Сторінка
12

Природні системи абіотичного середовища біосфери

Рис. 26. Діаграма Мозлі. Вісь абсцис — порядкові номери елементів; вісь ординат , де λ — довжина хвилі (в sm) характеристичного рентгенівського випромінювання елемента, К, L, М — серії рентгенівського випромінювання

Сьогодні існує кілька форм зображення Періодичної системи, найбільш інформаційно місткою з яких є таблиця у так званому довгоперіодному варіанті (табл. 20).

Зверніть увагу, що у Всесвіті інших елементів, ніж ті, які відомі на Землі, не виявлено. Більше того, усі вивчені елементи космосу як за ізотопним складом, так і за іншими властивостями ідентичні земним, і це ставить на твердий грунт науку пізнання всього матеріального світу.

Космічні елементи можна досліджувати, оскільки на Землю потрапляють метеорити й космічні промені. Останні — це не що інше, як атоми без електронів, тобто атомні ядра. Понад 90% часток космічних променів і 3/4 маси зірок — це протони, тобто ядра атома водню — (позитивний заряд +1). Що більший атомний номер елемента, то менше його поширення у Всесвіті. Згідно із сучасною науковою теорією ядра елементів синтезуються з протонів, позитронів і нейтрино в надрах зірок за температур понад 10 млн К. У ядерному синтезі два протони взаємодіють між собою за реакцією:

(позитрон) + ν (нейтрино), коли один із протонів перетворюється на нейтрон і об’єднується з другим протоном в ядро важкого водню (дейтерій) , при цьому утворюється пози­трон — частка з позитивним зарядом і масою електрона [1/1840 маси протона] та нейтрино. Відповідно до кількості протонів, незалежно від їх об’єднання в ядра, у матерії зірок існує така сама кількість електронів, що зумовлює електронейтральність системи в цілому. Такий стан матерії називається плазмою і в природних умовах біосфери не існує. Але якось же з плазми утворились атоми і елементи в складі літосфери Землі? Кожна епоха висувала нову гіпотезу щодо цього явища. І нині в космології не існує наукової теорії, яка б однозначно, без будь-яких застережень і суперечностей, пояснювала реальні факти. Звичайно вважають, що первинний матеріал Сонячної системи — це газовий і пиловий продукт зірок (різні молекули, іони типу Н2, СН+, SiO, CH3N і тверді частки солей кремнієвої кислоти). Під дією гравітації такі конденсовані речовини й утворили згустки — зародки первинного Сонця і планет. Оскільки на Сонце припала більша маса часток космічної речовини, ніж на інші планети, то воно під дією сил гравітації дуже ущільнилось і, розігрівшись, перетворилося на зірку. Планети з меншою масою, отже й меншою гравітацією, у тім числі й Земля, утворили космічні тіла, які в дальшій еволюції сформували сучасну Сонячну систему. Схему кругообігу елементів у Всесвіті показано на рис. 27.

Кругообіг елементів у біосфері ми розглянемо в загальній схемі перетворення речовини абіотичного і біотичного походження в наступному розділі (2.2).

Рис. 27. Схема кругообігу речовини у Всесвіті

Тут ми з’ясуємо лише розподіл хімічних елементів у літосфері, точніше в земній корі. Раніше ми вже торкалися питання будови і складу земної кори (рис.13). Додамо, що з загального об’єму земної кори 8 · 109 km3 на континентальну кору припадає 5,5 · 109 km3.

Саме земна кора є скарбницею хімічних елементів як для всіх живих організмів Землі, так і для сучасних систем технологій економіки. За класифікацією В. І. Вернадського всі елементи поділено на десять (І… Х) декад. Декада включає групу елементів, вміст яких у земній корі на порядок менший, ніж у попередній декаді з меншим порядковим номером і більше — ніж у наступній декаді. Розподіл елементів з декадами і їх значення для економіки розглядатимуться у ІІІ розділі посібника. Тут скажемо тільки, що І декада включає елементи, вміст яких у земній корі становить десятки відсотків (О і Sі), ІІ декада — від 10 до 1 відсотка (Al, Fe, Ca, Na, K, Mg), ІІІ декада — від 1 до 0,1 відсотка (H, C, Ti, Mn). ІХ і Х декади включають такі елементи, як Au, Pt, Re (10– 6… 10– 7%) і Pa, Ra, At (до 10– 9%).

Земна кора як термодинамічна система

У 1.3.4 ми розглянули закони термодинаміки і термодинамічні функції, отже, можемо набуті знання використати за загальної оцінки напрямку еволюції земної кори, яку стосовно предмета посібника слід розглядати як основу «підніжжя» біосфери. З власного досвіду і вивчення історії ми знаємо, що земна кора є досить активною частиною біосфери.

Відтак цілком виправданим є питання: як виглядатиме з часом земна кора з позицій рівноважного стану термодинамічної системи, її кінцевої стабільності і максимальної ентропії?

Застосування принципів термодинаміки до геологічних і геохімічних процесів земної кори уможливлює оцінку напрямку зміни ен­тропії і відповідь стосовно дальшого існування біосфери, як життєдайного середовища сучасних організмів.

Цієї відповіді вчені шукали відтоді, як було відкрито перший закон термодинаміки. Близько 100 років тому Сванте Арреніус у передмові до вже згадуваної нами книжки «Утворення світів» полемізував з німецьким фізиком Рудольфом Клаузіусом (Clausius, 1822—1888) з питань «виродження» енергії (сьогодні це явище відоме під назвою другого закону термодинаміки — збільшення ентропії S). Клаузіус прогнозував у майбутньому «теплову смерть» Всесвіту, отже і Землі.