Зачем землянам космохимия?

Космохимия исследует преимущественно холодные процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как горячими ядерными процессами в космосе — плазменным состоянием вещества, процессом образования химических элементов внутри звёзд, занимается физика.

Космохимия — новая область знания, получившая значительное развитие благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём спектрального анализа излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев атмосфер планет. Этот метод позволил открыть элемент гелий на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле. Единственным прямым методом изучения космических тел был анализ химического и фазового состава различных метеоритов, выпадавших на Землю.

Развитие космонавтики, полёты автоматических станций к планетам Солнечной системы — Луне, Венере, Марсу — посещение человеком Луны открыли перед космохимией новые возможности. Прежде всего — это непосредственное исследование пород Луны при участии космонавтов или путём забора образцов грунта автоматическими аппаратами и доставка их на Землю. Кроме того, автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности других планет Солнечной системы, прежде всего Марса и Венеры. Наибольшее внимание уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов.

Химический состав Солнца, планет земного типа Солнечной системы и метеоритов, по-видимому, практически тождествен. Образование ядер химических элементов связано с различными ядерными процессами в звёздах. Поэтому на разных этапах своей эволюции различные звёзды и звёздные системы имеют неодинаковый химический состав. Известны звёзды с особенно сильными спектральными линиями Ва, Mg, Li и др. Распределение химических элементов по фазам в космических процессах исключительно разнообразно.

На агрегатное и фазовое состояние вещества в космосе на разных стадиях его превращений оказывают разностороннее влияние:

1) огромный диапазон температур, от звёздных до абсолютного нуля;
2) огромный диапазон давлений, от миллионов атмосфер в условиях планет и звёзд до космического вакуума;
3) глубоко проникающие галактическое и солнечное излучения различного состава и интенсивности;
4) излучения, сопровождающие превращения нестабильных атомов в стабильные.

При этом процессы фракционирования вещества в космосе касаются не только атомного, но и изотопного состава. Определение изотопных равновесий, возникших под влиянием излучений, позволяет глубоко проникать в историю процессов образования вещества планет, астероидов, метеоритов и устанавливать возраст этих процессов. Благодаря экстремальным условиям в космическом пространстве протекают процессы и встречаются состояния вещества, не свойственные Земле: плазменное состояние вещества звёзд (например, Солнца); конденсация Не, CH₄, NH₃ и других легколетучих газов в атмосфере больших планет при очень низких температурах; образование нержавеющего железа в космическом вакууме при взрывах на Луне; хондритовая структура вещества каменных метеоритов; образование сложных органических веществ в метеоритах и, вероятно, на поверхности планет (например, Марса).

Исключительное значение для познания химии космоса имеет изучение сложного многостадийного процесса конденсации вещества низкотемпературной плазмы. Это переход солнечного вещества в твёрдое вещество планет Солнечной системы, астероидов, метеоритов, сопровождающееся конденсационным ростом, аккрецией (увеличением массы, «нарастанием» любого вещества путём добавления частиц извне, например, из газопылевого облака) и агломерацией первичных агрегатов (фаз) при одновременной потере летучих веществ в вакууме.

Далее в планетах происходит процесс дифференциации твёрдого, остывающего вещества на оболочки — металлическое ядро, силикатные фазы (мантию и кору) и атмосферу — уже в результате вторичного разогревания вещества планет теплотой радиогенного происхождения, выделяющейся при распаде радиоактивных изотопов калия, урана и тория и, возможно, других элементов. Такой процесс выплавления и дегазации вещества при вулканизме характерен для Луны, Земли, Марса, Венеры.

Сохранность и характер внешних оболочек планет, прежде всего, зависят от массы планет и расстояния их до Солнца (пример — маломощная атмосфера Марса и мощная атмосфера Венеры). Пример Луны говорит о том, что вторичные (вулканические) газы не удерживаются небесным телом, если его масса невелика. Благодаря близости Венеры к Солнцу в её атмосфере из CO₂ возник парниковый эффект: при температуре свыше 300 ^оС в атмосфере Венеры процесс CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂ достигает равновесного состояния, при котором в ней содержится 97% CO₂ при давлении 90 атм. Может быть, это будущее Земли?

Работает Институт космических исследований (Москва). Есть журнал «Geochimica et Cosmochimica Acta». Можно почитать: Дорофеева В. А. Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты. М.: Едиториал УРСС, 2004.