Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Основная доля массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов остановилось на 15%.
В начале эры излучения 3000 К < T< 1010 К; 10-21 < d < 104г/см3 нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает трать вещество.
В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т приблизительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10-21г/см3 Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.
Основными источниками сведений о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры. метеоритов пород поверхности Луны и планет.. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных природных системах. поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим элeментам.
С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более распространены, чем с нечетным, особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20, 50, 82, 126 . Этим "магическим" числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американские космохимики Гарольд Юри и Г.Зюсс сказали так: "Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором оно было создано".
Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутренних планет и метеоритов составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не захвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных метеоритов — хондритов.
Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах в газообразном состоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что касается изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С12:С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изотопного состава в солнечной системе, но на других звездах это отношение иное.
Таким образом, все тела солнечной системы построены из небольшого числа элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распространенность существенно падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на радиоактивном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и планеты земной группы. Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные образуют твердые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой, подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах железа.
10. Круговороты каких веществ определяют основные факторы формирования климата и каким образом.
Планеты земной группы, как предполагают ученые, когда-то были похожи друг на друга.
Разница в климате возникла из-зи разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ является газом парниковым, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает тепло планеты и переизлучает часть его к поверхности.
Оценки сделанные М. Хартром, показали снижение содержания углекислого газа в атмосфере со скоростью, точно компенсирующей возрастание светимости Солнца. Он провел аналогичные рассчеты для иных, чем у Земли, расстояний от Солнца и получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. Е. На 5% атмосфера бы нагрелась настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося парникового эффекта, а на расстоянии дальше на 1% а. Е. От Солнца имело бы разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01 а.е. Земля смогла бы избежать этой катастрофы климата.
Нелепо предполагать, что это редкая случайность – появление жизни на нашей планете в таком узком кольце Солнечной системы. Скорее всего, содержание углекислого газа менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Этот режим саморегуляции обеспечил нашей планете устойчивость климата.
Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80% обмена углекислым газом между планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн. лет.
Началом цикла можно считать растворение содержащегося в атмосфере углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода. Угольная кислота вступает в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы кальция и бикарбоната, которые поступают в грунтовые воды, а затем в океан, где оседают в скелетах и раковинах планктона и других организмах, состоящих из карбоната кальция (СаСО3). Останки этих организмов откладываются на океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширяется, через много тысяч лет эти породы приблизятся к краям континентов. Дно подтягивает их под берег, они попадают в земные, недра, где на них действуют давление и температура. Карбонат кальция соединяется с кремнием, образуя силикатные породы и выделяя углекислый газ, т. е. происходит карбонатный метаболизм. Газ попадает вновь в атмосферу через извержения вулканов и срединно-океанические хребты. Цикл завершается (рис. 129).
Изменения температуры земной поверхности влияют на количество углекислого газа в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. При более низкой температуре меньше воды испарится из океана в атмосферу, меньше выпадет дождей, и уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Тогда скорость покидания атмосферы углекислым газом уменьшится, а скорость регенерации его в процессе карбонатного метаболизма и поступления в атмосферу останется на прежнем уровне. Это приведет к накоплению СО2, усилению парникового эффекта и восстановлению более теплого климата. Если по какой-то причине на Земле произошло потепление, то обратная связь сработает в другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны вымерзли, дожди прекратились,
содержание СО, в атмосфере возросло. При современной скорости выделения давление его в 1 бар создается за 20 млн. лет, такого количества углекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают и восстановится нормальный для жизни климат.
В круговороте углекислого газа большую роль играют живые организмы, определяющие изменения климата. Часть углекислого газа (около 20 %), не участвующая в карбонатно-силикатном обмене, выводится из атмосферы фотосинтезирующими растениями. При гниении растений и окислении в почве накапливается СО2, в результате его оказывается в почве больше, чем было 400 млн. лет назад до появления растений, поэтому превращение силикатных материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. Расчеты показывают, что исчезновение растений привело бы в повышению температуры на 10° за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.