Космические и планетарные предпосылки эволюции жизни и биосферы

Благодаря усиленному изучению околосолнечного пространства космическими аппаратами и детальному исследованию метеоритов, были получены ценные данные о составе отдельных тел Солнечной системы.

Эти данные определенно указывают на то, что химический состав Земли и планет сформировался как следствие космической эволюции вещества, которая была связана с физико-химическими процессами в широком смысле слова.

В атомных количественных соотношениях разных тел Солнечной системы, в структуре и минералогии метеоритов можно отметить исторические свидетельства, позволяющие восстановить допланетную стадию развития вещества, которая сыграла решающую роль в образовании Земли и ее биосферы.

За крайне редким исключением, изученные метеориты по данным ядерной геохронологии показали возраст 4,5—4,6 млрд лет, и поэтому они могут быть отнесены к древнейшим космическим породам нашей Солнечной системы со всеми вытекающими последствиями возможности расшифровки ее истории в целом.

По составу метеориты представляют собой твердые тела, состоящие из ряда минеральных фаз. Главными фазами метеоритов являются: силикатная (каменная) и металлическая (железо-никелевая). Встречается также сульфидная (троилитовая) фаза и другие, но по распространению они имеют второстепенное значение. Химический состав главных фаз метеоритов представлен в таблице 3.1.

По данным этой таблицы следует, что метеориты в основном сложены из немногих химических элементов. О, Si, Mg, Fe, Са, Ni, S — главные элементы метеоритов. На первое место выступают О, Si, Mg, Fe, которые слагают свыше 90% массы любого метеорита.

В метеоритах обнаружено около 100 минералов. Однако главными и наиболее распространенными являются немногие из них (оливин, пироксены, никелистое железо, троилит и др.).

Однако в метеоритах встречено 20 минералов, совершенно неизвестные в земных условиях минералообразования (Когенит, Ольдгамит, Осборнит, Витлокит и др.). Они могли образоваться в восстановительных условиях в среде лишенной кислорода. Все метеориты в зависимости от состава подразделяются на каменные, железо-каменные и железные.

Частота выпадения метеоритов разных классов далеко не одинакова. Чаще всего на Землю выпадают каменные метеориты, среди которых резко преобладают хондриты, составляющие около 85% случаев всех известных метеоритов.

Падение крупных метеоритов на Землю иногда приводит к взрыву непосредственно в слоях почвы, что приводит к образованию воронок — метеоритных кратеров или астроблем.

В течение веков метеоритная бомбардировка покрыла поверхность планет, лишенных атмосфер, многочисленными воронками разного размера, что особенно ярко видно на поверхности Луны.

Структурные особенности и минеральный состав большинства ахондритов указывают, что они первоначально кристаллизовались из жидкого силикатного расплава, подобного земным магмам.

По своему составу они различаются на метеориты бедные кальцием и богатые кальцием. Первые близки ультраосновным земным породам, а вторые к основным — габбро — базальтам. Среди последних выделяют базальтические ахондриты, близкие к полевошпатовым — базальтам.

Красноярский метеорит, найденный в 1749 г. кузнецом Медведевым и доставленный в Петербург академиком П.С. Палласом, был детально изучен Э. Хладни, который обосновал его космическое происхождение. Этот метеорит впоследствии получил название «палласово железо», а близкие по природе к нему метеориты названы палласитами.

Палласиты представляют собой железо-никелевую массу, в которую вкраплены в виде включений силикатные минералы. Они представлены главным образом оливином — форстеритом в виде угловатых и округленных зерен.

Железные метеориты — состоят целиком из никелистого железа, которое проявляется в виде двух фаз — камасита и тэнита. Кроме железа, никеля и кобальта в составе железных метеоритов в небольших количествах входят Р, Си, S, С в виде включений минералов — шрейберзита, троилита, когенита и графита. Иногда железные метеориты содержат включения оливина и энстатита.

Исследование физико-химических равновесий железоникелевых сплавов при металлургических процессах показало, что наблюдаемые структуры и состав железных метеоритов могли возникать при медленном охлаждении металлических сплавов со скоростью от 100 до 10 С за 1 млн лет.

Это указывает, что образование многих железных метеоритов могло происходить в недрах космического тела планетарно-астероидального размера. По предварительным расчетам радиусы этих тел были в пределах 70—200 км, что совпадает с размерами многих астероидов.

В настоящее время утвердилось общее мнение, что метеориты представляют собой обломки твердых тел астероидального размера, но разного типа.

Ахондриты, железокаменные и железные метеориты представляют собой части космического тела или тел, испытавших химическое расслоение на различные неоднородные оболочки. Эти различия меторитов в химическом отношении можно рассматривать как продукты распада астероида, который прошел в свое время стадию химической дифференциации.

Внешняя оболочка его оказалась сложенной из силикатного материала — близкого к ахондритам.

Более глубокая внутренняя оболочка сформировалась из материала, близкого к безполешпатовым ахондритам, частично мезосидеритам. Металлическое ядро такого тела оказалось сложенным палласитами и железными метеоритами.

Следует отметить, что за последнее время обнаружены единичные каменные образцы, близкие к лунным породам. Таким образом, Луна может быть поставщиком некоторых метеоритов, вылетевших с ее поверхности от мощного взрыва, вызванного падением на Луну другого метеорита.

В 1929 г. американский астрофизик Г. Н. Рассел на основании количественного анализа солнечного спектра обнаружил, что по соотношению металлов солнечная атмосфера очень близка к хондритовым метеоритам.

Современные аналитические данные подтверждают это сходство. Хондриты лучше всего отражают состав нелетучей части солнечного вещества. Учитывая эти данные, мы можем рассматривать родоначальные тела хондритовых метеоритов как продукты непосредственной прямой конденсации солнечного вещества, потерявшего лишь легкие газы.

В процессе этой конденсации происходили различные по интенсивности реакции окисления вещества, что отразилось на составе хондритов.

Прямые данные получены лишь для немногих планет — при лабораторном анализе каменного материала Луны и при измерении автоматическими анализаторами, доставленными на поверхность планет межпланетными космическими станциями (АМС).

К косвенным данным относятся — величины отражательной способности поверхности планет, а также величины их средних плотностей, полученных наблюдениями и вычисленные по законам небесной механики.

Основные свойства планет по сравнению с Землей представлены в таблице 3.2.

К внешним далекие — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Внутренние планеты сложены в основном твердым материалом, на что указывает их высокая плотность. У внешних планет плотность низкая, что свидетельствует об их газовом составе. В целом они имеют крупные размеры, за исключением маленького Плутона, соизмеримого с Луной.

При оценке состава внутренних планет большое значение имеют величины их средних плотностей, вычисленные для нулевого давления в центре. Различие состава по всей вероятности определяется разным соотношением силикатного (плотность 3,3 г/см3) и металлического материала (плотность 7,2 г/см3).

Таким образом, представляется, что основной причиной различия плотностей внутренних планет является разное соотношение каменно-силикатного и железо-никелевого материала.

На основе соотношения силикатного и металлического вещества, состав которого известен по данным о метеоритах (любой метеорит можно рассматривать как сочетание силикатной и металлической фаз), можно рассчитать химический состав внутренних планет более детально. Результаты этого расчета показаны на таблице 3.3.

Таким образом, можно отметить пространственную закономерность состава внутренних планет — пропорция металлического железа ближайших к Солнцу планет выше, чем отдаленных. Это хорошо видно при сравнении ближайшего к солнцу Меркурия и более удаленного от него Марса.

В данном случае выступает важная космохимическая закономерность — состав внутренних планет зависит от их расстояния До Солнца. Несколько в стороне от этой закономерности находится спутник Земли — Луна, которая представляет собой сферическое тело, полностью сложенное силикатным материалом.

Земля имеет азотно-кислородную атмосферу и гидросферу, покрывающую поверхности планеты.

Марс при скудном наличии воды, преимущественно в замороженном состоянии, имеет тонкую углекислую атмосферу. Меркурий и Луна лишены атмосферы и воды.

Внешние планеты имеют малую среднюю плотность, что определяется в основном их газовым составом. Наиболее распространенные химические элементы этих планет — водород и гелий. По существующим оценкам Юпитер содержит 80% водорода, а Сатурн около 60%.

Кроме того, в Юпитере и Сатурне, в их атмосферах, присутствует аммиак NH3. Однако на Уране и Нептуне аммиак замороженный, поскольку температуры очень низкие. В общем, крупные внешние планеты по своему атомному элементарному составу близки к составу Солнца.

Они сложены преимущественно из легких веществ — Н2, Не, СН4, Н2О, NH3. Сохранность их связана с большими массами, которые своим притяжением не позволили улетучиться легким газам в космическое пространство.

Самый далекий маленький Плутон имеет радиус 1800 км, т.е. сопоставим с Луной. Температура на его поверхности 500 К, что приводит к вымораживанию всех газов за исключением водорода и гелия, которые потеряны планетой. По данным отражательной способности, поверхность Плутона покрыта твердым метаном — метановым льдом.

Четыре гигантские внешние планеты окружены спутниками, которые по своим размерам резко различны и в целом составляют ничтожную долю массы центральной планеты. Такие спутники, как Каллисто и Ганимед у Юпитера, Титан у Сатурна, превышают размеры Меркурия и соизмеримы по массе с Марсом.

Наиболее крупные спутники состоят из центрального ядра и покрыты ледяными оболочками — водяного льда. Из четырех крупных (галилеевых) спутников Юпитера, ближайший к нему Ио обнаружил бурную вулканическую деятельность, продуктами которой являются — сера и сернистые газы.

Температурные условия этого спутника позволяют метану находиться в трех агрегатных состояниях. Газ метан находится в атмосфере, жидкий метан образует озера, а твердый приводит к образованию неустойчивых покровов.

Большинство их имеет неправильную форму в виде каменных глыб различных очертаний. И только наиболее крупные из них — Церера, Паллада, Веста — имеют сферическую форму, их диаметры соответственно 1000, 608 и 538 км.

За последнее время в результате оптических измерений в области видимой части спектра и инфракрасных волн получены данные, подтверждающие генетическую связь между метеоритами и астероидами.

По спектральной отражательной способности группа С близка к углистым хондритам, а S-группа — к железо-каменным метеоритам и обычным хондритам. В разных частях астероидного пояса состав астероидов оказался разным. Выступает отчетливая закономерность — состав астероидов зависит от гелиоцентрического расстояния.

Эту зону немецкий астрофизик А. Унзольд назвал «каменоломней солнечной системы», обломки которой временами попадают на Землю в виде метеоритов разного типа. По современным данным в астероидном поясе преобладают углисто-хондритовые тела, обломки которых, однако, попадают на Землю редко.

На основании известных космохимических данных можно сделать эмпирические обобщения — выводы, имеющие прямое отношение к пониманию происхождения планет, Земли и, в конечном счете, биосферы.

Меркурий содержит только два первых компонента, крупные спутники гигантских планет содержат преимущественно второй и третий. Они покрыты ледяными оболочками (Н2O), а далекий Плутон покрыт замороженным метаном. Все это свидетельствует, что главным мотивом дифференциации было возрастание летучих компонентов в космических телах (включая кометы) по мере возрастания гелиоцентрического расстояния.

Образование Солнечной системы. Само формирование Солнечной системы, Земли, а впоследствии и биосферы произошло тогда, когда последний акт нуклеосинтеза завершился и данная природная система начала снижать температуру.

В дальнейшем же по мере снижения температур, новорожденные атомные ядра оделись электронными оболочками, что создало возможность для протекания химических процессов и химической эволюции. Состав отдельных членов Солнечной системы в значительной мере оказался обусловленным этими процессами. Атомы химических элементов приобрели разные свойства, определяемые их положением в таблице Менделеева.

Если подойти к оценке вещества Солнечной системы с точки зрения термических свойств элементов, то их можно разделить на две группы: летучую и нелетучую.

К первой группе относятся Н, Не, СО, СО2, О2, N2 и все инертные газы, ко второй большая часть элементов таблицы, среди которых главные строители планет земной группы и метеоритов: Mg, Аl, Si, Са, Fe и др. К слабо летучим можно отнести щелочные металлы: Li, Na, К, Rb, Cs.

С учетом летучести элементов в космических условиях, можно предложить их космохимическую классификацию, которая может быть полезной для истолкования ранней истории (рис. 3.5). Согласно приведенной классификации, элементы подразделяются на пять групп: атмофильные, летучие литофильные, тугоплавкие литофильные, халькофильные и сидерофильные.

Атмофильные элементы — создают атмосферы Земли и планет, откуда получили свое название. К ним относятся все инертные газы, свойства которых определяются 8-электронной оболочкой атомов. Это позволяет им находиться в свободном, химически не связанном состоянии. К атмофильным могут быть отнесены водород и азот.

К ним относятся, с одной стороны, щелочные металлы Li, Na, К, Rb, Cs, с другой — более летучие ионы галогенов F -, Cl -, Br -, J-. Они легко мигрируют в природных системах и при повышенных температурах переходят в газовое состояние ранее других элементов, за исключением типичных атмофильных и некоторых халькофильных.

Тугоплавкие литофильные элементы сосредоточены в метеоритах и в мантиях Земли и планет. По существу, большинство элементов таблицы (рис. 3.5) относится к тугоплавким литофильным или оксифильным, дающим прочные связи с кислородом. Они образуют устойчивые соединения с кислородом в виде окислов, гидроокислов и солей кислородсодержащих кислот.

В метеоритах находятся в составе сульфидной (троилитовой) фазы. Большинство халькофильных металлов относится к сравнительно летучим. В этом отношении наиболее типичным является ртуть, которая имеет низкую температуру плавления и кипения.

Тугоплавкие сидерофильные элементы — представлены тяжелыми металлами и имеют склонность накапливаться совместно с железом в его сплавах (сидерос — по-гречески железо). Атомы их образуют ионы 9—17-электронные конфигурации.

В метеоритах концентрируются в металлической железо-никелевой фазе. По-видимому, слагают внутренние ядра планет земного типа.

Между перечисленными группами элементов иногда отсутствуют резкие границы в отношении свойств. Можно отметить элементы, сочетающие разные свойства. Углерод является твердым тугоплавким элементом, входит в состав металлической фазы и может быть отнесен к элементам сидерофильным.

Типичный сидерофильный металл — железо в присутствии серы ведет себя как элемент халькофильный, а в среде, богатой углеродом, ведет себя как литофильный (оксифильный) элемент, образуя окислы. Таким образом, поведение элемента в природе определяется не только свойством его атома, но и внешними физико-химическими условиями.
Можно себе представить, что формирование состава планет происходило как бы в два этапа.

Первый этап знаменовался охлаждением газового диска и конденсацией части его вещества в твердые частицы. Таким способом возникла газо-пылевая туманность (рис. 3.6), которая была неустойчивой и ввиду разной скорости остывания в зависимости от расстояния до Солнца, приобрела химическую неоднородность, дополнительно возрастающую под влиянием давления солнечных лучей, отбросившего легкие вещества в краевые части туманности.

Второй этап проявился в сгущении — аккумуляции конденсированных частиц в отдельные образования — первичные планеты. По всей вероятности, оба этих этапа не были резко отделены друг от друга во времени. Более вероятно, что аккумуляция в отдельных зонах протопланетного диска началась тогда, когда конденсация еще не завершилась.

Химическая эволюция протопланетного вещества проходила в зависимости от гелиоцентрического расстояния.

Вблизи Солнца формировались планеты преимущественно из высокотемпературных конденсатов, а вдали возрастала пропорция более окисленной низкотемпературной фракции.

Непосредственно образование Земли было связано с аккумуляцией — аккрецией относительно высокотемпературных конденсатов.

Сейчас данные космохимии и другие физические данные указывают на вероятность второго пути образования планет.

Если первоначальная аккумуляция начиналась при высоких температурах, то капли никелистого железа при соприкосновении легко слипались в крупные массы, образуя зародыши планет. Если аккумуляция начиналась при низких температурах, то металлические частицы также легко слипались ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности.

Кроме того, вполне вероятно, что действовал магнитный фактор объединения. Первичное Солнце имело магнитное поле, способное намагничивать ферромагнитные материалы. К их числу относятся металлическое железо, кобальт, никель, отчасти сернистое железо.

Магнитные силы притяжения для мелких частиц намного превосходят все другие силы притяжения, зависимые от масс.

Учитывая вышеизложенное, можно допустить, что рост первичной Земли начался с объединения металлических частиц. Но, достигнув значительной массы, первичное металлическое ядро-зародыш продолжало гравитационный захват более поздних конденсатов из окружающей среды и первичная мантия возникла как мощная оболочка из смеси металлических, силикатных и троилитовых частиц.

Но остается не ясным, протекала ли аккумуляция с перерывом или без перерыва. Первый вариант, по-видимому, более вероятный, поскольку различие температур конденсации главных материалов было не особенно резким.

В связи с адиабатическим сжатием, первичным нагревом от падающих частиц, радиогенным нагревом от распада ныне сохранившихся и быстро вымирающих радиоактивных изотопов произошло быстрое повышение температур и местами материал планеты начал плавиться. При этом первыми плавились наиболее легкоплавкие железо-сернистые массы.

С другой стороны, в верхних горизонтах первичной мантии выплавлялись обогащенные летучими легкоплавкие силикатные фракции, что привело к образованию базальтовой магмы. Выплавление ее и поступление на поверхность первичной мантии с последующим остыванием привело к образованию базальтовой коры океанического типа.

Если первый центростремительный процесс дифференциации приводил к извлечению из первичной мантии преимущественно сидерофильных и халькофильных химических элементов и накоплению их в ядре планеты, то второй центробежный процесс миграции охватил преимущественно летучие литофильные и атмофильные элементы.

Основные тенденции миграции химических элементов в земном шаре с соответствующим образованием оболочек показаны на рисунке 3.7.

Таким образом, зональное — оболочечное строение Земли, и других планет, явилось результатом как первичных условий формирования, так и последующих процессов химической дифференциации.

Самые верхние оболочки Земли — атмосфера, гидросфера, литосфера явились образованиями вторичными — продуктами собственно геологической истории планеты. Они создали материальную основу на заре развития Земли для возникновения и развития жизни, для рождения биосферы в целом.