Два самых распространенных элемента во Вселенной составляют менее 1 процента от массы Земли.
Согласно современным оценкам, Вселенная в основном состоит из темной материи и темной энергии, которые не были обнаружены на Земле. Даже барионная материя, которую мы иногда называем «наблюдаемой Вселенной», на три четверти состоит из водорода и на 23 процента из гелия (по массе), и даже меньше, если считать по атомам. На Земле все совсем иначе: гелий является одним из самых редких элементов, а водород составляет доли процента от земной коры и еще меньшую часть от массы всей планеты.
Содержание
С чего все начиналось
В масштабах Вселенной водород распространен прежде всего потому, что он образовался в огромных количествах во время Большого взрыва. В первые мгновения после своего рождения Вселенная была хаосом кварков и глюонов. Когда все успокоилось, большая часть наблюдаемой материи состояла из электронов, протонов и нейтронов, а также некоторых более экзотических субатомных частиц. Электроны и протоны, как правило, соединялись друг с другом, образуя водород. Также образовалось небольшое количество гелия и еще меньше лития.
Большая часть этого первичного лития была уничтожена в звездах, но те же самые звезды синтезировали из водорода гелий, а затем, на более поздних этапах своей жизни, и остальные элементы периодической таблицы. Тем не менее, если рассматривать Вселенную как машину по превращению водорода в другие элементы, то она все еще молода, и большая часть ее пути еще впереди.
Однако, если посмотреть только на Землю, то эта работа кажется почти завершенной. Наши океаны состоят из двух частей водорода и одной части кислорода (с добавлением натрия, хлора и других элементов, образующих соль). Некоторое количество водорода также связано в горных породах или присоединено к молекулам углерода в виде метана в атмосфере. Тем не менее, по сравнению с общим количеством атомов на планете, водорода не так уж и много.
Гелия же еще меньше; его так мало, что этот элемент не замечали до тех пор, пока не были обнаружены его спектральные линии во время затмения.
Как и все планеты, Земля образовалась из протопланетного диска. Он, в свою очередь, состоял из водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва, а также из небольшого количества более тяжелых элементов, образовавшихся в предыдущих поколениях звезд и рассеянных по галактике в результате взрывов сверхновых и килоновых.
Солнце и газовые планеты-гиганты внешней Солнечной системы имеют состав, примерно отражающий этот список, хотя, конечно, большая часть первоначального водорода Солнца теперь превратилась в гелий. Земля и другие внутренние планеты совершенно иные.
Куда же делись эти элементы?
Помимо своей распространенности во Вселенной, водород и гелий объединяет то, что они оба являются очень легкими газами. Это означает, что они могут легко преодолеть земное притяжение. Более крупная планета, такая как Юпитер, удержала гораздо больше обоих элементов благодаря гораздо более сильной гравитации; Земля же просто оказалась недостаточно массивной.
Кроме того, Земля находится гораздо ближе к Солнцу, чем газовые гиганты. Газы нагреваются сильнее, что придает им энергию, увеличивающую вероятность их бегства с планеты.
Гелий особенно редок, потому что, будучи благородным газом, он почти никогда не соединяется с какими-либо другими атомами, которые могли бы удержать его достаточно прочно, чтобы предотвратить его уход. Большинство планетологов сомневаются, что на Земле сохранился хоть какой-то гелий от протопланетного диска, хотя был предложен механизм, который мог бы объяснить небольшое его количество.
Тот гелий, который у нас есть, в основном является результатом радиоактивного распада более тяжелых элементов. Одна из распространенных форм распада связана с образованием альфа-частиц, два протона и два нейтрона которых идентичны ядру атома гелия-4. Высвобождаясь, альфа-частицы могут захватывать электроны из окружающей среды, превращаясь в гелий.
Если гелий высвобождается вблизи поверхности, он, вероятно, попадет в атмосферу, а затем и в космос. Однако гелий, образующийся в результате радиоактивности глубоко под землей, может оказаться в ловушке полостей внутри Земли.
Хотя гелий обычно ассоциируется с воздушными шариками для вечеринок, у него есть и более важные применения. Например, охлаждение научного оборудования и аппаратов МРТ до температур, слишком низких для таких альтернатив, как жидкий азот. Его запасы зависят от бурения скважин в древних полостях, где гелий накапливался на протяжении миллионов лет. В тех же пространствах часто содержатся и другие газы в гораздо больших количествах, и большая часть запасов гелия была собрана как побочный продукт при бурении скважин для добычи метана. Однако, поскольку мир отказывается от ископаемого топлива, более концентрированные источники гелия могут стать приоритетными.
Водорода на Земле больше, чем гелия, потому что он легко связывается с такими элементами, как кислород. Молекула водяного пара весит в девять раз больше, чем молекула H2, что делает ее гораздо менее подверженной улетучиванию. Тем не менее, считается, что большая часть водорода в планетезималях, которые объединились в Землю, улетучилась давным-давно, особенно когда в результате столкновений поверхность планеты превратилась в море магмы.
Существуют давние споры о том, включает ли вода Земли водород, сохранившийся с момента образования планеты глубоко в мантии, или же Земля однажды полностью высохла, а затем была пополнена водородом из комет и астероидов. Независимо от того, какая из сторон права, Земле повезло, что у нее есть столько водорода, сколько у нее есть. Луна и другие внутренние планеты имеют гораздо меньше, потеряв большую часть из-за аналогичных процессов, что и на Земле, но с еще меньшей гравитацией, которая не позволяет ей ускользнуть.
Читайте также: Крупнейшие взрывы во Вселенной создали элементы, из которых мы состоим. Но есть один загадочный источник
