Ziemia i środowisko - ebook

1. WSTĘP

Czym jest nauka o Ziemi i środowisku i jakie miejsce zajmuje w naukach obejmujących badania środowiskowe? Często myli się ją z ekologią – nauką o strukturze i funkcjonowaniu układów, w których występują organizmy żywe. Przedmiotem jej badań są prawa rządzące wzajemnymi oddziaływaniami pomiędzy organizmami żywymi oraz między tymi organizmami a środowiskiem. Badania ekologiczne obejmują populacje, społeczeństwa i układy ekologiczne, z uwzględnieniem biosfery. Nauka o środowisku (ang. environment science) zajmuje się natomiast badaniem otoczenia człowieka, jego żywych i nieożywionych składników oraz ich wzajemnym oddziaływaniem. Podstawą teoretyczną nauki o środowisku jest ekologia w odniesieniu do człowieka.

Środowisko tworzą wszystkie składniki przyrody. Pojęcie to nie obejmuje przedmiotów wytworzonych przez człowieka, np. samochodów oraz budynków, ponieważ stanowią one otoczenie konkretnego człowieka, a nie społeczeństwa jako całości. Z drugiej strony, obszary Ziemi ukształtowane przez człowieka, np. miasta, zbiorniki wodne, użytki rolne tworzą środowisko całego społeczeństwa. W sensie bardziej szerokim, pojęcie „środowisko” może zawierać również warunki materialne i duchowe istnienia i rozwoju społeczeństwa. Jednak często pod pojęciem „środowisko” rozumie się tylko środowisko naturalne. I tak jest ono traktowane w ujęciu naukowym, także w niniejszej książce.

Na składniki środowiska wpływa przemysł, zmieniając je w sposób bezpośredni lub pośredni. Ten wpływ i jego skutki, głównie negatywne, przybrały na sile podczas rewolucji naukowo-przemysłowej. W jej wyniku wpływ działalności człowieka, obejmujący całą powierzchnię Ziemi, stał się porównywalny z działaniem globalnych czynników naturalnych. Środowisko naturalne stanowi złożony układ, w którym zachodzi oddziaływanie układów abiotycznych i biotycznych, a także składników atmosfery, hydrosfery, litosfery i biosfery jako całości. W środowisku tym działają czynniki egzogenne, endogenne i kosmiczne. W wyniku ich oddziaływania zachodzą procesy, które wywołują różnorodne reakcje fizyczne, chemiczne i biologiczne.

Nauka o Ziemi i środowisku obejmuje kilka dyscyplin chemicznych:

• biochemia – bada naturalne związki chemiczne uczestniczące w oddziaływaniach organizmów żywych i środowiska;

• chemia toksykologiczna – obejmuje oddziaływania związków toksycznych na organizmy żywe;

• chemia analityczna środowiska – zajmuje się poszukiwaniem i identyfikacją substancji oraz oznaczaniem ich ilości w środowisku naturalnym.

Środowisko jest układem obejmującym, w zależności od stanu skupienia jego elementów, atmosferę, hydrosferę i litosferę. Skład chemiczny środowiska, jego zmiany i procesy chemiczne przebiegające w jego sferach mają duży wpływ na życie człowieka. Z drugiej strony, w wyniku działalności człowieka zmianom ulega stan fizyczny atmosfery i hydrosfery, a także zmienia się klimat. Zmiany składu chemicznego i stanu fizycznego środowiska w przeszłości doprowadziły do ewolucji organizmów żywych, stanowiących biosferę.

Rosyjski geochemik W. Wiernadski na początku XX w. wprowadził pojęcie noosfery (od łacińskich słów noos – rozum i sphere – kula) – sfery rozumu – trzeciej po geosferze i biosferze, sfery obecnej na Ziemi. Termin ten pojawiał się również w pracach T. de Chardina. Noosfera jest sferą oddziaływania społeczeństwa i przyrody, w ramach której działalność człowieka jest czynnikiem decydującym o jej rozwoju. Obecnie termin ten używany jest także w odniesieniu do poziomów organizacji życia na Ziemi.

Wiernadski sformułował 12 warunków istnienia noosfery w przyszłości:

1. Zaludnienie całej planety.

2. Przełomowa przemiana środków łączności i wymiany informacji między państwami.

3. Zwiększenie kontaktów, w tym politycznych, między państwami.

4. Dominująca rola człowieka w procesach geologicznych w porównaniu z naturalnymi procesami geologicznymi, zachodzącymi w biosferze.

5. Rozszerzenie granic biosfery i wyjście w kosmos.

6. Wykorzystywanie nowych źródeł energii.

7. Równouprawnienie ludzi należących do różnych ras i religii.

8. Zwiększenie roli społeczeństw w rozwiązywaniu problemów polityki wewnętrznej.

9. Niezależność myśli naukowej i badań naukowych od systemów religijnych, filozoficznych i politycznych; stworzenie w społeczeństwie i państwie warunków sprzyjających swobodzie myśli naukowej.

10. Wzrost dobrobytu. Stworzenie warunków zapobiegających głodowi, nędzy i chorobom.

11. Rozsądna przemiana pierwotnej przyrody Ziemi w celu zaspokojenia wszystkich potrzeb materialnych, estetycznych i duchowych zwiększającej się populacji ludności.

12. Eliminacja wojen z życia ludzkości.

Środowisko naturalne ulega ciągłym zmianom. Obecnie istniejąca atmosfera i litosfera, a także oceany nie są tworami pierwotnymi, lecz są wynikiem długotrwałych procesów tworzenia i stabilizowania na drodze chemicznej i mechanicznej. Zgodnie z opinią większości geofizyków, około czterech miliardów lat temu nastąpiła wielka katastrofa, w wyniku której z jednorodnej materii pierwotnej powstało jądro ziemskie, płaszcz Ziemi, skorupa ziemska, ocean i atmosfera. Ilość wody, uwolnionej w wyniku tej katastrofy, wynosi według różnych szacowań od 30 do 90% współczesnej objętości oceanów. Katastrofa ta nadal trwa, czego dowodem jest aktywność wulkaniczna zmieniająca płaszcz Ziemi.

Nauka o Ziemi i środowisku jest nauką interdyscyplinarną, oprócz chemii, ściśle związaną z biologią i fizyką. Obejmuje ona pewne nauki szczegółowe, takie jak geochemię, ekologię oraz nauki o atmosferze, hydrosferze i litosferze. Pozwala to na znalezienie odpowiedzi na wiele pytań, związanych ze zmianami w tych sferach, oszacowanie skutków tych zmian dla przyszłych pokoleń i znalezienie optymalnych warunków do zachowania możliwie naturalnego charakteru środowiska przyrodniczego.

Do nauk o środowisku można zaliczyć ochronę środowiska. Obejmuje ona środki i działania człowieka podejmowane w celu zachowania naturalnego środowiska przyrodniczego, gwarantującego ciągłość przebiegu najważniejszych procesów zachodzących w biosferze oraz utrzymanie środowiska w stanie zapewniającym optymalne warunki bytowania człowieka. W jej zakres wchodzi ochrona powietrza atmosferycznego (atmosfery), ochrona wód (hydrosfery), ochrona gleb (litosfery) oraz ochrona zasobów naturalnych – odnawialnych i nieodnawialnych.

1.1. Ogólna charakterystyka podstawowych składników środowiska

Ziemia podlega ciągłym zmianom. Zmiany zachodzące na naszej planecie mają charakter zarówno cykliczny (np. zmiana pór roku), jak i jednokierunkowy. Do tych drugich należą procesy przemian substancji Ziemi, zmiany składu atmosfery, formowanie jądra, płaszcza i skorupy ziemskiej. Zmiany te są związane z miejscem Ziemi w kosmosie (wszechświecie).

Z punktu widzenia geometrii, Ziemia jest geoidą – ciałem niebieskim w postaci spłaszczonej kuli. Podstawowe parametry charakteryzujące Ziemię przedstawiono w tabeli 1.1.

Ziemia jest zbudowana z kilku warstw, które są nazywane geosferami. Geosfera to powłoka koncentryczna Ziemi, obejmująca całą planetę, która ma granice podziału z innymi powłokami koncentrycznymi (ryc. 1.1). W obszarze powłoki występuje pewna jednorodność składu chemicznego i właściwości fizycznych.

Geosfera najbardziej zewnętrzna to magnetosfera. Jest to obszar, w którym natężenie pola magnetycznego Ziemi dominuje nad natężeniem wszystkich innych pól magnetycznych. Ma ona kształt złożony, który zmienia się w czasie.

Powłoka gazowa Ziemi, obejmująca troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę oraz egzosferę jest nazywana atmosferą. Jej górna granica znajduje się na wysokości od 500 do 3000 km nad powierzchnią oceanu. Tak duża różnica w określaniu grubości atmosfery wynika z tego, że gęstość powietrza zmniejsza się stopniowo, dlatego określenie granicy zewnętrznej jest trudne. Ogólna masa atmosfery wynosi jedną milionową część masy całej Ziemi.

RYCINA 1.1.

Podstawowe geosfery Ziemi

Tabela 1.1.

Fizyczna i geometryczna charakterystyka Ziemi

----------------------------------------------- ----------
Parametr Wartość
Odległość średnia od Słońca (mln km) 149,5
Prędkość średnia ruchu po orbicie (km/s) 29,8
Ilość energii otrzymywanej od Słońca (kJ/rok) 5,4∙10²¹
Promień równikowy (km) 6378,2
Promień polarny (km) 6356,9
Promień średni (km) 6371,1
Masa (tony) 5,9∙10²⁷
Gęstość średnia (g/cm³) 5,52
Gęstość średnia skał powierzchniowych (g/cm³) 2,75
----------------------------------------------- ----------

Poniżej atmosfery znajduje się hydrosfera – sfera wodna Ziemi. Największą jej częścią jest Ocean Światowy, który pokrywa 71% ogólnej powierzchni Ziemi. Grubość hydrosfery wynosi średnio 3,8 km. Masa hydrosfery wynosi ok. 0,02% masy całej Ziemi.

Następna jest substancja stała planety – litosfera. Jej budowę zbadano do głębokości 12 262 m w super głębokim odwiercie kolskim. O głębszych warstwach można sądzić tylko na podstawie badań sejsmicznych i rozważań teoretycznych. Są one zbadane mniej niż przyziemna przestrzeń kosmiczna. W składzie ciała stałego Ziemi można wydzielić skorupę ziemską, płaszcz i jądro (ryc. 1.2).

Jądro Ziemi to najbardziej wewnętrzna część Ziemi, która prawdopodobnie składa się z żelaza i niklu. Jądro zewnętrzne (ryc. 1.2) sięga do głębokości 5100 km i najprawdopodobniej jest ciałem ciekłym. Jądro wewnętrzne jest podobne do ciała stałego.

Analizując rozprzestrzenianie się fal sejsmicznych (w postaci drgań sprężystych, które rozchodzą się od ognisk trzęsienia Ziemi, wybuchów i innych źródeł), można ocenić, przez jakie warstwy skorupy ziemskiej one przechodzą i gdzie znajdują się granice tych warstw. Rozróżnia się fale powierzchniowe i objętościowe. Te ostatnie dzielą się na fale wzdłużne (fale P) i fale poprzeczne (fale S). Fale wzdłużne obrazują szeregowe ściskanie i rozszerzanie materiału. Rozprzestrzeniają się one we wszystkich środowiskach, przy czym ich prędkość jest 1,7 razy większa niż prędkość fal poprzecznych. Te ostatnie są drganiami sprężystymi, występującymi w kierunku prostopadłym względem kierunku ruchu fali. Rozprzestrzeniają się one tylko w ciałach stałych i nie przechodzą przez ciecze lub gazy. Prędkość ruchu fal tego typu zależy od rodzaju materiału.

RYCINA 1.2.

Budowa Ziemi

Grubość skorupy ziemskiej zmienia się w granicach 5–20 km pod wodami oceanu, 30–40 km pod lądem równinnym i 50–75 km pod obszarami górskimi. Ogólna masa skorupy wynosi ok. 0,8% całej masy Ziemi.

Skład chemiczny skorupy ziemskiej różni się od składu Ziemi jako całości. Składniki główne skorupy – to krzemiany i glinokrzemiany metali alkalicznych i ziem alkalicznych. W składzie skorupy ziemskiej wyróżnia się warstwę skał osadowych i magmowych, warstwę granitową i warstwę bazaltową (ryc. 1.3). Grubość tych warstw w różnych częściach skorupy jest różna; pod dnem oceanu warstwa granitowa może w ogóle nie występować.

RYCINA 1.3.

Skład skorupy ziemskiej

Pod dolną granicą skorupy ziemskiej występuje nieciągłość sejsmiczna, poniżej której prędkość rozprzestrzeniania się fal objętościowych wyraźnie zwiększa się. Zjawisko to odkrył w 1912 roku chorwacki uczony A. Mohorovičic. Jest ono znane pod nazwą „nieciągłość Moho” (ryc. 1.4).

Poniżej nieciągłości Mohorovičicia rozpoczyna się płaszcz. Jest to sfera Ziemi najbardziej masywna, zawierająca 67,2% masy planety. W płaszczu występuje kilka podwarstw, wśród których trzeba wymienić tzw. astenosferę (ryc. 1.5). Astenosfera jest warstwą o małej twardości, trwałości i lepkości. Zaczyna się na głębokości ok. 100 km pod kontynentami i ok. 50 km pod oceanem i sięga do 250–300 km w głąb Ziemi.

Astenosfera jest w istocie półpłynną warstwą płaszcza ziemskiego i jest znacznie bardziej miękka od litosfery. Litosfera składa się z odrębnych formacji, które noszą nazwę płyt lub tarcz (ryc. 1.6). Płyty litosferyczne mogą pływać w astenosferze.

Jeżeli przyrówna się kulę ziemską do arbuza, to płyty litosfery są podobne do kawałków skóry, które przemieszczają się względem siebie, pływając w astenosferze. Substancja ogrzana i skroplona astenosfery unosi się do góry, magazynuje się w przestrzeniach sfałdowanych i stygnie. Procesy te powtórzone wielokrotnie powodują tzw. spreading (z ang. odsuwanie się) – rozprzestrzenianie się substancji i odpychanie wzajemne płyt. Prędkość tego procesu wynosi od kilku milimetrów do 18 cm rocznie. Ponieważ powierzchnia Ziemi jest skończona, przesuwające się płyty nieuchronnie zderzają się z innymi płytami. Wyniki zderzenia zależą od typu oddziałujących płyt. Może to być subdukcja, w trakcie której płyta cięższa i zimniejsza wchodzi pod płytę lżejszą. Rzadko zachodzi proces przeciwny – obdukcja, w którym płyta cięższa nasuwa się na lżejszą. Zderzenie dwóch płyt podobnych do siebie jest kolizją. Części środkowe płyt litosferycznych są stabilne, ich krawędzie natomiast są obszarami aktywności sejsmicznej, na których występują trzęsienia Ziemi.

RYCINA 1.4.

Nieciągłość Mohorovičicia

RYCINA 1.5.

Płyty litosfery na powierzchni częściowo stopionej astenosfery (kolor czerwony)

RYCINA 1.6.

Płyty litosfery Ziemi

Na głębokości ok. 2900 km występuje nieciągłość, która nosi nazwę nieciągłości Wiecherta-Gutenberga. Oddziela ona płaszcz od jądra Ziemi. Poniżej tej nieciągłości prędkość fal podłużnych zmniejsza się, a fale poprzeczne zanikają.

Ze wzrostem głębokości zwiększa się gęstość substancji, ciśnienie i temperatura. Ciśnienie we wnętrzu Ziemi osiąga wartość ok. 3,7 megabarów, a temperatura – ok. 5000°C. W skorupie ziemskiej temperatura zwiększa się o 1°C na ok. 33 m głębokości. Jednak z głębokością tempo wzrostu temperatury zmniejsza się. Na przykład, w najgłębszej kopalni Tau-Tona-Mine (Afryka Południowa) górnicy pracują na głębokości 3900 m w temperaturze 55°C. W kopalni „Progress” (Ukraina) na głębokości 1340 m temperatura wynosi 40°C.

Do poprzednio wymienionych geosfer, geolog E. Suess w roku 1875 dodał pojęcie biosfera. Słowo to pochodzi od łacińskich słów bios – życie i sphere – kula. Biosfera jest sferą zamieszkaną przez organizmy żywe. Jest to globalny ekosystem Ziemi (ryc. 1.7).

Biosfera jest zewnętrzną częścią skorupy Ziemi, która obejmuje powietrze, ląd i wodę (ryc. 1.8). Obejmuje ona wszystkie organizmy żywe i jest to najbogatszy ekosystem Ziemi. Zawiera ponad 3 000 000 gatunków roślin, zwierząt, grzybów i drobnoustrojów. Częścią biosfery jest człowiek, którego działalność wpływa na niektóre procesy naturalne i zmienia je. Jak powiedział W. Wiernadski: Człowiek staje się potężną siłą geologiczną. Dlatego obecny okres istnienia Ziemi jest często nazywany antropocenem. Zarząd Międzynarodowej Unii Nauk Geologicznych (ang. International Union of Geological Sciences – IUGS) ma niebawem podjąć decyzję w sprawie uznania epoki antropocenu za formalną jednostkę w historii naszej planety. Z tego względu należy uwzględnić jeszcze jedną geosferę Ziemi, tzw. antroposferę, porównywalną z noosferą – sferą rozumu, występującą w obrębie biosfery, w której działa człowiek, poddając ją silnej antropopresji. Termin ten używany jest w naukach przyrodniczych, ekologii i geografii.

RYCINA 1.7.

Biosfera. Zaznaczono skupienia planktonu (barwa fioletowo-czerwona) i roślin (barwa żółto-zielona) na powierzchni Ziemi

RYCINA 1.8.

Biosfera jako część skorupy ziemskiej obejmująca powietrze, lądy i wody z żyjącymi w nich organizmami żywymi

Biosfera jako system składa się z wielu komponentów, lecz funkcjonuje jako całość, ponieważ wszystkie organizmy i środowiska ich istnienia są ze sobą związane. Żywe organizmy są podstawą biosfery i jej centralnym elementem.

1.2. Zawartość pierwiastków w naturze

Badania zawartości pierwiastków chemicznych w skałach dały możliwość określenia pewnych prawidłowości w ich rozpowszechnieniu za pomocą liczb nazywanych klarkami. Klark jest to liczba równa średniej zawartości pierwiastka chemicznego w skorupie ziemskiej i hydrosferze (w układach geochemicznych) lub w ciałach kosmicznych (w układach kosmochemicznych) w stosunku do ogólnej masy układu. Klarki wyraża się w procentach lub gramach na kilogram.

Na podstawie badań składu materii ziemskiej, meteorytowej i księżycowej udało się ustalić średni skład chemiczny materii kosmicznej. Na tej podstawie wykreślono krzywą średniego rozpowszechnienia pierwiastków chemicznych. Ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków ich klarki maleją niemonotonicznie: obserwuje się przewagę ilości pierwiastków o liczbie atomowej parzystej względem sąsiednich pierwiastków o liczbie atomowej nieparzystej – ryc. 1.9. Otrzymany wykres stanowi punkt wyjścia do rozważań nad mechanizmami powstawania pierwiastków chemicznych w przyrodzie.

Istnieje pogląd, że rozpowszechnienie występowania pierwiastków w przyrodzie zależy od struktury ich jądra atomowego. Już w 1914 roku G. Oddo zwrócił uwagę na szerokie rozpowszechnienie pierwiastków chemicznych, których liczby atomowe różnią się o cztery. Prawo to zostało następnie szczegółowo zbadane przez V. Garkinsa i A.E. Fersmana. Fersman nazwał to prawo rozpowszechnienia pierwiastków prawem czterech. Oznacza to, że rozpoczynając od helu, co czwarty pierwiastek charakteryzuje się dużą wartością klarka, czyli dużym rozpowszechnieniem w naturze:

He (2), C (2 + 4 = 6), Ne (6 + 4 = 10), Si (10 + 4 = 14), Ar (14 + 4 = 18), Ti (18 + 4 = 22) itd.

Neon (Ne) i argon (Ar) jako gazy szlachetne nie podporządkowują się temu prawu, należy je jednak uwzględniać podczas obliczeń.

RYCINA 1.9.

Zależność logarytmów klarków pierwiastków od ich liczby atomowej według A.E. Fersmana

W ten sposób otrzymuje się szereg rozpowszechnienia pierwiastków w naturze wraz z ich liczbami atomowymi. Mówi się w tym przypadku, że pierwiastki charakteryzują się okresowością rozpowszechnienia. Według Fersmana prawo czterech dotyczy również wszystkich izotopów danego pierwiastka.

Istnieje również prawo rozpowszechnienia pierwiastków znane jako prawo sześciu – sformułowane przez R. Zondera i A.E. Fersmana. Polega ono na tym, że krzywa klarków wyraźnie wskazuje na rozpowszechnienie pierwiastków, których liczby atomowe różnią się o sześć, czyli rozpoczynając od He, każdy pierwiastek, którego liczba atomowa jest większa o sześć w stosunku do liczby atomowej poprzedniego pierwiastka charakteryzuje się dużym rozpowszechnieniem:

He (2) O (2 + 6 = 8) Si (8 + 6 = 14) Ca (14 + 6 = 20) Fe (20 + 6 = 26) itd.

Analiza krzywych klarków pozwoliła Fersmanowi na usystematyzowanie regularności występowania ilości pierwiastków. Skonstruował on podobne krzywe klarków dla skorupy ziemskiej, meteorytów, atmosfery Słońca i gorących gwiazd. Najbardziej kompletne dane dotyczyły skorupy ziemskiej.

Podstawowe reguły rozpowszechnienia pierwiastków w różnych obiektach kosmosu i geosferach Ziemi, Fersman tłumaczy budową jąder tych pierwiastków:

1. Zasadnicza różnica między pierwiastkami parzystymi i nieparzystymi wyraża się w bardzo małej ilości izotopów nieparzystych i pierwiastków nieparzystych. Skutkiem tego jest przewaga klarków izotopów parzystych i pierwiastków parzystych.

2. Występuje ogólna przewaga izotopów parzystych, przy prawie kompletnym braku izotopów parzystych w pierwiastkach nieparzystych i rzadkiej obecności izotopów nieparzystych w pierwiastkach parzystych.

3. Charakterystyczne są znaczne zmiany w budowie atomów, co daje możliwość wydzielenia trzech grup pierwiastków ze względu na ich liczbę atomową (porządkową, Z):

a) od 1 do 7–8;

b) od 9 do 28–29;

c) od 30 do końca układu okresowego.

Pierwiastki o mniejszych liczbach atomowych charakteryzują się tym, że następny nieparzysty pierwiastek różni się od poprzedniego parzystego o 3, rzadziej o 2,5 jednostki atomowe, a od następnego parzystego – o 1 jednostkę atomową. Na przykład:

;

Prawidłowość ta nie występuje przy przejściu od miedzi do cynku:

;

a po przejściu do kolejnych pierwiastków (do końca) całkowicie znika.

Rozpowszechnienie pierwiastków maleje na ogół ze wzrostem liczby atomowej (liczby protonów w jądrze) pierwiastka w sposób prawie regularny. Ale są pierwiastki, które stanowią wyjątki od tej reguły. Największa anomalia spadku rozpowszechnienia, o kilka rzędów, jest związana z dwoma pierwiastkami lekkimi: borem i berylem. Tę anomalię można wytłumaczyć nietrwałością jąder tych pierwiastków w warunkach wypalania się paliwa termonuklearnego w gwiazdach. Jądra te mają bardzo małą energię wiązania nukleonów, w wyniku czego mogą ulegać rozpadowi.

Różną zawartość pierwiastków parzystych i nieparzystych obserwuje się również w organizmach żywych. Na wykresie krzywa łącząca punkty odpowiadające wartościom logarytmicznym zawartości pierwiastków w zależności od liczby atomowej dla pierwiastków nieparzystych w organizmach morskich (ryc. 1.10) znajduje się wyżej niż dla pierwiastków parzystych. W organizmach lądowych jest odwrotnie.

RYCINA 1.10.

Zależność logarytmów klarków pierwiastków w morskich organizmach żywych od ich liczby atomowej: 1) pierwiastki parzyste; 2) pierwiastki nieparzyste

W skorupie ziemskiej występują głównie: tlen (ok. 46%), krzem – ok. 28%, glin – ok. 8%, a także żelazo, wapń, sód, potas i magnez, odpowiednio 6, 4, 2, 2 i 2% – ryc. 1.11.

Na rycinie 1.12 przedstawiono zawartość pierwiastków głównych w skorupie ziemskiej w zależności od liczby protonów (liczby atomowej Z) w jądrze atomowym.

We wszechświecie ogólnie ubywa lekkich pierwiastków, przybywa natomiast ciężkich. Wszechświat wciąż jest młody, ponieważ znajduje się w nim bardzo dużo pierwiastków najlżejszych: wodoru i helu.

RYCINA 1.11.

Zawartość pierwiastków chemicznych w Ziemi jako całości

RYCINA 1.12.

Zależność logarytmu względnej zawartości pierwiastków we wszechświecie od liczby atomowej

1.3. Pierwiastki chemiczne i kosmos

Do XIX wieku uważano, że wszechświat i środowisko ziemskie w całości są niezmienne i istnieją wiecznie. W połowie tegoż wieku Ch.R. Darwin przedstawił teorię ewolucji w biologii, która stwierdzała, że gatunki zmieniają się w czasie, a w końcu przetrwają tylko „najsilniejsze” cechy danego gatunku organizmów (ryc. 1.13). Darwin przedstawił swoją teorię w książce „O powstaniu gatunków” (ang. On the Origin of Species) wydanej w 1859 roku.

Do pierwszej ćwierci XX wieku teorii tej nie odnoszono do innych dziedzin wiedzy, łącznie z fizyką. W 1922 roku, po opracowaniu ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina (ryc. 1.14), rosyjski fizyk Aleksander Friedman rozwiązał równania ogólnej teorii względności dla wszechświata jako całości. Zadziwiające w tym rozwiązaniu było to, że wszechświat nie może być stacjonarny. Musi się rozszerzać. Praca Friedmana została opublikowana w czasopiśmie Zeitschrift für Physik. Początkowo Einstein sceptycznie ocenił tę pracę i nawet wprowadził do równań swojej teorii człon Λ, żeby zabezpieczyć stacjonarność wszechświata. Jednak później Einstein przyznał rację Friedmanowi.

W tym okresie wybitny astronom E. Hubble obserwował nowe, coraz odleglejsze galaktyki. W wyniku tych obserwacji doszedł do wniosku: wszystkie galaktyki oddalają się od naszej z prędkością (V) tym większą, im w większej odległości (r) dana galaktyka od naszej się znajduje. Wniosek ten ma postać prawa Hubble’a (1926 rok), zapisywanego w postaci:

V = H ⋅ r

gdzie: H to stała Hubble’a, V – szybkość galaktyki, r – odległość od obserwatora. Im większa jest odległość galaktyki, tym większa jest szybkość jej oddalania się od obserwatora. Wykorzystując prawo Hubble’a, można obliczyć wiek wszechświata (tH) według wzoru:

tH = r/V = 1/H

Długo przyjmowano, że wszechświat istnieje ok. 14,4 miliarda lat. Obecnie uważa się, że jest on o około miliard lat młodszy. Wszechświat nie istnieje wiecznie, ma swój początek. Współcześnie, jego powstanie opisuje teoria Wielkiego Wybuchu. Zupełnie nowy etap w rozwoju współczesnej kosmologii ewolucyjnej wiąże się z nazwiskiem amerykańskiego fizyka G.A. Gamowa, dzięki któremu w 1948 roku weszła do nauki koncepcja gorącego wszechświata oparta na teorii Friedmana o rozszerzającym się wszechświecie. Według Friedmana, na początku był wybuch kosmicznego promieniowania (ryc. 1.15). Wybuch wystąpił we wszechświecie jednocześnie i wszędzie, wypełniając przestrzeń bardzo gęstą substancją, z której w ciągu miliardów lat powstały wszystkie tworzące go obiekty – Słońce, galaktyki, gwiazdy i planety, w tym Ziemia i wszystko, co na niej występuje. Gamow twierdził, że substancja pierwotna wszechświata była gęsta i bardzo gorąca. Zachodziły w niej reakcje jądrowe, prowadzące do powstania pierwiastków chemicznych.

RYCINA 1.13.

Drzewo ewolucji według Darwina

RYCINA 1.14.

Albert Einstein

RYCINA 1.15.

Powstanie i ewolucja wszechświata

Przewidywania teorii Gamowa są potwierdzone rozkładem zawartości pierwiastków we wszechświecie. Najbardziej efektownym wynikiem tej teorii było przepowiedzenie istnienia kosmicznego promieniowania tła – promieniowania reliktowego. Promieniowanie elektromagnetyczne powinno było istnieć, zgodnie z prawami termodynamiki, razem z substancją gorącą w „epoce gorącej” wczesnego wszechświata. Dowodem na to są pierwsze reakcje termojądrowe, m.in. przemiany jąder wodoru w jądro helu (nukleogeneza) – ryc. 1.16. Promieniowanie pierwotne nie zanikło całkowicie w trakcie rozszerzania wszechświata. Występuje ono także współcześnie w warunkach dużego ochłodzenia. W 1950 roku Gamow oszacował tę temperaturę na ok. 3 K i opublikował to w czasopiśmie Physics Today.

RYCINA 1.16.

Nukleogeneza zgodnie z teorią Gamowa

W 1965 roku, przy zastosowaniu anteny do odbioru fal o długości ok. 3 cm, amerykańscy astrofizycy A.A. Penzias i R.W. Wilson, wykryli istnienie fal docierających do anteny z każdego kierunku. Spostrzeżenie zostało potwierdzone w zakresie długości fal od 0,6 mm do 60 cm, a jego natężenie odpowiadało „promieniowaniu cieplnemu”, odpowiadającemu temperaturze 2,72548 ± 0,00057 K (ryc. 1.17). Odkrycie to potwierdziło teorię Wielkiego Wybuchu.

RYCINA 1.17.

Widmo promieniowania reliktowego: linia ciągła – teoria, punkty – pomiary

Zgodnie ze współczesnymi teoriami, w pierwszych czterech sekundach wszechświat zawierał w równej ilości neutrony i protony oraz elektrony, pozytrony, neutrina i fotony (około miliarda/nukleon). W tym stadium zachodziły procesy:

• tworzenie i anihilacja par cząstek (w fizyce – oddziaływanie cząstki z odpowiadającą jej antycząstką):

e– + e+ ⇄ 2γ

• przemiana neutronu w proton i na odwrót z udziałem antyneutrin :

n ⇄ p + e+ +

Przez pewien okres istniała równowaga pomiędzy oboma typami cząstek. Nieco później, po ok. 2 minutach, temperatura i gęstość materii były już niewystarczające do tworzenia par. W wyniku szybkiego spadku temperatury i gęstości w miarę rozszerzania się wszechświata zaczęła maleć ilość neutronów w stosunku do protonów, zaczął się proces nukleosyntezy. W jego wyniku doszło do powstania jąder atomowych innych niż proton. Najpierw powstały jądra deuteru, który jest nietrwały:

p + n ⇄ + γ

Po upływie 3 minut i 45 sekund temperatura była wystarczająco niska, żeby jądra deuteru nie ulegały rozkładowi wskutek bombardowania fotonami. Niektóre jądra deuteru bombardowane dodatkowymi neutronami, przekształciły się w jądra ³He i ⁴He, a także w jądra litu. W krótkim czasie wytworzyły się wszystkie pierwiastki chemiczne.

Wszechświat powstał w niesamowicie małej objętości, o olbrzymiej gęstości i temperaturze i gwałtownie się rozszerzał (ryc. 1.18).

Okres przed Wielkim Wybuchem określany jest jako era Plancka albo czas Plancka. Jednostka czasu w systemie Plancka oznaczana jest jako:

gdzie: – zredukowana stała Plancka, G – stała grawitacyjna, c – prędkość światła w próżni, a tp jest wyrażone w sekundach. Czas Plancka – czas potrzebny fotonowi do przebycia długości Plancka, czyli 1,61623 ∙ 10−35 m. Długość Plancka jest 10²⁰ razy mniejsza niż rozmiar protonu, którego rząd wielkości wynosi 10−15 m. Wiek wszechświata wyrażony w jednostkach Plancka wynosi 1,7049932 ⋅ 10⁶². Jednostka tp jest najmniejszą jednostką czasu mającą sens fizyczny.

Badania z wykorzystaniem ogólnej teorii względności i elektrodynamiki kwantowej umożliwiły opracowanie modeli teoretycznych dotyczących ewolucji wszechświata. Zgodnie z tymi modelami, po zakończeniu ery Plancka, nastąpiło oddzielenie grawitacji od pozostałych trzech sił – słabego oddziaływania elektrycznego, oddziaływania magnetycznego oraz oddziaływania jądrowego. Silne oddziaływanie jądrowe oddzieliło się od grawitacyjnego i słabego elektrycznego, jednak jego poziom energetyczny był wciąż zbyt wysoki, aby utrzymywać protony i neutrony razem. Dlatego taki wszechświat był skwierczącą zupą kwarkową.

Między 10–36 a 10–32 sekundy od Wielkiego Wybuchu trwała tak zwana „era inflacyjna”. W tak krótkim czasie wszechświat powiększył się co najmniej 10²⁰ razy w porównaniu z rozmiarem wcześniejszym. Inflacja objęła przestrzeń znacznie mniejszą niż objętość protonu i rozdmuchała go do rozmiaru piłki baseballowej. Ta struktura o rozmiarach około 7,6 cm stała się prekursorem znanego wszechświata. Cały wszechświat – a jest to obecnie obiekt o średnicy ok. 93 miliardów lat świetlnych – można byłoby wtedy umieścić w kieszeni. Na przestrzeni miliardów lat odbywała się znacznie wolniejsza niż inflacja ekspansja wszechświata, w wyniku czego teraz ma taką wielkość.

RYCINA 1.18.

Powstanie wszechświata

Po zakończeniu ery inflacyjnej wszechświat składał się prawie wyłącznie z energii (fotonów) i z cząstek elementarnych, które ze względu na ogromną gęstość energii nie mogły istnieć jako związane ze sobą stabilniejsze cząstki. Mogły istnieć tylko mieszaniny kwarków i antykwarków. Okres ten trwał między 10–32 a 10–5 sekundy. Po czasie 10–6 sekundy wszechświat „ochłodził się” do temperatury 10¹³ K. W tych warunkach kwarki zaczęły się łączyć, tworząc protony i neutrony. Wtedy powstały wszystkie cząstki, które występują obecnie we wszechświecie. Jednak ta temperatura była zbyt duża, żeby mogły utworzyć się jądra atomowe.

W czasie 0,11 sekundy temperatura wszechświata wynosiła ok. 3 ⋅ 10¹⁰ K. W tych warunkach część neutronów przekształciła się w protony i elektrony – nastąpiła nadwyżka protonów nad neutronami – mniej więcej w stosunku 68 do 32%. W czasie 1,09 sekundy wszechświat stał się przezroczysty dla neutrin, jednak nadal pozostawał nieprzezroczysty dla fal elektromagnetycznych. Stosunek liczby protonów do neutronów zwiększył się do 76/24%. W wieku wszechświata wynoszącym 380 000 lat jego temperatura wyniosła ok. 3000 K. Był to koniec ery rekombinacji, w której powstały elektrycznie obojętne atomy, a promieniowanie zaczęło swobodnie przemieszczać się w przestrzeni – wszechświat stał się przezroczysty dla fal elektromagnetycznych (ryc. 1.19).

Pierwszymi pierwiastkami były wodór i hel. W miarę ochładzania się wszechświata tworzyły się inne pierwiastki. Podczas chłodzenia cząstki utworzonej materii zbierały się w chmury gazu i kurzu. Pod wpływem grawitacji tworzyły one obiekty większe – galaktyki, gwiazdy i planety. Po ok. 5 miliardach lat uformował się nasz Układ Słoneczny: w centrum chmury utworzyło się Słońce, a mniejsze skupiska kurzu i gazu utworzyły planety (ryc. 1.20) i ich księżyce.

Planety Układu Słonecznego można podzielić na dwie grupy. Najbliżej Słońca znajdują się planety grupy ziemskiej: Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – planety skaliste. Nazwa tej grupy planet jest związana z ich podobieństwem do skalistej Ziemi. Planety grupy ziemskiej obracają się wzdłuż własnej osi. Jeden obrót Ziemi trwa 24 godziny, natomiast obrót Wenus trwa ok. 243 dni. Planety mają atmosferę. Atmosfera Wenus jest bardzo gęsta (ciśnienie na jej powierzchni wynosi ok. 95 atm), natomiast atmosfera Merkurego jest prawie niezauważalna. Skład chemiczny pierwszych czterech planet jest bardzo podobny. Ich głównymi składnikami są krzemiany i żelazo. Żelazo występuje w planetach w postaci ciekłego jądra. Takiego jądra nie ma Wenus. Planety pierwszej czwórki mają pole magnetyczne. Jest ono prawie niezauważalne na Wenus (jako skutek braku jądra z żelaza) i wyraźne na Ziemi. Merkury i Mars mają pola magnetyczne o natężeniu pośrednim.

RYCINA 1.19.

Wszechświat w erze rekombinacji

RYCINA 1.20.

Układ Słoneczny

RYCINA 1.21.

Planety olbrzymy Układu Słonecznego

W większej odległości znajdują się cztery planety olbrzymy (ryc. 1.21). Nie mają one stałej powierzchni, ich atmosfera jest bardzo gęsta, zbudowana głównie z gazów i lodu.

Wszystkie planety poruszają się po orbitach w jednym kierunku, który jest zgodny z kierunkiem rotacji Słońca wzdłuż własnej osi (ryc. 1.22). Jest to ruch przeciwny do ruchu wskazówek zegara, jeżeli patrzy się na Układ Słoneczny od strony bieguna północnego Ziemi. Taki ruch nosi nazwę ruchu prostego. Większość planet również obraca się wzdłuż własnej osi ruchem prostym – od zachodu na wschód. Uran i Pluton obracają się, „leżąc” na boku (mają znacznie nachyloną oś obrotu).

Ziemia porusza się wokół Słońca po orbicie eliptycznej, obracając się jednocześnie wokół własnej osi. Oś rotacji Ziemi tworzy z płaszczyzną ekliptyki, czyli kołem w przestrzeni kosmicznej, po którym przez rok pozornie porusza się Słońce widziane z Ziemi, kąt 66,5°. Skutkiem tego jest występowanie pór roku. W zależności od tego, w jakim punkcie orbity znajduje się Ziemia, jej bieguny i obszary przybiegunowe są oświetlone różnie i różnie kształtują się pory roku. W granicach kół podbiegunowych są dwie pory roku – dzień polarny i noc polarna.

Oś rotacji Wenus jest prawie prostopadła do płaszczyzny jej orbity z rotacją przeciwną do rotacji Ziemi. Na Wenus nie ma zmiany pór roku. Jowisz obraca się wokół swojej osi najszybciej ze wszystkich planet – doba trwa tam tylko 10 godzin. Przy ogromie tej planety wywołuje to potężne burze i wiry. Najsłynniejsze z nich są widoczne z Ziemi przez teleskop jako Wielka Czerwona Plama. Zmieściłyby się w niej dwie kule ziemskie (ryc. 1.23).

A

B

RYCINA 1.22.

Kierunek rotacji planet wzdłuż własnej osi: A) względem płaszczyzny ich orbit; B) oś rotacji Wenus w kierunku przeciwnym do osi rotacji Ziemi

Dotychczas odkryto 173 księżyce krążące wokół planet, 8 satelitów planet karłowatych (w tym 5 wokół Plutona) oraz 282 księżyce planetoid. Największe księżyce planet przedstawiono na rycinie 1.24. Wenus i Merkury nie mają księżyców, Ziemia ma jeden, Mars dwa, Neptun – 14, Uran – 27, Jowisz 79, a Saturn 82.

RYCINA 1.23.

Wielka Czerwona Plama na Jowiszu

Tylko jeden z księżyców Saturna, Tytan, ma gęstą atmosferę, gęstszą niż ziemska, pozostałe nie zawierają jej wcale, bądź jej warstwa jest na tyle rzadka, że niewiele różni się od próżni. Tytan jest również jedynym księżycem, na którym odkryto powierzchniowe zbiorniki cieczy, jednak w przeciwieństwie do ziemskich, wypełnione są węglowodorami. Niemal wszystkie księżyce planet i planet karłowatych otrzymały nazwy po mitycznych postaciach, głównie wywodzących się z mitologii greckiej, a także nordyckiej, celtyckiej, inuickiej (niektóre obiekty Saturna) oraz mitologii ludów zamieszkujących Hawaje (Haumea). Odstępstwem od tej reguły są nazwy niektórych księżyców Urana, które nazwano według postaci z utworów napisanych przez Szekspira oraz Alexandra Pope’a. Nazwy księżyców planetoid mają natomiast zróżnicowaną genezę.

Pod względem charakterystyki orbit, księżyce Układu Słonecznego można podzielić na kilka grup. Księżyce krążące stosunkowo blisko swoich planet obiegają je w większości ruchem prostym, po niemal kołowych orbitach o niewielkim kącie nachylenia w stosunku do płaszczyzny ich równika. Najczęściej poruszają się one ruchem synchronicznym, tj. jedna ich strona jest zawsze odwrócona w kierunku planety, analogicznie jak Księżyc względem Ziemi. Bardziej oddalone księżyce krążą często po mocno ekscentrycznych orbitach, o dużym nachyleniu w stosunku do płaszczyzny równika swoich planet, przy czym podzielić je można na satelity orbitujące ruchem wstecznym oraz orbitujące ruchem prostym, tj. zgodnym z kierunkiem obrotu planety.

RYCINA 1.24.

Największe księżyce planet

Kosmos składa się z galaktyk. W jednej z nich znajduje się Słońce – gwiazda klasy spektralnej G2V (żółty karzeł). Jest ono umieszczone na krańcu galaktyki, do której należy. Gwiazda ta jest centrum układu, który zawiera planety poruszające się po stałych orbitach oraz komety, asteroidy a także satelity planet. Większość orbit ma kształt eliptyczny (ryc. 1.25). Orbity Ziemi i Wenus są prawie kołowe. Natomiast orbity Merkurego i Marsa mają wyraźny mimośród. Dlatego w różnych punktach orbity Marsa jego odległość od Ziemi zmienia się znacznie.

Pod wpływem grawitacji temperatura w środku Słońca stała się wystarczająco duża (ponad 20 milionów K), na tyle że zaczęły w nim zachodzić reakcje termojądrowe, czyli reakcje łączenia się protonów z tworzeniem jąder helu. Tworzenie helu z wodoru jest źródłem energii gwiazd, które są naturalnymi reaktorami termojądrowymi. We wnętrzach gwiazd odbywa się synteza cięższych jąder z lżejszych. Większość gwiazd składa się głównie z wodoru. W wysokiej temperaturze wodór przekształca się w hel:

RYCINA 1.25.

Orbity planet Układu Słonecznego

Energia, która w wyniku powyższych reakcji jest wydzielana, stanowi główne źródło energii gwiazd. Etapem limitującym syntezę jest połączenie dwóch protonów w jądro deuteru, które zachodzi z emisją pozytronu. Czas tego etapu (10¹⁰ lat) określa czas życia gwiazdy w pierwszym okresie jej ewolucji. Jeżeli czas ten byłby 10-krotnie mniejszy, to prawdopodobnie życie na Ziemi nie zdążyłoby się rozwinąć.

Sumaryczny efekt energetyczny w wyniku syntezy helu wynosi:

4 → + 2e+ + 2νe + 26,72 MeV

Od tej energii trzeba jednak odjąć energię neutrino, która wynosi 0,5 MeV. Dlatego energia promieniowania elektromagnetycznego wynosi 26,22 MeV, czyli 2,53 ⋅ 10⁹ kJ/mol. Słońce w czasie 1 sekundy przetwarza ok. 600 milionów ton wodoru, wytwarzając 595,5 milionów ton helu. Wynika z tego, że 4,5 miliona ton masy Słońca w czasie 1 sekundy przekształca się w energię. Biorąc pod uwagę masę Słońca – ok. 10²⁷ ton – widać, że jej zmniejszenie w ciągu sekundy wynosi tylko 4,5 ⋅ 10–19%.

Można by przypuszczać, że jądra będą dalej łączyć się w jądra berylu ():

2 → + γ

Na szczęście jednak taki proces nie zachodzi, gdyż jądro jest bardzo niestabilne. Gdyby beryl się tworzył, Słońce bardzo szybko straciłoby zdolność wytwarzania energii. Po zużyciu wodoru Słońce zacznie się kurczyć, w wyniku czego jego temperatura wzrośnie do 100 milionów stopni. Będą zachodzić reakcje jądrowe, a energia wydzielana w ich wyniku spowoduje, że zewnętrzne warstwy będą się rozszerzać i stygnąć. Powłoka zewnętrzna wtedy „spuchnie” do olbrzymich rozmiarów i przybierze barwę czerwoną. Nasza gwiazda będzie wówczas czerwonym olbrzymem. Po ok. 5,5 miliarda lat Słońce stanie się czerwonym olbrzymem o rozmiarach tak dużych, że obejmie orbitę Merkurego i Wenus, które znajdą się w jego wnętrzu. Niebezpiecznie zbliży się też do Ziemi, zdmuchnie z niej całą atmosferę i spali wszystko na popiół, stopi skały. To monstrualne Słońce obserwowane z Ziemi zajmie prawie połowę horyzontu (ryc. 1.26 i 1.27).

RYCINA 1.26.

Słońce jako czerwony olbrzym

RYCINA 1.27.

Cykl życia Słońca

We wnętrzu czerwonego olbrzyma odbywa się synteza jąder węgla. Może ona zachodzić w wyniku zderzenia trzech cząstek α:

3 →

lub w wyniku wychwytu rezonansowego przez niestabilne jądro jednej cząstki α:

2 → – 95 keV

+ → + γ + 7,3 MeV

Ostatnia reakcja jest możliwa tylko wtedy, gdy zderzenie nastąpi przed rozkładem jądra .

W bardzo wysokich temperaturach jest bardzo prawdopodobny tak zwany cykl węglowo-azotowo-tlenowy, zaproponowany przez H. Bethe’a (niemieckiego fizyka, laureata Nagrody Nobla):

+ + 1,95 MeV

+ e+ + νe + 2,22 MeV

+ + γ + 7,54 MeV

+ + γ + 7,35 MeV

+ e+ + νe + 2,71 MeV

+ + + 4,96 MeV

Wynikiem powyższego cyklu przemian jest połączenie czterech protonów w cząstkę α. Jak widać, najdłużej przebiega reakcja pomiędzy azotem i protonem – 3,2 ⋅ 10⁸ lat. Dlatego czas życia gwiazdy w stadium czerwonego olbrzyma jest rzędu kilku setek milionów lat.

W temperaturze około miliarda kelwinów możliwa jest reakcja:

+ γ → + – 4,75 MeV

Powstające w tej endotermicznej reakcji cząstki α mogą uczestniczyć w reakcjach:

+ → + γ + 9,31 MeV

2 → + + γ + 4,56 MeV

+ → + γ

W podobnych reakcjach z udziałem cząstek α mogą tworzyć się izotopy i .

W warunkach ziemskich reakcje termojądrowe zachodzą tylko w bombach termojądrowych i mają charakter niekontrolowany. Realizacja kontrolowanej syntezy termojądrowej rozwiązałaby problemy energetyczne ludzkości. Dlatego prace prowadzone w tym kierunku mają bardzo duże znaczenie.

Podsumowując, odkrycia w astrofizyce dokonane w XX wieku, pozwoliły na przeniesienie idei ewolucji z biologii do całego wszechświata. Naturalne w tym kontekście wydaje się pytanie o ewolucję pierwiastków chemicznych. Zgodnie z modelem Wielkiego Wybuchu, pierwszym pierwiastkiem, który powstał we wszechświecie jest wodór. Obecność innych pierwiastków można wytłumaczyć ewolucją wodoru w wyniku procesów astrofizycznych. Zawartość pierwiastków we wszechświecie w odniesieniu do ilości krzemu (10⁶ atomów) przedstawiono w tabeli 1.2.

Analiza danych zawartych w tabeli 1.2 pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków:

• we wszechświecie najwięcej jest wodoru i helu;

• bardzo mała jest zawartość pierwiastków lekkich – litu, berylu i boru;

• występują duże ilości pierwiastków od węgla do argonu;

• od potasu następuje zmniejszenie zawartości pierwiastków. Wyjątkiem jest grupa żelazowców oraz takie pierwiastki, jak Cr, Mn, Ni;

• zawartość pierwiastków o parzystych liczbach atomowych jest większa w porównaniu do pierwiastków nieparzystych.