Природа космических тел Солнечной системы

Дмитрий Николаевич Тимофеев

В книге 137 гипотез автора, показано какие процессы происходят в глубинах Солнца, Земли, других планет, какова природа вулканических явлений и землетрясений, как произошла нефть, руды, рассыпные месторождения ценных металлов, какова природа Тунгусского феномена и Челябинского болида, какая температура в центре Земли. Работа написана несложно, содержит 120 рисунков, рассчитана как на геологов, так и на всех читателей, интересующихся строением мира.

Глава 2. Образование современной Земли

Причина, по которой газы оказались в глубинах Земли

Гипотеза 11

Из глубин Земли часто, как в результате бурения, так и по причине вулканических явлений поднимаются газообразные элементы азот, гелий, углеводороды, пары воды, углекислый газ… Естественно возникает вопрос, а как они туда попали? Нашлись учёные, которые предложили биогенную причину образования природных газов. По их мнению, газы и нефть образовались в результате разложения остатков от живых организмов, но это не объясняет выход газов, которых в живых организмах нет.

Ответ на этот вопрос понятен если рассмотреть механизм образования планет. При образовании Солнечной системы, после взрыва нейтронной звезды, те парообразные элементы, которые имеют достаточно высокую температуру плавления, конденсировались в космическом пространстве с образованием рыхлых кристаллов пепла, по структуре подобных снегу или саже. Образовавшиеся при нейтронном взрыве элементы — газы Н, О, N, Cl, F, He, Ne, Ar, Kr, Xe адсорбировались на большой поверхности пепла и взаимодействовали с этими кристаллическими веществами с образованием химических соединений, в том числе нитридов, гидридов и окислов. Земля (как и другие планеты) собралась в однородный шар из космического реликтового пепла, при этом газы оказались равномерно распределены в составе всего ее объема (рис.12 а). В результате поднятия температуры от энергии распада радиоактивных изотопов, породы распадаются с выделением газов, которые поднимаются и выходят на поверхность планет. Выделяются и адсорбированные газы. Поднятие происходит в тех случаях, когда плотность газов, которая из-за высоких давлений в глубинах Земли может быть большой, оказывается меньше плотности вмещающих пород.

Распределение элементов в глубинах Земли по плотности атомов

Введение новой характеристики вещества — «Плотность атома»

Гипотеза 12

Атомы оцениваются по ряду характеристик: атомной массе, энергии ионизации, атомному радиусу, периоду полураспада…, в этой гипотезе предложено оценивать атомы ещё по одной характеристике. Введено понятие ПЛОТНОСТЬ АТОМА и рассчитаны плотности атомов для всех элементов [Тимофеев, 2009б].

Плотность атома равна атомному весу, деленному на объем атома.

Атомные веса элементов известны и имеются в справочниках. Атомные объемы нетрудно рассчитать, принимая, что атомы имеют форму шара, а атомные радиусы известны.

Значение атомных радиусов не однозначное, а зависит от вида связи между атомами. Радиусы бывают ковалентные, ионные, металлические ван-дер-ваальсовы. [Волков, Жарский. 2005]. Кроме, того, ковалентные связи могут быть как одинарные, так и двойные или тройные и размеры этих связей разные. Имеет значение и структура кристаллической решетки. В некоторых книгах, например, [Неницеску 1968], на это не обращалось особого внимания. Получилось так, что в первом издании книги взятые из этих источников величины атомных радиусов для атомов инертных газов соответствовали ван-дер-ваальсовым радиусам. Однако ван-дер-ваальсовы радиусы создаются незначительными силами и не могут сохраняться в условиях высоких давлений глубин Земли. Более правильно, в случае рассмотрения вопросов геологии, для инертных газов использовать ковалентные радиусы, что сделано в этом издании. Это привело здесь к значительному увеличению расчётных значений плотностей их атомов. В расчётах плотностей атомов для всех элементов использованы значения радиусов одинарных ковалентных связей, имеющие широкое распространение в том числе и для органических веществ, а также использованы значения металлических радиусов.

Атомные радиусы взяты из справочника Волков, А.И., Жарский, И. М. Большой химический справочник / А. И. Волков, И. М. Жарский. — Мн.: Современная школа, 2005. — 608 с ISBN 985-6751-04-7. https://bookree.org/reader?file=627009&pg=47

Недостающие в справочнике атомные радиусы, отмеченные значком * взяты из «Краткой химической энциклопедии М 1963».

Ковалентные радиусы атомов показаны в (таблице 4).

Более наглядная картина изменения радиусов атомов, расположенных в порядке увеличения атомных номеров (как в таблице Д. И. Менделеева) показана на рис. 14. Элементы, показанные серым цветом, стабильных изотопов не имеют, и в природе встречаются в незначительных количествах.

Рис. 14. Изменения радиусов атомов в порядке увеличения атомных номеров элементов.

На рисунке видно, что радиусы атомов не увеличиваются равномерно по мере увеличения их атомных весов, а изменяются с периодичностью, соответствующей периодам элементов в таблице Д. И. Менделеева. При этом в периодах таблицы наибольшими радиусами обладают щелочные металлы, а наименьшими, как правило, инертные газы.

По значениям атомных радиусов рассчитаны объёмы атомов, а далее плотности атомов (впервые опубликованы в работе [Тимофеев, 2009б]). Для более понятного представления, плотности атомов из рассчитанных значений в атомных массах, делённых на кубические ангстремы переведены в привычные единицы г/см³. Полученные значения плотностей атомов в порядке их возрастания показаны в (таблице 5).

Для наглядности плотности атомов элементов показаны на рис. 15. Видно, что плотности возрастают не в порядке возрастания атомных номеров элементов.

Рис. 15. График изменения плотности атомов в порядке увеличения атомных номеров

Если малая плотность атомов щелочных металлов была предсказуема, то совершенно неожиданным оказалось аномально высокое значение плотности атомов гелия.

Рассчитанные плотности атомов в порядке возрастания значений показаны на рис. 16

Рис. 16. Кривая изменения плотности атомов в порядке возрастания значений

Использование такого показателя, как «плотность атома» даёт ключ к пониманию глубинного строения Земли, что будет показано ниже.

Концепция распределения элементов по глубине космических тел в зависимости от плотностей их атомов

Гипотеза 13

Если в состоянии реальных газов распределение в ядре Земли элементов происходит в соответствии с их атомными массами, то в других состояниях оценку распределения элементов по глубине нужно проводить по плотности их атомов.

О закономерности возрастания плотности веществ с возрастанием глубины известно. Так в верхней сфере Земли состав газов изменяется с высотой. Выше 2 тысяч километров превалирует самый легкий газ — водород, ниже до 600 км второй по плотности от водорода — гелий, еще ниже атомарный кислород, а ниже 200 км преобладает более тяжелый молекулярный азот. Ниже атмосферы, плотность воздуха которой на уровне моря равна примерно 1.2 кг/м³, вполне закономерно расположена гидросфера (реки, моря, океаны) с плотностью 1000 кг/м³, а под ней породы коры Земли со средней плотностью 2800 кг/м³. Глубже, информация о плотности получена сейсмическими методами и показывает, что плотность возрастает с увеличением глубины до значения примерно 12500 кг/м³ в центре Земли. Совершенно замечательно, что чудесным способом геофизических замеров в свое время найдена информация о том, что там у нас в глубинах, поскольку максимальная глубина, с которой удалось получить вещество прямым путем бурения на Кольской сверхглубокой скважине, только 12.262 км, что совсем немного, учитывая, что радиус Земли составляет 6378 км (на экваторе). Зная плотность пород на разных глубинах, а также имея точную информацию о плотности всех элементов Земли, можно было бы составить полную схему состава пород по глубинам. Решение этой задачи осложняется тем, что элементы в глубинах Земли могут быть не только в твердом элементарном состоянии, но и в виде многочисленных их соединений, а сами соединения могут иметь еще и разные кристаллические структуры, имеющие разную плотность. При этом одни соединения могут трансформироваться в другие. Меняться могут и кристаллические структуры. Кроме того, может изменяться и агрегатное состояние веществ, они могут плавиться, могут закипать и переходить в газообразное состояние. Картина получается очень сложной. Атомы элементов более стабильны, чем кристаллические породы, поскольку для их преобразования нужно затратить более высокую энергию (энергию ионизации), чем для разрушения химических связей кристаллической решетки пород. По этой причине для оценки состава пород по глубинам предложено оценивать вещества по плотностям атомов, предполагая, что плотности пород, особенно под большим давлением, коррелируются с плотностями атомов, из которых они состоят.

Гипотезу можно представить следующей формулировкой.

В любом массивном космическом теле, на участках, не находящихся в состоянии реального газа, глубина расположения того или иного элемента в большой степени, как правило, коррелируется с плотностью его атома.

Заметно, как отличается эта схема от принятой в настоящее время концепции, где ядро Земли состоит из железа и кремния.

В определенной степени кривая отражает последовательность распределения элементов по глубине любого массивного космического тела. Элементы с большей плотностью атомов (Hg, Tl, W, Re, Pb, Os…) расположены глубже, а с меньшей (Li, Na, K, Ca…) — ближе к поверхности. Имеются и отклонения от этой зависимости, поскольку плотность вещества может зависеть еще и от вида химических соединений, валентности элементов, вида кристаллической решетки, агрегатного состояния или ионизации. Вещества изменчивы в разных условиях, и изменения приводят к перемещениям пород по уровню в космическом теле. Плотность же атомов стабильна для каждого элемента и является важным фактором плотности вещества, пока атомы существуют. Эти особенности будут рассмотрены в последующих главах.

Плотность атомов изменяется не в порядке возрастания атомных номеров в таблице Д. И. Менделеева, а достаточно сложно (рис. 15)

В архейский период развития Земли произошла великая перестройка элементов (состояние рис.12 б), когда вещества распределились в соответствии с увеличением их плотностей с глубиной (таблица 6).

В таблице теоретическое расположение элементов по глубине в архейский период (в порядке увеличения плотностей их атомов) и содержание элементов в Земле по нуклонной концепции гипотезы 4, показывающее толщину пластов залегания.

Водород, азот, кислород, фтор являются достаточно тяжелыми элементами. Породы на основе самых тяжелых элементов погрузились в центр Земли, образовали ядро из соединений He, Ir, Os, Pt, Re, W, Au…, в том числе радиоактивных урана и тория, распад которых разогревает ядро (рис. 12, в). Легкие породы, содержащие Li, Na, K, Ca, Mg всплыли в верхнюю мантию. В следующие периоды произошел дополнительный разогрев ядра Земли, далее расширение Земли, выход из глубин воды и газов, переход ее в нынешнее состояние (рис. 12, г).

Образование ядра Земли

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 стадии перестановки слоёв элементов ядра Земли, при переходе из кристаллического газа в реальный газ (в таблице ряд элементов, слои ионизированных элементов, а также слои изотопов не показаны).

КР перестановка началась в конце протерозоя примерно 540 миллионов лет назад, при этом кроме перемещений внутри ядра происходит изгнание газов H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, как элементов с малыми атомными массами из ядра Земли. Перестановка приводит к инверсиям магнитного поля Земли, образованию силановой нефти, росту Земли и современной ее коры, выходу на поверхность вод океанов и газов атмосферы, образованию углеводородов. Процесс этой великой перестановки продолжается в настоящее время.

Подробней о кристаллическом газе в главе 11 гипотеза 130.

Слои газов элементов на поверхности ядра Земли

Гипотеза 18

Атомы газообразных элементов водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон, сера, хлор, аргон (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar) по причине малых размеров имеют высокую плотность, изначально в условиях ядра Земли находились в состоянии кристаллического газа в слоях расположенных между слоями других тяжелых элементов рис. 19. В ходе разогрева ядра и протекания КР перестановок эти газы вытесняются из ядра, поднимаются несколько охлаждаются в более высоких горизонтах (в том числе и из-за адиабатического расширения) и переходят в состояние близкое к состоянию кристаллических газов. В условиях высоких давлений эти элементы способны сжиматься до плотностей, превышающих наибольшую плотности пород мантии 5.6 г/см³ Земли и поэтому должны находиться ниже нижней границы мантии.

Вещество нижней мантии постепенно распадается, образуя новые слои в ядре. В предыдущие периоды образовались последовательно слои серы, серебра, гольмия, кобальта, диспрозия, цинка. В будущие миллионы лет ядро Земли последовательно наростится слоями эрбия, железа, тербия, циркония, гадолиния, углерода (в порядке уменьшения плотностей атомов). Всё это время слои газовых элементов H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar находились и будут продолжать находится на верхнем слое ядра Земли поднимаясь по мере его роста, и снижая свою плотность по мере поднятия на новые горизонты.

Верхний слой газовых элементов водород, имеет плотность кристаллического газа 5.64 г/см3 которая лишь немного превышает плотность пород нижней мантии. Когда эта плотность приблизится к плотности веществ нижней мантии газы по очереди начнут резкий подъём через мантию к поверхности Земли. Ряд газов, имеющих меньше атомные веса водород, гелий, азот, кислород по причине диффузии поднимаются в некотором количестве и сейчас, но поднятие затрудняется химическим взаимодействием их с породами мантии, в результате которых образуются вода, различные силикатные породы, руды и углеводороды. В некоторых случаях при местном скоплении избытков образовавшейся горячей воды с паром происходят её выброс совместно с разрушенной породой на поверхность с образованием курумников. Такие образования есть на Урале, также к такому образованию относится Патомский кратер в Восточной Сибири. По мере роста ядра Земли и приближении его границы к коре вся масса этих газов, а также близкая к ним по свойствам сера, поднимется в атмосферу, давление и температура которой увеличатся и приблизятся к состоянию атмосферы на Венере, которая опережает Землю по своей трансформации.

Расчётные значения состояния элементов в слоях ядра Земли

Гипотеза (концепция) 19

Строение современного ядра было рассчитано и впервые представлено в работе [Тимофеев, 2018] табл. 7. Положение слоёв элементов и их толщины в ядре Земли со временем меняются. Изменение происходит постоянно и одновременно по многим параметрам.

Целый ряд тяжелых элементов стабильных изотопов не имеют, поэтому находятся в составе Земли в незначительных количествах и в таблице не показаны. Это TcТ_1/2 2х10⁵лет, PmT_1/2 30лет, PoT_1/2 103 года, AtT_1/2 8.3 часа, RnT_1/2 16 часов, FrT_{1 2} 22 мин, RaТ_1/2 1617 лет, Ас Т_1/2 21.6 года, Ра Т_1/2 3.43х10⁴ лет.

Не ионизированные элементы с плотностью кристаллического газа меньше 10 г/см³ в ядре образовывать свои слои не могут. Если они образуются в ядре Земли в результате ядерных реакций, то всплывают в мантию.

В расчёте принято, что практически все количество тяжелых элементов состава Земли находится в ядре и соответствует процентному составу элементов Земли, показанному в гипотезе №4 Реальный состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция) [Тимофеев 2013а, Тимофеев 2013в]. Этот состав получен по методу, основанному на использовании в расчетах энергии связей нуклонов в ядрах атомов элементов. По процентному составу и массе Земли (5976Е+21кг) определена масса каждого элемента в планете и показана в столбце 5. В мантии и коре Земли количество тяжелых элементов небольшое, оно укладывается в величину погрешности расчетов и при рассмотрении строения ядра не учитывается. В столбце 6 показана ориентировочная плотность элементов в слоях, взятая из результатов сейсмических исследований ядра Земли на соответствующих глубинах. Используя величины количества элементов в слоях и их плотности, рассчитаны объемы, занимаемые элементами в ядре Земли, показаны в столбце 7. Для определения положения слоя элемента в ядре Земли, рассчитаны плотности элементов в состоянии кристаллического газа. Учитывая, что при максимально плотной гексагональной укладке атомы занимают 74.05% объема вещества, а 25.95% объема вещества составляет межатомное пространство, плотность кристаллического газа составит 0.7405 от плотности соответствующего атома. Расчётные значения плотностей кристаллических газов показаны в столбце 8.

На границе ядра и мантии Земли находятся слои элементов H, N, O, F, S, Cl, He, Ne, Ar суммарная толщина которых может составлять до 40 км.

Элементы Zn, Ho, Dy, Ag, Ni, Cd, Ga, Pd, Mo имеют плотности больше плотностей соответствующих кристаллических газов. Здесь нет свободного межатомного пространства, атомы зажаты в плотную структуру. Предположено, что электронные орбиты этих элементов несколько поджаты давлением до размеров, обеспечивающих соответствующую плотность вещества в слоях. Кинетическая теория газов в этих слоях не работает. В ядре Земли эти элементы по мере возрастания глубины расположены в порядке увеличения плотностей их кристаллических газов. Элементы, расположенные ближе к центру Земли — Ge, As, Se, Br, Ru, Rh, In, Sn, Sb, J, Te, Tu, Lu, Ta, Hf, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U — имеют плотности в ядре Земли меньше плотностей их кристаллических газов, следовательно, эти элементы находятся в состоянии реального газа. Их плотности в одинаковых условиях по закону Авогадро пропорциональны атомным массам элементов, и расположение их по слоям должно быть в порядке увеличения атомных масс к центру Земли. Из-за высокой температуры в более глубокой части ядра Земли слои элементов, начиная со слоя 24 (рутения), становятся ионизированными. Степень ионизации элементов в слоях возрастает по мере нарастания глубины и доходит до +7 в центре Земли. В слоях ионизированных элементов объемы свободных межатомных пространств становятся больше, поскольку при ионизации атомы значительно уменьшаются в размерах.

В столбце 12 показаны объемы свободных межатомных пространств, которые рассчитаны по формуле:

где V — объем межатомного пространства;

ρ_сл — плотность элемента в слое;

ρ_кр — плотность элемента в состоянии кристаллического газа.

Большее свободное пространство означает, что ионизированные слои нагреты до более высоких температур. При положительном значении величины свободного межатомного пространства вещество находится в состоянии реального газа. При отрицательном значении величины вещество находится в состоянии кристаллического газа. Поскольку ядро Земли разогревается, слои со временем, по достижении определенных температур (рис. 17 в) переходят из состояния кристаллического газа в состояние реального газа, что приводит к уменьшению их плотности и перемещению веществ на другие уровни. Очередность перехода зависит от размеров атомов. Атомы малого размера переходят в состояние реального газа при меньшей температуре. По величинам межатомного пространства можно оценить последующие и предшествующие настоящему времени перемещения слоев элементов. Также по величинам свободного межатомного пространства можно рассчитать температуры в слоях ядра Земли, а по температурам определить степень ионизации веществ в слоях.

Учитывая массовый состав элементов и известную массу ядра Земли (внешнего + внутреннего) равную 1934 Е +21 кг определяем, что граница между ядром и мантией проходит по слою цинка с разложением цинковых пород нижней части мантии и нарастанием цинкового слоя в ядре. Масса погруженного цинка в ядро Земли в настоящее время по расчету составляет примерно 668х10²¹кг. Учитывая, что по расчёту количество цинка в массе Земли составляет 12.77% (763 х10²¹кг) оставшаяся масса цинка в мантии и коре 95х10²¹кг. При расчёте не по массам элементов, а по радиусам их слоёв граница ядра-мантии проходит примерно в зоне цинк-аргон, что практически совпадает с расчётом по массам.

При распаде пород вещества мантии, образующиеся тяжелые элементы, распределяются по соответствующим слоям ядра, а легкие элементы поднимаются в кору Земли. Со временем, при дальнейшем росте ядра Земли, над слоем цинка начнёт образовываться следующий по плотности ядер слой элемента эрбия затем слой железа. В настоящее время железа в ядре Земли быть не может совсем, поскольку плотность его атомов (Fe 10.92 г/см³) меньше плотности атомов веществ верхнего слоя в ядре Земли цинка (Zn 11.12 г/см³).

В ядре Земли элементы йод и теллур расположены не в той последовательности, как они находятся в таблице Д. И. Менделеева по той причине, что из-за особенностей изотопного состава элементов йод имеет меньшую атомную массу, чем теллур, следовательно, по закону Авогадро он в газообразном состоянии в одинаковых условиях будет иметь меньшую плотность и находиться выше.

Таблица представлена в упрощенном виде, поскольку многие элементы имеют по несколько изотопов, каждый из которых создал свой слой. В природе около 250 стабильных и около 50 естественных радиоактивных изотопов большая часть из которых находится в ядре Земли Для упрощения в таблице показаны изотопы только в одном слое №2, где изотоп урана 238 обогащенного ураном 235 и ураном 233, поскольку эти изотопы значительно влияет на процессы в ядре Земли. Свои слои образуют и радиоактивные изотопы продуктов ядерных реакций, протекающих в ядре Земли. Кроме того, каждый из элементов может создавать по несколько слоёв в разной степени ионизации. Количество всех слоёв ядра Земли более 300.

Используя значения объемов веществ в слоях и расположения слоев, рассчитаны радиусы верхних границ слоев элементов и их толщины, показанные в столбцах 10 и 11.

В столбце 12 показана сравнительная величина объема свободного межатомного пространства в слое по отношению к объёму кристаллического газа этого элемента. При отрицательных значениях этих величин можно предположить, что атомы несколько упруго сжаты давлением выше плотности кристаллических газов, чего может и не быть если атомы ионизированы и от этого уменьшили свои радиусы.

В столбцах 13,14 показаны рассчитанные температуры в слоях и степени ионизации вещества.

В таблице показаны рассчитанные параметры слоёв с достаточно большой точностью, но эта точность всего лишь результат математических вычислений значений. Реальная картина может несколько отличаться, тем более, что в ядре Земли постоянно протекают множество процессов, например, распадаются радиоактивные элементы, идут некоторые цепные реакции, от излучений образуются новые элементы, от повышения температуры элементы из состояния кристаллического газа переходят в состояние реального газа, снижают свою плотность и перетекают на другой горизонт, образуя другой слой. Кроме того, некоторые элементы, как водород и гелий, выходят из ядра Земли, а другие погружаются в ядро как продукты распада веществ мантии.

В таблице получилось хорошее совпадение. Количества элементов с плотностью кристаллического газа приближенной к плотности веществ ядра Земли практически совпадают с количеством этих элементов по расчёту согласно гипотезе №4 состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция), что показывает правильность этой концепции.

Изотопы элементов образуют отдельные слои в ядре Земли

Гипотеза 20

Изотопы любого элемента отличаются по плотности атомов. Для тяжелых элементов различия эти небольшие, в то время как для лёгких достаточно значительны. Например, если атом водорода-протий имеет плотность 7,62 г/см³ то его изотоп-дейтерий имеет плотность в два раза больше 15,24 г/см³ и слой его в ядре находится намного глубже где-то между торием и германием, а слой изотопа-трития имеет атомы с плотностью 22,86 г/см³ и изначально, когда всё ядро находилось в состоянии веществ из кристаллических газов мог находится в самой глубине ядра ниже слоя полония. Различия в плотностях изотопов более тяжелых элементов не столь существенны и слои их как правило находятся рядом, но могут чередоваться со слоями изотопов других элементов. Изотопы разных элементов, но с одинаковыми атомными массами могут образовывать разные слои в состояние кристаллического газа, но образовывать один слой при переходе в состояниях реальных газов. Картина чередования слоёв изотопов на примере J ¹²⁷, Te ¹³⁰, Te ¹²⁸, Te ¹²⁶, Te ¹²⁵, Te ¹²⁴, Te ¹²³, Te ¹²², Te ¹²⁰, Xe ¹³⁶, Xe ¹³⁴, Xe ¹³², Xe ¹³¹, Xe ¹³⁰, Xe ¹²⁹, Xe ¹²⁸, Xe ¹²⁶, Xe ¹²⁴ (рис. 20)

Рис. 20. Слои элементов с учётом изотопов. Рядом с наименованием изотопа показано значение его распространённости в природе.

Изображение с учётом изотопов даёт более сложную картину слоёв, чем по слоям элементов. Ещё более сложная картина получается если учесть и нестабильные (радиоактивные) изотопы J ¹²⁹, Хе ¹²⁷, Хе¹³⁵, Те ¹²⁹ и т. д., образующиеся как осколки деления при цепных реакциях или как продукты спонтанного деления ядер.

Цепные ядерные реакции в ядре Земли

Гипотеза 21

Структура ядра определяет процессы, которые неизбежно будут там происходить.

Ядро постоянно разогревается за счет распада радиоактивных элементов. Субъядро, состоящее из урана, под действием гравитации сепарировано на слои изотопов, имеющих разные плотности. Переходная зона, слой F урана U²³⁸ между внешним ядром и субъядром более насыщен изотопами U²³⁵ и U²³³. При достижении на каком-либо участке высоких концентраций U²³⁵, U²³³ происходят местные тепловые всплески в результате реакций цепного ядерного деления. Мощность единичного теплового всплеска невелика, поскольку значительная сверхкритическая масса собраться не может из-за начала процесса деления. Тепловые всплески порождают турбулентности, которые приводят к перемешиванию изотопов и естественным образом регулируют скорость цепной реакции. Автоматическое регулирование процесса ядерного тепловыделения также происходит за счет образования осколков деления, поглощающих нейтроны. По мере удаления за счет сепарации из зоны F или распада таких осколков скорость реакции возрастает. Мощность всего процесса мала, поскольку ограничивается небольшой скоростью сепарации U²³⁵ и U²³³ из-за сравнительно невысокой гравитации в ядре Земли.

Происходит и возобновление ядерного топлива. U²³⁸ и Th²³² захватывают образующиеся при ядерном делении нейтроны и трансформируются в Pu²³⁹ и U²³³, которые являются топливом для цепных реакций ядерного деления.

При облучении нейтронами тяжелых атомов образуются разнообразные атомы актиноидов, в том числе и с малым периодом полураспада, которые, распадаясь, также выделяют энергию.

В результате радиоактивного распада урана и плутония в ядре образуются радиоактивные осколки деления от цинка до самария (рис. 11). Осколки более легкие, и всплывают в свои слои ядра Земли. Осколки перегружены нейтронами, постепенно в ходе ядерных реакций трансформируются в другие элементы. Нейтроны, образовавшиеся в ядерных реакциях, но не захваченные другими ядрами, из-за малого периода полураспада превращаются в протоны и электроны, а те при замедлении превращаются в стабильные атомы водорода, которые поднимаются к мантии. Легкие элементы, образующиеся в ядерных реакциях — водород и гелий — выходят на поверхность Земли. В отличие от гелия водород химически активен, и выходит на поверхность в виде наиболее стабильных в условиях коры Земли соединений: углеводородов, сероводорода, воды.

В ядре Земли менее мощные выделения энергии, чем на космических телах с более сильной гравитацией, где скорость сепарации выше, например, на больших планетах, а также на Солнце.

Тепловое состояние веществ в ядре Земли

Гипотеза (концепция) 22

По принятым в настоящее время представлениям температура в ядре Земли не превышает 5000°С. Ранее, вероятно, на такой температуре остановились, поскольку при более высокой температуре все вещества однозначно становятся газами, а это не укладывалось в головах ученых того времени. Кроме того, упрощенные представления о теплообмене, основанные, вероятно, на модели, повторяющей этот процесс в чайнике, подсказывали, что при более высокой температуре невозможно представить нормальное, существующее сейчас тепловое состояние на поверхности Земли. Такое представление сложилось в начале прошлого века. Расчеты показывали, что радиационное тепловыделение от урана, тория, и калия должно дать значительно более высокие температуры в глубинах Земли. Тогда для того, чтоб свести концы с концами и защитить свою концепцию (5000°С) в 1909 году было высказано предположение Джоли [Joly, 1909], а затем Холмсом [Holmes, 1926], что урана в ядре Земли нет. С тех пор такие ошибочные убеждения и существуют во взглядах ряда ученых. Были в прошлом и другие убеждения. Так, по представлениям Э. Канта ядро Земли раскалено как Солнце, но окружено плотным веществом, которого нет на поверхности.

Надо учитывать, что знания ученых того времени по ряду направлений во многом были примитивнее той информации, которая есть в программах нашей современной средней школы. В настоящее время знания о тепловых процессах превратились в науку. Имеются многочисленные расчеты тепловых процессов. На производстве ни один сложный аппарат, где происходят химические реакции, не проектируется без тепловых расчетов. В космической технике для конструирования искусственных спутников Земли в конструкторских бюро существуют целые отделы, задачей которых являются тепловые расчеты. В программы разработки изделий непременно входит создание отдельного экспериментального образца спутника только для тепловых и вакуумных испытаний, и это при том, что процессы выделения и передачи тепла на спутнике неизмеримо проще таких процессов в глубинах Земли.

Чтоб получить более ясное представление, обратимся к результатам измерений. С увеличением глубины температура пород возрастает с градиентом примерно 20 градусов на километр. Представим модель, что тепло идет из центра Земли. Рассчитаем температуру в центре Земли, которая могла бы обеспечить имеющийся градиент по формуле Фурье для теплопроводности:

где Q — количество тепла;

k — коэффициент теплопроводности;

T₁ — температура на поверхности Земли;

T₂ — температура в центре Земли;

S — площадь сечения геосферы;

T — время;

Ι — толщина слоя.

По упрощенному расчету, не учитывающему, что Земля — шар, и предполагающему, что все тепло идет из центральной точки, температура в центре Земли при сохранении градиента на всю глубину составит примерно 120000°С. А если учесть уменьшение площади передачи тепла с увеличением глубины, поскольку площадь геосфер с глубиной уменьшается, то реальный градиент температуры при неизменном тепловом потоке должен возрастать с глубиной пропорционально уменьшению площади, пропорционально квадрату глубины, следовательно, температура в центре Земли по этой модели должна составлять уже 14.4 ∙ 10⁹°С.

Конечно, модель далеко не соответствует реальному состоянию. Все тепло не выделяется из центра Земли, и поэтому она должна быть отвергнута, но что—то в этой модели есть. Она позволяет усомниться в низкой температуре ядра, вырваться из гипноза оков догматической температуры в 5000°С, предположенной примитивными представлениями столетней давности, и искать правильное решение. Если напрячь усилия и обратиться к хотя и упрощенным, но современным тепловым расчетам, то появляется достаточно сложная картина. Для представления о тепловом состоянии необходимо учитывать, как реакции выделения тепла, так и, что совершенно очевидно, существующие реакции поглощения тепла за историю Земли. Также необходимо учитывать начальное тепловое, химическое и ядерное состояние массы Земли. Если принять за начальное состояние газопылевое космическое облако, а за конечное — нынешнее состояние, то картина выходит следующая.

По тепловому балансу, определяющему температуру, приход тепла обеспечивается процессами:

— ударное и гравитационное статическое собирание, а также сжатие частиц в массу планеты;

— энергии распада радиоактивных элементов;

— энергии распада ядерного топлива по цепному механизму;

— разогрев планеты Солнцем и космическим излучением.

Одновременно имеются процессы, приводящие к потере тепла:

— излучение тепла в космическое пространство;

— совершение работы расширения объема Земли;

— химические реакции по трансформации веществ мантии при повышении температуры;

— расширение при дросселировании газов при поднятии и выходе атмосферы и вод океанов

— плавление веществ ядра Земли и фракций мантии;

— испарение всей массы веществ ядра Земли;

— ионизация элементов в ядре Земли;

— выделение света и образование фотонного газа в ядре Земли.

Нужно учитывать, что в изначальном состоянии вещество газопылевого облака в космическом пространстве находилось в сравнительно холодном состоянии, а также то, что в этом состоянии вещество находилось в виде соединений с малыми изобарными потенциалами.

Наиболее емкие, приводящие к наибольшей потере тепла, процессы ионизации элементов и процессы выделение фотонного газа. Эти процессы происходят только при высоких температурах, но являются практически бездонными для нашей планеты поглотителями тепловой энергии.

Несмотря на значительное выделение тепла, температурная стабильность Земли объясняется прежде всего редким для нашего поверхностного мира явлением, погружением в глубинах Земли более горячего вещества вместо всплытия (конвекции) названное термонизом, о котором еще будет сказано ниже, значительным многоуровневым поглощением тепла в ядре и мантии, большим теплоизолирующим свойством мантии, коры Земли, слоев ядра, а также гравитационным разделением разных элементов по глубине Земли на слои, обеспечивающим изоляцию разогретых масс в центральной её части.

Наибольшее количество энергии поглощается при ионизации атомов. Атомы при ионизации аккумулируют огромное количество энергии. На первую ионизацию, например, калия затрачивается 44398 ккал/кг, на вторую ионизацию — 6687416 ккал/кг, на третью ионизацию — 9670580 ккал/кг. Даже при потере только трех электронов (а их у калия 19) 1 кг калия поглощает энергию, содержащуюся в 16.4 тоннах тротила.

Если бы теплообмен в глубинах Земли шел бы по механизму простой конвекции, то при температуре в центре Земли и в 5000°С вся горячая масса ядра всплыла бы на поверхность. То же произошло бы и на Солнце, и температура его фотосферы точно превысила бы наблюдаемые 6000°С. Объяснением того, что такого не происходит может быть только существующее и предлагаемое явление термониза, по причине которого тепло на поверхность не выходит, а аккумулируется ионизацией тяжелых элементов, а также образованием фотонного газа в центре Земли.

Значительная аккумуляция тепла образованием фотонного газа связана с тем, что интенсивность образования фотонов (а значит и поглощения тепла) происходит в четвертой степени от температуры, и при высоких ее значениях увеличивается лавинообразно.

Большое количество процессов выделения и поглощения тепла, а также отсутствие информации в каких значениях эти процессы происходят, делает прямой расчет теплового состояния Земли невозможным. Температуру вещества на разных глубинах удалось рассчитать, используя результаты замера плотностей, расчета значений давлений на разных глубинах и оценки состава веществ геосфер.

По скорости прохождения сейсмических волн известна плотность вещества в ядре. Также сравнительно точно рассчитано давление на разных глубинах ядра. Допускаем, что в условиях ядра Земли свойства веществ соответствуют законам для идеальных газов, что экспериментально подтверждено до давлений в 100000 атм. [Гонигберг, 1960]. Используя значения давлений, плотностей и видов элементов, можно рассчитать температуры по слоям ядра Земли. Закон расширения Менделеева—Клапейрона для всех газов одинаков:

Из этого следует:

где P — давление в нормальных условиях 1 атм.;

V — объем одного г-атома элемента (0.0224м³) в нормальных условиях;

P₁ — давление в искомой области;

V₁ — объем межатомного пространства одного г-атома в искомой области;

T — температура нормальная 273 градуса К;

Т₁ — искомая температура.

Таким образом

T₁ = 12187.5 P₁V₁

Подставив значения объема и давления в тех областях ядра Земли, где по расчетам вещество находится в состоянии реального газа, можно определить здесь температуру.

Расчет температуры в ядре Земли

Гипотеза (концепция) 23

Давление в центре Земли примерно 3,6 миллиона атмосфер. Рассчитаем объем одного грамм-атома урана в ядре Земли, что несложно. Грамм-атом урана — это 238 грамм. Плотность вещества в центре ядра Земли — 12.5 г/см³. Следовательно, объем 1 г-атома урана составит 238/12.5=19.04 см³. Для расчета температуры необходимо убрать из этого объема газа объем, занимаемый самими атомами урана, и оставить только объем межатомного пространства. Объем атома урана составляет 17.15 кубических ангстрем. В одном г-атоме находятся 6х10²³атомов. Следовательно, сами атомы занимают 1.029х10²⁵ кубических ангстрем объема. Это равно 10.29 см³. Следовательно, межатомное пространство будет равно 19.04—10.29 = 8.75 см³, что соответствует 8.75х10^—6 м³

Подставляя эти величины в формулу, получаем значение температуры в центре ядра Земли 12187.5х3,6х8.75=383906°К.

Однако, такая оценка оказывается неточной, поскольку при такой температуре атомы ионизированы, следовательно, имеют меньший размер, что сказывается на объеме межатомного пространства, использованного для расчета. Для более точной оценки температуры необходимо подобрать степень ионизации атомов, соответствующую расчетной температуре в слое. Для расчета примем допущение, что все атомы при расчетной температуре имеют одинаковую энергию (нет распределения энергий частиц по Максвеллу). Что степень ионизации происходит ступенчато. Что ионизация очередного электрона в элементе начинается по достижении температуры, соответствующей энергии ионизации. Увеличение тепловой энергии атома на 1 эв соответствует увеличению температуры на 7752°К.

При полученной расчетной температуре в 383906°К, атомы будут иметь энергию 383906°К/7752 К=49.52 эв.

Энергия последовательной ионизации атома урана составляет 6.19, 11.6, 19.8, 36.7 эв. Поскольку в литературе энергии ионизации урана более высоких степеней найти не удалось, используем для приближенного расчета близкие энергии ионизации лантана (5.59, 11.38, 19.1, 52.2, 65.7, 80.0, 99.5, 114.1). С учетом неизбежного при пересчете увеличения значений температуры в слое, предположим, что энергия ионизации составляет +7, радиус иона для урана +7 составит примерно 0.8Ǻ, объем иона 2.14Ǻ^3, а расчетная температура в центре Земли получается 779220°К, Оценим верно ли мы взяли степень ионизации +7. Разделив рассчитанную температуру 779220 °К/7752°К, получаем энергию ионов в 100.51 эв. Эта энергия соответствует ионизации +7 (для лантана 99.5). Значит, принятая степень ионизации +7 верна.

По этой же схеме рассчитаны температуры в других горизонтах по глубине ядра Земли и показаны в таблице 7. Расчеты проведены по уровням внешних радиусов слоев элементов.

Из 33 элементов, составляющих ядро, выбрано 12 слоев элементов, по которым проведен расчет температур на уровнях расположения их слоев. Значения полученных температур и промежуточные параметры для расчета показаны в таблице 8. Расчёты были проведены мной, а данная концепция впервые была опубликованы в работе [Тимофеев, 2014]

По значениям температур этих слоев построена кривая (рис. 21). Здесь мы видим, что начиная от поверхности наружного ядра температура сначала поднимается довольно плавно, затем, примерно в слое никеля начинает происходить значительное нарастание температуры. Начиная со слоя рутения происходит ионизация вещества. Далее в субъядре кривая снова переходит к более плавному поднятию температуры. В центре Земли температура достигает максимума, примерно 780000°К. Именно при такой температуре уран в состоянии газа по расчету имеет плотность 12.5 г/см³ в условиях давления 3.61 миллион атмосфер и находится при этом в седьмой степени ионизации. Снижение интенсивности нарастания температуры на глубине более 5000 км объясняется тем, что основные цепные ядерные реакции активно выделяющие тепло протекают в слое F. Дальнейшее, менее интенсивное нарастание температуры в субъядре (в слое G) объясняется менее активными здесь реакциями, выделяющими тепло за счет радиоактивного распада, здесь U²³⁸ и заурановых элементов.

Рис. 21. Изменение температуры по глубинам в ядре Земли: 1 — кривая давления; 2 — расчетная кривая температуры без учета ионизации атомов; 3 — реальная кривая изменения температуры в ядре Земли с учетом ионизации

В течение истории Земли температура ядра непрерывно растет со средней скоростью примерно 0.17 °С за тысячу лет.

Фотонный газ в ядре Земли

Гипотеза 24

Высокая расчетная температура в ядре Земли требует учесть влияние давления фотонного газа. В газообразном веществе при высоких температурах кроме атомов элемента появляется значительное количество фотонов, которые создают дополнительное давление [Мартинсон, Смирнов http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom5/ch1/formulas/fml1.43_more.htm]. Давление света в обычных условиях составляет очень небольшую величину. Солнечные лучи в яркий день создают давление приблизительно 0.43 дин/м². Однако, учитывая, что давление пропорционально четвертой степени от температуры, при высоких температурах оно достигает значительных величин. Давление фотонного газа рассчитывается по формуле:

Здесь σ — постоянная Стефана—Больцмана, 5.67.10^—8Дж·с^—1·м^—2 · К^—

с — скорость света в вакууме.3х10⁸ м/с,

что соответствует

График изменения давления фотонного газа от температуры (рис. 22). Расчетная величина давления фотонного газа в центре Земли при температуре 780000°К равна 932 атм, что составляет 0,026% от общего давления (3.61миллиона атм.) и уже влияет на состояние ядра. Полное давление в определяемой зоне ядра Земли описывается формулой:

Давление фотонного газа в центре Земли показано (рис. 15).

Рис. 22. Изменение давления фотонного газа от температуры: 1 — давление фотонного газа в центре Земли в настоящее время

Составляющая давления кинетической энергией атомов возрастает линейно от величины температуры, в то время как составляющая давления фотонного газа зависит от температуры в четвертой степени. Поскольку величина давления в ядре ограничивается силами гравитации, то повышение давления фотонного газа компенсируется снижением давления, создаваемого кинетической энергией атомов за счет увеличения объема и снижения плотности вещества. Очевидно, что вклад давления фотонного газа в состояние больших планет Юпитера, Сатурна, а также Солнца и звезд значительно больше, чем у Земли из-за более высокой температуры в их глубинах. Высокие давления фотонного газа привели к расширению веществ и снижению плотностей больших космических тел. Ядро Земли находится в стадии начала процесса расширения от возрастания давления фотонного газа. Величины давлений фотонного газа в ядрах планет растут от непрерывно повышающихся температур.

Малая плотность вещества Сатурна, Юпитера, Урана, а также сравнительно малая плотность вещества Солнца есть следствие не их состава из водорода. Представления о водородном Солнце и водородных больших планетах примитивны. Это, вероятно, то, что первое пришло в голову для объяснения малой плотности веществ этих космических тел, поскольку водород в состоянии разреженного газа имеет самую малую плотность. Есть вещество, которое намного легче водорода в условиях высоких температур и давлений, это фотонный газ. Состав элементов, из которых состоят Солнце, Сатурн, Юпитер, Уран, все-таки ближе к составу Земли, а малая плотность этих космических тел объясняется большим содержанием в их глубинах фотонного газа.

Некоторое давление в глубинах космических тел могут создавать и самые разные виды излучений, например, нейтроны, протоны, α — и β-частицы. Оценка величин такого давления не проводилась, но очевидно, что с увеличением масс космических тел, следовательно, с увеличением интенсивности протекания в них ядерных реакций, значения таких давлений будут возрастать. Эта тема представляет самостоятельный интерес для дальнейших исследований.

Массообмен в ядре Земли

Гипотеза 25

Состояние веществ в ядре Земли не является стабильным и неизменным. Процессы изменения и перемещения веществ начались с самого зарождения планет и продолжаются в настоящее время. Изменения проходят закономерно, одновременно с участием целого ряда процессов, при этом одни процессы завершаются окончательно, как например, полный распад определенных изотопов, другие в определенный момент времени начинаются и продолжаются миллиарды лет. Одни процессы имеют глобальное значение, как по массам, так и по выделениям энергии, другие проходят в малых масштабах. Выглядит так, будто преобразования происходят по программе какого-то командно-временного механизма планетарного масштаба, при этом процессы на разных планетах похожи, имеют сравнительно небольшое отличие, связанное с несколько отличающимися их составами и с разной массой.

Перемещение масс вещества мантии в ядро

Гипотеза 26

С поднятием температуры до достижения значения, при котором энергия теплового движения частиц достигает энергии химических связей, происходит распад пород в атомарное состояние. Такой процесс начался в архее и образовал зарождающиеся ядро Земли и мантию, с образованием границы, где протекают реакции распада.

В процессе распада вещество мантии, имеющее часто сложный состав, разделяется на две основные фракции. Легкую фракцию, состоящую из веществ со сравнительно малой плотностью атомов, которая поднимается вверх через слои мантийного вещества, образуя столбы дистиллированного (деплетированного) вещества, очищенные от включений более плотных атомов и тяжелую фракцию, которая состоит из веществ со сравнительно большой плотностью атомов. Тяжелая фракция опускается в ядро Земли и разделяется на отдельные виды атомов, распределяясь по соответствующим слоям. В настоящее время граница раздела находится на глубине примерно 2900 км от поверхности Земли, где давление составляет примерно 1.5 миллиона атмосфер. Известно, что ряд веществ может находиться в состоянии элементов в нормальных условиях (ртуть, золото, инертные газы…). С возрастанием температуры перечень таких элементов увеличивается. Для этих элементов нет препятствий под высоким давлением переходить в состояние кристаллического газа даже не на границе между мантией и ядром. Эти элементы при определенных для них температурных условиях переходят в плотное состояние кристаллического газа в объеме мантии, что приводит к выпадению их из мантии в ядро (для тяжелых элементов) раньше, чем до них дойдет горячий фронт ядра Земли. На поверхности ядра Земли при температуре 4000—5000°С происходит распад самых термостойких здесь мантийных соединений. Образовавшиеся при распаде тяжелые атомарные элементарные вещества конденсируются в отдельные капли кристаллического газа разного состава по видам элементов, которые погружаются в ядро. По расчетам верхний слой ядра состоит из цинка в состоянии кристаллического газа. Нахождение цинка в жидком состоянии здесь исключено, поскольку он имеет сравнительно невысокую температуру кипения 907°С. Таким образом, все элементы образовавшейся тяжелой фракции, если это не цинк, который просто вливается в верхний слой ядра дождем из капель кристаллического газа, идут через цинковый слой, погружаются через другие слои ядра, находя свои слои для каждого элемента, и вливаются в них. По мере опускания происходит нагревание капель более горячими нижними слоями, через которые они проходят, и вещество их в определенные моменты может перейти в состояние реального газа, что, тем не менее, не позволяет ему и в этом состоянии смешиваться с веществом любых окружающих слоев, кроме своего. Производительность выпадающего дождя, пополняющего массу ядра Земли, в среднем за период его развития составляет (масса ядра, деленная на возраст Земли 1934х10²¹/4.5х10⁹=429.7х10¹² кг/год) порядка 500 миллиардов тонн в год. Если мантия будет разрушаться с такой же скоростью и далее, то раскаленные массы ядра появятся на поверхности Земли через 9.4 миллиарда лет, и вся Земля будет состоять из ядра, как практически из одного ядра состоит в настоящее время Юпитер или Солнце.

Термониз перехода вещества в кристаллический газ

Гипотеза 27

На поверхности Земли в условиях малого давления хорошо известно явление конвекции. Конвекция — это всплытие разогретой массы в среде менее нагретого вещества. Объясняется конвекция тем, что вещество при нагревании расширяется, и плотность его уменьшается. В глубинах Земли, где высокие давления препятствуют тепловому расширению (силы гравитационного сжатия превосходят силы расширения, вызванные кинетической энергией теплового движения частиц), при нагревании может происходить явление погружения более нагретого вещества. В условиях глубин Земли есть два фазовых перехода при нагревании, вызывающих увеличение плотности веществ. Переход в состояние кристаллического газа при температурах разрушения межатомных связей (1000—6000°К) и переход в ионизированное состояние при температурах более 30000°К. Оба эти перехода фазового состояния могут создавать условия для погружения более разогретого вещества в ядре Земли. Явление погружения более разогретого вещества получило название «термониз» [Тимофеев, 2009б].

Термониз — это перемещение разогретого вещества вниз в условиях, когда плотность его из-за разогрева возрастает.

Зонами термониза от перехода вещества в состояние кристаллического газа являются слои элементов верхней части наружного ядра. Одними из веществ в этой зоне, переходящими в состояние кристаллического газа, могут быть H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar. Плотность атомов этих элементов достаточно высокая, и в состоянии близком к состоянию кристаллического газа они вполне могут быть в числе элементов, образующих геосферы в этой зоне. Слои этих веществ образуют тепловой барьер на поверхности ядра.

Слои элементов на границе нижней части верхнего ядра Земли и субъядра являются зонами термониза от перехода вещества в ионизированное состояние.

Плотность атомов при ионизации, а также при дальнейшем увеличении ее степени, существенно возрастает из-за резкого уменьшения их размеров. Очевидно, что вещество при ионизации погружается.

В нормальных условиях явление термониза наблюдается у воды в температурном диапазоне +4—0°С. В этом диапазоне при нагревании у воды увеличивается плотность, и более нагретая вода погружается вниз. На рис. 23 показан термониз (тепловой барьер) перехода в кристаллический газ на границе мантии и ядра Земли. Также образно, в виде языков пламени, направленных в центр, изображена картина термониза ионизированного вещества в ядре Земли.

Рис. 23. Ядро Земли. Термониз. 1 — уран 238 и ионизированные продукты ядерных реакций; 2 — слой F (уран 235, 233); 3 — слои наружного ядра Земли; 4 — термониз перехода в кристаллический газ (граница между ядром Земли и мантией)

Математически процесс может быть описан формулой:

К — коэффициент термониза.

При К <0 происходит процесс конвекции, при К> 0 — процесс термониза.

Процессы термониза создают условие для длительного существования твердой стабильной коры Земли при значительных температурах в ее глубинах, иначе бы вся поверхность сейчас была бы раскалена до температур в сотни градусов, и никакая жизнь на Земле не была бы возможна.

Перемещение веществ, вызванное α — и β-распадами изотопов

Гипотеза 28

Процессы α — и β-распадов изотопов начали идти сразу после образования элементов, как только произошел взрыв нейтронной звезды. Еще не сконденсировался газ от раскаленных продуктов взрыва, а распад уже сильно шел, постепенно ослабевая по мере уменьшения содержания короткоживущих изотопов. При взрыве образовалось примерно 1200 видов ядер, большая часть из которых распалась к настоящему времени полностью. От всего многообразия радиоактивных изотопов до настоящего времени в природе осталось около 50. Из них основные долгоживущие: U²³⁸ (Т_1/2=4.507х10⁹ лет), U²³⁵ (Т_1/2=7.13х10⁸ лет), Th²³² (Т_1/2=1.45х10¹⁰ лет), К⁴⁰ (Т_1/2= 1.32х10¹⁰лет), которые распадаются и в настоящее время. Короткоживущие изотопы в настоящее время в природе все-таки имеются благодаря тому, что они постоянно образуются в результате целого ряда протекающих ядерных реакций от распада долгоживущих изотопов или космического излучения. Кроме того, короткоживущие изотопы образуются сейчас от реакций цепного ядерного деления U²³⁵, U²³³, Рu²³⁹как в ядре Земли, так и в ядерных реакциях на АЭС.

Распад природных радиоактивных изотопов образует радиоактивные семейства-цепочки атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате α — или β-распадов. Цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Так U²³⁸, пройдя через четырнадцать ступеней распада, среди которых есть и радий Ra²²⁶ (Т_1/2 =1622 года), и радон Rn²²² (Т_1/2 =3.825 дней), превращается в стабильный свинец Pb²⁰⁶.

Другие родоначальники — U²³⁵, Th²³², а возможно и нептуний Np²³⁷ — имеют свои радиоактивные семейства из других изотопов.

Цепочки α — или β-распадов образуют и осколки цепного деления ядер U²³³, Рu²³⁹, U²³⁵. Осколки от цепного деления имеют намного меньше атомные массы, чем при естественном распаде. Состав осколков показан на рис.11. Осколки существенно перегружены нейтронами, и распадаются ступенчато через ряд изотопов элементов по реакциям β-распада.

При любом распаде изотопа элемента образуется новый элемент с другой плотностью, из-за изменения массы ядра атома и из-за изменения заряда ядра, которое приводит к изменению размера электронной оболочки, следовательно, к изменению объема атома. При β-распаде ядра масса его не меняется, а меняется только его заряд. При этом распаде могут быть варианты. В одних случаях происходит испускание отрицательной β-частицы — электрона. И тогда один нейтрон ядра превращается в протон, заряд ядра увеличивается на единицу, а изотоп превращается в следующий элемент по таблице Д. И. Менделеева. В других случаях происходит испускание положительной β — частицы — позитрона или захват электрона из оболочки. И тогда один протон ядра превращается в нейтрон, заряд ядра уменьшается на единицу, а изотоп превращается в предыдущий элемент по таблице Д. И. Менделеева. β-распад происходит у ядер, которые имеют или больше, или меньше нейтронов по сравнению со стабильным изотопом. β-распад является основным типом радиоактивности для изотопов с атомными номерами меньше 60. При α-распаде ядрами атомов испускается α-частица, которая представляет из себя ядро атома гелия (имеет два протона и два нейтрона). При этом «материнское» ядро превращается в «дочернее», имеющее массовое число меньше на 4, а заряд меньше на 2. Элемент превращается в более легкий, имеющий порядковый номер на 2 меньший по таблице Д. И. Менделеева. Например, уран в торий. Всего известно около 25 естественных и более 100 искусственных α-активных ядер. Как правило α-активными являются ядра с большими атомными номерами, начиная с висмута, в которых прочность связей между нуклонами меньше.

В результате α — и β-распадов атомы вновь образовавшихся элементов уже не могут находиться в слоях элементов своих прежних состояний и всплывают (или тонут), перемещаясь в слои соответствующих им элементов. Такие перемещения значительны. Так, за историю Земли в результате естественного распада урана, например, U²³⁸ (Т_1/2 =4.507х10⁹ лет), половина его запасов распалась естественным образом. По представленной выше гипотезе состава космических тел количество урана в Земле составляло 0.26%, что равно 5976 ∙10²¹х0.0026 = 15.54∙10²¹кг. Получается, что распалось 7.77∙10²¹кг урана. На такую величину уменьшилась масса уранового ядра только за счет реакции естественного распада. Практически вся масса этого урана превратилась в свинец и пополнила его слой. Образующиеся сейчас вновь в результате ядерных реакций элементы продолжают перемещаться в объеме Земли. Каждое промежуточное ядро радиоактивного изотопа, трансформируется по цепочке преобразования из изотопа одного элемента в изотоп другого элемента, каждый раз перемещается из одного слоя в другой слой, то поднимаясь, то опускаясь через слои ядра Земли в соответствии с тем, в изотоп какого атома оно превратилось в данный момент, пока не перейдет в стабильное состояние. Похожая, как у распада урана, картина и по другим естественным и вновь образованным радиоактивным изотопам: Th²³², Np²³⁷, U²³³, Рu²³⁹…

Картина перемещений преобразующихся изотопов является частью общей картины массообмена в ядре Земли.

Перемещения веществ, вызванные делениями ядер элементов

Гипотеза 29

Перемещения магнитных полюсов Земли говорят о мощных процессах, которые происходят в ее ядре. Такими процессами могут быть деления ядер тяжелых элементов U²³⁵, U²³³, Рu²³⁹. Природный уран состоит в основном из U²³⁸, но содержит в своем составе 0.7204% изотопа U²³⁵. В соответствии с существующими законами при увеличении концентрации изотопа U²³⁵ неизбежно начнет происходить цепная реакция деления ядер урана на осколки. При распаде ядра выделяется 2—3 нейтрона, которые раскалывают другие ядра, где в свою очередь выделяются нейтроны, продолжающие процесс. При этом выделяется значительная энергия, составляющая 200 Мэв на ядро атома. Подобные реакции происходят в атомных электростанциях, а также при взрывах ядерных боеприпасов.

Причина концентрации изотопа урана U²³⁵ в ядре Земли показана в гипотезе №20. По фундаментальному закону Кричевского—Большакова, газы при высоком давлении и температурах выше критических расслаиваются с образованием поверхностей раздела. При этом расслаивание происходит не только по элементам, но и по их изотопам, что неизбежно приведет к увеличению содержания изотопа урана U²³⁵ в определенном слое и создаст условия для протекания реакции ядерного деления.

В результате реакций ядерного деления образуются лишние нейтроны, которые приводят к реакциям ядерного синтеза дополнительных количеств ядерного топлива U²³³, Pu²³⁹:

Th²³² + n = Th²³³ →^β→Pa²³³→^β→U²³³

U²³⁸ + n = U²³⁹→ ^β→Np²³⁹→ ^β→Pu²³⁹

Эти изотопы также способны на реакции деления по цепному механизму. Образующиеся в реакциях изотопы U²³³, Pu²³⁹, изменив плотность ядер, образуют свои слои на глубинах, соответствующих их плотностям, где распадаются в своих реакциях ядерных делений. В отличие от реакций естественного радиоактивного распада изотопов при реакциях ядерного деления образуются осколки, имеющие значительно меньшие атомные массы. Ядра делятся не на равные части. Осколки по массам примерно соотносятся как 2/3, например,

U²³⁵→Sr + Xe

Осколки перенасыщены нейтронами, и испытывают последовательно несколько β-распадов, из изотопа одного элемента превращаются в изотоп другого элемента, прежде чем становятся устойчивыми ядрами.

Известна реакция спонтанного деления ядер, при которой ядра распадаются самопроизвольно без воздействия нейтронов. Период полураспада при спонтанном делении быстро уменьшается с увеличением заряда ядер. При реакциях спонтанного деления образуются, как правило, два сравнимых по массе осколка.

При цепном делении ядер образуется до 200 радиоактивных изотопов от цинка до гадолиния, каждый из которых в условиях ядра Земли совершает перемещение в свой слой вещества. Изотопы с малым периодом полураспада слои не образуют, а в процессе перемещения преобразуются в другие изотопы и далее совершают перемещение уже в соответствии со своим новым состоянием.

Таким образом, существуют перемещения вновь образовавшихся атомов (осколков деления) от разрушающихся в реакциях деления U²³⁸, Th²³², U²³⁵, U²³³, Pu²³⁹ из глубинной части ядра Земли вверх, ближе к мантии Земли, увеличивая массы имеющихся там слоев элементов.

Перемещения, вызванные образованием водорода и гелия

Гипотеза 30

Цепные ядерные реакции в глубинах Земли создают излучение нейтронов. Образуются и так называемые запаздывающие нейтроны, которые выделяют осколки деления распавшихся ядер. Свободные нейтроны имеют небольшой период полураспада Т_1/2=12.8 мин. При этом они испытывают β-распад:

n → p+e^-+ν

В ходе распада образуется протон, электрон и нейтрино. Заторможенные протоны и электроны образуют атомы водорода. Таким образом, в среде реакций цепного ядерного деления, очевидно, образуется определенное количество водорода, который, обладая сравнительно малой плотностью при повышении температуры будет подниматься в ядре Земли к его поверхности.

В процессе естественного радиоактивного распада урана и тория выделяются α-частицы, представляющие из себя ядра атомов гелия. Учитывая, что гелий имеет очень большую энергию ионизации, его ядра неизбежно в условиях ядра Земли соберутся с электронами в атомы и далее начнут подниматься в верхние слои. Как гелий, так и водород имеют очень большую проникающую способность и поднимаются до поверхности Земли, выходя в атмосферу. В отличие от гелия водород имеет довольно большую реакционную способность, взаимодействует с другими атомами с образованием различных химических соединений, в том числе углеводородов и силанов, в виде которых и поднимается к коре Земли. Это приводит к образованию залежей углеводородов и отложению силикатных пород. Гелий в пластах способны удержать только очень плотные покрышки газовых залежей, например, слои соли в месторождениях природного газа Восточной Сибири, где он и обнаруживается. Процессы поднятия гелия и водорода являются частью общего процесса массообмена в ядре и во всем объеме Земли.

Генерация магнитного поля слоями элементов ядра Земли

Гипотеза 31

До настоящего времени нет однозначного ответа на природу образования магнитных полей Солнца и планет Солнечной системы. Одна из выдвинутых ранее гипотез предполагает генерацию магнитного поля Земли за счет индукции от суточного движения ее слоев, имеющих разные заряды. Гипотеза основана на гироскопическом эффекте Эйнштейна—Барнетта [Яновский, 1978]. Однако не был решен вопрос, какие слои и по какой причине имеют разные заряды. Предлагаемая концепция дает ответ на этот вопрос. При высоком давлении и температуре, превышающей критические значения, смеси газов расслаиваются с образованием поверхностей раздела [Кричевский, Большаков, 1941]. Ядро Земли сепарировано по слоям элементов (рис. 13), поскольку там высокое давление и высокая температура [Тимофеев, 2009б]. Слои разных раскаленных газообразных элементов ядра Земли на границах раздела заряжаются разными зарядами из-за разной величины сродства к электрону. Не исключено также, что отдельные слои ядра приобретают заряды из-за радиоактивного распада веществ слоев нестабильных изотопов. Возможно, что и слои разных пород геосфер мантии Земли имеют разные заряды. Существует ряд закономерностей возникновения электрического потенциала при контакте веществ. Это и термическая ЭДС, проявляющаяся в эффекте Зеебека, его проявление в полупроводниковых материалах, отраженное в работах А.Ф Иоффе (СССР), эффект термоэлектронной эмиссии, а при высоких температурах — ионизация элементов. Величины удельных температурных ЭДС для некоторых элементов ядра, а также приближенная оценка потенциалов слоев элементов (таблица 9).

* Коэф. Зеебека (термоэлектрическая способность элемента по отношению к Pb). ** Приближенное значение ЭДС в вольтах при температуре 10000°С

Термическая ионизация элементов даст еще большие потенциалы. Большие потенциалы могут иметь слои кислорода, фтора и йода, расположенные в верхней части ядра. Суточное вращение разнородно заряженных слоев ядра и мантии создает главное магнитное поле Земли [Тимофеев, 2011б] (рис. 24).

Рис. 24. Генерация магнитного поля Земли. Изображение поверхности Земли из сайта https://live.staticflickr.com/5343/10209385305_8b2341f255_b.jpg

Суточное вращение Земли, следовательно, и заряженных слоев ядра, вызывает кольцевой ток. По закону магнитной индукции, кольцевой ток должен создавать магнитное поле.

где H — напряженность магнитного поля, I — ток, R — радиус.

Слои заряжены противоположными зарядами, и общее магнитное поле будет равно сумме магнитных полей слоев.

Н=Н₁+Н₂+Н₃+…Н_n

На рис. 25 изображена картина суммирования магнитных полей фрагментов двух слоев ядра.

Рис. 25. Суммирование магнитных полей фрагментов слоев

Если снаружи наружного и внутри внутреннего разно заряженных, равных по величине слоев магнитные поля будут компенсировать друг друга, то в промежутке между слоями магнитные поля будут суммироваться. По этой причине, при равной напряженности полей, доминировать будет магнитное поле наружного слоя.

Отрицательные заряды могут преобладать или во внутренней части ядра, или в наружной.

От этого зависит полярность суммарного магнитного поля Земли. На заряд слоя будет влиять температура слоя, которая может изменяться. Энергия магнитного поля в процессе трансформации космического тела может возрастать из-за увеличения электрического потенциала слоев и скорости вращения Земли. Доказательством такого механизма генерации магнитного поля является тот факт, что ориентация магнитного поля приблизительно соответствует оси вращения космических тел, а максимальная величина магнитного поля разных космических тел больше при большей скорости их вращения. Например, нейтронные звезды, скорость вращения которых может достигнуть 1800 оборотов в минуту (наблюдаемый период вращения до 0,033с), имеют магнитные поля в миллиарды и триллионы раз больше магнитного поля Земли. Величины магнитных полей медленно вращающихся космических тел, например, Луны незначительны.

Генерация магнитного поля слоями из-за несовпадения оси вращения Земли и полярности магнитного поля

Гипотеза 32

Известно, что магнитное поле не совпадает с осью вращения Земли в результате чего имеющее электрический заряд заряженное вещество в геосферах, при вращении пересекают магнитные силовые линии. Такие пересечения однозначно приводят к появлению токов внутри Земли, а те к генерированию магнитного поля, которое входит как составная часть общего магнитного поля Земли.

Инверсии магнитного поля от перестановки слоев элементов в ядре Земли

Гипотеза 33

Магнитное поле Земли неоднократно меняло свою полярность. Обращение или, как говорят, инверсии магнитного поля за последние 4 миллиона лет происходили 22 раза. Инверсии магнитного поля можно объяснить тем, что в ходе различных процессов в ядре Земли от постоянного повышения температуры изменяется взаимное расположение слоев, изменяются их массы, изменяются их заряды, следовательно, и величины генерируемых ими полей. Это влияет на суммарное магнитное поле Земли. Например, в первоначальном состоянии слои ядра располагались в порядке увеличения плотности атомов элементов. При разогревании и образовании в кристаллических газах межатомного пространства последовательность расположения слоев стала переходить в закономерность по закону Авогадро (слои элементов перестраиваются в последовательность увеличения атомных масс, гипотеза 15). Каждая перестановка изменяла магнитное поле в ту или иную сторону. Другой причиной является то, что при повышении температуры разные слои изменяют свои заряды не одинаково. У одних слоев заряды изменяются значительней, чем у других. Также изменяются величины магнитных полей из-за перемен зарядов слоев в результате распада α — и β-активных изотопов. Все процессы этих изменений постоянно изменяют величину суммарного значения магнитного поля Земли то в одну, то в другую сторону и создают явление инверсий [Тимофеев, 2011б].

Блуждание магнитных полюсов вызвано ядерными вспышками в ядре

Гипотеза 34

Магнитные полюса Земли постоянно изменяют свое положение, перемещаются, что до настоящего времени объяснения не имело.

Магнитное поле Земли генерируется заряженными слоями. В зоне F ядра Земли происходит сепарация веществ, способных на ядерное деление, например, U²³⁵. При достижении критической массы U²³⁵ происходят цепные ядерные реакций распада, вызывающие локальные выделения тепла. Локальные температурные всплески происходят и в слое обогащенном U²³³, и в слое обогащенном Pu²³⁹. Это приводит к местному повышению температуры и конвективным процессам, деформирующим форму слоев ядра, что дает искажение магнитного поля и блуждание магнитного полюса Земли [Тимофеев, 2011б]. Дополнительные искажения могут вызываться изменениями состояния разных участков мантии, которая создает свое магнитное поле при суточном вращении разноименно заряженных слоев пород.

Строение внутреннего ядра Земли

Гипотеза 35

Законы природы таковы, что в условиях глубинных сфер Земли самым тяжелым наиболее распространенным веществом оказался уран U²³⁸, который является основным элементом внутреннего ядра. Уран здесь находится в газообразном состоянии при температуре порядка 780000°К в седьмой степени ионизации.

Во внутреннем ядре Земли, в отличие от Солнца и крупных планет, свободное межатомное пространство в веществе достаточно большое, оно занимает объем равный 0.932 от объема атомов урана. Здесь в небольшом количестве могут находиться и ионизированные осколки деления ядер. Но большая их часть при распаде ядер делящегося вещества всплывает из зоны F и распределяется по своим слоям в верхнем ядре. Здесь также находится некоторое количество изотопов за урановых элементов протактиния, нептуния, плутония, америция, менделевия и других. Эти элементы известны, поскольку искусственно синтезированы в реакторах и ускорителях. Возможно наличие в ядре Земли и других, еще неизвестных науке элементов, которые естественным путем получаются в результате множественных ядерных реакций, например, нейтронного облучения, содержатся здесь в количествах, определяемых скоростями их синтеза и периодами их полураспада.

Синтез элементов по ядерной массе, значительно превышающей уран, невозможен из-за снижения прочности более тяжелых ядер. В 1939 году советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флеров, работая под руководством И. В. Курчатова, открыли спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана на два осколка со сравнительно близкими массами. Поведение тяжелого ядра может быть описано моделью жидкой капли, находящейся под действием сил электростатического отталкивания протонов и противодействующих им сил поверхностного натяжения. Степень неустойчивости ядра относительно деления определяется отношением энергий электростатического отталкивания к энергии поверхностного натяжения, то есть отношением Z²/А, где Z — заряд ядра, А — его массовое число. При достаточно больших значениях Z²/А деление атомного ядра может происходить самопроизвольно (так называемое спонтанное деление). Период полураспада при спонтанном делении быстро уменьшается с увеличением Z²/А, например, для U²³⁸ Т_1/2=8∙10¹⁵ лет, а для Сf²⁴⁶ Т_1/2=2∙10³лет. Спонтанное деление ядер характерно для всех элементов тяжелее тория. Этот процесс лимитирует массу ядер, определяет границу периодической системы и, следовательно, облик Вселенной. Более тяжелые ядра просто распадаются на осколки в условиях планет Солнечной системы. Возможно, в условиях глубин звезд или вещества нейтронных звезд ядра с номером 300, 400 и более реально существуют и реально определяют процессы в таких космических телах, однако, при условиях Земли существование таких элементов, как это предполагает Тихонов А. И. [Тихонов, 2016], не доказано. Нахождение таких элементов в ядрах планет маловероятно.

Во внутреннем ядре Земли малая гравитация и значительные диффузионные процессы не позволяют распределиться элементам по слоям, там сравнительно гомогенная смесь атомов. Выделение энергии во внутреннем ядре Земли происходит от радиоактивного распада U²³⁸ и элементов продуктов ядерного синтеза. Процессы альфа-распада здесь приводят к образованию гелия, постоянно поднимающегося из внутреннего ядра в наружное, в мантию, кору и далее в верхние слои атмосферы Земли.

Причины отсутствия на Земле развитой жизни в течение 4 миллиардов лет

Гипотеза 36

В архейской и протерозойской эрах в течение 4 миллиардов лет жизни на Земле не было, не считая простейших цианофитов и прокариотов. Более развитые организмы появились только в кембрийский период 540 миллионов лет назад. Причина, по которой столь долгое время на Земле не развивалась жизнь, до последнего времени была неизвестна. В этой работе выдвинута следующая гипотеза.

Как представлено в гипотезе №1 четыре с половиной миллиарда лет назад произошел взрыв нейтронной звезды вокруг которой вращалась Земля. Нейтронная звезда в результате взрыва исчезла, разлетелась на атомы, образовала туманность, которая со временем собралась в Солнечную систему [Шмидт, 1960]. При взрыве все планеты, находящиеся на орбитах вокруг нейтронной звезды разлелелись и в течении четырёх миллиардов лет блуждали в тёмном холодном космическом пространстве пока не собрались на новых орбитах вокруг обновлённого Солнца, которое в нынешнем виде загорелось только пятьсот сорок миллионов лет назад. До загорания Солнца некоторое количество тепла от ядерных реакций согревало земные породы, что позволяло существовать простейшим организмам. Загоревшееся Солнце отогрело Землю до состояния, когда создались условия образования жизни.

Другой причиной, по которой развитая жизнь на Земле образовалась только пятьсот сорок миллионов лет назад явилось то, что первые 4 миллиарда лет жизнь не развивалась из-за высокого уровня радиации на поверхности Земли от поднимавшихся сюда радиоактивных осколков деления урана в ядре, разрушавшей сложные организмы. Сложные организмы значительно более чувствительны к радиации, чем простейшие. Например, по данным исследований доза половинной выживаемости для бактериофагов (Dsent) равна 580000 рентген, водорослей 5000—10000 рентген, моллюсков 1200 рентген, собак 450 рентген. В архее ядро Земли было небольшое и состояло из самых тяжелых элементов, поэтому радиоактивные осколки деления урана и плутония стронций Sr⁹⁰, цезий Cz¹³⁷, церий Се¹⁴⁴ и др. беспрепятственно поднимались на поверхность, поскольку имели сравнительно небольшую плотность атомов. В палеозое ядро увеличилось до состояния, когда весь диапазон радиоактивных осколков деления урана и плутония от цинка до гадолиния (стронций Sr⁹⁰, цезий Cz¹³⁷, церий Се¹⁴⁴…) образовали свои слои в ядре Земли. Все радиоактивные осколки (рис. 11) оказались заперты в ядре. Поднятие радиоактивных осколков деления в мантию и кору Земли полностью прекратилось. Уровень радиации на поверхности снизился, и на Земле кроме простейших организмов начала развиваться жизнь более сложных существ.

Прогноз дальнейшего изменения состояния Земли

Гипотеза 37

Постоянное выделение тепла ядерными реакциями является основной причиной изменения состояния планет. Планеты увеличиваются в диаметре, одновременно уменьшается плотность их веществ. Такое изменение Земли показано на рис. 26

Рис. 26. Увеличение размера Земли и уменьшение толщины ее мантии со временем: 1 — настоящее состояние; 2 — состояние через один миллиард лет; 3 — состояние через 2 миллиарда лет

Верхние сферы Земли (рис. 26): А — кора Земли; В — зона синтеза накопления и трансформации силановой нефти; С — зона образования низкомолекулярных подвижных соединений; D — зона разложения пород.

Элементы подвижной фазы — H, N, C, O, S — поднимаются на поверхность, а наиболее тяжелые элементы образуют новые слои ядра. После завершения формирования слоя цинка на поверхности ядра станет образовываться слой эрбия, а после завершения его формирования начнется образование слоя железа.

Со временем, из-за разогрева, через миллиарды лет, вся мантия расплавится и испарится, размеры Земли значительно увеличатся, поверхность раскалится, океаны испарятся, карбонаты, сульфиды и сульфаты разложатся с образованием серного ангидрида, паров серы и углекислого газа, которые заполнят атмосферу. Толщина земной коры в горных областях начнёт уменьшаться и горы начнут опускаться, приближаясь по высоте к уровню равнин. Земля перейдёт в состояние Венеры. Затем от раскалённого ядра Земли распадётся и превратиться в газ вся кора Земли, в результате всё вещество Земли перейдёт в газообразное состояние со слоистой структурой ядра. Земля повторяет трансформацию Юпитера, только из-за меньшей гравитации процесс преобразования идет медленнее [Тимофеев, 2009а].

Учитывая, что в соответствии с космогонией Земля имеет состав веществ близкий к составу Солнца, энергии в веществе Земли для превращения ее в раскаленный газовый шар достаточно. Главной причиной препятствующей такому сценарию трансформации Земли и других малых космических тел является сравнительно небольшая их масса, при которой большая часть урана не распадается по механизму цепных реакций с выделением максимального количества энергии, а распадается до свинца. Выделение энергии такого процесса меньше.