Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Приемы самообороны в протопланетном диске

Воскресенье, 17 Март, 19:03, antihydrogen.livejournal.com
В отличии от изотопов урана, над разделением которых трудится целая индустрия, изотопы легких элементов имеют привычку разделяться сами. Например, талая вода, текущая по нашим улицам, содержит приблизительно на 15% меньше дейтерия и на два процента меньше тяжелого кислорода 18O, чем в океане, из которого она пару недель назад испарилась.

Гидрологический цикл с точки зрения тяжелых изотопов водорода и кислорода

Вообще то, у кислорода три стабильных изотопа: наиболее распространенный 16O, и два тяжелых 17O и 18O. Почему же выше в суперкратком рассказе о уличной воде поминается только 18O? Дело в самом механизме разделения изотопов, за счет которого изменяется содержание 18O в воде. Если, например, вода и пар находятся в равновесии (как вода и пар в облаке), то содержание тяжелых изотопов кислорода 17O и 18O в воде будет выше, чем в паре. Конкретная степень обогащения зависит от температуры, давления, химического и начального изотопного состава вещества, но различие в содержании 17O в воде и паре должно быть в 2 раза меньше, чем для 18O, то есть уровень разделения пропорционален отличию массы изотопа от легкого изотопа 16O. Механизмы разделения изотопов, обладающие этим свойством, называются масс-зависимым фракционированием.

(На самом деле, при равновесном разделении точное отношение между изменением содержания 17O и 18O равно 0.53, и есть еще неравновесные механизмы фракционирования, основанные на различиях в скорости движения молекул, содержащих разные изотопы, которые приводят к отношению 0.51, но с геологической точностью все это можно считать 1/2)

Если взять отклонения δ(17O/16O) и δ(18O/16O) от изотопного состава океана, и для всевозможных образцов кислородсодержащего вещества на Земле нанести точки с координатами x=δ(18O/16O) и y=δ(17O/16O) на плоскость, практически все эти точки лягут на прямую с наклоном 1/2. Так что про текущую по улице воду, если она обогащена 18O на 2% по сравнению с океаном, можно уверенно сказать, что она также обогащена и 17O, но всего на 1%.

А вот для падающих на Землю метеоритов это не так:


(точка (0,0) - средний изотопный состав земных океанов)

Относительное содержание тяжелых изотопов кислорода в метеоритах лежит на прямой не с наклоном 1/2, а с наклоном 1. Это указывает на то, что разделение изотопов кислорода в ходе образования Солнечной Системы происходило за счет какого то механизма, который отличает 17O и 18O от 16O, но не различает тяжелые изотопы 17O и 18O друг от друга. Такие механизмы разделения работают под зонтичным брендом "масс-независимое разделение".

Что, из какого состояния и в какую сторону фракционировалось, можно догадаться, изучив содержание изотопов кислорода в разных небесных телах:

(точка (0,0) - земной океан, по осям отложены отклонения от его состава в в промилле)


Видно, что изотопный состав Солнца (определенный по спектру излучения угарного газа в атмосфере Солнца) лежит на прямой (с наклоном 1) разнообразия изотопного состава так называемых кальций-алюминиевых включений в метеоритах - крупинок тугоплавкой смеси оксидов и силикатов кальция и алюминия, которые являются древнейшим сохранившимся поныне твердым веществом Солнечной системы (в них когда то наличествовал оставшийся от взрыва близкой Сверхновой радиоактивный алюминий-26 с периодом полураспада 0.7 млн. лет, которого уже не было в веществе обычных хондритов, сформировавшихся на 3 млн. лет позже). То есть процесс масс-независимого фракционирования произошел еще до образования этих первых твердых частиц.

После нескольких неудачных попыток, космохимиками было таки предложено изящное объяснение этого феномена: так называемое самоэкранирование (self-shielding) "легкого" угарного газа С16O. Угарный газ - одно из самых распространенных соединение кислорода в межзвездных облаках. Соответственно, много его и в газо-пылевых дисках, обращающихся вокруг новорожденных звезд. Угарный газ под действием ультрафиолета диссоциирует на атомарный кислород и углерод, причем энергия ультрафиолетовых квантов, вызывающих диссоциацию с наибольшей эффективностью, несколько различается для молекул CO с разным изотопным составом. Если на протопланетный диск светит ультрафиолет (абсолютно неважно - со стороны новорожденной центральной звезды или от посторонней горячей звезды, родившейся в том же межзвездном облаке), в внешних слоях газа диссоциация CO с разными изотопами O идет с одинаковой скоростью.

Но изотопа 16O в 500 раз больше чем 17O и 18O вместе взятых! В результате фотоны, которые могут развалить С16O, расходуются еще при прохождении внешних слоев газа. А вот фотоны, разрушающие С17O и С18O, свободно проходят в темные глубины диска, и вызывают разложение С17O и С18O по всему его объему. Иначе говоря, диск непрозрачен для фотонов-убийц С16O и полупрозрачен для фотонов-убийц С17O и С18O. При разложении CO образуются свободные атомы кислорода, которые тут же реагируют с самым распространенным в газо-пылевом облаке газом - молекулярным водородом, образуя воду, которая затем намораживается на частицы пыли, создавая вещество, одинаково обогащенное тяжелыми изотопами кислорода, то есть лежащее на прямой с наклоном 1 на картинках выше.

Этот механизм работал, конечно, не только в древней СС. Астрономы наблюли, что газопылевые диски большей части молодых звезд обогащены C16O по сравнению с местной для них межзвездной среде. То есть C17O и C18O там уже разложились и тяжелый кислород вошел в состав пыли. Потом газ рассеется, а пыль слипнется в астероиды и землеподобные планеты, и через полдесятка миллиардов лет обитатели последних будут обсуждать объяснения изотопному составу падающих обломков первых...

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)