Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев

Гипотеза 14

Погружение пород на основе более тяжелых элементов ближе к центру Земли привело к повышению содержания там радиоактивных элементов U, Th. Это привело к дополнительному разогреву центральной части Земли в результате их естественного радиоактивного распада. При разогреве до 1500—5000°С (рис. 17 в) произошло химическое разложение пород ядра Земли на атомы (атомизация), например, по реакциям

2UH3→2U↓+6H ↑

2PdO→2Pd↓+2O↑

Th3N4→3Th↓+4N↑

Бассетит Fe (UO2) 2 (PO4) 2→Fe↑+2U↓+2P↑+12O↑

Далее произошла естественная сортировка атомов по плотности, более тяжелые атомы погрузились, а более легкие поднялись выше. В кристаллическом состоянии плотность веществ ограничена связями между атомами. Например, в алмазе атомы занимают только 34.01% всего объема (рис. 17 а). В газообразном состоянии связи между атомами отсутствуют, и при высоком давлении атомарным элементам ничего не мешает собраться в более плотное состояние, чем кристаллическое. Такое состояние получило название КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГАЗА [Тимофеев, 2009], когда атомы не имеют свободного межатомного пространства, а собраны в наиболее плотную гексагональную структуру (рис. 17 б). Плотность вещества в состоянии кристаллического газа всегда выше его плотности в твердом кристаллическом состоянии, когда атомы рассредоточены химическими связями. Переход вещества ядра Земли в состояние кристаллического газа привел в архее к сжатию ядра Земли и всей планеты.

Рис. 17. Объем, занимаемый веществом: а – кристаллическое состояние; б – состояние кристаллического газа; в – состояние реального газа, здесь объем зависит от давления и температуры

Ядро Земли образовалось в результате термического разложения пород центральной части Земли, поднятия и выхода легких элементов из зоны ядра, перехода тяжелых элементов ядра в сжатое состояние кристаллического газа и гравитационного разделения этих элементов на слои.

Природа границы перехода между мантией и ядром Земли

Гипотеза 15

Геофизическими методами путем замера скоростей сейсмических волн определено, что на глубине примерно 2900 км наблюдается скачок плотности пород Земли. По этой границе глубинную сферу с более плотной породой назвали ядром Земли, а сферу выше этой границы назвали мантией Земли. При переходе от мантии к ядру плотности пород резко увеличиваются от 5 до 10 г/см3 (рис. 18).

Рис. 18. Изменение плотности пород Земли с глубиной. 1- скачок плотности между мантией и ядром Земли

При этом объяснение природы этой границы никто до настоящего времени не дал. Если предположить, что здесь только изменяется элементарный состав веществ, то такое изменение должно быть и на кривой изменения плотностей атомов элементов. На (рис. 16) изображено изменение плотностей атомов, где атомы по абсциссе расположены в порядке возрастания плотностей. Видно, что нет резких скачков плотности от элемента к элементу, если не считать увеличение плотности гелия в конце кривой. Таким образом, можно сделать вывод о том, что скачок плотности при переходе от мантии к ядру не вызван только изменением состава вещества в этой зоне, а вызван, в большей мере, изменением состояния вещества. С увеличением глубины температура в Земле увеличивается. На какой-то глубине должен происходить термический распад веществ, сортировка элементов по плотностям и переход элементов с плотными атомами в кристаллический газ, а для менее плотных – поднятие из зоны разложения вещества, что должно наблюдаться как резкое увеличение плотности ниже этого горизонта. Такой скачок наблюдается на глубине 2900 км. Следовательно, здесь и есть граница распада пород, ниже которой находится элементарное вещество в состоянии кристаллического газа, а выше – породы Земли в обычном (твердом, жидком) состоянии. На этой границе происходит температурное химическое разложение пород, погружение в ядро Земли образовавшихся при разложении и перешедших в состояние кристаллического газа тяжелых атомов и поднятие в мантию образовавшихся легких атомов, которые в мантии при взаимодействии с другими веществами, образуют новые химические соединения.

Причина сравнительно небольшой плотности вещества ядра Земли

Гипотеза 16

По результатам замеров скоростей сейсмических волн определили, что плотность вещества в ядре Земли имеет величину 12.5 см3, что не соответствует (существенно меньше) плотностям ряда тяжелых элементов. Таких элементов достаточно много, это вольфрам 19.3 г/см3, гафний 13.31г/см3, золото 19.3г/см3, иридий 22.42г/см3, осмий 22.48г/см3, платина 21.45г/см3, рений 20.53г/см3, ртуть 14.19г/см3, тантал 16.6 г/см3, уран 18.7г/см3. Эти элементы в тех или иных количествах имеются в составе коры Земли, и, очевидно, они, благодаря своей высокой плотности, должны находиться в ее центре. Не утруждая себя занятием по объяснению такого несоответствия, наши предшественники [Goldschmidt,1923] просто решили, что этих элементов в ядре практически нет, и декларировали, что ядро в основном железное, объясняя этим еще и природу магнитного поля Земли. В последствии выяснилось, что при температуре выше 500°С железо теряет магнитные свойства, и поэтому железное ядро никак не может создавать магнитное поле, но пересматривать концепцию железа в ядре уже не стали.

Здесь дается следующее объяснение сравнительно малой плотности вещества ядра Земли при его составе из самых тяжелых элементов таблицы Д. И. Менделеева.

В период образования весь объем ядра Земли состоял из элементов в состоянии кристаллического газа, а плотность составляющих его веществ была значительно больше, чем в настоящее время. При продолжающемся нагревании от распада радиоактивных изотопов тепловая энергия атомов увеличивалась, и вещества в определенные исторические периоды перешли из состояния кристаллического газа в состояние реального газа с образованием небольших свободных межатомных пространств (рис. 17 в). При этом плотность веществ становится меньше. По этой причине плотности находящихся здесь элементов урана, тория, осмия, вольфрама, ртути, свинца и др. не равны их плотностям в кристаллическом состоянии, а находятся в диапазоне 10—12.5г/см3.

Перемещения элементов в ядре Земли, связанные с переходом «кристаллический газ – реальный газ» (КР перестановка)

Гипотеза 17

В архее ядро Земли включало в себя меньше слоев разных элементов (самые тяжелые элементы), и эти элементы в то время находились в состоянии кристаллического газа. Это состояние, когда атомы не связаны друг с другом, но свободное межатомное пространство отсутствует из-за высокого давления (рис. 17 б) [Тимофеев, 2012]. В этом состоянии слои элементов ядра Земли были расположены в последовательности увеличения плотностей атомов с глубиной (рис. 19 левая сторона). При повышении температуры от дальнейшего разогрева в течение длительного времени происходит переход атомарного вещества слоев из состояния кристаллического газа в состояние реального газа (рис. 19 правая сторона). В состоянии реального газа последовательность расположения слоев не зависит от размера атома, а зависит только от атомной массы, что определяется законом Авогадро, это приводит к перестановке слоев элементов в последовательность по нарастанию атомных масс к центру Земли. В центр Земли переместились уран, торий, свинец, а слои водорода, азота, кислорода, фтора, неона, гелия, аргона переместились вверх, что показано в рис. 19 правая сторона. Слои перестраиваются независимо друг от друга отдельными шагами от уровня к уровню. Поднявшись (или опустившись) на другой уровень, слой элемента задерживается в этом состоянии, пока плотность его вещества от изменения температуры не достигнет соответствующего значения для следующей перестановки, которая может начаться, например, через миллион лет.

Поскольку перестановка с переходом «кристаллический газ – реальный газ» имеет очень важное значение в процессе трансформации Земли, дадим ей отдельное название – КР перестановка.

Картина перестановок осложняется тем, что отдельно происходит перестановка каждого из 300 стабильных изотопов элементов, поскольку плотность их различна. Кроме того, поскольку в условиях ядра Земли существенную роль играют ядерные реакции, постоянно образуется и существует достаточно заметное количество нестабильных изотопов, а отдельные элементы могут иметь дублирующие слои в другой степени ионизации, на другом уровне с иной температурой.

Рис. 19. Начальное и конечное положение слоёв элементов при разогреве ядра Земли

В таблице показана последовательность расположения слоёв элементов в начальной и конечной