Образование химических элементов в космических телах 1

Земля представляет собой относительно большое космическое тело (рис. 22), полярный диаметр которого равен 12 714 км, а экваториальный —12 757 км. Объем Земли составляет 83 млрд. км³, длина окружности по экватору 40 070 км. Поверхность равна 510 млн. км². Земля весит около 6 млрд, триллионов тонн. Она находится от Солнца на расстоянии 150 млн. км. С помощью анализа горных пород и минералов на содержание радиоактивных элементов — урана и тория и их продуктов распада — стабильных изотопов свинца установлен возраст Земли. Оказывается, что Земля как космическое тело существует около 4,5 млрд. лет.

Из рис. 22 видно, что Земля состоит из трех сфер: ядра, промежуточной оболочки и земной коры. Ядро Земли имеет радиус около 3500 км, плотность вещества ядра составляет 11 г/см³. Промежуточная оболочка, называемая мантией, заполняет пространство Земли от нижней поверхности земной коры до поверхности ядра. Толщина мантии около 2900 км, плотность от 3,5 до 5 г/см³. Земная кора представляет собой каменную оболочку Земли толщиной 15–70 км со средней плотностью 2,7–2,8 г/см³. Сверху она ограничена атмосферой — воздушной оболочкой Земли и гидросферой — водным пространством океанов и морей на поверхности Земли. Общий вес земной коры равен 3 · 10²⁵ г, что составляет всего лишь 0,5 % веса всей Земли.

Много веков изучали люди состав пород и минералов земной коры, но вглубь Земли удалось продвинуться только незначительно. Самая глубокая скважина, которая была пробурена в земной коре, не достигает даже 7 км. Было высказано много проектов проникновения значительно глубже внутрь Земли. Один из способов предложил недавно геофизик А. Бэскел — начать бурение скважины не с поверхности суши, а со дна какой-либо океанической впадины, глубина которой превышает 10 км. Таким путем можно проникнуть вглубь Земли на расстояние 16–17 км. Осуществление этого проекта даст возможность выяснить многие вопросы, связанные со строением, химическим составом и происхождением нашей планеты.

Решением вопроса о химическом составе земной коры занимались крупнейшие геохимики — Ф. Кларк, В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, супруги И. и В. Ноддак и другие. Была проделана колоссальная по объему работа. Особенно много труда потратили на определение содержания мало распространенных элементов. Так, например, чтобы доказать наличие элемента рения в земной коре и определить его среднее содержание, супруги Ноддак произвели 1600 анализов разнообразных минералов и горных пород.

В настоящее время получены сведения о средней распространенности всех химических элементов в литосфере— верхней части земной коры толщиной 16 км (см. табл. 2), морской воде и атмосфере. На рис. 23 приведена диаграмма, показывающая неравномерность распространения 50 основных элементов в земной коре. Несмотря на чрезвычайное разнообразие пород и минералов, все они состоят главным образом всего из нескольких химических элементов — кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и некоторых других. Наиболее распространенный элемент в литосфере — кислород; на его долю приходится около 50 % веса всей литосферы; примерно 26 % составляет кремний, 7–8 % — алюминий и около 4 % — железо. Суммарное содержание магния, кальция, калия и натрия немногим превышает 10 %. На долю остальных элементов (более восьмидесяти) приходится несколько процентов.

В атмосфере (см. табл. 5) преобладает кислород и азот; на их долю приходится 98,66 % веса всей атмосферы. Соотношение содержания этих двух элементов сохраняется постоянным до весьма большой высоты, вплоть до 150 км. Водород в земной атмосфере содержится в крайне ничтожных количествах, его почти в миллион раз меньше, чем кислорода.

Рис. 23. Распространенность элементов в земной коре.

Однако свыше 160 км состав атмосферы изменяется. Данные, полученные с помощью искусственных спутников, показали, что на высоте 1500–2000 км водород в земной атмосфере становится основным ее компонентом. На долю кислорода, водорода, хлора и натрия в морской воде приходится 99,5 вес. %. Содержание всех остальных элементов составляет всего лишь 0,5 вес. %.

Химический состав мантии и ядра Земли еще не исследован.

Рис. 24. Относительное содержание различных элементов в атмосфере Солнца (1) и на Земле (2).