Как называется процесс образования космической пыли. Влияние на наблюдения

21.09.2019

Космическая пыль, ее состав и свойства мало известны человеку, не связанному с изучением внеземного пространства. Однако подобное явление оставляет свои следы на нашей планете! Рассмотрим подробнее, откуда она берется и каким образом влияет на жизнедеятельность на Земле.

Понятие космической пыли

Космическая пыль на Земле чаще всего находится в определенных слоях океанического дна, ледяных щитах полярных областей планеты, отложениях торфа, труднодоступных местах пустыни и метеоритных кратерах. Размер данного вещества - менее 200 нм, что делает его изучение проблематичным.

Обычно понятие космической пыли включает в себя размежевание на межзвездную и межпланетную разновидность. Впрочем, все это является очень условным. Наиболее удобным вариантом для изучения подобного явления считают исследование пыли из космоса на границах Солнечной системы или за ее пределами.

Причина такого проблематичного подхода к исследованию объекта заключается в том, что свойства внеземной пыли кардинально меняются при нахождении рядом с такой звездой, как Солнце.

Теории происхождения космической пыли

Потоки космической пыли постоянно атакуют поверхность Земли. Возникает вопрос, откуда берется это вещество. Его происхождение дает почву для множества дискуссий среди специалистов в этой области.

Выделяют такие теории образования космической пыли:

Распад небесных тел . Некоторые ученые считают, что космическая пыль - не что иное, как результат разрушения астероидов, комет и метеоритов.
Остатки облака протопланетного типа . Есть версия, по которой космическую пыль относят к микрочастицам протопланетного облака. Впрочем, такое предположение вызывает некоторые сомнения по причине недолговечности мелкодисперсного вещества.
Результат взрыва на звездах . Вследствие этого процесса, по мнению некоторых специалистов, происходит мощный выброс энергии и газа, что приводит к образованию космической пыли.
Остаточные явления после формирования новых планет . Так называемый строительный «мусор» стал основой для возникновения пыли.

По некоторым исследованиям, определенная часть составляющей космической пыли возникла раньше формирования Солнечной системы, что делает это вещество еще более интересным для дальнейшего изучения. На это стоит обратить внимание при оценке и анализе подобного внеземного явления.

Основные разновидности космической пыли

Конкретной классификации видов космической пыли на данный момент не существует. Можно разграничить подвиды по визуальным характеристикам и местообразованию этих микрочастиц.

Рассмотрим семь групп космической пыли в атмосфере, различных по внешним показателям:

Серые обломки неправильной формы. Это остаточные явления после столкновения метеоритов, комет и астероидов размером не более 100-200 нм.
Частицы шлакообразного и пепловидного образования. Такие объекты сложны в опознании исключительно по внешним признакам, потому что претерпели изменения, пройдя через атмосферу Земли.
Зерна округлой формы, что по параметрам схожи с песком черного цвета. Внешне они напоминают порошок магнетита (магнитного железняка).
Черные окружности небольшого размера, обладающие характерным блеском. Их диаметр не превышает отметки 20 нм, что делает их изучение кропотливым занятием.
Более крупные шарики того же цвета с шероховатой поверхностью. Их размер достигает 100 нм и позволяет детально изучить их состав.
Шарики определенной окраски с преобладанием черных и белых тонов с включениями газа. Эти микрочастицы космического происхождения состоят из силикатной основы.
Шары разнородной структуры из стекла и металла. Такие элементы характеризуются микроскопическими размерами в пределах 20 нм.

По астрономическому расположению выделяют 5 групп космической пыли:

Пыль, находящаяся в межгалактическом пространстве. Данный вид может искажать размеры расстояний при определенных расчетах и способен изменять цвет космических объектов.
Образования в пределах Галактики. Пространство в этих пределах всегда заполнено пылью от разрушения космических тел.
Вещество, сконцентрированное между звездами. Оно наиболее интересно благодаря наличию оболочки и ядра твердой консистенции.
Пыль, расположившаяся рядом с определенной планетой. Находится она обычно в кольцевой системе небесного тела.
Облака из пыли вокруг звезд. Они кружатся по орбитальной траектории самой звезды, отражая ее свет и создавая туманность.

Три группы по общему удельному весу микрочастиц выглядят так:

Металлическая группа. Представители этого подвида имеют удельный вес более пяти граммов на кубический сантиметр, и основа их состоит преимущественно из железа.
Группа на силикатной основе. Основа - прозрачное стекло с удельным весом приблизительно три грамма на кубический сантиметр.
Смешанная группа. Само название этого объединения свидетельствует о наличии в структуре микрочастиц как стекла, так и железа. Основа также включает в себя магнетические элементы.

Четыре группы по сходству внутреннего строения микрочастиц космической пыли:

Сферулы с полым наполнением. Эта разновидность часто встречается в местах падения метеоритов.
Сферулы металлического образования. Такой подвид имеет ядро из кобальта и никеля, а также оболочку, которая окислилась.
Шары однородного сложения. Такие крупинки имеют окисленную оболочку.
Шарики с силикатной основой. Наличие газовых вкраплений придает им вид обычных шлаков, а иногда и пены.

Следует помнить, что эти классификации весьма условны, но служат определенным ориентиром для обозначения видов пыли из космоса.

Состав и характеристика компонентов космической пыли

Рассмотрим подробнее, из чего состоит космическая пыль. Существует некая проблема при определении состава данных микрочастиц. В отличие от газообразных веществ, твердые тела имеют непрерывающийся спектр с относительно небольшим наличием полос, что размыты. Вследствие этого затрудняется идентификация космических пылинок.

Состав космической пыли можно рассмотреть на примере основных моделей данного вещества. К ним относятся такие подвиды:

Ледяные частицы, в структуру которых входит ядро с тугоплавкой характеристикой. Оболочка подобной модели состоит из легких элементов. В частицах крупного размера находятся атомы с элементами магнитного свойства.
Модель MRN, состав которой определяется наличием силикатных и графитовых вкраплений.
Оксидная космическая пыль, в основу которой входят двухатомные окислы магния, железа, кальция и кремния.

Общая классификация по химическому составу космической пыли:

Шарики с металлической природой образования. В состав таких микрочастиц входит такой элемент, как никель.
Металлические шарики с наличием железа и отсутствием никеля.
Окружности на силиконовой основе.
Железо-никелевые шарики неправильной формы.

Более конкретно можно рассмотреть состав космической пыли на примере обнаруженной в океаническом иле, осадочных породах и ледниках. Их формула будет мало отличаться одна от другой. Находки при изучении морского дна представляют из себя шарики с силикатной и металлической основой с присутствием таких химических элементов, как никель и кобальт. Также в недрах водной стихии были обнаружены микрочастицы с наличием алюминия, кремния и магния.

Почвы благодатны на присутствие космического материала. Особенно большое количество сферул обнаружено в местах падения метеоритов. Основой для них послужили никель и железо, а также всевозможные минералы типа троилита, кохенита, стеатита и других составляющих.

Ледники также таят в своих глыбах пришельцев из космоса в виде пыли. Силикат, железо и никель служат основой найденных сферул. Все добытые частицы были классифицированы в 10 четко разграниченных групп.

Трудности в определении состава изучаемого объекта и дифференцирование его от примесей земного происхождения оставляют этот вопрос открытым для дальнейших исследований.

Влияние космической пыли на процессы жизнедеятельности

Влияние данной субстанции до конца не изучено специалистами, что дает большие возможности в плане дальнейшей деятельности в этом направлении. На определенной высоте при помощи ракет обнаружили специфический пояс, состоящий из космической пыли. Это дает основание утверждать, что подобное внеземное вещество воздействует на некоторые процессы, происходящие на планете Земля.

Влияние космической пыли на верхние слои атмосферы

Последние исследования свидетельствуют о том, что количество космической пыли способно влиять на изменение верхних слоев атмосферы. Данный процесс очень значим, потому что ведет к определенным колебаниям в климатической характеристике планеты Земля.

Огромное количество пыли, возникшей от столкновения астероидов, заполняет пространство вокруг нашей планеты. Ее количество достигает почти 200 тонн в сутки, что, по мнению ученых, не может не оставить своих последствий.

Наиболее подвержено этой атаке, по мнению тех же специалистов, северное полушарие, климат которого предрасположен к холодным температурам и сырости.

Вопрос воздействия космической пыли на образование облаков и изменение климата еще не изучен в достаточной степени. Новые исследования в этой области порождают все больше вопросов, ответы на которые пока не получены.

Влияние пыли из космоса на преобразование океанического ила

Облучение космической пыли солнечным ветром приводит к тому, что эти частицы попадают на Землю. Статистика свидетельствует о том, что наиболее легкий из трех изотопов гелия в огромном количестве попадает через пылинки из космоса в океанический ил.

Поглощение минералами железомарганцевого происхождения элементов из космоса послужило основой в формировании уникальных рудных образований на океанском дне.

На данный момент количество марганца в областях, которые близки к полярному кругу, ограничено. Все это связано с тем, что космическая пыль не поступает в Мировой океан в тех районах из-за ледяных щитов.

Влияние космической пыли на состав воды Мирового океана

Если рассматривать ледники Антарктиды, то они поражают количеством найденных в них остатков метеоритов и наличием космической пыли, которая в сотню раз превышает обычный фон.

Чрезмерно повышенная концентрация того же гелия-3, ценных металлов в виде кобальта, платины и никеля позволяет с уверенностью утверждать факт вмешательства космической пыли в состав ледникового щита. При этом вещество внеземного происхождения остается в первозданном и не разбавленном водами океана виде, что само по себе является уникальным явлением.

По мнению некоторых ученых, количество космической пыли в таких своеобразных ледяных щитах за последний миллион лет насчитывает порядка нескольких сотен триллионов образований метеоритного происхождения. В период потепления эти покровы тают и несут в Мировой океан элементы космической пыли.

Смотрите видео о космической пыли:

Данное космическое новообразование и его влияние на некоторые факторы жизнедеятельности нашей планеты еще мало изучено. Важно помнить, что вещество способно влиять на изменения климата, структуру океанического дна и концентрацию определенных веществ в водах Мирового океана. Фото космической пыли свидетельствуют о том, как много еще загадок таят в себе эти микрочастицы. Все это делает изучение подобного интересным и актуальным!

КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ, твёрдые частицы с характерными размерами от около 0,001 мкм до около 1 мкм (и, возможно, до 100 мкм и более в межпланетной среде и протопланетных дисках), обнаруженные почти во всех астрономических объектах: от Солнечной системы до очень далёких галактик и квазаров. Характеристики пыли (концентрация частиц, химический состав, размер частиц и т. д.) значительно меняются от одного объекта к другому, даже для объектов одного типа. Космическая пыль рассеивает и поглощает падающее излучение. Рассеянное излучение с той же длиной волны, что и падающее, распространяется во все стороны. Излучение, поглощённое пылинкой, трансформируется в тепловую энергию, и частица излучает обычно в более длинноволновой области спектра по сравнению с падающим излучением. Оба процесса дают вклад в экстинкцию - ослабление излучения небесных тел пылью, находящейся на луче зрения между объектом и наблюдателем.

Пылевые объекты исследуют почти во всём диапазоне электромагнитных волн - от рентгеновского до миллиметрового. Электрическое дипольное излучение быстро вращающихся ультрамелких частиц, по-видимому, даёт некоторый вклад в микроволновое излучение на частотах 10-60 ГГц. Важную роль играют лабораторные эксперименты, в которых измеряют показатели преломления, а также спектры поглощения и матрицы рассеяния частиц - аналогов космических пылинок, моделируют процессы образования и роста тугоплавких пылинок в атмосферах звёзд и протопланетных дисках, изучают образование молекул и эволюцию летучих пылевых компонентов в условиях, похожих на существующие в тёмных межзвёздных облаках.

Космическую пыль, находящуюся в различных физических условиях, непосредственно изучают в составе упавших на поверхность Земли метеоритов, в верхних слоях земной атмосферы (межпланетная пыль и остатки небольших комет), при полётах КА к планетам, астероидам и кометам (околопланетная и кометная пыль) и за пределы гелиосферы (межзвёздная пыль). Наземные и космические дистанционные наблюдения космической пыли охватывают Солнечную систему (межпланетная, околопланетная и кометная пыль, пыль около Солнца), межзвёздную среду нашей Галактики (межзвёздная, околозвёздная и небулярная пыль) и других галактик (внегалактическая пыль), а также очень удалённые объекты (космологическая пыль).

Частицы космической пыли в основном состоят из углеродистых веществ (аморфный углерод, графит) и магниево-железистых силикатов (оливины, пироксены). Они конденсируются и растут в атмосферах звёзд поздних спектральных классов и в протопланетарных туманностях, а затем выбрасываются в межзвёздную среду давлением излучения. В межзвёздных облаках, особенно плотных, тугоплавкие частицы продолжают расти в результате аккреции атомов газа, а также при столкновении и слипании частиц друг с другом (коагуляции). Это ведёт к появлению оболочек из летучих веществ (в основном льдов) и к образованию пористых агрегатных частиц. Разрушение пылинок происходит в результате распыления в ударных волнах, возникающих после вспышек сверхновых звёзд, или испарения в процессе звездообразования, начавшемся в облаке. Оставшаяся пыль продолжает эволюционировать вблизи сформировавшейся звезды и позднее проявляется в форме межпланетного пылевого облака или кометных ядер. Парадоксально, но вокруг проэволюционировавших (старых) звёзд пыль является «свежей» (недавно образовавшейся в их атмосфере), а вокруг молодых звёзд - старой (проэволюционировавшей в составе межзвёздной среды). Предполагается, что космологическая пыль, возможно существующая в удалённых галактиках, сконденсировалась в выбросах вещества после взрывов массивных сверхновых звёзд.

Лит. смотри при ст. Межзвёздная пыль.

Во вселенной существуют миллиарды звезд и планет. И если звезда представляет собой пылающую сферу газа, то планеты, такие как Земля, составлены из твердых элементов. Планеты формируются в облаках пыли, которые циркулируют вокруг недавно сформировавшейся звезды. В свою очередь, зерна этой пыли составлены из таких элементов, как углерод, кремний, кислород, железо и магний. Но откуда же частицы космической пыли берутся? В новом исследовании, проведенном в Институте Нильса Бора в Копенгагене, показано, что зерна пыли могут не только сформироваться в гигантских взрывах сверхновых, они могут так же пережить последующие ударные волны различных взрывов, которые воздействуют на пыль.

Компьютерное изображение того, как формируется космическая пыль при взрывах сверхновых звезд. Источник: ESO/M. Kornmesser

То, как космическая пыль была сформирована, долго было тайной для астрономов. Сами по себе элементы пыли образуются в пылающем водородном газе в звездах. Атомы водорода соединяются друг с другом во все боле и более тяжелые элементы. В результате этого звезда начинает испускать излучение в виде света. Когда весь водород будет исчерпан и не получится больше извлекать энергию, звезда умирает, а ее оболочка улетает в космическое пространство, которая формирует различные туманности, в которых опять могут рождаться молодые звезды. Тяжелые элементы формируются, прежде всего, в сверхновых, прародителями которых являются массивные звезды, погибающие в гигантском взрыве. Но как одиночные элементы слипаются вместе чтобы сформировать космическую пыль – оставалось загадкой.

“Проблема состояла в том, что даже если бы пыль формировалась вместе с элементами при взрывах сверхновых звезд, само по себе это событие такое сильное, что эти мелкие зерна просто не должны были выжить. Но космическая пыль существует, причем ее частички могут быть совершенно разных размеров. Наше исследование проливает свет на эту проблему”, – профессор Йенс Хйорт, глава центра Темной космологии в Институте Нильса Бора.

Снимок телескопа Хаббл необычной карликовой галактики, в которой возникла яркая сверхновая SN 2010jl. Снимок был получен до ее появления, поэтому стрелкой показана ее звезда-прародитель. Взорвавшаяся звезда была очень массивной, приблизительно 40 солнечных масс. Источник: ESO

В исследованиях космической пыли ученые наблюдают за сверхновыми с помощью астрономического инструмента X-shooter, установленного на комплексе Очень большой телескоп (VLT) в Чили. Он обладает удивительной чувствительностью, а три спектрографа, входящие в его состав. могут наблюдать весь световой диапазон сразу, от ультрафиолетового и видимого до инфракрасного. Хйорт объясняет, что сначала они ожидали появления “правильного” взрыва сверхновой звезды. И вот, когда это произошло, началась кампания по ее наблюдению. Наблюдаемая звезда была необычайно яркой, в 10 раз ярче обычно средней сверхновой, а ее масса была в 40 раз больше солнечной. Всего наблюдение за звездой заняло у исследователей два с половиной года.

“Пыль поглощает свет, а пользуясь нашими данными мы смогли вычислить функцию, которая могла бы нам рассказать о количестве пыли, ее составе и размере зерен. В результаты мы обнаружили действительно нечто захватывающее”, – Криста Гол.

Первый шаг на пути формирования космической пыли – мини взрыв, в котором звезда выбрасывает в космос материал, содержащий водород, гелий и углерод. Это газовое облако становится своеобразной раковиной вокруг звезды. Еще немного подобных вспышек и раковина становится плотнее. Наконец, звезда взрывается, и плотное газовое облако полностью окутывает ее ядро.

“Когда звезда взрывается, ударная взрывная волна сталкивается с плотным газовым облаком как кирпич, налетевший на бетонную стену. Все это происходит в газовой фазе при невероятных температурах. Но то место, куда ударил взрыв, становится плотным и остывает до 2000 градусов Цельсия. При такой температуре и плотности элементы могут образовать ядро и сформировать твердые частицы. Мы обнаружили зерна пыли размерами в один микрон, что является очень большим значением для этих элементов. С такими размерами они вполне смогут пережить свое будущее путешествие сквозь галактику”.

Таким образом, ученые полагают, что нашли ответ на вопрос о том, как формируется и живет космическая пыль.

Откуда же берется космическая пыль? Наша планета окружена плотной воздушной оболочкой – атмосферой. В состав атмосферы, кроме известных всем газов, входят ещё и твёрдые частички – пыль.

В основном она состоит из частиц почвы, поднимающихся вверх под действием ветра. При извержении вулканов часто наблюдаются мощные пылевые облака. Над большими городами висят целые «пылевые шапки», достигающие высоты в 2-3 км. Число пылинок в одном куб. см воздуха в городах достигает 100 тысяч штук, в то время как в чистом горном воздухе их содержится всего несколько сотен. Однако пыль земного происхождения поднимается на сравнительно небольшие высоты – до 10 км. Вулканическая пыль может достигать высоты 40-50 км.

Происхождение космической пыли

Установлено присутствие пылевых облаков на высоте, значительно превышающей 100 км. Это так называемые «серебристые облака», состоящие из космической пыли.

Происхождение космической пыли чрезвычайно разнообразно: в неё входят и остатки распавшихся комет, и частицы вещества, выброшенного Солнцем и принесённого к нам силой светового давления.

Естественно, что под действием земного притяжения значительная часть этих космических пылинок медленно оседает на землю. Присутствие такой космической пыли было обнаружено на высоких снеговых вершинах.

Метеориты

Кроме такой, медленно оседающей космической пыли, в пределы нашей атмосферы ежедневно врываются сотни миллионов метеоров – то, что мы называем «падающими звёздами». Летя с космической скоростью в сотни километров в секунду, они сгорают от трения о частицы воздуха, не успев долететь до поверхности земли. Продукты их сгорания тоже оседают на землю.

Впрочем, среди метеоров есть и исключительно большие экземпляры, долетающие до поверхности земли. Так, известно падение большого Тунгусского метеорита в 5 часов утра 30 июня 1908 года, сопровождавшееся рядом сейсмических явлений, отмеченных даже в Вашингтоне (в 9 тысячах км от места падения) и свидетельствующих о мощности взрыва при падении метеорита. Профессор Кулик, с исключительной смелостью обследовавший место падения метеорита, нашёл чащу бурелома, окружающую место падения в радиусе сотен километров. Метеорита к сожалению, ему найти не удалось. Сотрудник Британского музея Кирпатрик в 1932 году совершил специальную поездку в СССР, но к месту падения метеорита даже не добрался. Впрочем, он подтвердил предположение профессора Кулика, оценившего массу упавшего метеорита в 100-120 тонн.

Облако космической пыли

Интересна гипотеза академика В. И. Вернадского, считавшего возможным падение не метеорита, а огромного облака космической пыли, шедшего с колоссальной скоростью.

Свою гипотезу академик Вернадский подтверждал появлением в эти дни большого количества светящихся облаков, двигавшихся на большой высоте со скоростью 300-350 км в час. Этой гипотезой можно было бы объяснить и то, что деревья, окружающие метеоритный кратер, остались стоять, в то время как расположенные далее были повалены взрывной волной.

Помимо Тунгусского метеорита известен ещё целый ряд кратеров метеоритного происхождения. Первым из таких обследованных кратеров можно назвать Аризонский кратер в «Каньоне Дьявола». Интересно, что близ него были найдены не только осколки железного метеорита, но и маленькие алмазы, образовавшиеся из углерода от большой температуры и давления при падении и взрыве метеорита.
Кроме указанных кратеров, свидетельствующих о падении огромных метеоритов весом в десятки тонн, существуют ещё и более мелкие кратеры: в Австралии, на острове Эзель и ряд других.

Помимо больших метеоритов, ежегодно выпадает довольно много более мелких – весом от 10-12 грамм до 2-3 килограмм.

Если бы Земля не была защищена плотной атмосферой, мы ежесекундно подвергались бы бомбардировке мельчайших космических частиц, несущихся со скоростью, превосходящей скорость пули.

В течение 2003–2008гг. группа российских и австрийских ученых при участии Хайнца Кольманна, известного палеонтолога, куратора Национального парка «Айзенвурцен», проводила изучение катастрофы, случившейся 65 млн. лет назад, когда на Земле вымерло более 75% всех организмов, в том числе и динозавры. Большинство исследователей считают, что вымирание было связано с падением астероида, хотя есть и другие точки зрения.

Следы этой катастрофы в геологических разрезах представлены тонким слоем черных глин мощностью от 1 до 5 см. Один из таких разрезов находится в Австрии, в Восточных Альпах, в Национальном парке недалеко от маленького городка Гамс, расположенного в 200 км к юго-западу от Вены. В результате изучения образцов из этого разреза c помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружены необычные по форме и составу частицы, которые в наземных условиях не образуются и относятся к космической пыли.

Космическая пыль на Земле

Впервые следы космического вещества на Земле обнаружены в красных глубоководных глинах английской экспедицией, исследовавшей дно Мирового океана на судне «Челленджер» (1872–1876). Их описали Меррей и Ренард в 1891 г. На двух станциях в южной части Тихого океана при драгировании с глубины 4300 м были подняты образцы железомарганцевых конкреций и магнитных микросфер диаметром до 100 мкм, получивших впоследствии название «космические шарики». Однако детально микросферы железа, поднятые экспедицией на «Челленджере», были исследованы только в последние годы. Выяснилось, что шарики на 90% состоят из металлического железа, на 10% – из никеля, а их поверхность покрыта тонкой корочкой оксида железа.

Рис. 1. Монолит из разреза Гамс 1, подготовленный для отбора образцов. Латинскими буквами обозначены слои разного возраста. Переходный слой глины между меловым и палеогеновым периодами (возраст около 65 млн. лет), в котором найдено скопление металлических микросфер и пластин отмечен буквой «J». Фото А.Ф. Грачёва

С обнаружением загадочных шариков в глубоководных глинах, собственно, и связано начало изучения космического вещества на Земле. Однако взрыв интереса исследователей к этой проблеме произошел после первых запусков космических аппаратов, с помощью которых стало возможным отбирать лунный грунт и образцы пылевых частиц из разных участков Солнечной системы. Важное значение имели также работы К.П. Флоренского (1963), изучавшего следы Тунгусской катастрофы, и Е.Л. Кринова (1971), исследовавшего метеорную пыль на месте падения Сихотэ-Алиньского метеорита.

Интерес исследователей к металлическим микросферам привел к тому, что их стали обнаруживать в осадочных породах разного возраста и происхождения. Металлические микросферы найдены во льдах Антарктики и Гренландии, в глубоководных океанических осадках и марганцевых конкрециях, в песках пустынь и приморских пляжей. Часто встречаются они в метеоритных кратерах и рядом с ними.

В последнее десятилетие металлические микросферы внеземного происхождения находят в осадочных породах разного возраста: от нижнего кембрия (около 500 млн. лет назад) до современных образований.

Данные о микросферах и других частицах из древних отложений позволяют судить об объемах, а также о равномерности или неравномерности поступления космического вещества на Землю, об изменении состава поступавших на Землю частиц из космоса и о первоисточниках этого вещества. Это важно, поскольку эти процессы влияют на развитие жизни на Земле. Многие из этих вопросов еще далеки от разрешения, однако накопление данных и всестороннее их изучение, несомненно, позволит ответить на них.

Сейчас известно, что общая масса пыли, обращающейся внутри земной орбиты, порядка 1015 т. На поверхность Земли ежегодно выпадает от 4 до 10 тыс. т космического вещества. 95% падающего на поверхность Земли вещества составляют частицы размером 50–400 мкм. Вопрос же о том, как меняется во времени скорость поступления космического вещества на Землю, остается спорным до сих пор, несмотря на множество исследований, проведенных в последние 10 лет.

Исходя из размеров частиц космической пыли, в настоящее время выделяют собственно межпланетную космическую пыль размером менее 30 мкм и микрометеориты крупнее 50 мкм. Еще раньше Е.Л. Кринов предложил мельчайшие оплавленные с поверхности осколочки метеорного тела называть микрометеоритами.

Строгие критерии разграничения космической пыли и метеоритных частиц пока не разработаны, и даже на примере изученного нами разреза Гамс показано, что металлические частицы и микросферы разнообразнее по форме и составу, чем предусмотрено имеющимися классификациями. Практически идеальная сферическая форма, металлический блеск и магнитные свойства частиц рассматривались как доказательство их космического происхождения. По мнению геохимика Э.В. Соботовича, «единственным морфологическим критерием оценки космогенности исследуемого материала является наличие оплавленных шариков, в том числе магнитных». Однако помимо формы, крайне разнообразной, принципиально важен химический состав вещества. Исследователи выяснили, что наряду с микросферами космического происхождения существует огромное количество шариков иного генезиса – связанные с вулканической деятельностью, жизнедеятельностью бактерий или метаморфизмом. Известны данные о том, что железистые микросферы вулканогенного происхождения значительно реже бывают идеальной сферической формы и к тому же имеют повышенную примесь титана (Ti) (более 10%).

Российско-австрийская группа геологов и съемочная группа Венского телевидения на разрезе Гамс в Восточных Альпах. На переднем плане – А.Ф.Грачев

Происхождение космической пыли

Вопрос о происхождении космической пыли по-прежнему предмет дискуссии. Профессор Э.В. Соботович полагал, что космическая пыль может представлять собой остатки первоначального протопланетного облака, против чего в 1973 г. возражали Б.Ю. Левин и А.Н. Симоненко, считая, что мелкодисперсное вещество не могло долго сохраняться (Земля и Вселенная, 1980, № 6).

Существует и другое объяснение: образование космической пыли связано с разрушением астероидов и комет. Как отмечал Э.В. Соботович, если количество космической пыли, поступающей на Землю, не меняется во времени, то правы Б.Ю. Левин и А.Н. Симоненко.

Несмотря на большое число исследований, ответ на этот принципиальный вопрос в настоящее время не может быть дан, ибо количественных оценок очень мало, а их точность дискусcионна. В последнее время данные изотопных исследований по программе NASA частиц космической пыли, отобранных в стратосфере, позволяют предполагать существование частиц досолнечного происхождения. В составе этой пыли были обнаружены такие минералы, как алмаз, муассанит (карбид кремния) и корунд, которые по изотопам углерода и азота позволяют относить их образование ко времени до формирования Солнечной системы.

Важность изучения космической пыли в геологическом разрезе очевидна. В данной статье приведены первые результаты исследования космического вещества в переходном слое глин на границе мела и палеогена (65 млн. лет назад) из разреза Гамс, в Восточных Альпах (Австрия).

Общая характеристика разреза Гамс

Частицы космического происхождения получены из нескольких разрезов переходных слоев между мелом и палеогеном (в германоязычной литературе – граница К/Т), расположенных недалеко от альпийской деревни Гамс, где одноименная река в нескольких местах вскрывает эту границу.

В разрезе Гамс 1 из обнажения был вырезан монолит, в котором граница К/T выражена очень хорошо. Его высота – 46 см, ширина – 30 см в нижней части и 22 см – в верхней, толщина – 4 см. Для общего изучения разреза монолит был разделен через 2 см (снизу вверх) на слои, обозначенные буквами латинского алфавита (A, B,C…W), а в пределах каждого слоя также через 2 см проведена маркировка цифрами (1, 2, 3 и т.д.). Более детально изучался переходный слой J на границе К/T, где были выделены шесть субслоев мощностью около 3 мм.

Результаты исследований, полученные в разрезе Гамс 1, во многом повторены при изучении другого разреза – Гамс 2. В комплекс исследований входило изучение шлифов и мономинеральных фракций, их химический анализ, а также рентгено-флуоресцентный, нейтронно-активиационный и рентгено-структурный анализы, изотопный анализ гелия, углерода и кислорода, определение состава минералов на микрозонде, магнитоминералогический анализ.

Многообразие микрочастиц

Железные и никелевые микросферы из переходного слоя между мелом и палеогеном в разрезе Гамс: 1 – микросфера Fe с грубой сетчато-бугристой поверхностью (верхняя часть переходного слоя J); 2 – микросфера Fe с грубой продольно-параллельной поверхностью (нижняя часть переходного слоя J); 3 – микросфера Fe с элементами кристаллографической огранки и грубой ячеисто-сетчатой текстурой поверхности (слой M); 4 – микросфера Fe с тонкой сетчатой поверхностью (верхняя часть переходного слоя J); 5 – микросфера Ni с кристаллитами на поверхности (верхняя часть переходного слоя J); 6 – агрегат спекшихся микросфер Ni с кристаллитами на поверхности (верхняя часть переходного слоя J); 7 – агрегат микросфер Ni с микроалмазами (С; верхняя часть переходного слоя J); 8, 9 – характерные формы металлических частиц из переходного слоя между мелом и палеогеном в разрезе Гамс в Восточных Альпах.

В переходном слое глины между двумя геологическими границами – мелом и палеогеном, а также на двух уровнях в вышележащих отложениях палеоцена в разрезе Гамс найдено множество металлических частиц и микросфер космического происхождения. Они значительно разнообразнее по форме, текстуре поверхности и химическому составу, чем все известные до сих пор в переходных слоях глины этого возраста в других регионах мира.

В разрезе Гамс космическое вещество представлено мелкодисперсными частицами различной формы, среди которых наиболее распространенными являются магнитные микросферы размером от 0.7 до 100 мкм, состоящие на 98% из чистого железа. Такие частицы в виде шариков или микросферул в большом количестве встречены не только в слое J, но и выше, в глинах палеоцена (слои K и М).

Микросферы состоят из чистого железа или магнетита, некоторые из них имеют примеси хрома (Cr), сплава железа и никеля (аваруита), а также из чистого никеля (Ni). Некоторые частицы Fe-Ni содержат примесь молибдена (Mo). В переходном слое глины между мелом и палеогеном все они обнаружены впервые.

Никогда прежде не попадались и частицы с высоким содержанием никеля и значительной примесью молибдена, микросферы с наличием хрома и куски спиралевидного железа. Кроме металлических микросфер и частиц в переходном слое глины в Гамсе обнаружены Ni-шпинель, микроалмазы с микросферами чистого Ni, а также рваные пластины Au, Cu, которые не встречены в ниже- и вышележащих отложениях.

Характеристика микрочастиц

Металлические микросферы в разрезе Гамс присутствуют на трех стратиграфических уровнях: в переходном слое глины сосредоточены разнообразные по форме железистые частицы, в вышележащих мелкозернистых песчаниках слоя K, а третий уровень образуют алевролиты слоя M.

Некоторые сферы имеют гладкую поверхность, другие - сетчато-бугристую поверхность, третьи покрыты сеткой мелких полигональных или системой параллельных трещин, отходящих от одной магистральной трещины. Они бывают полыми, скорлуповидными, заполненными глинистым минералом, могут иметь и внутреннее концентрическое строение. Металлические частицы и микросферы Fe встречаются по всему переходному слою глины, но в основном сосредоточены на нижних и средних горизонтах.

Микрометеориты представляют собой оплавленные частицы чистого железа или железо-никелевого сплава Fe-Ni (аваруит); их размеры – от 5 до 20 мкм. Многочисленные частицы аваруита приурочены к верхнему уровню переходного слоя J, тогда как чисто железистые присутствуют в нижней и верхней частях переходного слоя.

Частицы в виде пластин с поперечно-бугристой поверхностью состоят только из железа, их ширина – 10–20 мкм, длина – до 150 мкм. Они слегка дугообразно изогнуты и встречаются в основании переходного слоя J. В его нижней части также встречены пластины Fe-Ni с примесью Mo.

Пластины из сплава железа и никеля имеют удлиненную форму, слегка изогнуты, с продольными бороздками на поверхности, размеры колеблются в длину от 70 до 150 мкм при ширине около 20 мкм. Чаще они встречаются в нижней и средней частях переходного слоя.

Железистые пластины с продольными бороздками по форме и размерам идентичны пластинам сплава Ni-Fe. Они приурочены к нижней и средней частям переходного слоя.

Особый интерес представляют частицы чистого железа, имеющие форму правильной спирали и изогнутые в виде крючка. В основном они состоят из чистого Fe, редко это сплав Fe-Ni-Mo. Частицы спиралевидного железа встречаются в верхней части переходного слоя J и в вышележащем прослое песчаника (слой K). Спиралевидная частица Fe-Ni-Mo найдена в основании переходного слоя J.

В верхней части переходного слоя J присутствовало несколько зерен микроалмазов, спекшихся с Ni-микросферами. Микрозондовые исследования никелевых шариков, проведенные на двух приборах (с волновыми и энергодисперсионными спектрометрами), показали, что эти шарики состоят из практически чистого никеля под тонкой пленкой окиси никеля. Поверхность всех никелевых шариков усеяна четкими кристаллитами с выраженными двойниками размером 1–2 мкм. Столь чистый никель в виде шариков с хорошо раскристаллизованной поверхностью не встречается ни в магматических породах, ни в метеоритах, где никель обязательно содержит значимое количество примесей.

При изучении монолита из разреза Гамс 1 шарики чистого Ni встречены только в самой верхней части переходного слоя J (в самой верхней его части – очень тонком осадочном слое J 6, толщина которого не превышает 200 мкм), а по данным термагнитного анализа металлический никель присутствует в переходном слое, начиная с субслоя J4. Здесь наряду с шариками Ni обнаружены и алмазы. В слое, снятом с кубика площадью 1 см2, количество найденных зерен алмаза исчисляется десятками (с размером от долей микронов до десятков микронов), а никелевых шариков таких же размеров – сотнями.

В образцах верхней части переходного слоя, взятых непосредственно из обнажения, были обнаружены алмазы с мелкими частицами никеля на поверхности зерна. Существенно, что при изучении образцов из этой части слоя J, выявлено также присутствие и минерала муассанита. Ранее микроалмазы были найдены в переходном слое на границе мела и палеогена в Мексике.

Находки в других районах

Микросферы Гамса с концентрическим внутренним строением аналогичны тем, что были добыты экспедицией «Челленджер» в глубоководных глинах Тихого океана.

Частицы железа неправильной формы с оплавленными краями, а также в виде спиралей и изогнутых крючков и пластин обладают большим сходством с продуктами разрушения падающих на Землю метеоритов, их можно рассматривать как метеоритное железо. К этой же категории могут быть отнесены частицы аваруита и чистого никеля.

Изогнутые железные частицы близки разнообразным формам слез Пеле – капель лавы (лапиллей), которые выбрасывают в жидком состоянии вулканы из жерла при извержениях.

Таким образом, переходный слой глины в Гамсе имеет гетерогенное строение и отчетливо подразделяется на две части. В нижней и средней частях преобладают частицы и микросферы железа, тогда как верхняя часть слоя обогащена никелем: частицами аваруита и микросферами никеля с алмазами. Это подтверждается не только распределением частиц железа и никеля в глине, но также данными химического и термомагнитного анализов.

Сравнение данных термомагнитного анализа и микрозондового анализа свидетельствует о чрезвычайной неоднородности в распределении никеля, железа и их сплава в пределах слоя J, однако по результатам термомагнитного анализа чистый никель фиксируется только, со слоя J4. Обращает на себя внимание и то, что спиралевидное железо встречается преимущественно в верхней части слоя J и продолжает встречаться в перекрывающем его слое K, где, однако, мало частиц Fe, Fe-Ni изометричной или пластинчатой формы.

Подчеркнем, что столь явная дифференциация по железу, никелю, иридию, проявленная в переходном слое глины в Гамсе, имеется и в других районах. Так, в американском штате Нью-Джерси в переходном (6 см) сферуловом слое иридиевая аномалия резко проявилась в его основании, а ударные минералы сосредоточены только в верхней (1 см) части этого слоя. На Гаити на границе мела и палеогена и в самой верхней части сферулового слоя отмечается резкое обогащение Ni и ударным кварцем.

Фоновое явление для Земли

Многие особенности найденных сферул Fe и Fe-Ni аналогичны шарикам, обнаруженным экспедицией «Челленджер» в глубоководных глинах Тихого океана, в районе Тунгусской катастрофы и местах падения Сихотэ-Алиньского метеорита и метеорита Нио в Японии, а также в осадочных горных породах разного возраста из многих районов мира. Кроме районов Тунгусской катастрофы и падения Сихотэ-Алиньского метеорита, во всех других случаях образование не только сферул, но и частиц различной морфологии, состоящих из чистого железа (иногда с содержанием хрома) и сплава никеля с железом, никакой связи с импактным событием не имеет. Мы рассматриваем появление таких частиц как результат падения на поверхность Земли космической межпланетной пыли – процесса, который непрерывно продолжается с момента образования Земли и представляет собой своего рода фоновое явление.

Многие частицы, изученные в разрезе Гамс близки по составу к валовому химическому составу метеоритного вещества в месте падения Сихотэ-Алиньского метеорита (по данным Е.Л. Кринова, это 93.29% железа, 5.94% никеля, 0.38% кобальта).

Присутствие молибдена в некоторых частицах не является неожиданным, поскольку его включают метеориты многих типов. Содержание молибдена в метеоритах (железных, каменных и углистых хондритах) находится в пределах от 6 до 7 г/т. Самым важным стала находка молибденита в метеорите Алленде в виде включения в сплаве металла следующего состава (вес.%): Fe – 31.1, Ni – 64.5, Co – 2.0, Cr – 0.3, V – 0.5, P – 0.1. Следует отметить, что самородный молибден и молибденит были обнаружены и в лунной пыли, отобранной автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24».

Впервые найденные шарики чистого никеля с хорошо раскристаллизованной поверхностью не известны ни в магматических породах, ни в метеоритах, где никель обязательно содержит значимое количество примесей. Такая структура поверхности никелевых шариков могла возникнуть в случае падения астероида (метеорита), которое привело к выделению энергии, позволившей не только расплавить материал упавшего тела, но и испарить его. Пары металла могли быть подняты взрывом на большую высоту (вероятно, на десятки километров), где и происходила кристаллизация.

Частицы, состоящие из аваруита (Ni3Fe), найдены вместе с металлическими шариками никеля. Они относятся к метеорной пыли, а оплавленные частицы железа (микрометеориты) следует рассматривать как «метеоритную пыль» (по терминологии Е.Л. Кринова). Кристаллы алмаза, встреченные вместе с шариками никеля, вероятно, возникли в результате абляции (плавления и испарения) метеорита из того же облака пара при его последующем охлаждении. Известно, что синтетические алмазы получают методом спонтанной кристаллизации из раствора углерода в расплаве металлов (Ni, Fe) выше линии фазового равновесия графит–алмаз в форме монокристаллов, их сростков, двойников, поликристаллических агрегатов, каркасных кристаллов, кристаллов игольчатой формы, неправильных зерен. Практически все из перечисленных типоморфных особенностей кристаллов алмаза были обнаружены в изученном образце.

Это позволяет сделать вывод о схожести процессов кристаллизации алмаза в облаке никель-углеродного пара при его охлаждении и спонтанной кристаллизации из раствора углерода в расплаве никеля в экспериментах. Однако окончательный вывод о природе алмаза можно будет сделать после детальных изотопных исследований, для чего необходимо получить достаточно большое количество вещества.