Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №04 за 2008 год
Казахстан, Чарынский каньон. Подземные толчки разрушают красноцветный массив. Обломки разного размера скатываются к подножию и там превращаются в пыль. Фото Ольги Кудрявцевой
В местах с влажным теплым климатом на передний план выступают химические процессы. Большинство минералов, образованных в глубоких недрах при отсутствии свободного кислорода, на воздухе начинают подвергаться коррозии. В первую очередь окисляются минералы, в состав которых входит железо. Магнетит превращается в различные оксиды и гидроксиды железа, покрывающие камни ржавыми пятнами. Полевой шпат становится каолинитом — основным компонентом одноименных глин. Кстати, родина европейского фарфора не случайно находится в Саксонии, в городе Мейсене — там, в горах, добывали каолинитовые глины. А в тропиках почти все породы быстро разлагаются до рыхлой массы — латеритов, по цвету и твердости напоминающих кирпичи, в этом качестве породы и использовали в Индии.
Последние, но не менее важные, чем описанные выше, участники выветривания — микроорганизмы, которые растворяют минералы горных пород органическими кислотами, а продукты реакций «съедают». Так действуют лишайники, умеющие жить на голых скалах и извлекать из них минеральную пищу и влагу. А также грибная микрофлора, которая селится в гниющей подстилке в тайге и начинает формировать подзолистые почвы прямо из каменной толщи, на которой стоит лес.
В природе, как правило, все факторы разрушения горных пород действуют совместно, хотя и неравномерно. Если обвал или оползень в считанные минуты может вырвать миллионы тонн горных пород из склона, укоротив скалу на десятки метров, то работа ледников и рек требует гораздо большего времени. Для характеристики речной эрозии ввели даже специальную величину — денудационный метр, который показывает, сколько тысяч лет понадобилось руслу, чтобы зарыться в землю на один метр. Например, реке По нужно для этого 2,4 тысячи лет, а Миссисипи — все 20. А как оценить время, за которое разрушатся горы? В ответе на этот вопрос нам опять поможет Крымский полуостров . Горные гряды появились здесь примерно один миллион лет назад. Известняки, которые сейчас слагают вершины, тогда были покрыты километровой толщей более молодых пород. Нетрудно рассчитать, что за год горы укорачивались на один миллиметр. Если такой темп сохранится в будущем, то самая высокая гора Крыма Роман-Кош высотой 1545 метров исчезнет через полтора миллиона лет. Но не будем забегать вперед, геологические процессы линейкой не измеришь и математическими формулами не опишешь. Они труднопредсказуемы и потому остаются для нас во многом загадкой.
Владимир Сывороткин
Вселенская алхимия
Мы привыкли жить в изменяющемся мире. Меняются модели сотовых телефонов, правительства, климат. Даже Вселенная и то постоянно расширяется. Однако и новые гаджеты, и премьер-министры состоят из одних и тех же элементов, которые мы помним по таблице на стене кабинета химии, но редко задумываемся над тем, как они возникли. На ранних стадиях эволюции во Вселенной не было большинства тех элементов, из которых состоим мы с вами, а в самые первые мгновения ее существования — ни одного из них.
Наша Вселенная родилась очень горячей и сразу начала расширяться и остывать. Высокая плотность и температура делают невозможным существование сколько-нибудь сложных образований. Поэтому в очень молодой Вселенной нет не только привычных нам атомов, не только их ядер, но даже самое простое ядро, водородное, то есть одиночный протон, не может долго существовать. Вещество Вселенной являет собой кипящий «суп» из элементарных частиц и квантов излучения, которые непрерывно превращаются друг в друга согласно знаменитой формуле теории относительности E = mc2.
Чтобы протон мог чувствовать себя «спокойно», Вселенной надо остыть до температуры, когда энергия частиц становится меньше массы протона. Только с этого момента имеет смысл говорить о «химическом составе», и поначалу он более чем прост: это чистый водород. Помимо протонов в плотном веществе присутствуют также электроны и нейтроны, содержание определяется условиями равновесия: при столкновении протонов и электронов рождаются нейтроны, которые потом самопроизвольно распадаются на протоны и электроны, столкновение нейтрона и позитрона (античастица электрона) дает протон. Также в этих реакциях испускаются нейтрино, но они для нас сейчас не важны.
Первичный нуклеосинтез идет лишь несколько минут после Большого взрыва. Фото SPL/EAST NEWS
Затем в истории Вселенной наступает эпизод, в котором условия напоминают нынешнее состояние вещества в недрах звезд и водород может превращаться в более тяжелые элементы. Начинается первичный нуклеосинтез — образование тяжелых элементов из более легких. Но длится это недолго — всего несколько минут. Плотность и температура вещества быстро убывают, что приводит к резкому замедлению ядерных реакций. Поэтому успевают появиться лишь гелий и незначительное количество дейтерия, лития и бериллия.
Все начинается с самой простой реакции: протон объединяется с нейтроном, образуя ядро дейтерия — тяжелого водорода. Получив дейтерий, природа продолжает «играть в конструктор», пока это позволяют плотность и температура. Если дейтерий взаимодействует с протоном, получится гелий-3 — легкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон, а если с нейтроном — тритий, сверхтяжелый изотоп водорода (один протон, два нейтрона). Как видим, в ядерные реакции частицы всегда вступают парами. Все дело в том, что процессы, требующие одновременного взаимодействия нескольких частиц, крайне маловероятны, подобно тому, как маловероятно случайно встретить в метро сразу двоих бывших одноклассников, которые, не сговариваясь, оказались в одном месте. Нетрудно догадаться, что на следующем этапе гелий-3 присоединяет еще один нейтрон (или тритий — протон), и образуется ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, — одно из самых устойчивых во Вселенной.
Это ядро испускается во многих реакциях и даже получило у физиков специальное название — альфа-частица. Во многих случаях ядро гелия рассматривают как частицу, забывая на время о сложном внутреннем строении. Казалось бы, гелий-4 может и дальше присоединять протоны и нейтроны, но не тут-то было! На пути дальнейшего усложнения встают два серьезных препятствия: в природе нет устойчивых ядер с массой 5 и 8 единиц, то есть состоящих из пяти и восьми нуклонов (протонов и нейтронов). В любом сочетании пяти протонов и нейтронов одна из частиц оказывается лишней и выбрасывается из ядра, которое упорно хочет остаться альфа-частицей. И даже если попробовать объединить сразу шесть нуклонов по одной из схем «гелий-3 + тритий», «гелий-3 + гелий-3», «гелий-4 + дейтерий», все равно, как правило, образуется гелий-4, а лишняя пара нуклонов отторгается.
Перепрыгнуть этот барьер можно, только если гелий-4 сольется с ядром трития и гелия-3. Тогда рождаются соответственно литий-7 или бериллий-7. Но эти реакции идут неохотно, поскольку электрический заряд у ядер гелия вдвое больше, чем у водорода. Одинаково заряженные частицы отталкиваются, и, чтобы слить их друг с другом, нужна более высокая энергия столкновения, то есть более высокая температура. Между тем быстрое расширение в первые минуты после Большого взрыва сопровождается падением температуры и плотности вещества — Вселенная перестает быть «сама себе звездой». В итоге лития и бериллия образуется очень мало. Дальше процесс синтеза не идет — на «штурм» второго барьера (неустойчивость ядра из 8 нуклонов) практически нет охотников. А без этого не добраться до углерода — самого важного для существования жизни атома.
Всего несколько минут есть у Вселенной, чтобы поиграть в конструктор из протонов и нейтронов. Когда игра заканчивается, три четверти массы приходится на обычный водород, а четверть — на гелий-4 (поэтому все остальные элементы астрономы называют тяжелыми, а то и вовсе «металлами»). Еще остается очень небольшое количество дейтерия, гелия-3 и лития (тритий и бериллий-7 неустойчивы и вскоре распадаются). Определяя их содержание, можно получить очень важную информацию о первых минутах жизни Вселенной, но из таких материалов никакой алхимик не сделает не то что гомункулуса, но и камень (даже не философский, а самый обыкновенный). Но мы-то ведь существуем! И Земля есть. Значит, должны быть в природе какие-то тигли, в которых образуются и углерод, и кислород, и кремний. Надо только немного подождать — каких-нибудь несколько десятков миллионов лет...
Звездный тигель
После долгих «темных веков» во Вселенной зажигаются первые звезды. В их недрах при температуре около 10 миллионов градусов и плотности в несколько раз выше, чем у самого плотного металла на Земле, снова возникают условия для игры в алхимический конструктор — начинается звездный нуклеосинтез. Первое время эта игра весьма похожа на ту партию, что разыгрывалась сразу после рождения Вселенной. И все же некоторые отличия имеются. В звездном веществе вначале почти нет свободных нейтронов (в свободном состоянии они живут всего лишь около 15 минут), и поэтому дейтерий образуется при столкновении двух протонов. Один из них в процессе слияния превращается в нейтрон, испуская позитрон — положительно заряженную античастицу электрона, — чтобы избавиться от лишнего заряда. В отсутствие нейтронов из дейтерия не образуется тритий. Дейтерий довольно быстро соединяется с еще одним протоном и превращается в гелий-3. Прямой переход от него к гелию-4 путем захвата нейтрона, как в ранней Вселенной, невозможен, но тут имеется ряд обходных путей.
