Наука и техника

Наука и техника / Земля /

Почему на Земле так много тяжёлых изотопов серы, кислорода и азота

21 февраля 2013 года, 14:06 | Текст: Александр Березин | Послушать эту новость

Состав ряда тел Солнечной системы, как все помнят, значительно отличается от земного: более тяжёлые стабильные изотопы на нашей планете присутствуют в бóльших количествах, чем на Солнце или в метеоритах разного происхождения, равно как и в лунном грунте. Марк Тименс (Mark Thiemens) и его коллеги из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) потратили на комплексное изучение таких различий примерно три десятилетия.

Чтобы объяснить различия в изотопном составе одних тех же веществ, найденных на Земле и в составе метеоритов, а также межпланетной пыли, учёные прибегли сначала к гипотезе фотохимических реакций. Для её проверки были проведены испытания с облучением тех или иных веществ, встречающихся в космосе, сильным УФ-источником.

Когда в 2004 году Genesis врезался в Землю, никто не подозревал, что следы солнечного кислорода на нём будут столь необъяснимо отличаться от земных. (Фото NASA.)
Когда в 2004 году Genesis врезался в Землю, никто не подозревал, что следы солнечного кислорода на нём будут столь необъяснимо отличаться от земных. (Фото NASA.)


Одновременно Марк Тименс пытался проверить теорию, предполагающую «самозащиту» кислорода-16 и именно этим обусловливающую его бóльшую распространённость на Солнце и меньшую — в остальной Солнечной системе. Но, к его удивлению, теория не сработала. В ней предполагалось, что угарный газ формирующейся Солнечной системы под действием ультрафиолета от Протосолнца распадался в своих внешних слоях на кислород и углерод. Кислород был в основном кислородом-16, что и могло объяснить постепенное обеднение им протопланетного облака, а затем и протопланетных тел. Эксперименты, однако, показали, что такие фотохимические реакции играли очень скромную роль. Доминировали же процессы, в которых кислород-16, 17 и 18 участвовали одинаково, что исключает усиленную потерю более лёгкого изотопа.

Таким образом, ситуация с лишним кислородом-17 и кислородом-18 на Земле по-прежнему остаётся загадкой. Да, решения предлагаются, но сами по себе они требуют серьёзных экспериментальных подтверждений.

И если бы только кислород... Согласно исследователям, не меньшую проблему представляют сера и азот. С серой в земных минералах полный беспорядок. Где-то доминируют изотопы полегче, где-то — потяжелее, но разобраться и вывести среднюю величину очень трудно. Поэтому в качестве стандарта пока принято содержание изотопов в троллите типа Каньон-Дьябло — минерале метеоритного происхождения, широко распространённом в Солнечной системе.

Сера-32 в нём составляет 95,02% всей серы, столь важной для жизни, а сера-33 — 0,75% (плюс нейтрон), сера-34 (плюс два нейтрона) — 4,21%, сера-36 (плюс четыре нейтрона) — лишь 0,02%. В космосе же — и в метеоритных телах, и в других внеземных материалах — изотопное соотношение хоть и варьируется, но пока нигде не найдено равным земному. Та же картина с азотом. На Земле 99,63% это азот-14, а азота-15 — всего 0,37%. Как и в истории с упомянутыми изотопами кислорода и серы, всё различие между изотопами азота — в «лишнем» нейтроне, присутствующем в азоте-15 и отсутствующем в более лёгком варианте. Пока все имеющиеся образцы внеземного азота дали иное азотное соотношение, нигде не совпадающее с земным. Причины этого неясны.

Правда, некоторые исследователи (вне астрономического сообщества) склонны приписывать ситуацию с неоднородностью по сере деятельности бактерий, способных восстанавливать серу-32 в 1,07 раза быстрее, чем серу-34. Но и у этой теории есть слабости.

Могут ли фотохимические процессы в ранней Солнечной системе объяснить дефицит ряда лёгких изотопов на Земле? (Иллюстрация Berkeley Lab.)
Могут ли фотохимические процессы в ранней Солнечной системе объяснить дефицит ряда лёгких изотопов на Земле? (Иллюстрация Berkeley Lab.)


Как предполагается, главной причиной постепенного роста содержания тяжёлых изотопов кислорода, серы и азота на Земле стало то, что атомы с лишними нейтронами тяжелее, а потому позднее испаряются, скажем, из облаков, нежели более лёгкие изотопы того же вещества. Разумеется, они же затем первыми конденсируются на земле с дождём. В протопланетном облаке Солнечной системы такой механизм испарения-осаждения, предположительно, мог играть важную роль. Скажем, сера более всего могла быть представлена в космосе в облаках сероводорода. Под действием ультрафиолета в районах, близких к Солнцу, сероводород распадался в силу фотохимических реакций, при этом более тяжёлые изотопы последними «выбывали» из протопланетного облака, рассеиваясь в космосе. Поэтому в момент образования протопланетных тел тяжёлые изотопы могли оказаться там в количествах, превосходящих нормальные.

И всё-таки в этой прорабатываемой сейчас экспериментальной модели есть неясные моменты. Воздействие ультрафиолета на такие процессы явно убывало пропорционально квадрату расстояния от Солнца. То есть, скажем, на Земле и Луне оно должно быть сходным, а на Марсе (в метеоритах марсианского происхождения) и в поясе астероидов, не говоря уже об облаке Оорта, отличаться. Таким же образом должно варьироваться и содержание более тяжёлых изотопов в небесных телах на столь разных расстояниях от Солнца. Увы, строго такие закономерности почему-то пока не выстраиваются...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Подготовлено по материалам Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!
blog comments powered by Disqus

Последние новости по теме "Земля":