Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Краткий обзор работ по проблеме происхождения атмосферы 7
ГЛАВА 2. Ударная дегазация земли и планет земной группы. 23
2.1. Распределение планетезималей по массам и скоростям их падения на растущую планету 23
2.2.Механизмы выделения летучих компонентов из планетезималей в ударных процессах 29
2.3. Модель выделения газов в атмосферу земли и планет земной группы 65
ГЛАВА 3. Химический состав газов, выделяющихся в атмосферу в процессе ударной дегазации планет 82
3.1. Условия использования импульсного лазера для моделирования химических процессов, происходящих при испарении силикатов 83
3.2. Исследование химического состава газовой фазы, образующейся при испарении минералов, горных пород и метеоритов лазерным импульсом 96
3.3. Химический состав газов, выделяющихся в атмосферу в ударных процессах 114
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов 119
Таблицы, рисунки 126
Литература 145
- Распределение планетезималей по массам и скоростям их падения на растущую планету
- Модель выделения газов в атмосферу земли и планет земной группы
- Условия использования импульсного лазера для моделирования химических процессов, происходящих при испарении силикатов
- Химический состав газов, выделяющихся в атмосферу в ударных процессах
Введение к работе
Проблема происхождения и эволюции атмосфер Земли и пла-нетЬемной группы является одной из основных задач современной планетнвй космогонии. Значимость этой проблемы заключается в том, что она тесно связана и во многом определяет решение ряда принципиальных задач геологии: образование и эволюция коры, накопление осадочного чехла, формирование гидросферы, эволюция климата. Знание химического состава палеоатмосферы, в некоторой степени, может пролить свет и на проблему происхождения жизни. Образование атмосферы - есть составная часть проблемы происхождения планеты, поэтому именно атмосфера, которая среди геологических объектов является самой доступной для прямых измерений, может стать критерием для различных моделей происхождения планет.
В проблеме происхождения атмосферы Земли основными являются вопросы об источниках и стоках атмосферных газов и их мощности, как функции времени, а также о химическом составе газов выделявшихся в атмосферу. Именно знание этих механизмов в совокупности с механизмом образования планеты позволит дать от-вет на вопросы об изменеии во времени давления, температуры и химического состава атмосферы. По поводу этих вопросов в современной научной литературе существуют различные (вплоть до альтернативных) точки зрения. Несмотря на обилие работ по проблеме образования атмосферы, следует отметить очевидный дефицит достаточно полно количественно разработанных механизмов вьзделения газов в атмосферу.
В последнее время получило развитие представление о том, что в истории выделения летучих компонентов в атмосферу суще-
ственную роль могли играть ударные процессы, происходившие при аккумуляции планет. Это представление подкрепляется многими геохимическими данными, а также наблюдательными данными о значительной роли ударных процессов в формировании планет земной группы и спутников.
Целью настоящей работы являлось: I) рассмотрение физических механизмов, приводящих к выделению газов из твёрдого вещества во время ударных процессов; 2) построение количественной модели выделения газов в атмосферу за счёт ударных процессов во время аккуїлуляции; 3) определение химического состава газов, образующихся при ударном испарении вещества планетезималей.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Впервые количественно рассмотрены физические механизмы выделения газов из планетезималей при ударных процессах. На основании этого впервые решена задача об ударной дегазации Земли и планет земной группы в процессе их аккуїлуляции. Сделаны оценки степени ударной дегазации Земли и определена мощность ударного источника атмосферных газов. Показано, что ударная дегазация являлась необходимым, первичным и самым мощным атмосферных газов на ранних стадиях формирования Земли.
3 работе обосновано применение импульсного лазера для моделирования физико-химических процессов, происходящих в газовой фазе при ударном испарении.
На основании цикла экспериментальных исследований газовой фазы, образующейся при испарении различных земных пород и метеоритов излучением импульсного лазера, выявлена направленность и универсальность процесса формирования её химического состава . Продемонстрирована определяющая роль процессов окисления
в испарённом облаке. Определён вероятный химический состав газов, выделявшихся в атмосферу земли и планет земной группы при аккумуляции.
Научная и практическая ценность работы. Рассмотренные физические механизмы выделения газов при ударных процессах, а также сделанные количественные оценки степени ударной дегазации и мощности ударного источника атмосферных газов имеют большое значение для понимания механизма образования атмосфер планет. Наблюдаемое на Земле и планетах распределение летучих элементов находит простое объяснение в рамках рассмотренного механизма ударной дегазации. Выявленные физико-химические особенности ударной дегазации позволяют критически подойти к некоторым современным представлениям о протоатмосфере Земли, в частности, к гипотезе о её сильно восстановительном составе. Ударная дифференциация летучих компонентов, являющаяся возможным следствием ударной дегазации, имеет большое значение для понимания начального, послеаккумуляционного состояния Земли, что важно для рассмотрения любых последующих этапов развития Земли как планеты.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
Количественный анализ механизмов выделения газов из твёрдого вещества в ударных процессах.
Модель ударной дегазации Земли и планет земной группы.
Методика применения импульсного лазера для моделирования физико-химических процессов, происходящих при ударном испарении.
Результаты эксперимента по изучению химического состава газовой фазы, образующейся при испарении земных пород и метеоритов лазерным импульсом.
5. Применение полученных экспериментальных результатов для определения вероятного химического состава газов, выделявшихся в ударных процессах при аккумуляции.
Структура работы. Диссертация состоит из четырёх глав: В первой главе проводится обзор существующих работ по проблеме образования атмосферы, обосновывается актуальность рассмотрения механизма ударной дегазации и ставится задача исследования. Во второй главе рассматриваются параметры ударных процессов, анализируются механизмы выделения газов из вещества планеты и планетезимали при ударе и строится количественная модель выделения газов в атмосферу во время аккумуляции Земли. Проводится анализ механизма ударной дегазации для планет земной группы.
В третьей главе обосновывается применение импульсного лазера для моделирования физико-химических процессов, происходящих при ударном испарении, анализируется масштабное соответствие этих процессов. Дано описание экспериментальной установки для исследования химического состава газовой фазы, образующейся при испарении образцов лазерным импульсом, а также обсуждаются методика и результаты эксперимента. Рассматривается вероятный состав газов, выделявшихся в атмосферу при ударной дегазации.
Четвёртая глава посвящена обсуждению полученных результатов и выводам.
Распределение планетезималей по массам и скоростям их падения на растущую планету
Рассмотрение физических механизмов ударной дегазации было сделано автором [$] . Указывалось на три различных источника ударной дегазации: выделение газов из испаренного вещества, диффузионное выделение летучих из расплава, выброшенного из крате -ра и распыленного на мелкие капельки , и дегазация массива расп -лава на дне кратера. Там же были сделаны оценки минимальных коэффициентов ударной дегазации планетезимали и вещества планеты. Минимальная оценка эффекта ударной дегазации Земли, выполненная на основе этих коэффициентов, составила ЗСМЮ% fio] , что уже существенно превосходит необходимый источник газов для создания атмосферы с современной плотностью.
Возможность выделения летучих в ударном событии экспериментально изучалась группой американских исследователей, возглавляемых Аренсом [58,59,60,97,100,101,102J . Они помещали исследуе -мый образец в герметически закрытый бокс из нержавеющей стали и воздействовали на него ударной волной, выстреливая по боксу металлической пластинкой с высокой скоростью ( -3 км/с). В одной серии экспериментов изучалась возможность выделения связанной, воды из серпентина ( 15 вес.$ НгО), нонтронита и кернита [59] . Выделение связанной воды демонстировалось сравнением ИК спектров образца до и после воздействия ударной волной с пиковым давлением 235 кбар. Другой эксперимент был проведен с кальцитом (CCKCOJ [_ 58,97,101,102J . Анализ газовой фазы из бокса после выстрела показал, что при прохождении ударной волны с пиковым давлением 350 кбар (соответствующей началу испарения кальцита), происходит выделение СО , С(\ и некоторых других газов. Исходя из баланса элементов, а также по косвенным данным высказывалось предположение, что дополнительным газом может быть кислород. Возникают однако трудности с интерпретацией экспериментальных данных пос -кольку газы С 0г и СО могут быть результатом выделения из нержа -вещей стали. Следует отметить, что в экспериментах l02j не наб-лвдалось выделение С 0г из кальцита при прохождении через него ударных волн вплоть до 380 кбар, что несколько противоречит дан -ным работы [58] . Предложенной авторами методикой нельзя изучать химический состав газов, выделяющихся при испарении силикатов, в необходимом для задач ударной дегазации диапазоне ударных волн (с пиковым давлением 1-2 Мбар) потому, что при этом будет разрушаться сам бокс.
На основании данных по ударному извлечению воды из серпентина и CQ.из кальцита в работах [іООДОї] был сделан подход к проблеме ударной дегазации Земли. Полагая, что источником воды и С 02 являются серпентинизированная вода и карбонаты в углистых, хондритах, и используя данные вышеуказанных экспериментов, авторы этих работ оценили, что дегидратация углистых хондритов ста -нет полной уже, начиная с радиуса растущей Земли равного Т5% от современного, а полное разложение карбонатов с выделением Сог начнется с достижения Землей 60$ современного радиуса, остава -ясь в дальнейшем постоянным (скорости падения приравнивались параболическим). К этим работам применимо предыдущее замечание о правомерности экстраполяции данных по дегидратации серпентинов при прохождении через них ударных волн, не достаточных даже для их плавления, на ударные процессы, в которых идет испарение си -ликатов и химия которых может быть намного сложнее. Также отсутствуют указания на то, будут ли выделяться газы при соударении планетезималей, не имеющих серпентинизированной воды и карбона -тов.
В работе [55 J авторы, обсуждая возможность присутствия углерода в примитивной атмосфере Земли, рассматривают состав на -чальной ударнообразованной атмосферы на. основании данных по пиролизу углистых хондритов [l33,I48,62j , основными газами которых являются Нг0, СОг , 0. Однако, вряд ли можно ожидать, чтобы химический состав газов, получающийся при ступенчатом отжиге углистых хондритов, соответствовал химическому составу газов, образующемуся в высокотемпературных реакциях в разлетающемся ударноиспаренном силикатном веществе.
Существуют также разные мнения и о судьбе ударнообразованной атмосферы. Уолкер [l4o] предполагал, что начальная атмосфе -ра, образованная за счет ударной дегазации планетезималей, должна была быть горячей и состоять в основном из водяного пара, так как, по его мнению, горячей должна была быть поверхность планеты. В дальнейшем, как он полагал, эта начальная атмосфера должна была быть утеряна, возможно, за счет мощного солнечного вет -ра. Никаких количественных оценок, предложенных механизмов, ав -тором сделано не было. Рингвуд [пэ] дал объяснение диссипации ударнообразованной атмосферы, предложив экзотический механизм, согласно которому Земля должна была быстро вращаться (I оборот за 4-5 часов), иметь температуру экзосферы 1800-2000 и нере -ально маленький средний молекулярный вес атмосферы который, по его мнению, должен был получаться за счет турбулентного перемешивания атмосферы с протопланетной туманностью.
Модель выделения газов в атмосферу земли и планет земной группы
Еще одним важным вопросом для задачи о выделении газов при ударе является рассмотрение образования свободной поверх -ности разогретого вещества. Для этого рассмотрим подробнее движение вещества при кратерообразовании. Траектории движения вещества при образовании ударного кратера (Рис. 3), а также при наземных взрывах, как показывают расчеты таких событий на ЭВМ, хорошо описываются простым соотношением [l4j где - радиальная координата частицы вещества, проведенная из центра удара под углом У от нормали к поверхности мишени (см. Рис. 3), & - расстояние пересечения траектории движения частицы свободной поверхности мишени ( У - ). Чем меньше значение R , тем больше значение удельной кинетической энергии, заключенной в веществе в соответствутсщей"трубке тока" и с тем большей скоростью выбрасывается данная порция вещества изкра -тера (случай (а) Рис. 3). Моделирование на ЭВМ показывает су -щественную связь между скоростью выбрасывания порции вещества и прохождением через него ударной волны с определенным пиковым давлением, отвечающей за приобретение этим веществом соответ -ствущей внутренней и кинетической энергии L.I26J . Для слишком больших значений R. (случай (в) Рис. 3) кинетической энергии вещества в трубке тока не хватает для его выбрасывания. Пре -дельным, по-видимому, является случай, когда & совпадает с размером кратера &щ , который можно наблвдать по окончании ударного события (случай (б) Рис. 3).
Для оценки доли расплава, выбрасываемого за пределы кратера, будем считать, что весь расплав занимает полусферу радиуса Rp (Рис. 3). Тогда объем расплава, заключенный между горизонтальной поверхностью и поверхностью, образуемой вращени -ем линии тока с R - ( вокруг вертикальной оси, должен выб-рашваться из кратера, а оставшийся объем после ударного события находиться на дне кратера и образовывать так называемую "линзу расплава", которая наблюдается во многих крупных земных кратерах [7 \ .
Распределение расплава между выбрасываемой и остающейся частью задается соотношением Легко получить, что элементарный объем в выбрасываемом расплаве на расстоянии X от центра удара есть Выражение (2.2.43) демонстрирует слабую зависимость относительного радиуса кратера от относительной массы Земли и радиуса планетезимали. Изменение в пределах от 0,1 до I приводит к изменению величины в пределах 30%, а изменение п в 100 раз (I км и 100 км) - к изменению отношения Ь в пределах 40%.
Константа А в выражении (2.2.41) равна 1,2.10-7 ( Я .в км, о. в ед. см/с2 , Е в эрг), если нормировать по результа -там расчета образования Моря Дождей ( RK. 320 км, Е 5.10 2эрг [23] ), и A 1,3.10 щ и нормировке по параметрам Аризонско-шо кратера ( R 550м, Е 3.10 эрг [l20] ). Тогда оценка величины отношения р/&к, по соотношениям (2.2.41) - (2.2.43) для тел размером от I км до 100 км и изменения от 0,2 до I при законе затухания ударной волны (2.2.34) находится в пределах от 0,16 до 0,30; а при законе затухания ударной волны (2.2.36) - в пределах от 0,13 до 0,22. Доля выброшенного расплава по уравнению (2.2.40) для модели затухания (2.2.34) будет заключаться в пределах 78-88%, а для закона затухания (2.2.3Б) в пределах 84-90% от общего количества расплава, образованно -го при ударе. То есть доля выброшенного расплава является очень устойчивой величиной для ударных процессов рассматриваемого масштаба и может быть для простоты оценок задана постоянной величиной. Б модели принималось, что при законах затухания удар -ной волны (2.2.34) и (2.2.36) за пределы кратера выбрасывалось 85% образованного расплава.
В пересчете для условий удара железного метеорита в габб-рондный анортозит [23] доля расплава в общем объеме выбросов из кратера составила 1,5% для закона затухания (2.2.34) и 0,7% для закона затухания (2.2.36), что вполне удовлетворительно согласуется с результатом указанной работы - 0,8%.
Итак, в ударном процессе мы имеем дело с веществом, которое, во-первых, может быть частично испарено, расплавлено или разогрето в твердом состоянии и, во-вторых, часть вещества выбрасывается, а другая часть остается внутри кратера. Рассмотрим механизмы дегазации в каждом случае.
Условия использования импульсного лазера для моделирования химических процессов, происходящих при испарении силикатов
Следует заметить, что рассмотренные "максимальная" и "минимальная" модели выделение летучих компонентов в ударном процессе не являются строгим максимальным или минимальным решением задачи, а только лишь ограничивают сверху и снизу оценку эффекта ударной дегазации в принятых модельных упрощениях процесса еди -ничного удара планетезимали. Рассчитанные коэффициенты дегазации % и С в зависимости от скорости удара гГ{ представлены на Рис. 4-П. В выражение для оценки "t в (2.2.53) входит радиус планетезимали л я поэтому коэффициенты дегазации X и X для "максимальной" задачи имеют зависимость от размера планетезимали. На Рис, 4-6 и 8-Ю представлены коэффициенты С и X для "мак -симальной" задачи в зависимости от тЛ для трех характерных размеров планетезималей - I км, 10 км, 100 км. Коэффициенты де -газации % ж % в "минимальной" задаче (Рис. 7 и II) не зави -сят в явном виде от размера планетезимали и справедливы для тел любого размера.
Отличия в коэффициентах дегазации планетезимали X в основном связаны с поведением расплава до начала частичного испа рения вещества и заключены в узком диапазоне скоростей удара от 6,5 км/с до 8,8 км/с, что соответствует росту относительной массы Земли V от 0,2 до 0,49. Отличие коэффициентов дегазации вещества планеты X более существенное и в основном определя -ется принятым законом затухания ударной волны в веществе поверх-ности планеты. Нормировка в определении коэффициента X (2.2.78) производилась на массу летучей компоненты, заключенной в массе вещества поверхности планеты равной массе планетезимали. На заключительных этапнх аккумуляции Земли значения коэффициента Ji могут достигать 5, что означает дегазацию при ударе большой массы вещества поверхности планеты по сравнению с массой планетезимали. Резкое ступенчатое изменение коэффициентов дегазации при значении скорости удара 1ft = 8 8 км/с связано с тем, что в модели заложено условие одинакового теплового эффекта удара для всей массы планетезимали и части вещества поверхности планеты,в которых одновременно начинает действовать механизмы дегазации при частичном испарении.
В действительности, возможно, имеет место некоторая неоднородность повышения, внутренней энергии в разных частях вещества в ударном процессе, которая проявляется при моделировании высокоскоростного удара на ЭВЙ зі,2з] и которая, в принципе, должна приводить к выглаживанию ступеньки в области 1Г; =8,8км/с. С другой стороны, равенство нулю коэффициентов дегазации при If: - 6,5 км/с также связано с тем, что в модели учитывались только механизмы дегазации расплавленного и частично испаренного вещества и не рассматривалось выделение летучих компонентов из твердого разогретого вещества, которое могло играть определенную роль на ранних этапах аккумуляции Земли ГіООДОІ] . В расчетах коэффициентов дегазации /С и ТС использовались две зависимости коэффициента диффузии от температуры (5), и г из (2,2.75) ), чтобы оценить влияние этого параметра на степень ударной дегазации вещества.
Механизм дегазации вещества при частичном испарении не зависит от концентрации летучих компонентов в веществе планете-зимали и поверхности планеты, так как дезинтеграция ударного расплава в этом случае производится паром вещества матрицы. Механизмы разрыва расплава газовыми пузырьками работает при условии, что концентрация летучих компонентов больше некоторой критической величины ( Citp 10 (2,2.61) ), Поэтому коэффициен-ты дегазации % и % .представленные на Рис. 4-И,справедливы при концентрации летучих компонентов в соударяющемся веществе, большем критического значения. Как указывалось выше, концентрации летучих компонентов в метеоритах в целом удовлетворяют этому условию [n,27,57j . Если же концентрация летучих компонен -тов в соударяющемся веществе меньше критической, то следует учитывать только механизм дегазации при частичном испарении.
Таким образом, теоретические оценки показывают, что при падении планетезималей, начиная с массы растущей Земли \ 0,2, выделение летучих компонентов из планетезималей и вещества по -верхности планеты должно было быть достаточно эффективным и обеспечиваться, главным образом, механизмами дегазации частично испаренного и расплавленного вещества. Произведенная оценка величи -ны коэффициентов дегазации при единичном ударе планетезимали X и % в зависимости от скорости соударения 4J;. позволяет перейти к рассмотрению задачи об ударной дегазации Земли в процессе ее аккумуляции.
Задача состоит в том, чтобы определить общую массу газа, выделенного в атмосферу за весь период аккумуляции планеты. Это можно сделать, проинтегрировав уравнение (2.3.1) по массам всех планетезималей, выпавших на планету во время ее роста.
Распределение планетезималей по массам и скоростям паде -ния обсуждалось в разделе 2.1. Механизмы дегазации планетезима -лей разбирались в предыдущем разделе, где были определены коэф -фициенты дегазации % ж % , зависящие от скоростей падения планетезималей и их массы.(Следует заметить, что для отдельных летучих компонентов при заданной скорости падения планет взимали значения коэффициента дегазации могут быть разными из-за отличия в значениях коэффициента диффузии в выражении (2.2.73). Однако предполагалось, что решение задачи для диапазона модельных зна -чений коэффициента диффузии (2.2.75) учитывает существующие от -личия в выделении различных летучих компонентов).
Химический состав газов, выделяющихся в атмосферу в ударных процессах
В отличии от химически неактивных газов химически активные компоне нты могли участвовать в циклических процессах стока из атмосферы в породы планеты и обратного выделения в результате удара других планетезималей. Поэтому коэффициент ударной дегазации планеты для химически активных газов Si ц) , получающийся при интегрировании уравнения (2.3.10), будет учитывать воз -можность многократного выделения одних и тех же химически активных молекул в атмосферу в процессе аккумуляции и будет являть -ся функцией источника ударной дегазации для химически активных газов. Величина St CD определялась как
Функция Slfe) » вычисленная для Земли, представлена на Рис.13. Также как и для величины $()вычисления проводились для "максимальной" и "минимальной" моделей выделения газов при ударе и для разных модельных значений коэффициента диффузии. Величина $ () слабо зависит от изменения значений коэффициента диффузии и в большей степени зависит от объема перерабатываемого при ударе вещества поверхности планеты. Так к концу аккумуляции Земли через атмосферу прошло бы трехкратное количество всех имею -щихся на планете химически активных компонентов, если бы была верна "максимальная" модель, или полуторократное в случае "ми -нимальной" модели. Такое количество газа может пройти через атмосферу только благодаря многопикличности выделения химически активных компонент из планеты Чтобы определить количество та -ких циклов нужно поделить общее количество выделенной за время аккумуляции массы химически активных компонентов на количество газов, участвующих в ударной дегазации. Это отношение равно отношению величин &i/$\ Для Земли получается три-четыре таких цикла.
Не исключена возможность, что таких циклов было больше. При ударах происходит извлечение массы газов из некоторого объема, определяемого размером планетезимали и энергией удара. Глубина извлечения составляет несколько десятков километров. Поглощение в породы Земли идет- из атмосферы в поверхность, т.е. верхние слои будут более обогащены химически активными компонентами, чем нижние. Возможно происходило постоянное обогащение верхних слоев планеты летучими компонентами в процессе ее роста. Так, что средняя концентрация химически активных компонентов в поверхности планеты превышала среднюю концентрацию этих компо -нентов в планетезималях.
Химически активными компонентами являются Нь01 СО , COVt S 0г % Нг и дрі, которые, как будет показано в следующей главе, являются ооновными газами, вьщелящимися при ударной дегазации. Следовательно, функция $(),являющаяся функцией источника химически активных компонентов, практически является функцией мощности источника атмосферных газов при ударной дегазации.
Сравним мощность источника ударной дегазации с мощностью других возможных источников атмосферных газов. Мощность ударного источника химически активных газов определнется только кон -центрацией этих компонентов в планетезималях. Для метеоритов, которые можно рассматривать в качестве модели вещества планете-зималей, как уже упоминалось, характерные относительные концентрации летучих компонентов составляют С- - 10"" - 10 , Самыми богатыми по обилию летучих компонентов являются углистые хондри-ты, содержащие дог-2% Нч.0 (по весу), 2 5% С , 2 Ъ% S
Обыкновенные хондрита и ахондриты содержат в среднем 0,1$ С , - 2% ё , 0,1-1$ Нг.0 [її, 27) . Железные метеориты содержат -0,1$ С , 0,1$ [27]. Полагая, в рамках гомогенной модели, что вещество планетезималей содержало: ферных газов при ударной дегазации Земли составлял: 2.10 г Нг0, 2.1025 т0г, 4:.1026т$0г. Согласно [48,12з] источник непрерывной дегазации мог составить: 1,7.10 г W O , 9.10 г С0г , 4.I021 г /V2 , то есть мощность источника ударной дегазации на два-три порядка превосходит мощность источника непре -рывной дегазации.
другим возможным источником атмосферных газов является аккреция газов околосолнечной туманности. Оценка мощности этого источника в большой степени зависит от принятой модели плотности туманности и допускает некоторый произвол. Однако сделаем оценку сверху для аккреционной модели, считая, что все нерадиогенные благородные газы были аккрецированы Землей из туманности, имеющей солнечный состав.
