Стекло

Во время археологических раскопок в Египте ученые нашли прекрасную стеклянную вазу. Красивая форма, стекло самого высокого качества. Определили возраст находки: оказалось, вазу изготовили 3 тысячи лет назад. В Древнем Египте из стекла делали не только вазы, но и различные украшения, посуду. Египет оставался центром стеклоделания вплоть до новой эры. Отсюда стеклянные изделия вывозились во многие страны мира.

В отделение Берлинского музея, посвящённом древнеегипетской культуре, как величайшее сокровище, хранится одинокая зеленоватая бусина, диаметром около 9 мм. Невзрачная с виду, она действительно является очень ценным музейным экспонатом. Это — древнейшее известное современным учёным изделие из стекла. Предполагают, что она была изготовлена около 5500 лет назад.

Зеленоватая бусина, диаметром около 9 мм

Пересказанная древнеримским учёным Плинием легенда приписывает изобретение стекла финикийским купцам, которые везли соду из Египта в Месопотамию и решили заночевать на песчаном берегу. Привезенная сода смешалась с песком и попала в разведенный купцами костёр, а поутру финикийцы обнаружили среди остывших углей кусочки невиданного до сих пор вещества.

Стекло начала 20 века

Кое-кто высказывал сомнение в достоверности этой легенды, но как бы там ни было, в старейших центрах человеческой цивилизации - Междуречье Тигра и Евфрата, а также долине Нила стекло было хорошо известно и довольно широко употреблялось уже в 3 тысячелетии до н. э. С незапамятных времён стеклянные изделия встречались и в финикийских города на восточном побережье Средиземного моря.

Древнейшее стекло выплавляли на открытом огне в глиняных мисках при довольно низкой температуре. Спекшиеся куски стеклянной массы бросали раскалёнными в воду, отчего они растрескивались на пластины, так называемые фритты. Потом фритты растирали в пыль жерновами и снова плавили. При археологических раскопках древних и средневековых стеклянных мастерских, как правило, находят две печи, одну для предварительной плавки, другую для плавки фритт.

Полученное старинным способом, на открытом огне вещество выходило мутным, вязким и трудно поддающимся формовке. Оно было пригодно только для изготовления мелких предметов: бусин, амулетов, грубоватых мелких статуэток. Позже из стекла начали делать небольшие флаконы для благовоний. Техника выдувания тогда ещё не была известна, полые сосуды изготовлялись следующим способом: укреплённую на металлическом стержне глиняную или песчаную форму многократно окунали в расплавленную стеклянную массу, затем катанием и трением поверхность выглаживали, а сердечник после охлаждения тщательно выскребали. Старейший из сохранившихся сосудов, изготовленных таким способом, – чаша фараона Тутмоса III, хранящаяся ныне в Мюнхенском музее. Она датируется 1450 г. до н. э. Первая известная учёным письменная инструкция по производству стекла была создана примерно в 650 г. до н.э. Это – таблички с указаниями, как делать стекло, находившиеся в библиотеке ассирийского царя Ашурбанипала (669 – 626 гг. до н.э.).

Чаша фараона Тутмоса III

На рубеже новой эры в стеклоделии произошла революция. В восточных провинциях Римской империи начали строить высокотемпературные стеклоплавильные печи, что позволило выплавлять стеклянную массу значительно более высокого качества, в частности, получать привычное нам прозрачное, бесцветное стекло. Тогда же в древнем финикийском городе Сидоне, была изобретена техника выдувания стекла с помощью трубки. Это дало возможность изготавливать прозрачные тонкостенные сосуды самой разнообразной формы.

Стеклодувная трубка дожила до наших дней не претерпев значительных изменений. Она представляет собой полый металлический стержень длиной 1 — 1,5 м, на одну треть обшитую деревом. Кроме этого важнейшего инструмента, мастер нуждается в металлических ножницах для отрезания стеклянной массы и прикрепления её к трубке, а также длинных пинцетообразных клещах для вытягивания и формования.

В правление императора Октавиана Августа (1-ая половина I в. н. э.) развивавшееся ранее лишь в восточных провинциях искусство стеклоделия распространяется по всей огромной империи. Мастерские устраивают в Италии, Испании, Галлии, Британии и Германии.

В обиход римлян начинают прочно входить застеклённые окна и стеклянная посуда. Конечно, стекло в Древнем Риме не такой дешёвый и широко употребляемый материал, как в наши дни, но всё же оно довольно доступно. Средней зажиточности гражданин может себе его позволить."Беден тот, чье жилище не украшено стеклом" — утверждал знаменитый римский оратор Цицерон. Со временем в западной части империи возникли собственные знаменитые мастерские. Своими стеклоделами прославились Галлия и Рейнская область.

Нашествия варварских племён и распад Римской империи V в. н. э. повлекли за собой упадок многих наук и ремёсел. Не стало исключением и стеклоделие. В средние века многие рецепты известные в древности были либо полностью утрачены, либо оставались достоянием немногих посвящённых — потомственных мастеров или алхимиков, нередко имеющих репутацию колдунов. Они не торопились делиться секретами ремесла, поэтому стеклянные изделия стали предметами роскоши.

Лазурит

Лазурит

Лазурит, или ляпис-лазурь, - синий, непрозрачный минерал, встречающийся в природе в виде плотных, твердых и крайне мелкозернистых масс. В химическом отношении представляет собой алюмосиликат, богатый глинозёмом. Тяжёлые металлы в его составе отсутствуют. Глубокий синий тон, благодаря которому он признан одним из самых красивых непрозрачных камней, обусловлен наличием катионов серы. В ряде старинных минералогических трактатов можно встретить утверждение, что в составе ляпис-лазури присутствует медь. Это неверно. Распространённая ошибка вызвана тем, что этот металл входит в состав другого, внешне очень похожего на ляпис-лазурь минерала — азурита. Но синий цвет азурита, обусловленный как раз присутствием меди, гораздо менее стоек.

Лазурит

Синий цвет лазуриту обеспечивают анионы серы. Чем их больше, тем глубже и насыщеннее оттенок синего. Иногда в минерале встречаются серебристые или золотистые вкрапления пирита – это выглядит как мелкие блестки. Самый дорогой лазурит – темно-синий или иссине-фиолетовый с золотистыми вкраплениями пирита. Это камни высокого ювелирного качества и добываются только в Афганистане – старейшем месторождении. Именно оттуда лазурит еще в древности распространялся по всему миру путанными торговыми путями.

Лазурит еще называют ляпис лазурью, то есть «синим камнем» с персидского языка. Современное название “лазурит” закрепилось в XVIII веке. Ляпис лазурью традиционно называются только лазуриты высочайшего ювелирного качества с однородной насыщенной окраской.

Это достаточно мягкий минерал. Его твердость по шкале Мооса составляет всего 5.5 баллов.

Лазурит

Месторождений в мире не так уже и много, и все они невелики. Образцы ювелирного качества редки. Кроме Афганистана, лазурит также добывают в России (в Южном Прибайкалье), Северной и Южной Америке и Таджикистане (Памире). При этом именно в Памире добывается самый светлый – нежно-голубой лазурит, но он ценится ниже.

Лазурит

Наряду с агатом, морионом, малахитом, лабрадоритом, горным хрусталем, розовым кварцем и другими минералами, лазурит считается полудрагоценным поделочным камнем первого порядка.

Лазурит

Так как лазурит непрозрачный, чаще всего ему придают форму кабошона или пластины. Пластины используются для мозаичных и облицовочных работ, кабошоны применяются в ювелирных изделиях. Используется минерал и для изготовления ваз, статуэток и других прикладных изделий.

Лазурит отлично смотрится не только в качестве вставки-акцента, но и в сочетании с другими камнями. Особенно с малахитом, кораллами и бирюзой. Они создают яркую природную палитру с неожиданными контрастами.

Лазурит

Перетертый в порошок лазурит издавна использовался как натуральный пигмент – ультрамарин. В темпере, акварелях, также в масляных красках. В восточных рукописях и живописи такой пигмент использовался с VII века. Им изображали небо и небесно-голубой фон средневековые живописцы и миниатюристы. Краски на основе натурального пигмента ультрамарина использовались вплоть до 1820-х годов. После этого он был заменен менее дорогостоящими искусственными аналогами.

Сорок метров чешуи: малоизвестные исполины эпохи карбона

Лес эпохи карбона

Лес эпохи карбона

Казалось, что такому чудовищу место найдётся только в море, и странно на суше было представить гигантское змеевидное, покрытое ромбической чешуёй тело, тем более в древнюю эпоху, когда до появления огромных ящеров было ещё очень далеко. Ещё труднее было представить в реальном, а не вымышленном мире существо многоглавое, но окаменелости свидетельствовали, что из тянущегося на десятки метров узкого туловища вырастают несколько шей. В действительности, вообразить такое чудо оказалось настолько трудно, что палеонтологи сразу догадались, что это просто дерево — с чешуёй. Чешуйчатым деревом — лепидодендроном — его и назвали.

Собственно, это было ещё не дерево, а гигантский плаун. Как следствие, ветвями и кроной лепидодендроны не обладали, хотя ствол их и разделялся на несколько отростков. Листья же крепились прямо к стволу. Высыхая и отваливаясь, они и оставляли похожую на чешую мозаику на коре. Идея была не слишком хороша, и чешуйчатым деревьям приходилось тянуться в вверх, чтобы увеличить освещённую солнцем поверхность. Жесткий ствол позволял растению достигать высоты 35-40 метров. Любопытно, что до такого размера лепидодендроны выростали всего за несколько лет. Вытягивались они очень быстро — как бамбук. Однако, свойственной деревьям долговечностью не отличались.

Лес эпохи карбона

Хотелось бы, нагнетая интригу, сказать, что растение это являлось загадочным… но увы. Просто большой плаун. С чешуёй. Зато, оно было чрезвычайно важным и буквально изменило планету. Лепидодендроны являлись первым действительно удачным проектом в области деревостроения. Благодаря им, хотя и не только им, — к концу карбона появились и куда более совершенные деревья, — Земля покрылась лесами. Существенно, однако, другое. Лепидодендроны радикально изменили атмосферу, послужив основным материалом для формирования угольных залежей.

Причём здесь атмосфера? Атмосфера древней Земли, также, как и на Марсе, и на Венере сейчас, являлась углекислотной. К началу карбона в ней уже был кислород в достаточном для позвоночных количестве. Но как и показано в фильме «Аватар» — дышать углекислотной атмосферой, всё-таки, нельзя. Если ты не термит. И от содержания в ней кислорода это не зависит.

Часто можно услышать, что растения производят кислород, но это не совсем так. Кислород — в любом случае ерунда. Задачей растений и животных являлась очистка атмосферы от углекислого газа, запасы которого, к тому же, постоянно пополняются вулканами.

Лес эпохи карбона

В норме растения никакого влияния на состав атмосферы не оказывают. Синтезирующие организмы расщепляют углекислоту и воду, высвобождая кислород, но ровно столько же кислорода расходуется (с образованием углекислоты и воды) при разложении того, что насинтезировано. Изменить баланс может процесс минерализации, то есть, захоронения углерода. Если растение не будет съедено и не сгниёт, а окажется глубоко под землёй, унося с собой углерод, лишний кислород появится в атмосфере. Углекислого же газа, соответственно, станет меньше.

Процесс удаления углекислоты начался ещё в эпоху, когда фотосинтез был аноксигенным, то есть, не сопровождался выделением кислорода. И продвигался бойко, поскольку редуценты способные разлагать трупы других существ, в тем времена просто отсутствовали. Скапливающаяся в океанских впадинах отмершая органика, по крайней мере частично, послужила материалом для образования залежей нефти. Примерно 2.5 миллиарда лет назад при фотосинтезе начал выделяться и кислород. Но происходило это долгое время без последствий. Он расходовался на окисление горных пород и метана в атмосфере. Лишь окислив всё что можно, кислород стал понемногу накапливаться.

Однако, углекислоты, несмотря на то, что она, подобно кислороду, поглощается и абиогенным путём, вступая в соединения с некоторыми минералами, всё ещё оставалось слишком много. Даже больше, чем азота. И только образование угольных залежей в карбоне решительно переломило ситуацию.

Лес эпохи карбона

Известно, что уголь образуется из «законсервированной» в болотах без доступа кислорода органики. Что погрузившийся под гнётом минеральных осадочных отложений на километр торф превращается в бурый, а на три километра — в каменный уголь. Но таким способом уголь образуется сейчас. В прошлом всё было проще. Древнейший угольный пласт относится к эпохе силура, когда для минерализации органике — водорослям — достаточно было оказаться выброшенными на сушу. Бактерии, способные разлагать их, тогда ещё обитали только в море.

Девять же десятых угольных залежей образовались именно в карбоне и тоже благодаря не болотам, а попустительству редуцентов.

Ученые создали космическую периодическую таблицу

Новый анализ эволюции галактик поеазывает, что столкновения нейтронных звезд не создают того количества химических элементов, которое предполагалось. Исследование также показывает, что современные модели не могут объяснить имеющееся количество золота в космосе, что создает астрономическую тайну.

В ходе работы была создана Периодическая таблица нового вида, показывающая звездное происхождение природных элементов от углерода до урана.

Весь водород во Вселенной, включая каждую его молекулу на Земле, был создан в результате Большого взрыва, который также произвел много гелия и лития, но не более того. Остальные естественные элементы создаются ядерными процессами, происходящими внутри звезд. Масса определяет, какие именно элементы будут выкованы, но все они выделяются в галактики в последние моменты жизни каждой звезды - взрывным образом, в случае действительно больших звезд, или в виде плотных потоков, подобных солнечному ветру, для элементов того же класса, что и Солнце.

«Мы можем думать о звездах как о гигантских скороварках, в которых создаются новые элементы», - объяснил соавтор, профессор Каракас из Австралийского центра передового опыта ARC ASTRO 3-D. 

 

«Реакции, которые создают эти элементы, также обеспечивают энергию, которая позволяет звездам ярко сиять в течение миллиардов лет. С возрастом звезды они производят все более и более тяжелые элементы, поскольку нагреваются изнутри».

Считалось, что половина всех элементов тяжелее железа, таких как торий и уран, образовалась, когда нейтронные звезды, сверхплотные останки выжженных солнц, столкнулись друг с другом. Долгое время предполагаемые столкновения нейтронных звезд не подтверждались до 2017 года. Теперь свежий анализ Каракаса и его коллег-астрономов Чиаки Кобаяши и Марии Лугаро показывает, что роль нейтронных звезд была значительно переоценена - и что за создание большинства тяжелых элементов отвечает другой звездный процесс.

«Слияние нейтронных звезд не произвело достаточно тяжелых элементов на раннем этапе жизни Вселенной, и этого не происходит сейчас, 14 миллиардов лет спустя», - сказал Каракас.

«Вселенная не могла быстро их создать, чтобы объяснить их присутствие в очень древних звездах, и, в целом, просто не хватает столкновений, чтобы объяснить изобилие этих элементов сегодня».

Вместо этого исследователи обнаружили, что тяжелые элементы должны быть созданы совершенно иным звездным явлением - необычными сверхновыми, которые коллапсируют, вращаясь на высокой скорости и генерируя сильные магнитные поля. Их исследование - первый случай, когда звездное происхождение всех природных элементов, от углерода до урана, было рассчитано из первых принципов.

Исследователи говорят, что новое моделирование существенно изменит принятую в настоящее время модель эволюции Вселенной. 

«Например, мы построили эту новую модель, чтобы объяснить все элементы сразу, и нашли достаточно серебра, но недостаточно золота», - объясняют они. «Серебро производится в избытке, но золота в модели недостаточно, по сравнению с наблюдениями. Это означает, что нам потребуется идентифицировать новый тип звездного взрыва или ядерной реакции».

Как таблетка шипучего аспирина растворяется в невесомости

Астронавты на Международной космической станции растворили шипучую таблетку в плавающем водяном шаре и сделали снимки с помощью камеры, способной записывать в четыре раза большее разрешение, чем у обычных камер высокой четкости.

Изображения с более высоким разрешением и видео с более высокой частотой кадров могут предоставить больше информации при использовании в научных исследованиях, предоставляя исследователям ценный новый инструмент на борту космической станции.

Эти кадры - одни из первых в своем роде. Инженеры Центра космических полетов им. Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, оценивают камеры для сбора научных данных и операций с транспортными средствами.

Доминиканский голубой янтарь

Янтарь голубого цвета есть только в Центральной Америке, точнее – в Мексике, Никарагуа, Доминиканской Республике.

Все мы привыкли к тому, что янтарь имеет желтый, и скорее даже медовый оттенок. Немногие слышали о существовании зеленых, красных и белых образцов. Оказывается, янтарь может быть даже голубого цвета.

Такой самоцвет носит название «доминиканский» и добывается на Гаити.

Исторические данные

Одно из самых ранних упоминаний о камне датируется 1492 годом. Первыми европейцами, увидевшими уникальный образец во время своего прибытия на остров Гаити, стали Христофор Колумб и его команда. Дружелюбные аборигены щедро одарили нежданных гостей подарками. Но желающие обогатиться испанцы отдали предпочтение золоту, посчитав, что голубой янтарь не имеет особой ценности. И вот, спустя пять столетий, этот камень считается одним из самых ценных в мире.

Доминиканские аборигены самостоятельно научились добывать и обрабатывать этот ценный материал. Он имел культовое значение. Его использовали в качестве лечебного средства, талисмана и амулета. Изделия тех времен можно найти в местных захоронениях и по сей день.

Долгое время европейский ювелирный рынок игнорировал существование самоцвета. До Второй мировой войны балтийское месторождение минерала полностью покрывало спрос на товар. И лишь после 1945 года, когда земли перешли в состав СССР, стал ощущаться дефицит ресурсов. Все это вызвало повышенный интерес к доминиканским образцам янтаря.

В конце XX века благодаря палеонтологическим исследованиям выяснилось, что возраст данного самоцвета – около 20 млн. лет.

Доминиканский янтарь считается довольно молодым камнем, особенно, по сравнению с Нортумберлендским образцом (США), возраст которого насчитывает примерно 345 млн. лет.

Голубой камень сформировался из смол исчезнувшего дерева Hymenaea Protera (семейство бобовых). Его сегодняшний потомок — цератония. Ее изучение помогло ученым определить схему формирования камня. Она включала в себя три этапа:

Этот этап длился несколько недель. Корни и ствол дерева секретируют желто-красную смолу. Спустя какой-то промежуток времени она просачивается в землю. Информация о том, что цератония вырабатывает небольшое количество смолы, натолкнула исследователей на одну версию. Согласно ей, большие залежи голубого янтаря сформировались в результате стихийного бедствия (возможно, пожара).

В результате этого погибло много деревьев, а смола понемногу скапливалась в прибрежной части.

Следующий этап занял более миллиона лет. В течение этого периода смола под действием тектонического движения оседала на дне моря. В итоге она опустилась на 100-метровую глубину и уже там, под силой давления воды, постепенно превращалась в янтарь.

Спустя несколько миллионов лет произошло очередное движение тектонических пластин. На поверхности морского дна сформировались горные массивы. Эта версия дает объяснение тому, что около гор можно найти останки моллюсков и зубы рыб. Видимо, смолы во время скатывания со стволов рожкового дерева впитывали в себя все, что встречали на своем пути.

В наши дни голубой янтарь добывается исключительно в шахте Palo Quemado mine. Она расположена на острове Гаити и окружена Карибским морем.

Разработка криоэлектронной микроскопии

«Метод криоэлектронной микроскопии перевел биохимию в новую эру» – ​эти слова прозвучали в 2017 г. на церемонии вручения Нобелевской премии по химии. Бесспорно, новый мощный и прорывной метод открыл для ученых новые возможности. Однако для многих решение Нобелевского комитета выглядело несколько странным: все-таки химия – ​наука о веществах и их превращениях. С другой стороны, неплохо отметить развитие метода, который действительно позволяет исследовать структуру макромолекул и других биологических объектов в нативном состоянии. Не нужно думать, что криоэлектронная микроскопия – ​только микроскоп. Прежде всего это – ​комплекс сложных и дорогостоящих процедур подготовки образцов, требующий высокой квалификации исследователя. Три нобелевских лауреата, Жак Дюбоше, Иоким Франк и Ричард Хендерсон, внесли свой вклад в совершенствование этого метода.

Схема получения в электронном микроскопе серии двумерных изображений молекулы белка, которую снимают под разными углами и затем реконструируют в трехмерную структуру. Внизу – реконструкция комплекса белков Frh грибка Neurospora, изображение приводится в псевдоцветах. Раскрашивать можно как угодно, но на самом деле все биологические объекты полупрозрачны, а на экране цифровой камеры электронного микроскопа – черно-белые. 

© MPI Biophysik

Электронная микроскопия стала необходимым инструментом ученых, работающих в разных областях, в том числе ученых-биологов. В электронном микроскопе образец подвергается действию пучка электронов, вакуума и высоких температур, что не позволяет изучать клетки и другие объекты без предварительной обработки. Последняя, несомненно, влияет на тонкую структуру, и перед исследователями стояла задача разработать метод изучения объектов в нативном состоянии. Метод замороженных срезов, используемый в световой микроскопии, стал одной из основ разработки аналогичного метода для микроскопии электронной. Суть же криоэлектронной микроскопии – ​изучение в электронном микроскопе замороженных образцов. Воздействие высокой температуры в криоэлектронном микроскопе нивелировали охлаждением образца жидким азотом, а вот проблема кристаллизации воды при замораживании потребовала отдельного решения.

Как во Вселенной появились химические элементы тяжелее водорода

Что позволило Дмитрию Ивановичу Менделееву разработать Периодическую таблицу химических элементов? Ему просто повезло. Звёзды так сошлись. Так уж они сошлись, что химические элементы во вселенной появились. Если бы не звёзды, ничего бы у Менделеева не вышло. Да и его самого бы не было.

Касается это, впрочем, не всех элементов. Водород, гелий (вчетверо меньше, чем сейчас), литий, бериллий, бор (в следовых количествах) — были с самого начала. Для персон, хронически не понимающих, откуда учёным доподлинно известно, что было во времена, когда их самих ещё не было, напомню что скорость распространения света ограничена. А значит, объекты удалённые от нас на миллиард световых лет видимы такими, какими они были миллиард лет назад. Непосредственно наблюдать прошлое вселенной можно уже с момента, когда она становится прозрачной для света. Сам же свет учёные умеют подвергать спектральному анализу, позволяющему установить, что именно светит. В самый первый момент светили водород и далее до бора включительно. Сами по себе светили. Звёзд тогда ещё не имелось. Но хорош был бы Менделеев с таблицей из пяти пунктов…

Для появления таблицы, кстати, нужны не всякие звёзды. Только большие. Мелкие — бурые, красные, оранжевые карлики массой до половины солнечной — предусмотрены во вселенной лишь для выставления клоунами людей, хронически уверенных, что рост энтропии означает снижение сложности и увеличение беспорядка. Поскольку даже в таких звёздах происходит синтез гелия из водорода, и вещество, по мере рассеяния энергии, усложняется. Но ничего, кроме морального удовлетворения, существование карликов, составляющих 99.5% звёздного населения, вселенной не приносит. Они рассчитаны на 50-200 миллиардов лет непрерывной эксплуатации, да и потом не взорвутся. Так что, наработанный гелий в них и останется.

Звёзды среднего калибра — от 0.5 до 12 солнечных масс — выгорают сравнительно быстро. После того, как в их ядрах заканчивается водород, возобновившийся гравитационный коллапс приводит к нарастанию давления до уровня, при котором начинаются реакции синтеза с участием гелия. Перенести это событие относительно лёгкая звезда не может. Она раздувается, превращаясь в красный гигант. После его половина её массы вытекает из гравитационной ямы и рассеивается. Так в состав галактического газа возвращается часть водорода, уже основательно обогащённого гелием и продуктами горения гелия — главным образом, кислородом и в меньшей степени углеродом.

В незначительных количествах в выбросах звёзд средней массы присутствуют, однако, и более тяжёлые, чем кислород элементы. Ведь, например, родившийся в результате слияния четырёх альфа-частиц (ядер гелия) кислород способен захватить и пятую, превратившись в неон. Если же ему не повезёт, альфа окажется битая, и захватит он гелий-3, получится фтор. Неон также может превратиться в магний, магний в кремний, кремний в серу. Но дальше серы дело в «средневесах» уже точно не идёт, да и общее количество элементов тяжелее гелия в их выбросах ничтожно. Углерод и кислород практически полностью остаются в остывающем ядре звезды — белом карлике.

Но могут и не остаться. Если в двойной системе достаточно массивный белый карлик захватит дополнительную порцию газа при рассеянии второго компонента системы (а звёзды как правило бывают кратными и вероятность такого события очень высока), произойдёт «углеродная детонация», и карлик взорвётся, как сверхновая I типа. В этом случае он рассеивается полностью. Продуктом же синтеза с участием кислорода и углерода является в основном кремний. Это очень эффективный механизм обогащения галактического газа тяжёлыми элементами. Благодаря ему именно кислород (который при детонации выгорает только частично) и кремний являются наиболее распространёнными после водорода и гелия химическими элементами. Образуются (с небольшой вероятностью) путём альфа-процессов, а также захвата нейтронов и протонов, при взрывах сверхновых I типа и более тяжёлые элементы, вплоть до железа и никеля.

Львиная доля железа и никеля, впрочем, образуется при взрывах тяжёлых звёзд массой от 12 «солнц», в недрах которых углерод и кислород успевают выгореть естественным порядком. В зависимости от массы, звезда разрушается с образованием пульсара (нейтронной звезды) или чёрной дыры лишь после начала реакций синтеза с участием кремния. Четыре пятых её вещества при этом рассеиваются и продуктов сгорания кремния — железа и никеля — там более чем достаточно. Элементов тяжелее никеля — вплоть до актиноидов (урана и тория) — тоже хватает. Особенно, если звезда тяжелее 18 «солнц». В этом случае, между моментами выгорания кремния и превращением в чёрную дыру, она успевает пройти этап слияния тяжёлых ядер в процессе гравитационного коллапса. Кроме того, много актиноидов производится в процессах редких, но весьма производительных — при взрывах гиперновых, — например, столкновении нейтронных звёзд.

...Специально же для людей хронически уверенных, что взрывы разрушительны, и что-либо созидать не могут, напомню: разрушению подвержено только то, что уже синтезировано. По этой причине, синтез всегда преобладает над распадом. Кроме того, ядра стабильных изотопов до железа включительно, фактически, неразрушимы. То есть, взрыв может добавить к такому ядру одну или несколько альфа-частиц, может привести к слиянию тяжёлых ядер, но, вот, наоборот — никак. Нет пути. Стабильное ядро до железа способно только расти.

И, наконец, что же происходит с газом, выброшенным прогоревшими и взорвавшимися звёздами? Он разлетается в виде плазмы — полностью ионизированного вещества — ядра отдельно, электроны отдельно. По мере остывания происходит рекомбинация с образованием атомов. Железо и кремний из плазмы превращаются в пар. На этом этапе химические элементы реагируют друг с другом, образуя молекулы. Образуются оксид кремния, вода, метан, углекислый газ, аммиак и прочие небулярные соединения.

Венера как возможное будущее Земли

Может ли в будущем у Земли появиться атмосфера, подобная современной атмосфере Венеры? Как известно, эта планета имеет наиболее специфическую атмосферу – очень горячую (до 450 °С) и плотную, состоящую в основном из СО₂.

А почему нет? Вполне возможно, так как на Земле накоплено в поверхностных слоях огромное количество карбонатных пород, и если предстоящий нагрев поверхности Земли (за счет превращения Солнца в красного гиганта) достигнет достаточной величины, возможна декарбонатизация и быстрый рост содержания СО₂ в атмосфере, как и ее плотности. Так что Венера может быть моделью для будущего Земли.

Чтобы ответить на вопрос о будущем нашей планеты, в первую очередь следует взглянуть на эволюцию Солнечной системы в целом, так как все ее планеты имеют общее происхождение, и их внешние оболочки сильно зависят от активности Солнца.

Считается, что планеты нашей системы сформировались из гигантской протопланетной газопылевой туманности примерно в одно и то же время, около 4,6 млрд лет назад (Vityazev, 1983; Vityazev and Pechernikova, 2009; Ernst, 2014).

Чтобы ответить на вопрос о будущем нашей планеты, в первую очередь следует взглянуть на эволюцию Солнечной системы в целом, так как все ее планеты имеют общее происхождение, и их внешние оболочки сильно зависят от активности Солнца. Считается, что планеты нашей системы сформировались из гигантской протопланетной газопылевой туманности примерно в одно и то же время, около 4,6 млрд лет назад  (Head, 2014; Ernst, 2014).

На модели Солнечной системы показаны четыре внутренние планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс, а также четыре внешние – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В отличие от этих газовых гигантов из водорода и гелия, планеты земной группы состоят из кислорода, кремния, железа и других тяжелых элементов. Credit: NASA/JPL

Дальнейшую эволюцию планет условно делят на шесть стадий, причем первые три стадии характерны только для планет земной группы – Меркурия, Марса и Земли, а также, частично, Луны, на которых они проходили во многом синхронно.

Что касается Венеры, то о ранних стадиях ее эволюции мы знаем пока недостаточно, потому что на этой планете древние геологические структуры перекрыты молодыми вулканическими породами, а из-за плотной облачности изучение ее поверхности очень затруднено (Head, 2014; Ernst, 2014).

Рождение планет

Итак, первая стадия формирования планет – это аккреция, сгущение газопылевой туманности. Для Земли длительность этого процесса по данным моделирования и изотопного анализа составила около 100—120 млн лет (Vityazev and Pechernikova 2009; Kleine et al., 2002). Примерно столько же длилась эта фаза у Марса, Меркурия и, по-видимому, у Венеры (Head, 2014; Ernst, 2014). Формирование Луны шло другим путем и на порядок быстрее: она отделилась от Земли в результате столкновения с гипотетической планетой размером с Марс либо перестройки двойной планеты.

На стадии аккреции сформировалась и первичная атмосфера планет земной группы, которая в дальнейшем заметно эволюционировала. В тяжелой и плотной атмосфере юной Земли отсутствовал кислород, но было много свободного водорода и простейшего углеводорода – метана. Постепенно, параллельно с образованием океана она трансформировалась в современную малоплотную атмосферу, состоящую из свободного азота и кислорода  (Adushkin et al., 2007; Zharkov, 2013). О первичной атмосфере Венеры мы ничего не знаем, кроме того, что свой современный облик она обрела около 1 млрд лет назад в результате активных вулканических процессов.

Геологическую историю планет земной группы можно проследить по динамике формирования их поверхности и приповерхностных структур. Эволюцию планет земной группы можно условно поделить на шесть стадий. На I стадии происходило формирование планет за счет аккреции, лишь Луна имеет другое происхождение. На II стадии постепенно закончилась тяжелая метеоритная бомбардировка на Марсе, Земле и Луне, а также начались процессы тектоники плит, наиболее ярко выраженные на Земле. На III стадии завершился плюмовый магматизм на Марсе, а на Луне и Меркурии всякая тектоническая активность исчезла ранее. Стадии V–VI отчетливо фиксируются лишь на Земле и Венере. На Венере это период активного плюмового магматизма, а на Земле – образования современных океанов и континентов. В последние 200 млн лет специфическая тектоническая активность проявлялась на Ио – крупнейшем спутнике Юпитера, магматизм и конвекция на котором обусловлены высоким содержанием серы и его периодическими сжатиями-растяжением при изменении расстояния от Юпитера. По: (Head, Coffin, 1997; Ernst, 2013; 2014), с добавлениями N. L. Dobretsov.

Стадия аккреции и последующего раннего развития, сопровождавшегося метеоритными бомбардировками на всех планетах земной группы, кроме Венеры, и Луне, завершилась около 3,8 млрд лет назад, что подтверждается изотопными данными для Земли и Луны. На следующей, II стадии закончилась и тяжелая метеоритная бомбардировка Луны, Земли и, вероятно, Марса (Bottke et al., 2012). Наиболее отчетливые следы этого грандиозного явления обнаружены на «безатмосферной» Луне: судя по ним, максимум падения крупных метеоритов пришелся на период 4,0—3,3 млрд лет назад, а последние из них упали на лунную поверхность не позднее 1 млрд лет назад (Hiesinger et al., 2011).

Итак, первые 2,6 млрд лет на Меркурии, Марсе, Земле и Луне шли примерно схожие процессы формообразования. К концу III стадии завершился плюмовый магматизм на Марсе, связанный с подъемом из глубин планеты горячих расплавов магмы, а на Меркурии и Луне все признаки какой-либо магматической активности исчезли много ранее. Но не так обстояла ситуация на Земле и Венере. Эволюция земного океана и океанических структур, связанных с формированием и изменением структуры течений в верхнем слое мантии (астеносфере), нашли отражение в так называемой тектонике плит – движении гигантских базальтовых плит, которые, как кусочки мозаики, составляют литосферу Земли (Stern, 2008; Dobretsov, 2009, 2010).. Ничего подобного этому явлению на других планетах не было обнаружено, за исключением Марса, где на ранних этапах могли происходить явления, схожие с тектоникой малых плит, характерной для Земли в раннем протерозое (Halliday et al., 2001; Ernst, 2014).

В отличие от Земли, магматическая активность и связанные с ней преобразования поверхностных структур отчетливо фиксируются на Венере только на поздних стадиях формирования планеты, как уже упоминалось выше.

Эти изображения поверхности Венеры были получены в результате визуализации данных межпланетной станции «Магеллан», дополненных данными других космических экспедиций и наземных радиолокационных наблюдений: а – северное полушарие (яркое пятно в нижней части – горы Максвелла высотой 11 км), б – восточное полушарие (темные области – следы падения крупных метеоритов на равнинах). Credit: NASA/JPL

Если рассмотреть ход параллельных процессов на двух этих планетах, то 1,8—1,0 млрд лет назад на Венере началось формирование современной плотной атмосферы на фоне роста активности плюмового магматизма, завершившееся 0,8—0,5 млрд лет назад, а на Земле в этот период шло образование современных океанов, континентов и биосферы (Dobretsov, 2010, 2014). За последние 200 млн лет поверхность Земли приобрела свой окончательный облик, в то время как атмосфера и вулканизм Венеры продолжали функционировать на том же самом относительно стабильном уровне.

Таким образом, эволюция всей Солнечной системы представляет собой сложнейшее явление, когда прекращение активности на одной планете сопровождается появлением или усилением активности на другой. Хотя, как отмечено выше, есть и определенное сходство стадий на разных планетах земной группы. Причиной такого сходства является, во-первых, единое происхождение планет. Во-вторых, интенсивная метеоритная бомбардировка, которой завершился процесс аккреции. И, наконец, плюмовый магматизм, яркие проявления которого периодически фиксируются на Земле в течение всей ее истории, на Марсе – первые 2 млрд лет, а на Венере – в последний 1 млрд лет.

Ниже мы подробнее остановимся на условиях формирования специфической атмосферы и магматизма Венеры, а также возможности появления аналогичных явлений на поздних стадиях эволюции нашей планеты.

На планете с облаками из серной кислоты

С одной стороны, Венера очень похожа на Землю. Ее радиус составляет 0,95 от земного при практически одинаковой средней плотности вещества, из-за чего масса Венеры равна 0,8 от массы Земли. Однако Венера расположена ближе к Солнцу и вращается настолько медленно, что венерианский день составляет 225 земных суток. Неудивительно, что ее поверхность за 4 млрд лет нагрелась, и на ней сформировалась атмосфера, совсем не похожая на земную.

Облака в атмосфере Венеры состоят из мельчайших капель высококонцентрированной серной кислоты. Их V-образная форма – следствие сильных ветров, дующих вблизи экватора. Из-за плотного облачного слоя поверхность Венеры можно наблюдать лишь в радио- и микроволновом диапазонах, а также в отдельных участках ближней инфракрасной области. Этот снимок поверхности Венеры сделан зондом «Пионер-Венера-1» в ультрафиолетовых лучах в 1979 г. Credit: NASA

Данные по Венере продолжают уточняться, но на сегодня известно, что температура у ее поверхности составляет около 450 °С, а давление – 93(!) земные атмосферы. Основная часть атмосферы Венеры – это углекислый газ (96,5%) с примесью азота (3,5%) и следовыми количествами молекулярного кислорода, воды, аргона, сероводорода и других соединений (Kondratyev и др., 1987; Avduevsky и др., 1995; Basilevsky, Head, 2003; Bertaux et al., 2007; Svedham et al., 2007). Интере­сно, что хотя доля азота в атмосфере Земли значительно выше, общая масса азота в венерианской атмосфере в 4 раза больше из-за ее большей плотности и размеров.

На высоте 40—65 км на дневной стороне Венеры и 50—80 км – на ночной формируется облачный слой из мелких (диаметром около 2 мкм) капель раствора серной кислоты H₂SO₄ высокой концентрации. Откуда она берется? Предположительно, серная кислота образуется благодаря фотохимическому воздействию из сернистого газа SO₂, выбрасываемого в атмосферу с извержениями, который вступает в реакцию с активным атомарным кислородом (Basilevsky, Head, 2003; Bertaux et al., 2007):

SO₂+O→SO₃

SO₃+H₂O→H₂SO₄

В земной атмосфере тоже происходят подобные процессы, но в гораздо меньших масштабах.

В центре Венеры находится расплавленное железоникелевое ядро (1), окруженное мантией (2) и корой (3). Над поверхностью простирается плотная облачная атмосфера (4), где верхняя граница облаков проходит на высоте 65—70 км от поверхности (5). Еще выше располагается видимая с Земли внешняя «поверхность» атмосферы, характеризующаяся наиболее резкими температурными колебаниями (6). По: (Dinwiddie et al., 2014)

Атмосферу Венеры можно поделить на тропосферу, мезосферу, термосферу и ионосферу. Плотная ее часть – тропосфера, простирается от поверхности до 65 км (верхней части облачного слоя) и содержит 99 % всей массы атмосферы. Большая часть (90 %) атмосферы Земли находится до высоты 10 км, Венеры – до высоты 28 км от поверхности. И лишь на высоте 49,5 км давление здесь становится таким же, как на Земле на уровне моря, а на высоте 54 км опускается до земных значений температура (21 °С) (Patzold et al., 2007). Именно здесь, где есть водяные пары и условия среды близки к земным, может существовать жизнь, пусть и в простейшей форме (Bortman, 2004; и др.). В верхней части тропосферы благодаря сложной конвекции возникают сильные полярные вихри (Svedhem et al., 2007).

Еще выше, до высоты 120 км, простирается мезосфера. Ее нижняя часть (на высоте 62—73 км) совпадает с верхним слоем облаков, а температура здесь опускается до –43 °С. Самый холодный (до –108 °С) на дневной стороне слой атмосферы располагается на высоте 73—95 км. Выше мезосферы начинается термосфера, которая характеризуется наиболее сильными температурными контрастами: на дневной стороне температура может возрастать до 127 °С, а на ночной – падать до –173 °С (Bertaux et al., 2007).

Плотная часть атмосферы Венеры (тропосфера) простирается от поверхности до высоты 65 км (верхней части облачного слоя) и содержит 99 % всей массы атмосферы. Наиболее сходной с земной атмосферой является верхняя часть тропосферы (тропопауза) между 49,5 и 58 км (Patzold et al., 2007). На рисунке – модель физической структуры атмосферы Венеры, на которую наложены данные по температуре и давлению, полученные советской автоматической научно-исследовательской космической станцией «Венера-8», запущенной в 1972 г. По: (Basilevsky, Head, 2003)

Такие температурные колебания связаны с особенностями циркуляции в верхней мезосфере и термосфере. На высотах 90—150 км воздушные массы перемещаются с дневной стороны на ночную, что сопровождается апвеллингом (подъемом) над освещенным полушарием и даунвеллингом – над темным. Ночной даунвеллинг вызывает адиабатический нагрев, что формирует относительно теплый (–40 °С) слой на ночной стороне мезосферы на высоте 90—120 км.

Астрономы обнаружили экзопланету, на которой идет дождь из железа

Когда на Земле идет сильный дождь, англичане говорят, что идет дождь с кошками и собаками. Но на экзопланете WASP-76b кошки и собаки не приближаются к описанию его металлических осадков.

«Можно сказать, что вечером на этой планете дожди, дожди - исключительно  из железа», – сказал в своем выступлении профессор Женевского университета в Швейцарии Дэвид Эренрайх. (заявление для прессы ).

Эренрейх провел исследование, опубликованное в среду в журнал Nature, этой экзопланеты, расположенной на расстоянии 390 световых лет в созвездии Рыб. Своеобразный железный дождь происходит потому, что одна сторона планеты постоянно обращена к своей родительской звезде, обвивая одну сторону планеты вечным дневным светом. Его противоположная сторона переживает вечную ночь. Это известно как орбита, заблокированная приливом, что означает, что WASP-76b вращается вокруг своей звезды один раз за каждый раз, когда он вращается вокруг своей оси. Это делает его похожим на луну Земли, которая также находится на своей орбите вокруг Земли, поэтому мы видим только одну сторону Луны.

Согласно исследованию, WASP-76b получает в тысячи раз больше излучения, чем Земля на своей дневной стороне от своей родительской звезды. Сильная жара на стороне, обращенной к звезде, вызывает испарение металлов, таких как железо, в атмосферу; затем излучающее тепло заставляет эти молекулы разделиться на атомы. Затем, крайняя разница температур между дневной и ночной сторонами создает очень порывистые ветры, которые переносят железный пар на ночную сторону, где он конденсируется и идет дождь.

«Наблюдения показывают, что в атмосфере жаркой дневной стороны WASP-76b в избытке присутствуют пары железа», – говорит Мария Роса Сапатеро Осорио, астрофизик из Центра астробиологии в Мадриде, Испания, и председатель научной группы по инструменту наблюдения экзопланет. Об этом говорится в сообщении для прессы:

«Часть этого железа впрыскивается в ночную сторону благодаря вращению планеты и атмосферным ветрам. Там железо встречается с гораздо более прохладной средой, конденсируется и идет дождь».

Капли падают в жидком виде, а не в виде металлического града. Впечатление художника можно посмотреть ЗДЕСЬ,

Мало того, что дневные и ночные температуры резко отличаются, но с помощью ЭСПРЕССО (инструмент – аббревиатура от “Эшельский спектрограф для скалистых экзопланет и стабильных спектроскопических наблюдений“)  на очень большом телескопе Европейской южной обсерватории исследователи обнаружили пары железа на границе вечерней стороны, которая отделяет их от дневной стороны.

«Удивительно, однако, что утром мы не видим паров железа», – сказал Эренрейх. Причина, добавил он, заключается в том, что «на ночной стороне этой крайней экзопланеты идет дождь из железа».

Как объяснено в исследовании:

[железо] должно конденсироваться через ночную сторону. Ночные облака были предложены на основе тепловых фазовых кривых горячих газовых гигантов. На WASP-76b и на аналогичных горячих планетах эти облака могут состоять из капель железа, поскольку жидкое железо является наиболее стабильным высокотемпературным железосодержащим конденсатом. Следовательно, оно могло буквально пролиться на ночной стороне WASP-76b.

Железо, - проводящий металл, является одним из наиболее распространенных компонентов земной коры. Это также важно для биологии: красный цвет крови происходит от атомов железа в гемоглобине. Но это не значит, что на этой экзопланете есть жизнь, по крайней мере, не так, как мы ее знаем.

«Мы не можем сказать с абсолютной уверенностью, но, по всей вероятности, на WASP-76b нет жизни, разумеется, не той, которую мы знаем: планета действительно горячая, около 2500 ° [Celsius] с другой стороны, он похож на Юпитер, большой и газообразный, действительно негостеприимный для обычной жизни », 

– сказал Стефано Кристиани, один из авторов газеты, в своем заявлении по электронной почте.

Ржаво-красный цвет планеты Марс также обусловлен ее богатым составом железа. Во вселенной железо является одним из последних элементов, созданных в результате синтеза в супер-горячих и сверхплотных звездах, прежде чем они распыляются и прекращают синтез.

Метеоритная решетка

Спил метеорита Нидлз (Needles)

На фото — спил метеорита Нидлз (Needles). Узор на нем напоминает скрещенные иголки — это кристаллы минерала камасита, выросшие совместно с кристаллами тэнита (минерал между иголочками). Такая решетка образуется в большинстве железных метеоритов при их остывании в космических условиях, когда два кристаллизующихся минерала не могут смешиваться. И хотя needles по-английски действительно означает «иголки», свое имя этот метеорит получил не поэтому, а согласно официальным правилам — по месту падения у городка Нидлз (Needles, California) в штате Калифорния.

Тэнит и камасит — это два сплава железа и никеля: в камасите никеля меньше (до 15%), а в тэните больше (до 50%). Однако для того, чтобы увидеть этот узор, недостаточно просто распилить метеорит — спил у него будет абсолютно гладкий. Чтобы зерна минералов стали заметны, нужно протравить поверхность спила азотной кислотой. Такой игольчатый узор называется сложным термином «видманштеттенова структура» (или «видманштеттеновы фигуры»). По степени непринужденности произнесения этих слов всегда можно опознать человека, имеющего дело с метеоритами.

Спил неописанного железного метеорита на рынке в Марракеше, Марокко.

Фото © Кирилл Власов

История столь зубодробительного названия началась в 1808 году, когда эти фигуры обнаружил граф Алоиз фон Бек Видманштеттен (Alois von Beckh Widmanstätten) — естествоиспытатель и директор венской императорской Фарфоровой мануфактуры Аугартен. Прокаливая железный метеорит в пламени горелки, он заметил, что некоторые его части меняли цвет раньше других, образуя причудливый клетчатый рисунок. Металлическое железо (Fe⁰) окислялось до железной окалины (Fe₂O₃), и для разных минералов этот процесс происходил с разной скоростью из-за различия их химических свойств. Граф не опубликовал своих изысканий, однако рассказал о них своему приятелю, другому графу-естествоиспытателю — Карлу Францу Антону фон Шрайберсу. Фон Шрайберс в то время заведовал коллекциями (Hof-Naturalien-Cabinet), которые позже лягут в основу венского Музея естествознания, и тоже увлекался метеоритами. Он-то и назвал эти структуры в честь своего товарища, описав их в 1820 году в своей монографии. А в 1847 году открыли минерал шрейберзит ((Fe,Ni)₃P), и имя Шрайберса вошло в мировую минералогическую терминологию.

А вот настоящего первооткрывателя этой структурной особенности гостей из космоса, как сравнительно недавно выяснили историки науки, слава обошла стороной. В 1804 году, обследуя в Неаполе спилы метеорита, привезенного из-под Красноярска академиком Симоном Палассом, английский минералог Вильям Томсон (William Thomson) подметил те самые узоры. Работа ученого во время наполеоновских войн осложнялась необходимостью постоянно переезжать подальше от театра военных действий и невозможностью эффективной коммуникации с коллегами. Так, известен эпизод, когда одно из его писем геологу Грегори Уатту, сыну Джеймса Уатта, было утеряно из-за убийства посыльного. В 1806 году Томсон вынужден был бежать от наступающих войск Наполеона в Палермо, где вскоре и умер в возрасте 46 лет. Поэтому неудивительно, что его открытие прошло незамеченным, а слава первооткрывателя надолго закрепилась за Видманштеттеном.