Большая советсткая энциклопедия Космохимия

Космохимия

Космохимия (от космос и химия), наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Наиболее изученная часть К. — геохимия, К. исследует преимущественно "холодные" процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как "горячими" ядерными процессами в космосе — плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд и др. — в основном занимается физика. К. — новая область знания, получившая значительное развитие во 2-й половине 20 в. главным образом 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. Так был накоплен значительный материал, имеющий фундаментальное значение и для дальнейшего развития К. Развитие космонавтики, полёты автоматических станций к планетам Солнечной системы — Луне, Венере, Марсу — и, наконец, посещение человеком Луны открыли перед К. совершенно новые возможности. Прежде всего — это непосредственное исследование пород Луны при участии космонавтов или путём забора образцов грунта автоматическими (подвижными и стационарными) аппаратами и доставка их на Землю для дальнейшего изучения в химических лабораториях. Кроме того, автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности др. планет Солнечной системы, прежде всего Марса и Венеры. Одна из важнейших задач К. изучение на основе состава и распространённости химических элементов эволюции космических тел, стремление объяснить на химической основе их происхождение и историю. Наибольшее внимание в К. уделяется проблемам распространённости и распределения химических элементов. Распространённость химических элементов в космосе определяется нуклеогенезом внутри звёзд. 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 или Mg или 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; 5) магнитное, гравитационное и др. физические поля. Установлено, что все эти факторы влияют на состав вещества внешней коры планет, их газовых оболочек, метеоритного вещества, космической пыли и др. 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); конденсирование Не, На, CH₄, NH₃ и др. 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). В межзвёздном пространстве обнаруживаются в крайне малых концентрациях атомы и молекулы многих элементов, а также минералы (кварц, силикаты, графит и т. д.) и, наконец, идёт синтез различных сложных органических соединений (возникающих из первичных солнечных газов Н, CO, NH₃, O₂, N₂, S и других простых соединений в равновесных условиях при участии излучений). Все эти органические вещества в метеоритах, в межзвёздном пространстве — оптически не активны.

С развитием астрофизики и некоторых др. наук расширились возможности получения информации, относящейся к К. Так, поиски молекул в межзвёздной среде ведутся посредством методов радиоастрономии. К концу 1972 в межзвёздном пространстве обнаружено более 20 видов молекул, в том числе несколько довольно сложных органических молекул, содержащих до 7 атомов. Установлено, что наблюдаемые концентрации их в 10—100 млн. раз меньше, чем концентрация водорода. Эти методы позволяют также посредством сравнения радиолиний изотопных разновидностей одной молекулы (например, H₂¹²CO и H₂¹³CO) исследовать изотопный состав межзвёздного газа и проверять правильность существующих теорий происхождения химических элементов.

Исключительное значение для познания химии космоса имеет изучение сложного многостадийного процесса конденсации вещества низкотемпературной плазмы, например перехода солнечного вещества в твёрдое вещество планет Солнечной системы, астероидов, метеоритов, сопровождающегося 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 космического пространства. В космическом вакууме, при относительно низких температурах (5000—10000 °С), из остывающей плазмы последовательно выпадают твёрдые фазы разного химического состава (в зависимости от температуры), характеризующиеся различными энергиями связи, окислительными потенциалами и т. п. Например, в хондритах различают силикатную, металлическую, сульфидную, хромитную, фосфидную, карбидную и др. фазы, которые агломерируются в какой-то момент их истории в каменный метеорит и, вероятно, подобным же образом и в вещество планет земного типа.

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. В его основе лежит универсальный принцип зонного плавления, разделяющего легкоплавкое вещество (например, коры и атмосферы) от тугоплавкого вещества мантии планет. Например, первичное солнечное вещество имеет отношение Si/Mg"1, выплавленное из мантии планет вещество коры планет — Si/Mg"6,5. 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). Благодаря близости Венеры к Солнцу в её атмосфере из CO₂ возник "парниковый" эффект: при температуре свыше 300 °С в атмосфере Венеры процесс CaCO₃ + SiO₂ ® CaSiO₃ + CO₂ достигает равновесного состояния, при котором в ней содержится 97% CO₂ при давлении 90 атм. Пример Луны говорит о том, что вторичные (вулканические) газы не удерживаются небесным телом, если его масса невелика.

Соударения в космическом пространстве (либо между частицами метеоритного вещества, либо при налёте метеоритов и др. частиц на поверхность планет) благодаря огромным космическими скоростям движения могут вызвать тепловой взрыв, оставляющий следы в структуре твёрдых космических тел, и образование метеоритных кратеров. Между космическими телами происходит обмен веществом. Например, по минимальной оценке, на Землю ежегодно выпадает не меньше 1×10⁴ т космической пыли, состав которой известен. Среди каменных метеоритов, падающих на Землю, встречаются т. н. базальтические ахондриты, по составу близкие к поверхностным породам Луны и земным базальтам (Si/Mg " 6,5). В связи с этим возникла гипотеза, что их источником является Луна (поверхностные породы её коры).

Эти и др. процессы в космосе сопровождаются облучением вещества (галактическим и солнечным излучением высоких энергий) на многочисленных стадиях его превращения, что ведёт, в частности, к превращению одних изотопов в другие, а в общем случае — к изменению изотопного или атомного состава вещества. Чем длительнее и разнообразнее процессы, в которые было вовлечено вещество, тем дальше оно по химическому составу от первичного звёздного (солнечного) состава. В то же время изотопный состав космического вещества (например, метеоритов) даёт возможность определить состав, интенсивность и модуляцию галактического излучения в прошлом.

Результаты исследований в области К. публикуются в журналах "Geochimica et Cosmochimica Acta" (N. Y., с 1950) и "Геохимия" (с 1956).

Лит.: Виноградов А. П., Высокотемпературные протопланетные процессы, "Геохимия",1971, в. 11; Аллер Л. Х., Распространенность химических элементов, пер. с англ., М., 1963; Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г., Элементы Вселенной, пер. с англ., 2 изд., М., 1966; Merrill P. W., Space chemistry, Ann Arbor, 1963; Spitzer L., Diffuse matter in space, N. Y.,1968; Snyder L. E., Buhl D., Molecules in the interstellar medium, "Sky and Telescope", 1970, v. 40, p. 267, 345.

А. П. Виноградов.