CC BY
158
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
ГЕОЛОГИЯ И МИНЕРАЛОГИЯ
УДК 551.1:551.73 ВОДА НА ЗЕМЛЕ И ЛУНЕ Ю. А. Балашов
ФГБУН Геологический институт КНЦ РАН
Аннотация
Систематизация экспериментальных данных, наблюдений и расчетов в астрономии, геохимии, биологии и геофизике позволила оценить условия синтеза воды, её миграции с солнечным ветром и накопления в планетах в зависимости от степени прогрева поверхности планет Солнцем, а также от наличия или отсутствия атмосферы, что определяется массой планеты. Во всех случаях накопление воды зависит от длительности существования (возраста) планеты. Сам факт привнесения новых порций элементов с солнечным ветром влияет на преобразование (частичную потерю) некоторых элементов или изотопов за время пребывания на поверхности планет. Необходимо также учитывать частичное охлаждение Солнца за 4.5 млрд лет при ориентации на уровни прогрева планет и глобальное перераспределение элементов при аккреции планет. Ключевые слова:
вода, планеты, солнечный ветер, геохимия элементов и изотопов.
WATER ON THE EARTH AND MOON
Yury A. Balashov
Geological Institute of the KSC of the RAS
Abstract
Systematization of experimental data, observations and calculations in astronomy, geology, biology and geophysics allowed us to estimate the conditions of water synthesis, its migration with the solar wind and accumulation in planets, depending on the degree of warming the planets surfaces by the Sun and the presence or absence of their atmospheres, which, in its turn, depends on the mass of a planet. In all cases, the accumulation of water depends on the duration of existence (age) of the planet. Due to supplying of new portions of elements by the solar wind, some elements or isotopes experience transformation (partial loss) during their stay on the surface of planets. We must also take into account the fact of the partial cooling of the Sun over 4.5 billion years, with orientation to the levels of planets warming and the global redistribution of elements during accretion of the planets.
Keywords;
water, planets, solar wind, geochemistry of elements and isotopes.
j c.„. ■.,.,,.. „I.,,.,. - Введение
Изучение геологических, геофизических или биологических эффектов, связанных на Земле с оболочкой воды, запасы которой составляют 2.3 х1024 г [1], представляет совсем не простую задачу. Следует добавить, что вода обнаружена в верхних частях мантии до глубин 150-200 км [2-4 и др.]. Но по-прежнему остается нерешенной проблема столь высокой концентрации воды именно на Земле сравнительно с другими планетами "земной группы". Можно предполагать, что это связано с влиянием ряда факторов, которые не учитываются при попытках понять условия образования Земли и других планет. Попробуем проверить это.
Синтез воды
Кажется удивительным пренебрежение знанием условий синтеза воды из водорода и кислорода почти во всех книгах и статьях астрономического, геологического, геохимического и биологического толка. Однако взаимодействие водорода с кислородом непростая реакция. Она требует довольно сильного прогрева обоих газов [5]. Так, например, при 20 °С оба газа практически не реагируют. При 500 °С нужно 50 мин, а при 700 °С реакция протекает мгновенно. Поэтому первое условие образования воды - это прогрев обоих газов Солнцем или иным источником независимо от места их положения на поверхности планеты либо внутри планеты в коре или мантии. Универсальный вариант источника воды предложен в книге [1] в предположении, что избыток воды находится в самом Солнце. Но такое решение противоречит условиям синтеза воды из-за чрезвычайно высокой температуры ядра Солнца (1.5711 х 107 К), в пределах которого существуют только отдельные элементы: газы водорода, кислорода и др.
При этом необходимо помнить, что вода на планетах присутствует в форме газа, жидкости и льда. Их соотношение зависит от степени прогрева поверхности планет, которая в свою очередь определяется серией ограничений, представленных в таблицах 1 и 2. Температура центральной части ядра Солнца составляет 1.5711 х 107 К, краевой части фотосферы Солнца - 4400 К. В итоге имеются почти все условия для выделения важнейших этапов возникновения воды и ее распределения в планетах.
1 этап. При сверхвысокой температуре солнечного ядра происходит лишь генерация всех элементов, включая кислород, концентрация которого сопоставима с водородом (табл. 2).
Таблица 1
Изменение физических параметров планет по мере их удаления от Солнца
Планета Масса (1024 кг) Диаметр (км) Плотность (кг/м3) Ускорение свободного падения (м/с2) Расстояние от Солнца (106 км) Средняя температура (°С)
Меркурий 0.330 4879.00 5427.00 3.70 57.9 167.00
Венера 4.87 12104.00 5243.00 8.90 108.2 464.00
Земля 5.97 12756.00 5514.00 9.80 149 15.00
Луна 0.073 3475.00 3340.00 1.60 0.38 -20.00
Марс 0.642 6792 3933 3.7 227.9 -65
Юпитер 1898 142.984 1326 323.1 778.6 -110
Сатурн 568.00 0536.00 687.00 9.00 1433.5 -140.00
Плутон 0.0131 2390.00 1830.00 0.60 5870.0 -225.00
Примечание. Таблица составлена по http://sdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/index.ht (дата обращения: 07.09.2015).
Таблица 2
Химический состав наиболее распространенных газов фотосферы Солнца [11]
Н Ш О С N Fe
2.8184 х 1010 2.7542 х 10у 2.399 х 107 1.0233 х 107 3.162 х 106 1.318 х 106
Si Mg S А1 № Сг
1.0 х 106 1.0715 х 106 4.571 х 105 8.318 х 104 5.012 х 104 1.318 х 104
Ca Ш Мп П К Р
6.457 х 104 6.026 ■ 104 6.918 ■ 103 2.754 ■ 103 3.715 ■ 103 7.94 ■ 103
2 этап. Резкое снижение температуры на периферии Солнца соответствует переносу элементов солнечными лучами к планетам. При понижении температуры происходит синтез воды в форме газа (примерно в диапазоне температур 1 тыс. - 500 °С). Но верхнее ограничение температур никем точно не определено, и это допускает выбор температурного диапазона для синтеза воды, который происходит именно в лучах солнечного ветра, а не в самом Солнце, что предлагалось ранее в работе [1].
3 этап. Поступление солнечных лучей с водным газом на поверхность планет. Оно сопровождается либо полным захватом и накоплением всей массы элементов, принесенных солнечным ветром, либо они частично теряются из-за высокой температуры на поверхности ряда планет (табл. 1 и 2) или по иным причинам [4].
Степень стабильности воды на планетах
Масса Солнца составляет 99.9 % от Солнечной системы [1]. Реальное соотношение масс отдельных планет (табл. 1) позволяет разделить их на две группы по степени удаленности от Солнца на расстояние, меньшее или больше двух астрономических единиц. Первая из них (земная группа), расположенная вблизи Солнца, представлена рядом от Меркурия до Марса, которые находятся на расстоянии от Солнца от 57.9 х 106 км до 227 х 106 км. Подобное разделение предложено в работе [1] с опорой на массы планет. Если же учитывать степень прогрева Солнцем поверхности планет, то Марс следует относить к слабо охлажденным планетам (табл. 1). Эта таблица отражает современный уровень астрономических оценок температур планет от частично охлажденного Солнца. Но этот процесс продолжается около 4.5 млрд лет, и, следовательно, Марс был разогретым почти так же, как и Земля.
Меркурий и Венера
Наиболее близки к Солнцу две планеты - Меркурий и Венера, расстояние 58 х 106 км и 108 х 106 км соответственно, с температурами поверхности от 167 до 465 °С. Указанные параметры сильно отличаются от приемлемых для всех видов воды, значит, обе планеты должны быть без воды. Но Венера имеет большую массу (4.87 х 1024 кг), сопоставимую с Землей, поэтому она имеет свою атмосферу. Однако в её атмосфере (по расчетам работы [1] и многих других авторов) концентрация воды не превышает 2.3 х 10-4 бар и кислорода 10-22 бар, что согласуется со сделанным выше выводом о дефиците воды на Венере.
Система Солнце - Земля - Луна - Марс (ССЗЛМ)
На первый взгляд подобное сочетание представляется неожиданным. Но комплексное исследование геохимических, геохронологических и геофизических параметров этой системы оказалось единственным путем их согласования при расшифровке генезиса Земли, Луны, Марса и их водонасыщения. Практически все данные по экспедициям «Аполло» и станциям России опубликованы и обобщены [4, 6, 7 и др.]. Важнейшее преимущество данной системы - в наибольшей достоверности исходной информации, которая чрезвычайно важна для понимания степени взаимодействия отдельных элементов Земли и Луны и всей Солнечной системы.
Удаленность Земли от Солнца - 149 х 106 км, а Луны от Земли - 0.38 х 106 км. Средняя температура поверхности Земли равна +15 °С, Луны - около -20 °С, а Марса - порядка -65 °С (табл. 1). Но температурный диапазон для Земли можно расширить от -90 °С на обоих полюсах до +50 °С у экватора. Это вполне приемлемо для всех трех состояний воды на Земле. Поскольку привнесение элементов с солнечными лучами на Землю продолжается более 4.5 млрд лет, такое время отражает общее количество воды для Земли, которое пропорционально массе планеты (табл. 1, 2). Количество принесенной на Луну воды также не противоречит факту обнаружения льда или воды в одном из метеоритных кратеров Луны (по сообщению американских исследователей в 2015 г.). Существование воды на Луне под твердой выветренной поверхностью вероятно.
Ряд особенностей в ССЗЛМ Хронология
Прежде всего, следует обратить внимание на факт тождества возрастных ступеней роста Земли и Луны от архея до фанерозоя [7-9 и др.]. Подобное совпадение указывает на определенную взаимосвязь развития лунного и земного магматизма, причины чего оставались неизвестными до тех пор, пока Ю. Н. Авсюк [10] не указал на колебательный режим системы Земля - Луна под влиянием Солнца.
Геохронологическая систематика более 10 000 датировок показала, что для Земли и Луны существует единый тип цикличности по геонам с размерностью в 100 млн лет [7-9].
Стадийность магматизма Луны
В возрастной стадийности развития магматизма Луны выделяется ранний континентальный (КЯЕЕР) и морской этапы (рис. 1 - обобщение автором опубликованных данных).
Общая особенность магматических пород Луны - дефицит литофильных элементов в сравнении с земными породами. Возможная причина этого - частичная потеря элементов на поверхности Луны при поступлении их с солнечным ветром (К, Rb и другие элементы) [7], что позволяет говорить об отклонении от хондритового соотношения элементов на Луне [7].
Рис. 1. Магматизм Луны Поверхность Земли
При сопоставлении соотношения отдельных элементов фотосферы Земли и хондритов С1 Андерс и Гревесс [11] подчеркивали, что для большинства элементов наблюдается сходство содержания с метеоритами (табл. 2). Но для части элементов фиксировалось отчетливое отклонение, что условно рассматривалось, как результат неточности анализа. Подобная трактовка представляется произвольной [12], где приведены многочисленные примеры отклонения от хондритов. Аналогичное изменение может рассматриваться, как результат вторичного перераспределения на разогретой поверхности Земли, как это отмечалось по Луне.
Аккреция Земли
На Земле развитие магматизма имеет более сложный характер, чем на Луне, оно включает этап аккреции, хронология которой до сих пор остается спорной. Часть авторов предполагает, что аккреция приурочена к самому раннему этапу её существования [5 и др.].
Для реализации аккреции, как указывают Г. В. Печерникова и А. В. Витязев [13], требуется привлечение дополнительной энергии для плавления всей массы Земли. Ими предложен вариант дробления Земли на фрагменты. Не отрицая работоспособности такого механизма, следует обратить внимание на иной источник. В комплексе элементов и их изотопов, поступающих на
Землю в составе солнечного ветра, на ранней стадии жизни Земли присутствует группа «короткоживущих» (вымерших) изотопов, которые являются носителями дополнительной энергии (табл. 3).
Таблица 3
Вымершие изотопы Земли [7]
Т1/2 (млн лет)
26Л1 - 0.7
- 60№ 1.5
53Мп - 53Сг 3.7
182Н - 9.0
1291 - 129Хе 15.7
Этим не ограничивается дополнительный разогрев различных частей планеты. После аккреции фиксируется разогрев железного ядра, необходимо отметить вероятность перераспределения летучих элементов с выносом воды на поверхность (включая осадочный чехол) и обогащение водородом нижних и средних частей мантии и ядра, подтвержденные экспериментально.
Анализа распределения летучих элементов на Земле показал, что атмосфера удерживает почти все типы газов. Присутствие кислорода (табл. 2) и воды является основой для образования гидросферы и возникновения жизни на Земле. Впервые важнейшую роль приобретают геологические процессы по разрушению разных типов пород и привнесению всего спектра элементов в гидросферу.
120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Рис. 2. Отношения Се+4/Се+3 в цирконах из мантийной литосферы и коры [5, 11]
Геологические процессы также фиксируют раннее появление избытка кислорода в атмосфере Земли, а начиная с хадея и по избытку Се+4 в цирконах (рис. 2) [4, 14].
По мнению биологов, один из источников добавочного попадания кислорода в атмосферу Земли - генерация при расщеплении воды водорослями океанов и наземной растительностью.
Ce+4/Ce+3 13
8-12
• 6-7
%
1
2-3 4-5
6-7
ЦИРКОНЫ РАЗНЫХ РЕГИОНОВ
ДЕТРИТОВЫЕ ЦИРКОНЫ ХАДЕЯ И АРХЕЯ (АВСТРАЛИЯ), АРХЕЙСКИЕ ГРАНИТОИДЫ, ГРЕНЛАНДИИ
АРХЕЙСКИЕ ЩЕЛОЧНЫЕ (МАГМ.) И ПРОТЕРОЗОЙСКИЕ (МЕТАМОРФ.) ГРАНИТЫ
Кольского Полуострова
ГРАНИТОИДЫ В АВСТРАЛИИ 8-12 ЛАРВИКИТЫ ОСЛО, ЩЕЛОЧНЫЕ ПЕГМАТИТЫ НОРВЕГИИ, ГРАНИТЫ АВСТРАЛИИ 13 ЦИРКОНЫ ИЗ ДИОРИТОВ И РУДНЫХРи-Аи) ЗОН ЧИЛИ, Ю. АМЕРИКА
500 1000 1500 2000 2500 3000
возраст цирконов из пород коры - млн лет
ВЕРХНЯЯ ЧАСТЬ ЛИТОСФЕРЫ: Се+4/ Се+3 от 34 до 2,0
4
3
5
0
Заключение
Сделана попытка обрисовать проблему генезиса воды в системе Земля - Луна - Марс, которая занимает скромное место среди всего списка планет и их спутников в Солнечной системе. Очевидно, что температуры поверхностей остальных планет, оптимально удаленных от Солнца (от Юпитера до Нептуна), резко понижены: от -110 до -1950 °С (табл. 1). Эти планеты представлены преимущественно льдом с ничтожной примесью остальных элементов. Сумма масс планет земной группы (табл. 1) ничтожно мала по сравнению с соседними планетами, которые также относятся к холодным. За пределы системы, в галактику, выносится подавляющая масса воды и элементов Солнечной системы, и только ничтожная масса захватывается планетами. При этом оказалось, что ведущий фактор распределения воды - зависимость от температурного влияния Солнца на внешние части планет.
Общий итог работы: обнаружено, что поверхность планет - самостоятельная зона дифференциации элементов и изотопов, влияние которой необходимо учитывать при анализе их развития. Система Земля - Луна - Марс генетически связана и приурочена к зоне умеренного прогрева Солнцем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шапкин А. И., Сидоров Ю. И. Термодинамические модели в космохимии и планетологии. УРСС, 2004. 331 с. 2 Растворимость водорода и углерода в восстановительных процессах ранней Земли / А. А. Кадик и др. // Геохимия. 2006. № 1. С. 38-53. 3. Balashov Yu. A, Martynov E. V. Correlation of oxygen fugacity in the mantle lithosphere between Ce+4/Ce+3 relation of ions and petrological buffer FMQ // Вестник M^y. 2012. Т. 15, № 2. P. 311329. 4. Балашов Ю. А, Скублов С. Г. Контрастность геохимии магматических и вторичных цирконов // Геохимия. 2011. № 6. С. 622-633. 5. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 4-е изд., исп. и доп. M.: Высш. шк., Изд. центр "Академия", 2001. 743 с. 6. Clive R. N. and Lawrence A. T. Petrogenesis of mare basalts: A record of volcanism // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1992. Vol. 56. P. 2177-2211. 7. Бaлашов Ю. А. Изотопно-геохимичесекая эволюция мантии и коры Земли. M.: Наука, 1985. С. 221. 8. Бaлашов Ю. А. Динамика развития системы Луна -Земля и метеоритов // Доклады РАН. 2001. Т. 377, № 2. С. 227-230. 9. Балашов Ю. А. Концепция времени в геологической истории Земли. Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Т. 3. Новые идеи и подходы к изучению геологических образований. Апатиты, 2002. C. 51-75. 10. Авсюк Ю. Н. Колебательный режим эволюции системы Земля - Луна и его сопоставление с геологическими процессами фанерозоя // ДАН СССР. 1986. Т. 287, № 5. С. 1097-1100. 11. Anders Е, Grevesse H. Abundances of the elements: meteoric and solar // Geochimica et Cosmohchimica Acta. 1989. Vol. 53. P. 197-214. 12. Костицин Ю. А. Mикроэлементный состав примитивной мантии - нехондритовая модель // Глубинный магматизм, его источники и плюмы. Иркутск, 2013. С. 24-52. 13. Печерникова Г. В., Витязев А. В. Импактиты и эволюция Ранней Земли // Катастрофические воздействия космических тел. M.: ИКЦ, 2005. С. 251-265. 14. Балашов Ю. А. Влияние летучести и интенсивность кислорода на рудогенез и развитие биосферы в переходной зоне между мантийными и коровыми системами литосферы // Современные проблемы геохимии: мат-лы всерос. совещания (Иркутск, 22-26 октября 2012 г.): в 4 т. Иркутск, 2012. Т. 2. С. 27-29.
Сведения об авторе
Балашов Юрий Андреевич - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник ФГБУН Геологического института Кольского научного центра РАН, профессор; e-mail: balashov@geoksc.apatity.ru
Information about the author
Yury A. Balashov - Dr. Sci. (Geol.), Professor, chief scientific researcher of the Geological Institute of the KSC of the RAS; e-mail: balashov@geoksc.apatity.ru
Библиографическое описание статьи
Балашов Ю. А. Вода на Земле и на Луне I Ю. А. Балашов II Вестник Кольского научного центра РАН. - 2016. - № 1. - С. 26-31.
Bibliographic Description
Yury A. Balashov Water on the Earth and Moon. Herald of the Kola Science Centre of the RAS. 2016, vol. 1, pp. 26-31.
