1. Космічна розповсюдженість хімічних елементів та їх походження (нуклеосинтез). Походження, склад та будова Сонячної системи. Закон Ферсмана-Гольдшмідта щодо поширеності елементів у природі.

Потенційні джерела інформації про склад Всесвіту є неоднорідними. Якість інформації в них залежить від доступності матеріалу, різноманітних проблем спостереження та інтерпретації. Поль Хендерсон називає 5 можливих джерел інформації: 1) Земля і Місяць (сюди варто мабуть додати ще й Венеру та Марс); 2) метеорити; 3) Сонце і зірки; 4) газові туманності та міжзоряний простір; 5) космічне випромінювання.

Протягом певного часу після Великого вибуху, Всесвіт був більш-менш однорідним, гарячим газом. Термін "менш" характеризує нестабільність стану, оскільки неминуче (відповідно до законів гідродинаміки), неоднорідності в газі розвивалися. Ця негомогенність збільшувалась під дією гравітаційних сил та колапсу. Так були утворені протогалактики (можливо через 0.5 млрд років після великого Вибуху). Нестабільність існувала і в середині протогалактик, які руйнувалися з утворенням протозірок. У випадку коли густина згустку досягала 6000 кг/м³ а температура - від 10 до 20 мільйонів кельвінів, розпочався нуклеосинтез у внутрішній частині зірок: водневе горіння, а далі гелієве, вуглецеве тощо.

Стисло підсумовуючи зауважимо, що полігенетична гіпотеза передбачає існування чотирьох фаз нуклеосинтезу:

• космогенічний (космологічний) нуклеосинтез, який відбувся "на початку Всесвіту", під час якого сформувалися H, He, і певна кількість Li (те що гелій є головним продуктом нуклеосинтезу у внутрішніх частинах зірок головної послідовності не надто сильно змінило його кількість у Всесвіті);

• зоряний нуклеосинтез, під час якого формуються легкі елементи (до Si) і, частково (у внутрішніх частинах великих зірок на завершальних етапах їх еволюції), важкі елементи (за виключенням Li і Be);

• "вибуховий" нуклеосинтез, який забезпечує синтез решти елементів, відбувається тоді коли як великі зірки вичерпують ядерне паливо у своїх внутрішніх частинах і вибухають створюючи грандіозні природні видовища - наднові зірки (supernova);

• галактичний нуклеосинтез, який відбувається безперервно в міжзоряному просторі при взаємодії матерії і космічних променів (саме таким чином виробляються Li і Be).

Цілком вірогідно також, що більша частина газу розширюючогося Всесвіту заповнює простір між галактиками і лише незначна його частка перетворилась в галактики і зірки. Якщо густина космічного міжгалактичного газу досягне >10 протонів на м³, то сили тяжіння зупинять розширення Всесвіту і через 10-20 млрд.років може розпочатись процес стискання Всесвіту.

Дуже цікавою і часто унікальною є інформація отримана при вивченні метеоритів, і саме вона, значною мірою, використовується при: оцінці розподілів металічної, силікатної та сульфідної фаз в надрах Землі; визначенні віку землі і планет; розрахунку складу та послідовності конденсації мінералів в примітивній сонячній небулі; виборі еталонних ізотопних співвідношень тощо.

Зараз За Я.Б.Зельдовичем Всесвіт на 72% складається з H і на 25% - з He, за ними (в порядку розповсюдженості) йдуть C, O, Fe, Ar, N і Si, на які припадає майже 3%.

опубліковано досить багато таблиць в назві яких фігурує поняття “космічна поширеність елементів”, але їх застосування значно вужче (що визнає й більшість авторів), оскільки всі вони фактично базуються на даних щодо відносної поширеності елементів у Сонячній системі (із досить незначною корекцією, здійсненою на підставі інших даних, та внесенням поправок на еволюцію складу Сонця в результаті нуклеосинтезу). Найнадійнішими в цьому відношенні і найповнішими є таблиці Камерона та Зюсса-Юрі (в них зокрема враховані існуючі уявлення щодо стабільності ядер).

Аналіз цієї таблиці, а також графіків, побудованих на її основі, дозволив виявити наступні закономірності:

• найпоширенішими елементами є H та He;

• ритмічну зміну поширеності елементів з парними та непарними номерами (Z);

• систематичне зменшення поширеності із збільшенням атомного номеру, при цьому до Z=45 це зменшення приблизно відповідає експоненціальному закону;

• елементи, які розташовані в таблиці Менделєєва безпосередньо за He (Li, Be, B), мають дуже низьку відносну поширеність;

• спостерігаються чіткі піки поширеності O та Fe;

• ізотопи з масовими числами кратними 4 (тобто кратними масі ядра гелію - альфа-частки) характеризуються підвищеною поширеністю.

Таблиці поширеності елементів використовуються в якості початкової системи відліку при вивченні процесів фракціонування, а також як вихідний матеріал при моделюванні процесів (створенні гіпотез) походження елементів (будь-яка теорія нуклеосинтезу повинна пояснювати поширеність елементів та природу її залежності від атомної маси). Наше розуміння походження елементів базується на 3 наборах спостережень (уявлень): (1) поширеність ізотопів і елементів в космосі, (2) ядерно-фізичні експерименти по встановленню ймовірності реалізації різних типів ядерних реакцій за даних умов, і (3) дані про можливі місця здійснення нуклеосинтезу та у мови які там панують.

Вирішення проблеми походження хімічних елементів належить до числа "вселенських", оскільки воно тісно пов'язано з визначенням моделі походження Всесвіту. Історично всі гіпотези щодо походження елементів грунтувалися на 2 основних концепціях:

1. елементи народжуються в надрах зірок (К.Ф.Вейцзеккер, Х.А.Бете, В.Фаулер, Ф.Хойл та інші);

2. елементи утворюються в дозірковий етап розвитку речовини Всесвіту (А.А.Фрідман, Г.А.Гамов, І.А.Новіков та інші).

Закон Ферсмана-Гольдшмідта): геохімія елементу в земній корі визначається як його хімічними властивостями, так і величиною кларку.

2. Будова та геохімія планет земної групи у порівнянні з існуючими даними щодо планет-гігантів, зовнішніх планет та малих тіл Сонячної системи. Земля, її походження, будова та загальний склад.

Сонце - одна із зірок нашої галактики (Чумацького Шляху), загальна маса якої складає близько 10⁴¹ кг, діаметр - близько 30 кілопарсеків (понад 100000 світлових років), товщина - 4 кілопарсеки (понад 12000 світлових років). При цьому 95-98% маси галактики припадає на зірки (понад 100 млрд. зірок, в середньому на 1 зірку припадає обсяг простору в 8 кубічних парсеків), до 4-5 % - на міжзірковий газ (густина якого складає 10^-22 - 10^-21 кг/м³), перші частки відсотків - на міжзірковий пил (радіус до 1*10^-6 м). Сонце розташоване на відстані близько 10 кілопарсеків від центру галактики, швидкість обертання навколо центру тут складає близько 250 км/с, тобто повний оберт навколо центру Сонце робить за 180 млн. років.

В найповніше розробленій теорії утворення Сонячної системи лауреатів Нобелівської премії Х. Альвена та Г. Аррентуса її еволюція виглядає наступним чином: 1)утворення Сонця в результаті аккреції з висхідної (первинної, розпеченої) хмари Сонячної системи. Первісна протосонячна газо-пилова туманність 4,7 млрд років тому попала в сферу дії наднової зірки. В виведеній з рівноваги туманності виникла гравітаційна нестабільність і розпочались процеси впорядкування, аккреції речовини (як “реліктової”, так і тої що надійшла від наднової, так і тої що утворилася в результаті впливу наднової). При гравітаційному колапсі виділяється енергія, що обумовлює підвищення температури і густини газу. При цьому зростання тиску у внутрішній частині спричиняє припинення нестабільного стискування. Зростаюча температура досягає критичної величини (5*10⁶К) за якої розпочинаються термоядерні реакції в середині молодої зірки, а виділена енергія частково випромінюється з поверхні (не пізніше як 4,7-4,6 млрд років тому). Таким чином, на першій стадії стискування швидко зростає яскравість зірки, але температура поверхні залишається відносно стабільною. На наступному етапі стискування продовжується (в тому числі за рахунок вигорання водню в середині зірки), але з меншою швидкістю, при цьому зростають і світимість і температура на поверхні. В ході еволюції відмічається багато стадій зростання температури, які супроводжуються стискуванням ядра при збереженні балансу енергії (шляхом зміни загального об’єму та світимості зірки).

2) розташування газу і пилу, які заповнювали середовище навколо центрального намагніченого тіла, в тих областях простору, де пізніше пройде аккреція груп планет і супутників. Гіпотетичний склад хмари за О.Грінвудом: гази (H і He) - понад 98%; лід (C, N, O, S, Cl, Ne, Ar) – 1,5%; кам’яниста речовина (оксиди Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Ni) – 0,5%. 3)переніс моменту кількості руху від центральних тіл до навколишнього середовища, в результаті чого частини пилу почали рухатись по кеплеровським орбітам відносно Сонця і протопланет;4)аккреційна еволюція зконденсованих пилуватих частинок, які рухаються по кеплеровським орбітам і утворюють планетезималі, що постійно зростають в розмірах. Планетезималі - зародки тіл, які існують в Сонячній системі нині. Згідно встановлених за законами термодинаміки, послідовностей конденсації твердої речовини зі зниженням температури і тиску при аккреції спочатку формувалось металічне ядро, на котре пізніше почали осідати силікатні частинки. З цих частинок утворилась мантія (гетерогенна аккреція). За розрахунками Кларка становлення Землі відбулось дуже швидко – менш як за 10⁵ років. Вважається також що більш віддалені зовнішні планети сконденсувались швидше і за нижчих температур. Процес формування планет завершився не пізніше як 4,6-4,5 млрд років тому. 5) етап повільної (3-4*10⁹ років) еволюції новоутворених планет, астероїдів і супутників, результатом якої є нинішня Сонячна система. Основна маса речовини Сонячної системи була синтезована 4,6 млрд. років назад, хоча має місце й давніший матеріал.

На вибух наднової зірки, який багато дослідників вважають “поштовхом” до конденсації газо-пилової хмари, покладається також “відповідальність” за утворення радіоактивних елементів.

Сонце

Сонце - жовтий карлик, маса якого 1,99*10³⁰ кг, а радіус – 6,96*10⁸ м. Видима нами сонячна поверхня є непрозорою нижньою частиною атмосфери Сонця і називається фотосферою, її діаметр - 1,5 млн. км, а товщина 100-300 км. Вище від фотосфери - хромосфера (14000 км), а ще вище - сонячна корона (товщина дорівнює кільком сонячним радіусам). В центрі Сонця (де власне й відбуваються ядерні реакції, 1/10 діаметра) температури складають близько 10⁷К а тиск досягає 10¹⁶Па.

Температура Сонячної речовини падає в міру наближення до поверхні і в фотосфері складає 6*10³К, після чого знову зростає до 10⁵К в верхній частині хромосфери і 10⁶К в короні. Корона і хромосфера є основним джерелом короткохвильового та радіовипромінювання, що ж до ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного випромінювання то їх джерелом є фотосфера. 1 кг сонячної речовини за рік продукує  6*10⁶ Дж/рік, а все Сонце - 4*10²⁶ Дж/с, при цьому на Землю припадає лише частка в 2*10^-9. На межі земної атмосфери щільність потоку радіації складає 2 кал/(см²*хв) (приблизно 1395 Дж/(м²*с). Ця величина має назву сонячної постійної.

Вплив сонячної радіації можна оцінити хоча б з того що один із сильних спалахів на Сонці (23.02.1956) уповільнив обертання Землі на 2 мкс/добу, а частки в 10^-7 від енергії цього спалаху було б достатньо для повного випаровування океанів Землі.

Таблиця 1 – Поширеність елементів на Сонці (на 10⁶ атомів Si) - за L.H.Aller, J.E.Ross, 1976.

Z	Еле­мент	Вміст	z	Еле­мент	Вміст	z	Еле­мент	Вміст
1	H	2,24*1010	29	Cu	257	58	Се	0,794
2	He	1,41*109	30	Zn	631	59	Рг	0,102
3	Li	0,22	31	Ga	14	60	Nd	0,38
4	Be	0,032	32	Ge	70,8	62	Sm	0,12
5	В	<2,8	33	As		63	Eu	0,1
6	С	9,33*106	34	Se		64	Gd	0,295
7	N	1,95*106	35	Br		65	Tb
8	O	1,55*107	36	Kr		66	Dy	0,257
9	F	8,12*102	37	Rb	8,91	67	Ho
10	Ne	8,32*105	38	Sr	17,8	68	Er	0,13
11	Na	4,27*104	39	Y	2,82	69	Tm	0,041
12	Mg	8,91*105	40	Zr	12,6	70	Yb	0,2
13	Al	7,41*104	41	Nb	1,8	71	Lu	0,13
14	Si	1,0*106	42	Mo	3,24	72	Hf	0,14
15	P	7,08*103	44	Ru	1,51	73	Ta
16	S	3,6*105	45	Rh	0,562	74	W	1,1
17	Cl	7,1*103	46	Pd	0,71	75	Re	<0,01
\S	Ar	2,2*104	47	Ag	0,16	76	0s	0,11
19	К	3,24*103	48	Cd	1,59	77	Ir	0,16
20	Ca	5,01*104	49	In	1,0	78	Pt	1,26
21	Sc	24,5	50	Sn	2,2	79	Au	<0,13
22	Ti	2,51*103	51	Sb	0,22	80	Hg	<2,8
23	V	234	52	Te		81	Tl	0,18
24	Cr	1,15*104	53	I		82	Pb	1,91
25	Mn	5,89*103	54	Xe		83	Bi	<1,8
26	Fe	7,08*105	55	Cs	<1,8	90	Th	0,035
27	Co	1,78*103	56	Ba	2,75	92	U	<0,09
28	Ni	4,27*104	57	La	0,302

Склад сонячної атмосфери вперше був визначений спектральним аналізом в 1929 році. На сьогодні зроблено вже багато визначень і оцінок складу сонячної атмосфери і Сонця в цілому. Подаються ці вмісти, як правило, в розрахунку на 1 атом H або на 10⁶ атомів Si.

Для атмосфери Сонця (за Л.Аллером і Дж. Россом)

H

He

O

C

N

Si

Mg

Ne

Fe

S

Ca

Ni

Ar

106

6,3*104

6,9*102

4,2*102

37

45

40

37

32

16

2,2

1,9

1,0

Основну частку маси Сонця складають H (94%) і He (5,9%).

Крім Сонця до складу Сонячної системи входять:

• планети: внутрішні - Меркурій, Венера, Земля, Марс; зовнішні - Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун; а також Плутон

• супутники планет;

• малі планети (астероїди) які обертаються , як планети, по еліптичним орбітам. Загалом їх більше 40 тис., а їхня сукупна маса 0,001 маси Землі;

• комети, які обертаються по сильно витягнутим еліптичним орбітам. Життя комети може бути більшим за сотні або тисячі обертів навколо Сонця, однак їх велика кількість (за деякими оцінками - мільйони) свідчить про існування замер... системи сприятливих умов для їх утворення. Існує також припущення, що ядра комет є висхідним матеріалом з якого формуються планети Сонячної системи.

• метеорні тіла і космічний пил.

Таблиця 3.3 - Порівняльна характеристика Сонця, планет і їх головних супутників

Назва	Маса, (кг)	Маса, мас Землі	Середня відстань від Сонця, а.о.	Середній радіус, м	Діаметр, ( діаметрів Землі)	Середня густина, кг/м3	Період обертання навколо Сонця	Час обертання навколо осі	Число супутників	Головні компоненти атмосфери
Сонце	1,99*1030	332400		6,96*108	109	1400
Меркурій	3,35*1023	0,055	0,387	2,44*106	0,38	5420	88 діб	176 діб	0
Венера	4,87*1024	0,815	0,723	6,05*106	0,95	5240	224,7 діб	243 доби	0
Земля	5,98*1024	1,000	1,000	6,38*106	1,00	5517	365,3 діб	1 доба	1
Місяць	7,35*1022	0,012		1,74*106	0,27	3,4
Марс	6,42*1023	0,107	1,524	3,39*106	0,53	3970	1,881 року	7год 37хв	2
Астероїди	4*1021	0,0007	2,8	1*106	0,16
Юпітер	1,90*1027	317,82	5,203	6,99*107	11,0	1310	11,862 року	9 год 50 хв	12

Меркурій.

Меркурій має високу густину, що вказує на високий вміст Fe, розмір ядра - до 2/3 діаметра, а температура в ядрі - до 2000К. Магнітне поле слабке (700 гамм - 0,7% земного), у зв’язку з чим припускається рідкий стан ядра. Ландшафт - місячний, з великою кількістю кратерів розміром від 300 м до 120 км, вузькими глибокими долинами (глибина - 2-3 км) і горами до 4 км висотою. Існує розріджена атмосфера (тиск коло поверхні 0,5 атм) яка складається з He, Ne, Ar, Xe. Існування атмосфери контролюється, вірогідно, сонячним вітром і, частково, розпадом U, Th і ⁴⁰K. Температура на поверненій до Сонця стороні +430-500С, а на нічній - -200С. (Більшість даних отримана з “ Марінер-10”).

Венера.

Венера найбільш схожа на Землю з усіх інших планет - розміри, маса, густина близькі до земних.

Параметри	Земля	Венера
Середня відстань до Сонця, а.о	1,0	0,723
Сидеричний період, земна доба	~ 365	~225
Період обертання, земна доба	1,0	243,00±0,04

Вірогідно також, що будова Венери (кора 16 км, мантія 3200 км, ядро 2800 км) максимально близька до будови Землі. Обертання Венери (як і Урану) навколо своєї осі - за годинниковою стрілкою.

На Венері існують високі плато (Земля Іштар, Земля Афродіти тощо), гірські хребти, розломи, депресії. Перепад висот між плато і рівнинами сягає 10 км.

Горбкуваті рівнини - переважний тип рельєфу. На думку упорядників карти Венери, ці райони більше усього нагадують райони місячних материків або підвищення на Марсі і не мають земних аналогів. Гористі райони Іштар і Афродіта за розмірами порівнянні з земними континентами. Низовини характеризуються дуже гладкою поверхнею і порівнювані з місячними морями.

На поверхні відсутні пори року, клімат поверхні однорідний. Градієнти температур на денній і нічній сторонах спричиняють обертання хмарового покриву із сходу на захід зі швидкістю до 360 км/год.

Марс

Густина Марсу (3940 кг/м³) сама низька із внутрішніх планет, верхня кора має потужність 100 км, мантія 2300 км, ядро - 960 км, густина в центрі ядра - 8,5 г/см³. Можливо це ілюструє поступове зменшення вмісту Fe в роду Меркурій - Венера - Земля - Марс. Магнітне поле має полярність обернену до земної і в 800 раз менше земного (і навіть в 3 рази менше меркурійського). Рельєф поверхні представлений не тільки метеоритними кратерами (до 100 км в діаметрі) , а й утвореннями безсумнівного тектонічного, вулканічного та ерозійного генезису. Це велетенські( 500 км довжини при глибині 5 км) ущелини - розломи, “русла річок”, вулкани (найбільший  27 км висоти), темні низькі ділянки (моря) тощо. Температура на екваторі змінюється від +30С опівдні до -100С опівночі, а на полюсах - опускається до -140- -150С. Середньорічна температура марсіанського грунту  -60С. Атмосферний тиск поблизу поверхні  800 Па. На полюсах наявні білі полярні шапки, змінного розміру , які складаються з CO₂ з домішкою H₂O.

Склад атмосфери - CO₂ - 95,32%, N₂ - 2,7%, Ar - 1,6%, O₂ - 0,13%,CO - 0,07%, H₂O - 0,03:0,15%, Ne - 0,0025%, Kr - 0,0003%, Xe - 0,000008%, O₃ 0,000003%.

Співвідношення ізотопів O, C, N, Ar, Xe в атмосферах Землі і Марсу свідчать що сучасна атмосфера Марсу є лише частиною тої, яку Марс мав в минулому. В атмосфері є значна кількість мінерального пилу складеного переважно титаномагнетитом, маггемітом, пірротином, нонтронітом. Грунт материків складається переважно з SiO₂ з домішкою (до 10%) гетиту та гідроокислів заліза (які дають червонувато-оранжевий колір). Реголіт (пил) складається з нонтроніту, магнетиту та маггеміту.

Юпітер. Це найбільша планета системи, його маса вдвічі перевищує масу решти планет разом взятих, при цьому обертається в два рази швидше Землі і під дією центробіжної сили різниця d_пол:d_екв складає 2500 км (d_n= 94 % від d_екв). Напруженість магнітного поля у північного полюса 14Е в 20 разів більша ніж у Землі, а напрямок протилежний земному. Потужне магнітне поле розповсюджується в сторону Сонця на 50-100 радіусів, а в протилежну сторону – виходить за орбіту Сатурна. Електрони, прискорені магнітним полем Юпітера досягають орбіти Землі. Потужність іоносфери 3000 км. Згідно існуючих моделей Юпітер має невелике силікатне ядро, тверду воднево-гелієву оболонку і потужну атмосферу нижня частина якої знаходиться в рідкому стані. В надрах планети температура може досягати 25 тис. К, тиск 30-100 млн.атм (3-10 *10¹² Па), густина 10000 кг/м³. Цей висновок грунтується також на тому факті що Юпітер випромінює вдвічі більше ніж отримує від Сонця (Т на поверхні хмарового поясу -140С, тоді як за рахунок сонячної енергії вона не могла б піднятись вище за -170С), а в дециметровому радіодіапазоні – більша ніж саме Сонце. Оскільки для термоядерних реакцій маса Юпітера замала, джерелом енергії очевидно слугують процеси гравітаційного стиску цієї планети.

Склад атмосфери – H – 60%, He – 35%, NH₃ – 1%, CH₄ – 1%, присутні ацитилен, етан.

(“Червона пляма” – велетенський атмосферний вихор з життям тисячоліть)

В Юпітера є кільце (h – 1,5 км, S – 16-19 тис. км, r – 128 тис. км), та 12 супутників: Іо, Ганімед, Європа, Калісто та ще 8 значно (в 50-100 разів) менших, більшість з яких, вірогідно, є захопленими гравітаційним полем Юпітера астероїди.

Таблиця 3.5 – Деякі характерні риси головних супутників Юпітера

Сатурн

Друга за величиною планета з самою низькою густиною. Він сплюснутий з полюсів ще більше ніж Юпітер d_n = 90% d_екв (різниця діаметрів 12000км). Гравітаційне стискання є, очевидно, внутрішнім джерелом тепла (температура атмосфери - 180С при - 200С від Сонця).

Вірогідний склад – Н з домішкою Не. Кільця складаються з частинок льоду з d  1 см, r_вн – 15000 км, r_зовн – 270000 км, h  4 км.

В Сатурна є 10 супутників. Діаметр першого (Титина) =5830 км, що більше ніж у Меркурія, інші значно (в 5-10 разів) менші. В Титана виявлена атмосфера з NH₃ і CH₄ .

Уран.

Нахил осі до – площини орбіти всього 8 (лежачи), обертання за годинниковою стрілкою. Різниця між температурою в сантиметровому діапазоні і надходженням сонячного тепла складає  20 (Т - 170С), що свідчить про надходження тепла з надр. Атмосфера (H₂, CH₄ і, частково, Не), яка має товщину 27% радіуса і масу 10% від планети, підстилається рідким ядром, що складається переважно H₂O.

В Урана є 5 супутників (розміри – від 500 до 1300 км) та 5 кілець.

Нептун Температура поверхні оцінюється в -220С, а згідно вимірів в радіодіапазоні - -160С. В спектрі поглинання Нептуну відмічені CH_4, H_2, гіпотетично – Не. Має два супутники – Тритон (d2700 км, маса трохи менша ніж у Місяця) і Нереїда (обертається по сильно витягнутій орбіті).

Плутон.

Фактично є подвійною системою з власне Плутона (d=2500 км) та його супутника Харона (d=1000 км). Харон обертається перпендикулярно до орбіти Плутона на відстані 14 радіусів (20 тис. км). Загальна маса системи 1,1 *10²⁵ (в 6 разів менше Місяця), густина Плутона 1,25 г/см³.

Комети. Льодяні тіла, які під впливом Сонячного випромінювання викидають з ядра гази і пил , які відхиляються під тиском сонячного вітру, утворюють хвости комет. Комети містять C₂, C₃, CN, CH, OH, NH, NH₂, H₂O, а також CO, N₂⁺, CH⁺ і атоми H, O, Na, можуть мати невелике силікатне ядро.