26 Сен

К ВОПРОСУ О ПРОИСХОЖДЕНИИ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ-ЛУНА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:
  1. Введение

В настоящее время считается, что Луна, как естественный спутник Земли, возникла около 4,2 млрд. лет назад в результате катастрофического столкновения с Землей небесного тела размером с Марс. Если эта гипотеза верна, то изотопный состав лунных пород должен быть идентичен составу земных пород как по содержанию, так и по распространенности. Однако, как показал анализ образцов лунного грунта, доставленных американскими астронавтами с поверхности Луны, это не так. Оказалось, например, что количество разновидностей изотопов хлора на Луне многократно выше, чем в таких же породах на Земле [1]. Тем не менее, это еще не означает, что Луна и Земля – не родственные объекты.

Одно из объяснений этому феномену состоит в том, что на Луне нет свободной воды, с которой хлор активно реагирует, образуя газ – хлорид водорода. Именно поэтому на нашей планете встречается так мало изотопов хлора. Из расчетов, проведенных в [1], следует, что содержание водорода в лунных породах примерно в 104–105 раз ниже, чем на Земле, что подтверждает тезис об отсутствии воды на Луне. Что же касается ничтожных следов воды, которые были обнаружены в образцах лунного грунта спустя несколько десятилетий после доставки их на Землю, то их наличие объясняется банальным загрязнением уже в условиях хранения. Вместе с тем, недавние исследования лунного грунта, проведенные с использованием современных аналитических приборов и инструментов, установленных на ряде орбитальных космических аппаратов лунных миссий, однозначно показали наличие воды (или водяного льда) на поверхности Луны, что позволяет предположить, что вода Земли и Луны, вероятно, имеют общее происхождение [2, 3].

Другое возможное объяснение высокому содержанию изотопов хлора в лунных породах может быть связано с превращением изотопов отдельных химических элементов в изотопы хлора в результате длительного воздействия на лунную поверхность космических лучей (в основном, протонов и α-частиц), а также жесткого γ-излучения, инициирующего некоторые ядерные реакции (ядерный фотоэффект). При этом содержание и состав изотопов (причем не только хлора, но и других химических элементов) в глубинных породах Луны, может оказаться совершенно другим [4].

Кроме того, надо учитывать, что изотопный состав лунных пород с течением времени мог заметно измениться вследствие протекания естественных процессов радиоактивных превращений, в зависимости от начального состава и содержания изотопов различных элементов на момент образования Луны, как самостоятельного небесного тела [5, 6].

Наконец отметим, что немаловажную роль в наблюдаемом отличии состава и относительной распространенности как стабильных, так и радиоактивных изотопов, содержащихся в лунном грунте, играют кометы и метеориты, доставляющие на протяжении многих сотен миллионов лет на поверхность Луны вещество из космоса, химический и изотопный состав которого может существенно отличаться от земного.

  1. Предлагаемый подход

Из сказанного выше следует, что для однозначного ответа на вопрос о происхождении Луны, даваемого только на основании анализа изотопного состава лунных и земных пород, необходимо сравнивать не содержание и распространенность изотопов различных химических элементов вообще, а только тех их стабильных изотопов, которые имеют наибольшую относительную распространенность на Луне и на Земле [7].

В таблице 1 приведен составленный по данным на сегодняшний день перечень всех наиболее распространенных стабильных изотопов химических элементов, встречающихся на Земле.

                                                                                                Таблица 1.

Стабильные изотопы химических элементов, имеющие наибольшую относительную распространенность на Земле

Период Порядковый номер,

Z

Символ элемента Массовое число,

А

Относительная распространенность, % Удельная энергия связи ядра Есв /А, МэВ
1 1 H 1 99,9850
1 2 He 4 99,9999 7,075
2 4 Be 9 100 6,467
2 6 С 12 98,893 7,683
2 7 N 14 99,6337 7,479
2 8 O 16 99,759 7,975
2 9 F 19 100 7,779
3 11 Na 23 100 8,113
3 13 Al 27 100 8,333
3 15 P 31 100 8,481
3 18 Ar 40 99,600 8,595
4 21 Sc 45 100 8,618
4 23 V 51 99,76 8,741
4 25 Mn 55 100 8,764
4 27 Co 59 100 8,768
4 33 As 75 100 8,701
5 39 Y 89 100 8,714
5 41 Nb 93 100 8,662
5 43 (Tc) 97 100 8,625
5 45 Rh 103 100 8,588
5 53 I 127 100 8,446
6 55 Cs 133 100 8,412
6 57 La 139 99,911 8,380
6 59 Pr 141 100 8,355
6 65 Tb 159 100 8,191
6 67 Ho 165 100 8,147
6 69 Tm 169 100 8,114
6 71 Lu 175 97,41 8,069
6 73 Ta 181 99,9877 7,992
6 79 Au 197 100 7,916
6 83 Bi 209 100 7,845
7 90 Th 232 100 7,614
7 92 (U) 238 99,28 7,570

В таблицу 1 включены все стабильные изотопы, имеющие на Земле относительную распространенность близкую или равную 100%, а также изотопы 97Tc (Z = 43) и 238U (Z = 92) (указаны в круглых скобках), которые условно можно считать стабильными – период их полураспада Т1/2 , равный соответственно 2,6·1010 и 4,5·109 лет – сопоставим с возрастом Млечного Пути.

  1. Обсуждение результатов

Как видно из таблицы 1, наименьшее число (2) стабильных изотопов, имеющих на Земле практически 100% распространенность, приходится на 1-й и 7-й периоды таблицы химических элементов Менделеева, а наибольшее (10) – на 6-й период. Этот результат, очевидно, можно рассматривать как одно из проявлений хорошо известного в ядерной физике [8, с. 633] эмпирического закона  зависимости удельной энергии связи атомного ядра Есв /А от массового числа А (см. таблицу 1).

Возвращаясь к проблеме количественного различия разновидностей изотопов хлора на Луне и на Земле, заметим, что среди стабильных изотопов хлора, вообще нет таких, которые имеют на Земле 100% относительную распространенность (стабильные изотопы 35Cl и 37Cl имеют соответственно распространенность 75,5 и 24,5%). Отсюда следует, что в рамках принятого нами подхода существующая методика сопоставления содержания различных изотопов хлора в лунных и земных породах с целью установления идентичности природы их общего происхождения в системе Земля-Луна не является вполне адекватной. В то же время стабильный изотоп водорода 1H, имеющий на Земле почти 100% распространенность, в том же соотношении недавно обнаружен на Луне, что косвенно подтверждает предположение [2, 3] о том, что вода Земли и Луны имеют общее происхождение.

Если изобразить зависимость 100% распространенности стабильных изотопов от порядкового номера Z химического элемента, то мы получим некоторую картину, имеющую вид спектра (назовем его условно «спектром-кодом»). Особенно эффектно он выглядит, если спектральные линии в каждом из семи периодов таблицы Менделеева сделать цветными по числу семи цветов радуги. Для Земли такой спектр имеет вид, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Спектр-код 100% распространенности стабильных изотопов для Земли.

Сопоставляя подобные спектры для различных тел Солнечной системы, можно однозначно судить о сходствах и отличиях в их происхождении.

  1. Заключение

На основании изложенного можно заключить, что если система Земля-Луна возникла из одного прародительского тела, то спектр-коды 100% распространенности стабильных изотопов для Земли и Луны должны иметь одинаковый вид. Для более точной идентификации этих спектров пробы лунных пород должны быть взяты из ее внутренних слоев. К сожалению, пока мы не располагаем такими образцами.

Данная работа поддержана Программой развития НИТУ «МИСиС» (грант  11-02- 00604-а).

Список литературы:

  1. Sharp Z.D., Shearer C.K., McKeegan K.D., et al. The chlorine isotope composition of the Moon and implications for an anhydrous mantle // Science. 2010. Vol. 329. No. 5995. Р. 1050 – 1053.
  2. Anand M.,Tartèse R.,Barnes Jessica J.Understanding the origin and evolution of water in the Moon through lunar sample studies // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. Vol. 372. Issue 2024: 20130254.
  3. Anand Mahesh. Analyzing Moon rocks // Science. 2014. Vol. 344. No. 6182. Р. 365 – 366.
  4. Boyce J.W., Tomlinson S.M., McCubbin F.M., et al. The Lunar apatite paradox // Science. 2014. Vol. 344. No. 6182. Р. 400 – 402.
  5. Dauphas N., Burkhardt C.,Warren Paul H., et al. Geochemical arguments for an Earth-like Moon-forming impactor // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. Vol. 372. Issue 2024: 20130244.
  6. Day James M. D.,Moynier Frederic.Evaporative fractionation of volatile stable isotopes and their bearing on the origin of the Moon // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. Vol. 372. Issue: 2024: 20130259.
  7. Naimi E. K. To the origin problem of the Moon // In: Abstracts of the 225th Meeting of the AAS. Seattle. USA. January 4–8, 2015. Р. 553 – 554.
  8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980. – 728 с.
    К ВОПРОСУ О ПРОИСХОЖДЕНИИ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ-ЛУНА
    Цель работы – привлечь внимание астрономов к проблеме происхождения системы Земля-Луна на основе новой концепции сравнения содержания изотопов различных химических элементов в составе лунных и земных пород. Предлагается для каждого небесного тела Солнечной системы ввести особую характеристику (спектр-код) наиболее распространенных стабильных изотопов, и путем сравнения этих спектров для различных планет судить о сходствах и отличиях в условиях их происхождения. Приводится спектр-код наиболее распространенных стабильных изотопов для всех химических элементов, встречающихся на Земле. Делается анализ распределения таких изотопов, внутри каждого периода таблицы химических элементов Менделеева. Показано, в частности, что среди стабильных изотопов хлора, нет таких, которые имеют на Земле 100% относительную распространенность. На основании этого делается вывод о том, что существующая методика сопоставления содержания различных изотопов хлора в лунных и земных породах с целью установления идентичности природы их происхождения в системе Земля-Луна не является вполне адекватной.
    Written by: Наими Евгений Кадырович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 02/01/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)
    Available in: Ebook