2014-04-18

Хімія небесних тіл

3.8333333333333 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 3.83 (3 голосів)

Коли енергійні заряджені частинки, які складають зоряний вітер або космічні промені (електрони, протони, ядра гелію з невеликими домішками іонів інших елементів), потрапляють на поверхню небесного тіла, позбавленого атмосфери і магнітного поля, вони неминуче викликають на ній хімічні перетворення, які можуть призводити до утворення як органічних, так і неорганічних речовин.

Космічна органіка

Відомо, що іонізуючі випромінювання становлять небезпеку для живих організмів, так як вони можуть перебудовувати і руйнувати складні багатоатомні молекули. З іншого боку, вільні радикали, що створюються такими випромінюваннями, можуть сприяти утворенню нових хімічних зв'язків і приводити до утворення найпростіших органічних молекул з неорганічної речовини, що спостерігали в багатьох лабораторіях. Для цього є два шляхи - карбонізація і гідрогенізація, тобто збагачення вихідної речовини, яка містить вуглець, атомами вуглецю і водню. Перший з цих процесів має місце в сумішах льодів H2O, CO2, CH4, NH3 та інших заморожених газів, які зустрічаються на периферії планетних систем - на поверхні супутників Юпітера і Сатурна, транснептунових об'єктів та комет. Під дією іонізуючих випромінювань суміш льодів збагачується більш важкими атомами, і в ньому виникають органічні молекули. Так, після опромінення твердого метану (CH4) іонами 3He2+ з енергією 20 МеВ виявлені різноманітні молекули, включаючи поліароматичні сполуки (ПАС) з двома і більше бензольними кільцями. Це показав в 1990 році Курт Реслер з колегами з Інституту хімії Дослідницького центру Юліх (ФРН).

Органічна речовина в льодах проявляє себе оптично їх потемнінням і «почервонінням»: органічні молекули поглинають світло в ультрафіолетовому діапазоні, і краї смуг поглинання дають більше потемніння в синій області спектру, ніж в червоній. Спочатку «білі» зразки льоду по мірі опромінення поступово стають коричневими. Схоже виглядають спектри багатьох позбавлених атмосфери небесних тіл: D-астероїдів (тобто, збагачених вуглецем і силікатами), супутників Юпітера і Сатурна, транснептунових об'єктів.

Подальшу еволюцію органічної речовини при її опромінюванні спільно вивчали у 2003-2007 роках співробітники Харківської обсерваторії, Німецького аерокосмічного центру і обсерваторії сицилійського міста Катанія. Виявилось, що при опромінюванні органічних речовин асфальтитового ряду іонами, які летять зі швидкістю сонячного вітру, мішень збіднюється воднем за рахунок зменшення числа аліфатичних груп (-СH2-,-CH3) і збільшення концентрації ароматичних груп, тобто структура органічної речовини наближалася до графітоподобної.

Однак тривале опромінення не може повністю знищити органічну речовину, перетворивши її в графіт, оскільки іонне бомбардування не тільки руйнує наявні зв'язки CH, але й утворює нові. При великій концентрації водню у зразку переважає руйнування CH-зв'язків, при малій - їх утворення, тобто процес гідрогенізації. Утворення на поверхні графіту найпростіших органічних молекул - газів CH4, C2H2 - при його опромінюванні протонами з енергією близько 1 кеВ спостерігали фізики, які досліджували властивості графіту як перспективного матеріалу внутрішньої стінки термоядерних реакторів.

Утворення більш складних органічних молекул на поверхні опроміненого графіту в Харківській обсерваторії вивчали спільно з колегами з 1986 року. Виявилося, що при опромінюванні графіту іонами H, He, N з енергією 10 кеВ, близькою до енергії іонів сонячного і зоряного вітру, на поверхні утворюються ті ж поліароматичні вуглеводні. Енергійні іони ніби вирізають фрагменти гексагональної графітової сітки, так що крайні атоми молекул вуглецю, що утворюються, виявляються зв'язаними не з сусідами по кристалічній решітці, а з атомами водню. У цих експериментах дослідники отримували такі вуглеводні, як нафталін, фенантрен, бензофлуорен, пірен.

Ці лабораторні експерименти моделюють дві ситуації, які виникають у космічному просторі. Перша з них - близько вуглецевої зірки є хмари графітового пилу, які опромінюються зоряним вітром. І дійсно, ПАС - найпоширеніші органічні молекули в міжзоряному середовищі. Оскільки важко собі уявити, що значні кількості таких складних сполук можуть синтезуватися в розрідженому міжзоряному газі, виникає думка, що синтез йде під дією зоряного вітру на поверхні твердої речовини - графітових пилинок. Кількісний аналіз ПАС, отриманих при лабораторному опроміненні, показав, що вміст ПАС, які спостерігаються в міжзоряному середовищі, можна пояснити саме таким чином.

Друга - в Сонячній системі графітоподібні відкладення можуть виникати навколо кратерів на поверхнях вуглець-вмісних тіл, наприклад на астероїдах С-типу або на Фобосі. Як випливає з експериментів, під дією сонячного вітру така графітоподібна речовина повинна перетворюватися в органічну. Таким чином могла з'явитися частина ПАС, які є у вуглець-вмісних метеоритах - вуглистих хондритах. Утворення ПАС на поверхні графітових відкладень проявляє себе поглинанням світла в ультрафіолетовій області, подібним до того, яке спостерігають у спектрі Фобоса і вуглистих хондритів. Можливо, експедиція «Фобос-ґрунт», перенесена на 2011 рік, зуміє знайти цю органіку.

Вода на Місяці: пошук альтернативи

Пошук інших інтерпретацій експериментів із виявлення води на безатмосферних тілах був викликаний двома обставинами. Перш за все, необхідно визначити джерела води. Адже її знаходять не тільки на астероїдах, де можна припускати наявність гідратованих силікатів, але і на тілах, складених безводними силікатами. По-друге, потрібно вирішити проблему летючості льоду: в космічному вакуумі він швидко випаровується, а слабка гравітація безатмосферних тіл не здатна утримати пару, і вона розсіюється в просторі. Тиск насичених парів та швидкість випаровування експоненціально залежать від температури. Так, метровий шар льоду може зберігатися протягом мільярда років лише в областях, де температура ніколи не перевищувала 100 K. Це постійно затінені кратери, які займають лише частину приполярних районів Місяця і Меркурію. Однак навіть у таких кратерах речовина час від часу розігрівається від метеоритних ударів. Тим часом, якщо вірити даним «Лунар проспектора», «льодом» на Місяці повинні бути покриті або збагачені не тільки полярні шапки, а й значні площі в екваторіальних районах, де температура може перевищувати 350 K.

Справа ускладнюється тим, що зараз немає прямих свідчень наявності води на безатмосферних тілах, а є лише непрямі спостереження, які допускають двояку інтерпретацію. Перший метод - нейтронна спектрометрія. Він у принципі не здатен помітити наявність води, тільки водню. Навряд чи можна вважати, що водень - це завжди вода. У випадку з Місяцем, швидше за все, це саме водень, тобто захоплені частками ґрунту протони сонячного вітру, адже найбільш очевидна дія вітру - іонна імплантація, накопичення в речовині налетілих на нього іонів. Таке накопичення не може тривати нескінченно: після досягнення насичення воно змінюється десорбцією. Концентрація насичення накопичених атомів приблизно дорівнює половині загальної кількості атомів у імплантованою шарі, і під час відсутності десорбції вона досягається швидко: приблизно за триста років. У полярних областях Місяця час насичення в сто разів більший, оскільки вітер там слабший, однак вона залишається в кілька разів меншою, ніж середній час перебування частинки ґрунту на місячній поверхні, який, згідно чисельного моделювання, становить 150 тисяч років. Виходить динамічна рівновага між атомами, які надходять і атомами, що видаляються.

Якби наприкінці пробігу протонів утворювалися нейтральні атоми водню, то через свою високу рухливість вони не могли б накопичуватися в часинці-мішені до концентрацій, що перевищують розчинність в ній водню. Розчинність газів в силікатах дуже мала. Однак концентрація водню та інших атомів сонячного вітру в місячному ґрунті на багато порядків перевищує рівноважну.

Підвищений вміст імплантованих газів забезпечується захопленням атомів у пастках, якими служать радіаційні дефекти. Це може бути як фізичне захоплення у потенційну яму поблизу дефекту, так і хімічне захоплення - насичення збуджених хімічних зв'язків у частинці-мішені. У оксидних частинках при опроміненні протонами можуть утворюватися гідроксильні групи -ОН. Утворення гідроксилу дійсно спостерігалося в численних експериментах з імплантації водню в оксиди - SiO2, Al2O3, TiO2, а також силікати. ОН- групи, як і атоми в пастках, значно менш рухливі, ніж атоми водню, вільно переміщаються між іонами в кристалі або склі.

Здатність пастки утримувати атоми експоненціально залежить від відношення глибини зв'язаної з нею потенційної ями до температури. Температура визначає широтний розподіл імплантованих атомів – менш за все їх має бути на екваторі. Проте можливі нюанси: глибина потенціальної ями залежить від матеріалу частинки, і в окремих районах низьких широт вони можуть краще утримувати імплантовані атоми, ніж у полярних, що і спостерігав «Лунар проспектор». І все ж концентрація водню скрізь на поверхні Місяця дуже низька. Два винятки - постійно затінені кратери Шумейкер і Фаустіні з передбачуваною постійною температурою 100 К. В їхньому реголіті концентрація водню досягає 0,17 %. мас, що в десять разів більше, ніж в інших кратерах. Однак навіть настільки великий вміст водню можна пояснити імплантацією протонів сонячного вітру: низька температура частинок ґрунту полярних районів може перешкоджати десорбції настільки, що в них утворюються газові бульбашки, так звані блістери. Дані з вимірювання питомої поверхні частинок ґрунту не тільки підтверджують цю точку зору, але й показують, що концентрація імплантованого водню в холодних районах може бути навіть у кілька разів більшою за виміряну «Лунар проспектором».

Поки що мова йшла про елемент, який породжує воду - водні. А що з самою водою? Основна інформація про її наявність на поверхні і Місяця, і астероїдів була отримана методами спектроскопії. Ці результати допускають різні трактування: хоч молекули води і дають кілька коливальних смуг поглинання - близько 6 мкм, в інтервалі 2,7 - 3,1 мікрон і їх достатньо сильні обертони 1,4 і 1,9 мкм, - проте з них тільки смуги 6, 1,9 і 3,03 мкм відповідають коливанням, де бере участь молекула H2O як ціле. Смугу 6 мкм важко виділити на тлі теплового випромінювання, смуга 1,9 мкм при малому вмісті води досить слабка, тому пошуки води або гідросилікатів вели у смузі близько 3 мкм. Проте зблизько 3 мкм присутні і смуги, які формуються коливаннями не всієї молекули, а тільки гідроксильної групи, тому поглинання в цій смузі не можна інтерпретувати однозначно.

Чи проявлять себе групи OH радіаційного походження в спектрах безатмосферних тіл? Розрахунки показують, що так. Фізична причина явища та ж, що й у зміни спектрів порошків прозорих частинок, покритих тонким шаром поглинаючої речовини. У лабораторних експериментах було показано, що під кожним квадратним сантиметром поверхні опроміненої частинки в стані насичення знаходиться 5·1017 імплантованих атомів водню. З розрахунку випливає, що якщо значна їх частина перетвориться на гідроксил, то коефіцієнт відбиття силікатів материкових і морських районів на довжині хвилі близько 3 мкм знизиться відповідно з 0,35 і 0,17 до 0,12 і 0,084. Не помітити цього не можна, і очевидно, що таке зниження не буде пов'язане з водою - утворення настільки товстих плівок льоду на частинках місячного реголіту неможливе, він повинен швидко випаровуватися.

Полярний гелій

Міркування про широтний розподіл вмісту водню можна застосувати і до інших імплантованих газів, наприклад до ізотопу 3He, який вважається можливим енергоносієм майбутнього - тому Місяць навіть називають «Перською затокою XXI століття». Зараз, розмірковуючи про нього, розглядають тільки одну сторону процесу - накопичення газу в частинках ґрунту, швидкість якого пропорційна потоку сонячного вітру. Він зменшується з широтою, і тому був зроблений висновок, що найбільше гелію має бути на екваторі. Проте визначальним чинником служить не швидкість накопичення, а швидкість дегазації, яка залежить від температури. Тоді треба чекати зростання концентрації гелію з широтою на тлі локальних варіацій концентрації, викликаних присутністю мінералів, які зв'язують гелій у глибокі пастки.

Захоплення атомів гелію - нетривіальний факт, оскільки вони не можуть зв'язуватися хімічно, а в силу малих розмірів вельми рухливі. Найефективніші пастки для гелію містять мінерали з відносно високою провідністю - наприклад, ільменіт FeTiO3. Поверхневий шар таких мінералів не аморфізується при бомбардуванні сонячним вітром, а радіаційні дефекти, які утворюються на фоні збереженої кристалічної структури, зв'язують томи гелію значно сильніше, ніж менш виражені дефекти аморфної іонної сітки. Енергія зв'язку гелію в таких пастках-вакансіях - близька одного електрон-вольта і більше, так що температура місячної поверхні навіть на екваторі занадто низька для їхнього повного термічного вивільнення.

Оскільки вміст імплантованих газів сонячного вітру в місячному ґрунті визначається швидкістю дегазації, то найбільш перспективними для видобутку таких газів виявляються полярні райони, особливо постійно затінені кратери, де краще відбирати зрілий ґрунт з високим вмістом ільменіту. Можливо, кратери Шумейкер і Фаустіні і є майбутня «Перська затока», здатна дати місячним поселенцям якщо не воду, то щонайменше гелій для термоядерних реакторів?

Коментарі:

blog comments powered by Disqus