Природа космических тел Солнечной системы - Тимофеев Дмитрий Николаевич - Страница 14

По тепловому балансу, определяющему температуру, приход тепла обеспечивается процессами:

– ударное и гравитационное статическое собирание, а также сжатие частиц в массу планеты;

– энергии распада радиоактивных элементов;

– энергии распада ядерного топлива по цепному механизму;

– разогрев планеты Солнцем и космическим излучением.

Одновременно имеются процессы, приводящие к потере тепла:

– излучение тепла в космическое пространство;

– совершение работы расширения объема Земли;

– химические реакции по трансформации веществ мантии при повышении температуры;

– расширение при дросселировании газов при поднятии и выходе атмосферы и вод океанов

– плавление веществ ядра Земли и фракций мантии;

– испарение всей массы веществ ядра Земли;

– ионизация элементов в ядре Земли;

– выделение света и образование фотонного газа в ядре Земли.

Нужно учитывать, что в изначальном состоянии вещество газопылевого облака в космическом пространстве находилось в сравнительно холодном состоянии, а также то, что в этом состоянии вещество находилось в виде соединений с малыми изобарными потенциалами.

Наиболее емкие, приводящие к наибольшей потере тепла, процессы ионизации элементов и процессы выделение фотонного газа. Эти процессы происходят только при высоких температурах, но являются практически бездонными для нашей планеты поглотителями тепловой энергии.

Несмотря на значительное выделение тепла, температурная стабильность Земли объясняется прежде всего редким для нашего поверхностного мира явлением, погружением в глубинах Земли более горячего вещества вместо всплытия (конвекции) названное термонизом, о котором еще будет сказано ниже, значительным многоуровневым поглощением тепла в ядре и мантии, большим теплоизолирующим свойством мантии, коры Земли, слоев ядра, а также гравитационным разделением разных элементов по глубине Земли на слои, обеспечивающим изоляцию разогретых масс в центральной её части.

Наибольшее количество энергии поглощается при ионизации атомов. Атомы при ионизации аккумулируют огромное количество энергии. На первую ионизацию, например, калия затрачивается 44398 ккал/кг, на вторую ионизацию – 6687416 ккал/кг, на третью ионизацию —9670580 ккал/кг. Даже при потере только трех электронов (а их у калия 19) 1 кг калия поглощает энергию, содержащуюся в 16.4 тоннах тротила.

Если бы теплообмен в глубинах Земли шел бы по механизму простой конвекции, то при температуре в центре Земли и в 5000°С вся горячая масса ядра всплыла бы на поверхность. То же произошло бы и на Солнце, и температура его фотосферы точно превысила бы наблюдаемые 6000°С. Объяснением того, что такого не происходит может быть только существующее и предлагаемое явление термониза, по причине которого тепло на поверхность не выходит, а аккумулируется ионизацией тяжелых элементов, а также образованием фотонного газа в центре Земли.

Значительная аккумуляция тепла образованием фотонного газа связана с тем, что интенсивность образования фотонов (а значит и поглощения тепла) происходит в четвертой степени от температуры, и при высоких ее значениях увеличивается лавинообразно.

Большое количество процессов выделения и поглощения тепла, а также отсутствие информации в каких значениях эти процессы происходят, делает прямой расчет теплового состояния Земли невозможным. Температуру вещества на разных глубинах удалось рассчитать, используя результаты замера плотностей, расчета значений давлений на разных глубинах и оценки состава веществ геосфер.

По скорости прохождения сейсмических волн известна плотность вещества в ядре. Также сравнительно точно рассчитано давление на разных глубинах ядра. Допускаем, что в условиях ядра Земли свойства веществ соответствуют законам для идеальных газов, что экспериментально подтверждено до давлений в 100000 атм. [Гонигберг, 1960]. Используя значения давлений, плотностей и видов элементов, можно рассчитать температуры по слоям ядра Земли. Закон расширения Менделеева—Клапейрона для всех газов одинаков:

Из этого следует:

где P – давление в нормальных условиях 1 атм.;

V – объем одного г-атома элемента (0.0224м3) в нормальных условиях;

P1 – давление в искомой области;

V1 – объем межатомного пространства одного г-атома в искомой области;

T – температура нормальная 273 градуса К;

Т1 – искомая температура.

Таким образом

T1 = 12187.5 P1V1

Подставив значения объема и давления в тех областях ядра Земли, где по расчетам вещество находится в состоянии реального газа, можно определить здесь температуру.

Расчет температуры в ядре Земли

Гипотеза (концепция) 23

Давление в центре Земли примерно 3,6 миллиона атмосфер. Рассчитаем объем одного грамм-атома урана в ядре Земли, что несложно. Грамм-атом урана – это 238 грамм. Плотность вещества в центре ядра Земли – 12.5 г/см3. Следовательно, объем 1 г-атома урана составит 238/12.5=19.04 см3. Для расчета температуры необходимо убрать из этого объема газа объем, занимаемый самими атомами урана, и оставить только объем межатомного пространства. Объем атома урана составляет 17.15 кубических ангстрем. В одном г-атоме находятся 6х1023атомов. Следовательно, сами атомы занимают 1.029х1025 кубических ангстрем объема. Это равно 10.29 см3. Следовательно, межатомное пространство будет равно 19.04—10.29 = 8.75 см3, что соответствует 8.75х10—6 м3

Подставляя эти величины в формулу, получаем значение температуры в центре ядра Земли 12187.5х3,6х8.75=383906°К.

Однако, такая оценка оказывается неточной, поскольку при такой температуре атомы ионизированы, следовательно, имеют меньший размер, что сказывается на объеме межатомного пространства, использованного для расчета. Для более точной оценки температуры необходимо подобрать степень ионизации атомов, соответствующую расчетной температуре в слое. Для расчета примем допущение, что все атомы при расчетной температуре имеют одинаковую энергию (нет распределения энергий частиц по Максвеллу). Что степень ионизации происходит ступенчато. Что ионизация очередного электрона в элементе начинается по достижении температуры, соответствующей энергии ионизации. Увеличение тепловой энергии атома на 1 эв соответствует увеличению температуры на 7752°К.

При полученной расчетной температуре в 383906°К, атомы будут иметь энергию 383906°К/7752 К=49.52 эв.

Энергия последовательной ионизации атома урана составляет 6.19, 11.6, 19.8, 36.7 эв. Поскольку в литературе энергии ионизации урана более высоких степеней найти не удалось, используем для приближенного расчета близкие энергии ионизации лантана (5.59, 11.38, 19.1, 52.2, 65.7, 80.0, 99.5, 114.1). С учетом неизбежного при пересчете увеличения значений температуры в слое, предположим, что энергия ионизации составляет +7, радиус иона для урана +7 составит примерно 0.8Ǻ, объем иона 2.14Ǻ3, а расчетная температура в центре Земли получается 779220°К, Оценим верно ли мы взяли степень ионизации +7. Разделив рассчитанную температуру 779220 °К/7752°К, получаем энергию ионов в 100.51 эв. Эта энергия соответствует ионизации +7 (для лантана 99.5). Значит, принятая степень ионизации +7 верна.

По этой же схеме рассчитаны температуры в других горизонтах по глубине ядра Земли и показаны в таблице 7. Расчеты проведены по уровням внешних радиусов слоев элементов.