Существует несколько гипотез появления воды на Земле. Согласно первой, вода попала на Землю в ходе кометной бомбардировки. Кометные ядра, богатые льдом, образуют так называемое облако Оорта на дальних окраинах Солнечной системы. Когда солнечной системе шёл первый миллиард, кометы вторгались в её внутренние области намного чаще, чем сейчас, и могли сталкиваться с Землей. По другой гипотезе, вблизи орбиты Юпитера существуют области богатые водой в твердой фазе. Тяготение гигантской планеты в протопланетные времена приводило к падению осколков к формировавшейся Земле, принося воду [1]. Геофизики считают, что вода возникла в результате химических реакций в её недрах, а не была занесена на планету астероидами или метеоритами [2].
Землю постоянно бомбардируют космические излучения как галактического, так и солнечного происхождения. В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического галактического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см2 за 1секунду. Оно состоит в основном из протонов (91%) и альфа-частиц (6,6%) и небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее1%) и электроны (1,5%)
Проникая в атмосферу Земли протон, присоединив электрон, становится сильнейшим химическим реагентом. Наиболее активным атомом и вторым атомом по численности в атмосфере является кислород. Соединение кислорода и водорода образуют воду по реакции
2Н2 + О2→2Н2О
Энергия активации реакции образования воды составляет 75,4 кДж/моль [2]. Заметим, что человек использует огромную энергию соединения водорода и кислорода, например, в самых мощных ракетных двигателях. Сильнейшие восстановительные свойства водорода широко используются в электровакуумном производстве, восстанавливая окисленные поверхности при обезгаживании даже таких тугоплавких металлов как вольфрам, молибден, тантал и др. Особенно важно для таких производств, что в результате процесса не происходит загрязнения внутрицеховых помещений, так как в результате реакции появляются лишь пары воды.
В гидросфере Земли находится 1,39 млрд . км3 воды = 1,39х1021 т.
Земле, по современным данным, исполнилось 4,54 млрд. лет.
Определим сколько протонов количественно, по массе и превратившихся в воду может попасть на земную атмосферу за различные промежутки времени с галактическими космическими лучами.
Радиус Земли с атмосферой в 50 км составляет 6421 км. Площадь такой сферы составляет 51783926696 км2. На каждый квадратный сантиметр такой сферы падает 2-4 частицы. Из них 91%-протоны. За 1 сек в атмосферу Земли попадает 1,5х1018 частиц, из них протонов-1,39х1018 протонов в секунду. Масса протона- 1,672621777х10-27 кг [3].
В таблице 1 приведены данные попадания протонов с галактическими космическими лучами в атмосферу Земли за определенные промежутки времени.
Таблица 1.
|
Количество протонов, попадающих в атмосферу Земли с космическим галактическим излучением за определенное время
|
|||||
|
Количество протонов, попадающих на 1 кв. см атмосферы |
Количество протонов, попадающих в атмосферу Земли с космическим излучением за 1 сек |
Сутки |
Год |
1 млрд лет |
К-во воды за 1 млрд лет |
|
2-4 частицы |
1,39х1018 частиц |
2,32х10-9 кг |
7х10-2кг |
7х107кг=7х104 т |
2,3х106 т |
Превращаясь после взаимодействия с кислородом в воду за 1 млрд лет Земля приобретает 2,3х106 т воды.
Это - ничтожно мало по сравнению с гидросферой Земли.
Более существенный вклад в количество протонов, попадающих в атмосферу Земли, вносит Солнце.
Для оценки количества попадания протонных потоков, исходящих от Солнца, в атмосферу Земли, приведем расчеты.
Сфера Солнца составляет - 6х1022см2. В узкий конус Земли, включая примерно в 5 раз большее количество частиц в соответствии с рис. 2.1 из-за захватывания частиц радиационными и магнитными поясами, долетает в 4,25х105 раз меньше частиц, чем излучаемые звездой. Солнце в целом на 92,1% состоит из водорода, 7,8% составляет гелий, и 0,01% приходится на углерод, железо и др. элементы [8].
За 1 сек. Солнце покидает 1,3х1036 частиц или – 1,19х106 т/с. [4-6]. Из них протонов 1,2х1036 или, с учетом 91% протонов -2,0х109 кг/с= 2х106т/с. До Земли долетает в 4,25х105 раз меньше, т.е. 5 т/с. В соответствии с данными [7, стр.26] «полная потеря вещества за 1 год близка к (2-3)х10-14 массы Солнца или 6,7 млрд тонн в час. Это эквивалентно потере массы, равной массе Земли, за каждые 150 миллионов лет. Тем не менее, до сих пор за счет солнечного ветра Солнце потеряло всего около 0,01 % своей полной массы». Количество протонов, попадающих в атмосферу Земли за разное время сведено в таблицу 2.
Рис. 1. Солнечный ветер и магнитосфера Земли [4].
Таблица 2.
|
Количество протонов, достигающих полусферы Земли за определенное время |
|||||
|
За 1 сек. |
За сутки |
За год |
1 млн лет |
1 млрд лет |
4,54 млрд лет |
|
5 т. |
8,64х104 т. |
31,5х107т |
3,15х1013 т |
3,15х1016 т |
1,43х1017 т |
Соединяясь с кислородом с образованием воды - за 4,54 млрд лет появится около 2,5х1018 т. воды.
По сравнению с массой гидросферы Земли 1,39х1021 почти в тысячу раз меньше!
В настоящее время большое внимание исследователей солнечно-земных связей занимают солнечные вспышки. Известно, что солнечные вспышки влияют на здоровье людей, влияют на электронную аппаратуру и её компоненты как на земле, так и особенно в космосе, воздействуют на погоду, вызывают различные явления в атмосфере земли, как, например, полярные сияния и т.п. [5,6].
Впервые на влияние солнечных вспышек на человека и социальную жизнь на Земле обратил внимание и исследовал эти процессы А.С. Чижевский [9].
Изображение Солнца
Рис. 2. Типичные изображения при наблюдениях спокойного Солнца (слева), во время активных процессов в его атмосфере (в центре) и в период солнечного затмения (справа). На среднем снимке отчётливо видны неоднородные структуры и активные процессы в атмосфере Солнца (вспышки, протуберанцы и т.п.) [4].
Ориентировочно вспышки при минимуме солнечной активности происходят 1 раз в неделю, при максимуме- 1 раз в сутки [7].
Сделаем оценочные расчеты появления протонных потоков в атмосфере Земли при солнечных вспышках. Приведем оценочные расчёты, которые сведены в таблицу 3. Если поток частиц от Солнца значительно возрастает во время вспышек, но они реже по сравнению с обычным излучением в 86400 раз, и до атмосферы Земли долетает 2,3х109÷4,6х1011г/с. [7, стр.31]. До земли доходит в 4,25х105 раз меньше, т.е. 1,0х105-2,х107г/с
Таблица 3
|
Количество протонов, попадающих в атмосферу Земли во время вспышек различной интенсивности |
|||||
|
За 1 сек |
За сутки |
За 1 год |
1 млн лет |
1 млрд лет |
4,54 млрд лет |
|
105- 2х107 г |
8,6х106 -1,73х109 кг |
3х109-6,3х1011 кг |
3х1015- 6,3х1017 кг
|
3х1018- 6,3х1020 кг |
1,36х1019 – 2,86х1021 т |
Соединяясь в атмосфере Земли с кислородом с образованием воды за 4,54 млрд. лет появится 2,4х1020 -5,1х1022 воды.
Это в среднем соответствует содержанию воды в гидросфере Земли.
Можно принять во внимание также следующее соображение.
Согласно Ньютоновскому закону всемирного тяготения сила гравитационного притяжения F между двумя материальными точками с массами m1 и m2 , находящимися на расстоянии r, равна:
F = G*(m1m2)/r2
Поэтому можно принять в соответствии с этим законом, что протоны, как материальные частицы, обладающие массой, притягиваются к массивной Земле в значительно большем количестве, чем только в геометрическом смысле в конусе Солнца и Земли и захватывающими радиационными и магнитными поясами, что только учитывалось в расчетах.
Солнечные космические лучи, попадая в атмосферу Земли распределяются совершенно не равномерно по земной атмосферной сфере, поэтому образование воды за счет реакции водорода с кислородом может происходить совершенно по разному в разное время. На рис 3 показан график распределения интенсивности солнечных космических лучей в атмосфере Земли на примере из работы [8].
Рис. 3
Из графика рис.3 видно, что наиболее интенсивно солнечные космические лучи в данное время проявляют себя на Южном полюсе Земли, в то время как в северном полушарии Земли, на Кольском полуострове обстановка стабильная.
Необходимо также учитывать, что солнечная активность имеет 22-летний и 11-летний циклы активности.
В тоже время кроме солнечной активности Солнца бывают периоды, когда на Солнце не появляются пятна. Так между 1640 и 1700 г.г. на Солнце вообще не было пятен. Этот период, называемый минимумом Маупдера, совпал с «малым ледниковым периодом», общим похолоданием на Земле, когда реки, которые никогда не замерзали, покрылись льдом, а снег лежал круглый год на всех широтах [8].
Т.е. солнечные вспышки могут иметь иногда как положительное, так и отрицательное значение для жизнедеятельности человека на Земле.
Протоны, приходящие с солнечными лучами в атмосферу Земли, имеют различные энергетические величины – от 10-100 МэВ до десятков ГэВ [7]. Поэтому мощные энергетически заряженные частицы, присоединив электрон и став водородом, быстрее вступают в химические реакции с кислородом атмосферы и превращаются в воду. Менее энергетически заряженные частицы определенное время, вероятно, находятся в ожидании определенного импульса. Поэтому во время грозы происходят наиболее мощные дожди и грозовые ливни, когда в реакцию появления воды захватываются и низко энергетические атомы. В другое время происходят медленные осадки от мороси до сильных дождей.
В связи с мощным влиянием солнечных вспышек на метеорологическую обстановку на Земле, вероятно целесообразно исследователям отследить связь погодных условий с изменением магнитной полярности Солнца, которая имеет временную закономерность. Известно, что Солнце меняет магнитную полярность за определенное время. Магнитный цикл Солнца составляет 22 года [8]. «За это время происходит полная переполюсовка магнитного поля Солнца, и пятна, которые представляют собой места выхода магнитного поля из-под фотосферы, возвращаются на
Рис.4. Миграция магнитного полюса Солнца в 22-летнем цикле.
свои места. (теория «солнечного динамо»). Места пятен в течение цикла образуют «диаграмму бабочки», в начале цикла пятна появляются на средних широтах, затем, расширив свой «ареал», дрейфуют к экватору.» [8].
Рис.5. Магнитные «солнечные бабочки» на Солнце [8].
Приведенные выше данные о циклической солнечной активности и вместе с тем непредсказуемости некоторых солнечных процессов, обусловливают необходимость дальнейшего изучения состояния Солнца современными инструментальными методами для набора статистических данных, так как это влияет на все стороны глобальной человеческой деятельности.
Приведенные выше расчетные данные показывают, что солнечные космический ветер является основным вкладчиком появления воды в атмосфере Земли.
Выводы
1. Предложена теория происхождения воды на Земле.
2. Расчетным путём показано, что основной вклад в происхождение воды на Земле вносит космическое солнечное излучение, в котором основной частицей является протон, т.е. ядро атома водорода.
3. Соединение в атмосфере Земли водорода с кислородом приводит к образованию воды.
Библиографическая ссылка
Мостяев В.А. О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВОДЫ НА ЗЕМЛЕ // Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования. – 2021. – № 2. ;URL: https://scientificreview.ru/ru/article/view?id=95 (дата обращения: 26.12.2024).