадаться, состоит в том, что реголит постоянно облучается галактическим и солнечным излучением, плазменная компонента которого состоит главным образом из ускоренных ядер H и He. Радиоактивные изотопы U и Th, используемые для оценки возраста пород, под действием этого излучения испытали ускоренный альфа- и бета-распад, что создало видимость большей древности реголита. Добавим к этому, что в реголите, в отличие от подстилающих пород, обнаружены заметные количества имплантированного водорода и сорбированного гелия.

В статье академика А.П. Виноградова [4] описаны загадочные метеориты "как бы сложенные из кусков темного и светлого вещества. Граница между ними довольно резкая, но неровная. Темное вещество более плотное, более мелкозернистое, а в светлом веществе больше хондр, но плохо очерченных.  ...По химическому составу светлое вещество почти не отличается от темного.  ...светлое вещество резко отличается от темного по содержанию изотопов нейтральных газов. Светлое вещество содержит их очень мало, а темное - во много десятков и сотен раз больше.  ...абсолютный возраст темного вещества... выше, чем светлого вещества в одном куске." - Загадка, похоже, имеет следующее решение. Удар метеорита по астероиду, покрытому, подобно Луне, слоем реголита, срастил вещество реголита с веществом подстилающих пород, и этот агломерат ударной волной был выброшен в космос и впоследствии упал на Землю. Тонкодисперсный и "состаренный" реголит, содержащий имплантированные и сорбированные газы, образовал темное плотное вещество (дисперсный материал уплотняется лучше, чем кусковой; сорбция газов, подобно увлажнению, придает темный цвет), а светлый, оказывая большее сопротивление удару, поглотил больше энергии, что выразилось в более обильном хондрообразовании.

Отметим, что кажущееся "состаривание" материала под действием космического излучения означает не только ускоренный распад используемого для определения возраста пород U и Th ( массированное их истребление) с образованием большего количества свинца, но и изменение изотопного состава свинца. Такой процесс создает еще одну иллюзию - что вещество Солнечной системы представляет ядерно разнородный материал, синтезированный в далеко разнесенных во времени двух космических событиях [5].

 Все это позволяет, в частности, предсказать, что железо лунного реголита (и железо некоторых типов метеоритов) резко обеднено изотопом Fe-58, а никель несколько обогащен изотопом Ni-58 по сравнению с земным.

 

Альфа-частицы и нейтроны, рождающиеся в теле Земли при распаде урана и тория, в принципе могли и несомненно вызывали переход Fe-58 - Ni-58, но железо составляет не менее трети массы Земли, поэтому ресурсов урана и тория совершенно недостаточно. Тем не менее Земля каким-то образом "смогла позволить себе" такое массированное и энергозатратное превращение (надо полагать, не единственное). Откуда взялась энергия? - Напрашивается тот же самый ответ, который предложен выше, в статье "Парадоксы геофизики" при обсуждении природы пульсаций теплового и флюидного потоков Земли с периодом ~ 30-35 млн лет (цикл Штилле): тяжелые стабильные элементы, сконцентрированные в железном ядре планеты, имеют примерно такой же запас внутренней энергии, как торий и уран, и периодически дестабилизируются, испытывая бета-распад, а затем протонный и двухпротонный распад, рождающий энергичные протоны, поток водорода из недр и тепловой поток. Но принято считать, что этот громадный потенциал не может  быть задействован.

Если все-таки пойти от противного, принимая, что другого мощного источника энергичных частиц просто нет и что планеты действительно являлись и являются природными ядерными реакторами, то при достаточно большой массе реактор-планета должен взрываться. В космическом масштабе это явление должно быть таким же заурядным, как взрывы звезд. В этой связи прежде всего привлекает внимание астероидный пояс между Марсом и Юпитером, а также сам Марс. Дело в том, что все планеты Солнечной системы  имеют (или имели) спутники, поэтому существование на месте астероидного пояса более массивной, чем планеты земной группы, планеты Фаэтон требует также наличия поблизости и ее спутника, который должен был уцелеть при взрыве. И Марс по своим характеристикам подходит на эту роль: он расположен рядом; он лишь в 8.7 раза массивнее Луны (при этом существенную часть массы он нарастил за счет метеоритной бомбардировки); он имеет резко пониженную по сравнению с Землей и Венерой среднюю плотность, почти совпадающую со средней плотностью Луны; он, подобно Луне, имел магнитное поле, но одновременно с ней потерял его 4 млрд лет назад. Тяжелые планеты Солнечной системы, имея плотное и массивное ядро, должны взрываться тоже. Похоже, что системы колец вокруг этих планет отражают собою череду взрывов, происходивших под мощными газовыми оболочками, подавлявшими рассеяние продуктов взрыва и  воссоздававшими т.о. условия для последующих взрывов.

 Наблюдаемый в настоящее время поток водорода из глубоких недр Земли непомерно велик, чтобы состоять из ювенильного водорода, и уже одно это ставит "ребром" вопрос о его происхождении. Предложенный выше механизм его непрерывной генерации привлекателен еще и тем, что с протонным и двухпротонным распадом тяжелых ядер неизбежно конкурирует альфа-распад, который тоже ведет к уменьшению дефицита нейтронов. Очевидно, что при альфа-распаде нейтронодефицитных ядер, образовавшихся при бета-распаде "стабильных", должен вырасти выход He-3. Кроме того, глубинный водород, в отличие от наземного, должен быть обеднен дейтерием. Именно это и наблюдается:  мантийный гелий обогащен по He-3 на три порядка в сравнении с коровым гелием, а по дейтерию количественными данными не располагаю, но качественно это тоже подтверждается. - Недра т.о. свидетельствуют о своей нейтронодефицитности.

Одним из проявлений эндогенной активности Земли является ее магнитное поле. Имея жидкое металлическое ядро, Земля через конвективное и вращательное движения этой заряженной жидкости, видимо, становится магнитом по механизму "гидромагнитного динамо". Однако, чтобы жидкость обрела конвективное движение в таких колоссальных масштабах, необходим мощный источник тепла в металлическом ядре планеты, который академическая наука назвать не смогла. - Снова "проглядывает" неизвестный источник энергии. Помимо Земли он "проглядывает" и на очень маленьком Меркурии, имеющем тем не менее  сравнимое с земным жидкое металлическое ядро, а вместе с ним и магнитное поле: жидкое ядро Меркурия, покрытое тоненькой мантией, должно было остыть и затвердеть еще в первые 1,5-2 млрд лет существования из 5-ти, но почему-то не остыло.

Сравнительно недавно при изучении магнитных полосовых аномалий, "записанных" на океаническом дне Земли, установлено, что с периодичностью примерно 30 млн лет наступают эпохи (фазы) частой смены полярности магнитного поля Земли. Это - признак периодически возникающей слабости, неустойчивости как магнитного поля, так и порождающего его конвективного движения в жидком ядре. Т.е. магнитное поле Земли имеет мягко пульсирующий характер, причем частота и этих пульсаций совпадает с циклом Штилле. Доказано также, что эпохи частой смены полярности совпадают с эпохами морских регрессий [6], т.е. с эпохами низкой генерации тепла в нашей схеме. Но и в рамках механизма "гидромагнитного динамо" это означает, что пульсации тела Земли, рождающие морские регрессии и трансгрессии, являются именно тепловыми пульсациями (иначе механизму "гидромагнитного динамо" следует искать замену). Каким образом механически стимулированный радиоактивный распад тяжелых элементов обретает пульсирующий характер, упомянуто выше, в ст. «Парадоксы геофизики». Суть состоит в том, что орбитальное движение Солнца в плоскости Галактики сочетается с гармоническими колебаниями движения Солнца в направлении перпендикулярном к галактической плоскости с периодом ~ 33 млн лет [7]. Эти периодические движения определяют периодичность изменения приливных (а может быть и не только приливных) воздействий на тела Солнечной системы.

 И последнее. Магнитное поле Земли имеет небольшую составляющую недипольной природы, поведение которой очень своеобразно. - Она нестабильна и по своей конфигурации напоминает синоптическую карту с ее меняющимися ячейками циклонов и антициклонов, которые смещаются по поверхности Земли. Это явление согласуется с представлением о том, что металлическое ядро, порождающее своим движением основную часть магнитного поля Земли, генерирует плазму, состоящую из протонов и электронов, растворенную в жидком ядре. Не имея собственного объема, плазма довольно свободно мигрирует по своим особым законам в его пределах и рождает небольшое собственное магнитное поле, проявляя естественное сходство с атмосферой. Само жидкое состояние металлического ядра, скорее всего,  порождено присутствием водородной плазмы.

Версию газового (плазменного) ожижения металлического ядра планет подтверждает Венера. Имея близкие к Земле характеристики (масса, радиус, средняя плотность), она, в отличие от ближайших соседей, не имеет жидкого ядра и магнитного поля, но имеет мощную атмосферу и, благодаря парниковому эффекту, температура ее поверхности ~500 С. Это означает, что Венера не имеет твердой коры, негерметична, и потому легко теряет флюиды, ожижающие ядро. Мощная атмосфера и сама по себе является мощным свидетельством низкой герметичности Венеры.

Список литературы

  1. Космохимия и сравнительная планетология. М. Наука. 1989
  2. Базилевский А.Т. "K-U-Th систематика вещества планетных тел Солнечной системы" // Геохимия, 1985, №2, с. 131-140
  3. Копытин И.В., Долгополов М.А., Карпов Э.Г., Чуракова Т.А. "Бета-распад стабильных изотопов в нуклон-ядерных столкновениях"// Ядерная физика. 1997. Т.60. N 4. С.592
  4. Виноградов А.П. "Вещество метеоритов" //  Геохимия, 1965, №11, с. 1275
  5. Овчинникова Г.В., Неймарк Л.А. "Проблема избыточного свинца в метеоритах" //  Геохимия, 1981, №8, с.1091
  6. Милановский Е.Е. "О корреляции фаз учащения инверсий магнитного поля, понижений уровня мирового океана и фаз усиления деформаций сжатия земной коры в мезозое и кайнозое."// Геотектоника. 1996. N1. с.3-11
  7. Schvarts R.D. // Nature, 1984, v.308, № 5961, p. 712-713. 

Статьи:

Обратная связь