Ответ авторов на замечания Д-ра Владислава Миркина, геолога, США.

Уважаемый Д-р Владислав Миркин:

Примите, пожалуйста, наши извинения за задержку с ответом; у нас теплилась надежда на появление дополнительных отзывов, и хотелось ответить всем сразу. Надежда оказалась тщетной, но зато нам удалось за это время доработать и опубликовать дополнительную статью на эту тему (Gilat and Vol, 2012). Мы надеемся, что она Вас заинтересует.

Спасибо Вам за Ваш отзыв, и за затронутые Вами интересные вопросы. Но вначале разрешите поблагодарить Вас за фразу: “В эту гипотезу можно бы поверить, начиная с момента, когда водород и гелий уже находятся в центре планеты”. Значит, мы Вас убедили в обоснованности предложенной нами системы гипотез, поскольку наличие дегазации первичных водорода и гелия из мантии и ядра Земли это факт, известный с 70-х годов прошлого века и  проверенный сотнями исследований (согласитесь, если бы этих газов там не было, то не было бы и дегазации). Вдобавок, десятки исследований подтвердили факт наличия великолепной корреляции потока земного тепла с выделяющимся лёгким изотопом гелия ³Не; количества выделяющихся газов подсчитаны. B нашей базисной статье 2005 г. (Gilat and Vol, 2005) мы даём ссылки на некоторые из этих статей, и на очень хорошую монографию, переведённую на русский язык (М. Озима и Ф. Подосек, 1987). Разрешите привести оттуда длинную цитату: “B “мантийном” гелии изотоп ⁴Не сопровождается изотопом ³Не в соотношениях…обычно ³He/⁴He≈1.2*10^-5 (см. гл. 9 и 11). Это на порядок выше воздушного отношения, а потому не может быть отнесено за счёт примеси воздуха. Оно также слишком велико, чтобы относиться к радиогенному гелию (см. раздел 6.2), поэтому мантийный компонент гелия за отсутствием другого объяснения обычно полагают первичным. При тщательном рассмотрении возможных ядерных процессов, которые могли бы продуцировать такое количество изотопа ³Не в условиях твёрдой Земли, адекватных механизмов обнаружено не было, что поддерживает гипотезу о его первичной природе, … это единственный случай, когда первичный (нерадиогенный) благородный газ, наблюдаемый в горной породе, может быть с полной уверенностью сочтен ювенильным (пришедшим из мантии) и не искаженным воздушной примесью” (стр. 137-138). Дополнительным, хотя и косвенным, доказательством “обычности” захвата планетами водорода и гелия является и хорошо известный факт преимущественно водородно-гелиевого состава планет гигантов Юпитера и Сатурна, а также значительное содержание водорода и гелия в составе планет Урана и Нептуна.

В условиях космоса смесь водорода и гелия можно рассматривать как идеальный газ, химический потенциал которого определяется согласно классическому уравнению газового состояния. Так как первичное протопланетное облако на 99% состояло из этой смеси, то в силу стремления системы к равновесию, или к равенству потенциалов веществ, находящихся в окружающем облаке и в зародыше планеты, неизбежно сохранение,  а возможно, и поглощение определенного количества этих газов.  Между аккреционной массой формирующейся планеты и окружающим облаком проходил интенсивный массообмен, включавший поглощение и обратное испарение всех веществ. Соотношение потоков поглощения и испарения  определяется разностью химических потенциалов в аккрекционной массе и в окружающей среде, которая пропорциональна разности концентраций и растворимостей. Растворимость газов в металлах и расплавах пород растет с ростом давления и температуры. Хорошо известным для металлургов похожим процессом является поглощение водорода и гелия расплавленным металлом, которое приводит к “водородному охрупчиванию” (увеличению хрупкости) металла. В соответствии с принципом Ле-Шателье процесс аккреции должен приводить к сдвигу равновесия в сторону поглощения водорода и гелия, поскольку эти теплоемкие процессы способствуют охлаждению системы. Заметим, что образование твердых и жидких растворов Н² и Не практически не уменьшает плотности материала зарождающейся планеты, в отличие от образования гидридов. Так, раствор водорода с содержанием 138.2 см³ водорода в 100 г. железа увеличивает константу решетки альфа-железа всего с 0.28590 нм. до 0.28612 нм. (А.Е. Вол, 1962).

Ответить на Ваш вопрос о “дозировке” выделения газов из мантии очень сложно из-за невозможности “заглянуть” в земную мантию и в ядро планеты. Этим вопросом занимался ряд исследователей, представивших свои модели (но не затрагивавших проблемы выделения энергии, связанной с дегазацией). Некоторые из этих моделей описаны в цитируемой выше книге М. Озима и Ф. Подосек (1987). Мы представили нашу схему дегазации, привели реальные для условий ядра и мантии реакции и подсчитали количество выделяющейся при этом энергии. Судя по сохранению в течение четырёх миллиардов лет более или менее постоянной температуры на поверхности Земли, в пределах от -60⁰ С до +60⁰ С, выделение энергии дегазации (так же как и радиоактивного распада) проходило с более или менее ровным ослаблением, что компенсировало ровное возрастание потока солнечного излучения (примерно на две трети). Тем не менее, в истории планеты бывали и длительные периоды оледенений, и периоды периодических усилений и ослаблений вулканизма, плутонизма и регионального метаморфизма. Поскольку радиоактивный распад строго постоянен, по-видимому, изменения потока внутреннего тепла Земли были связаны с усилением и ослаблением дегазации, которые пока трудно объяснимы. По-нашему мнению, прекращение лунного вулканизма и сравнительно низкая энергичность “лунотрясений” могут быть объяснены малой мощностью дегазации водорода-гелия на Луне, где и первоначальные запасы их были меньше, и дегазация происходила быстрее, чем на Земле, из-за намного меньшей массы нашего ночного светила.

Вы привели очень интересный феномен с повышенной температурой астероидов. Мы не занимались астероидами. Единственная пришедшая нам в голову возможная причина их разогрева – это торможение и рассеяние ими космического корпускулярного и ионизирующего излучения (в т.ч. солнечного ветра). Земля (поверхность земли) под воздействием такого излучения практически не нагревается, оно гасится в ионосфере.

Список литературы

Gilat A., and Vol, A., 2012. Degassing of primordial hydrogen and helium as the major energy source for internal terrestrial processes. Geoscience Frontiers 3(6) pp. 911-921. http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2012.03.009

Gilat, A., and Vol, A., 2005. Primordial hydrogen-helium degassing, an overlooked major energy source for internal terrestrial processes. HAIT Journal of Science and Engineering B, Vol. 2, Issues 1-2, pp. 125-167 (http://magniel.com/jse/B/vol0201B/p126.html)

Вол, А.Е., 1962. Структуры и свойства бинарных металлических систем, т. 2, физматиздат, Москва, стр. 263-269.

Озима, М., и Подосек, Ф., 1987. Геохимия благородных газов, Недра, Ленинград, 342 стр.