|
Радиационная химия
М. Куряча
Радиационная химия — такова сфера профессиональных интересов ведущего научного сотрудника Института теоретической и экспериментальной физики, доктора физико-математических наук В. М. Бякова. Проблемы, связанные с радиацией, ныне — предмет особого внимания. Однако не только в этом актуальность работ нашего сегодняшнего собеседника. Неожиданность творческого поиска, логика теоретических построений, красота завершенного исследования — вечные спутники научной мысли. Но в наши
дни «вечные темы» заметно теснятся злободневными. Болезни общества не обошли стороной и науку, поразили ее настолько серьезно и остро, что порой становится непонятно, зачем вообще люди занимаются ею? На взгляд редакции, беседа В. М. Бякова с корреспондентом журнала Знание-сила М. Курячей может послужить ответом на этот вопрос.
— Всеволод Михайлович, слова «радиация» и «опасность» сегодня для большинства людей — синонимы. И мало кто задумывается над тем, что ионизирующие излучения возникли на Земле задолго до зарождения на ней жизни. Радиация пронизывает космическое пространство, незримо участвуя в самых разных природных процессах. По мнению А. Л. Чижевского, «радиации, направляющиеся к Земле со всех сторон Вселенной... связывают наружные части Земли непосредственно с космической средой, роднят ее с нею, постоянно взаимодействуют с нею, а потому и наружный лик Земли, и жизнь, наполняющая его, являются результатом творческого воздействия космических сил». Вот этой творческой, созидательной роли радиации хотелось бы посвятить нашу беседу.
— Прежде чем говорить о космическом пространстве, давайте обратимся к нашей планете. Я имею в виду радиоактивные материалы, которые вошли в состав Земли с самого ее рождения. И начать предлагаю с проблемы, внешне далекой от радиации. Речь идет о происхождении угля. Это был первый вопрос, который мы исследовали. Мы — это геолог Георгий Григорьевич Пименов, физик Ольга Петровна Степанова и я.
На первый взгляд, здесь все понятно: теория углеобразования, восходящая еще к М. В. Ломоносову, сохранила свое значение до наших дней. Ученый считал, что торф, бурые и каменные угли произошли от растительных остатков и, по сути, представляют собой продукты разных стадий их превращения. Сам же процесс превращения идет за счет тепла из недр Земли. Эксперименты, казалось бы, подтверждают это предположение. Нагревая бурый уголь, можно получить из него каменный, и, собственно говоря, подобный метод использует коксовая промышленность.
Однако вот что любопытно. Оказывается, в природе для достижения определенной стадии углефикации требуются температуры гораздо более низкие, нежели в лаборатории. В чем причина такого явления? Она необъяснима, если пользоваться только термическими представлениями. К этому недоразумению добавляется другое. В одних условиях, в течение одного и того же времени, на одной территории (температура, глубина залегания, а значит, и давление, длительность формирования — все одинаково), образуются угли, резко отличающиеся по содержанию углерода. То есть природа в одной «пробирке» создает разные продукты. Как?
Анализируя подобные вопросы, приходишь к мысли о том, что температура, точнее, максимальная палеотем-пература, давление, время — это еще не все. Очевидно, на процесс углефикации влияет какой-то фактор, не известный исследователям.
— Поскольку наша беседа посвящена радиации, можно догадаться, что она и есть этот «дополнительный фактор». Но каким образом радиация участвует в процессе углефикации?
— В том-то и дело, что так сразу на этот вопрос не ответишь. Вначале мы должны убедиться, что излучение способно вызвать углефикацию. И действительно, кусочек угля, помещенный в ядерный реактор, преобразуется. Под воздействием быстрых нейтронов и гамма-лучей содержание углерода в образце возрастает. Если же его облучать альфа-частицами, то процесс протекает еще эффективнее.
Но такого рода доказательств недостаточно. Например, можно потереть палочки друг о друга, и они обуглятся. Значит, уголь возникает и в результате трения. Однако следует ли из этого, что и в природе уголь образуется при трении разных пластов друг о друга? А может быть, здесь играет роль совсем иной фактор? Скажем, ультразвук. В принципе возможны, как говорится, тысяча и один способ углефикации. И главная хитрость в том и состоит, чтобы выявить, каков основной механизм этого процесса в природе...
Итак, лабораторные эксперименты говорят «в пользу» радиации. А теперь обратимся к природе. Как правило, угли всегда имеют вкрапления радиоактивных элементов. И вокруг таких вкраплений происходят любопытные вещи.
Рассмотрим конкретный пример — кусочек угля, содержащий зерно минерала циркона. В цирконе присутствуют радиоактивные торий и уран, испускающие альфа-лучи. Исследования показывают, что на расстоянии, большем пробега альфа-частицы, органическое вещество не столь богато углеродом. Зато в непосредственной близости от зерна вещество углефицировано до полуантрацита. Схожая картина возникает и в окрестностях микротрещин, заполненных минералами урана.
Заметим, что температура при этом одна и та же. Значит, именно ионизирующие излучения вызывают здесь заметную углефикацию.
— Иными словами, главное доказательство получено?
— Увы... Эти данные мало что доказывают. Они лишь демонстрируют, что процесс радиационной углефикации в принципе возможен. Однако на основании только этих результатов нельзя утверждать, будто в природе угле-фикация протекает под действием излучения.
Чтобы однозначно оценить вклад радиации в этот процесс, необходимы иной подход и, конечно, математическое описание. И такое описание процесса мы получили .
Разумеется, мы проверили, насколько точно отражает оно действительность. Для этого сопоставлялись рассчитанные по формуле и измеренные значения концентраций углерода . И во всех случаях расхождение между расчетными и фактическими данными не превышало двух процентов.
Кстати говоря, учет действия ионизирующих излучений снимает все те противоречия, о которых говорилось в начале беседы. То есть вопрос о разноречивости результатов снимается. Вот теперь можно с полным основанием утверждать, что углефикация — процесс радиационно-термический.
— В нашем представлении уголь и нефть зачастую выглядят «родственниками». А потому возникает вопрос о нефти: не участвуют ли ионизирующие излучения в процессе ее образования?
— Такой вопрос возник и у нас. Тем более что результаты некоторых экспериментов буквально подталкивали к исследованию этой проблемы.
Началось все достаточно давно. При проектировании ядерного реактора в качестве замедлителя нейтронов была выбрана тяжелая вода, насыщенная углекислым газом. Естественно, возник вопрос: как при этом будет работать реактор? На первых порах и в голову никому
не приходило, что неожиданности возможны при облучении «газировки». Однако первые же эксперименты насторожили: нам показалось, что происходят изменения не столь уж безобидные. Мы стали проводить специальные опыты и обнаружили...
— Нефть?
— Нет, нефти мы не нашли. Но даже при незначительном облучении воды с углекислотой возникала целая гамма различных органических соединений: формальдегид, спирты, этиленгликоль, муравьиная, щавелевая, уксусная кислоты. А при более высоких дозах образовывались углеводороды.
В принципе механизм подобного явления вполне объясним. Для построения перечисленных соединений необходимы углерод, водород, кислород. Все они присутствовали в «газировке». Ионизирующие же излучения стали тем источником энергии, который необходим для химических превращений...
Вот тогда впервые появилась у нас мысль о нефти: не может ли она получаться таким же образом и в природе? Ведь по сути это смесь различных органических веществ, основную долю которых составляют углеводороды ...
Затем мы все дальше уходили от первоначальных экспериментов. Нас заинтересовали факты, которые, как и в Случае с углем, существующие теории объяснить не могли. Особенно любопытными оказались те процессы, которые происходили с органическим веществом по мере его превращения в нефть сотни миллионов лет назад.
Оказалось, температура начала нефтеобразования зависит не только от возраста нефтеобразующеи породы, но и от ее ураноносности. Эту зависимость (как и в случае углеобразования) нам удалось выразить в виде уравнения. Оно дает вполне удовлетворительное согласие расчетных и измеренных значений.
Но влияние радиации на процесс нефтеобразования этим не исчерпывается. Есть одно обстоятельство, о котором надо сказать особо. Дело в том, что нефть обладает уникальным качеством, свойственным всему живому,— она оптически активна. Это, кстати говоря, рассматривается как веский довод в пользу биогенной гипотезы происхождения нефти. Но в данном случае интересно другое. Оптическая активность нефти связана с ее возрастом — она тем ниже, чем старше нефтепроизводящие породы.
И здесь начинаются неожиданности. Оказалось, процесс протекает во времени немонотонно! Плавно уменьшаясь от третичного геологического периода к селуру, этот показатель вдруг дает своеобразный всплеск. Оптическая активность нефти из месторождений, относящихся к карбону (примерно 300 миллионов лет), в полтора раза выше, чем у более молодой (пермской) и более старой (девонской). Это выглядело настолько необъяснимо, что кривую проводили без всякого максимума, видимо, полагая: здесь имеет место просто какое-то недоразумение.
Мы же, обнаружив такой факт, разумеется, сразу подумали об уране. И, действительно, выяснилось, что концентрация урана в нефтепроизводящих породах карбона заметно выше, чем до и по окончании этого периода. Более того, изотопный состав нефти менялся таким же образом: содержание тяжелого углерода (углерода-13) в нефти карбона намного выше.
— Иными словами, отмеченная аномалия — не недоразумение, а вполне достоверное явление. Но как сопрягаются эти факты?
— Прежде всего посмотрим, а как уран вообще может повлиять на оптическую активность?
В научной литературе высказываются следующие соображения. Быстрые электроны, испускаемые продуктами распада урана, взаимодействуют с веществом. Сталкиваясь с оптически активными молекулами, они разрушают их. Но с разной вероятностью. Разница очень, даже ничтожно мала. Однако она есть.
Например, преимущественно будут уничтожаться или возникать левые изомеры. Тогда с течением многих миллионов лет оптическая активность постепенно изменится.
В принципе такая возможность есть. Правда, пока эксперименты дают разноречивые результаты. И все же нельзя подобный механизм исключить совсем.
Но в то же время существует и более «тривиальное» объяснение. Известно, что нефть, как правило, вращает плоскость поляризации вправо (впрочем, изредка встречается и «левая» нефть). В органическом веществе природного происхождения присутствуют белки и целлюлоза. Белки построены из левовращающих аминокислот, а целлюлоза (и скрепляющий ее волокна лигнин) — из правовращающих Сахаров.
Экспериментально установлено, что аминокислоты наиболее чувствительны к воздействию радиации — легко расщепляются. К тому же они хорошо растворимы в воде. Зато сахара оказываются самыми стойкими, самыми радиорезистентными.
Значит, по мере преобразования органического вещества аминокислоты будут исчезать, а вещество — обогащаться сахарами, правовращающими молекулами. Они и становятся непосредственными предшественниками оптически активных молекул нефти.
И чем выше концентрация урана, чем больше его воздействие, тем ярче будет проявляться оптическая активность преобразованного органического вещества. Связь оптической активности с возрастом нефтепроизводящих пород и их ураноносностью описывается довольно простым выражением. Причем оптическая активность нефти прямо пропорциональна ураноносности вмещающих пород.
Мы пытались применить найденную формулу к разным объектам в разных регионах, и везде она с успехом работала.
— Всеволод Михайлович, а у вас не возникал вопрос о первопричине явления? Я имею в виду уран. Вы доказали его участие в процессах образования нефти и угля. Чем выше концентрация этого элемента, тем глубже протекает превращение органического вещества. Но что вызывает саму повышенную ураноносность? Это случайность или закономерность?
— Видимо, все-таки закономерность. Утверждать так позволяют некоторые факты и расчеты. Проверяя, как работают наши уравнения, подставляя туда разные данные, мы обнаружили любопытное обстоятельство. Оно связано с возрастом осадочных отложений. Оказалось, что там, где для описания углефикации требовались высокие концентрации урана, значения возраста укладываются в упорядоченный набор чисел. Они во всех случаях кратны примерно 33 миллионам лет.
Получалось, что в истории Земли регулярно повторялись периоды своеобразного уранонакопления. В это время органическое вещество формирующихся осадков заметно обогащалось ураном.
Геологи уже подметили существование таких периодов. Эти процессы, охватывающие чуть ли не всю планету, следовали друг за другом с завидной регулярностью по крайней мере на протяжении последних 600 миллионов лет. Каждая эпоха уранонакопления в масштабах Вселенной длилась недолго — всего несколько миллионов лет. Но наступление ее становилось знаменательным событием в истории Земли. Достаточно сказать, что почти все они по времени совпадают с основными рубежами геологической истории.
Слои осадков, формировавшихся в эти периоды, получили название черных сланцев. Такое название не случайно. Оно возникло благодаря необычайно сильной обогащенности осадков органическим веществом. Концентрация его здесь составляет в среднем 10 процентов, достигая иногда (в пластах горючих сланцев) 30 и даже 50 процентов.
— А в других слоях?
— В десятки и даже сотни раз меньше. В окаймляющих сланцы слоях она лишь постепенно возрастает от 0,1 (докембрий) до 1 процента (кайнозой). И что особенно поразительно, такое изобилие остатков жизни отличается удивительной бедностью ее форм. В основном это самые примитивные одноклеточные — синезеленые водоросли, да и то всего одного-двух видов. Только они размножаются исключительно интенсивно. Все остальное исчезает. Но проходит около 10 миллионов лет, и живой мир планеты обретает новое многообразие .
Итак, эпохи повсеместного формирования ураноносных черных сланцев — это эпохи массовых вымираний, перестройки живого мира на Земле и появления большого количества новых видов. Это эпохи биологических катастроф Кювье.
— Значит, уранонакопление — не случайность. Но что же служит причиной самого явления?
— Механизм накопления урана органическим веществом в черных сланцах — давний предмет дискуссий геохимиков. Ленинградский ученый С. Г. Неручев считает, что черные сланцы возникали каждый раз, когда в Мировом океане, пусть на короткое (по геологическим меркам) время, резко увеличивалась — в десятки и сотни раз! — концентрация урана. Причину периодичности такого увеличения исследователь видит в периодическом усилении процессов рифтогенеза и вулканической деятельности.
Однако что может обеспечить регулярность активизации этих процессов? Я имею в виду рифтогенез и рифтогенный вулканизм. Механизм такого регулярного явления неясен. К данной неясности добавляется другая. Как известно, основная масса урана сосредоточена в земной коре. В глубине планеты его очень мало. А потому возникает вопрос: могли ли магматические материалы и гидротермальные растворы обеспечить выносы масс урана, которые «многократно превышали бы их количества, имевшиеся в объеме всего Мирового океана»?
— У вас есть какие-то предложения на этот счет?
— Нет. К тому же существуют факты, которые гипотеза С. Г. Неручева не объясняет. Они и заставили нас искать вообще иное объяснение механизма уранонакопления.
Прежде всего речь идет об эпохах кратерообразования. Это явление происходило под действием потоков метеоритов, остатков разрушенных комет. Что же заинтересовало нас в данном случае? Периодичность таких эпох. Они следовали друг за другом синхронно с эпохами уранонакопления. И совпадали по времени с массовыми вымираниями биологических видов!
— Еще одна загадка?
— Нет, скорее ключ к разгадке. Надо только поднять взгляд к звездам.
Известно, что Солнечная система (а значит, и наша планета) вращается вокруг центра Галактики и одновременно с этим она совершает колебания относительно галактической плоскости с периодом примерно 33±3 миллиона лет. То есть примерно один раз в тридцать три миллиона лет Земля пересекает галактическую плоскость, вблизи которой сконцентрированы межзвездные газопылевые облака, остатки от вспышек Сверхновых звезд. Очевидно, в среднем раз в тридцать три миллиона лет Земля имеет большую вероятность столкнуться с таким облаком.
Кратерообразование — лишь одно из следствий подобных столкновений. Главное же, что на поверхности Земли при этой встрече оседает вещество газопылевых облаков. Ясно, что в таком веществе аномально высокое содержание атомов урана и других тяжелых элементов. Ведь это — специфические продукты взрыва Сверхновых и активности нейтронных звезд.
— Теперь становится понятным, почему содержание таких элементов во внешних слоях Земли больше, чем в ее недрах. Итак, вы нашли убедительное объяснение механизму уранонакопления?
— Все-таки не вполне убедительное. Скорее, оно только намечено. Столкновение с межзвездными облаками вблизи галактической плоскости для Солнечной системы — явление вселенского масштаба. Его последствия сказываются не только на нашей планете, но и на Солнце.
Известно, что Солнце все время испускает поток протонов (ионизированных атомов водорода) и электронов, которые на уровне орбиты Земли движутся со ско-, ростью около 400 километров в секунду. Этот солнечный ветер создает своеобразную полость, куда космические лучи проникнуть не могут. Предполагается, что ее граница проходит где-то за Плутоном. Космические частицы, попадая на такую границу, отражаются от нее обратно. Объясняется это действием солнечного магнитного поля.
А теперь представьте, что произойдет, когда Солнечная система столкнется с межзвездным облаком. Оно попросту «сомнет» солнечный ветер и «сдунет» его назад, к Солнцу.
При достаточно высокой плотности вещества — более ста атомов на кубический сантиметр — облако могло бы полностью подавить солнечный ветер, заставляя его частицы вернуться обратно. Причем вслед за частицами солнечного ветра вещество самого облака также будет оседать как на Солнце, так и на Земле, обогащая их поверхность ураном и другими тяжелыми элементами. Разумеется, если это облако — остаток от вспышки Сверхновой.
Это важное обстоятельство. Если концентрация тяжелых элементов в недрах Солнца меньше, чем на поверхности, то и интенсивность испускания нейтрино из центра звезды должна быть ниже, чем ожидается на основании общепринятых моделей Солнца.
— Всеволод Михайлович, но подобные изменения в жизни Солнца, наверное, внесут дополнительные изменения в жизнь Земли?
— Вы правы. Ведь во время аккреции «облачного вещества» высвобождается гравитационная энергия. Она способна вызвать серьезное увеличение светимости Солнца, по расчетам — до одного процента от полной солнечной радиации. Причем особенно заметно это должно проявляться в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. К тому же интенсивность космических лучей в облаке (если опять-таки оно — остаток Сверхновой) может быть очень высокой.
Легко догадаться, что подобные явления создадут угрозу для всего живого на Земле.
— Значит, прав был в своих предвидениях Чижевский, когда писал: «...Изменение некоторых качеств космической или проникающей радиации могло бы мгновенно уничтожить всякую жизнь на Земле или до неузнаваемости изменить ее формы»?
— Безусловно, прав. Надо только уточнить, что понимать под «мгновениями». Для человека — это секунда, ее доли. В истории Земли — свое измерение... Несколько миллионов лет — примерно такое время требуется Земле для прохождения через типичное межзвездное облако.
Что же могло происходить на нашей планете в «мгновения», длившиеся миллионы лет? Межзвездное облако наряду с ураном всегда содержит гигантские количества молекулярного водорода, который, естественно, попадает на Землю. Возникает вопрос: как же распорядится природа таким «подарком»?
Если вспомнить, что этот процесс протекает на фоне повышенной ионизирующей радиации... Если учесть, что земная атмосфера богата кислородом... Нетрудно догадаться, что начнется химическая реакция, продуктом которой будет вода.
И не она одна. Ведь в атмосфере содержится не только кислород, но и азот. Значит, кроме воды, в воздухе возникнут и продукты другой реакции — окислы азота. А это — неизбежные кислые дожди. Они представляют собой раствор азотной кислоты. Выпадая на землю, такие дожди негативно влияют на жизнь планеты. Тому и сегодня имеется немало подтверждений.
Это обстоятельство усугубляется другим. В верхних слоях атмосферы, куда попадает водород и где образуется вода, водяные пары станут конденсироваться в облака. Они — мощный отражатель солнечного света. Последствие такого отражения — заметное, на несколько градусов, понижение температуры на планете. Это означает начало резкого похолодания, если не оледенения.
Понятно, что при глобальном похолодании воды Мирового океана тоже остывают. Этот процесс сопровождается намораживанием льда. Иными словами, часть влаги исключается из массообмена. Круговорот воды в природе нарушается. И как следствие уровень воды в морях должен падать.
Такова цепочка умозаключений. А теперь обратимся к геологическим данным. Оказывается, эпохи обмеления морей совпадают по времени с периодами уранонакопления и прохождения Земли через межзвездные облака! Более того, анализ осадочных пород показывает, что в эти эпохи наблюдалась нехватка кислорода в атмосфере. Это объяснимо, если вспомнить, что он в огромных количествах расходовался на химическое взаимодействие с «облачным» водородом и азотом атмосферы.
— Получается, что «творческая, созидательная» роль радиации больше проявляется в формировании неживой материи — угля, нефти. А для всего живого она губительна?
— Я бы так не сказал. Сегодня обнаружены веские доказательства того, что радиация способна участвовать в синтезе сложных органических соединений. Их даже можно отнести к предшественникам биомолекул. Причем такой синтез особенно вероятен на допланетной стадии, просто в протопланетном облаке...
Заметно сказывается влияние ионизирующих излучений на состав земной коры, на распределение в ней химических элементов...
Но мне бы не хотелось сейчас рассказывать о незавершенных исследованиях. От подобных поступков нас предостерегали еще древние, говоря: "Non fingendum aut excogitandum, sed inveniendum, quid natura faciat aut ferat", что означает: «Надо не выдумывать, не измышлять, а искать, что творит и приносит природа».
|
