Tuesday, January 25, 2011

Na poczatku byl Uran i Tor

W poprzednim wpisie postawilem hipoteze mowiaca, ze znaczna liczba radiopierwiastkow znajdujaca sie w jadrze Ziemi jest rzeczywista przyczyna oscylacji ziemskiej temperatury. Chodzilo mi glownie o uran gdyz glownym sprawca periodycznych ochlodzen  i ocieplen byl powstajacy z niego pluton Pu-239, ktory podlegal procesowi rozszczepienia neutronami. Izotopy uranu, U-238, U-235 obok rozpadu alfa podlegaja takze spontanicznej fragmentaryzacji czyli rozszczepieniu i ten ostatni proces moze grac glowna role w produkcji pierwiastkow ciezszych o liczbie masowej wiekszej od 60 na Naszej Drogiej Planecie. Ilosci uranu, ktore wynikaly z obliczen wzbudzily podejrzenia wsrod doborowego grona moich czytelnikow. Uran uwazany jest bowiem ze pierwiastek rzadki. Wiemy tez, ze nie jest to pierwiastek pochodzenia slonecznego gdyz dla jego powstania konieczne jest duze stezenie neutronow, ktorego w Sloncu raczej sie nie spodziewamy. Jest tak dlatego, ze reakcje jadrowe prowadzace od pierwiastkow lzejszych (np. zelaza) do ciezszych (takich jak uran, tor, zloto, platynowce itp) sa reakcjami endotermicznymi. Aby uzyskac zadawalajaca wydajnosc ciezszych jader i przesunac rownowage w kierunku produktow musimy zapewnic wysokie stezenie neutonow w srodowisku reakcji. To zas jest mozliwe np we wnetrzu ostatnich stadiow gwiazdy supernowej badz w hipotetycznej materii pierwotnej znanej jako ylem lub polineutron. Tak wiec wszystkie pierwiastki o liczbie masowej wiekszej niz 60 musialy powstac poza Naszym Ukladem Slonecznym i w jakis sposob dostanc sie w sklad materii planetarnej Ziemi. Zauwazmy, ze nawet przyjmujac, moim zdaniem bledny, poglad klasycznych geologow, mowiacy, ze wiekszosc pierwiastkow radioaktywnych umiejscowiona jest w skorupie ziemskiej (czemu przeczy jednorodnosc stumienia ciepla wychodzacego na powierzchni Ziemi) , to ilosci uranu, toru czy potasu K-40 znajdujace sie w skorupie ziemskiej wcale nie sa male. Skorupa  ziemska ma grubosc okolo 30 km (mniej pod oceanami) z czego 15 km stanowia granity a druga polowe bazalty. Granit zawiera 4g/tone uranu, 13 g/tone toru i 4.1 g/tone izotopu K-40. Bazalt jest znacznie ubozszy w te pierwiastki zawierajac okolo 0.6 g/tone U, 2 g/tone Th i 1.5 g/tone K-40.  Jeszcze mniejsze stezenia tych pierwiastkow zawiera perydotyt stanowiacy plaszcz Ziemi. Dla uproszczenia wezmy pod uwage tylko granity. Warstwa granitowa zwana Sialem (od Si-Al) ma gestosc okolo 3000 kg/m^3. Jej objetosc mozna oszacowac na 7.6x10^18 m^3.  Calkowita masa granitu w skorupie wynosi wiec okolo 2.3x10^19 ton. W tym: uranu 9.2x10^13 ton, toru 3.0 x 10^14  ton oraz potasu K-40 9.4x10^13 ton. Wcale nie tak malo! Sa to zreszta dane dotyczace zawartosci radiopierwiastkow w skorupie ziemskiej obecnie. Jesli wziasc za dobra monete bajdurzenia geologow mowiacych, ze najstarsze skaly na Ziemi  maja okolo 4 mld (10^9) lat to ilosc ta co najmniej sie podwoji.  Uran, tor i inne ciezkie pierwiastki musza byc pochodzenia poza-ukladowego i kwestia jest tylko jaki byl mechanizm generacji planet okolo-slonecznych.  Jak wiemy, nasz uklad planetarny jest niemal jednoplaszczyznowy (Pluton nieco odstaje). Taka konfiguracja nie jest wymuszona wzgledami mechaniki cial niebieskich. Gdyby przyjac hipoteze (powszechna wsrod geofizykow), ze planety powstaly w wyniku kondensacji pylu kosmicznego wokol Slonca to trudno wyjasnic dlaczego ten proces preferowal wlasnie plaszczyzne rownikowa Slonca zamiast  pozwolic aby centra nukleacji powstaly w miare jednorodnie wokol gwiazdy. W dodatku zalazki planetarne musialy posiadac pewna predkosc poczatkowa ( w kierunku prostopadlym do promienia wodzacego wychodzacego z centrum Slonca) . Inaczej oddzialywanie newtonowskie spowodowaloby ich spadek na gwiazde. Osobiscie uwazam, ze "Na poczatku byl Uran" albo raczej spory asteroid zawierajacy duza ilosc pierwiastkow ciezkich, ktory ulegl nie-elastycznemu rozpraszaniu przez Slonce trafiajac w przekroj czynny owej gwiazdy. Asteroid ow powstal jakis czas temu (ale chyba nie podczas Big Bang) byc moze przy okazji wybuchu supernowej. Podczas kolizji ze Sloncem rozpadl sie on na kilka czesci, ktore zabraly tez pewna ilosc materii slonecznej. Gdyby zderzenie to bylo elastyczne to oczywiscie asteroid okrazylby Slonce i odlecial dalej w Kosmos. Ze wzgledu jednak na to, ze fragmenty jego stracily pewna energie kinetyczna i nabraly masy rabujac z niej  Slonce, mogly z nich powstac krople  materii o miesznym skladzie, ktore znalazly sie w stanie zwiazanym ze Sloncem silami grawitacyjnymi. W ten sposob powstal nasz uklad planetarny przy czym zalazki planetarne o wiekszej gestosci umiescily sie na orbitach blizej Slonca a te zlozone z materii o nizszej gestosci znalazly sie od niego dalej. Zauwazmy, ze Kosmos jest w zasadzie wielka proznia, w ktorej poruszac sie moga obiekty o najrozmaitszym ksztalcie. To, ze nasze bratnie planety i Ziemia sa niemal doskonalymi kulami zawdzieczamy temu samemu zjawisku, ktore powoduje, ze krople deszczu sa kuliste podobnie jak kulki rozlanej rteci. To napiecie powierzchniowe zmusilo przyszle planety do obrania ksztaltu kuli. Z tego wynika, ze w poczatkowym, post-kolizyjnym stadium, wszystkie planety byly plynami. Wiemy tez, ze Ziemia i zapewne inne planety maja strukture warstwowa. Sa  one zbudowane z warstw materialu o gestosci wzrastajacej w miare zblizania sie do centrum planety. Taka struktura "cebulowa" nie moze jednak powstac jesli nie ma uprzednio w  planecie ciezkiego centrum, ktore wywola dzialanie porzadkujace materie wewnatrz -planetarna wedlug kryterium gestosci. Na Ziemi mozemy, na przyklad sporzadzic mieszanine powiedzmy wody, oleju i rteci, potem ja zhomogenizowac i odstawic. Wkrotce zobaczymy znowu rozdzielenie faz. Na dole zlewki bedzie rtec , wyzej woda a najwyzej olej.  Takie spontaniczne rozdzielenie nie byloby mozliwe bez ziemskiego pola grawitacyjnego. W Kosmosie mielibysmy "mleko" skladajace sie z kropli stosownych materialow gdyz nie byloby tam wyroznionego kierunku (pomijajac pola grawitacyjne odleglych obiektow). Inaczej mowiac, "cebulowa" struktura Ziemi mowi nam, ze pierwotny plyn zlozony ze stopionych metali i innych pierwiastkow znajdowal sie pod porzadkujacym  wplywem wlasnego ciezkiego centrum, ktorym zapewne byl fragment asteroidu zawierajacy metale ciezkie, ktore obecnie tworza jadro. I znowu okazuje sie jak nieslychanymi wrecz szczesciarzami na skale kosmiczna jestesmy my jako mieszkancy Naszej Ukochanej Planety. Nie tylko Najwyzszy trafil celnie w przekroj czynny Slonca ale w dodatku siedzimy wlasnie na tym szrapnelu z kosmicznego pocisku, ktory wyladowal w strefie kosmicznego komfortu wokol naszego Slonca. Odrobine dalej (np Mars)  a zycie nie mialoby szansy ze wzgledu na zbyt niskie temperatury powierzchni. Troche blizej (Merkury czy Wenus) i nie moglibysmy na tej planecie wytrzymac ze wzgledu na wysokie temperatury i silne promieniowanie. A tak jak jest siedzimy sobie jak u Pana Boga za piecem i mozemy sie najwyzej martwic, ze od czasu do czasu to ogrzewanie "siada" i nastepuje wymiana gatunkow.

11 comments:

panika2008 said...

To bardzo ciekawa hipoteza i tym razem nie wiem, do czego mógłbym się przyczepić ;) Tymniemniej - b. trudna w weryfikacji...

Teza o niemożliwości segregacji bez pierwotnej różnicy gęstości jest wg mnie niepoprawna; segregacja może nastąpić pod wpływem gradientu grawitacji, który wykazują wszystkie ciała - także dostatecznie masywne, a jednorodne. Po zapoczątkowaniu segregacji proces ten, na skutek wzrostu niejednorodności gęstości, powinien przyspieszać, by ostatecznie spowolnić do jakiegoś tam poziomu równowagi, gdy trend segregacji pod wpływem grawitacji równoważy się z oporami mechanicznymi "dobrze uleżałej" planety.

PS. Nie wiadomo, czy Mars zawsze był martwy; istnieją wiarygodne hipotezy, że kiedyś istniało na nim życie; ba, są hipotezy że w b. ograniczonym zakresie i teraz istnieje - w cieplejszych lokalizacjach pod powierzchnią czap lodowych (podobna hipoteza dotyczy kilku księżyców Jowisza czy Saturna).

Bobola said...

@panika2008
Powstanie gradientu pola grawitacyjnego jest mozliwe tylko wtedy kiedy zaistnieje gradient gestosci. Inaczej system jest translacyjnie inwariantny. Spontanicznie moga sie pojawic fluktuacje gestosci ale cudem by bylo gdyby pojawily sie one w srodku masy podrozujacej kropli. Jest jednak inna mozliwosc. Wiadomo, ze niemal wszystkie metale ( a moze wszystkie) cechuje to, ze stan staly ma wieksza gestosc od cieczy. Goraca kula plynu stygnie przez promieniowanie i podczas tego procesu powstajaca "kra" ze stalego metalu na powierzchni moze utopic sie i tym samym utworzyc zarodek krystalizacji.A moze byc tez tak, ze powstanie trwala, samopodtrzymujaca sie skorupa i system bedzie zamarzal do wewnatrz w miare dalszego jej schladzania. Wtedy selekcja pod wzgledem gestosci bedzie postepowala od powierzchni wglab. Jak dotad niczego takiego nie odkryto przynajmniej w naszym ukladzie planetarnym. Ten problem jest podobny do kwestii nukleacji w roztworach. Zdarzaja sie przechlodzone roztwory nasycone, ktore nie krystalizuja bo brak w nich zalazkow nukleacji.
Co do Marsa i innych obiektow to istnienie zycia nawet w postaci bakterii jest nardzo watpliwe ze wzgledu na niskie temperatury i brak atmosfery co powoduje niestabilnosc tempertury pomiedzy noca a dniem. Komorki sa w gruncie rzeczy kroplami wody z drobna iloscia bialka. Zamarzanie im nie sluzy.

panika2008 said...

@Bobola: odkurzyłem równania grawitacji i racja - bez pierwotnej różnicy gęstości nie może zaistnieć gradient. Ha! To rzeczywiście trochę utrudnia wytłumaczenie genezy planet od A do Z!

HansKlos said...

@Bobola
"Nie tylko Najwyzszy trafil celnie w przekroj czynny Slonca ale w dodatku siedzimy wlasnie na tym szrapnelu z kosmicznego pocisku"

To by sugerowało, ze Słońce jest jednym z elementów układu podwójnego, rozciagnietego w przestrzeni z których ten inny składnik uległ częściowej destrukcji, a kawałki wyrwane z jego ciała stały sie zaczatkami planet. Istnieje na to nawet stosownie udokumentowana teoria

34 said...

Koncept asteroidy który uderzył w przekrój czynny Słońca i wytworzył planety układu słonecznego uważam za krańcowo mało prawdopodobny.

Najbardziej prawdopodobna jest najprostsza możliwość.

Wybuch masywnej Supernowej pozostawił po sobie gazy i pył w którym znalazły się także frakcje pierwiastków ciężkich.

Gradient gęstości (inicjujący) powstał z całą pewnością dzięki przypadkowej koncentracji pierwiastków ciężkich bez jakiejkolwiek konieczności asteroidy jako czynnika sprawczego.

Co do kształtu ciał niebieskich -kreuje go sama grawitacja i ruch obrotowy, siła napięcia powierzchniowego przy tej skali ma znaczenie mniej niż marginalne.
Podawanie tu przykładu kropli wody jest absurdem.

Proponuję Gospodarzowi wylać kubeł zimnej wody, nie powiem na co, i obserwować wpływ napięcia powierzchniowego na kilka litrów wody.

Bobola said...

@Hans Koss
Niewiele wiem o genezie ukladow planetarnych. Raup na hipotezie gwiazdy podwojnej oparl swoj harmonogram katastrof kosmicznych. Ja zas tylko z przyjemnoscia zauwazam, ze wyprowadzona niegdys przezemnie formula na funkcje korelacji gestosci grawitacyjnych obiektow ("On the galactic pair correlation function for a graviatational plasma" Astpophys. J (1994) 421, L9-12) wydaje sie stosowac rowniez do rozkladu gestosci w naszym ukladzie planetarnym.

Bobola said...

@34
Wszystko co pisze jest tylko hipoteza, ktorej celem jest wyjasnienie tego co obserwujemy. Musimy wyjasnic dlaczego nasz uklad planetarny ma wyglad w miare plaskiego dysku, dlaczego nastapilo uformowanie sie planet i dlaczego te planety maja ksztalt kulisty. To nie wynika z hipotezy pylu rozrzuconego zrzadzeniem losu wokol Slonca ani tez tego, ze akreacja planet nastapila spontanicznie nadajac im zsynhronizowany ruch obrotowy. Tworzenie systemu niehomogenicznego (czyli ukladu planetarnego) z homogenicznego (czyli pylu) nie zajdzie spontanicznie. Wokol slonca moga powstac obiekty w postaci pasm sferycznych o podwyzszonej masie w stosunku do prozni ( czyli rodzaj systemu kulistych wafli). ale nie centra planetarne. Trzeba tez powiedziec skad sie wziely tak duze ilosci pierwiastkow ciezkich, ktorych w Sloncu nie ma. Same sily grawitacji tego nie wytlumacza a ruch obrotowy pylow takze wymaga jakiej przyczyny.

panika2008 said...

Szczególnie ruch obrotowy to interesująca sprawa. Mechanika zabrania obracania się ciał uformowanych z jednorodnej materii przez akrecję. Moja hipoteza jest taka, że ruch obrotowy jest efektem losowych, wielokrotnych transferów pędu przez meteoryty uderzające w powierzchnię planet. Znając rozkład prędkości meteorytów i częstotliwość kolizji możnaby się nawet pokusić o wyliczenie rozkładu prawdopodobieństwa różnych prędkości obrotowych w zależności od czasu bombardowania meteorytami. Zna pan może, profesorze jakąś literaturę "w ten deseń"?

Bobola said...

@panika2008
Problem wymiany energii pomiedzy roznymi stopniami swobody (mysle o ruchu postepowym i rotacyjnym) nie ma jak dotad dobrego rozwiazania. Ogolnie biorac ruch obrotowy ukladu materialnego cechuja prawa zachowania analogiczne do praw zachowania dla ruchu postepowego. Obiekt planetarny nie moze nabyc ruchu obrotowego w wyniku zderzen przypadkowych jesli problem zderzeniowy ma symetrie sferyczna (czyli bombardowanie jest rownie prawdopodobne z kazdego kierunku.
Sam sie tym problemem nigdy nie zajmowalem wiec moge tylko Pana skierowac do monografi znanego astrofizyka, ktory jest takze mechanikiem statystycznym . Mysle o ksiazce Saslaw'a "Gravitationa physics of stellar and galactic systems" , Cambridge 2001.

w said...

Witam Waszmościów.

Czy te wszystkie hipotezy uwzględniają ruch pierwotnego układu słonecznego (dysku protoplanetarnego) jako całości w okół środka masy Słońca i Gwiazdy będącej z nim w układzie podwójnym?

Bobola said...

@W
Ruch, o ktorym Pan wspomnial nie wydaje sie miec specjalnego znaczenia dla genezy naszego ukladu planetarnego. Podobnie zreszta jak ruch Slonca z przyleglosciami wokol srodka masy Galaktyki.