Геохимик из МГУ определил окислительную обстановку внутри астероидов

Аспирант геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова в составе международного коллектива определил окислительную обстановку и ее изменения внутри астероидов от ядра к поверхности. Это помогло авторам лучше понять, как происходило формирование планет. Статья была опубликована в журнале Meteoritics and Planetary Science.

Астероиды сформировались на ранних стадиях развития Солнечной системы путем аккреции. Аккреция — это приращение массы небесного тела путем присоединения к нему материала, который притягивается к телу под действием гравитации. При достижении достаточной массы температура и давление в центре астероидов повышались, что приводило к формированию протопланеты — «зародыша» планеты. Дальнейшая аккреция таких небесных тел приводила к образованию планет. Но этот процесс проходил до конца далеко не всегда: на данный момент в Солнечной системе известно свыше 700 тысяч астероидов. Некоторые из них до недавнего времени называли малыми планетами.

Процессы, которые происходили с нашей планетой на стадии формирования, можно изучать благодаря метеоритам (астероиды, орбита которых пересеклась с земной), процесс развития которых как планет прекратился. На Земле же след этих превращений давно стерся. Около 87% находок всех метеоритов относится к классу обыкновенных хондритов, которые состоят преимущественно из сферических образований, хондр, состоящих из силикатов кремния (Si), железа (Fe), алюминия (Al), магния (Mg) и марганца (Mn). Образцы метеоритов именно этой подгруппы, которые были предоставлены Музеем внеземного вещества лаборатории метеоритики ГЕОХИ РАН, и изучали геологи.

В центре тел обыкновенных хондритов вещество находится в окисленном состоянии. На Земле это было бы неудивительно из-за высокой концентрации кислорода в атмосфере, но в космосе, где царит вакуум, такое положение вещей вызывает вопросы. Согласно распространенной модели, окисленное состояние вещества обязано содержащейся в метеоритах воде, которая выделяется при повышении температуры в центре тела. У поверхности температура ниже, и, соответственно, вещество окислено в меньшей степени. Другие ученые, чтобы построить эту модель, исследовали химический состав основных минералов метеоритов и, исходя из этих данных, провели термодинамический расчет давления кислорода. Недостаток метода заключается в том, что такие расчеты являются косвенными и не могут учитывать все факторы, влияющие на процесс окисления.

«Мы провели прямое измерение парциального давления (давление отдельно взятого компонента газовой смеси) кислорода в серии метеоритов. Оказалось, что большое влияние на давление кислорода оказывают вариации исходного состава астероидного тела, то есть его негомогенность, а также сложное строение, обусловленное формированием трещин при столкновении с другими телами и их аккрецией», — рассказал один из авторов статьи, Валентин Осадчий, аспирант кафедры геохимии геологического факультета МГУ.

Изученные хондриты принадлежали к разным химическим группам и были метаморфизованы (изменены под действием температуры и давления) в различной степени.

Прямые измерения парциального давления кислорода в обыкновенных хондритах ученым удалось провести при помощи метода ЭДС (электродвижущих сил) с твердым электролитом. При проведении измерения ученые берут две системы, в одной из которых давление исследуемого вещества, в данном случае кислорода, известно.

В этой работе ученые использовали атмосферу Земли как систему сравнения, так как парциальное давление кислорода в ней известно. Относительно этого давления авторы измеряли давление во втором сосуде — в ампуле с электролитом, где находился образец метеоритного вещества, основными минералами которого являются самородное железо, оливин и пироксен. Минералы оливин и пироксен содержат магний в переменных количествах — они представляют собой так называемые твердые растворы переменного химического состава. В зависимости от количества магния меняется парциальное давление кислорода.

Измерение происходит следующим образом: два сосуда, содержащих кислород, разделены веществом, которое называется электролит. Его действие подобно мембране: если давление кислорода с одной стороны больше, чем с другой, то кислород пытаться перейти через эту мембрану. Это может произойти только если молекула О₂ превратится в два иона О^2-. Только эти ионы и пропускает мембрана. В это время через провод, который соединяет два сосуда, перейдет электрон. Если к этому проводу будет подключен вольтметр, мы будем знать ЭДС процесса, то, насколько сильно электроны «хотят» бежать из одного сосуда в другой. Эта величина напрямую связана с тем, насколько давление в одном сосуде больше, чем в другом.

«До нашей работы все исследователи смотрели на состав минерала, делали большое количество измерений, усредняли их, потом по составу записывали химическую реакцию и получали давление кислорода в системе. Это было несколько проблематично, потому что в этих минералах, помимо магния, есть другие примеси. Чтобы правильно произвести все расчеты, надо знать очень большой объем термодинамических данных, которых на настоящий момент нет. Ключевое отличие нашей работы в том, что мы напрямую измеряем парциальное давление кислорода, то есть нам неважен реальный состав внутри метеорита, и мы знаем, какое давление кислорода было в момент прекращения всех процессов в метеорите», — объяснил ученый.

Ученые выяснили, что состав вещества был почти однороден, что не соответствовало многим выдвинутым теориям. Так, по разбросу парциального давления кислорода ученые поняли, насколько гомогенным было вещество на стадии аккреции.

«Мы сделали вывод, что если окисление и было, то оно было незначительным, то есть мы можем судить о количестве воды, которое было в этих телах. Сделать какой-то глобальный вывод о возникновении Земли, конечно, не получится, это довольно узкая работа, но тем не менее она лучше позволяет понять, в каких условиях происходило формирование планет. По разбросу парциального давления кислорода можно понять, насколько однородным (гомогенным) было вещество на стадии аккреции. По нашим данным, состав вещества астероидов и протопланет был достаточно однороден, хотя были версии, что вещество было достаточно сильно негомогенным», — заключил Валентин Осадчий.Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Института экспериментальной минералогии РАН и Университета штата Пенсильвания, США.

Фото: Эскиз кислородной ЭДС-ячейки. Источник: Валентин Осадчий