Вселенная скрывает в своих глубинах множество секретов. Издавна люди стремились разгадать как можно больше из них, и, несмотря на то что это не всегда получается, наука идет вперед семимильными шагами, позволяя нам все больше узнавать о своем происхождении. Так, например, многим будет интересно, какой же самый распространенный во Вселенной. Большинство сразу подумают о воде, и будут отчасти правы, потому что наиболее часто встречающимся элементом является водород.

Самый распространенный элемент во Вселенной

Крайне редко людям приходится сталкиваться с водородом в чистом виде. Тем не менее, в природе он очень часто встречается в связи с другими элементами. Например, вступая в реакцию с кислородом, водород превращается в воду. И это далеко не единственное соединение, в состав которого входит этот элемент, он встречается повсеместно не только на нашей планете, но и в космосе.

Как появилась Земля

Множество миллионов лет назад водород, без преувеличений, стал строительным материалом для всей Вселенной. Ведь после большого взрыва, который стал первой стадией создания мира, не существовало ничего, кроме этого элемента. элементарна, поскольку состоит она всего лишь из одного атома. Со временем самый распространенный элемент во Вселенной начал образовывать облака, которые впоследствии стали звездами. А уже внутри них происходили реакции, в результате которых появлялись новые, более сложные элементы, породившие планеты.

Водород

На этот элемент приходится порядка 92% атомов Вселенной. Но встречается он не только в составе звёзд, межзвездного газа, но и распространенных элементов на нашей планете. Чаще всего он существует в связанном виде, а наиболее часто встречающимся соединением является, конечно же, вода.

Кроме этого, водород входит в состав ряда углеродных соединений, образующих нефть и природный газ.

Вывод

Несмотря на то что это наиболее распространенный элемент во всем мире, как это ни удивительно, для человека он может быть опасен, поскольку иногда загорается, вступая в реакцию с воздухом. Чтобы понять, насколько важную роль водород сыграл в создании Вселенной, достаточно осознать, что без него не появилось бы ничего живого на Земле.

«Рапространенность элементов в космосе изучает космохимия, а их распространенность на Земле – геохимия. Изучение распространенности элементов в космосе – довольно сложная задача, так как...»

Распространенность элементов

в природе

Рапространенность элементов в космосе изучает

космохимия, а их распространенность на Земле – геохимия.

Изучение распространенности элементов в космосе –

довольно сложная задача, так как вещество в космическом

пространстве находится в различном состоянии (звезды,

планеты, пылевые облака, межзвездное пространство и т. д.).

Иногда состояние вещества трудно представить. Например,

сложно говорить о состоянии вещества и элементов в нейтронных звездах, белых карликах, черных дырах при колоссальных температурах и давлениях. Тем не менее науке достаточно много известно о том, какие элементы и в каких количествах есть в космосе.

В межзвездном пространстве встречаются ионы и атомы различных элементов, а также группы атомов, радикалы и даже молекулы, например молекулы формальдегида, воды, HCN, CH3CN, CO, SiO2, CoS и др.

Особенно много в межзвездном пространстве ионов кальция.

Кроме него, в космосе рассеяны атомы водорода, калия, углерода, ионы натрия, кислорода, титана и другие частицы.

Первое место по распространенности во Вселенной принадлежит водороду.

Химический состав звезд Химический состав звезд зависит от многих факторов, в том числе и от температуры. По мере повышения температуры состав частиц, существующих в атмосфере звезды, упрощается. Так, спектральный анализ звезд с температурой 10 000-50 000°С показывает в их атмосферах линии ионизированных водорода и гелия и ионы металлов. В атмосферах звезд с температурой 5000°С обнаруживаются уже радикалы, а в атмосферах звезд с температурой 3800°С – даже молекулы оксидов. Химический состав некоторых звезд с температурами 20 000-30 000° С приведен в табл. 6.1.

Видно, что, например, в звезде -Пегаса на 8700 атомов водорода приходится 1290 атомов гелия, 0,9 атома азота и т. д.

В спектрах звезд первых 4 классов (самых горячих) преобладают линии водорода и гелия, но по мере понижения температуры появляются линии других элементов и даже линии соединений. Это еще простые соединения: оксиды циркония, титана, а также радикалы СН, ОН, NH, CH2, C2, С3, СаН и др. Наружные слои звезд состоят главным образом из водорода. В среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода и менее 1 атома других элементов.

Существуют звезды с повышенным содержанием того или иного элемента:

кремния, железа, марганца, углерода и др. Звезды с аномальным составом довольно разнообразны. В молодых звездах типа красных гигантов присутствует повышенное количество тяжелых элементов. Так, в одной из подобных звезд содержится в 26 раз больше молибдена, чем в Солнце.

Таблица 6.1 Химический состав некоторых звезд класса В Элемент Относительное количество атомов в звезде Скорпиона Персея Пегаса Водород 8350 8300

–  –  –

реакций, которые развиваются в звезде в течение ее жизни.

Начальный состав звезды близок к составу межзвездной материи (газопылевого облака), из которой возникла звезда.

А состав газопылевых облаков неодинаков, что и могло привести к отличию в составе элементов, содержащихся в звезде.

Спектральный анализ показывает, что наличие многих элементов в составе звезд может быть обусловлено только ядерными реакциями, протекающими в них (барий, цирконий, технеций). Существуют звезды, в которых водород превратился в гелий. Их атмосфера состоит из гелия. В таких гелиевых звездах обнаружены углерод, неон, титан, азот, кислород, кремний, магний. Известны гелиевые звезды, практически не содержащие водорода, который выгорел в результате ядерных реакций.

Очень интересными являются углеродные звезды. Это относительно холодные звезды (гиганты и сверхгиганты), их поверхностные температуры лежат в пределах 2500-6000° С.

При температуре ниже 3500° С при равном количестве кислорода и углерода в атмосфере большая часть этих элементов связана в монооксид углерода СО. Из других углеродных соединений в атмосферах таких звезд присутствуют радикалы CN и СН.

Исследование распространенности элементов в космосе показало, что с увеличением атомной массы элемента уменьшается его распространенность. Кроме того, элементы с четными порядковыми номерами встречаются чаще, чем с нечетными.

Распространенность элементов в космосе приведена на рис. 6.1.

Распространенность элементов в Солнечной системе

Исследование химического состава Солнца производится методами спектрального анализа. Это очень сложная работа, так как при условиях, существующих на Солнце, атомы элементов сильно ионизованы (так, атом железа теряет до 9 электронов).

Атмосфера Солнца находится в постоянном движении.

Температуры фотосферы, хромосферы, солнечной короны резко различаются. Тем не менее химический состав Солнца установлен достаточно полно. На Солнце обнаружено 72 элемента. Содержание 60 элементов определено достаточно надежно, но для элементов с атомной массой выше 57 данные менее точны.

Больше всего на Солнце водорода – почти 75% массы.

Гелия содержится около 24%, лишь 1-2% приходится на все остальные элементы. Хотя 1% от солнечной массы – это не так уж и мало. Масса Солнца равна 1,99.1033 г. Сотая доля этой массы составляет 1,99.1031г, или 1,99.1025т, что составляет величину, в 3350 раз превышающую массу Земли.

Довольно много на Солнце кислорода, углерода, азота, натрия, железа, никеля, мало лития. Бор и фтор обнаружены в соединении с водородом. Радия, урана, висмута, рения ничтожно мало, а радиоактивных элементов, получаемых в условиях Земли искусственно (прометия, астата), а также галогенов, кроме фтора, не обнаружено.

В атмосфере Солнца на один атом кислорода приходится:

водорода 560 атомов;

алюминия 0,0040 атома;

углерода 0,37 атома;

кремния 0,037 атома;

азота 0,76 атома;

серы 0,016 атома;

магния 0,062 атома;

калия 0,00029 атома;

натрия 0,0035 атома;

кальция 0,0031 атома.

–  –  –

Сначала высказывались мнения о том, что все планеты Солнечной системы имеют одинаковый состав, но уже сравнение плотностей показало, что состав различается (см.

Меркурий, Венера, Земля, Марс, Луна – твердые тела.

Они образованы силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и другими минералами, составляющими их поверхностные слои. Внутри этих планет находится ядро, образованное более тяжелыми породами, содержащими элементы с большой атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем.

Общее количество металлического железа, по некоторым данным, в Меркурии составляет около 58%. Венера и Марс, как и Земля, имеют железные ядра, окруженные минеральной, преимущественно силикатной, оболочкой. На Венере много карбонатов, термическое разложение которых привело к накоплению диоксида углерода в атмосфере этой планеты. По данным советских космических станций "Венера-4" – "Венера-7", атмосфера Венеры на 97% состоит из диоксида углерода, содержит около 2% азота, 1% водяного пара и не более 0,1% кислорода. Температура на поверхности планеты около 500° С, а давление около 100 атм.

Планета Марс имеет атмосферу значительно более разреженную, чем земная. Атмосферное давление на Марсе составляет всего 0,08 земного. Основными составными частями его атмосферы являются азот и диоксид углерода.

Кислорода и водяных паров приблизительно в 1000 раз меньше, чем в земной атмосфере. Вполне возможно, что химический состав соединений, образующих поверхность Марса, похож на земной. Это находит подтверждение в многочисленных экспериментах по моделированию марсианских условий. Это же подтверждают снимки, сделанные с достаточно близкого расстояния с космических станций "Марс" и "Маринер".

Гигантские планеты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун образованы менее плотными веществами. Основу их составляют водород, гелий, метан, аммиак и другие газы.

Cуществование твердого ядра у этих планет нельзя считать доказанным. Спектральные исследования Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна показали наличие в их атмосферах метана.

В атмосферах Юпитера и Сатурна обнаружен также аммиак, который, возможно, есть на Уране и Нептуне, но уже в твердом состоянии. Исследование показало также наличие водорода (около 60%), гелия (36%), неона (около 3%).

Кроме того, в атмосфере содержатся сложные молекулы:

циановодород, диоксид азота в форме N2О4, вода, сероводород, высокомолекулярные молекулы (пирен, коронен, хризен и др.). Тем не менее, несмотря на многие годы исследований, химический состав планет-гигантов изучен недостаточно.

Распространенность химических элементов на Земле

Изучением распространенности химических элементов на Земле занимались многие ученые, начиная еще с алхимиков (Теофраст, Плиний и др.). Но только в XVII-XIX вв.

появились опытные данные о химических процессах в земной коре и их стали осмысливать с позиций, которые мы сейчас именуем геохимическими. В XVII в. Р. Бойль, изучая химию атмосферы и природных вод, и голландец X. Гюйгенс подошли к пониманию жизни как космического явления. В XVII веке М. В. Ломоносов обосновал значение химии для геологии, дал объяснение процессам образования угля, нефти, торфа и других полезных ископаемых в своих знаменитых книгах "О слоях земных" и "О рождении металлов". А. Лавуазье заложил основы геохимии атмосферы, природных вод. Большое значение для накопления фактического материала по геохимии имели работы шведского химика И. Берцелиуса в области химического анализа горных пород, руд, минералов и вод.

Он открыл торий, церий, селен, впервые получил в свободном состоянии кремний, титан, тантал, цирконий и др.

Вплотную подошли к геохимии работы, опубликованные в XIX в. немецкими учеными К. Бишофом и И. Брейтгаупом по химии земной коры. Они рассматривали химический состав земной коры и круговорот веществ в ней. В те же годы стал употребляться термин "геохимия". Его появлением наука обязана швейцарскому химику X. Шенбейну, который писал в 1842 году, что необходимо, прежде чем вести речь о настоящей геологической науке, иметь геохимию, которая должна исследовать химическую природу и происхождение масс, образующих земной шар. Но настоящее рождение геохимии как науки произошло в первой половине XX в.

(1908-1911). Место рождения: кафедра минералогии Московского университета. Сделал ее наукой В. И.

Вернадский (1861-1945). Минералогию Вернадский трактовал как химию соединений земной коры. Используя результаты спектрального анализа, он пришел к выводу о всеобщем рассеянии химических элементов.

Вернадский говорил:

"В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосме, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на земном шаре, в небесных пространствах. Вопрос связан лишь с улучшением и утончением методов исследования. При их улучшении мы находим натрий, литий, стронций там, где их раньше не видели; при их уточнении мы открываем их в меньших пробах, чем делали раньше".

Первый курс геохимии был прочитан в 1912 г. учеником Вернадского А. Е. Ферсманом (1883-1945). В 1933-1939 гг.

Большой вклад в геохимию внес В. М. Гольдшмидт (Норвегия). Он указал, что для вхождения химических элементов в кристаллическую решетку решающее значение имеет размер атомов или ионов. Он объяснил совместное нахождение магния и никеля, калия и свинца и тем самым заложил основы геохимии минералов. После его трудов появилась возможность предсказывать скопление элементов в земной коре и вести направленный поиск минералов в природе.

Еще в 1815 г. английский минералог В. Филиппс пытался определить среднее содержание в земной коре 10 химических элементов. Его работы были продолжены французами Эли де Бомоном и А. Добрэ. Но их исследования не привлекли внимания.

В 80-е гг. XIX в. проблемами определения среднего состава земной коры много занимался Ф.У. Кларк – руководитель химической лаборатории американского геологического комитета в Вашингтоне. Отобрав 880 наиболее точных анализов горных пород, он в 1889 г.

определил среднее содержание 10 химических элементов в твердой земной коре. Кларк получил следующие результаты:

Элемент Содержание, Элемент Содержание, % % Кислород 46,28 Магний 2,77 Кремний 28,02 Калий 2,47 Алюминий 8,14 Натрий 2,43 Железо 5,58 Титан 0,33 Кальций 3,27 Фосфор 0,10 =99,39% Кларк трактовал геохимию как совокупность сведений о химическом составе земной коры. Продолжая исследования, он увеличивал точность определений, количество анализов и число элементов. В сводке среднего содержания элементов в земной коре, опубликованной в 1924 г., были приведены данные уже о 50 элементах.

Учитывая заслуги Кларка в развитии геохимии и исследованиях распространенности элементов, Ферсман в 1923 г. предложил обозначить среднее содержание химического элемента в земной коре, на Земле в целом, а также на планетах и в космосе термином "кларк". По предложению Вернадского в таблицах кларков приводятся значения массовых (весовых) и атомных кларков.

Смысл введения атомных кларков состоит в следующем.

Пусть имеется геологическая система, состоящая из водорода и фтора, и на один атом водорода приходится один атом фтора. Если определить атомные кларки, то они будут одинаковы для обоих элементов. Но, если определить вклад водорода и фтора в массу системы, то окажется, что в соответствии с величинами атомных масс водорода и фтора от общей суммы 1H + 19F = 20HF водород составит только 5%, а фтор – 95%. Таким образом массовые и атомные кларки могут значительно различаться. Для перевода массовых кларков в атомные надо значение массового кларка каждого элемента разделить на атомную массу и сумму этих величин считать за 100%. Тогда доля в этой сумме величины содержания каждого элемента будет соответствовать его атомному кларку.

Со дня опубликования первой таблицы Кларка прошло более 100 лет. За это время была проделана гигантская работа, и общая картина распространенности элементов в земной коре выявилась достаточно отчетливо. Прежде всего подтвердилось гениальное предположение Вернадского о рассеянном состоянии всех химических элементов. Для иода, гафния, скандия, рубидия, индия, цезия, радия и некоторых других редких элементов рассеянное состояние является основным, так как они не образуют или почти не образуют собственных минералов. Только для кислорода, кремния, алюминия, железа, натрия, калия, магния главная форма нахождения – собственные минералы. Положение о всеобщем рассеянии химических элементов советский геохимик Н.И. Сафронов предложил именовать законом Кларка-Вернадского.

Современные методы анализа и приборы позволили уточнить содержание элементов в земной коре (табл. 1.3).

Как видно из таблицы, половина земной коры состоит из кислорода. Таким образом, земная кора – это "кислородная сфера". На втором месте стоит кремний (кларк 29,5), на третьем – алюминий (8,05). Если к ним добавить железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,50), натрий (2,50), магний (1,87), титан (0,45), то получится 99,48%, т. е. практически вся земная кора. На остальные 80 элементов приходится менее 1%. Элементы, содержание которых не превышает 0,01-0,0001%, называют редкими. Если редкие элементы не образуют собственных минералов, то их называют "редкими рассеянными" (Br, In, Ra, U, Re, Hf, Se и др.).

Так, у урана и брома кларки почти одинаковы (2,5.10-4 и 2,1.10-4), но уран – редкий элемент, т. к. известно 104 урановых минерала и урановые месторождения, а бром – рассеянный (имеет лишь один минерал).

В геохимии есть еще понятие "микроэлементы", которое означает элементы, содержащиеся в малых количествах (0,01%) в данной системе. Так, алюминий – микроэлемент в живом организме и макроэлемент в силикатных породах.

Установлено, что кларки в основном не зависят от химических свойств элементов. А как влияет на распространенность ядро элемента? Еще в 1923 г.

В. М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии: общая распространенность элемента зависит от свойств его атомного ядра, а характер распространения – от свойств наружной электронной оболочки его атома.

Ферсман получил график зависимости атомных кларков от заряда ядра для четных и нечетных элементов периодической системы Д. И. Менделеева (рис. 6.2). Он выяснил, что с усложнением атомного ядра, увеличением его

Рис. 6.2. Логарифмы атомных кларков (по А.И. Ферсману)

массы кларки элементов уменьшаются, но эти кривые оказались немонотонными. Легкие атомы (занимающие места в начале периодической системы) более распространены. Их ядра содержат небольшое число нуклонов (протонов и нейтронов). Действительно, после железа (Z = 26) нет ни одного распространенного элемента.

На это указывал еще Д. И. Менделеев. В 1869 г.

одновременно с периодическим законом он сформулировал правило: элементы с малыми атомными весами в общем более распространены, чем тяжелые элементы.

Другая закономерность была установлена в 1914 г. Г.

Оддо (Италия) и В. Гаркинсоном (США) в 1915-1928 гг. Они заметили, что в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и четными атомными массами. Среди соседних элементов у четных кларки всегда выше, чем у нечетных (рис. 6.2). Для первых 9 элементов по распространенности четные кларки составляют 86,43%, а нечетные – 13,03%. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4. Среди атомов одного и того же элемента преобладают изотопы с массовым числом, кратным 4. Такое строение Ферсман обозначил как 4q, где q

– целое число. Ниже приведено соотношение распространенности различных изотопов кислорода и серы:

O - 99,76 S – 55,01 O – 0,04 S – 0,75 O – 0,20 S – 4,22 S – 0,02.

По Ферсману, ядра типа 4q составляют 83,39% земной коры.

Менее распространены ядра 4q+3 (12,7%). Совсем мало ядер 4q+l и 4q+2 (1%). Было отмечено также, что среди четных элементов, начиная с гелия, наибольшими кларками обладает каждый шестой: кислород (№ 8), кремний (№ 14), кальций (№ 20), железо (№ 26).

Для нечетных элементов существует аналогичное правило (начиная с водорода, № 1):

азот (№ 7); алюминий (№ 13); калий (№ 19); марганец (№ 25). Ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонов или нейтронов, особенно устойчивы. Эти числа называются магическими. Наиболее устойчивы дважды магические ядра, содержащие магические числа протонов и нейтронов (208Pb).

Таким образом, распространенность элементов в земной коре связана преимущественно со строением атомного ядра.

В земной коре преобладают ядра с небольшим и четным числом протонов и нейтронов. Причина этого лежит в звездной стадии существования земной материи. Свыше 4,5 млрд лет назад вещество нашей планеты было нагрето до десятков миллионов градусов. При таких температурах ни атомы, ни молекулы существовать не могут, и вещество представляло собой раскаленную плазму со свободными электронами и ядрами. В плазме протекали ядерные реакции

– из протонов и нейтронов образовывались ядра химических элементов. Вероятнее всего образование наиболее устойчивых ядер, а такими являются ядра, содержащие небольшое и четное количество протонов и нейтронов. Ядра же, переполненные протонами и нейтронами, неустойчивы и распадаются. Таковы уран, торий, радий и другие радиоактивные элементы, распадающиеся с образованием свинца и гелия. Но и среди легких элементов не все обладают высокими кларками. Например, бериллий имеет порядковый номер 4, а его кларк 3,8.10-4%. Еще меньше кларк гелия, хотя в космосе он занимает второе место по распространенности (после водорода). Мало лития (3,2.10бора (1,2.10-3%), углерода (2,3.10-2%). Это объясняется тем, что названные атомы в центральных частях звезд являются ядерным горючим и уничтожаются в ходе ядерных реакций.

Контрольные вопросы

1. Какие элементы наиболее распространены в космическом пространстве?

2. Какие реакции служат источником тяжелых элементов в космосе?

3. Какие методы используют для изучения химического состава звезд?

4. Сколько химических элементов обнаружено на Солнце?

5. Что служит доказательством различного химического состава планет Солнечной системы?

6. Какие элементы обнаружены в атмосферах планетгигантов?

7. Что определяет предмет геохимии?

8. Кто из ученых внес наибольший вклад в развитие геохимии?

9. Дайте определение кларка.

10. Каковы наиболее распространенные элементы в земной коре?

11. Какие элементы называют редкими, а какие рассеянными?

12. Какие числа называют магическими?

13. Что определяет распространенность элементов в земной коре?

14. Сформулируйте основные законы геохимии?

15. Почему некоторые элементы, имеющие небольшие атомные массы и четные номера, являются широко распространенными?

Дополнительная литература

1. Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химии.

Ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1991. С. 378-391.

2. Гарусевич Г. А. Основы общей геохимии. М.: Высшая школа, 1968. 363 с.

3. Перельман А. И. Геохимия. М.: Высшая школа. 1979. 423 с.

4. Лутц Б. Г. Химический состав континентальной коры и верхней мантии Земли. М.: Недра, 1976. 152 с.

5. Лаврухина А.К. Ядерные реакции в космических телах.

М.: Наука, 1972.187 с.

6. Сафронов B. C. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Недра, 1969. 264 с.

7. Аллер Л. Распространенность химических элементов. М.:

Недра, 1963. 254 с.

8. Николаев Л. А. Химия космоса. М.: Просвещение, 1974.

Похожие работы:

неорганической и физической химии, ТГУ им. Г.Р. Державина Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым Ключевые слова и фразы: ингибирование коррозии; коррози...» исследованиях, которые простираются на начала, причины и элементы, путем их уяснения (ведь мы тогда уверены, ч...»

Муниципальное Общебразовательное Учреждение

Средняя Общеобразовательная Школа №7

г.Бугуруслан Оренбургской области

Реферат

на тему:

«Химия космоса»

Выполнил

Утегенов Тимур

Ученик 7А класса

2011
План:
Введение;

1. 
   Химия Земли;
2. 
   Химический состав метеоритов;
3. 
   Химический состав звезд;
4. 
   Химия межзвездного пространства;
5. 
   Начало лунной химии;
6. 
   Химический состав планет;

Список литературы.

Введение
Если ты любишь смотреть на звездное небо,

Если оно привлекает тебя своей гармонией

И поражает своей необъятностью-

Значит, у тебя в груди бьется живое сердце,

Значит оно сможет отзвучать на сокровенные,

слова о жизни космоса.

Химия космоса - звучит забавно, однако химия имеет прямое отношение ко многим достижениям человека в освоении космоса.

Б
ез усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.

К сожалению, человек научился использовать только те материалы, которые находятся на поверхности Земли, но земные ресурсы истощаемы. Оттуда вопрос: «Существуют ли в космосе какие-нибудь химические элементы, хотя бы немного похожие на земные и можно ли их использовать в своих целях?». В этом и заключается актуальность выбранной мной темы.

Цели работы:

1.Исследоват химию планет, звезд, межзвездного пространства.

2.Познакомится с наукой Космохимией.

3.Узнат и рассказать о новых и интересных фактах, касающихся космической химии.

4. Использовать полученные знания в дальнейшем.

На сегодняшний день существует даже отдельная наука, космохимия. Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Наиболее изученная часть Космохимии - геохимия. Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе - плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд и др. - в основном занимается физика. Космохимия - новая область знания, получившая значительное развитие во 2-й половине 20 в. главным образом благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём спектрального анализа излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев атмосфер планет. Этот метод позволил открыть элемент гелий на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле.

1. Химия Земли.

Для геологов, исследующих нашу планету, наиболее важно знать самые общие законы, определяющие поведение вещества на поверхности земной коры, в ее толще и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где – уран, где – фосфор, где – калий. Он должен знать, какие условия создают на Земле залежи углерода: где надо искать уголь, где – графит и где – алмазы. Геологу нужно знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, он должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.

В сложных, грандиозных химических процессах, протекающих в земной коре и на ее поверхности сотни миллионов лет, продолжающихся и в наши дни, сходные своим положением в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, распределяющие их на поверхности Земли.

В состав земной коры входят:

Всего - 98,59%

Если сравнить имеющиеся на всей Земле количества железа, кобальта и никеля - элементов, стоящих рядом в восьмой группе периодической системы, то окажется, что земной шар состоит из железа (атомный номер 26) на 36,9%, кобальта (атомный номер 27) на 0,2%, никеля (атомный номер 28) на 2,9%.

Геохимическое поведение различных элементов определяется, прежде всего, строением внешних электронных оболочек в их атомах, размерами атомов и соответствующих ионов. Элементы с завершенными внешними электронными оболочками (благородные газы) существуют только в атмосфере; они не вступают в природных условиях в химические соединения. Даже гелий и радон, образующиеся при радиоактивном распаде, не захватываются полностью горными породами, а непрерывно поступают из них в атмосферу. Редкие земли, стоящие в одной клетке таблицы, встречаются в природе почти всегда вместе. В одних и тех же рудах всегда присутствуют совместно и цирконий и гафний.

Геологи хорошо знают, что осмий и иридий нужно искать там же, где и платину. В периодической таблице Менделеева они стоят вместе в восьмой группе, и так же неразлучны в природе. Месторождения никеля и кобальта сопутствуют железу, и в таблице они в одной группе и в одном периоде.

Основная толща земной коры состоит из немногих минералов; все это химические соединения элементов, расположенных главным образом в коротких периодах и в начале и в конце каждого из длинных периодов таблицы. Причем преобладают среди них легкие элементы с малыми порядковыми номерами. Эти элементы составляют основную массу силикатных горных пород.

Элементы, стоящие в периодической системе в середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторождения. Многие их этих элементов встречаются в самородном состоянии.

И распространенность, и геохимическое поведение элемента (его миграция в земной коре) определяются его положением в периодической системе. Распространенность зависит от строения атомного ядра, геохимическое поведение – от строения электронной оболочки.

Поэтому периодическая система элементов необходима геохимику. Без нее не могла бы возникнуть и развиваться геохимия. Эта наука устанавливает общие закономерности во взаимном сосуществовании химических элементов в горных породах и рудах. Она дает возможность геологу находить в земной коре месторождения полезных ископаемых.

Периодический закон Менделеева – надежный и испытанный компас геохимика и геолога.

В начале своей работы я сказал, что речь пойдет о химии космоса, но почему- то начала говорить о химическом составе Земли… Но, во-первых, Земля - тоже небесное тело, и, во-вторых, нужно знать химический состав Земли, чтобы сравнить его с составом метеоритов и других космических тел, прилетающих к нам на Землю из таинственных глубин космического пространства.

2. Химический состав метеоритов.
Точнейшие химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Оказалось, что если подсчитать среднее содержание во всех метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция,- то на их долю падает ровно 94%, т. е. их в составе метеоритов равно столько же, сколько в составе земного шара.

К

роме того, выяснилось, что в железных метеоритах

железа 91,0%,

кобальта 0,6%,

никеля 8,4%.

Если сравнить эти числа с относительным распространением этих элементов на земном шаре, приведенным выше, то получается совершенно поразительное совпадение: оказывается, что на Земле из этих трех элементов приходится на долю

железа 92%,

кобальта 0,5%,

никеля 7,5%,

т
. е. и на Земле и в метеоритах эти элементы находятся приблизительно в одинаковых соотношениях. Эти и многие другие обнаруженные совпадения дали ученым основание сделать вывод: вещество на Земле и вещество в небесном пространстве одинаково. Оно состоит из одних и тех же элементов.

Каждый из элементов и на Земле и в метеоритах имеет почти одинаковый изотопный состав. Например, неоднократно проводившиеся анализы изотопного состава серы, добытой из пепла и лавы многочисленных вулканов, находящихся в различных частях земного шара, показали, что сера одинакова повсюду. Всюду отношение между количествами стабильных изотопов серы -32 и ссры-34 одно и то же. Оно равно 22,200. Изотопный состав серы из метеоритов - единственных представителей Космоса, доступных прямому изучению, совершенно такой же, как и на Земле.

Далее оказалось, что наиболее распространенные элементы одни и те же. Даже соотношение между ними и тут и там одно и то же. Чередование элементов с четными и нечетными порядковыми номерами в периодической таблице также соблюдается одинаково и тут и там. Можно было бы, конечно, привести еще очень много примеров, показывающих большое сходство в поведении химических элементов на Земле и в космическом пространстве, отметить еще очень много общих закономерностей.

Может ли это быть случайным? Конечно, нет.

Откуда бы ни прилетали к нам на Землю случайные гости из Вселенной - быть может, это части комет, принадлежавших солнечной системе; быть может, это обломки малых планет; быть может, это вестники из чужого звездного мира, - важно одно: по своему химическому составу, по соотношению между элементами, по тем химическим соединениям, которые найдены в метеоритах, они сообщают нам, что действие великого закона Менделеева не ограничивается пределами нашей планеты. Он является единым для всей Вселенной, где могут существовать атомы с их электронной оболочкой. Из этого вывод: «Материя всюду едина».

3. Химический состав звезд.

Элемент	Количество (примерно)
Водород	8300
Гелий	1700
Углерод	1,5
Азот	0,9
Кислород	9,0
Фтор	0,028
Неон	3,4
Магний	0,49
Алюминий	0,05
Кремний	0,77
Фосфор	0,0028
Сера	0,25
Хлор	0,014
Аргон	0,07

В данной таблице приведены лишь примерные числа, но существуют звезды, имеющие повышенное содержание того или иного элемента. Так, известны звезды с по повышенным содержанием кремния (кремниевые звезды), звезды, в которых много железа (железные звезды), марганца (марганцевые), углерода (углеродные) и т. п. Звезды с аномальным составом элементов довольно разнообразны. В молодых звездах типа красных гигантов обнаружено повышенное содержание тяжелых элементов. В одной из них найдено повышенное содержание молибдена, в 26 раз превышающее его содержание в Солнце.

В недрах звезд, при немыслимых для Земли условиях, при температуре в сотни миллионов кельвинов и непостижимо огромных давлениях, протекает множество разнообразных ядерно-химических реакций.

В наши дни уже существует обширная область науки, увлекательная химия недоступного – ядерная астрохимия. Она выясняет важнейшие для всей науки вопросы: как образовались во Вселенной элементы, где и какие элементы возникают, какова их судьба в вечном развитии мироздания.

Методы этой науки необычны. Она пользуется и наблюдением – изучает с помощью спектроскопии состав звездных атмосфер, и экспериментом – исследует реакции быстрых частиц в земных ускорителях. Теоретические расчеты позволяют ученым заглянуть в недра звезд, где уже открыто немало интересного и кроется много загадочного.

Выяснено, например, что в центральных областях звезд, при сверхвысоких температурах и давлениях, где скорость «выгорания» водорода особенно велика, где количество его мало, а содержание гелия велико, возможны реакции между ядрами гелия. Там рождаются загадочные ядра бериллия – 8 (на Земле они совсем не могут существовать), там возникают и самые прочные ядра: углерод – 12, кислород – 16, неон – 20 и другие ядра «гелиевого» цикла.

Найдены в звездах и такие ядерно-химические реакции, при которых возникают нейтроны. А уж если есть нейтроны, то можно понять, каким путем появляются в звездах и почти все остальные элементы. Но очень много загадок стоит еще перед наукой на этом пути. Непостижимо огромно многообразие звезд во Вселенной.

В
ероятно, во всех доступных нашему наблюдению звездах преобладает водород, но содержанием других элементов звезды очень сильно различаются: в некоторых звездах обнаружено такое высокое содержание отдельных элементов по сравнению с обычными звездами, что их даже так и принято называть в астрофизике: «магниевые», «кремниевые», «железные», «стронциевые», «углеродные» звезды. Недавно обнаружены даже «литиевые» и «фосфорные» звезды. Эти таинственные различия в составах звезд еще ждут объяснения.

Удалось проследить и удивительные механизмы образования новых ядер. Оказывается, что не только благодаря сверхвысоким температурам ядра обладают настолько высокой энергией, что способны преодолевать электростатическое отталкивание и реагировать между собой. Очень многие элементы таким путем вообще не могли бы образовываться.

Дейтерий, литий, бериллий, бор при высокой температуре, существующей внутри звезд, очень быстро реагируют с водородом и мгновенно разрушаются. Эти элементы в мироздании «варятся» в холодных «кухнях», возможно, на поверхности звезд в звездных атмосферах, где возникают мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий.

Звездные «фабрики», где создаются элементы, ставят перед учеными странные загадки, связанные с таинственными частицами нейтрино. Ученые начинают подозревать, что роль этих неуловимых частичек-призраков далеко не так безразлична, как это казалось совсем недавно. Выяснилось, что возможны такие ядерно-химические процессы, при которых большая часть энергии, образующаяся в звезде, уносится не в виде излучения, а только с нейтрино.

Но для звезды это означает катастрофу. Звезда существует в состоянии равновесия благодаря давлению звездного газа и световому давлению, которые уравновешивают силы тяготения. Если же энергия начинает уноситься из внутренности звезды только с нейтрино, которые пронизывают толщи звездных тел без сопротивления, со скоростью света, то звезда мгновенно будет сжата силами гравитационного притяжения.

Быть может, так и образуются пока непостижимые звезды – белые карлики, плотность вещества в которых может достигать многих тысяч тонн на 1 см3. Быть может, такие процессы дают начало и тем гигантским катастрофам, при которых рождаются Сверхновые звезды.

Но нет сомнения, что и эта, одна из величайших тайн природы, будет разгадана. Мы узнаем и тайну запасов водорода в звездах и в мировом пространстве, будут найдены процессы, ведущие к его образованию и к образованию «молодых» водородных звезд.

Вопрос о появлении Сверхновых звезд в мироздании исключительно важен. Должна быть решена загадка, как рождается такое колоссальное количество энергии, которое способно разметать звезду и превратить ее в туманность. Именно это произошло, например, в 1054 г. В созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в Крабовидную туманность.

В наше время эта туманность уже простирается на сотни биллионов (1012) километров. Самое интересное – то, что вспышка Сверхновой звезды, постепенно угасая, теряет свою яркость так, как если бы она состояла из изотопа калифорния – 254. Его период полураспада – 55 сут. – точно совпадает с периодом уменьшения яркости Сверхновых звезд.

Но, пожалуй, главная задача астрохимии – выяснить, как возникает во Вселенной водород. Ведь в бесчисленном множестве звездных миров происходит непрерывное уничтожение водорода, и его общие запасы во Вселенной должны убывать.

И многие ученые на Западе пришли к тяжелому и мрачному выводу о «водородной смерти» Вселенной. Они считают, что во Вселенной одна за другой гаснут звезды, исчерпавшие свои запасы водорода. И эти ранее ярко сиявшие светила одно за другим превращаются в холодные мертвые миры, которым суждено вечно носиться в космическом пространстве.

Мрачный вывод о «водородной смерти» Вселенной логически порочен и неверен. Он опровергается опытными фактами, достижениями науки наших дней – химии Вселенной.

Достижения науки, познакомившие нас с тайнами недоступных звезд, с их составом, природой, таинственными процессами, происходящими в их недрах, основаны на знаниях природы атома, его строения. Эти знания воплощены в периодическом законе Менделеева. Но не следует думать, что периодический закон навсегда останется застывшим и неизменным. Нет, он и сам развивается, включая в себя все большее и большее содержание, все глубже и точнее отражая истину законов природы.

Закон периодичности свойствен и строению атомных ядер. Это позволяет надеяться на окончательное решение об относительной устойчивости элементов в мире и о составе всех небесных тел.

4. Химия межзвездного пространства.

Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы.

Удивительно сложны и неожиданны пути зарождения одной из наук будущего – химии космического пространства. В глухие и страшные годы фашистской оккупации в маленьком голландском городке Лейдене на тайном собрании подпольного научного кружка юный студент Ван де Холст сделал доклад. Исходя из теории строения атома (которая, как мы уже знаем, была развита наукой на основе периодического закона Менделеева), он рассчитал, какова должна быть самая длинная волна в спектре излучения водорода. Оказалось, что длина этой волны 21 см. Она относится к коротким радиоволнам. В отличие от хорошо изученного видимого спектра, излучаемого раскаленным водородом, его радиоизлучение может происходить и при низких температурах.

Ван де Холст рассчитал, что на Земле такое излучение в атоме водорода маловероятно. Нужно ждать много миллионов лет, пока в атоме водорода произойдет перемещение электронов, которое сопровождается излучением радиоволн длиной 21 см.

В своем докладе молодой ученый сделал предположение: если в безграничном мировом пространстве присутствует водород, можно надеяться обнаружить его по излучению по волне 21 см. Это предсказание оправдалось. Оказалось, что из необъятных глубин Вселенной к нам на Землю всегда, не прекращаясь ни ночью, ни днем, приходят на волне 21 см поразительные радиосообщения о тайнах мироздания, которые приносит нам межзвездный водород.

Волна в 21 см мчится к нашей планете из столь отдаленных уголков Вселенной, что требуются тысячи и миллионы лет, пока она дойдет до антенн радиотелескопов. Она рассказала ученым, что в космосе нет пустоты, что в нем существуют невидимые глазу облака космического водорода, которые простираются от одной звездной системы к другой. Оказалось возможным даже определить протяженность и форму этих скоплений водорода. Для волны в 21 см в мировом пространстве нет преград. Даже черные, непроницаемые облака космической пыли, скрывающие от взора исследователя огромные области Млечного Пути, совершенно прозрачны для холодного излучения водорода. И эти волны помогают теперь ученым понять природу вещества, из которого построены далекие звезды не только Млечного Пути, но и самых отдаленных туманностей, лежащих на самом краю доступной нам части Вселенной.

Необъятные звездные миры, разобщенные расстояниями в пустом безграничном пространстве, теперь оказываются связанными в единое целое гигантскими водородными облаками. Трудно проследить преемственность в развитии научных идей, но несомненно, что есть прямая и непрерывная связь между смелым предсказанием юного голландского студента и великой идеей Менделеева. Так был найден в межзвездном пространстве водород.

Безграничное мировое пространство нельзя считать пустым. Теперь уже кроме водорода в нем найдено много других элементов.

Химия космоса весьма своеобразна. Это химия сверхвысокого вакуума. Средняя плотность вещества в пространстве всего только 10-24 г/см3. Такой вакуум пока нельзя создать в лабораториях физиков. Важнейшую роль в химии космического пространства играет атомный водород. Следующий по распространенности – гелий, его раз в десять меньше; найдены уже кислород, неон, азот, углерод, кремний – их в космическом пространстве ничтожно мало.

Выяснилось, что роль межзвездного вещества в мироздании огромна. На его долю приходится, по крайней мере в пределах нашей Галактики, почти половина всего вещества, остальная часть находится в звездах.

В химии межзвездного пространства за последние годы сделаны совершенно поразительные открытия. Все началось с того, что в космосе неожиданно обнаружили сложную молекулу цеаноацетилена (HC3N). Не успели космохимики объяснить, каким путем в межзвездном пространстве возникает органическая молекула столь сложного состава и строения, как вдруг с помощью радиотелескопа в созвездии Стрельца были открыты гигантские облака самого обыкновенного на Земле и совершенно неожиданного для космоса химического соединения – муравьиной кислоты (HCOOH). Следующее открытие было еще более неожиданным. Оказалось, что в космическом пространстве существуют облака формальдегида (HCOH). Это само по себе уже достаточно удивительно, но совсем необъяснимым остается тот факт, что разные космические формальдегидные облака имеют разный изотопный состав. Как будто бы история межзвездной среды в разных частях Галактики различна.

Затем последовало еще более странное открытие: в небольшом облаке межзвездной пыли, лежащем где-то по направлению к центру нашей Галактики, обнаружили аммиак (NH3). По интенсивности радиоизлучения космического аммиака удалось даже измерить температуру этой области космоса (25 К). Загадка космического аммиака заключается в том, что он в этих условиях неустойчив и разрушается под действием ультрафиолетового излучения. Значит, он интенсивно возникает – образуется в космосе. Но как? Пока это неизвестно.

Химия межзвездного пространства оказалась удивительно сложной. Уже найдены молекулы формамида – шестиатомные молекулы, состоящие из атомов четырех разных элементов. Как они возникают? Какова их судьба? Были еще найдены молекулы метилцеанида (CH 3 CN), сероуглерода (CS 2), сероокиси углерода (COS), окиси кремния (SiO).

Кроме того, в космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (CH), гидроксил (OH). Когда установили существование гидроксила, были предприняты поиски воды. Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно найдена в межзвездном пространстве. Это открытие особенно интересно и важно. В космосе есть вода, есть органические молекулы (формальдегид), есть аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот, что и было подтверждено на опыте в земных условиях.

Что же будет еще обнаружено в межзвездной «пустоте»? В ней найдено более 20 сложных химических соединений. Наверное, будут открыты и аминокислоты. Удивительные космические облака органических соединений, как, например, облако цианоацетилена в созвездии Стрельца, достаточно плотны и обширны. Расчет показывает, что такие облака должны сжиматься под действием сил тяготения. Не может ли оказаться вероятным совершенно фантастическое предположение, что планеты во время своего образования уже содержат сложные органические соединения – основу примитивных форм жизни? Пожалуй, становится вполне допустимым серьезное обсуждение, казалось бы, совершенно невозможного вопроса: «Что же старше – планеты или жизнь на них?» Конечно, трудно угадать, каким будет ответ на него. Ясно одно – для науки неразрешимых вопросов нет.

На наших глазах зарождается новая наука. Трудно предвидеть пути ее развития и предсказать, к каким еще более удивительным открытиям приведет космическая химия.

5. Начало лунной химии.

М

ного лет назад, в 1609 г., Галилео Галилей впервые направил телескоп в небо. Лунные «моря» представились ему в обрамлении берегов из белого камня. После наблюдений Галилея еще долгое время думали, что лунные «моря» наполнены водой. Говорили даже, что на Луне жить приятнее, чем на Земле. Знаменитый астроном XVIII в. Вильям Гершель писал: «Что касается меня, то, если бы мне пришлось выбирать, жить ли на Земле или Луне, я, не колеблясь ни одной минуты, выбрал бы Луну».

Шло время. Сведения о Луне становились все точнее. В 1840 г. лунная поверхность была впервые отображена на фотопластинке. В октябре 1959 г. советская космическая станция «Луна – 3» передала на Землю изображение обратной стороны Луны. И вот 21 июля 1969 г. на поверхности Луны отпечатался след человека. Американские космонавты, а затем и советские автоматические станции привезли на Землю лунные камни.

Лунные камни особенные – на их составе сказывается недостаток кислорода. Металлы не встречаются в их высших степенях окисления, железо встречается только двухвалентное. На Луне не было ни свободной воды, ни атмосферы. Все летучие соединения, возникшие при магматических процессах, улетели в космос, и вторичная атмосфера возникнуть не могла. Кроме того, на Луне процесс выплавления (образования коры) шел очень быстро и при более высоких температурах: 1200 - 1300оС, в то время как эти процессы на Земле шли при 1000 - 1100оС.

Луна все время повернута к Земле одной стороной. На ней в ясную ночь можно разглядеть темные пятна – лунные «моря», которые и открыл Галилей. Они занимают около трети видимой стороны Луны. Вся остальная ее поверхность – высокогорья. Причем на обратной, невидимой нам стороне «морей» почти нет. Породы, слагающие высокогорную обратную сторону ночного светила и «материки» видимой нам стороны, светлее, чем породы «морей».

Н
а Луне нет длинных линейных хребтов, как на Земле. Там возвышаются кольцевые структуры – высокие (до нескольких километров) стенки громадных вулканических цирков – кратеров. Крупные кратеры, диаметром несколько километров, ведут свою родословную от вулканов. Их лава, излившись в пониженные места, образовала колоссальные лавовые озера – это и есть лунные «моря». Многие кратеры диаметром меньше километра возникли, вероятно, при падении метеоритов или камней, поднятых взрывным вулканизмом Луны. Предположение это подтвердилось в 1972 г. На Луну упал метеорит и образовал новый кратер диаметром 100м. Метеорит привел в действие сейсмические приборы, установленные на Луне. Это дает возможность определить мощность лунной коры и узнать о ее глубинном строении.

И Лунные горы, и кратеры, и лунные «моря» образуют «лунный ландшафт». Очень возможно, что и Земля в раннюю эпоху своей геологической истории была изъедена кратерами и по ландшафту была похожа на теперешнюю Луну. Но мощные процессы разрушения горных пород, присущие Земле, похоронили первичный рельеф под толщей осадков. Разрушение земных горных пород – выветривание – идет под воздействием воды, живых организмов, кислорода, углекислоты и других химических факторов, а также смены температур. На Луне нет атмосферы, нет воды, нет и организмов, а это значит, что процесс окисления, как и другие химические реакции, там почти отсутствует. Поэтому лунные породы в основном испытывают физико-механическое дробление, а земные, разрушаясь, претерпевают глубокую химическую перестройку. Лунные породы превращаются в пыль под влиянием резкой смены температур между лунным днем и лунной ночью. На породы действует и галактическое излучение, и «солнечный ветер» – радиация Солнца. Нельзя забывать и метеориты, с огромной скоростью врезающиеся в поверхность Луны. В результате всех этих процессов на плотных породах Луны и возник слой мелкозернистого лунного грунта. Он мощным слоем покрывает «моря». Есть он и на поверхности высокогорных, материковых областей Луны.

Галактическое излучение примерно на метр проникает в тело Луны, и в породах под воздействием протонов происходят ядерные превращения. Благодаря бомбардировке протонами на Луне обычны радиоактивные изотопы (23AI, 22Na и др.), которых почти нет в земных породах. Есть и другие отличия. Например, в лунных породах содержится больше аргона, чем в земных. И еще одна химическая особенность – на Луне, по всей вероятности, нет месторождений полезных ископаемых. Дело в том, что для формирования рудных тел необходимы гидротермальные растворы, а свободной воды в толще Луны никогда не было. Зато некоторые лунные породы содержат около 10% титана.

Камни из космоса – метеориты знакомы людям давно. Но первые кусочки горных пород Луны попали к нам совсем недавно. Их доставили на Землю космонавты американских космических кораблей «Аполлон» и советские автоматические станции «Луна – 16» и «Луна – 20». Удивительно держать в руках кусок Луны! О лунном камне веками рассуждали ученые, его воспевали поэты, о нем столько написано! И только в наши дни человеку представилась исключительная возможность сравнить вещественный состав земных, метеоритных и лунных камней.

Каменные метеориты в основном сложены простыми силикатами, число минералов в них едва достигает сотни. В лунных же породах минералов немного больше, чем в метеоритах, – вероятно, несколько сотен. А на поверхности Земли открыто больше 3 тыс. минералов. Это говорит о сложности земных химических процессов по сравнению с лунными.

Тут уместно напомнить, что химический элементарный состав каменных метеоритов (хондритов) очень похож на состав Солнца. В каменных метеоритах и на Солнце практически одинаковы распространенность химических элементов и соотношения между ними (за исключением газов, которые при образовании метеоритов улетучились). Все химические элементы, обнаруженные на Солнце, найдены и в метеоритах. Кроме того, соотношение Si/Mg одинаково и на Солнце, и в метеоритах, и близко к единице. Когда выяснилось, что камни, доставленные из лунных «морей», оказались фрагментами базальтовых пород, стало ясно, что у лунной коры немало общего с Землей.

Базальты Луны, излившиеся при лунном вулканизме, несколько иного химического состава, чем хондриты. Так, соотношение Si/Mg в них равно не единице, а примерно 6 (как и в земных базальтах). Состав этих пород уже не соответствует первичному составу Солнца, однако они выплавились из лунного вещества, очень близкого к каменным метеоритам. Достаточно сказать, что средняя плотность Луны такая же, как каменных метеоритов – 3,34 г/см3. Земля же имеет плотность более 5, а ведь земная кора в основном сложена базальтами. Значит, Луна, вероятно, лишена тяжелого железного ядра.

И

так, лунные «моря» сложены базальтовой лавой и покрыты мелкозернистым грунтом того же состава. Но в деталях одно «море» отличается от другого. Море Изобилия, например, состоит из базальтов, где титана около 3 %, а в базальтах Моря Спокойствия титана до 10 %. Он находится здесь в виде минерала ильменита. Морские лунные базальты богаты железом – до 18 %, в земных же базальтах его обычно около 7 %. В лунных базальтах по сравнению с земными повышенное содержание урана, тория и калия. Эти радиоактивные элементы и обуславливают лунный вулканизм.

В высокогорьях Луны преобладают не базальты, а другие породы, так называемые анортозиты, состоящие главным образом из минерала анортита. На Земле такие породы встречаются среди самых древних пород на горных щитах. У земных анортозитов почтенный возраст – им до 3,5 млрд. лет. Все анортозиты, в том числе и лунные, содержат много алюминия и кальция и немного железа, ванадия, марганца, а также титан. А между тем в «морских» лунных базальтах содержание железа и титана весьма высокое.

Открытие способа образования лунных анортозитов прояснило бы земные геологические процессы далекого прошлого. Можно предположить, что анортозиты возникают при кристаллизационной дифференциации габбро-базальтовой магмы. На Луне анортозит кристализуется при очень быстром излиянии магмы в космическом вакууме. Все говорит о том, что для образования анортозита нужна вода и высокая температура. Лунная магма была горячей, однако, есть признаки того, что в ней было мало летучих компонентов: воды, газов, углекислоты. Правда, такие летучие соединения могли легко уходить с Луны в космос.

В происхождении анортозитов еще много неясного, а между тем находка этих пород в лунных высокогорьях воскресила старые геологические идеи о первичной анортозитовой коре Земли.

Очень интересна концентрация никеля в породах Луны. В монолитных морских базальтах его мало. Но в грунте (измельченной породе) его на полпорядка больше. А анортозиты материковых областей Луны содержат много никеля не только в грунте, но и в кусочках породы. И самое интересное – в грунте было обнаружено распыленное металлическое железо, содержащее никель. По всей вероятности, это частицы металлической фазы метеоритов. Удалось рассчитать, что в лунном грунте находится 0,25 % этого железного сплава, или 2,5 % каменного метеоритного вещества. Это значит, что многие миллионы тонн вещества привнесены на Луну из космоса. С помощью лунных камней, доставленных на Землю, определили абсолютный «геологический» возраст нашего ночного светила. Оказалось, что Луне около 4,6 * 109 лет, т.е. она ровесница Земли. Вместе с тем, отдельные кристаллические породы (главным образом базальты лунных «морей») на миллиард лет моложе: им около 3,0 * 109 лет.

6. Химический состав планет.

С

ведения о химии планет растут очень быстро. За последние годы мы много узнали о законах химических превращений вещества и о его составе на таинственных далеких мирах – наших соседях во Вселенной.

Меркурий – самая близкая к Солнцу планета. Но что происходит на планете, мы пока знаем весьма приближенно. Его масса слишком мала (0,054 земной), температура на солнечной стороне слишком велика (больше 400оС), и молекулы любого газа с огромной скоростью покидают поверхность планеты, улетая в космическое пространство. Наверное, Меркурий покрыт силикатными породами, сходными с земными.

На Венеру советские ученые отправили несколько автоматических лабораторий.

Т
еперь получены достоверные сведения о химическом составе ее атмосферы и об условиях на ее поверхности.

Посланные с Земли советские автоматические межпланетные станции «Венера – 4», «Венера – 5» и «Венера – 6» сделали прямой анализ состава атмосферных газов, измерили давление и температуру. Полученные сведения были переданы на Землю.

теперь достоверно известен состав атмосферы этой планеты:

углекислого газа (СО 2 ) около 97 %,

азота (N 2) не более 2 %,

водяного пара (Н 2 О) около 1 %,

кислорода (О 2) не более 0,1 %.

На поверхности Венеры жизнь невозможна. Термометр космической лаборатории показал температуру около 500 о С, а давление оказалось около 100 атм.

Поверхность Венеры (почти наверное) – раскаленная каменистая пустыня.

С
оветские и американские ученые отправили автоматические исследовательские станции и на Марс . Даже будучи разделены десятками миллионов миль пустого пространства, Марс и Земля находятся в таинственной связи. Установлено, что атмосфера этой планеты состоит почти из углекислоты, есть немного азота, кислорода и водяного пара. Атмосфера Марса очень разрежена, ее давление на поверхности в 100 с лишним раз меньше, чем на Земле. На Марсе преобладают температуры ниже 0 о С, огромные суточные колебания температуры становятся причиной страшных пыльных бурь. Поверхность планеты, как на Луне, покрыта множеством кратеров. Марс – холодная безжизненная пыльная пустыня.

Самая интересная, удивительная и загадочная планета с точки зрения химии – это Юпитер . Недавно было открыто радиоизлучение Юпитера. Какие процессы могут порождать радиоволны на этом холодном гиганте – загадка. Теоретики подсчитали, что ядро планеты должно быть жидким. Оно окружено оболочкой из металлического водорода, там царствуют давления в миллион атмосфер. Ученые настойчиво пытаются получить металлический водород в лабораториях. Основываясь на термодинамических расчетах, они уверены в успехе.

Юпитер окутан плотной атмосферой, толщиной в десятки тысяч километров. Химики открыли в атмосфере Юпитера много различных соединений. Все они, конечно, построены в полном соответствии с периодическим законом. На 98 % Юпитер состоит из водорода и гелия. Обнаружены также вода и сероводород. Найдены признаки метана и аммиака. Средняя плотность Юпитера очень мала – 1,37 г/см3.

Ф

изики рассчитали, что внутреннее ядро Юпитера должно быть очень горячим. От Солнца он получает мало тепла – в 27 раз меньше, чем Земля, и при этом 40 % отражает обратно в космос. Но излучает он в четыре раза больше, чем поглощает. Откуда Юпитер берет лишнюю энергию, как она возникает – неизвестно. Термоядерные процессы на нем невозможны. Быть может, эта избыточная энергия является энергией сжатия планеты?

Внешняя поверхность Юпитера очень холодная – от -90 до -120оС. Следовательно, внутри его атмосферы должны быть области, где условия мало отличаются от земных. Толщина такой зоны отнюдь не мала, около 3000 км. В этой зоне температурные колебания лежат в пределах от -5 до +100оС. Вода здесь должна быть жидкой, а другие соединения атмосферы – газообразными.

Астрономы считают, что снаружи Юпитер покрыт облачной оболочкой, состоящей из твердых частиц льда и аммиака. Поэтому он так ярко блестит на небе. В телескоп на поверхности Юпитера отчетливо видны полосы загадочных облаков, плывущих с гигантскими скоростями. Это царство ураганов и чудовищных гроз.

Ученые пытались воссоздать в лаборатории условия атмосферы Юпитера. Результаты получились неожиданными. Под действием электрических разрядов (грозы), ионизирующего и ультрафиолетового излучений (солнечный свет и космические лучи) в газовой среде, подобной по составу атмосфере Юпитера, возникали сложные органические соединения: мочевина, аденин, углекислота, даже некоторые аминокислоты и сложные углеводороды. Кроме того, были получены цианополимеры красного и оранжевого цвета. Их спектры оказались сходными со спектром загадочного красного пятна на Юпитере. Перед учеными возник вопрос: есть ли на Юпитере жизнь? Для наших земных организмов атмосфера этой планеты – яд. Но может быть, это зона первичных форм жизни, океан добиологических соединений, необходимых для возникновения самых примитивных, простейших форм жизни? А может быть, они там уже возникли?

С
иний цвет Урана является результатом поглощения красного света метаном в верхней части атмосферы. Вероятно, существуют облака других цветов, но они прячутся от наблюдателей перекрывающим слоем метана. Атмосфера Урана (но не Уран в целом!) состоит примерно на 83% из водорода, на 15% из гелия и на 2% из метана. Подобно другим газовым планетам, Уран имеет полосы облаков, которые очень быстро перемещаются. Но они слишком плохо различимы и видимы только на снимках с большим разрешением, сделанных "Вояджером 2". Недавние наблюдения с HST позволили рассмотреть большие облака. Есть предположение о том, что эта возможность появилась в связи с сезонными эффектами, ведь как не трудно сообразить, зима от лета на Уране сильно разняться: целое полушарие зимой на несколько лет прячется от Солнца! Однако, Уран получает в 370 раз меньше тепла от Солнца, чем Земля, так что летом там тоже не бывает жарко. К тому же, Уран излучает тепла не больше, чем получает от Солнца, следовательно, и, скорее всего, он холоден внутри

С
троение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные "льды" или отвердевшие газы с содержанием около 15% водорода и небольшого количества гелия Как и Уран, и в отличие от Юпитера с Сатурном, Нептун, возможно, не имеет четкого внутреннего расслоения. Но наиболее вероятно, у него есть небольшое твердое ядро (равное по массе Земле). Атмосфера Нептуна - это, по большей части, метан: синий цвет Нептуна является результатом поглощения красного света в атмосфере этим газом, как на Уране Подобно типичной газовой планете, Нептун славен большими бурями и вихрями, быстрыми ветрами, дующими на ограниченных полосах, параллельным экватору. На Нептуне самые быстрые в Солнечной системе ветры, они разгоняются до 2 200 км/час. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты. Заметьте, что у планет-гигантов скорость потоков и течений в их атмосферах увеличивается с расстоянием от Солнца. Эта закономерность не имеет пока никакого объяснения. На снимках Вы видите облака в атмосфере Нептуна Подобно Юпитеру и Сатурну, Нептун имеет внутренний источник тепла - он излучает более чем в два с половиной раза больше энергии, нежели получает от Солнца.

Химический состав Плутона также не известен, но его плотность (около 2 г/см3) показывает, что он, вероятно, состоит из смеси 70% горных пород и 30% водяного льда, практически также, как Тритон. Светлые области на поверхности, возможно, покрыты азотным льдом небольшими добавками (твердых) метана, этана и угарного газа. Состав темных областей поверхности Плутона не известен, но он может быть создан из первичного органического материала или в ходе фотохимических реакций вызванных космическими лучами. Об атмосфере Плутона известно совсем немного, но, вероятно, она состоит в основном из азота с небольшими примесями угарного газа и метана.

А

тмосфера Сатурна - в основном, водород и гелий. Но из-за особенности образования планеты большая, нежели на Юпитере, часть Сатурна приходится на другие вещества. "Вояджер 1" выяснил, что около 7 процентов объема верхней атмосферы Сатурна - гелий (по сравнению с 11-ю процентами в атмосфере Юпитера), в то время как почти все остальное – водород.

Поразительные достижения космической химии позволили начать исследования процессов, протекающих на поверхности далеких, пока еще недоступных миров. Это приводит к очень важному выводу: самая прекрасная планета – наша родная Земля. Долг каждого человека – бережно относиться ко всем ее богатствам и красоте.

Заключение

Наши знания химического состава Вселенной получены в результате спектроскопических исследований излучений Солнца и звезд, анализа метеоритов и на основании того, что мы знаем о составе Земли и других планет. Спектроскопические наблюдения позволяют установить элементы, ответственные за излучения, а на основании тщательного анализа интенсивностей спектральных линий можно сделать грубые оценки относительных количеств различных элементов, присутствующих во внешних частях излучаемого тела. Полученные таким образом данные подтверждают предположение, что Вселенная состоит из одних и тех же элементов. И приведенные данные доказывают это.

Список литературы.

1. Интернет;

2. Г. Хэнкок, Р. Бьювэл, Дж. Григзби «Тайны Марса»

3. В. Н. Демин «Тайны Вселенной»

— Зверь и птица, звёзды и камень — все мы одно, все одно... — бормотала Кобра, опустив свой клобук и тоже раскачиваясь. — Змея и ребёнок, камень и звезда — все мы одно...

Памела Треверс. «Мэри Поппинс»

Чтобы установить распространённость химических элементов во Вселенной, нужно определить состав её вещества. А оно сосредоточено не только в крупных объектах — звёздах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Природа, как известно, не терпит пустоты, поэтому и космическое пространство заполнено межзвёздными газом и пылью. К сожалению, нам для непосредственного изучения доступно лишь земное вещество (и только то, которое «под ногами») да очень небольшое количество лунного грунта и метеориты — обломки некогда существовавших космических тел.

Как же определить химический состав объектов, удалённых от нас на тысячи световых лет? Получать всю необходимую для этого информацию стало возможным после разработки в 1859 г. немецкими учёными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном метода спектрального анализа. А в 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое учёный назвал Х-лучами (ныне они известны как рентгеновские). Благодаря этому открытию появилась рентгеновская спектроскопия, которая позволяет непосредственно по спектру определять порядковый номер элемента.

В основе спектрального и рентгеноспектрального анализа лежит способность атомов каждого химического элемента излучать или поглощать энергию в виде волн строго определённой, только ему одному свойственной длины, что и улавливают специальные приборы — спектрометры. Атом испускает волны видимого света при переходах электронов на внешних уровнях, а за рентгеновское излучение отвечают более «глубинные» электронные слои. По интенсивности определённых линий в спектре и узнают содержание элемента в том или ином небесном теле.

К концу XX в. исследованы спектры многих объектов во Вселенной, накоплен огромный статистический материал. Разумеется, данные о химическом составе космических тел и межзвёздного вещества не окончательны и постоянно уточняются, но благодаря уже собранным сведениям удалось установить среднее содержание элементов в космосе.

Все тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но содержание их в разных объектах различно. При этом наблюдаются интересные закономерности. Лидеры по распространённости — водород (его атомов в космосе — 88,6 %) и гелий (11,3 %). На долю остальных элементов приходится всего 1 %! В звёздах и планетах распространены также углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, лёгкие элементы преобладают. Но есть и исключения. Среди них — «провал» в области лития, бериллия и бора и низкое содержание фтора и скандия, причина которого до сих пор не установлена.

Выявленные закономерности можно представить в виде графика. Внешне он напоминает старую пилу, зубья которой сточились по-разному, а некоторые вообще сломались. Верхушки зубьев соответствуют элементам с чётными порядковыми номерами (т. е. тем, у которых количество протонов в ядрах чётное). Данная закономерность носит название правила Олдо — Харкинса в честь итальянского химика Джузеппе Оддо (1865—1954) и американского физика и химика Уильяма Харкинса (1873— 1951). Согласно этому правилу, распространённость элемента с чётным зарядом больше, чем его соседей с нечётным количеством протонов в ядре. Если же у элемента и количество нейтронов чётное, то он встречается ещё чаше и изотопов образует больше. Во Вселенной существует 165 стабильных изотопов, у которых и число нейтронов, и число протонов чётное; 56 изотопов с чётным числом протонов и нечётным — нейтронов; 53 изотопа, у которых число нейтронов чётное, а протонов — нечётное; и всего 8 изотопов с нечётным количеством и нейтронов, и протонов.

Бросается в глаза и ещё один максимум, приходящийся на железо — один из наиболее распространённых элементов. На графике его зубец возвышается, как Эверест. Это связано с большой энергией связи в ядре железа — самой высокой среди всех химических элементов.

А вот и сломанный зуб у нашей пилы — на графике нет значения распространённости технеция, элемента № 43, вместо него здесь пробел. Казалось бы, что в нём такого особенного? Технеций находится в середине периодической системы, распространённость его соседей подчиняется общим закономерностям. А дело вот в чём: этот элемент просто-напросто давно «закончился», период полураспада его самого долгоживущего изотопа 2,12.10 6 лет. Технеций даже не был открыт в традиционном понимании этого слова: его синтезировали искусственно в 1937 г., и то случайно. Но вот что интересно: в 1960 г. в спектре Солнца была обнаружена линия «несуществующего» элемента № 43! Это блестящее подтверждение того факта, что синтез химических элементов в недрах звёзд продолжается и поныне.

Второй сломанный зуб — отсутствие на графике прометия (№ 61), и объясняется оно теми же причинами. Период полураспада самого устойчивого изотопа этого элемента очень мал, всего 18 лет. И пока нигде в космосе он не дал о себе знать.

Совсем нет на графике и элементов с порядковыми номерами больше 83: все они тоже очень нестабильны, и в космосе их исключительно мало.

Современным астрономам известно около трех с половиной тысяч экзопланет, которые находятся от нас на расстоянии от четырех до двадцати восьми тысяч световых лет. Некоторые из них очень . Попасть на какую-нибудь из них в обозримом будущем будет сложно - разве что человечество совершит огромный технологический скачок. Тем не менее, экзопланеты уже сегодня представляют собой огромный интерес с точки зрения астрохимии. Об этом - наш новый материал, написанный в партнерстве с Уральским федеральным университетом .

Основную часть вещества Вселенной (если говорить о барионном веществе) составляет водород - около 75 процентов. На втором месте идет гелий (около 23 процентов). Однако в космосе можно найти самые разнообразные химические элементы и даже сложные молекулярные соединения, включая органические. Изучением процессов образования и взаимодействия химических соединений в космосе занимается астрохимия . Представителям этой специальности очень интересно исследовать экзопланеты, потому что на них могут реализоваться самые разные сценарии, которые приведут к появлению необычных соединений.

Радуга на службе у астрономов

Основным инструментом получения информации о химическом составе отдаленных объектов является спектроскопия . Она использует тот факт, что атомы химических элементов (или молекулы соединений) могут излучать или поглощать свет только на определенных частотах, отвечающих переходам системы между различными уровнями энергии. В результате формируется спектр излучения (или поглощения), по которому можно однозначно определить вещество. Это как отпечатки пальцев, только для атомов.

Наглядным примером разложения света в спектр является радуга. Нам переходы от одного цвета к другому кажутся плавными и непрерывными, а на самом деле некоторых цветов в радуге нет, потому что определенные длины волн поглощаются содержащимися в Солнце водородом и гелием. Кстати, гелий впервые открыли именно по наблюдению за спектром Солнца (поэтому он и называется «гелий», от др.-греч. ἥλιος - «солнце»), а в лаборатории его выделили только через 27 лет. Это был первый успешный пример использования спектроскопии для изучения звезд.

Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы Солнца.

Wikimedia commons

В простейшем случае атома водорода спектр излучения представляет собой серию линий, отвечающих переходам между уровнями с различными значениями главного квантового числа n (эта картина хорошо описывается формулой Ридберга). Самой известной и удобной для наблюдений является линия Бальмера Hα, имеющая длину волны 656 нанометров и лежащая в области видимого спектра. Например, на этой линии астрономы наблюдают за далекими галактиками и распознают облака молекулярного газа, которые в большинстве своем как раз состоят из водорода. Следующие серии линий (Пашена, Брэкета, Пфунда и так далее) целиком лежат в инфракрасном диапазоне, а серия Лаймана расположена в области ультрафиолетового излучения. Это несколько усложняет наблюдения.

В то же время у молекул сложных соединений есть другой способ излучать кванты света, в каком-то смысле даже более простой. Связан он с тем, что вращательная энергия молекулы квантуется, что также позволяет им излучать в линиях (кроме того, они могут излучать и  непрерывный спектр). Энергия таких квантов света не очень большая, поэтому их частота лежит уже в радиодиапазоне. Один из самых простых вращательных спектров принадлежит молекуле угарного газа CO, по ней астрономы тоже часто распознают облака холодного газа, когда не могут разглядеть в них водород. Методы радиоастрономии позволили найти в молекулярных облаках также метанол, этанол, формальдегид, синильную и муравьиную кислоту, а также другие элементы. Например, именно с помощью радиотелескопа ученые алкоголь в хвосте кометы Лавджоя.

Что можно найти в космосе

Проще всего методы спектроскопии применять для изучения химического состава звезд. В этом случае астрономы исследуют спектры поглощения, а не излучения элементов. В самом деле, свет от них легко наблюдать, особенно в видимом диапазоне. Правда, химический состав звезд сам по себе обычно не очень интересен: по большей части они состоят из водорода и гелия с небольшой примесью тяжелых элементов.

Более тяжелые элементы образуются во вспышках сверхновых, и их тоже можно наблюдать. Например, некоторые ученые утверждают, что после недавно слияния двух нейтронных звезд должны были образоваться огромные количества золота, платины и других элементов из последних строк таблицы Менделеева. Но так или иначе, очень сложные или органические соединения в звездах существовать не могут, поскольку они обязательно распадаются из-за больших температур.

Другое дело - облака холодного межзвездного газа. Они очень сильно разрежены и излучают гораздо слабее, чем звезды, зато сами по себе гораздо больше. И состав у них более интересный. В них можно найти огромное число самых разных молекул - начиная от простых двухатомных и заканчивая относительно сложными многоатомными органическими соединениями. Среди сложных молекул особенно стоит выделить «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил , который может участвовать в образовании глицина, простейшей аминокислоты. Некоторые ученые предполагают, что в молекулярных облаках может образоваться и рибоза, один из основных кирпичиков органической жизни. Если такие соединения попадут в благоприятные условия, это уже будет ступенькой для возникновения жизни.

Изображение туманности Ориона M42, полученное Коуровской астрономической обсерваторией УрФУ. Красный цвет - это результат рекомбинации в линии излучения Hα на длине волны 656,3 нанометра.

Чуть ближе к планетам

К сожалению, для определения химического состава экзопланет метод спектроскопии применить сложно. Все-таки для этого нужно зарегистрировать свет от них, а звезда, вокруг которой вращается планета, мешает это сделать, поскольку она светит намного ярче. Пытаться наблюдать за такой системой - все равно что смотреть на свет спички на фоне прожектора.

Тем не менее, некоторую информацию об экзопланете можно получить, не измеряя спектр ее излучения напрямую. Хитрость заключается в следующем. Если у планеты есть атмосфера, она должна поглощать часть излучения звезды, причем в разных спектральных диапазонах по-разному. Грубо говоря, на одной длине волны планета будет казаться чуть меньше, а на другой длине - чуть больше. Это позволяет строить предположения о свойствах атмосферы, в частности, о ее химическом составе. Такой способ наблюдений особенно хорошо работает на горячих, близко расположенных к звездам планетах, потому что их радиус проще измерять.

Кроме того, химический состав планеты должен быть связан с составом газопылевого облака, из которого она образовалась. Например, в облаках с большим отношением концентраций атомов углерода к атомам кислорода образующиеся планеты будут состоять преимущественно из карбонатов. С другой стороны, химический состав звезды, образовавшейся из такого облака, также должен отражать его состав. Это позволяет строить некоторые предположения, основываясь на изучении спектра одной только звезды. Так, астрономы из Йельского университета проанализировали данные о химическом составе 850 звезд и обнаружили, что в 60 процентах систем концентрации магния и кремния в звезде указывают на то, что рядом с ней могут находиться каменистые планеты, похожие на Землю. В оставшихся 40 процентах химический состав звезд говорит нам о том, что состав планет вокруг них должен существенно отличаться от земного.

Вообще говоря, в последнее время прямая спектроскопия особенно горячих планет на фоне тусклых звезд все-таки стала возможна благодаря возросшей точности измерительных приборов. В этом случае уже можно искать в их свете следы различных химических элементов и сложных соединений. Например, с помощью ИК-спектрографа CONICA, установленного на телескопе VLT и объединенного с системой адаптивной оптики NAOS, ученым удалось измерить спектр экзопланеты HR 8799 c, которая вращается вокруг белого карлика и разогрета так сильно, что сама излучает свет. В частности, из анализа ее спектра следовало, что в атмосфере планеты содержится меньше, чем ожидалось, метана и угарного газа. Также совсем недавно астрономы измерили спектр другого «горячего юпитера», в его атмосфере оксид титана. Тем не менее, непосредственные измерения спектра менее горячих каменистых планет (на которых существование жизни более вероятно) до сих пор представляет большую сложность.

Изображение системы HR 8799. Планета HR 8799 c находится в правом верхнем углу

Jason Wang et al / NASA NExSS, W. M. Keck Observatory

Состав планеты можно также определить косвенно, рассчитав ее плотность. Для этого нужно знать радиус и массу планеты. Массу можно найти, наблюдая за гравитационным взаимодействием планеты со звездой или другими планетами, а радиус оценить по изменению блеска звезды при прохождении планеты по ее диску. Очевидно, газовые планеты должны иметь меньшую плотность по сравнению с каменистыми. Например, средняя плотность Земли равна примерно 5,5 грамма на кубический сантиметр, и для поиска обитаемых планет астрономы ориентируются именно на это значение. В то же время плотность «самого рыхлого горячего юпитера» составляет 0,1 грамма на кубический сантиметр.

«Невозможные» соединения

С другой стороны, экзопланеты можно изучать и вовсе не выходя из лаборатории, как бы странно это ни звучало. Речь идет о моделировании (в основном численном) химических и физических процессов, которые должны на них происходить. Из-за того что условия на экзопланетах могут быть самые экзотические (простите за каламбур), вещества на них могут образоваться тоже самые необычные, «невозможные» в привычных для нас условиях.

Большинство открытых экзопланет относится к «горячим юпитерам» - сильно разогретым из-за небольшого расстояния до звезды газовым гигантам. Конечно, это не обязательно означает, что такие планеты преобладают в звездных системах, просто их легко найти. Температура атмосферы таких гигантов может превышать тысячу градусов по Цельсию, и состоит она в основном из паров силикатов и железа (при такой температуре оно начинает испаряться, но еще не кипит). В то же время, давление внутри этих планет должно достигать огромных значений, при которых водород и другие привычные для нас газы переходят в твердые агрегатные состояния. Эксперименты по моделированию подобных экстремальных условий проводятся давно, однако впервые металлический водород только в январе этого года.

С другой стороны, в недрах каменистых планет также могут достигаться большие давления и температуры, а «зоопарк» химических элементов там может быть даже больше. Например, по некоторым оценкам, давление внутри каменистых планет с массами в несколько земных масс может достигать значений до 30 миллионов атмосфер (внутри Земли давление не превышает четырех миллионов атмосфер). С помощью компьютерного моделирования удалось выяснить , что в таких условиях начинают образовываться экзотические соединения магния, кремния и кислорода (которых в составе каменистых планет должно быть много). Например, при давлениях более 20 миллионов атмосфер стабильными становится не только привычный для нас оксид кремния SiO 2 , но и «невозможные» SiO и SiO 3 . Также интересно, что в недрах особенно массивных планет (до 20 масс Земли) может образоваться MgSi 3 O 12 - оксид, обладающий свойствами электрического проводника.

Нестандартные условия можно моделировать не только на компьютере, но и в лаборатории, пусть и не для такого большого диапазона давлений и температур. С помощью алмазной наковальни можно получить давления до 10 миллионов атмосфер, как раз соответствующие условиям в недрах планет, а разогреть образец до высоких температур можно лазером. Эксперименты по моделированию таких условий действительно активно проводятся в последнее время. Например, в 2015 году группа ученых, в состав которой входили российские исследователи, экспериментально наблюдали образование пероксида магния MgO 2 уже при давлениях около 1,6 тысяч атмосфер и температурах больше двух тысяч градусов Цельсия. Подробно об исследованиях поведения вещества при больших давлениях вы можете прочитать в .

Рентгеновская спектроскопия образца, состоящего из атомов магния и кислорода, при давлении около десяти тысяч атмосфер и температуре около двух тысяч Кельвин. Пунктиром выделена область с повышенным содержанием кислорода.

S. Lobanov et al / Scientific Reports

***

В УрФУ есть группа ученых, которые занимаются изучением протопланетного вещества в дальнем космосе и Солнечной системе. Мы попросили ведущего специалиста Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Вадима Крушинского более подробно рассказать об изучении экзопланет.

N +1: Зачем мы изучаем экзопланеты?

Вадим Крушинский: Еще 25 лет назад нам было известно о существовании единственной планетной системы - Солнечной. Теперь же мы уверены в том, что планеты есть у огромного числа звезд, возможно, почти у каждой звезды во Вселенной. Прогресс технологий получения и обработки данных привел к тому, что найти свою экзопланету может даже продвинутый любитель астрономии. Открытие очередного «горячего юпитера» - это открытие целой планетной системы, просто мы видим только самую заметную ее часть. Планеты меньшего размера или находящиеся дальше от родительской звезды открываются гораздо реже, это эффект наблюдательной селекции.

Вадим Крушинский в составе группы ученых Уральского федерального университета работает над проектом по исследованию протопланетного вещества в дальнем космосе, Солнечной системе и на Земле.

Это один из шести прорывных научных проектов университета, им занимается стратегическая академическая единица (САЕ) - Институт естественных наук и математики УрФУ - вместе с академическими и индустриальными партнерами из России и других стран. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

Единичный эксперимент не позволяет делать выводы о наблюдаемом явлении. Эксперимент должен быть повторен многократно и независимо. Каждая открытая экзопланетная система - это отдельный независимый эксперимент. И чем больше их известно, тем надежнее прослеживаются общие законы происхождения и эволюции планетных систем. Нам необходимо набирать статистику!

Что же можно узнать об экзопланетах, наблюдая за ними с таких больших расстояний?

Прежде всего нужно определить свойства родительской звезды. Это позволяет вычислить размеры планет, их массу и радиусы орбит. Зная светимость родительской звезды и радиус орбиты, можно оценить температуру поверхности экзопланеты. Кроме того, атмосферы планет имеют разную прозрачность в разных спектральных диапазонах (об этом писал еще Ломоносов). Для наблюдателя это выглядит как разный диаметр планеты при наблюдении в разных фильтрах. Это позволяет обнаружить атмосферу и оценить ее толщину и плотность. Свет родительской звезды, прошедший через атмосферу планеты во время транзита, несет информацию о составе ее атмосферы. А во время вторичного затмения, когда планета прячется за свою звезду, мы можем наблюдать изменения спектра, связанные с отражением от атмосферы и поверхности планеты. Так же, как и у Луны, у экзопланет можно наблюдать фазы. Если изменения блеска системы, вызванные этим эффектом, не постоянны, то это говорит о том, что альбедо планеты (способность отражать свет) меняется. Например, вследствие движения облаков в ее атмосфере.

Свойства экзопланет должны быть связаны со свойствами родительских облаков. Изучая материю на стадии звездообразования, мы вносим вклад в понимание эволюции планетных систем. К сожалению, Земля претерпела значительные изменения в ходе истории, и уже мало напоминает то протопланетное вещество, из которого когда-то родилась. Но совсем рядом с нами летают метеориты и кометы. Некоторые из них даже падают на Землю и попадают в лаборатории. До каких-то из них могут долететь космические аппараты. Прямо перед нами отличный объект исследования! Остается только доказать, что и другие планетные системы эволюционировали так же, как наша.

Можно ли найти жизнь на других планетах?

Для этого нужно обнаружить биомаркеры - проявления жизнедеятельности организмов. Лучшим биомаркером были бы передачи условного «Первого канала», но сойдет и наличие кислорода. Без жизни кислород на Земле был бы связан и исчез из атмосферы за десяток тысяч лет. Обнаружив кислород в атмосферах экзопланет, мы сможем утверждать, что не одиноки во Вселенной. Как его найти, было рассказано выше. Но вот только приборов с достаточной чувствительностью пока нет. Прорыв в этом направлении ожидается после запуска космического телескопа им. Джеймса Вебба (JWST).

Что могут сделать в этой области ученые из России и, в частности, из УрФУ?

Несмотря на то, что в плане изучения экзопланет Россия отстает от остального научного сообщества, у нас есть возможность сократить это отставание. Относительно малобюджетные программы по поиску экзопланетных систем (пилотный проект KPS Коуровской обсерватории УрФУ) позволят сделать первый шаг и помогут в наборе данных для статистического анализа. Высокоточные фотометрические измерения можно проводить и на имеющемся оборудовании, это позволяет искать атмосферы у некоторых экзопланет. Спектральные наблюдения во время транзитов и вторичных затмений относительно доступны для крупнейших телескопов России. Что нужно сделать для старта этих программ - найти заинтересованных людей и оплатить их работу. Немного вложиться в оборудование.

Второе направление - моделирование и интерпретация наблюдаемых эффектов. Это может быть как теоретическая работа, так и экспериментальная - исследование поведения и свойств образцов в условиях космоса и сравнение с наблюдаемыми эффектами. Для этого необходимо создание установки, имитирующей условия космического пространства. В качестве образцов можно использовать метеориты из коллекции УрФУ.

Дмитрий Трунин