Химическая эволюция протопланетного вещества
Все планеты возникли из солнечного вещества. Но в исторической последовательности возникновению планет предшествовала звездная стадия, включающая процессы естественного синтеза атомных ядер. Иными словами, происхождение солнечной системы было связано с происхождением химических элементов ее слагающих.
Исходным материалом для построения первичных звезд был водород, преобладающий и поныне над всеми другими элементами в космосе. Синтез атомов из водорода проходил по пути построения сначала легких, потом средних и затем тяжелых элементов с помощью различного типа ядерных реакций в звездных условиях. Мы здесь не станем затрагивать проблему происхождения элементов, которая успешно решается современной астрофизикой. Отметим лишь, что образование наиболее тяжелых ядер — тория, урана и трансурановых элементов произошло непосредственно перед образованием планет солнечной системы.
Сходство составляющих элементов и особенно изотопов различных тел солнечной системы указывает, что ядерная эволюция вещества Солнца и вещества Земли имела общую судьбу до определенного этапа развития. Этот этап знаменовался разделением общей системы (первичной массивной звезды) на первичное Солнце и на околосолнечный протопланетный материал. Вокруг Солнца возникла туманность в виде газового диска, расположенного в плоскости солнечного экватора.
Разный химический состав отдельных участков этого протопланетного диска в основном определил химический состав планет. Чтобы представить себе дальнейшую химическую эволюцию газового вещества, необходимо знать, как распределяются многие химические элементы в химически изученных телах солнечной системы.
Современные аналитические данные показали, что в большинстве хондритов по сравнению с углистыми хондритами типа I, которые мы рассматриваем как материал, наиболее близкий к составу протопланетного вещества, обнаруживается заметный недостаток почти одной трети элементов таблицы Менделеева. Сравнение других аналитических данных показало, что недостаточные элементы мантии Земли, материала Луны и наиболее распространенных хондритов одни и те же. Причем для материала Земли и Луны (сравнение ведется по отношению к кремнию, принятому за единицу) отмечается особенно резкий дефицит серы, селена, теллура и ртути. Их концентрация в теле Земли составляет менее 0,001 по сравнению с веществом углистых хондритов.
Недостаточность ряда элементов не является случайной, а связана с их определенными физико-химическими свойствами. Большинство недостаточных элементов относится к летучим. Они имеют относительно низкие температуры плавления и кипения и поэтому легко мигрируют.
Потеря летучих элементов в процессах формирования Земли могла протекать двумя путями: а) при высоких температурах первичной Земли летучие элементы испарились и рассеялись в пространстве, б) Земля возникла путем сгущения того вещества, в. котором летучие элементы находились в малом количестве.
Первый путь, вероятно, должен быть исключен. Он не дает возможности объяснить разную степень потери летучих, которая наблюдается в действительности. Температуры, которые необходимы для того, чтобы они приобрели космические скорости и навсегда покинули Землю, должны быть очень высокими. Они привели бы к взрыву и рассеянию всей массы нашей планеты.
Наиболее вероятным представляется второй путь — это процесс последовательной конденсации элементов и их соединений в порядке, обратном их летучести. Если повышение температуры приводит к подвижности летучих и их переходу в газ, то понижение температуры раскаленной газовой системы приводит к последовательной конденсации сперва нелетучих, затем труднолетучих и в самом конце наиболее летучих элементов.
Первыми конденсировались в капли расплава железо, никель и силикаты. Затем конденсировались сульфиды и некоторые окислы, и последними, при отрицательных температурах С°, конденсировались такие летучие вещества, как вода и ртуть. Поэтому относительное содержание ряда редких элементов в материале Земли и в обычных хондритах оказывается пониженным.
Возникшие капли силикатов остывали, кристаллизовались и превратились в твердые тела — шаровидные частицы. Весьма вероятно, что хондры большинства каменных метеоритов являются прямым остатком капель, возникших в процессе конденсации солнечного газа.
По современным данным космохимии, геохимии и термодинамики можно себе представить, что формирование химического состава планет происходило в два этапа. Первый этап заключался в охлаждении газового диска и конденсации части его вещества в жидкие капли (частицы). Так возникла газово-пылевая туманность, которая остывала неравномерно (в зависимости от расстояния от Солнца) и приобрела химическую неоднородность. Эта неоднородность дополнительно изменялась давлением солнечных лучей, отбрасывающих легкие газы в периферические части системы. Второй этап заключался в сгущении (аккумуляции или аккреции) конденсированных частиц в отдельные сгустки — первичные планеты. Эти два этапа не были резко отделены друг от друга во времени. Вполне вероятно, что сгущение в отдельных частях протопланетного диска началось тогда, когда еще далеко не завершилась конденсация.
Вблизи от Солнца остывание первичного газа проходило медленно, а чем дальше от него, тем быстрее. Поэтому планеты земного типа, расположенные ближе к Солнцу, образовались преимущественно за счет сгущения высокотемпературной фракции, богатой железом. Так, ближайший к Солнцу Меркурий состоит на 2/3 из металлического железа, а более далекий Марс — на U. Еще дальше от Солнца, за орбитой Марса, в так называемом астероидальном кольце, формировались родоначальные тела метеоритов, преимущественно хондритовые астероиды. В них низкотемпературная фракция возрастала. В самых краевых частях астероидального кольца происходила быстрая конденсация всех веществ, что привело к формированию вещества типа углистых хондритов, почти полностью сохранивших атомные соотношения Солнца. Наконец, далекие внешние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — почти целиком состоят из неразделенного и нефракционированного солнечного вещества. Их главная составная часть — газы.
