Химический состав вселенной.
Химический состав космических тел
Объекты космохимии представлены звездами (95 % массы вещества Вселенной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами, электронами, кварками. Они сгруппированы в галактики, которых насчитывается около 1500. По форме преобладают спиральные галактики (61 %), реже встречаются линзовидные (22 %), эллиптические (13 %), неправильные (4 %). В нашей галактике насчитывается около 1011 звезд. Планета Земля находится в одном из рукавов спирали.
Химический состав космических тел отражает сложные пути их эволюции и определяется рядом физических и химических факторов: образованием и преобразованием атомов во времени; распределением атомов под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-химическим перераспределением групп атомов, электронов, молекул.
Кларки солнечной атмосферы принято относить к кларкам космоса, которые рассчитывают на 106 атомов Si или Н. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов с преобладанием Н (70 % по массе), Не (28), на долю остальных приходится 2 %. Очень мало тяжелых элементов после железа. Согласно Л. Аллерому и Дж. Россу (1976), для 13 элементов получены следующие данные: H – 106 % , He – 6,3 ·104, O – 6,9 ·102, C – 4,2 ·102, N – 87, Si – 45, Mg – 40, Ne – 37, Fe – 32, S – 16, Ca – 2,2, Ni – 1,9, Ar – 1,0 %. При давлении в центре звезды 1016 Па и температуре 107 К вещество состоит из свободных ядер и электронов (ионизированная водородно-гелиевая плазма).
Солнце представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотностью 1,41 г/см3, который каждую минуту теряет 240 млн т массы путем излучения. Каждый квадратный сантиметр его поверхности излучает 375 859,48 Дж/мин. Отличие по химическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. Состав Солнца по углероду и инертным газам близок к составу Земли, что указывает на генетическое единство всех тел солнечной системы.
Газовые туманности состоят из сильно разреженных газов, пред- ставляющих собой извержения из звездной материи. Космические лучи – это поток частиц и атомных ядер очень высокой энергии, состоящих в основном из протонов p (90 %). Многие космические частицы обладают электрическим зарядом, поэтому отклоняются магнитном полем планеты. С ростом магнитной жесткости частицы будут глубже проникать в магнитное поле. В земной атмосфере они образуют вторичное излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой проникающей способностью.
Космические частицы – по сравнению с Солнечной системой беднее Н, Не, Li, Be, B, но богаче тяжелыми металлами. За сутки на поверхность Земли поступает до 100 т космической пыли, метеоритов. Метеориты – обломки космической материи. Изотопный состав по C, O, Si, Cl, Fe, Ni, Co, K, Cu, Ga, U такой же, как изотопный состав этих элементов земного происхождения. Различие в изотопах по некоторым редким элементам и инертным газам (He, Ne, Kr, Xe) образуется из-за облучения метеоритов космическими лучами. По составу метеориты бывают металлические (Fe, Ni), силикатные (Si, Al), сульфидные (FeS и др.). Самые распространенные каменные (аэролиты) метеориты (90 %). Среди каменных преобладают хондриты, для силикатной части которых характерны «хондры» – шарики диаметром около одного миллиметра из стекла или нераскристализованного материала. Средний состав хондритов следующий: O (33,24 %), Fe (27,24), Si (17,19), Mg (14,29), S (1,93), Ni (1,64), Ca (1,27), Al (1,22), Na (0,64), Cr (0,29), Mn (0,25), P (0,11), K (0,08 %).
Планеты солнечной системы
Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций.
Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам. Они делятся на две группы: внут ренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см3), а внеш- ние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см3).
Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не, СН4, NH3 и др.).
Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца. Меркурий повернут од ной стороной к нему. Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хреб ты. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий.
Венера вращается в противоположную сторону, по сравнению с Землей. Сила тяжести почти такая же, как на Земле. Отсутствует смена времен года. По размерам, плотности, а также давлению и температуре на высоте 50 км она сходна с Землей, а солнечной энергии получает в два раза больше. Атмосфера состоит из СО2 (96,5 %), N2 (3,4) вулканического происхождения, около 0,1 % приходится на H 2, O2, H2O, CO, COS, SO2, S2, H2S, SF6, HCl, HF, Ne, Ar, Kr, Xe. Предположительно облака состоят из паров и капелек серной кислоты. В наэлектризованной атмосфере зарегистрировано 50 молний в секунду в одном месте. Атмосферное давление в 100 раз выше земного. На высоте облаков атмосфера планеты вращается со скоростью 100 км/с, ниже 10 км – 1 м/с, на поверхности – не более 1 м/с, но эта скорость валит с ног из-за высокой плотности. Господствует западное направ ление ветра. Дневное освещение аналогично пасмурному дню. Поверхностный грунт состоит на 50 % из SiO2. В нем отождествлены элементы Al, Mg, Ca, Fe, K, Mn, Ti, S, Cl, U. Породы близкие к гранитоидам. Горы занимают 8 % всей поверхности, максимальная высота до 11 км (г. Максвелла). Преобладает низменная и волнистая равнина с множеством кратеров диаметром до 280 км, плоскогорья на высотах примерно 3500 м.
Луна – спутник Земли. Поворот вокруг оси совпадает с поворотом вокруг Земли (27,3 суток). Атмосфера отсутствует. На поверхности реголит (пыль) мощностью до нескольких метров. Реголит состоит из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы, спекшихся друг с другом и образовавших губчатую массу. «Материки» занимают 85 %, «моря» (пониженные места) 15 % и представлены базальтовой породой. Химический состав отражает высокотемпературные условия его образования. Исследованные породы изверженные, они кристаллизовались при температуре 1210–1060 °С с силикатного расплава, обогащенного железом. Ведущие минералы: пироксен, плагиоклаз, ильменит, оливин. В породах среди O, Si, Fe, Ca, Mg, Al, Ti повышенное количество Fe, Ti, Zr и редких земель. Выделяются элементы группы железа (V, Cr, Mn, Co, Ni), молибдена (Y, Zr, Nb, Ta).
Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки и каждые 780 дней находится на минимальном расстоянии (противостояние) с Землей – 55 млн км, на максимальном 102 млн км. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты под углом 65 °. Атмосфера разреженная, давление в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли. У полюсов облака голубые и состоят из СО2, небо тускло- розового цвета. Атмосфера состоит из СО2 на 95 %, по другим источникам – на 75 и 50 %, N2 (2,5), Ar (1,6), O2 (0,1–0,4), CO (0,06), Н2О (0,03 %), очень мало Ne, Kr, Xe. Имеются пары воды, аэрозоли образуются за счет пылевых бурь. Лед состоит из СО2 и частично Н2О. Ядро малое (5–9 % массы планеты), литосфера мощная. Выделяют древнюю кратерированную кору и базальтовые «моря» в депрессиях. В грунте Марса содержится Fe – 12–14 %, Si – до 20, Ca – 4, Al – 2–4, Mg – 5, S – 3 %, а также другие элементы.
Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде, имеет низкую плотность. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии. Атмосфера на 90 % состоит из Н2 и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное.
Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см3) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н2 и Не. Ядро расплавленное силикатно-металлическое.
Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Уран движется в Солнечной системе лежа на боку, и ось вращения лежит почти в плоскости его орбиты. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15–18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н2, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава.
Источник
Школьная Энциклопедия
Nav view search
Навигация
Искать
Как определяют химический состав небесных тел
Подробности Категория: Работа астрономов Опубликовано 10.10.2012 16:20 Просмотров: 14816
Химический состав небесных тел определяют с помощью спектрального анализа.
О спектральном анализе вы можете прочитать на нашем сайте: http://ency.info/index.php/earth/rabota-astrnom/14-rabota-astrnom/29-chto-takoye-spektralni-analiz.
Ученые точно узнали химический состав небесных тел: звезд, туманностей, комет. И что важно: в их состав входят все известные на Земле химические элементы. Открытие спектрального анализа сделало переворот в науке, так как в недалеком прошлом казалось, что человек никогда не сможет узнать состав небесных тел, удаленных от Земли на огромные расстояния. А зная химический состав звезды, можно довольно уверенно судить о времени ее образования.
Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает наука космология.
Физическую природу космических тел (их плотность, температуру, массу, химический состав, возраст, образование и т.д.) изучает наука астрофизика (от греч. слов άστρον — светило и φύσις — природа).
Астрофизика основывается на законах физики и на материалах астрономических наблюдений. Главные методы астрофизики: спектральный анализ, фотография и фотометрия (научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения) вместе с обычными астрономическими наблюдениями. О рождении астрофизики говорить стало можно только после того, как во второй половине XIX века появился спектральный анализ. Спектры звезд позволяют определить температуру, плотность и химический состав атмосферы любого небесного тела, узнать расстояние до звезд и их светимость, измерить скорость движения звезд по лучу зрения и скорость их вращения вокруг оси, оценить напряженность магнитного поля звезд, выявить присутствие оболочек горячего газа вокруг звезд.
Рассмотрим изучение химического состава звезд на примере Солнца.
Химический состав атмосфер можно узнать по темным линиям спектра. Газ поглощает из состава спектра более горячего источника света те самые лучи, которые он сам излучает в раскаленном состоянии. Отсюда ученые сделали вывод, что раскаленные поверхности Солнца и звезд дают спектры в виде радужных полосок, но эти поверхности окружены разреженными и менее раскаленными газами, которые и вызывают появление в спектре темных линий. Эти газы образуют вокруг Солнца и звезд атмосферы, химический состав которых можно узнать по темным линиям спектра. Поверхности Солнца и звезд хотя и дают такой же спектр, как жидкие и твердые раскаленные тела, но состоят из раскаленных наэлектризованных газов, более плотных, чем окружающие их атмосферы.
Первые исследования спектра Солнца были предприняты одним из изобретателей спектрального анализа, Кирхгофом, в 1859 г. Результатом этих исследований был рисунок солнечного спектра, из которого можно было определить уже с большой точностью химический состав солнечной атмосферы. Так, например, известно, что химический состав солнечной фотосферы ( излучающий слой звёздной атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения) состоит из
Водорода 73,46 %
Гелия 24,85 %
Кислорода 0,77 %
Углерода 0,29 %
Железа 0,16 %
Неона 0,12 %
Азота 0,09 %
Кремния 0,07 %
Магния 0,05 %
Серы
В солнечной атмосфере установили присутствие множества известных нам на Земле химических элементов. Среди них газы: водород, азот; металлы: натрий, магний, алюминий, кальций, железо и многие другие. В 1942 году было обнаружено присутствие на Солнце в небольшом количестве золота.
Такие химические элементы, как, например, хлор, бор, йод, ртуть и некоторые другие, не были найдены на Солнце по их линиям в спектре. Одной из причин, возможно, является то, что эти элементы находятся не в атмосфере Солнца, а в его недрах. Между тем темные линии в спектре вызывают только те элементы, которые находятся в атмосфере Солнца и поглощают свет, идущий из более глубоких и более плотных раскаленных слоев Солнца.
Можно допустить, что хлор, бор, йод, ртуть и другие элементы на Солнце или в солнечной атмосфере имеются, но мы их обнаружить пока не можем.
Спектры звезд, свет которых, собранный с помощью телескопа, тоже можно направить в спектроскоп, похожи на спектр Солнца. И по их темным линиям можно определить химический состав звездных атмосфер так же, определили химический состав солнечной атмосферы по темным линиям спектра Солнца.
Оказывается, химический состав атмосфер звезд мало отличается от химического состава Солнца и нашей Земли. Во всяком случае, ни на Солнце, ни на звездах не найдено таких химических элементов, которые не были бы известны на Земле. Напомним, что и газ гелий, который сначала был обнаружен на Солнце, потом был найден на Земле.
По четкости, с которой видны темные линии спектров Солнца и звезд, можно определить долю каждого химического вещества в составе их атмосфер.
Определение химического состава небесных тел на основе изучения их спектров — очень сложная задача, требующая знания физических условий в исследуемом теле (особенно температуры) и применения методов теоретической астрофизики.
Ученые в результате исследований установили, что некоторые тела (например, звезды определенных типов) обладают теми или иными особенностями химического состава. Однако большинство остальных объектов состоит примерно из одних и тех же известных химических элементов. Поэтому можно говорить только о среднем космическом содержании элементов, о котором обычно судят по относительному числу атомов, находящихся в каком-либо объеме.
Источник