Гомогенная негомогенность

Геохимик из МГУ изучил окислительную обстановку внутри астероидов

Алексей Щербаков

12 октября, 2017 11:15

6 мин

Аспирант Геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова в составе международного коллектива определил окислительную обстановку внутри астероидов и её изменения в направлении от ядра к поверхности, исследуя метеориты.

Астероиды образовались на ранних стадиях развития Солнечной системы путем аккреции – приращения массы небесного тела за счёт присоединения к нему материала, притягиваемого гравитацией. При достижении достаточной массы температура и давление в центре астероидов повышались, что приводило к формированию протопланеты — «зародыша» планеты.

Дальнейшая аккреция таких небесных тел приводила к образованию планет. Но этот процесс продолжался до конца не всегда: на сегодняшний день в Солнечной системе известно свыше 700 тысяч «недопланет» - астероидов. Некоторые из них до недавнего времени называли малыми планетами.

А иногда они падают на Землю и становятся метеоритами. Поэтому по ним можно изучать процессы, происходившие с планетами Солнечной системы на стадии формирования. Метеориты – это астероиды, орбита которых когда-то пересеклась с земной. Около 87% находимых на Земле метеоритов относится к классу обыкновенных хондритов (от греческого слова χόνδρος – зерно).

Внутри они сложены множеством крохотных сферических образований - хондр, состоящих из кремния (Si), железа (Fe), алюминия (Al), магния (Mg) и марганца (Mn). Образцы метеоритов именно этой подгруппы, предоставленные Музеем внеземного вещества лаборатории Метеоритики ГЕОХИ РАН, и изучали геологи.

В центре тел обыкновенных хондритов вещество находится в окисленном состоянии. На Земле это было бы неудивительно из-за высокой концентрации кислорода в атмосфере, но в космосе, где царит вакуум, такое положение вещей вызвало вопросы! Согласно распространенной модели, окисленное состояние вещества обязано содержавшейся в метеоритах воде, выделявшейся при повышении температуры в центре тела. У поверхности температура ниже, и, соответственно, вещество окислено в меньшей степени.

Другие ученые, исследовав химический состав основных минералов метеоритов, провели термодинамический расчет давления кислорода. Недостаток этого метода заключается в том, что такие расчеты косвенные и потому не могут учитывать все факторы, влияющие на процесс окисления.

«Мы провели прямое измерение парциального давления (давление отдельно взятого компонента газовой смеси) кислорода в серии метеоритов. Оказалось, что большое влияние на давление кислорода оказывают вариации исходного состава астероидного тела, то есть его негомогенность, а также сложное строение, обусловленное возникновением трещин при столкновении с другими телами и их аккрецией», — рассказал один из авторов статьи, аспирант кафедры Геохимии Геологического факультета МГУ Валентин Осадчий.

Изученные хондриты принадлежали к разным химическим группам и были в различной степени метаморфизованы, то есть, изменены под действием температуры и давления.

Прямые измерения парциального давления кислорода в обыкновенных хондритах учёным удалось провести методом ЭДС (электродвижущих сил) с твёрдым электролитом. При проведении такого измерения берутся две системы, в одной из которых парциальное давление кислорода известно.

В данном случае для сравнения учёные использовали атмосферу Земли. Относительно неё авторы измеряли давление во втором сосуде – ампуле с электролитом, где находился метеорит, основными минералами которого являются самородное железо, оливин и пироксен.

Минералы оливин и пироксен содержат магний в переменных количествах – они представляют собой так называемые твёрдые растворы переменного химического состава. В зависимости от количества магния в них меняется и парциальное давление кислорода!

Измерение происходит следующим образом: два сосуда, содержащих кислород, разделены электролитом. Его действие подобно мембране: если давление кислорода с одной стороны больше, чем с другой, то его «излишек» пытается через эту мембрану перейти. Но это может произойти только, если молекула О2 превратится в два иона О2-.

Только эти ионы и пропускает мембрана! В это время через провод, соединяющий оба сосуда, перейдёт электрон. А если к этому проводу подключить вольтметр, мы будем знать ЭДС процесса - насколько сильно электроны «хотят» бежать из одного сосуда в другой. Эта величина напрямую связана с тем, насколько давление в одном сосуде больше, чем в другом.

«До нашей работы все исследователи смотрели на состав минерала, делали большое количество измерений, усредняли их, и потом по составу записывали химическую реакцию и получали давление кислорода в системе. Это было несколько неправильно, потому что в этих минералах, помимо магния, есть другие примеси.

Чтобы правильно произвести все расчёты, надо знать очень большой объём термодинамических данных, которых на настоящий момент нет. Ключевое отличие нашей работы в том, что мы напрямую измеряем парциальное давление кислорода, то есть нам неважен реальный состав внутри метеорита и мы знаем, какое давление кислорода было в момент прекращения в метеорите всех процессов», — объяснил Валентин Осадчий.

В ходе работы выяснилось, что состав вещества почти однороден, что не соответствует многим выдвинутым теориям.

«Мы сделали вывод, что если окисление и было, то оно было незначительным, то есть мы можем судить о количестве воды, которое было в этих телах. Сделать какой-то глобальный вывод о возникновении Земли, конечно, не получится, это довольно узкая работа, но, тем не менее, она лучше позволяет понять, в каких условиях происходило формирование планет.

По разбросу парциального давления кислорода можно понять, насколько однородным (гомогенным) было вещество на стадии аккреции. По нашим данным, состав вещества астероидов и протопланет был достаточно однороден, хотя были версии, что вещество было достаточно сильно негомогенным», — заключил Валентин Осадчий.

Эта работа фундаментального плана проходила в сотрудничестве с Институтом экспериментальной минералогии РАН и Университетом штата Пенсильвания, США. Статья с её результатами опубликована в журнале Meteoritics and Planetary Science.