Природа космических тел Солнечной системы

Тимофеев Дмитрий Николаевич

Подробной о кристаллическом газе в главе 11 гипотеза 130.

Слои газов элементов на поверхности ядра Земли

Гипотеза 18

Атомы газообразных элементов водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон, сера, хлор, аргон (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar) по причине малых размеров имеют высокую плотность, изначально в условиях ядра Земли находились в состоянии кристаллического газа в слоях расположенных между слоями других тяжелых элементов рис. 19. В ходе разогрева ядра и протекания КР перестановок эти газы вытесняются из ядра, поднимаются несколько охлаждаются в более высоких горизонтах (в том числе и из-за адиабатического расширения) и переходят в состояние близкое к состоянию кристаллических газов. В условиях высоких давлений эти элементы способны сжиматься до плотностей, превышающих наибольшую плотности пород мантии 5.6 г/см³ Земли и поэтому должны находиться ниже нижней границы мантии. Вещество нижней мантии постепенно распадается,

образуя новые слои в ядре. В предыдущие периоды образовались последовательно слои селена, мышьяка, галлия, германия, цинка. В будущем последовательно образуются слои эрбия, железа, тербия, циркония, гадолиния, углерода. Всё это время слои газовых элементов находились и будут продолжать находится на верхнем слое ядра Земли поднимаясь по мере его роста, и снижая свою плотность по мере поднятия на новые горизонты. Верхний слой газовых элементов водород, имеет плотность кристаллического газа 5.64 г/см3 которая лишь немного превышает плотность пород нижней мантии. Когда эта плотность приблизится к плотности веществ нижней мантии газы по очереди начнут резкий подъём через мантию к поверхности Земли. Ряд газов, имеющих меньше атомные веса водород, гелий, азот, кислород по причине диффузии поднимаются в некотором количестве и сейчас, но поднятие затрудняется химическим взаимодействием их с породами мантии, в результате которых образуются вода, различные силикатные породы, руды и углеводороды. В некоторых случаях при местном скоплении избытков образовавшейся горячей воды с паром происходят её выброс совместно с разрушенной породой на поверхность с образованием курумников. Такие образования есть на Урале, также к такому образованию относится Патомский кратер в Восточной Сибири. По мере роста ядра Земли и приближении его границы к коре вся масса этих газов, а также близкая к ним по свойствам сера, поднимется в атмосферу, давление и температура которой увеличатся и приблизятся к состоянию атмосферы на Венере, которая опережает Землю по своей трансформации.

Расчётные значения состояния элементов в слоях ядра Земли

Гипотеза (концепция) 19

Строение современного ядра было рассчитано и впервые представлено в работе [Тимофеев, 2018] табл. 7. Положение слоёв элементов и их толщины в ядре Земли со временем меняются. Изменение происходит постоянно и одновременно по многим параметрам.

Целый ряд тяжелых элементов стабильных изотопов не имеют, поэтому находятся в составе Земли в незначительных количествах и в таблице не показаны. Это TcТ_1/2 2х10⁵лет, PmT_1/2 30лет, PoT_1/2 103 года, AtT_1/2 8.3 часа, RnT_1/2 16 часов, FrT_1|2 22 мин, RaТ_1/2 1617 лет, Ас Т_1/2 21.6 года, Ра Т_1/2 3.43х10⁴ лет.

Не ионизированные элементы с плотностью кристаллического газа меньше 10 г/см³ в ядре образовывать свои слои не могут. Если они образуются в ядре Земли в результате ядерных реакций, то всплывают в мантию.

В расчёте принято, что практически все количество тяжелых элементов состава Земли находится в ядре и соответствует процентному составу элементов Земли, показанному в гипотезе №4 Реальный состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция) [Тимофеев 2013а, Тимофеев 2013в]. Этот состав получен по методу, основанному на использовании в расчетах энергии связей нуклонов в ядрах атомов элементов. По процентному составу и массе Земли (5976Е+21кг) определена масса каждого элемента в планете и показана в столбце 5. В мантии и коре Земли количество тяжелых элементов небольшое, оно укладывается в величину погрешности расчетов и при рассмотрении строения ядра не учитывается. В столбце 6 показана ориентировочная плотность элементов в слоях, взятая из результатов сейсмических исследований ядра Земли на соответствующих глубинах. Используя величины количества элементов в слоях и их плотности, рассчитаны объемы, занимаемые элементами в ядре Земли, показаны в столбце 7. Для определения положения слоя элемента в ядре Земли, рассчитаны плотности элементов в состоянии кристаллического газа. Учитывая, что при максимально плотной гексагональной укладке атомы занимают 74.05% объема вещества, а 25.95% объема вещества составляет межатомное пространство, плотность кристаллического газа составит 0.7405 от плотности соответствующего атома. Расчётные значения плотностей кристаллических газов показаны в столбце 8.

На границе ядра и мантии Земли находятся слои элементов H, N, O, F, S, Cl, He, Ne, Ar суммарная толщина которых может составлять до 40 км.

Элементы Zn, Ho, Dy, Ag, Ni, Cd, Ga, Pd, Mo имеют плотности больше плотностей соответствующих кристаллических газов. Здесь нет свободного межатомного пространства, атомы зажаты в плотную структуру. Предположено, что электронные орбиты этих элементов несколько поджаты давлением до размеров, обеспечивающих соответствующую плотность вещества в слоях. Кинетическая теория газов в этих слоях не работает. В ядре Земли эти элементы по мере возрастания глубины расположены в порядке увеличения плотностей их кристаллических газов. Элементы, расположенные ближе к центру Земли – Ge, As, Se, Br, Ru, Rh, In, Sn, Sb, J, Te, Tu, Lu, Ta, Hf, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, U – имеют плотности в ядре Земли меньше плотностей их кристаллических газов, следовательно, эти элементы находятся в состоянии реального газа. Их плотности в одинаковых условиях по закону Авогадро пропорциональны атомным массам элементов, и расположение их по слоям должно быть в порядке увеличения атомных масс к центру Земли. Из-за высокой температуры в более глубокой части ядра Земли слои элементов, начиная со слоя 24 (рутения), становятся ионизированными. Степень ионизации элементов в слоях возрастает по мере нарастания глубины и доходит до +7 в центре Земли. В слоях ионизированных элементов объемы свободных межатомных пространств становятся больше, поскольку при ионизации атомы значительно уменьшаются в размерах.

В столбце 12 показаны объемы свободных межатомных пространств, которые рассчитаны по формуле:

где V- объем межатомного пространства;

?_сл – плотность элемента в слое;

?_кр– плотность элемента в состоянии кристаллического газа.

Большее свободное пространство означает, что ионизированные слои нагреты до более высоких температур. При положительном значении величины свободного межатомного пространства вещество находится в состоянии реального газа. При отрицательном значении величины вещество находится в состоянии кристаллического газа. Поскольку ядро Земли разогревается, слои со временем, по достижении определенных температур (рис. 17 в) переходят из состояния кристаллического газа в состояние реального газа, что приводит к уменьшению их плотности и перемещению веществ на другие уровни. Очередность перехода зависит от размеров атомов. Атомы малого размера переходят в состояние реального газа при меньшей температуре. По величинам межатомного пространства можно оценить последующие и предшествующие настоящему времени перемещения слоев элементов. Также по величинам свободного межатомного пространства можно рассчитать температуры в слоях ядра Земли, а по температурам определить степень ионизации веществ в слоях.

Учитывая массовый состав элементов и известную массу ядра Земли (внешнего + внутреннего) равную 1934 Е +21 кг определяем, что граница между ядром и мантией проходит по слою цинка с разложением цинковых пород нижней части мантии и нарастанием цинкового слоя в ядре. Масса погруженного цинка в ядро Земли в настоящее время по расчету составляет примерно 668х10²¹кг. Учитывая, что по расчёту количество цинка в массе Земли составляет 12.77% (763 х10²¹кг) оставшаяся масса цинка в мантии и коре 95х10²¹кг. При расчёте не по массам элементов, а по радиусам их слоёв граница ядра-мантии проходит примерно в зоне цинк-аргон, что практически совпадает с расчётом по массам.

При распаде пород вещества мантии, образующиеся тяжелые элементы, распределяются по соответствующим слоям ядра, а легкие элементы поднимаются в кору Земли. Со временем, при дальнейшем росте ядра Земли, над слоем цинка начнёт образовываться следующий по плотности ядер слой элемента эрбия затем слой железа. В настоящее время железа в ядре Земли быть не может совсем, поскольку плотность его атомов (Fe 10.92 г/см³) меньше плотности атомов веществ верхнего слоя в ядре Земли цинка (Zn 11.12 г/см³).

В ядре Земли элементы йод и теллур расположены не в той последовательности, как они находятся в таблице Д. И. Менделеева по той причине, что из-за особенностей изотопного состава элементов йод имеет меньшую атомную массу, чем теллур, следовательно, по закону Авогадро он в газообразном состоянии в одинаковых условиях будет иметь меньшую плотность и находиться выше.

Таблица представлена в упрощенном виде, поскольку многие элементы имеют по несколько изотопов, каждый из которых создал свой слой. В природе около 250 стабильных и около 50 естественных радиоактивных изотопов большая часть из которых находится в ядре Земли Для упрощения в таблице показаны изотопы только в одном слое №2, где изотоп урана 238 обогащенного ураном 235 и ураном 233, поскольку эти изотопы значительно влияет на процессы в ядре Земли. Свои слои образуют и радиоактивные изотопы продуктов ядерных реакций, протекающих в ядре Земли. Кроме того, каждый из элементов может создавать по несколько слоёв в разной степени ионизации. Количество всех слоёв ядра Земли более 300.

Используя значения объемов веществ в слоях и расположения слоев, рассчитаны радиусы верхних границ слоев элементов и их толщины, показанные в столбцах 10 и 11.

В столбце 12 показана сравнительная величина объема свободного межатомного пространства в слое по отношению к объёму кристаллического газа этого элемента. При отрицательных значениях этих величин можно предположить, что атомы несколько упруго сжаты давлением выше плотности кристаллических газов, чего может и не быть если атомы ионизированы и от этого уменьшили свои радиусы.