Арав Рудольф. Максимумы концентрации в космохимических реакциях

Рудольф Арав

МАКСИМУМЫ КОНЦЕНТАЦИИ В

КОСМОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ

Космохимическая эволюция является комплексом направленных процессов образования и превращения химического вещества в космосе. Химическое вещество отличается строением: центральное атомное ядро и орбитальные электроны связаны электростатическим (кулоновским) притяжением. Это вещество занимает промежуточное положение в иерархии сложности известных видов вещества: лептоны и кварки - элеменарные частицы - атомные ядра - химические элементы - тела и звезды - звездные ассоциации и скопления - галактики - скопления и сверхскопления галактик.

Космохимическая эволюция может быть представлена последовательностью обратимых реакций основных разновидностей химического вещества: ионов, атомов, молекул. Собственно химические реакции характеризуются изменением электронной плотности, числа орбитальных электронов, валентных связей при стабильности атомного ядра. В ступенчатом синтезе и диссоциации химических элементов значительна роль ядерных реакций [1].

Основными движущими силами химических реакций являются концентрационный и энергетический факторы. Концентрационный фактор определяется соотношением (или произведением) концентраций исходных и конечных реагентов. Энергетический фактор определяется величиной энергии активации и соотношением прочности (энергии) химической связи исходных и конечных реагентов. В образовании и превращениях химического вещества участвуют все виды фундаментальных взаимодействий, а доминирует взаимодействие положительного заряда атомного ядра и отрицательных зарядов орбитальных электронов.

Космохимическая эволюция представляется автономным потоком в грандиозном течении эволюции вещества Вселенной. Начало и последовательные эры эволюции вещества описаны в фундаментальных работах [2, 3]. Большой Взрыв, уменьшение плотности массы-энергии (и средней температуры), образование элементарных частиц (и излучения) предшествовали и обусловили начало космохимической эволюции.

Превращение протовещества (возможно, преонов) максимальной плотности 0x01 graphic

в протоны р, нейтроны n, электроны е, ядра дейтерия D⁺ и гелия Не²⁺ образует первичную плазму компонентов химического вещества:

0x01 graphic

Снижение температуры плазмы до 3^.10³К (~10⁵ лет после Большого Взрыва) инициирует рекомбинацию. Ядра водорода Н⁺ (протоны р) и гелия превращаются в нейтральные атомы гелия Не⁰ и водорода Н⁰, которые соединяются в молекулы Н₂ по реакции

0x01 graphic

Здесь и далее обозначены направления реакций без стехиометрических коэффициентов и тепловых эффектов. При первичном (космическом) синтезе водород и гелий образуются в соотношении масс 3:1. В незначительных количествах синтезируется литий, а дейтерий участвует в нуклеосинтезе гелия. Гелий может рекомбинировать раньше водорода при соизмеримой концентрации ввиду повышенной энергии притяжения его ядра и орбитальных электронов [4].

Далее первичные облака нейтрального водорода и гелия подвергаются гравитационно-магнитному сжатию. Оно связано с повышением температуры. Соответственно происходят сначала реакции ионизации (например, в глобулах Бока)

0x01 graphic

и позже термоядерный синтез гелия (при рождении первого поколения звезд):

В массивных звездах увеличение температуры до 10⁸К и выше обуславливает нуклеосинтез элементов тяжелее гелия с положительным зарядом ядра z = 6 ¤ 26 и более (от углерода С до группы железа Fe). Примером может быть ступенчатый нуклеосинтез легких элементов:

Не + Не ? Ве (+Не) ? С (+Не) ? О + О ? Si (+Не) ? S

? ? Ne+He

С+С ?? Na+Н

? Mg+n

На каждой ступени нуклеосинтеза появляются новые реагенты, обозначенные символами в скобках. Получаемые атомные ядра химических элементов можно обобщенно обозначить как полностью ионизированные атомы 0x01 graphic

с суммарным положительным зарядом, численно равным заряду ядра z [5]. При массообмене и охлаждении в средних и наружных слоях массивных звезд протекают реакции частичной нейтрализации с образованием ионов 0x01 graphic

. Степень ионизации (zґe), равная разности положительного заряда ядра z+ и количества орбитальных электронов е уменьшается при последовательном заполнении электронных уровней. Соответственно при z=e синтезируются электронейтральные атомы 0x01 graphic

по суммарным реакциям:

0x01 graphic

Последовательность и степень заполнения электронных оболочек связаны с величиной притяжения ядро-электрон и соответствующим потенциалом ионизации [1, 4]. Заполнение электронами нижнего уровня будет значительным для Na и Mg, меньше для С, О, Са, еще меньше для Al, Si, Fe. Заполнение электронами верхнего энергетического уровня будет больше у Не, Nе, ниже у С, N, О и еще ниже у Na, Mg, Са, Fe. Эта зависимость коррелируется с энергией ионизации валентных электронов в последовательности благородные газы - неметаллы - металлы.

Последующий массообмен и охлаждение в наружном слое и атмосфере звезд инициирует реакции образования простых молекул 0x01 graphic

из атомов и ионов:

0x01 graphic

Звездное вещество реагирует в общей последовательности: атомные ядра - ионы - атомы - простые молекулы. В таких последовательнеых реакциях продукт одной является исходным веществом для другой. Соответственно скорость синтеза и концентрация реагентов последовательно проходят через максимум [1]. Применительно к реакциям в целостной звезде вероятно образование связанных промежуточных максимумов концентрации. Связанность максимумов по времени их возникновения соответствует указанной выше общей последовательности звездных реакций. Связанность максимумов по расположению характеризуется их смещением от внутренних к наружным слоям звезды. Это смещение предопределяется послойным уменьшением температуры и межслойной диффузией реагентов. Связанность максимумов по величине выражается в произведении концентрации исходных, промежуточных и конечных реагентов. Величина каждого максимума характеризуется степенью превращения (конверсии) химического вещества в последовательных реакциях.

В зависимости от температуры и других параметров на поверхности звезд главной последовательности наблюдается широкий спектр ионов, атомов и простых молекул [4]. В таблице 1 представлены направления характерных реакций на поверхности звезд главной последовательности.

Таблица 1

Зависимость направления реакций от температуры

Класс звезды	Температура атмосферы, 10³К	Характерные реакции на поверхности звезды
О,В	15-40	H⁺+e?H⁰ N³⁺+e? N²⁺(+e)?N⁺ He²⁺+e?He⁺(+e)?He⁰ O³⁺+e?O²⁺(+e)?O⁺
А, F	6-10	He⁺+e?He⁰ Fe³⁺+e?Fe²⁺ H⁺+e?H⁰ Ti⁴⁺+e?Ti³⁺ Ca³⁺+e?Ca²⁺
G, К	4-6	H⁺+e?H⁰C+N?CN Ca²⁺+e?Ca⁺(+e)?Ca⁰ H+O?H₂O Fe³⁺+e?Fe⁺(+e)?Fe⁰ C+H?CH
К, М	2,5-4	Ca⁺+e?Ca⁰ Me+O?MeO Na⁺+e?Na⁰ C+N?CN H+H?H₂ C+O?CO

При самых высоких температурах (класс О, В) нейтрализуется водород и заполняются электронами нижние энергетические уровни легких неметаллов и гелия. При достаточно высоких температурах (класс А, F) также нейтрализуется водород и гелий и образуются ионизированные металлы. Опережающая атомизация ионов водорода и гелия связана с их высокой концентрацией в атмосфере всех звезд (соответственно ~90% и ~9%). Максимально интенсивны реакции водорода в атмосфере звезд класса А-F при температуре около 10⁴ К. При более высокой (>1,5^.10⁴ К) температуре они смещены в сторону ионизированного водорода, а при более низкой (<3^.10³К) - в сторону молекулярного водорода. В средних слоях звезд температура реакций нейтрализации ионов повышается под влиянием увеличенной плотности и электронного давления.

Реакции при средней температуре (класс F-G) расширяют спектр ионизированных и нейтрализованных металлов. При сравнительно низких температурах (класс К-М) образуются атомы металлов и неметаллов, молекулы неметаллов, окислы металлов и радикалы.

Направление и состав продуктов химических реакций на поверхности звезд предопределяются температурой, плотностью и произведением концентраций исходных реагентов. Эти реагенты (системы) обычно переходят в возбужденное состояние с более высокой энергией и в термоядерных, и в химических реакциях. Величина энергии активации зависит от энергии связи элементов системы. Соответственно энергия возбужденного состояния частиц-систем измеряется: для ядер - в мегаэлектронвольтах, для атомов - в электронвольтах, для молекул - в электронвольтах и микроэлектронвольтах [4]. Относительно низкая энергия связи в атомно-молекулярном веществе ограничивает энергетический диапазон его существования, но увеличивает реакционноспособность, вероятность последующих превращений и многообразие разновидностей.

Влияние концентрационных параметров на направление химических реакций можно представить последовательностью произведений концентрации:

[A^z⁺][e]? [A^z^-^e][e]?[ 0x01 graphic
][
]?[M₁][M₂].

Направление обозначенных выше последовательных реакций зависит также от стадии эволюции звезды. При начальном разогреве звезды очередного поколения последовательные реакции направлены справа налево, а при ее охлаждении и затухании - наоборот, слева направо. Синхронно смещаются и равновесные концентрации реагентов. Обратимые процессы синтеза и диссоциации химических веществ находятся в сложной зависимости от исходного состава, массы, температуры, плотности и фазы эволюции звезды.

Последующие космохимические реакции инициированы взрывами сверхновых и новых звезд, дополненными истечением вещества в околозвездное пространство. Вещество звездных оболочек рассеивается, а звездные ядра продолжают сжиматься [6].

В зависимости от массы звездных ядер, а также невзорвавшихся звезд гравитационное сжатие приводит к образованию белых (и черных) карликов, нейтронных звезд и черных дыр [7]. Соответственно все виды атомно-молекулярного вещества превращаются в разновидности сверхплотного вещества: вырожденный газ, нейтроны или состояние непрерывного коллапса. В вырожденном газе плотно упакованные атомные ядра (?=10⁷г/см³) оторваны от электронов, движущихся с релятивистской скоростью 0x01 graphic

. Однако ионы частично сохраняются даже при высокой температуре 10⁶К [8].

При превращении белого в черный карлик наряду с нейтронной конденсацией происходит образование металлических кристаллов, главным образом, из водорода и элементов "железного пика". Для сверхпроводящих кристаллов и сверхтекучих жидкостей характерно особое состояние электронного газа Ферми, не взаимодействующего с ионами. В более массивных нейтронных звездах электронный газ реагирует с ионизированными атомами, промежуточно образуя атомные ядра, обогащенные нейтронами, и далее вдавливается в протоны, превращаясь в нейтроны 0x01 graphic

при ? = 10¹⁴ г/см³. Наиболее массивные звездные ядра и звезды испытывают гравитационный коллапс, превращаясь в вещество с плотностью 0x01 graphic

10¹⁶г/см³.

Процессы превращения химического вещества в сверхплотное представлены реакциями:

0x08 graphic
? 0x01 graphic

Согласно принятой версии астрофизической эволюции галактические звезды из сверхплотного вещества соединяются в одну центральную или множество периферийных черных дыр. Процесс длится десятки и сотни миллиардов лет под определяющим воздействием гравитационного притяжения [9] и сопровождается полным разрушением химического вещества.

Иначе направлена химическая эволюция части вещества, рассеянного в околозвездном пространстве при взрывах сверхновых и новых звезд. Диспергируемое вещество содержит ядра легких элементов, которые реагируют с нейтронами космических лучей. Они образуют ядра тяжелых элементов до урана включительно (z © 92) [1]. Аналогичные реакции термоядерного синтеза тяжелых элементов могут протекать в ядрах массивных звезд, плазма которых обогащена нейтронами. Группа легких элементов с крайне нестойкими ядрами (z = 3 - 5) образуется при распаде ядер тяжелых элементов в космических лучах.

В межзвездном пространстве вещество перемешивается и охлаждается, образуя газовые облака и туманности. В них продолжаются реакции нейтрализации ионов и синтеза простых молекул.

Последовательные реакции образования атомов 0x01 graphic

, простых молекул 0x01 graphic

и радикалов R в газовой фазе могут быть обобщены в схеме:

0x01 graphic

В газовых облаках и туманностях распространены молекулы водорода, вода, оксиды, амины, цианиды, карбиды, углеводороды, спирты, альдегиды, соединения металлов.

Температурно-концентрационные параметры способствуют возникновению разнообразных валентных связей между атомами: ковалентных, ионных, координационных, многоцентровых, сопряженных. Преобладают наиболее простые 2-3-атомные молекулы. Редко наблюдаются молекулы, содержащие до 24-28 атомов. Величина простых молекул обратно пропорциональна их количеству. Это связано с меньшей вероятностью образования и относительной нестабильностью многоатомных молекул, особенно в газовой фазе [10]. Масса вещества в межзвездных облаках и туманностях оценивается от соизмеримой со звездным веществом (рассеянные скопления) до почти полного отсутствия (шаровые скопления). Относительное число атомов химических элементов (на примере Солнечной системы) характеризует их распространенность, концентрацию и, следовательно, кинетику соответствующих реакций [4].

Таблица 2

Зависимость распространенности элемента от ядерного заряда

Обозначение элементов	H	He	Li-B	C	N-Ca	Ti-Mn	Fe	Co-Cu	Zn-Rh	Pd-U
Заряд ядра z	1	2	3-5	6	7-20	21-25	26	27-29	30-45	46-92
Число атомов	10¹²	10¹¹	5-10³	5^.10⁸	10⁵-10⁹	10³-10⁵	10⁷	10³-10⁵	10²-10³	2-10²

Общая закономерность уменьшения распространенности элементов при увеличении заряда ядра связана с понижением его прочности и стабильности. Отклонения от этой зависимости определяются индивидуальными особенностями ядер: четностью, плотностью упаковки, протон-нейтронным соотношением, радиоактивностью.

Многообразие управляющих параметров в процессах нуклеосинтеза приводит к выборочному повышению концентрации отдельных элементов в звездах. Это относится к углероду, технецию, барию, железу, марганцу, титану, хлору, фосфору, скандию. Особенности эволюции звездных скоплений влияют на нуклеосинтез элементов. В старых звездах шаровых скоплений (крайнее население II типа) на порядок меньше элементов тяжелее гелия, чем в молодых звездах рассеянных скоплений (крайнее население I типа).

Последующие реакции связаны с циклами гравитационного сжатия межзвездного вещества, образованием нового поколения звезд и конденсированных тел (планетоземалей, планет, спутников, астероидов, метеоров, комет), взрывами-вспышками сверхновых и новых звезд, рассеиванием химического вещества и сжатием звездных ядер в сверхплотные белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. По-видимому, рассеянные скопления населяет преимущественно второе-пятое поколение звезд главной последовательности. Вероятно, Солнечная система сформирована в третьем цикле превращений звезды-межзвездная среда. В ней смешаны химическое вещество первичного происхождения с превращенным в двух предыдущих циклах [4]. Общая длительность затухающих циклов химической эволюции до полного выгорания звезд в разбегающихся галактиках оценивается десятками миллиардов лет [3, 6].

В этих циклах скромное место занимает образование атомно-молекулярных конденсированных тел с промежуточной плотностью (0,1-10²г/см³). Диапазон плотности коррелируется с повышенной стабильностью и реакционноспособностью атомно-молекулярного вещества.

В конденсированных телах межмолекулярное притяжение определяется ориентационным, индукционным и дисперсионным взаимодействием дипольных моментов молекул (силами Ван-дер-Ваальса) [1]. В этих телах преобладают реакции в растворах и расплавах, твердофазные и гетерофазные реакции. Охлаждение превращает беспорядочные ассоциации молекул жидкости в упорядоченные структуры твердого тела. Соответственно образуются молекулярные, ковалентные (атомные), ионные и металлические кристаллы и агрегаты.

В конденсированном состоянии наряду с разнообразными неорганическими молекулами 0x01 graphic

(гидриды, оксиды, карбиды, гидроксиды, кислоты, соли, комплексы) наиболее многочисленны органические соединения 0x01 graphic

[1]. Они включают гомологические ряды алканов, алкенов, алкинов, гомо- и гетероциклов, генетические ряды их производных с галоген-, кислород-, азот-, фосфор- и металлосодержащими функциональными группами (радикалами). Образование молекул в конденсированном состоянии представлено суммарной реакцией:

0x01 graphic

Органические молекулы отличает повышенная реакционноспособность, многообразие функциональных групп, длина и конфигурация углеродной цепи, низкая термостабильность (< 4^.10²К).

Среди реакций органических соединений особое значение имеет полимеризация и ее виды: радикальная, ионная и каталитическая; жидко- и твердофазная; гомо-, со- и стереополимеризация. Продукты этих реакций - макромолекулы ММ - содержат до 10³-10⁹ атомов и приобретают новые свойства, в т.ч. способность принимать, сохранять и передавать информацию. Аналогичные свойства характерны для искусственных кристаллов на основе кремния. Органические и неорганические макромолекулы и кристаллы являются микротелами, которые образуют надмолекулярные структуры. Разновидность природных высокомолекулярных соединений - биомакромолекулы (биополимеры) ММ_В синтезируются в своеобразных надмолекулярных телах-клетках и организмах. Биополимеры - белки, нуклеотиды, полисахариды, липиды и их сополимеры образуют клеточную структуру и обеспечивают жизнедеятельность организмов. Для этого в организме, например, человека происходит порядка 10⁵ реакций в минуту. В синтезе биополимеров последовательно участвуют биогенные элементы, простые молекулы, мономеры. Одно из вероятных направлений многоступенчатого синтеза представлено ниже:

C+O+H+N+P?CH₄+CO+H₂O+NH₃+CH₂O+P₂O₅?

?Ado+Guo+Ued+Cyd+H₃PO₄?PHK?RHP

где Ado, Guo, Ued, Cyd - мономеры нуклеозиды аденозин, гуанозин, уридин и цитидин соответственно,

РНК - биополимер полинуклеотид, информационная рибонуклеиновая кислота,

РНП - рибонуклеопротеид, комплекс полинуклеотида и белка, биовещество вируса.

Отмечается значение автокаталитических реакций и конкурентных направлений биополимеризации [11]. Видимо, автокатализ биомакромолекул включает обратную связь свойство-состав, подобную естественному отбору организмов.

Важна роль реакций информационных биополимеров. Реакции дизоксирибонуклеиновых и рибонуклеиновых кислот определяют воспроизводство и модификацию организмов. Реакции биополимеров в нейронных структурах определяют поведение животных и мышление человека.

Последовательность реакций образования биомакромолекул выглядит таким образом:

0x01 graphic

В биохимических процессах синтезируются и функционируют клетки, ткани, органы, организмы, биоценозы, жизнь и сознание. Они осуществляются в крайне узком диапазоне физических параметров.

В этой связи возможно приблизительное определение распространенности биомакромолекул и соответственно жизнеспособных организмов. Предположим, что относительное количество биомакромолекул пропорционально основным параметрам их образования и стабильного существования. Выберем эти параметры: отношение количества углерода к количеству остальных химических элементов (в пересчете на атомы); отношение диапазона температур существования биомакромолекул к общему диапазону температуры химического вещества; отношение диапазона плотности среды биомакромолекул к возможному диапазону плотности химического вещества.

Принимая в первом приближении равномерную заселенность ионо-атомно- молекулярным веществом всего диапазона температуры и плотности при усредненной концентрации, можно определить относительную распространенность биомакромолекул (в пересчете на атомарный состав). В табл. 3 сведены исходные данные для расчета [1, 3, 5] с дополнениями автора.

Таблица 3

Исходные данные для расчета

Вид вещества	Пределы температуры, К		Пределы плотности, г/см³		Концентрация углерода, атомы
Вид вещества		Верхний	Нижний	Верхний	Концентрация углерода, атомы	Нижний
Химическое вещество	<10⁶	>0	<10⁷	>0	10^-4-10^-5
Биомакромолекулы	4^.10²	2^.10²	<1,5	>0,5	0,1-0,3

Рассчитываем относительную распространенность биомакромолекул:

0x01 graphic

В расчете не учтены концентрации ряда биогенных элементов, локальные флуктуации управляющих параметров, кинетика ступенчатых реакций синтеза и диссоциации биомакромолекул. Другой вариант расчета основан на использовании формулы Дрейка и экстраполяции химического состава Солнечной системы [12]. Полученная величина распространенности биомакромолекул в химическом веществе близка к 10^-18 (% массы). Оба расчета упрощенно определяют только порядок средней величины распространенности (и концентрации) биомакромолекул. Маловероятность на грани случайности характеризует столь важные для нашего существования реакции образования биомакромолекул.

Расчеты обосновывают следующую образную аналогию. Представим космохимические процессы в виде автономных потоков, ширина которых пропорциональна распространенности основных видов химического вещества. Тогда водородогелиевый поток будет похож на текущий океан шириной тысяча километров. Поток элементов тяжелее гелия и их простых молекул подобен большой реке шириной около двадцати километров. Течение органических молекул похоже на канал (его ширина - десятки метров). Поток органических макромолекул имеет ширину струи, измеряемую сантиметрами. Наконец, ширина микрокапельного течения биомакромолекул составит доли микрона. Такое соотношение текущего океана, большой реки, канала, струи и микрокапли иллюстрирует масштабы основных направлений космохимической эволюции. При этом каждый меньший поток вытекает из большего, течет параллельно с ним и впадает обратно в больший поток. Так представляются синтез, существование и диссоциация химических веществ в иерархии их сложности.

Наряду с поперечным сечением космохимической эволюции возможен и ее продольный срез вдоль оси времени. Для этого применима гипотеза связанных максимумов [13], предложенная автором: в последовательных космохимических реакциях возникают максимумы концентрации реагентов, связанные по времени, величине и расположению в звездных системах.

Последовательность собственно химических и термоядерных реакций I-XIII представлена в обобщенной схеме.

Картина космохимической эволюции выглядит следующим образом. В первичном импульсе рассеивания-охлаждения сверхплотного протовещества образуются простейшие виды химического вещества (реакции I-II). В последующих затухающих циклах сжатия - нагревания и рассеивания-охлаждения звезд синтезируются, накапливаются и диссоциируют простейшие, немногие простые и редкие сложные виды химического вещества (обратимые реакции III-VI и X-XIII). При необратимом сжатии и соединении звезд химическое вещество превращается в сверхплотное (реакции VII-IX). Замыкается космический цикл: отсутствие - появление - накопление - усложнение - разрушение - почти отсутствие химического вещества. В этом космоцикле последовательно возникают сзязанные максимумы концентрации основных реагентов в (реакции III-VI и X-XIII). Предыдущий максимум инициирует возникновение следующего согласно закону действующих масс и изменению энергетических параметров [14]. Неравномерно затухающие циклы обратимых реакций могут образовать серию промежуточных колебаний на нисходящих ветвях графической зависимости концентрации от времени эволюции (см. рис.).

Концентрация реакционноспособных видов химического вещества изменяется от полного отсутствия через максимум к минимуму. Эти изменения наиболее интенсивны в космических объектах промежуточной плотности и температуры.

[A^z^-^e]₀ ? [A^z^-^e]_max? [A^z^-^e]_min[M]₀ ? [M]_max? [M]_min

[A⁰]₀ ? [A⁰]_max? [A⁰]_min[MM_B]₀ ? [MM_B]_max? [MM_B]_min

Рис. Вид зависимости количества реагентов (К% массы) от времени эволюции (млрд лет): I - атомы водорода и гелия (К₁- 70-80); П - молекулы водорода (К₂- 15-25); Ш - атомы и простые молекулы элементов тяжелее гелия (К₃ < 10); IV - органические молекулы и макромолекулы (К₄ - 10^-1 - 10^-6); V - биомакромолекулы (К₅ - 10^-12 - 10^-18).

Можно отметить особенности связанных максимумов:

-- Максимумы характеризуются химическим составом и концентрацией, временем возникновения и существования, расположением в пространстве;

-- Они возникают в планетных системах, звездах, относительно однородных звездных системах, галактиках;

-- Химический состав определяется как сумма сравнительно однородных видов ионов, атомов или молекул;

-- Концентрация определяется экспериментально и выражается относительным количеством частиц (или их массы) в объеме космической системы или ее фрагментов;

-- Время возникновения и существования максимума предопределяется соотношением (или равенством) скоростей образования (накопления) и превращения (разрушения) реагентов;

-- Восходящая к максимуму ветвь графической зависимости концентрации от времени обычно круче его нисходящей ветви (см. рис.);

-- Вид этой зависимости с максимумом и волнообразной нисходящей ветвью характерен для большинства легких элементов и их соединений;

-- Графическая конфигурация максимума зависит от энергии химических связей элементов и от изменчивости управляющих параметров (в т.ч. плотности энергии и массы);

-- Максимум концентрации биогенных элементов, молекул, мономеров увеличивает вероятность возникновения жизни (аналогично другим благоприятным факторам, например, образованию "пояса жизни" в Галактике или планет земного типа);

-- Определение величины максимума концентрации биогенных элементов и молекул может обосновать расчет параметров максимума биомакромолекул и вероятности жизни в звездной системе;

-- Максимум распространения биомакромолекул (и органической жизни) прогнозируют в рассеянных звездных скоплениях, включающих много молодых и массивных звезд, обогащенных углеродом, и много одинарных звезд типа желтых карликов с планетно-спутниковыми системами земного типа на круговых орбитах;

-- Вероятна локальная последовательность во времени связанных максимумов звездообразования - звездного нуклеосинтеза элементов тяжелее гелия - взрывов новых и сверхновых звезд - синтеза простых молекул биогенных элементов - образования биомакромолекул;

-- Максимум концентрации биомакромолекул на поверхности планет земного типа связан с максимумами: концентрации биогенных молекул, концентрации биогенной среды - воды, температуры и плотности, благоприятными для существования биомакромолекул;

-- Конкретные параметры максимумов могут быть определены при сравнительном изучении химического состава рассеянных скоплений, близких по астрофизическим параметрам, но далеких по времени эволюции.

Обращаясь к образной аналогии автономных потоков, можно представить максимумы как волнообразные подъемы их уровней, передаваемые от большего к меньшему потоку.

Кажущаяся однородность химического состава наблюдается в достижимой части Вселенной. Пределы изменения химического состава звезд нашей Галактики значительно больше, чем различие между ближними галактиками [4]. Это наблюдение косвенно подтверждает распространенность связанных максимумов концентрации химического вещества.

Максимальное накопление химических элементов зависит от числа поколений, массивности и эволюции большинства звезд и от кинетики сверхплотного вещества. В прилагаемой таблице 4 представлена зависимость концентрации элементов тяжелее гелия (т.н. металлов) и биогенных элементов (исключая водород) от вида звезд. Эта зависимость основана на экспериментальных результатах, дополненных предположениями автора [8]. В сложной эволюции звезд наблюдается последовательное увеличение концентрации элементов (п.1-2-3-4) и далее ее уменьшение (п.5-6-7). При таком характере этой зависимости образуется максимум концентрации элементов (и других химических веществ), фиксируемый в период сочетания благоприятных факторов, их образования и сохранения.

Максимум концентрации возникает, когда интегральные скорости накопления и разрушения элементов в масштабе Галактики сближаются или уравниваются. При этом сохраняется разная величина локальных скоростей. В некоторых звездных системах локальные максимумы концентрации могут существенно превысить интегральные максимумы по величине и длительности. Содержание элементов тяжелее гелия увеличивается в ряду звезд I, II-III и, вероятно, IV-V поколения (соответственно 0,3- 2 - 4%) [8]. Такая зависимость свидетельствует о накоплении этих элементов звездным населением в нашей Галактике (восходящая к максимуму ветвь графической зависимости на рис.). По-видимому, средняя скорость накопления элементов тяжелее гелия находится в пределах 0,3-1% за поколение. При сохранении такой скорости прогнозируется величина 5-10% локальных максимумов элементов тяжелее гелия в VI-X поколении массивных звезд Галактики. Есть данные о максимуме звездообразования через 5-7 млрд лет после Большого Взрыва (сейчас небо темнеет).

Таблица 4

Зависимость концентрации элементов от вида звезды

N п/п	Тип звездного населения	Класс звезд	Концентрация (% числа атомов)		Примерный возраст, млрд лет	Вероятное поколение
N п/п	Тип звездного населения	Класс звезд			Примерный возраст, млрд лет	Вероятное поколение	Элементов тяжелее гелия	Биогенных элементов
1.	Крайнее население П типа	Старые звезды шаровых скоплений класса от F до M	0,3	0,2	>10	I-II
2.	Старое население I типа	Звезды главной последовательности и гиганты класса G до К	2	1,2	5 Ђ 3	II-III
3.	Поколение I типа	Звезды класса от А до F, галактические скопления, красные сверхгиганты	3	1,8	5 Ђ 3	II-IV
4.	Крайнее население I типа	Звезды классов О, В. Очень молодые галактические скопления и ассоциации	4	2,4	<1	III-V
5.	Население П типа	Белые карлики	1	0,6	>1	II-V
6.	Крайнее население П типа	Субкарлики	<0,3	<0,2	>1	II-V
7.	-	Нейтронные звезды, пульсары	<0,1	<0,06	>1	I-V

Максимумы концентрации элементов тяжелее гелия и биогенных элементов возникают позже максимума звездообразования. Вероятно, возрастет не только концентрация биогенных элементов и молекул, но также фрагментов вещества с оптимальными параметрами существования биомакромолекул. Соответственно, вероятность синтеза биомакромолекул и органической жизни может повыситься в несколько раз (сравнительно с Солнечной системой). Поэтому жизнь на Земле представляется опережающей будущие более вероятные версии жизни в насыщенной биогенными элементами и макромолекулами среде. Она похожа на раннюю пташку в молодом лесу, еще бедном кормом и живностью. Это не исключает существования древних версий жизни, в том числе разумной.

Изложенное предоставляет возможность ориентировочного расчета вероятности жизни человека. Примем ранее определенную вероятность синтеза биомакромолекул в пределах 10^-15-10¹⁸. Вероятность возникновения вида homo sapiens из биомакромолекул близка к 10^-6 (относительно двух миллионов видов животно-растительного мира Земли). Вероятность жизни одного человека близка к 10^-7 (относительно современного населения Земли). Произведение вероятностей находится в пределах 10^-28 - 10^-31 и характеризует вероятность жизни каждого из нас. Мы подобны микрокаплям в океане космохимических событий.

Появление именно нашей жизни представляется редкостным подарком океана природы, а мы - персональными счастливцами химической эволюции. Осознание своей жизни как невероятной удачи может создать постоянно радостное мироощущение и самочувствие. Коррелируются маловеротность каждой личности - осознание своей удачи - радостное восприятие жизни. Эта связь стабилизируется известными психотехниками, например, аутотренингом.

Литература

-- Химия. Большой энциклопедический словарь. М., 1998.

-- Я.Зельдович, Я.Эйнесто, И.Шкловский. Прошлое и будущее Вселенной. М., 1986.

-- С.Вайнберг. Первые три минуты. М., 1981.

-- А.Аллер. Атомы, звезды и туманности. М., 1976.

-- Д.Уилкинсон, Р.Райерс, М.Гелл-Ман. Фундаментальная структура материи. М., 1984.

-- Р.Равинский. Развивающаяся Вселенная. Иерусалим, 2001.

-- М.Рис, Р.Руффини, Д.Уилер. Черные дыры, гравитационные волны и космология. М., 1977.

-- С.Каплан. Физика звезд. М., 1961.

-- С.Хокинг. Черные дыры и молодые Вселенные. С.-Петербург, 2001.

-- Ч.Коулсон. Валентность. М., 1985.

-- В.Пармон. Новое в теории появления жизни. Химия и жизнь, N5, 2005.

-- R.Arav. Chemical evolution of the Universe. Scientists of the South Association. Beer-Sheva, 2002.

-- Р.Арав. Связанные максимумы космохимической эволюции. Сб. Творческие поиски ученых Израиля сегодня. Ашкелон, 2005.

-- R.Arav. Power of astrochemical evolution. Ideas, Projects and Technologies, issue 3. Hadera, 2004.

Аннотация

Космохимическая эволюция представлена последовательностью 13 основных реакций (процессов). Обоснована и развита гипотеза последовательных максимумов концентрации в космохимических реакциях. Показы общий вид и вероятная величина интегральных максимумов концентрации химических веществ. Они характеризуются как фактор космохимической эволюции. Приведен ориентировочный расчет распространенности биомакромолекул и вероятности жизни. Предложена образная аналогия автономных потоков химических превращений.

Информация об авторе.

Арав Рудольф, доктор технических наук, инженер-химик. Области интересов: химическая технология, физико-химическая механика, строительные материалы, проблемы естествознания. Выполнены разработки по галургии, бромным и магнезиальным соединениям, бетонам и их заполнителям, материалам из морских концентратов, пенополистиролу, космохимической эволюции. Опубликованы 155 статей и 116 изобретений. Член амуты "Ученые Юга", г.Беэр-Шева. Тел. 08-641 45 31, 054-696 73 96. E-mail: r_arav@yahoo.com.

Оставить комментарий © Copyright Арав Рудольф (rodol-7@zahav.net.il) Размещен: 27/10/2011, изменен: 27/10/2011. 57k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 1 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:

Арав Рудольф Максимумы концентрации в космохимических реакциях

Арав Рудольф
Максимумы концентрации в космохимических реакциях