<< Пред.           стр. 7 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу

  Звезды, составляющие нашу Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью - около 250 км/с - движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за время больше 200 млн. лет.
  Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магеллановых облаков - Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака - это спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра.
  На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика - Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники - две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд. 184
 
  По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех известных галактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды - красные гиганты. К спиральным галактикам относятся наша Галактика, туманность Андромеды и многие другие. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не установлена. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения.
  Наша Галактика, туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную систему галактик. Она объединяет 16 галактик. Диаметр ее больше 2 млн. световых лет. Звездные острова, галактики - типичные объекты Вселенной. К настоящему времени известно множество звездных образований, которые таят в себе еще немало загадок.
 5.4. СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ВСЕЛЕННОЙ
  Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения - электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. родились радиоастрономия и нейтринная астрономия. Первым вестником объектов Вселенной далеких миров был световой луч - электромагнитные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое излучение воспринимается непосредственно - невооруженным глазом. Для наблюдения небесных тел пользуются специальными приборами - телескопами. Телескоп не увеличивает звезды и не приближает их, как это иногда ошибочно утверждают, а собирает свет с помощью объектива - двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая труба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем невооруженный глаз. Сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескоп с диаметром зеркала в 6 м собирает света в миллион с лишним раз больше. Это очень сложное уникальное техническое устройство. Состоит оно из 25 тыс. деталей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и обработки полученных результатов. В последнее время вступили в строй телескопы с диаметром зеркала 8, 10 и 11 м. Современные телескопы снабжены спектрографами для изучения спектра излучения, по которому определяются химический состав и температура источника излучения.
 185
 
  Завершается строительство крупнейшей в мире системы оптических телескопов Европейской южной обсерватории на горе Сьерро-Параналь в чилийской пустыне Атакама. По суммарной площади зеркал эта система будет эквивалентна 17-метровому телескопу и по разрешающей способности примерно в десять раз превзойдет все современные телескопы.
  Продолжается модернизация прославленной обсерватории Маунт Вилсон (штат Калифорния). На звездную вахту встанут шесть телескопов, каждый с зеркалом диаметром в 1 м. Они будут расположены попарно по трем различным направлениям. Предполагается, что компьютерная обработка информации позволит получить разрешение звездного изображения, доступное телескопу с зеркалом диаметром 400 м (это даже трудно себе представить!).
  С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры расширился диапазон исследования космического излучения. Радионаблюдение Вселенной не зависит от времени суток и погодных условий. Источниками космического радиоизлучения являются многие объекты Вселенной, в которых протекают бурные физические процессы. Принципы действия радиотелескопа и оптического телескопа во многом совпадают. Однако функцию объектива, собирающего космическое излучение, в радиотелескопе выполняют огромные антенны специальной формы. Один из крупнейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 1977 г. в 40 км от 6-метрового оптического телескопа. Его кольцевая антенна диаметром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из которых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного неба.
  Еще один вестник Вселенной - инфракрасные лучи. По длине волны они занимают промежуточное место между радиоволнами и видимым светом. Инфракрасные лучи обладают важным свойством: они проходят сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не воспринимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные фотопластинки. Поэтому при фотографировании космических объектов в инфракрасном диапазоне применяют специальные фотоматериалы и электронно-оптические преобразователи.
  Из глубин Вселенной поступают еще два вида сигналов: ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Для этих видов коротковолнового излучения земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало доступным для изучения лишь при появлении ракетной и космической техники. С помощью приборов, установленных на борту высотных ракет, удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца. Рентгеновские телескопы на борту космических аппаратов зарегистрировали 186
 
 излучение большого числа различных космических объектов и рентгеновское свечение всего неба - своеобразный рентгеновский фон.
  К многообещающим источникам космической информации относится гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна. Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию о физических процессах в глубине Вселенной.
  С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наметился еще один путь к разгадке сокровенных тайн Вселенной. Он связан с регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной астрономии. Отличительная особенность нейтрино - чрезвычайно высокая проникающая способность. Регистрируя нейтринный поток с помощью детекторов, можно получить информацию о термоядерных процессах, протекающих в звездах.
  С появлением космической техники открылась новая возможность исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник "Хаббл" позволил получить не только четкие изображения планет Солнечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно 100 млн. км можно различить детали поверхности Марса размером не менее 25 км - такова разрешающая способность телескопа "Хаббл". Для сравнения: один из лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории Маунт-Паломар (США) позволяет рассмотреть детали на Марсе размером 300-400 км. С помощью спутникового телескопа "Хаббл" удалось лучше рассмотреть кольца Сатурна и обнаружить кольцевые системы Юпитера, Урана и Нептуна. С поверхности Земли такие системы не видны - мешает замутненность атмосферы нашей планеты.
  В настоящее время создается новый внеземной телескоп, который заменит "Хаббл" в 2006 г. Новый телескоп гораздо чувствительнее "Хабб-ла". Он сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр зеркала нового прибора - 8 м, а масса зеркала - всего 7 кг. Для сравнения: зеркало действующего телескопа "Хаббл" имеет диаметр 2,4 м и весит 826 кг. В новой конструкции зеркальную поверхность образует слой золота, нанесенный на силиконовую пленку.
  Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возможность представляют космические аппараты. Долгое время Земля казалась человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса, откуда представилась прекрасная возможность увидеть нашу планету всю, целиком, и откуда она больше не кажется нам необъятной и безграничной.
 187
 
  Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсенал средств астрономических наблюдений, наземных и космических, способствует дальнейшему раскрытию тайн Вселенной.
 5.5. ПРОБЛЕМА ПОИСКА ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
  К настоящему времени известен только один очаг жизни и разума - планета Земля. Однако нельзя однозначно утверждать, что среди многих миллиардов звезд условия зарождения живой материи и ее длительной эволюции могли возникнуть только в одной точке Вселенной - в нашей Галактике, вблизи Солнца. Проблема поиска жизни, и особенно разумной, вне Земли в последние десятилетия приобретает естественно-научный характер. Вряд ли есть другая научная проблема, которая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как проблема связи с внеземными цивилизациями. Созываются научные конференции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество ученых, ведутся экспериментальные исследования. По меткому выражению писателя-фантаста Станислава Лема, проблема связи с внеземными цивилизациями подобна игрушечной матрешке - она содержит в себе проблематику многих отраслей естествознания.
  Возможно, что среди множества звезд Вселенной найдутся десятки, а может быть и сотни таких, которые окружены обитаемыми планетами. Можно предполагать, что и перед другими цивилизациями, достигшими высокого уровня развития, как наша, встал тот же вопрос - как установить связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает, быть может и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает сигналы, на которые пока человечество отвечало молчанием! На какой же длине волны возможна такая передача? Скорее всего, в диапазоне радиоволн.
  Вероятно, неведомые нам разумные существа могут жить на другой планете, окруженной атмосферой. Значит, они могут посылать радиосигналы в космос только через узкое "радиоокно" их атмосферы. Возможный диапазон радиоволн для "межзвездной" радиосвязи, по-видимому, ограничивается длинами от нескольких сантиметров до 30 м. Космические естественные источники излучения ведут постоянную интенсивную "радиопередачу" на волнах метрового диапазона. Чтобы она не создавала досадных помех, радиосвязь между обитаемыми мирами должна вестись на длинах волн не более 50 см. Более короткие радиоволны (в несколько сантиметров) не подходят, поскольку тепловое радиоизлучение планет происходит именно на таких волнах, и оно будет "глушить" искусственную радиосвязь. Родилась идея: радиосвязь целесообразно вести на волнах, близких к 21 см, которые излучает межзвездный водород, играющий 188
 
 важную роль в изучении Вселенной. Водород - самый распространенный элемент в наблюдаемой нами части Вселенной, и его излучение на волне 21 см можно рассматривать как некий природный космический эталон.
  С конца 1960 г. в Национальной радиоастрономической обсерватории США начались систематические "прослушивания" некоторых звезд с целью обнаружить искусственные радиосигналы. Для начала были выбраны две звезды, весьма похожие на Солнце. Это Тау из созвездия Кита и Эпсилон из созвездия Эридана. До каждой из них около одиннадцати световых лет. Прослушивание велось с помощью радиотелескопа с диаметром зеркала 26 м. Однако космос безмолвствовал. Впрочем, надеяться на быстрый успех было бы слишком наивно. Пройдут годы, а может быть многие десятилетия, прежде чем удастся принять искусственные радиопередачи из глубин Вселенной. Да и расшифровав полученные радиосигналы и послав в ответ свои, мы не можем ожидать быстрого, оперативного разговора. Наши вопросы и их ответы будут распространяться со скоростью света, а это значит, что от посылки до получения ответа пройдут десятилетия и даже столетия. К сожалению, разговор ускорить невозможно - в природе нет ничего быстрее радиоволн.
  В США обсуждается проект по созданию комплекса для приема внеземных радиосигналов, состоящего из тысячи синхронных радиотелескопов, установленных на расстоянии 15 км друг от друга. В сущности, такой комплекс подобен одному исполинскому параболическому радиотелескопу с площадью зеркала 20 км2. Проект предполагается реализовать в течение ближайших 10-20 лет. Стоимость намеченного сооружения поистине астрономическая - не менее 10 млрд. долл. Проектируемый комплекс радиотелескопов позволит принимать искусственные радиосигналы в радиусе 1000 световых лет. В таком огромном космическом пространстве содержится свыше миллиона солнцеподобных звезд, часть которых, возможно, окружена обитаемыми планетами. Чувствительность проектируемой системы чрезвычайно высока. Если бы вокруг ближайшей к нам звезды Альфа Центавра обращалась планета, подобная Земле (с таким же уровнем развития радиосвязи), то такая система сможет уловить посылаемые от нее радиосигналы.
  Жажда общения с внеземным разумом так сильна, что все технические и временные трудности кажутся преодолимыми. К тому же разумные наши собратья могут оказаться и по соседству с нами. Вселенная беспредельна в своем многообразии, среди бесчисленного множества звездных и планетных систем могут встретиться такие планеты, физические условия на которых создали предпосылки для зарождения и развития жизни. Но какой жизни? Такой, как у нас на Земле, или отличающейся от нее? И в состоянии ли мы сразу распознать живую материю, не родствен-
 189
 
 ную нам? Еще более сложен вопрос о внеземных разумных существах. Если они есть, то сможем ли мы их понять? Конечно, не исключена вероятность возникновения на других планетах не известных нам цивилизаций. Мы знаем только живую материю, зародившуюся на нашей планете. Может быть, в безграничном пространстве Вселенной существует множество других совершенных и сложных форм движения и организации материи, о которых мы даже не подозреваем. Проблема внеземных цивилизаций представляет интерес не только с точки зрения их обнаружения, но и для более глубокого исследования закономерностей процессов развития материальных систем на нашей планете.
 5.6. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА - ЧАСТЬ ВСЕЛЕННОЙ
  Происхождение и структура Солнечной системы. В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются девять больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет - астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 5.2). Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны, как яркие светящиеся диски небольших диаметров и известны людям с древних времен.
  На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной сис-
 
 190
 
 темы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными - для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.
  К настоящему времени известны различные гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе и предложенные независимо немецким философом И. Кантом (1724-1804) и французским математиком и физиком П. Лапласом (1749-1827). Точка зрения И. Канта заключается в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело - Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты, которые образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи - Солнечная система возникла в результате превращения туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта-Лапласа.
  Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891-1956). По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало "соперничать" с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела они присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на
 191
 
 протяжении миллиардов лет. В соответствии с данной гипотезой Солнце образовалось раньше планет. По современным оценкам возраст Солнца не менее 5 млрд. лет.
  С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным, а Юпитера - 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. По-видимому, они не имеют твердой поверхности в отличие от планет земной группы. Особое место занимает девятая планета - Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она близка к планетам земной группы. Сравнительно недавно обнаружено, что Плутон - двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.
  Солнце. Центральное тело нашей планетной системы - Солнце - ближайшая к Земле звезда, представляет собой раскаленный плазменный шар, гигантский источник энергии мощностью около 3,86 1023 кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной в тысячу километров, окружающий земной шар. Солнце играет исключительно важную роль в возникновении и развитии жизни на Земле, на которую попадает лишь незначительная часть его энергии, в то же время достаточная для поддержания газообразного состояния земной атмосферы, нагревания поверхностей суши и водоемов и обеспечения жизнедеятельности животных и растений. Существенная часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и природного газа.
  Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температурах - около 15 млн. градусов - и гигантском давлении протекают термоядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением чрезвычайно большого количества энергии. Одной из возможных реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция не прекратится до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода, составляющие в настоящее время около 60% массы Солнца. Таких запасов должно хватить, по меньшей мере, на несколько миллиардов лет. 192
 
  Почти вся энергия Солнца выделяется в его центральной части, откуда переносится излучением и во внешний слой передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца - фотосферы - около 6000 К. Солнце - источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений существенно меняется и зависит от уровня солнечной активности. Наблюдаются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т.д. Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.
  Луна. Подобно тому как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна - естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать плотную, как на Земле, атмосферу и сохранить на ее поверхности воду.
  Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам - базальтам. Лунные породы отличаются от земных по содержанию оксидов, железа (более 25%) и титана (до 13%). Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения.
  В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция "Луна-2". С того времени начался новый этап ее исследования. Получена интересная информация о составе и структуре лунных пород. По предварительным оценкам, возраст лунных пород - 2,6-4 млрд. лет. Температура лунной поверхности - 100-400 К. Луна находится на среднем расстоянии от Земли 384 400 км. Преодолев такое огромное расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны - сбылась давняя сказочная мечта человечества.
  Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера,
 Земля, Марс, - хотя и похожи друг на друга, но все же каждая из них
 имеет свои неповторимые особенности. Характерные параметры планет
 земной группы представлены в табл. 5.1.
 13 - 3290 193
 
 
  Среднее расстояние в табл. 5.1 дано в астрономических единицах (а.е.); 1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е.= 1,5 • 108 км). Самая массивная из этих планет - Земля: ее масса 5,89 • 1024 кг. Планеты земной группы существенно отличаются друг от друга составом атмосферы и физическими параметрами у поверхности (табл. 5.2).
 
  Меркурий - самая малая планета в земной группе - не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для атмосферы Земли, Венеры, Марса. Атмосфера Меркурия крайне разрежена и содержит в основном Ar, Ne, He. Из табл. 5.2 видно, что земная атмосфера отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым существует биосфера и развивается жизнь. Атмосфера Венеры и Марса содержит сравнительно много углекислого газа и мало кислорода и паров воды - все это характерные признаки безжизненных планет. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых организмов. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом. Результаты исследований последних лет показывают, что вопреки прежним представлениям Марс, как и наша планета, обладает дифференцированной корой с высоким содержанием алюминия, кремния и калия, но с пониженным содержанием магния. 194
 
  Планеты Меркурий и Венера не имеют спутников. Естественные спутники Марса - Фобос и Деймос.
  Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер - пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы - находится на среднем расстоянии от Солнца 5,2 а.е. Он является мощным источником теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет 28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.
  Сатурн - вторая по величине планета Солнечной системы. Он имеет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до 10-20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса.
  Уран - седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет систему колец. Вокруг него обращаются 16 спутников: 6 из них обнаружены при наблюдении с Земли, а остальные - с помощью космических аппаратов.
  Нептун - одна из самых удаленных от Солнца планет имеет 8 спутников. Период его обращения - 164,8 г. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает возможность его детального исследования.
  Современные астрономические средства наблюдений, в том числе космические аппараты, открывают большие возможности дальнейших исследований не только планет-гигинтов, но и всей Солнечной системы изученной части Вселенной.
 
 
  5.7. ЗЕМЛЯ - ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Происхождение Земли. Особое место в Солнечной системе занимает Земля - единственная планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни. Известно несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газы. Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопросы: каким образом в составе планет оказался полный набор химических элементов таблицы Менделеева и что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность. Некоторые ученые предполагают, что появление разнообразия химических элементов связано с внешним фактором - взрывом Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. По-видимому, в недрах и газовой оболочке сверхновой звезды в результате ядерных реакций происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез). Мощный взрыв своей ударной волной мог стимулировать начало конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланет-ный диск, впоследствии распавшийся на отдельные планеты внутренней и внешней групп с поясом астероидов между ними. Такой путь начальной
 13* 195
 
 стадии формирования Солнечной системы называется катастрофическим, так как взрыв Сверхновой звезды - природная катастрофа. В масштабах астрономического времени подобные взрывы - не столь уж редкое явление - они происходят в среднем через несколько миллиардов лет.
  Предполагается, что образованию планет из протоплазменного диска предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетезималями; последующее их скопление и соударение вызвало аккрецию (наращивание) планеты, которая сопровождалась изменением гравитационных сил.
  Есть противоположные мнения о тепловом состоянии Земли на разных стадиях ее развития. Вопреки гипотезе Канта-Лапласа об огненно-жидком исходном состоянии Земли, в первой половине XX в. обсуждалась идея об изначально холодной Земле, недра которой в дальнейшем стали разогреваться вследствие тепла, выделяемого при распаде естественных радиоактивных веществ. Однако в этой концепции не учитывалось выделение тепла при аккреции и особенно при соударении планете-зималей больших размеров. Возможно, существенный разогрев Земли вплоть до температуры плавления ее вещества произошел уже на стадии аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начиналась дифференциация вещества Земли на несколько оболочек и прежде всего на силикатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радиоактивный источник тепла. Выделявшееся тепло повлекло за собой образование газов и водных паров, которые, выходя на поверхность, и формировали воздушную оболочку - атмосферу и водную среду нашей планеты.
  Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних пород, найденных в земной коре, составляет около 4 млрд. лет. По оценкам некоторых ученых, формирование Земли длилось 5-6 млрд лет. Понадобились миллиарды лет, чтобы образовалась наша планета - Земля. Земной шар, сплюснутый у полюсов, вращаясь вокруг собственной оси, движется со средней скоростью около 30 км/с в космическом пространстве по эллиптической траектории вокруг Солнца.
  Наша Земля удивительна и прекрасна. Такой ее представляли и представляют многие люди. Особенно прекрасной она выглядит из космоса, где впервые побывал советский космонавт Ю.А. Гагарин (1934-1968), совершивший 12 апреля 1961 г. первый в истории человечества полет на космическом корабле "Восток".
  Строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Земную кору покрывают гидросфера - жидкая оболочка (она не сплошная) и атмосфера - газовая оболочка. Наша планета до сих пор хранит еще 196
 
 множество тайн. Проникнуть глубоко внутрь нее даже сегодня не так легко. Глубина современных шахт - всего лишь несколько километров. Самая глубокая скважина в мире пробурена в 1994 г. в России на Кольском полуострове, ее глубина - 12 262 м. Основные сведения о строении Земли, химическом составе ее пород и т.п. добываются косвенными методами, в частности при исследовании колебаний земной коры в процессе землетрясений и анализе химического состава вулканической массы.
  Твердая оболочка Земли делится на две основные части: верхнюю - земную кору и нижнюю - мантию. Средняя толщина земной коры - несколько десятков километров. На материках она равна 30-40 км, под Памиром и Андами - 70-80 км, а под океанами - не более 10 км. Поверхностный слой земной коры на континентах сформировался в основном из осадочных пород. В нем сохранились останки вымерших животных, когда-то населявших Землю, и фрагменты погибших растений.
  Самая глубинная часть Земли - ядро. Его радиус - около 3,5 тыс. км. Оно состоит из внешней оболочки в жидком состоянии и внутреннего твердого субъядра. Температура в центре ядра - примерно 5000°С, плотность вещества ядра - 12,5 т/м3. По химическому составу субъядро похоже на железный метеорит, содержащий около 80 % железа и 20 % ни- ' келя. Внешняя оболочка ядра содержит 52 % железа и 48 % смеси железа с серой. Согласно одной из гипотез, в результате циркуляции потоков расплавленных металлов во внешней оболочке ядра возникает магнитное поле Земли.
  Между ядром и земной корой находится мантия - самая массивная часть Земли, составляющая около 83 % ее объема. Температура мантии - 2000-2500 °С. Вещество мантии содержит различные силикаты - соединения, включающие кремний. Происходящие в ней процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую активность.
  Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу - внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с гипотезой новой глобальной тектоники - науки о развитии структуры земной коры - литосфера состоит из крупных плит, перемещающихся в горизонтальном направлении по астеносфере - подстилающем литосферу слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Литосферные плиты - это крупные (до нескольких тысяч километров в поперечнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную, но и сопряженную с ней океаническую кору. На границе их находятся сейсмические, тектонические активные зоны разломов. Из-за смещений литосферных континентальных плит высота, например, Эвереста увеличивается на 2,5-5 см ежегодно.
 197
 
  Как уже отмечалось, температура ядра и мантии очень высокая - тысячи градусов. Казалось бы, все вещества при такой температуре должны находиться в расплавленном и даже газообразном состоянии. Однако субъядро и мантия - твердые образования: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении.
  Как только давление ослабевает, твердые породы расплавляются. Образуется жидкая раскаленная масса - магма. При перемещении вещества в земной коре возникают глубокие трещины с пониженным давлением, где образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах она прорывается наружу. Так возникает вулканическое извержение. Вулкан - это своеобразная природная домна, в которой плавится и выбрасывается на поверхность много ценных химических соединений и металлов: железо, свинец, олово, алюминий и т.п. Придет время, и человек будет использовать такие богатства. В результате вулканической деятельности меняется форма рельефа, гор, возникают острова и озера. Так образовалось, например, в 1911 г. Сарезское озеро в самом центре Памира. Глядя на необыкновенной красоты действующий вулкан Фудзияма (Япония), можно сказать, что он обладает некой неземной притягательной силой.
  Земная кора - сокровищница разнообразных полезных ископаемых: каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и т.д. Месторождения каменного угля сформировались в те отдаленные времена, более 200 млн. лет назад, когда на Земле были благоприятные условия для развития растительности. Этот период в геологической истории нашей планеты называется каменноугольным. Во влажном и жарком климате необычно разрасталась вечнозеленая растительность, из которой образовались торфяники, превратившиеся потом под действием давления и высокой температуры земных недр в пласты каменного угля. В этот период сформировались каменноугольные бассейны Караганды, Донбасса и др.
  Предполагается, что нефть также имеет органическое происхождение: она образовалась из погибших низших растений и животных организмов - водорослей, амеб, червей, личинок и т.д. Огромны запасы в недрах Земли горючих углеводородных газов, широко используемых как топливо и природное сырье для производства многочисленных органических материалов. Богата наша Земля и ископаемыми минеральными удобрениями - "камнями плодородия". Главные среди них - минералы, содержащие калий и фосфор - питательные вещества для растений. При внесении их в почву повышаются урожаи зерновых, овощей, хлопка и других культур.
 198
 
  Совокупность всех водных массивов земного шара - океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов - образует гидросферу Земли. Часто под гидросферой подразумеваются только океаны и моря. Действительно, больше всего воды содержится в Мировом океане, около 2 % ее - в ледниках. Много воды под землей. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и пресных озер, которой на Земле чрезвычайно мало - 0,001 % всего водного массива. Вот почему проблема сохранения водных ресурсов - одна из важнейших.
  Мировой океан - основная часть гидросферы. В течение года с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 тыс. км3 воды. Большая часть ее - около 90 % - затем выпадает в виде осадков над поверхностью океанов и морей, а остальная влага осаждается на суше и потом реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в ледниках. Такой непрерывный круговорот воды оказывает большое влияние на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, находясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше испаряется воды, тем мягче климат. Различают континентальный и морской климат. На территории с морским климатом сезонные колебания температуры значительно меньше, чем там, где преобладает континентальный климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый сезон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух, а зимой наоборот: теплая вода океана согревает холодный воздух. Причина этого явления - большая теплоемкость воды. Основная доля солнечного тепла поглощается морями и океанами.
  Ежедневно в любую погоду происходят морские приливы и отливы. Наибольшие приливы наблюдаются в Англии в устье реки Северн (разница между уровнями воды при приливе и отливе составляет до 16,3 м). Первое научное объяснение морских приливов дал Ньютон. Он доказал, что приливы обусловливаются силой притяжения Луны. Приливы и отливы происходят не только в водной оболочке Земли, но и в твердой, и в воздушной. Под действием сил притяжения Луны даже твердая оболочка нашей планеты дважды в сутки поднимается и опускается на несколько десятков сантиметров.
  Реки земного шара ежегодно сбрасывают в моря около 35 тыс. м воды, причем наибольший сток - с Азиатского материка. Второе место занимает Южная Америка - одна Амазонка выносит в океан десятую часть воды всех рек планеты.
  Важную роль в жизни людей и их хозяйственной деятельности играют атмосферные осадки. Однако распределение их наземном шаре весьма неравномерно: в одних местах - избыток, а в других - недостаток. Поэтому важно научиться управлять распределением осадков. Управлять
 199
 
 
 таким процессом все же удается, правда, в небольших масштабах, например, при необходимости над территорией аэропорта или города "прояснить погоду".
  Ледяная оболочка планеты называется криосферой. Основная масса льда - ледники; они разделяются на горные и покровные. Горные ледники - это, по существу, ледяные реки. Спускаясь вниз по склонам, они ведут себя как реки: встречая широкое и ровное пространство, разливаются по нему, а в узких ущельях движутся как горный поток. Правда, движение горных ледников очень медленное. Огромные языки ледников спускаются с высочайших вершин Гималаев, Тибета. Многие сибирские реки берут свое начало в ледниках Алтая и Саян.
  Царство покровных ледников - арктический и антарктический пояса. Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды, постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров растекается даже по поверхности моря - так рождаются плавучие ледяные горы - айсберги (рис. 5.3). Особенно огромны ледниковые отложения в Антарктиде. Здесь поистине царство льдов, их площадь превышает площадь всей Европы. Антарктида таит в себе много загадок. Когда-то этот континент был покрыт вечнозеленой растительностью, о чем свидетельствуют найденные здесь залежи каменного угля.
  Знакомясь с ледяным царством на Земле, нельзя забывать и о его подземных владениях. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают 200
 
 четверть суши. На территории нашей страны мерзлота несплошной полосой тянется от побережья Ледовитого океана до Туруханска и Якутска, а отдельные ее островки есть и южнее - у Иркутска, Красноярска, Читы, на берегах Амура. Вечная мерзлота оказалась прекрасным холодильником: тысячелетия он работает так исправно, что сохранились трупы давным-давно погибших животных с мясом, кожей и шерстью. Когда ученые познакомились с тем, что сохранила замерзшая северная земля, они пришли к выводу, что вечная мерзлота не вечна. Она образовалась около 100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение. Наступившее потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере нашей страны осталась навеки промерзшая земля.
  Воздушную оболочку Земли образует атмосфера. Она, как одежда, защищает днем поверхность Земли от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас и от смертельного космического излучения. Без воздушной оболочки Земля была бы мертвой и безмолвной. Ведь все живое не может существовать без воздуха.
  Многие мыслители древности считали воздух одним из главных элементов мироздания. Так, по мнению греческого философа Анаксимена (VI в. до н.э.), воздух вездесущ и дает начало всем вещам. В XVII в. было доказано, что воздух имеет массу. Теперь мы знаем, что чем ближе воздух к поверхности планеты, тем он плотнее. Масса 1 м воздуха у земной поверхности составляет в среднем 1,293 кг. На высоте 10 км она снижается до 400 г, а на сорокакилометровой высоте - до 4 г. Основные составляющие атмосферы - азот (78 %) и кислород (21 %). Атмосфера, кроме того, содержит в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары и др.
  Самая нижняя часть атмосферы - тропосфера - простирается до 8-10 км в полярных широтах и до 16-18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы воздуха. В ней образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому ее справедливо считают "фабрикой" погоды. Следующий слой - стратосфера - находится над тропосферой до высоты 50-55 км над земной поверхностью. Здесь неизменно ясно и часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето, есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами. Поэтому к изменению погоды причастна и стратосфера, иногда называемая "кладовой" погоды.
  Следующий слой атмосферы - ионосфера - начинается на высоте от 50 км и ограничивается сверху магнитосферой - областью, где заметно проявляется магнитное поле Земли. Ионосфера состоит преимущест-
 201
 
 венно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В ионосфере дуют ураганные ветры. Выше ионосферы, начиная с высоты несколько сот километров над Землей, расположена экзосфера - зона рассеяния атмосферы, из которой быстро движущиеся атомы водорода могут вылетать в космическое пространство. Следы атмосферы обнаруживаются и выше - на высоте более 10 тыс. км. До высоты 100-200 км газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше - до 200-250 км - преобладает азот, затем - до 500-700 км - атомарный кислород, а еще выше - гелий. У поверхности "воздушного океана" преобладает самый легкий газ - водород.
  Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеобразного хвоста - около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался в результате давления солнечных лучей - солнечного ветра.
  Деление атмосферы и земного шара на составные части весьма условно. Нельзя провести резкую границу между отдельными частями, хотя каждая из них обладает вполне определенной спецификой. Все они тесно взаимосвязаны друг с другом. Такая связь наиболее сильно проявляется между верхней частью литосферы, гидросферы и нижней части атмосферы, которые образуют область активной жизни, называемую биосферой. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин "биосфера" впервые ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (1831-1914). Согласно учению В.И. Вернадского, биосфера - активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения.
  Земля вместе с атмосферой совершает один оборот вокруг Солнца за один год. А Солнце вместе с большими и малыми планетами совершает путешествие в загадочном космическом пространстве. Так и человек совершает нескончаемое путешествие в уникальную страну знаний, приближающих человечество к тайнам мироздания.
 Контрольные вопросы
 1. Что называется самоорганизацией?
 2. Назовите основные направления исследования самоорганизации.
 3. Каким условиям должен удовлетворять объект изучения синергетики?
 4. Что такое точка бифуркации?
 5. Назовите основные положения концепции развития.
 6. Чем отличается самоорганизация от эволюции?
 7. Охарактеризуйте основные концепции космологии.
 8. Сформулируйте закон Хаббла.
 9. Как определяется радиус космологического горизонта?
 202
 
 10. Что такое реликтовое излучение?
 11. Каков предполагаемый механизм образования объектов Вселенной?
 12. Что представляют собой черные дыры?
 13. Какова структура Вселенной?
 14. Что такое Метагалактика?
 15. К какой галактике относится Солнечная система?
 16. Какова особенность пульсаров?
 17. Назовите основные виды галактик.
 18. О чем свидетельствует рождение сверхновых звезд?
 19. Приведите характеристики современных телескопов.
  20. В каких диапазонах электромагнитных волн производится наблюдение объектов
 Вселенной?
 21. В чем заключается специфика астрономического наблюдения из космоса?
 22. Какова структура Солнечной системы?
  23. Дайте краткую характеристику современных гипотез о происхождении Солнечной
 системы.
 
 24. Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов?
 25. Какова мощность излучения Солнца?
 26. Какие процессы происходят в недрах Солнца?
  27. Как отличается по составу атмосфера Земли от атмосферы других планет земной
 группы?
 28. Приведите характерные параметры планет-гигантов.
 29. В чем заключается современная гипотеза о происхождении Земли?
 30. Каково строение Земли?
 31. Что представляют собой литосферные плиты?
 32. Дайте краткую характеристику гидросферы Земли.
 33. Из каких слоев состоит атмосфера Земли?
 6. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ О ВЕЩЕСТВЕ
 6.1. РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ
  История развития знаний о веществе. Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей - химию. В современном понимании химия - наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.
  История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V в. до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия - донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI-XVI вв. Основные задачи алхимии заключались в поисках так называемого "философского камня" для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, в
 203
 
 создании эликсира долголетия и др. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще находили применение в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок и т.п.
  Первое научное определение химического элемента предложил в 1661 г. английский химик и физик Р. Бойль (1627-1691), основоположник экспериментального химического анализа. В современном представлении химический элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.
  Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В. Ломоносов (1711-1765) сформулировал закон сохранения материи и движения, исключив из числа химических агентов флогистон - невесомую материю. Первая химическая теория - теория флогистона, согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) считались сложными веществами, т.е. состоящими из соответствующих элементов и универсального "невесомого тела" - флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743-1794) полностью опроверг теорию флогистона.
  В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766-1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие "атомный вес", определил атомные массы (веса) ряда элементов и открыл в 1803 г. закон кратных отношений:
  если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.
  В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел термин "молекула" и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула - микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах ХГХ в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик А.М. Бутлеров (1828-1896) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой
  свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.
  Немного позднее - в 1869 г. - другой выдающийся русский химик - Д.И. Менделеев (1834-1907) открыл периодический закон химических элементов - один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка этого закона такова:
 204
 
  свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер.
  Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Периодической системе Менделеева.
  С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка способов управления химическими процессами и синтез химических соединений с новыми свойствами.
  По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химии, аналитическая химия и др. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий.
  В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на современном молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и многое другое.
  Молекулярный уровень экспериментальных исследований позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с новыми свойствами, но и производить операции с фрагментами ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.
  Масштабы химической индустрии. Долгое время необходимые человеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски и т.п.) производились путем переработки преимущественно природного сырья растительного происхождения. Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения многочисленную и многообразную по свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ поистине безграничны. Все возрастающие потоки природного сырья: нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды и т.д. - превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ.
 205
 
 
 
  Синтез новых химических продуктов - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Так, для промышленного производства всего лишь нескольких лекарственных препаратов необходимо синтезировать не менее 4000 разновидностей веществ (для средств защиты растений эта цифра может составлять и 10 000). В недалеком прошлом, например, в США на каждый внедряемый в массовое производство химический продукт приходилось примерно 450 научно-исследовательских разработок, из которых отбиралось всего лишь 98 для опытного производства. После опытно-промышленных испытаний лишь не более 50 % отобранных продуктов находили широкое применение. Однако практическая значимость полученных таким сложным путем продуктов настолько велика, что затраты на исследования и разработку очень быстро окупаются.
  Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают в основном все важнейшие сферы хозяйственной деятельности. Взаимодействие химических технологий и различных сфер деятель-
 ности человека представлено на рис. 6.1, где введены следующие обозначения: А - химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная и легкая промышленность, производство стекла и керамики, производство различных материалов, строительство, горное дело, металлургия; Б - ма-шино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства связи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйство, средства информации; В - повышение производительности труда, экономия материалов; Г - улучшение условий труда и быта, рационализация умственного труда; Д - здоровье, питание, одежда, отдых; Е - жилище, культура, воспитание, образование, охрана окружающей среды, оборона. 206
 
  Приведем несколько примеров внедрения химических технологий. Один из них связан с изготовлением интегральных схем для микроэлектроники с применением химически чистого кремния, которого в природе нет. Однако такой кремний можно получить в результате химического превращения диоксида кремния в виде песка, а это означает, что химические технологии позволяют превратить обычный песок в элементный кремний. Другой характерный пример касается сжигания топлива. Автомобильный транспорт потребляет громадное количество топлива. Что нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы выхлопными газами? Частично проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же ее решение заключается в химическом превращении исходного сырья - сырой нефти - в очищенные продукты. Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на осознанное (особенно в последние десятилетия) стремление общества сохранить окружающую среду.
  Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие выпускаемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300-500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 - в виде текстильных изделий, примерно 200 - в быту, на рабочем месте и во время отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пищевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.
  Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. В последнее время во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200-250 новых химических соединений. Все это свидетельствует об огромных масштабах современной химической индустрии.
 6.2. СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
  Управление химическими процессами. Современная наука о химических процессах включает фундаментальные знания многих отраслей естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремление ученых - создать лаборатории живого организма для воспроизведения химических процессов в биологических системах свидетельствует о необходимости применения взаимосвязанных знаний разных естественно-научных отраслей.
 207
 
  Наш соотечественник, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г., выдающийся химик Н.Н. Семенов (1896-1986), создавший общую теорию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких простых объектов, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи химический процесс - это мост между физическим и биохимическим объектами.
  Одно из важнейших направлений учения о свойствах вещества - создание методов управления химическими процессами. Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью управления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых экспериментальных методов с применением современных технических средств контроля и анализа сложных молекулярных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о свойствах промежуточных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20-30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с.
  При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от исходного энергетического состояния, возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновениях. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управления химическими превращениями.
  Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания - количествен-208
 
 ным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных отраслей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются в разных отраслях химии, в медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т.п.
  Для количественного анализа исследуемые сложные смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод - хроматография. Этот метод впервые предложил российский ученый М.С. Цвет (1872-1919). Его сущность заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии можно разделить и зафиксировать чрезвычайно малое количество вещества в смеси - около 10-12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонентные газообразные смеси, содержащие вещества разного изотопного состава
  Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.п.
  В управлении химическими процессами важную роль играют предварительные расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в первой половине XX в. с развитием квантовой теории появилась возможность рассчитывать взаимодействие электронов и атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения квантовой механики для комплексных объектов - молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете электронной плотности, а не движения отдельных электронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма сложных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелевской премии по химии.
  Синтез органических и неорганических соединений. В последние
 десятилетия активизировались исследования в смежных отраслях естест
 вознания - химии металлоорганических и бионеорганических соедине
 ний, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и
 соединения, из которых в основном состоят объекты неживой природы,
 играют важную роль в живых организмах, весьма чувствительных, на-
 14-3290 209
 
 пример, к ионам металлов почти всей Периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в жизненно важных процессах: связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, железо в ферредоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12) и др.
  Важнейший предмет изучения современной неорганической химии биосистем - строение ближнего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов. В последнее время быстро развивается химия эле-ментоорганических соединений, для исследования сложнейших структур и связей которых применяются новейшие методы спектроскопии и рент-геноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений с необычайно сложной структурой. Среди них ферроцен - вещество, содержащее атомы железа.
  Химики-металлоорганики стремятся создать новые эффективные катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота N2 в аммиак NH3 - исходный продукт для производства удобрений. Другая не менее важная задача - синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углеродных связей. Тем не менее удалось синтезировать соединения родия и иридия, содержащие фосфины, карбонилы, и другие соединения, способные расщеплять связи С-Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов - важнейшего промышленного сырья. Этим способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол (метиловый спирт) - ценное сырье для производства многих химических веществ.
  Металлоорганические соединения принимают участие во многих промежуточных реакциях. Они богаты электронами, поэтому играют роль посредника в различных процессах переноса электрического заряда.
  В последние десятилетия бурно развивается химия композиционных материалов (композитов). К настоящему времени синтезировано множество композитов с уникальными свойствами, среди которых можно назвать неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойную керамику для соединения полупроводниковых систем и др. Осо-210
 
 бый интерес представляют композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие волокна толщиной 50-100 нм (тоньше человеческого волоса) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены. Изучение взаимодействия компонентов в сложных композиционных системах позволяет синтезировать новые материалы с уникальными свойствами.
  Один из способов эффективного управления химическими процессами заключается в повышении селективности (избирательности) вступающих в реакцию химических соединений. Для реализации такого способа необходимо определить реакционную способность соединений для всех видов химической связи и создать при их взаимодействии оптимальную ориентацию молекул с вполне определенными периодической пространственной конфигурацией и структурой.
  Высокая эффективность управления химическими процессами достигается при фотохимическом синтезе, основанном на действии электромагнитного излучения, способствующего переходу молекул в возбужденное энергетическое состояние, при котором повышается активность многих химических превращений. При воздействии излучения даже некоторые химически инертные вещества становятся реакционноспособ-ными. В результате фотохимического синтеза получены биологически активные соединения: алкалоид атизин, антибиотики, провитамин D3 и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего излучения. Так, при незначительном уменьшении длины волны от 302,5 до 300,0 нм выход провитамина D3 увеличивается вдвое.
  При воспроизведении природных веществ, обладающих определенными свойствами и выполняющих те или иные функции, процесс управления химическим синтезом включает ряд операций: обнаружение воспроизводимого природного соединения, его химическое выделение, определение химического состава и структуры и, наконец, синтез искусственного вещества с заданными свойствами. Именно так синтезированы многие искусственные вещества: антибиотики, витамины и многие целебные вещества.
  На практике часто требуется только одна из двух зеркальных струк
 турных форм вещества. Например, атом углерода может образовать пару
 симметричных зеркальных структур. Такой атом называется хиральным
 центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной фор
 мы - синтез антибиотиков. В природе встречается множество подобных
 химических соединений. Самое известное среди них - монензин, проду
 цируемый штаммом бактерий и применяемый для борьбы с инфекцион
 ными болезнями в бройлерном производстве.
 14* 211
 
  В управлении химическими процессами большую роль играет катализ, который широко применяется для синтеза огромного разнообразия органических и неорганических соединений.
 6.3. СОВРЕМЕННЫЙ КАТАЛИЗ
  Общие сведения. Катализ - ускорение химической реакции в присутствии веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Термин "катализ" впервые предложил шведский химик и минералог И.Я. Берцелиус (1779-1848). Благодаря катализу повышается скорость реакций даже при невысоких температурах, активизируется образование только определенных продуктов из ряда возможных. Катализ - основа многих химико-технологических процессов, например производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака и др. Большинство превращений, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).
  Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды
 
  Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением большого количества тепла. Однако такая реакция протекает настолько медленно, что даже после продолжительной выдержки этой смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции существенно повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и катализатор, который помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции.
  Некоторые промышленные химические процессы осуществляются между газообразными реагентами при наличии твердых катализаторов. Однако на практике обычно осуществляются жидкофазные каталитические процессы. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом, причем большая часть - с участием катализа на поверхности твердого тела.
  К довольно эффективным катализаторам относятся ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическими свойствами обладают многие элементы Периодической системы Менделеева, среди которых важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.
  В технологическом процессе некоторые катализаторы позволяют существенно снизить не только температуру, но и давление. Например, метанол синтезируется с катализатором при давлении 50 атм и температуре
 212
 
 260-290 °С, а без него - при гораздо более высоком давлении - до 1000 атм и температуре 300-400 °С.
  Катализаторы существенно ускоряют химические реакции. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в десятки миллиардов раз. Селективные катализаторы оказывают такое же сильное влияние, но лишь на одну из многих конкурирующих реакций. Стереосе-лективные катализаторы позволяют не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствуют образованию молекул с заданной структурой и существенно влияют на их физические и биологические свойства.
  Каталитические процессы принято классифицировать с учетом их физической и химической природы. Различают несколько основных видов катализа: гетерогенный и гомогенный, электрокатализ, фотокатализ и ферментативный катализ.
  В гетерогенном катализе химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов.
  При гомогенном катализе исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой).
  В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. В нем в отличие от гетерогенного катализа возможно управление химическим процессом при изменении силы электрического тока.
  При фотокатализе химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения и может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе.
  Процесс с участием ферментов называется ферментативным катализом. Ему присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты - это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ждущем состоянии до начала реакции. Фермент, кроме того, выбирает подходящие химические вещества для нужной реакции.
  Гетерогенный катализ. Одна из важных задач гетерогенного катализа - увеличение эффективной поверхности катализатора. Удельная поверхность катализаторов, широко применяемых в промышленности, равна примерно 150 м2/г. Для некоторых катализаторов на основе активированного угля или молекулярных сит удельная поверхность составляет до 1000 м2/г. Кроме большой активной поверхности катализаторы должны иметь небольшую плотность, высокую прочность и обтекаемость. Совокупностью таких свойств обладают перспективные катализаторы - искусственные цеолиты (молекулярные сита) и пористая керамика.
  Гетерогенный катализ известен давно, но только несколько десятилетий назад уникальные методы и приборы открыли путь для экспериментального исследования химических процессов на поверхности твердого
 213
 
 тела. В результате гетерогенного катализа получается, например, из элементных азота и водорода аммиак NH3 - важнейший компонент удобрений. При повышенной температуре молекулы N2 и Н2 реагируют с образованием NH3 на монокристаллах железного катализатора. Грань кристалла железа (111) примерно в 430 раз активнее грани (110) и в 13 раз - грани (100). Синтез аммиака - один из первых каталитических процессов, внедренных в крупное промышленное производство. Обычно катализатором для такого синтеза служат мелкие частицы железа - тонкодисперсное железо, осажденное на оксиде алюминия с добавкой оксида калия. Синтез аммиака осуществляется при сравнительно высокой температуре - 500 °С, поэтому продолжается поиск катализаторов, которые позволили бы снизить температуру синтеза.
  К настоящему времени освоено множество катализаторов для промышленного производства ценных химических продуктов (табл. 6.1).
 
  Современные экспериментальные средства позволяют проследить за поведением атомов на поверхности твердого катализатора. Поверхностные атомы могут образовывать химические связи и влиять на свойства молекул. Поэтому поведение молекул реагентов на поверхности твердого катализатора отличается от поведения тех же молекул в растворе или газовой фазе.
  Одно из перспективных направлений повышения эффективности катализа заключается в разработке молекулярных сит - природных или синтетических материалов, содержащих алюминий, кремний и кислород (алюмосиликаты) и имеющих мельчайшие пустоты и каналы, образующие пористую структуру. Попавшие внутрь пустот и каналов молекулы вступают в химическую реакцию, которая при обычных условиях возможна только при высокой температуре. Форма и размер внутренних полостей не только влияют на селекцию реагентов, но и ограничивают размер частиц конечного продукта, т.е. молекулярные сита - селективные катализаторы. Их применяют, например, для производства высокооктанового бензина в результате крекинга и для превращения полученного из древесины метанола в калорийное топливо. 214
 
  Давно известно, что частицы чрезвычайно малых размеров, состоящие всего лишь из нескольких тысяч атомов, могут быть активными катализаторами при превращении углеводородов (производство топлива) и синтезе аммиака (производство удобрений). Обычно такие частицы изготавливаются из весьма дорогостоящих металлов: кобальт, никель, родий, палладий и платина. Поэтому ведется поиск дешевых и широко доступных катализаторов.
  Современному производству нужны такие катализаторы, которые позволили бы превращать имеющееся в изобилии дешевое сырье в более ценные и полезные химические соединения, а именно: превращать азот в нитраты (производство минеральных удобрений), уголь в углеводороды (производство топлива), метан и метанол в соединения с двумя атомами углерода - этилен, этан, уксусную кислоту и этиленгликоль (промышленное сырье). Для сохранения окружающей среды необходимы каталитические конверторы для очистки выхлопных газов автомобилей, эффективные катализаторы для удаления оксидов серы и азота, содержащихся в дыме ТЭЦ, и т.п.
  Гомогенный катализ. Часто гомогенные катализаторы представляют собой сложные металлосодержащие молекулярные соединения, структура которых позволяет осуществить тонкую настройку реакционной способности реагентов и достичь высокой селективности. Один из крупномасштабных промышленных процессов с применением гомогенного катализа - это частичное окисление параксилола и превращение его в терефталевую кислоту:
 
  В таком процессе катализатором служат соли кобальта и марганца. Большая часть конечного продукта подвергается сополимеризации с этиленгликолем и используется для производства полиэфирных тканей, корда для шин, контейнеров для воды и многих других изделий. В промышленном производстве уксусной кислоты из метанола и монооксида углерода СО роль катализатора выполняет дикарбонилдииодид родия, позволяющий получить около 99% целевого продукта.
 215
 
  В качестве промышленного сырья было бы весьма заманчиво использовать некоторые широко распространенные вещества: азот, монооксид и диоксид углерода и метан. Однако это относительно инертные вещества, и для их участия в реакции нужны высокоэффективные катализаторы, например, растворимые металлоорганические соединения. Так, при помощи растворимых соединений молекулярного азота с оловом и молибденом удается синтезировать аммиак. Химические связи углерод-водород в соединениях типа метана и этана, нереакционно-способных в обычных условиях, разрываются родий-, рений-, иридий-органическими комплексами, что повышает их реакционную способность.
  Одно из направлений катализа связано с синтезом молекул, ядро которых состоит из нескольких химически связанных атомов металла. Из таких молекул формируются кластеры, по размерам превосходящие молекулы гомогенных катализаторов, но меньше частиц металла - гетерогенного катализатора. Во многих металлах - активных гетерогенных катализаторах, а именно в таких, как родий, платина, осмий, рутений и иридий, обнаруживается способность к образованию кластеров. Синтезирован ряд кластеров, получивших название кубаны. Ядро молекул кубанов состоит из четырех атомов металла и четырех атомов серы, расположенных в вершинах куба. Структура кубанов получена для железа, никеля, вольфрама и других металлов. К кубанам относится ферредоксин, являющийся функциональной частью белков, катализирующих реакции с переносом электронов в живых системах.
  Многие биологические молекулы имеют зеркально отраженные геометрические структуры. Обычно лишь одна из таких хиральных структур оказывается биологически активной. Поэтому важно уметь синтезировать на каждом хиральном центре нужную структуру. Катализатор, обеспечивающий такой синтез, называется стереоселективным. В качестве примера можно привести синтез леводофы - стереоизомера аминокислоты - эффективного средства лечения болезни Паркинсона. Молекула леводофы получается при стереоселективном присоединении водорода к двойной углерод-углеродной связи:
 
 216
 
 
  Используемый при этом катализатор - растворимое соединение фосфина и родия - приводит к образованию конечного продукта с выходом 96%.
  Электрокатализ и фотокатализ. Благодаря химической модификации каталитически активных электродных поверхностей повышается эффективность управления химическими процессами на границе раздела раствор - электрод. Химическая модификация электродов стимулирует вполне определенные реакции. Она осуществляется в результате технологической операции осаждения тонкопленочных слоев, широко применяемой для формирования элементов интегральных схем. Например, осажденный тонкопленочный слой рутения в качестве каталитического покрытия существенно сокращает потребление энергии в производстве хлора и щелочи.
  При поглощении электромагнитного излучения полупроводниковыми электродами происходит фотокатализ, стимулирующий химические процессы на границе раздела электрод - раствор. Подобный эффект наблюдается на границе раствор-частица. Например, в результате фотокатализа на поверхности диоксида титана обезвреживаются токсичные вещества в стоках (разрушается их структура). Известна идея фотокаталитического превращения воды в кислород и водород под действием солнечного излучения. Водород как экологически чистое топливо (при его сгорании образуется вода) мог бы заменить истощающееся и загрязняющее атмосферу нефтяное топливо.
 217
 
  Искусственные ферменты. Ферменты - естественные биологические катализаторы со сложнейшей молекулярной структурой. Современные экспериментальные средства позволяют определить их химический состав и структуру, что очень важно при синтезе искусственных ферментов. Один из способов создания искусственных ферментов заключается в формировании в больших молекулах профилированных полостей с последующим их заполнением каталитическими связывающими центрами.
  Искусственные ферменты называются биоимитаторами. К настоящему времени получены, например, биоимитаторы, родственные природному соединению - витамину В6 и обладающие высокой стереосе-лективностью. Синтезированы биоимитаторы, участвующие в расщеплении белков. Получен биоимитатор гемоглобина - переносчика кислорода. Структура активной части гемоглобина изображена на рис. 6.2. Синтез новых искусственных ферментов продолжается.
 6.4. ОБРАЗОВАНИЕ ЗЕМНЫХ И ВНЕЗЕМНЫХ ВЕЩЕСТВ
  Геохимические процессы в недрах Земли и на ее поверхности, представляют собой превращения сложных соединений и смесей, состоящих из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести в лаборатории условия, близкие к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы: кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры минералов (метаморфизм), выветривание и т.п. - приводят к образованию рудных отложений или к их разрушению и рассеянию.
  Большой интерес представляют метеориты: они дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах.
  Химия внесла и вносит существенный вклад в исследование космического пространства. Без ракетного топлива и современных материалов, способных выдержать огромное давление, высокую температуру и интенсивное космическое излучение, без электрохимических источников энергии, без разнообразных химических средств для обеспечения питания космонавтов мы сегодня смотрели бы на Луну из нашего прекрасного далека. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания - космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной и т.д.
  Первые данные о химическом составе небесных тел получены с помощью спектрального анализа. В химических лабораториях, кроме 218
 
 
 того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался единообразным, как если бы они происходили из одного и того же рудника. До сих пор ни в одном метеорите не найден химический элемент, который не встречался бы на Земле. С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете химические элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе, пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бак-териоподобной структуры в метеорите с Марса (рис. 6.3), что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на этой планете в далеком прошлом.
  Наиболее часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа. Содержание никеля в них составляет 6-20%. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, оксида и диоксида углерода.
  Прямая геологическая разведка небесных тел началась 21 июля 1969 г., когда человек впервые ступил на поверхность Луны и взял пробы лунного фунта. Через год с небольшим прилунилась первая автоматическая станция "Луна-16", возвратившаяся на Землю с образцами лунной породы. Немного позднее, в ноябре 1970 г., на Луну доставлена советская автоматическая станция "Луноход-1", которая, начав свое движение по Луне с северо-западного Моря дождей, обследовала за 321 сутки около
 219
 

<< Пред.           стр. 7 (из 16)           След. >>

Список литературы по разделу