Природа космических тел Солнечной системы - Тимофеев Дмитрий Николаевич

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.