Около 4,5 миллиарда лет назад в результате протекавших ранее процессов нуклеосинтеза уже существовал весь набор химических элементов, составляющих нашу Солнечную систему. Химические элементы находились в космическом пространстве в виде межзвездного газа (с примесью пыли), иногда концентрирующегося в облака. К таким облакам относилось и протосолнечиое, которое обладало почти той же массой, что и современная Солнечная система. При сжатии в его центре сформировалось Солнце. Согласно теоретическим представлениям масса межзвездного газа, из которого образовалась Солнечная система, должна составлять 1,05 массы Солнца. Как показывают расчеты, системы подобного типа, то есть имеющие в центре лишь одну звезду, не могут сформироваться, если масса газа больше или меньше этого значения.
На ранних стадиях сжатия облака, еще до того как в его центре образовалось Солнце, облако, медленно вращаясь, начало постепенно уплощаться н приняло дискообразную форму. Именно с этого момента, собственно, и началась стадия протосолнечной туманности. Поскольку в это время температура в туманности стала падать, возникла конденсация составляющего ее газа. В результате протосолиечная туманность, по-видимому, стала состоять в основной своей внешней части из бесчисленного множества мелких частиц размером несколько миллиметров. В дальнейшем, по мере того как облако становилось все более плоским, плотность его вещества увеличивалась, и вследствие механической неустойчивости облако разделилось на группы тел размером около 10 километров, называемых микропланетами, или планетезималиями .
Микропланеты в результате повторявшихся столкновений друг с другом сливались, разрастаясь в конце концов до размеров планет, таких, как, скажем, Земля и Марс. Как показывают расчеты, время, необходимое для формирования планет типа Земли или Марса из протосолнечной туманности, составляет от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов лет. Это хорошо согласуется с выводом, сделанным на основании существования в прошлом йода-129, о том, что промежуток времени, прошедший с момента завершения реакций нуклеосинтеза элементов до эпохи формирования Земли и метеоритов, равнялся около 100 миллионов лет.
Расчеты подобных моделей следует проводить, основываясь на изотопном составе не только урана, но и других элементов. Модель, получаемая из изотопного соотношения только одного элемента, имеет слишком много степеней свободы (то есть имеет широкий, выбор различных типов реакций, протекающих в разные промежутки времени.), и по ней трудно сделать однозначный вывод о действительно протекавших реакциях нуклеосинтеза. Однако если использовать изотопные соотношения нескольких элементов (например, отношения содержаний изотопов урана-238 и урана-235, а также тория-232 и тория-238), широта выбора сразу же сильно сужается, и модель нуклеосинтеза гораздо более успешно согласуется с данными наблюдений.
Современные представления о ходе нуклеосинтеза элементов, полученные из анализа изотопных отношений различных элементов в Солнечной системе.
Поскольку было установлено, что в Земле и в метеоритах присутствовал ранее йод-129, то существовал некий процесс нуклеосинтеза элементов, протекавший примерно за 100 миллионов лет до возникновения Солнечной системы.
Он показан кратковременным всплеском реакций нуклеосинтеза около 4,6 миллиарда лет назад. Этот всплеск нуклеосинтеза в самом конце основного процесса нуклеосинтеза элементов в нашем районе Галактики иногда условно называют «вспышкой Солнечной системы».
Совсем недавно удалось установить, что в состав некоторых метеоритов ранее входил изотоп алюминий-26, подверженный распаду еще быстрее, чем йод-129 (его период полураспада всего 740 тысяч лет). Это указывает на то, что, возможно, «вспышка Солнечной системы» произошла непосредственно перед процессом образования Солнечной системы. Кроме того, основываясь на отношениях изотопов урана, тория и других элементов, было установлено, что основной процесс нуклеосинтеза продолжался в общей сложности около 10 миллиардов лет и его интенсивность уменьшалась с течением времени по экспоненциальному закону (отложенная по вертикальной оси частота протекания ядерных реакций соответствует интенсивности этого процесса).
Ранее уже говорилось, что изотопный состав всех (за малым исключением) химических элементов чрезвычайно постоянен. Так, для основных изотопов природного урана — ура-на-238 и ураиа-235 — в настоящее время характерно отношение их содержания 137,8 : 1. Эта величина задается типом реакции нуклеосинтеза, в которой образовался уран. И наоборот, по изотопному составу какого-либо химического элемента можно определить тип реакции нуклеосинтеза, в которой он образовался.
Но, конечно, основываясь на изотопном составе только одного элемента (в данном случае урана), нельзя установить тип реакции нуклеосинтеза всех других элементов, а следовательно, время начала, длительность и интенсивность этих реакций.
Как же устанавливают тип реакции нуклеосинтеза, в которой образуется наблюдаемое изотопное отношение?
Для этого вначале разрабатывается несколько моделей нуклеосинтеза, основанных на различных типах ядерных реакций. Затем из реакций выбирается та, которая дает изотопное отношение, наиболее близкое к существующему. Хотя, конечно, нельзя утверждать, что в действительности протекала реакция именно этого типа, однако есть все основания считать данную модель нуклеосинтеза наиболее реалистичной.
Теперь можно более подробно остановиться на блестящем результате опыта Рей-нольдса. Дело в том, что если на ранних стадиях существования метеоритов в них присутствовал йод-129, то образование метеоритов должно было начаться не позднее чем через 100 миллионов лет после некоторого процесса ядерного синтеза (или, как говорят, нуклеосинтеза), приведшего к возникновению йода-129 и других элементов, В дальнейшем было установлено, что некоторое количество ксенона-129, содержащегося в земной атмосфере, также образовалось при распаде йода-129 (конечно, при этом использовался уже другой метод, который мы здесь не будем обсуждать из-за его громоздкости).
Из этого можно заключить, что и Земля сформировалась спустя примерно 100 миллионов лет после упомянутого процесса нуклеосинтеза9.•
Однако хотя процесс нуклеосинтеза, в котором образовался йод-129, произошел не ранее чем за 100 миллионов лет до образования Земли и метеоритов, нет никаких оснований предполагать, что синтез всех элементов, составляющих Солнечную систему, протекал одновременно. Наоборот, имеющиеся данные указывают на то, что образование некоторых элементов происходило за чрезвычайно длительное время. В частности, об этом свидетельствует изотопный состав урана, содержащегося в Земле и метеоритах.
Таким образом, если начать нагревать метеорит, то химически слабо связанный ксенон, существовавший еще до образования метеорита, будет улетучиваться при более низких температурах. И наоборот, ксенон, образовавшийся за счет йода-129, прочно связанного в кристаллах минералов, при этом не выделится из метеорита. Его выделение начнется только тогда, когда кристаллы в метеорите при достижении определенной температуры почти полностью разрушатся.
Этот процессе наглядно на горизонтальной оси которого отложена температура, на вертикальной — количество ксенона-129, выделившегося при этой температуре. Следует, правда, отметить, что из данного опыта можно сделать в действительности лишь вывод о двух различных источниках ксенона, содержащегося в метеоритах. Однако при этом не доказывается, что один из них связан с распадом йода.
Чтобы доказать это, понадобился еще один, отдельный опыт. Для этого часть вещества метеорита, служившего опытным образцом, перед ступенчатым нагреванием поместили в ядерный реактор и подвергли облучению нейтронами. Единственно существующий в природе стабильный изотоп йода, йод-127, в результате облучения нейтронами превращается в ксенон-128. Таким образом в метеорите искусственно получается ксенон из йода. Следовательно, в метеорите, подвергшемся облучению нейтронами, должен существовать ксенон трех типов: ксенон-129, образовавшийся при естественном радиоактивном распаде йода-129, искусственно созданный ксе-нон-128 и обычный ксенон (включая все девять изотопов), находившийся в метеорите еще при его образовании.
Если теперь облученный кусок метеорита подвергнуть ступенчатому нагреванию, то график опыта в отличие от рис. 1 будет иметь три кривые, две из которых весьма схожи: обе они соответствуют изотопам ксенона, образовавшимся при распаде йода как искусственным путем (при облучении нейтронами), так и при естественном радиоактивном распаде. Таким образом было окончательно установлено, что часть содержащегося в метеоритах ксенона-129 произошла при распаде йода-129.
То, что метеориты ранее содержали заметное количество йода-129, впервые было выяснено группой ученых Калифорнийского университета (США) во главе с Т. Рейнольдсом. Примененный ими для этих целей экспериментальный метод можно просто назвать блестящим. И хотя, конечно, изготовленное самим Рейнольдсом оборудование (например, плексигласовый масс-спектрометр) тоже явилось достижением, меня все же больше очаровала сама идея, лежащая в основе опыта Рейнольдса. Давайте же кратко познакомимся с этим экспериментом. де йода-129, от ксенона-129, существовавшего в метеоритах самостоятельно с самого начала. Для этого использовался так называемый метод ступенчатого нагревания, который сейчас приобретает все большее признание при изучении метеоритов. Суть этого метода заключается в том, что в течение определенного времени (например, одного часа) нагревают находящийся в вакууме метеорит до температур 500, 600 и 700° С н, поддерживая температуру, измеряют количество выделяющегося ксенона-129.
Можно заранее предположить, что ксенон, существовавший в метеоритах еще при их образовании, вероятно, довольно слабо связан с минеральным веществом метеоритов. Это вызвано тем, что ксенон, будучи инертным газом, не образует химических соединений и, следовательно, может присутствовать только в межкристаллическом пространстве минерального вещества. С другой стороны, йод химически связан в кристаллах минералов и поэтому, надо полагать, довольно прочно удерживается метеоритным веществом.
Таким образом, вряд ли будет преувеличением сказать, что существовавший в момент возникновения Земли йод-129 к настоящему времени полностью исчез. Но, как уже говорилось, имеются доказательства того, что во время образования Земли некоторое количество йода-129 входило в состав вещества нашей планеты и метеоритов. Дело в том, что при радиоактивном распаде ядер йода-129 образуется ядро стабильного изотопа ксенона ксенон-129. И ученым как раз удалось доказать, что часть ксенона-129, присутствующего на Земле и в метеоритах, возникла при распаде входившего в их состав йода-129.
Поскольку период полураспада йода-129 равен 17 миллионам лет, спустя 10 периодов полураспада после возникновения Земли количество этого изотопа уменьшилось до 0,001 от первоначального. Но если уже спустя 17 миллионов лет после образования Земли и метеоритов количество йода-129 уменьшилось в 1000 раз, то современное его содержание в этих небесных телах должно быть практически равным нулю. Следовательно, если в метеоритах и Земле ранее имелось заметное количество этого изотопа, то надо предположить, что и в момент образования этих небесных тел из протосолнечной туманности в ней еще оставалось достаточное количество нераспавшегося йода-129.
Прежде чем окунуться в действие яркого и красочного спектакля «История Земли», давайте познакомимся с происхождением его главных действующих лиц — урана и тория и с тем, как образовались в космическом пространстве другие химические элементы, из которых сформировалась Земля.
Как сейчас полагают, Земля образовалась в Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад из обширной газообразной протосолнечной туманности, и уже тогда в состав этой туманности входили составляющие современную Землю химические элементы. Но как возникла эта туманность и как произошли составляющие ее химические элементы?
Поставленные здесь вопросы очень сложны, и полного ответа на них наука пока не получила. Тем не менее уже сегодня можно сделать некоторые вполне определенные выводы. Значительная их часть следует из изучения распределения радиоактивных и стабильных изотопов химических элементов в веществе Солнечной системы.
Один из наиболее впечатляющих результатов этого изучения состоит в следующем. Ученым удалось обнаружить свидетельства в пользу того, что в метеоритах и на Земле раньше существовал один из радиоактивных изотопов йода — йод-129. Еще раз подчеркнем слова «раньше существовал», так как период полураспада йода-129 не превышает 17 миллионов лет при возрасте Земли и метеоритов 4,5 миллиарда лет. Нетрудно подсчитать, что экспоненциально уменьшаясь согласно закону радиоактивного распада, количество йода, существовавшего в момент возникновения Земли, должно за 4,5 миллиарда лет сократиться до 10-80 от начального значения.
В заключение сравним энергию радиоактивного распада с еще одним энергетическим источником, имеющим значение для Земли,— с солнечной энергией.
Тепловая энергия, доставляемая вертикально падающими солнечными лучами в единицу времени на единичную площадку, расположенную в Солнечной системе на расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной и равна примерно 2 калориям на квадратный сантиметр в одну минуту. Если умножить эту величину на площадь поверхности Земли, можно приблизительно оценить общее количество энергии, получаемое Землей от Солнца. Оказалось, что удельная (на один грамм вещества) величина этой энергии за год составляет около 0,005 калории на грамм.
Это в 100 000 раз больше количества тепла, выделяемого при распаде радиоактивных веществ в недрах Земли. Однако значительная часть солнечной энергии отражается от Земли обратно в космическое пространство, а также превращается в энергию движения масс в атмосфере и гидросфере (приводя к образованию атмосферных потоков, испарению воды и т. д.). В итоге солнечная энергия практически не оказывает никакого влияния на температуру земных недр.
Измерение теплового потока осуществляется следующим образом. Известно, что если спускаться вниз по рудничному или шахтному стволу, будет наблюдаться повышение температуры. Такое повышение температуры, различное для разных районов Земли, обычно составляет 20° С на каждый километр. Тепловой поток, направленный из недр Земли к ее поверхности, определяется произведением этой величины на так называемый коэффициент теплопроводности, который согласно лабораторным измерениям равен около 0,01 калории на квадратный сантиметр, секунду и градус Цельсия. Следовательно, в нашем случае тепловой поток равен (20/105)X (1/100) =2-10—6, то есть через один квадратный сантиметр земной поверхности проходит за секунду около двух миллионных долей калории тепла.
Тепловой поток, поступающий из недр Земли, измерялся не только для материков, но и для океанического дна. Принцип измерения был тот же, что и для суши: в глубоководном иле измеряли разность температур для интервала глубин 1—2 метра. Затем определял ся тепловой поток как произведение получаемой величины на коэффициент теплопроводности глубоководного ила. К настоящему времени накоплено большое количество данных, указывающих на то, что через каждый квадратный сантиметр глубоководного ила за одну секунду проходит нз недр Земли 1,5 • 10~6 калории. Таким образом, среднее значение теплового потока через океаническое дно несущественно отличается от характерного для континентов.