Герой фантастического рассказа Артура Конан-Дойла «Когда Земля вскрикнула» профессор Челленджер выдвигает, а затем и подтверждает совершенно невероятное предположение. Согласно его «теории» Земля — это гигантское живое существо, нечто вроде морского ежа.
Что же, хотя кроме рассказа до нас не дошло никаких более достоверных свидетельств об этом великом эксперименте, мы можем подтвердить, что в какой-то степени профессор Челленджер был прав: Земля не мертва и Космос для нее не есть нечто заповедное, отрезанное непроницаемой стеной. Верхние слои атмосферы постепенно «тают», рассеиваются в космическом пространстве; вместе с кислородом и азотом безвозвратно теряются легкие газы — водород, аммиак, метан; улетают мелкие пылевые частицы, выброшенные вулканами из недр Земли, и, наконец… межпланетные космические станции.
Отдельный метеорит из Сихоте-Алиньского метеоритного дождя: его поверхность оплавлена при прохождении через атмосферу
Но природа справедлива: одновременно с «разбазариванием» вещества Земли идет и обратный процесс. Из Космоса на Землю непрерывно обрушиваются ливни космических лучей, оседает пыль, падают метеориты. Одним словом. Земля непрерывно обменивается веществом с Космосом и поэтому можно смело сказать, что Космос — это среда, в которой живет Земля…
Видманштеттеновы фигуры на полированной поверхности метеорита Чебанкол
Узнать кое-что об этой среде мы можем, исследуя химический состав «вестников Вселенной» — метеоритов. Богатейшую информацию о событиях, происходивших в Космосе на протяжении многих миллионов и миллиардов лет — об абсолютном возрасте метеоритного вещества, о продолжительности существования метеоритов как самостоятельных небесных тел хранит в себе их вещество. Его всестороннее изучение и составляет основную задачу сравнительно молодой науки — космической химии.
Классифицировать и изучать
При прохождении через атмосферу метеориты, как правило, разрушаются, дробятся и выпадают на Землю в виде пыли, метеоритного дождя, или отдельных экземпляров. Размеры метеоритов различны — от нескольких сантиметров до нескольких метров, а вес колеблется от нескольких граммов до нескольких тонн.
Относительная распространенность химических элементов в метеоритах (1), земной коре (2) и атмосфере Солнца (3)
В настоящее время известно свыше 1700 метеоритов. Кроме чисто внешних особенностей, возникших после прохождения с большой скоростью через атмосферу, у них имеются характерные особенности структуры, минералогического и химического состава, благодаря чему все метеориты можно разделить на несколько типов.
Во-первых, это железные метеориты (или так называемые сидериты), содержащие в среднем 90,5 процентов железа, 8,7 процентов никеля и 0,56 процентов кобальта. В различных экземплярах содержание никеля лежит в характерных интервалах: 4-7, 5,5-11, 8-20, 20-40 и более процентов. Это послужило основанием для разделения железных метеоритов на пять групп; причем две из них со средним содержанием никеля 5,5 и 8 процентов относятся к так называемым гексаэдритам и октаэдр итам. Эти метеориты имеют определенную кристаллическую структуру и при травлении кислотой полированных поверхностей распилов дают так называемые неймановы линии и видманштеттеновы фигуры. Остальные три группы с высоким содержанием никеля представлены метеоритами, не имеющими структуры, так называемыми атакситами.
Отсепарированные хондры каменного метеорита Аби
Другой тип метеоритов — это железо-каменные метеориты (сидеролиты), содержащие в среднем 50 процентов железа; остальные 50 процентов приходятся на долю силикатов — оливина (Мg, Fе)2SiO4 и пироксена (Мg, Fе)SiO3. Эти метеориты в свою очередь подразделяются на так называемые палласиты и мезосидериты. Палласиты по своему внешнему виду напоминают губку и состоят в основном из никелистого железа, оливина и примесей других минералов. В отличие от паласситов, в мезосидеритах никелистое железо не образует сплошной решетки, а распределено неравномерно по всей массе силикатов, состоящих в основном из пироксена; по сравнению с палласитами в мезосидеритах обнаружено повышенное содержание натрия, алюминия, кремния и кальция.
И, наконец, самые распространенные каменные метеориты (аэролиты) состоят преимущественно из железо-магнезиальных минералов с преобладанием оливина и пироксена.
Падение метеоритов сопровождается различными эффектами в атмосфере и на поверхности Земли
Примерно 90 процентов всех каменных метеоритов относится к хондритам, а остальные 10 процентов — к ахондритам. Свое название хондриты получили потому, что в них есть особые образования сферической или грушевидной формы — х о н д р ы. Хондры напоминают застывшие капли стекла; они вкраплены в метеоритное вещество, имеющее или аморфную, или тонкозернистую структуру. В сильно измененных под влиянием тепла хондритах граница между хондрами и основным веществом исчезает.
Хондриты, самый многочисленный подкласс метеоритов, принято подразделять на пять групп: энстатитовые, бронзитовые, гиперстеновые, пижонитовые и углистые, отличающиеся как по структуре, так и по химическому составу.
В отличие от хондритов ахондриты не имеют хондр и состоят из обломков различных минералов, сцементированных в сплошную массу.
Ахондриты в свою очередь делятся на две группы: бедные кальцием и богатые кальцием. Интересно, что в ахондритах, бедных кальцием, нередко обнаруживаются отдельные хондры, в то время как в богатых кальцием ахондритах хондры встречаются гораздо реже.
И, наконец, следует отметить, что в некоторых метеоритах обнаружены алмазы. Предполагается, что они могли возникнуть при столкновении небесных тел, из которых произошли метеориты, или же при ударе больших метеоритов о Землю.
Итак, хондриты — самый распространенный и наименее всего дифференцированный вид метеоритов. Поэтому естественнее всего предположить, что их химический состав должен наиболее точно отражать состав метеоритного вещества вообще. Вместе с тем, эти же данные должны после сопоставления со средним химическим составом Земли и атмосфер Солнца и звезд уточнить наши сведения о средней космической распространенности химических элементов.
Полученные при помощи новейших методов анализа наиболее надежные данные о распространенности химических элементов в хондритах мы приводим в виде графика на стр. 4. По оси абсцисс отложены атомные номера элементов Z, а по оси ординат — так называемая атомная распространенность, то есть число атомов данного элемента, рассчитанное по отношению к числу атомов кремния, принятому равным 106. Для сравнения на этом же графике приведено относительное содержание элементов в земной коре и атмосфере Солнца.
Эти данные наглядно свидетельствуют, что основная закономерность, установленная для земной коры и атмосферы Солнца, справедлива и для метеоритов: чем больше атомный номер элемента и, соответственно, чем больше его атомный вес, тем реже он встречается в природе; при этом элементы с четным числом Z имеют повышенную распространенность по сравнению с нечетными соседями. Это особенно резко проявляется в группе редкоземельных элементов (Z = 57—71).
Но, кроме общего сходства состава метеоритов, земной коры и атмосферы Солнца, можно заметить и некоторые отличия.
- Содержание летучих элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, серы и инертных газов) в земной коре ниже, чем на Солнце.
- Содержание легких элементов (лития, бериллия, бора) в атмосфере Солнца и метеоритах меньше, чем в земной коре.
- Содержание тяжелых элементов в хондритсх ниже, чем в земной коре и атмосфере Солнца.
В целом же метеориты по своему химическому составу сходны с веществом земной коры, но несколько больше соответствуют составу внешних слоев Солнца.
Теперь, когда мы знаем структуру и со- став метеоритов, можно попытаться сделать кое-какие выводы. Главный вопрос, некоторый ищут ответа исследователи, состоит в том, каким образом метеориты образовались, какова последовательность и природа событий, приведших к возникновению метеоритного вещества.
С одной стороны, кажется правдоподобным, что хондриты произошли из магмы, прошедшей последовательно все стадии окисления. При этом количество окисленного железа постепенно увеличивалось, а оставшееся металлическое железо постепенно обогащалось никелем.
Но, с другой стороны, можно представить себе и иную картину. Установлено, что между содержанием в метеоритах окисленного и металлического железа существует известная зависимость. Это можно объяснить тем, что первоначально окисленное вещество восстанавливалось углеродом и углеводородами, содержащимися в углистых хондритах.
Несомненно одно — метеориты образовались в условиях, отличных от земных. Ведь в метеоритах найдено всего 50 минералов (причем семь из них не встречаются на Земле), в то время как в породах земной коры их насчитывается около 3000. Вместе с тем картина усложняется, потому что разные метеориты прошли, по-видимому, и разный путь развития, образовались в различных условиях.
Так, «рождение» железных метеоритов с их характерной структурой должно было происходить при 300—400 С и давлении порядка 1000 атмосфер. Такие условия существуют в недрах тел с большой массой.
Хондриты же должны были образоваться при температурах, не превышающих 1000° С: в ином случае хондры не могли бы сохраниться впоследствии. Вместе с тем, существование хондр, состоящих из одного минерала, свидетельствует о том, что процессы их перекристаллизации происходили многократно.
На основании этого можно представить себе, что метеориты возникли при раздроблении небесных тел, имеющих сравнительно небольшие размеры (например, величиной с Луну). Можно представить себе, что первоначально холодный сгусток космической пыли уплотнялся и разогревался при гравитационном сжатии, а также за счет тепла, выделяемого при распаде сравнительно короткоживущих радиоактивных изотопов. При этом в результате процессов, напоминающих зонную плавку, произошла дифференциация вещества на ядро, мантию и кору. После разрушения этого «родительского» небесного тела его ядро дало начало железным, железо-каменным метеоритам и ахондритам, глубинные слои мантии — мезосидеритам и некоторым кристаллическим хондритам, промежуточные и внешние слои мантии — более легким хондритам, а поверхностная кора — самым легким углистым хондритам. Сами же хондры могли образоваться в процессах, аналогичных вулканическим извержениям.
Но существует и другая гипотеза, согласно которой хондры возникли раньше, чем сами метеориты.
Произойти это могло двумя путями. Как известно, на Солнце непрерывно происходят мощные взрывы, сопровождающиеся выбросами сгустков плазмы — протуберанцев. Не исключена вероятность того, что некогда произошел особо мощный выброс солнечного вещества, в результате чего возникло облако, движущееся вокруг Солнца по определенной орбите. При остывании этого облака железо и силикаты конденсировались раздельно. Капельки расплавленного железа объединялись в большие массы, которые затем дали начало железным метеоритам. Капельки силикатов, претерпев многократные процессы перекристаллизации, превращались в хондры, которые впоследствии объединялись в тела. Эти тела сталкивались друг с другом и разрушались; в некоторых из них под влиянием высоких температур и давлений происходили повторные процессы перекристаллизации, в результате чего хондры или частично разрушались, или же исчезали полностью.
Химический состав метеоритов разных классов не одинаков
При последующем объединении крупных тел могли возникнуть образования, подобные протопланетам; часть же вещества в виде хондр и метеоритов осталась рассеянной в пространстве и составила так называемый пояс астероидов.
Если исходить из предположения, что вещество солнечной системы произошло не из раскаленного плазменного облака, а из холодной космической пыли, то это облако могло нагреться до температуры, равной примерно 2000° С (при давлении 1000 атмосфер), под действием мощной ударной волны, возникшей при вспышке на Солнце.
При последующем охлаждении часть вещества конденсировалась. Структура и химический состав жидких капель могли быть различными в зависимости от условий — скорости и последовательности охлаждения. Другая часть разогретого облака, минуя жидкое состояние, перешла непосредственно в твердую фазу.
Из вещества этих двух фракций затем образовались тела астероидных размеров, которые не претерпели в дальнейшем существенных изменений. А обломки, возникшие при столкновении и разрушении этих астероидов, и стали предшественниками метеоритов, выпадающих на Землю.
Как видим, картина не отличается особой ясностью и однозначностью. Но это и не удивительно. Химический состав метеоритов сам по себе еще не дает нам представления о действительном развертывании событий во времени. Это не кинематографическая лента, а скорее всего множество снимков, сделанных на одной и той же пластинке. Нам надо не только выделить из этого наложения снимков отдельные кадры, но и установить их последовательность.
Работа исследователя метеоритов осложняется еще и тем, что «экспериментальный материал» поставляется ему в зависимости от капризов природы: неизвестно сколько бесценных образцов никогда так и не будет найдено. Поэтому можно представить себе, что космохимия добьется грандиозных успехов после того как появится возможность собирать метеориты с помощью спутников и ракет. По-видимому, это время уже не за горами.
Г. М. Колесов