3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

У гелия есть одно замечательное свой­ство: его непрерывное, проходящее не только через всю историю Земли, но и через всю историю Вселенной образование, как, впрочем, и исчезновение. Вообще, из­вестное непостоянство свойственно любому химическо­му элементу: распад ли радиоактивных изотопов (кото­рых, кстати, в нашем мире большинство), постоянное ли рождение новых ядер под действием космического излучения, накопление ли дочерних продуктов ядер­ных процессов. Но гелий и здесь выходит на первое ме­сто, во всяком случае по темпам своего образования.

В основе современных гипотез о происхождении Земли лежит выдвинутое еще академиком О. Ю. Шмид­том предположение об образовании Земли из пылево­го протопланетного облака. Значит, на ранних стадиях Земли высокие концентрации гелия в ее веществе бы­ли вполне допустимы.

Доказано, что гелий и водород являются единст­венными химическими элементами, способными прео­долеть «гравитационные тиски» Земли и выйти из атмосферы в околоземное пространство. Поэтому и водорода, и гелия так мало в атмосфере. Но если во­дород остается на Земле в виде химически связанных соединений, то летучему и легкому инертному гелию оставался один путь — в космос. Гелий не участвует в круговороте природных веществ. Поток гелия идет только в одном направлении: из глубинных частей планеты в атмосферу, а затем в космическое прост­ранство.

Изотопное отношение гелия (3/4)•10-4, которое наблюдается и в солнечном ветре, и в составе лунного грунта, и в веществе метеоритов, можно считать ха­рактерным для первичного гелия, своеобразным те­стом для его обнаружения. На Земле же такого отно­сительного обогащения легким изотопом гелия никто не наблюдал. Могло ли это означать, что первичный гелий был действительно полностью потерян Землей, как считали многие исследователи?

Источники гелия на Земле

Кроме первичного гелия, который на Земле пока не обнаружили, можно было бы назвать еще два источ­ника гелия на нашей планете. Это, во-первых, радио­генный гелий, образующийся при альфа-распаде ра­диоактивных элементов. И, во-вторых, гелий космо­генный, за происхождение которого ответственны ядерные реакции, протекающие в атмосфере Земли и земной коре под действием космического излучения.

Постоянная генерация гелия происходит при ра­диоактивном распаде тяжелых элементов: урана, то­рия и других представителей радиоактивных семейств. Один грамм радия, например, ежесекундно рождает 37 млрд. атомов гелия. Земная кора и мантия генери­руют 5•109 г гелия-4 в год.

По расчетам академика А. П. Виноградова, за всю историю Земли в ее недрах должно было накопиться 3,1•1013 т гелия. Этот радиогенный гелий мог застрять в кристаллических решетках минералов. Растворяясь в нефти, подземных водах и газах, он должен был за­полнить поровые пространства в земной коре и найти через ее разломы выход на поверхность; 10 % радио­генного гелия должно было выделиться в атмосферу в результате дегазации. Если бы это случилось, то на одну тысячную долю наша атмосфера должна была бы состоять из гелия. На самом же деле в атмосфере Земли гелия гораздо меньше: всего 3,6•109 т, а общая масса воздушной оболочки Земли составляет 5•1015 т. Следовательно, попадающий в атмосферу гелий, не задерживается в ней.

Космогенный, или, как его называют, спалогенный гелий возникает в результате взаимодействия жест­кого галактического космического излучения, а также вторичных нейтронов с веществом. Кроме того, он по­падает на Землю вместе с метеоритами и космической пылью. Ежегодно на поверхность Земли выпадают тонны космического вещества. Небольшое количество гелия (примерно в 1000 раз меньше, чем выпадает с метеоритами) приносит космическое излучение. Этот гелий попадает в верхние слои атмосферы. И наконец, еще один источник гелия — ядерные реакции между нейтронами космического происхождения и веществом литосферы. Но все это дает ничтожно малое количе­ство гелия по сравнению с его генерацией в результате альфа-распада.

Снова о легком изотопе

Все сказанное относится в основном к гелию-4. Рассмотрение возможных источников генерации лег­кого изотопа заставляет нас сразу же убедиться, что гелия-3 на Земле должно быть гораздо меньше, чем гелия-4.

Основным источником гелия-3 служит тяжелый изотоп водорода — тритий, при бета-распаде которого и возникает гелий-3:

Однако тритий, содержащийся в атмосфере Земли, имеет вторичное происхождение, В основном — это продукт ядерных реакций, протекающих под дейст­вием нейтронов. В атмосфере Земли трития примерно в 1018 раз меньше, чем основного изотопа водорода, Максимально обогащен гелием-3 минерал сподумен (алюмосиликат лития), где изотопное отношение гелия достигает рекордной для земных образцов цифры: 10-5—10-6. Предполагают, что образование гелия в этих минералах происходит за счет реакции лития с нейтронами:

Нейтроны, инициировавшие эти реакции, могут иметь космическое происхождение (вторичные нейтро­ны из космического излучения), а могут возникать не­посредственно в литосфере в результате спонтанного деления урана.

Некоторое количество гелия-3 попадает на Землю из космического пространства вместе с обогащенным гелием-3 космическим излучением, космической пылью и метеоритами, однако большинство ученых считает, что, несмотря на постоянное пополнение запасов легко­го изотопа гелия, преобладающим для него процессом является непрерывный уход гелия-3 в космическое пространство.

Гелиевое излучение

Термин «газовое дыхание» Земли был введен в науку в 1912 году академиком В. И. Вернадским, который понимал этот процесс как выделение в ат­мосферу из недр планеты газов: гелия, неона, водоро­да. Сейчас показано, что газовое дыхание Земли — явление настолько грандиозное, что в нем участвуют и атмосфера, и гидросфера, и биосфера. По расчетам академика А. П. Виноградова, за время существова­ния Земли из мантии было вынесено до 10 % воды, натрия, аргона, хлора и около 1,5% существующего во внешних геосферах углерода.

При газовом дыхании Земли из глубин выделяются очень многие газы: метан, окись и двуокись углерода и т. д. Но особую роль в этом процессе играют оба изотопа гелия: легкий и тяжелый. В современной ат­мосфере Земли на каждые 10 млн. атомов гелия-4 приходится всего 14 атомов легкого изотопа. Известно, что из атмосферы гелий способен двигаться только в одном направлении: уходить в космическое прост­ранство.

Но в атмосфере Земли происходят таинственные вещи. Если предположить, что весь гелий из земной коры поступает в атмосферу и далее в космическое пространство, т. е. атмосфера является как бы трассой гелия (а исходя из всего, что мы знаем о свойствах гелия, это единственно возможное и разумное предпо­ложение), то изотопное отношение гелия для атмо­сферы должно быть таким же, как и для земной коры. Однако согласно наблюдениям в атмосферном воз­духе относительное содержание гелия-3 значительно больше, чем в земной коре. Каким же образом этот избыточный гелий-3 накапливался в атмосфере? Эта загадка усугублялась тем, что собранные воедино все­возможные источники гелия-3 не могли дать столь вы­сокого изотопного отношения.

Предполагали, что избыток гелия-3 можно объяс­нить его космическим происхождением. В верхних слоях атмосферы протекают ядерные реакции, приво­дящие к добавочному появлению и трития, и гелия-3 непосредственно. Но эксперименты показали, что космогенного гелия образуется примерно в 20 раз мень­ше, чем нужно для объяснения высокого изотопного отношения атмосферного гелия. Космогенного гелия, поступающего в верхние слои атмосферы с метеори­тами, космической пылью и космическим излучением, тоже оказалось недостаточно.

В 50-е годы текущего столетия было замечено по­ступление в атмосферу трития, несомненно антропоген­ного происхождения (следствие ядерных взрывов) — дополнительный источник гелия-3. Этот тритий мог бы изменить в нужную сторону изотопное отношение атмосферного гелия. Однако разгадки гелия-3 не по­следовало. Во-первых, потому что появление техноген­ного трития в количествах, даже, предположим, в сот­ни раз больших, чем природное его содержание, су­щественно не могло изменить концентрацию гелия-3, поскольку трития в атмосферном воздухе намного меньше, чем основного изотопа водорода. А во-вторых, и это главное, изотопное отношение для атмосферного гелия, равное 1,4•10-6, оставалось таким же и до на­чала атомных испытаний.

Итак, в атмосфере относительное содержание лег­кого изотопа гелия больше, чем может выделить земная кора. Почему? Ответить на этот вопрос удалось лишь во втором гелиевом веке.

Попытки экспериментально обнаружить гелиевое дыхание Земли начались еще несколько десятилетий назад. Для того чтобы уловить поток гелия, идущий из земной коры, над исследуемыми участками поверх­ности ставились металлические колпаки. Однако, когда исследовали состав скапливающихся под кол­паками газов, избытка гелия обнаружить не удава­лось. Он непостижимым образом ускользал.

Один из первых удачных экспериментов по обнару­жению гелиевых потоков из недр был сделан в 1938 году советским ученым Э. К. Герлингом. Изучая состав надпочвенного воздуха в районе одного из ге­лиевых месторождений, ученый обнаружил там избы­ток легких инертных газов: неона и гелия.

В 60-х годах текущего столетия советским ученым удалось найти способ обнаружения гелия. Оказалось, что более эффективным будет поиск гелия не над почвой, а в подземных водах. Подземные воды в ка­кой-то мере растворяют гелий. Они заполняют свобод­ное трещинно-поровое пространство горных пород, и там, где имеется восходящий поток гелия, его концент­рация в подземных водах может быть более высокой. Так родилась водно-гелиевая съемка, оказавшаяся до­статочно доступной.

Земная кора проницаема для гелия. Однако глав­ный и наиболее быстрый путь для него из недр лежит через трещины и разломы коры. Потоки гелия пере­носятся вместе с водами, насыщенными газами. Уче­ные выяснили очень интересное обстоятельство: рас­пределение концентраций гелия в подземных водах, иными словами, поля гелия четко отражали элементы глубинной неоднородности земной коры. По словам советских геологов А. Н. Еремеева и И. Н. Яницкого, «в региональном поле гелия отразилась глубинная структура земной коры, напоминающая марсианские каналы».

В настоящее время существование гелиевого дыха­ния Земли доказано. Необъясненным до последнего времени оставалось изотопное отношение гелия в ат­мосфере.