В отличии от кислорода, у азота всего два стабильных изотопа - 15N и 14N, но если по поводу относительного содержания изотопов кислорода в различных небесных телах возникали вопросы качественные, по поводу изотопов азота - количественные:
(Объекты отсортированы по расстоянию от Солнца)
Отношение 15N/14N в межзвездной среде, Солнце(по данным зонда "Genesis"), Юпитере (по данным "Infrared Space Observatory") и нитриде титана из древних тугоплавких включений (СAI) в метеоритах одинаково, и очевидно совпадает с первоначальным изотопным составом протозвездного облака, из которого сконденсировалась Солнечная Система.
Нитрид титана на фоне куполов. Православным хевиметаллистам на заметку: природный нитрид титана называется осборнит.
А вот на Земле и прочих планетах земной группы относительное содержание тяжелого азота почти вдвое больше, чем исходное. На кометах оно еще вдвое больше. Состав азота в атмосфере Марса отличается от состава азота в камнях Марса, но совпадает с составом комет. Изотопный же состав метеоритов (без CAI) варьирует от земного до на порядок большего, чем исходный.
Учитывая, что относительное различие масс у 15N и 14N меньше, чем у 16O и 18O, а вариации содержания гораздо больше, это говорит нам о том, что с азотом случилось что то сильно отличное от тривиального равновесного распределения изотопов по агрегатным состояниям и это "что то" значительно превышает по эффекту фотохимические реакции с самоэкранированием.
После нескольких неудачных попыток, космохимиками было таки предложено объяснение этого феномена: это следствие обменных реакций в газе между свободными атомами азота 15N (возникающими из-за диссоциации молекулярного азота N2 при реакции с ионами гелия He+) и азотсодержащими молекулярными ионами (возникающими из-за реакций другого продукта реакции He++N2 - ионов азота N+ - c молекулами H2 и СH). Такие реакции экзотермические, поэтому тяжелому азоту энергетически выгодно полностью перейти в молекулы, а 14N - накопится в одноатомной форме. Но энергетический выход таких реакций очень мал, эквивалентен нагреву всего на 30 градусов, так что чтобы прямая реакция доминировала над обратной - нужны очень низкие температуры. А чтобы существовала заметная доля атомарного азота - очень низкие плотности. Это приводит нас к куда более ранней стадии развития Солнечной Системы, чем помянутая в предыдущем посте - к начальным этапам сжатия межзвездного газо-пылевого облака, до возникновения Солнца.
Аналогичные обменные реакции должны идти и с дейтерием (только с большим энергетическим выходом), результатом чего должен получаться обогащенный тяжелым азотом и дейтерием аммиак NH3, либо, на альтернативной ветке - обогащенные тяжелым азотом циан CN и циановодород HCN. На более поздних этапах сжатия и аммиак, и циан должны намерзнуть на пыль, вступить в химические реакции и образовать простые органические молекулы, которые должны в итоге попасть в состав метеоритов.
Но наиболее обогащенные дейтерием метеориты весьма умеренно обогащены тяжелым азотом, и наоборот - метеориты-рекордсмены по 15N содержат умеренное количество дейтерия, и химический анализ показывает, что тяжелый азот в них входит в органику в виде нитрильных групп -СN. Также, кометы группы Юпитера и кометы из облака Оорта сильно отличаются по содержанию дейтерия, но практически эквивалентны по тяжелому азоту. Все это указывает на то, что обогащение тяжелым азотом произошло только для циана, а для аммиака оно было подавлено. Объяснение этого факта: на начальном, наиболее холодном этапе сжатия, переход тяжелого азота в аммиак был подавлен из-за наличия большого количества орто-водорода. Превращение ортоводорода в параводород приводило к тому, что включающие молекулярный водород реакционные пути были как бы нагреты до температуры 170 кельвинов, в то время как вокруг было около 10 кельвинов.
Позже, путем изучения спектров микроволнового излучения был определен изотопный состав азотсодержащих газов в нескольких холодных протозвездных облаках (aka небулах):
То же самое, что и на верхней картинке, но с добавлением данных по протозвездным газо-пылевым облакам (справа).
Видно, что в протозвездных облаках все так, как по вышеописанным выводам должно было быть в облаке, породившем Солнечную Систему: изотопный состав аммиака, молекулярного азота и их производных не слишком отличается от межзвездного (1 атом 15N на 400 с копейками атомов 14N), а вот циановодород в разных частях одного и того же облака обогащен 15N до уровней от земного до кометного.
Таким образом, азот в нашей атмосфере и в нас самих получился из цианида, образовавшегося в ужасающем холоде черного межзвездного облака до возникновения Солнца...
Комментарии (0)