Hel atmosferyczny

Hel pochodzenia promieniotwórczego wywodzi się z rozpadu uranu i toru w płaszczu Ziemi. Pewna ilość tego helu wydostaje się i znajduje drogę na powierzchnię, gdzie wchodzi w skład atmosfery.

Wiadomo było przez wiele lat, że w atmosferze nie ma wystarczającej ilości helu, by odpowiadała ona wiekowi Ziemi i tempu ucieczki helu ze skał płaszcza do atmosfery. Zakłada się, że cała zawartość helu-4 jest pochodzenia promieniotwórczego. Biorąc pod uwagę znane koncentracje serii uran-tor w skałach pierwotnych, wywnioskowano, iż cały atmosferyczny hel zostałby wyprodukowany w czasie 2 miliardów lat z erozji 2 kilogramów nad każdym centymetrem kwadratowym powierzchni pierwotnej skały. Jest to w przybliżeniu 1,3% całej zawartości pierwotnej skały, jaka faktycznie zerodowała w tym czasie i tym samym mogła dostarczyć zawarty w niej hel do atmosfery. Znaczyłoby to, że prawdziwy maksymalny wiek Ziemi wyliczony na podstawie produkcji helu wynosiłby tylko 1,3% z 2 miliardów lat, czyli 26 milionów lat. A nawet ta liczba jest prawdopodobnie za wysoka, gdyż pominięto pierwotny hel atmosferyczny i wcześniejsze wyższe tempa rozpadu promieniotwórczego, jak też hel, który dotarłby do powierzchni ze skał niezerodowanych.

Oczywiście, metodą uniknięcia tego wniosku jest założenie, że reszta helu wytworzonego w przeszłości uzyskała w jakiś sposób prędkość ucieczki, pokonując grawitację ziemską i całkowicie opuszczając atmosferę. Ale jest tak pod warunkiem, że temperatura w egzosferze (najbardziej zewnętrznej części atmosfery) jest bardzo wysoka. Wykazano, że ilość helu uwalnianego z radioaktywnych skał w czasie geologicznego życia Ziemi przekracza ilość występującą obecnie w atmosferze. Przyjąwszy, że za utratę helu, jaka musiała mieć miejsce, odpowiedzialny jest mechanizm Stoneya, wyliczono, że temperatura na wspomnianym poziomie atmosfery wynosi albo ok. 1800 stopni Celsjusza, albo zwykle jest mniejsza, ale od czasu do czasu większa — być może przez 2% czasu wynosi 2300 stopni Celsjusza. A być może wartości te winny być jeszcze większe. Przyjmuje się więc powszechnie, że ilość uwalnianego i utraconego helu jest dużo większa, niż wcześniej przypuszczano. Niektórym uczonym jednak trudno przyjąć wspomniane wysokie temperatury. Nie istnieje żadne niezależne świadectwo, że takie temperatury istnieją. Innymi słowy, zamiast przyjąć oczywisty wniosek, że z ilości helu w atmosferze wynika, że wiek Ziemi jest dużo mniejszy, niż się zwykle sądzi, raczej dedukuje się, że temperatury egzosfery są wystarczająco wysokie, by umożliwić helowi ucieczkę, bez względu na to, jak skrajny może to być wymóg. Jedno z badań wskazywało, że wiek Ziemi wyliczony na podstawie ilości helu-4 przenikającego ze skał do atmosfery wynosi od 1750 do 175 000 lat. Natomiast ilość helu wpływającego do atmosfery pozwala ustalić maksymalny wiek atmosfery na ok. 12 000 lat.

Niektóre pierwiastki promieniotwórcze produkują gazy podczas rozpadu, głównie hel-4 w przypadku rozpadu uranu i argon-40 w przypadku rozpadu potasu. Produkty te migrują w górę przez skały i w końcu uciekają do atmosfery. Większość argonu musi być w atmosferze albo w płaszczu obecna od samego początku i musi go tam być bardzo dużo, jeśli powstawał przez 5 miliardów lat rozpadania się potasu.

Niewielka ilość helu w atmosferze przez wiele lat zastanawiała uczonych. Przy szacowaniu, że w litosferze znajduje się 2x10²⁰ g uranu i 5x10²⁰ g toru, hel powinien być generowany radiogenicznie w tempie ok. 3x10⁹ g na rok. Ponadto oszacowano, że drugie źródło helu, pochodzenia kosmicznego, powinno mieć porównywalną wielkość. Oczywiste jest, że ok. 0,8 helu pochodzenia promieniotwórczego ze skał wulkanicznych oraz blisko cały hel ze skał osadowych został uwolniony do atmosfery w czasach geologicznych (okres ten obecnie ma wynosić 5x10⁹ lat). Dlatego ponad 10²⁰ g helu powinno przejść do atmosfery od początku istnienia Ziemi. Ponieważ atmosfera zawiera tylko 3,5x10¹⁵ g helu-4, to dlatego powszechnie zakłada się, że ok. 10²⁰ g helu-4 musiało opuścić egzosferę i że obecne tempo utraty helu przez egzosferę równoważy tempo wydobywania się go z litosfery.

To powszechnie przyjmowane założenie jest jednak tylko tym — założeniem. Nie ma w ogóle żadnego świadectwa, że hel-4 ucieka lub może uciekać z egzosfery w znacznych ilościach. Przeciwnie, istnieje duże prawdopodobieństwa, że hel-4 faktycznie dostaje się do atmosfery z przestrzeni kosmicznej z korony słonecznej.

W konsekwencji maksymalny wiek atmosfery przy założeniu, że pierwotnie w atmosferze nie było żadnego helu, wyniósłby

Faktycznie istnieje świadectwo, że tempo dopływu helu do atmosfery wynosi ponad 3x10¹¹ gramów na rok, co jest liczbą około 100 razy większą niż poprzednio używana wielkość. To ponownie zredukowałoby wiek atmosfery do kilku tysięcy lat.

Standardowe wyjaśnienie ewolucyjno-uniformitarystyczne powstania atmosfery Ziemi odwołuje się do odgazowania wydobywających się na powierzchnię Ziemi składników i modyfikacji tej powierzchni wskutek ucieczki gazów i trwających procesów biologicznych. Mówi się, że te procesy miały miejsce w okresie 4,5-4,6 miliardów lat. Jednak stykamy się z wieloma problemami, gdy usiłujemy pogodzić skład i procesy zachodzące w dzisiejszej atmosferze z podstawowymi celami tego modelu. Na przykład skład żadnej atmosfery planetarnej w Układzie Słonecznym nie pasuje do zakładanego pierwotnego materiału, z którego miała być zbudowana pierwotna mgławica, nawet gdy się uwzględni złożone scenariusze podgrzewania, powstawania nowych związków chemicznych, odgazowania i ucieczki. Trwa spór, czy Ziemia początkowo miała atmosferę redukującą czy utleniającą. Nie jest pewne, jak ilość dwutlenku węgla utrzymuje się w równowadze albo dlaczego rósł w ostatnich latach (chociaż znamy niektóre tego powody), ani nie jest jasne, dlaczego jest tak dużo metanu na Ziemi.

Jednym z najbardziej intrygujących problemów związanych z modelem ewolucyjnym jest próba wyjaśnienia, dlaczego w dzisiejszej atmosferze nie ma więcej helu, skoro Ziemia miała istnieć przez 4,5-4,6 miliarda lat.

Mark  Stewart

Przypisy

Źródło: Na Początku... lipiec-sierpień 2001, nr 7-8 (144-145), s. 227-229. (Atmospheric Helium; artykuł nadesłany do Na Początku... Z jęz. angielskiego tłumaczył Mieczysław Pajewski.)