Природа космических тел Солнечной системы - Тимофеев Дмитрий Николаевич

Из 33 элементов, составляющих ядро, выбрано 12 слоев элементов, по которым проведен расчет температур на уровнях расположения их слоев. Значения полученных температур и промежуточные параметры для расчета показаны в таблице 8. Расчёты были проведены мной, а данная концепция впервые была опубликованы в работе [Тимофеев, 2014]

По значениям температур этих слоев построена кривая (рис. 21). Здесь мы видим, что начиная от поверхности наружного ядра температура сначала поднимается довольно плавно, затем, примерно в слое никеля начинает происходить значительное нарастание температуры. Начиная со слоя рутения происходит ионизация вещества. Далее в субъядре кривая снова переходит к более плавному поднятию температуры. В центре Земли температура достигает максимума, примерно 780000°К. Именно при такой температуре уран в состоянии газа по расчету имеет плотность 12.5 г/см³ в условиях давления 3.61 миллион атмосфер и находится при этом в седьмой степени ионизации. Снижение интенсивности нарастания температуры на глубине более 5000 км объясняется тем, что основные цепные ядерные реакции активно выделяющие тепло протекают в слое F. Дальнейшее, менее интенсивное нарастание температуры в субъядре (в слое G) объясняется менее активными здесь реакциями, выделяющими тепло за счет радиоактивного распада, здесь U²³⁸ и заурановых элементов.

Рис. 21. Изменение температуры по глубинам в ядре Земли: 1 – кривая давления; 2 – расчетная кривая температуры без учета ионизации атомов; 3 – реальная кривая изменения температуры в ядре Земли с учетом ионизации

В течение истории Земли температура ядра непрерывно растет со средней скоростью примерно 0.17 °С за тысячу лет.

Фотонный газ в ядре Земли

Гипотеза 22

Высокая расчетная температура в ядре Земли требует учесть влияние давления фотонного газа. В газообразном веществе при высоких температурах кроме атомов элемента появляется значительное количество фотонов, которые создают дополнительное давление [Мартинсон, Смирнов http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom5/ch1/formulas/fml1.43_more.htm]. Давление света в обычных условиях составляет очень небольшую величину. Солнечные лучи в яркий день создают давление приблизительно 0.43 дин/м². Однако, учитывая, что давление пропорционально четвертой степени от температуры, при высоких температурах оно достигает значительных величин. Давление фотонного газа рассчитывается по формуле:

Здесь σ – постоянная Стефана—Больцмана, 5.67.10^—8Дж·с^—1·м^—2 · К^—

с – скорость света в вакууме.3х10⁸ м/с,

что соответствует

График изменения давления фотонного газа от температуры (рис. 22). Расчетная величина давления фотонного газа в центре Земли при температуре 780000°К равна 932 атм, что составляет 0,026% от общего давления (3.61миллиона атм.) и уже влияет на состояние ядра. Полное давление в определяемой зоне ядра Земли описывается формулой:

Давление фотонного газа в центре Земли показано (рис. 15).

Рис. 22. Изменение давления фотонного газа от температуры: 1 – давление фотонного газа в центре Земли в настоящее время

Составляющая давления кинетической энергией атомов возрастает линейно от величины температуры, в то время как составляющая давления фотонного газа зависит от температуры в четвертой степени. Поскольку величина давления в ядре ограничивается силами гравитации, то повышение давления фотонного газа компенсируется снижением давления, создаваемого кинетической энергией атомов за счет увеличения объема и снижения плотности вещества. Очевидно, что вклад давления фотонного газа в состояние больших планет Юпитера, Сатурна, а также Солнца и звезд значительно больше, чем у Земли из-за более высокой температуры в их глубинах. Высокие давления фотонного газа привели к расширению веществ и снижению плотностей больших космических тел. Ядро Земли находится в стадии начала процесса расширения от возрастания давления фотонного газа. Величины давлений фотонного газа в ядрах планет растут от непрерывно повышающихся температур.

Малая плотность вещества Сатурна, Юпитера, Урана, а также сравнительно малая плотность вещества Солнца есть следствие не их состава из водорода. Представления о водородном Солнце и водородных больших планетах примитивны. Это, вероятно, то, что первое пришло в голову для объяснения малой плотности веществ этих космических тел, поскольку водород в состоянии разреженного газа имеет самую малую плотность. Есть вещество, которое намного легче водорода в условиях высоких температур и давлений, это фотонный газ. Состав элементов, из которых состоят Солнце, Сатурн, Юпитер, Уран, все-таки ближе к составу Земли, а малая плотность этих космических тел объясняется большим содержанием в их глубинах фотонного газа.

Некоторое давление в глубинах космических тел могут создавать и самые разные виды излучений, например, нейтроны, протоны, α- и β-частицы. Оценка величин такого давления не проводилась, но очевидно, что с увеличением масс космических тел, следовательно, с увеличением интенсивности протекания в них ядерных реакций, значения таких давлений будут возрастать. Эта тема представляет самостоятельный интерес для дальнейших исследований.

Массообмен в ядре Земли

Гипотеза 25

Состояние веществ в ядре Земли не является стабильным и неизменным. Процессы изменения и перемещения веществ начались с самого зарождения планет и продолжаются в настоящее время. Изменения проходят закономерно, одновременно с участием целого ряда процессов, при этом одни процессы завершаются окончательно, как например, полный распад определенных изотопов, другие в определенный момент времени начинаются и продолжаются миллиарды лет. Одни процессы имеют глобальное значение, как по массам, так и по выделениям энергии, другие проходят в малых масштабах. Выглядит так, будто преобразования происходят по программе какого-то командно-временного механизма планетарного масштаба, при этом процессы на разных планетах похожи, имеют сравнительно небольшое отличие, связанное с несколько отличающимися их составами и с разной массой.

Перемещение масс вещества мантии в ядро

Гипотеза 26

С поднятием температуры до достижения значения, при котором энергия теплового движения частиц достигает энергии химических связей, происходит распад пород в атомарное состояние. Такой процесс начался в архее и образовал зарождающиеся ядро Земли и мантию, с образованием границы, где протекают реакции распада.

В процессе распада вещество мантии, имеющее часто сложный состав, разделяется на две основные фракции.  Легкую фракцию, состоящую из веществ со сравнительно малой плотностью атомов, которая поднимается вверх через слои мантийного вещества, образуя столбы дистиллированного (деплетированного) вещества, очищенные от включений более плотных атомов и тяжелую фракцию, которая состоит из веществ со сравнительно большой плотностью атомов. Тяжелая фракция опускается в ядро Земли и разделяется на отдельные виды атомов, распределяясь по соответствующим слоям.  В настоящее время граница раздела находится на глубине примерно 2900 км от поверхности Земли, где давление составляет примерно 1.5 миллиона атмосфер. Известно, что ряд веществ может находиться в состоянии элементов в нормальных условиях (ртуть, золото, инертные газы…). С возрастанием температуры перечень таких элементов увеличивается. Для этих элементов нет препятствий под высоким давлением переходить в состояние кристаллического газа даже не на границе между мантией и ядром. Эти элементы при определенных для них температурных условиях переходят в плотное состояние кристаллического газа в объеме мантии, что приводит к выпадению их из мантии в ядро (для тяжелых элементов) раньше, чем до них дойдет горячий фронт ядра Земли. На поверхности ядра Земли при температуре 4000—5000°С происходит распад самых термостойких здесь мантийных соединений. Образовавшиеся при распаде тяжелые атомарные элементарные вещества конденсируются в отдельные капли кристаллического газа разного состава по видам элементов, которые погружаются в ядро. По расчетам верхний слой ядра состоит из цинка в состоянии кристаллического газа. Нахождение цинка в жидком состоянии здесь исключено, поскольку он имеет сравнительно невысокую температуру кипения 907°С. Таким образом, все элементы образовавшейся тяжелой фракции, если это не цинк, который просто вливается в верхний слой ядра дождем из капель кристаллического газа, идут через цинковый слой, погружаются через другие слои ядра, находя свои слои для каждого элемента, и вливаются в них. По мере опускания происходит нагревание капель более горячими нижними слоями, через которые они проходят, и вещество их в определенные моменты может перейти в состояние реального газа, что, тем не менее, не позволяет ему и в этом состоянии смешиваться с веществом любых окружающих слоев, кроме своего. Производительность выпадающего дождя, пополняющего массу ядра Земли, в среднем за период его развития составляет (масса ядра, деленная на возраст Земли 1934х10²¹/4.5х10⁹=429.7х10¹² кг/год) порядка 500 миллиардов тонн в год. Если мантия будет разрушаться с такой же скоростью и далее, то раскаленные массы ядра появятся на поверхности Земли через 9.4 миллиарда лет, и вся Земля будет состоять из ядра, как практически из одного ядра состоит в настоящее время Юпитер или Солнце.