big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Гипотезы космического происхождения воды

Другая группа гипотез может быть названа гипотезами космического происхождения воды.

С самого начала возникновения из холодного газопылевого облака, как это следует из теории О. Ю. Шмидта (1962), Земля могла захватить из межпланетного пространства целый ряд более сложных, чем водород и гелий, элементов, в том числе и воду, связанную в метеоритах и астероидах. Однако возможность подобного захвата околоземной пыли оспаривается. В. И. Мороз (1962) пришел к выводу, что околоземная пыль образуется не в результате захвата ее из межпланетного пространства, как предполагал Шмидт, и не за счет вещества, выбрасываемого при взрыве метеоритов на поверхности Луны, как утверждал Уиппл.

Согласно представлениям Мороза (1962, стр. 157), околоземная пыль образуется «в результате дробления льдистых легкоплавких тел, остатки которых в более низких слоях атмосферы испаряются».

И все же нет основания считать воду продуктом только земного происхождения. И на других планетах возможно образование воды, например на Марсе и Венере. Изучение фотоснимков Марса, сделанных в августе 1965 г. со спутника «Маринер-IV», пока не подтвердило существование воды на этой планете. Предполагается, что при наличии сильно разреженной атмосферы (1/50-1/100 плотности атмосферы Земли) на Марсе не может быть воды. Этот довод, однако, нельзя считать убедительным, так как в пределах земной атмосферы при незначительной плотности ее высоких слоев в них имеется вода, хотя большая часть ее молекул, по-видимому, распадается на атомы водорода и кислорода под влиянием космических лучей и ультрафиолетового излучения Солнца.

Существование воды на Венере было убедительно доказано советской межпланетной станцией «Венера-IV», совершившей посадку на эту планету 18 октября 1967 г.

Одним из веских доводов в пользу космического происхождения воды могут быть также данные, характеризующие средний состав Земли и метеоритов. Основанием для такого сравнения является твердо установленная принадлежность метеоритов к солнечной системе (Левин, 1962). По материалам, обобщенным Виноградовым, среднее содержание отдельных элементов в Земле в целом и в метеоритах представлено в табл. 2.

Средний состав метеоритов вычислен исходя из соотношения каменных метеоритов к железным как 9:1.

Как видно из табл. 2, процентное соотношение основных элементов в Земле и метеоритах довольно близкое.

Б. Ю. Левин, С. В. Козловская, А. Г. Старкова (1956), обобщая данные по химическому составу метеоритов, ставят на первое место кислород, считая его наиболее распространенным в массе метеоритного вещества (34% по весу). Далее в убывающем порядке, согласно их выводам, идут железо, кремний, магний.

В. И. Вернадский в своей незаконченной работе «История природных вод» (1933, 1960) отмечал, что прежние анализы большинства каменных метеоритов указывали на нахождение

в них воды, но без уверенности в невозможности ее позднейшего происхождения в пределах земной планеты. По его мнению не исключено появление ее в качестве примеси уже после вхождения метеоритов в планетные слои атмосферы Земли. Однако он допускал возможность содержания в метеоритах волосной воды неземного происхождения и отрицал содержание в них конституционной. Между прочим он же упоминает о старой гипотезе Ф. Н. Шведова (1881), который часть падающего на Землю крупного града связывал с метеоритами, приписывая ему космическое происхождение.

Более определенно в пользу содержания воды в самих метеоритах высказывался В. Г. Фесенков (1956). Он писал: «Связанная вода в метеоритах и органическое вещество (неорганического происхождения) известны уже довольно давно, и не подлежит сомнению, что они принадлежат самим метеоритам, а не заимствованы ими из окружающей земной среды» (1956, стр. 11).

Согласно Шмидту (1962), газы и водяные пары вошли в состав Земли с самого начала ее зарождения, так как в окружавшем Солнце допланетном облаке материи, из которого образовались планеты, присутствовали и твердые, и газообразные вещества. Немалую долю их составляли льды Н2О, СН4, СО2, NH3, О, С и другие соединения и элементы. Однако Шмидт отрицал обилие летучих соединений, в том числе и воды, в начале образования Земли и последующую интенсивную их диссипацию в межпланетное пространство. Объясняя малое содержание водорода в Земле, он писал: «Земля содержит мало водорода не потому, что он некогда у нее был, но улетучился, а потому, что его в Земле никогда много не было, — Земля образовалась из вещества, в котором водород с самого начала составлял малую долю» (Шмидт, 1962, стр. 44). По его мнению, Земля образовалась преимущественно из твердого вещества, в составе которого основную роль играли не столько легкие, сколько тяжелые элементы. Большая часть летучих соединений планет земной группы, находящихся в теплой зоне солнечной системы, т. е. ближе к Солнцу, испарилась еще до образования планет. Обилие летучих соединений свойственно только планетам-гигантам, образование которых происходило в холодной зоне солнечной системы, где процессы намораживания летучих — характерное явление в тех температурных условиях. Для сравнения температуры теплой и холодной зон солнечной системы Шмидт приводит следующие величины: температура, обусловленная солнечным излучением, на орбите Меркурия около 600° К, на орбите Земли около 300° К, на орбите Юпитера около 3°К. Разница в температурных условиях теплой и холодной зон солнечной системы велика, она могла быть причиной относительной бедности летучими соединениями теплой зоны и богатства ими холодной. Однако между теплой и холодной зонами нет непреодолимых преград. Между ними существует постоянный обмен материей и энергией. Хотя температурный градиент направлен от Солнца в сторону планет-гигантов, тем не менее по закону всемирного тяготения Солнце постоянно притягивает к себе газово-пылеватые частицы, а также метеориты и астероиды.

В. И. Мороз (1967), исходя из большой скорости диссипации водорода из современной атмосферы, склоняется к признанию первоначально большого содержания водорода в первичной атмосфере.

Б. Ю. Левин (1962) большую роль в образовании Земли отводит астероидам. Он предполагает, что Земля росла в основном за счет падения на нее крупных тел диаметром до нескольких сот километров. Такие размеры свойственны, как известно, астероидам, обломками которых являются метеориты. Основные орбиты астероидов, по наблюдениям астрономов, расположены в промежуточной зоне между планетами земной группы и планетами-гигантами. Некоторые орбиты астероидов пересекают орбиту Земли, Один из них, Икар, 14 июня 1968 г. приблизился к Земле на расстояние около 6,3•106 км. В астероидах должно быть больше летучих веществ, в том числе и воды, по сравнению с планетами земной группы. Они расположены дальше от Солнца, на стыке теплой и холодной зон солнечной системы.

Б. Ю. Левин высказывает мысль, что происхождение земной гидросферы и атмосферы, возможно, связано с происхождением гигантского облака комет, окружающего солнечную систему. По его мнению, ледяные ядра комет этого облака «...были выброшены из зоны формирования планет-гигантов на заключительной стадии этого процесса. Некоторые из них пересекали внутреннюю зону планетной системы и иногда сталкивались с растущей Землей, принося на нее воду и другие летучие вещества, в том числе и углеводороды» (1962, стр. 15).

В последние годы большое внимание к себе привлекает одна из разновидностей метеоритов — так называемые углистые хондриты.

На содержание воды в углистых метеоритах (Кваша, Виик, 1964) указывали во второй половине девятнадцатого века Велер, Менье и Коэн. Эти указания остались незамеченными из-за недостаточной уверенности в точности анализов и предположений о земном происхождении содержащейся в метеоритах воды. Заслуживают внимания высказывания Кваша и Виика о том, что до 1948 г. наиболее распространенным среди исследователей было мнение о безводности метеоритов как одной из характерных особенностей. Только в результате исследований (Кваша, 1948) углистого метеорита, упавшего в районе Старое Борискино, впервые в метеоритах были найдены микроскопическим путем водные силикаты хлоритового типа и химическим анализом — связанная вода. В углистом хондрите Старое Борискино оказалось 11,97% воды, а по результатам повторного химического анализа того же метеорита, выполненного Вииком в 1962 г. (1964),11,68% воды.

А. Н. Заварицкий и Л. Г. Кваша (1952) отмечали, что нагревание метеоритов приводит к выделению из них целого ряда летучих элементов: Н, О, N, С, S, C1, которые в результате рекомбинации могут давать летучие соединения типа Н2О, СО2, СО, СН4, HC1 и др. На существование в метеоритах физически связанной и даже конституционной воды указывал также Е. Л. Кринов (1955), хотя о последней он упомянул как о разновидности, редко встречаемой в метеоритах.

В последние годы появился в печати новый обзор современных знаний о химическом, минералогическом составе и структуре метеоритов, выполненный Б. Мейсоном (Mason, 1965).

Б. Мэйсон считает, что все метеориты происходят из общего родоначального вещества и относятся к солнечной системе. Упоминая о ранней (1920 г.) классификации метеоритов Прайора, он считает возможным принять ее с учетом современных исследований. По этой классификации метеориты были разделены на четыре группы: хондриты, ахондриты, железокаменные, железные.

Первые две группы в основном состоят из силикатов и составляют наиболее распространенные так называемые каменные метеориты (более 80% всех наблюдавшихся падений на Землю). Больше всего воды содержится в каменных метеоритах, среди которых особо выделяются углистые хондриты.

Согласно Вику (Мейсон, 1965), представление о среднем химическом составе выделенных им трех типов углистых хондритов можно получить из данных табл. 3.

Как видно из данных табл. 3, в углистых метеоритах содержится немало воды, но нет полной уверенности, что вся она космического происхождения. Мейсон считает, что в углистых хондритах есть кристаллизационная вода, а также, вероятно, и приобретенная земная вода. Однако «определенная часть водорода в этих анализах, отмечаемая как Н2О, вероятно, внеземная, поскольку она отличается очень высоким содержанием дейтерия по сравнению с той, которую обнаруживали в природных веществах» (Мейсон, 1965, стр. 176).

В новой классификации каменных метеоритов Прайора-Мейсона выделено пять групп хондритов, в которых содержание воды изменяется от 0,10 до 12,86% по весу. И в этой классификации максимальное количество воды также отмечается в группе углистых хондритов.

Следуя А. Е. Рингвуду (Ringwood), Б. Мейсон предполагает, что все метеориты происходят из первичных углистых хондритов. Отсюда он делает вывод, что железокаменные и железные метеориты — вторичные образования, возникшие из первичных углистых хондритов в результате разогревания, плавления и потери ими летучих веществ, в том числе воды. Этот сложный процесс, по Рингвуду, протекал путем последовательно сменявших друг друга стадий: а) агрегации родоначального тела за счет холодного пылевого облака солнечной системы; б) образования метеоритной планеты, по составу сходной с углистыми хондритами, но с более высокой концентрацией летучих соединений; в) внутреннего разогрева планеты, сопровождаемого потерей летучих веществ (Н, О, С, S), в том числе воды, и дифференциацией, а также метаморфизмом хондритового вещества; г) охлаждения и разрушения метеоритной планеты, появления астероидов и метеоритов как обломков планеты.

Б. Личков (1960), рассматривая генезис земных вод, как уже говорилось выше, приходит к выводу, что планета Земля, образовавшаяся из астероида, унаследовала и горные породы и связанные с ними воды. При этом свободная или гравитационная вода в больших количествах появилась в связи и одновременно с превращением астероида в планету. До этого периода вода была в связанном состоянии. Не трудно заключить что в основе концепции Б. Личкова лежит гипотеза первичного космического происхождения воды. Образование Земли как планеты обусловило трансформацию одного вида воды в другой и иную структуру ее агрегации (океаны, моря).

Источником межпланетного вещества солнечной системы являются не только астероиды, но также продукты их дробления (метеориты) и распада периодических комет, космическая пыль. Ядра многих комет, в составе которых есть и вода, в поперечнике имеют несколько километров и состоят из замерзших газов с вкраплением в них тугоплавких частиц. В совокупности с космической пылью все это образует межпланетную пыль, которая концентрируется вокруг Солнца и планет. Согласно В. И. Морозу, М. Назаровой и др., концентрация пыли в околоземном пространстве, по данным ракет и спутников, в 103—105 раз больше, чем в межпланетном пространстве.

Часть межпланетной пыли вместе с метеоритами ежедневно выпадает на поверхность Земли, увеличивая ее массу, в том числе и массу гидросферы. Количество выпадающей на Землю массы, по данным разных исследователей, сильно колеблется, что отчасти можно объяснить неполным учетом всех видов внеземной пыли.

Б. И. Вронский (1964) в кратком обзоре исследований внеземной пыли по этому вопросу приводит данные, полученные разными авторами с 1935 по 1962 гг. Так, минимальное значение массы, сообщенное Бадхью в 1949 г., составляет 8 т в год, а максимальное, полученное в 1955 г. Кросье, 13 млн. т в год! Бадхью учел только черные шарики, выпавшие на Землю, что в пересчете на всю поверхность Земли дало незначительную массу. Если выбрать из сводки Вронского случаи, когда были учтены, по-видимому, все виды неземной пыли, то величины выпадающей на Землю массы варьируют от 1500—3100 до 13 млн. т в год.

В. В. Федынский и И. С. Астапович (1965), обобщая результаты наблюдений 1961 г. над выпадающим на Землю метеоритным веществом, пришли к выводу, что годовой прирост массы Земли за счет метеоритной аккреции составляет 106—107 т, или 1—10 млн. т в год.

О. Ю. Шмидт (1962) в своих последних расчетах темпа накопления массы Земли за счет метеоритного вещества считал, что за сутки она увеличивается на 100 т, а за год — на 36 500 т. При этом он отмечал, что с течением времени процесс накопления массы Земли замедлился вследствие вычерпывания межпланетного вещества из околоземного пространства. По его расчетам, половина массы Земли образовалась меньше чем за 1 млрд. лет. По Сафронову (1958), темп роста Земли в начале ее формирования происходил более быстро, чем считает Шмидт. Сафронов приводит следующую формулу темпа роста массы Земли:

где m — масса, t время, rе эффективный радиус растущей планеты, р — период обращения вокруг Солнца (год), σ(t) — поверхностная плотность вычерпываемого вещества в зоне питания планеты. Около 99% современной массы Земли было вычерпано из околоземного пространства в течение первых 100—250 млн. лет, если принять во внимание данные о современном приросте ее массы. Метеоритное вещество, которое в настоящее время поступает на Землю, представляет собой, по мнению Сафронова, продукты не околоземной, а другой, более удаленной области солнечной системы, т. е. холодной ее зоны. Очевидно, за столь же короткий период вместе с межпланетным веществом в состав Земли вошла и основная масса воды в связанном состоянии — в виде волосной и частично кристаллизационной воды, а затем ее поступление на Землю замедлилось.

В этой связи большой интерес представляют недавние высказывания В. Г. Фесенкова (1963) об условиях образования планет солнечной системы. По его мнению, планеты нашей солнечной системы не могли образоваться до возникновения в Галактике тяжелых, в том числе радиоактивных элементов, несмотря на то что во Вселенной наиболее распространенным элементом является водород. Даже звезды в зависимости от их возраста значительно изменяют свой состав. Звезды первого поколения образовались в среде, состоявшей из водорода; «звезды же позднейших поколений, к которым относится наше Солнце, образовались из смеси легких и тяжелых элементов» (Фесенков, 1963, стр. 82). Частые вспышки в галактическом ядре сверхновых звезд приводят к образованию из гелия углерода, магния, азота и даже железа.

В. Г. Фесенков высказывает мысль, что тяжелые элементы необходимы для возникновения вокруг планет газовых оболочек — атмосфер.

На основании этой концепции можно заключить, что значительное преобладание водорода и гелия во Вселенной еще не дает оснований утверждать о преобладании тех же элементов в протопланетном веществе, на первой стадии образования Земли.

С концепцией Фесенкова о происхождении Земли тесно переплетаются взгляды Баранова (1963). Первой стадией, предшествующей формированию Земли как индивидуального тела, Баранов считает образование химических элементов в протопланетном веществе. При этом, очевидно, имеется в виду образование более тяжелых элементов по сравнению с водородом и гелием. В их числе должны быть и элементы, входящие в состав воды, по крайней мере кислород, который в форме окислов и гидратов находят в больших количествах в метеоритах и который при низких температурах образует и летучие, и нелетучие соединения. При этом, по современным данным ракет и спутников, в высоких слоях земной атмосферы, тем более в межпланетном пространстве, интенсивно протекает под воздействием космических и солнечных лучей фотодиссоциация молекул, переход их в атомарное состояние. Этот процесс разрушает молекулы воды, подвергавшиеся непосредственному облучению и, очевидно, препятствует процессу образования ее в сферах, далеко удаленных от поверхности Земли. Однако в крупных метеоритах и астероидах разрушительное влияние фотодиссоциации может сказываться только на наружных периферийных слоях этих тел, не затрагивая внутренних частей.

Л. М. Гиндилис (1965) недавно обобщил результаты исследований пылевой материи в межпланетном и околоземном пространстве, полученные на основе показаний ракет и спутников. Гиндилис отмечает, что полная масса частиц, выпадающих на Землю в течение суток, не может превышать 103—104 т. Более интенсивному поступлению на Землю межпланетного вещества препятствует большая плотность нижних слоев атмосферы, где значительная часть пришельцев из Космоса испаряется и сгорает. В течение года, если взять за основу массу 103—104т, выпадает 365 000—3 650 000 т вещества, что в 10—100 раз больше принятой Шмидтом величины и в 3,6 раза меньше максимальной величины, полученной Кросье.

Исходя из того, что на Землю в течение суток выпадает 10 000 т межпланетного вещества, мы попытались подсчитать массу, поступившую на Землю за весь период существования ее как планеты. Этот период был принят равным 4 млрд. лет (вместо 5 млрд. лет), считая время образования планеты равным 1 млрд. лет. Содержание воды в метеоритном веществе значительно колеблется, однако ряд исследователей находит возможным принимать его равным около 0,5% от веса вещества. Эта величина и равномерное поступление метеоритного вещества на Землю были положены нами в основу подсчетов. В результате было получено, что за все время существования Земли на ее поверхность могло выпасть воды 0,73X1020 г. От всей массы земной гидросферы, которую можно принять равной 2,5X1024 г, это количество составит всего 0,00003%, или слой воды около 15 см.

Во втором варианте подсчетов нами были взяты за исходные данные: а) максимальная величина выпадающей на Землю массы метеоритного вещества, полученная Кросье, т. е. 13 млн. т в год (вместо 3,65 млн. т в первом варианте) и б) содержание воды в метеоритах 5%, что в 10 раз больше, чем в первом варианте. При этом имелись в виду в качестве исходного вещества углистые хондриты, в которых содержание воды, как видно из табл. 3, может достигать 20%. По этому варианту в течение 4 млрд. лет должно было выпасть на Землю 0,026 X Ю23 г воды, что составляет около 0,1% всей массы поверхностных и подземных вод гидросферы и соответствует слою воды около 5,2 м.

Следуя выводам Сафронова (1958), согласно которым около 99% всей массы Земли образовалось в течение первых 100—250 млн. лет, приходим к заключению, что остальная масса Земли, равная 4%, прирастала за период 4,75 млрд. лет, считая возраст Земли 5 млрд. лет (рис. 16). В таком случае слой воды 5,2 м соответствует всего 0,01 веса Земли, а полная масса поступившей из Космоса воды

Темп роста массы Земли

за период 5 млрд. лет — слою около 520 м.

Заметим, что полный слой воды гидросферы по современным подсчетам составляет около 5060 м (2,5∙1024 г), включая поверхностные и подземные воды литосферы и воду атмосферы.

Мы намеренно приняли для подсчетов самые благоприятные условия (высокий процент воды в метеоритах, наибольшую массу выпадающего на Землю межпланетного вещества, быстрый темп роста массы Земли), чтобы получить представление о порядке массы воды, по-видимому, поступившей на Землю из Космоса, в том числе с периодом образования Земли как индивидуального тела.

Все другие варианты подсчета дают весьма малую величину по сравнению с полученной (520 м).

Аналогичные расчеты были выполнены Дерпгольцем (1962) при рассмотрении водообмена между Землей и мировым пространством. При этом в качестве исходных данных им было принято следующее: количество метеоритного вещества, за сутки выпадающего на Землю, 38 000 т, содержание в нем воды 0,5% и возраст Земли 5 млрд. лет. В результате было получено, что за все время существования Земли из Космоса поступило 3,5∙1014 м3 воды, что соответствует слою воды 2 м. Дерпгольц не принял во внимание неравномерность темпов роста Земли, обусловленную вычерпыванием околоземного вещества — фактор, существенно корректирующий получаемые результаты.

На основании результатов расчетов нетрудно заключить, что даже при максимальных исходных данных возможное поступление воды непосредственно из Космоса едва ли составит 10% всей массы гидросферы Земли. Остальная масса воды, не менее 90%, возможно, является продуктом земного происхождения, результатом длительной дегазации земной коры и мантии. Однако в наших подсчетах было постулировано равномерное поступление метеоритного вещества на Землю в течение геологической истории, что, по-видимому, является спорным и неизбежно приводит к занижению массы воды, захваченной Землей из межпланетного пространства.

Необходимо иметь в виду, что в подсчетах нами не принята во внимание убыль воды из Космоса за пределы земного тяготения, которая по современным представлениям имеет место в высоких слоях атмосферы, где водород и кислород воды в результате фотохимической реакции переходят в атомарное состояние. Однако эта поправка, как будет показано дальше, мало меняет полученные результаты, так как в высоких слоях атмосферы, наряду с фотохимической диссоциацией воды, по-видимому, происходит обратный процесс — рекомбинация водорода с кислородом.

В рассмотренных расчетах не принят во внимание общий запас воды в Земле, который составляет около 30•1024 г, что почти в 12 раз больше массы воды в гидросфере Земли. Если суммировать всю массу воды мантии и гидросферы и принять сумму за 100, то возможное поступление воды непосредственно из Космоса составит не более 0,9—1,0%.

Таким образом, приходится признать, что основная масса воды гидросферы представляет собой воду земного происхождения, хотя нам точно неизвестно, сколько было захвачено воды Землей в начальный период формирования ее как планеты.

Расчеты показывают, что вся вода гидросферы и вода мантии составляет около 0,35% массы Земли, а вода только одной гидросферы — 0,04% массы Земли.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.