Солнце почти полностью состоит из водорода и гелия, а на Земле этих элементов очень мало. Как это произошло?
Самое большое преимущество юности – это невозможность знать, что является невозможным.
— Адам Браун
Каждую неделю вы присылаете мне свои вопросы, из которых я выбираю наилучшие. Но иногда труднее всего ответить на самые простые вопросы. К примеру, посмотрите на Солнце и звёзды, а затем – на планеты. Можно было бы решить, что отличаются они лишь массой – что если сделать планету очень массивной, она станет звездой – но как вы тогда объясните простое наблюдение, сделанное Грегом Роджерсом:
Если Солнце (и все звёзды) в основном состоят из водорода и гелия, почему распределение вещества у планет отличается от них?
Распределение вещества планет не просто отличается от звёзд – оно совершенно другое.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/f90/7a2/571/f907a2571cafab15dfc8856387fbca2a.jpg)
Если мы присмотримся к поверхности нашей планеты, мы найдём кучу всяких элементов: около 90 элементов, встречающихся в естественных месторождениях. Водорода у нас достаточно, но он не доминирует, особенно если считать по массе. Воздух в основном состоит из азота и кислорода; океан, покрывающий планету, на 11% состоит из водорода по массе (ведь каждый атом кислорода в 16 раз тяжелее водорода); твёрдое вещество живых существ и неживых вещей, от камней до грязи, от растений до животных, содержит довольно много водорода, но гораздо больше в нём натрия, кислорода, кремния, алюминия и многих других элементов.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/dcf/83f/b04/dcf83fb04679176c3f6838d38317a940.png)
Погрузившись в глубину планеты, мы найдём ещё более сложную ситуацию. Конечно, где-то в подземных пустотах хранится гелий, но он получился в результате радиоактивного распада сверхтяжёлых элементов за миллиарды лет. Небольшое количество водорода там тоже есть, но гораздо больше там будет тяжёлых элементов: металлов типа железа, никеля, кобальта, а также элементов, превосходящих ограничения по стабильности в таблице Менделеева.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c05/520/a76/c05520a76ea441634adca887298f2fb9.png)
Мы это знаем, поскольку слои Земли становятся плотнее по мере погружения в планету. И это не только из-за гравитационного сжатия; самые тяжёлые элементы просто проваливаются вниз. Это очень важно, поэтому я повторюсь: в юности на Земле присутствовало большое разнообразие элементов, но более тяжёлые элементы провалились вниз, а лёгкие остались «плавать» наверху – так же, как менее плотные жидкости плавают над более плотными.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/aff/08f/65a/aff08f65ac3b2acba1507069758577ef.jpg)
Жидкости и предметы по увеличению плотности: шарик для пинг-понга; ламповое масло; медицинский спирт; пластиковая крышка от бутылки; растительное масло; бусинки; вода; помидор-черри; жидкость для мытья посуды; молоко; игральная кость; кленовый сироп; зёрнышко кукурузы; кукурузный сироп; мёд; металлический болт.
Так что, изучая поверхность Земли, мы видим легчайшие элементы, из которых она сделана. Большинство других элементов в её составе тяжелее и плотнее. Поэтому у нас действительно очень мало водорода и гелия.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/858/111/139/85811113927627ef206de7f09e6dec93.jpg)
Перейдём теперь к Солнцу и звёздам. Посмотрим на солнечный спектр: на нём есть разные линии поглощения, представляющие всю гамму элементов, имеющихся и на Земле, а также несколько тех, что в природе не встречаются.
Что видно сразу, так это два набора линий поглощения, для водорода и гелия, которые очень сильны. Когда мы начали разбираться в том, как работают звёзды, и как температура, ионизация и изобилие элементов связаны между собой, мы открыли, что Солнце состоит на 70% из водорода, на 28% из гелия, и на 1-2% из других элементов.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6f4/ab2/ee5/6f4ab2ee595f7697426172743798a744.jpg)
А Земля на 99% состоит из «других элементов»! Отчего же? Чтобы это понять, вернёмся назад, на место их рождения: к туманности, из которой формируются звёзды. Это молекулярное облако, в основном состоящее из водорода, и содержащее много гелия и немного других веществ – которое начинает коллапсировать под собственным тяготением.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/16e/ea5/b47/16eea5b474ebc7764eee7cf15a0b7b45.jpg)
На ранних стадиях формирования звёзд важнее всего оказывается гравитация. В газовом облаке появляются комки, плотность их возрастает, а участки с большой плотностью притягивают всё больше материи. Поскольку гравитационный коллапс происходит довольно быстро, а эффективного метода излучать энергию у газовых облаков не существует, коллапс приводит к разогреву внутренних слоёв этих комков. Спустя немного времени водород в ядре достигает нужной температуры и плотности для начала ядерного синтеза.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/12d/90e/847/12d90e8475f2409914d13d2fecd0905e.jpg)
Новорожденные звёзды бывают разные: разного цвета, с разными температурами и массами. Но у большинства из них есть общая черта – они не формируются в изоляции, а появляются в компании других комочков материи. Самые крупные из них, получившие наибольшую фору, вырастут в каменистые планеты, газовые гиганты, или, в экстремальных случаях, в другие звёзды.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/19c/43e/9b3/19c43e9b3857c9be61aa4077190dc9b3.jpg)
В то же самое время, энергия, излучаемая родительской звездой в системе, разбрасывается наружу и взаимодействует с тем, что встречается на её пути. Это и солнечный ветер, ионы, электроны, и, конечно же, фотоны. А с чем же встречаются эти энергетические частицы?
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/a26/0bb/35c/a260bb35c1575ffbf644d38bd70ee226.jpg)
В случае каждой планеты или планетоида они встречаются с самыми внешними, с самыми лёгкими элементами, поскольку именно они «плавают» на поверхности над более тяжёлыми, потонувшими ближе к центру. Представьте, что вы со всей силы пинаете футбольный мяч, и потом подумайте, какая будет разница с тем, когда вы пнёте шар для боулинга. Про ногу не думайте – представляйте себе мяч. Футбольный мяч приобретёт большую скорость и улетит, а шар для боулинга едва ли сильно сдвинется с места.
Почему? Потому, что один и тот же импульс энергии, приданный разным по массе предметам, заставляет более лёгкие двигаться быстрее.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/0e4/d5d/c40/0e4d5dc4084d0e3808a2a5ad1359bcdd.gif)
Диаграмма убегания газов с поверхности планет. Линия газа, проведённая над планетой, означает, что он сможет убежать от её гравитации. Именно поэтому у каменистых планет нет атмосферы из водорода и гелия, а у газовых гигантов — есть
Такого пинка почти на всех мирах достаточно, чтобы выбить практически весь водород и весь гелий в межзвёздное пространство. Энергии, излучаемой звездой, достаточно, чтобы придать этим атомам скорость, необходимую для преодоления притяжения, и они становятся не связанными гравитацией с этим миром.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/740/971/320/7409713204ab77665312e9fe10592a0b.jpg)
Только у газовых гигантов, миров, с массой превышающей земную, по крайней мере, вдвое, гравитация достаточно сильная для того, чтобы удержать гелий и водород. И чем более массивен мир, тем толще может быть его оболочка. Считается, что у газовых гигантов плотное твёрдое ядро, состоящее из тяжёлых элементов, но достичь его можно, только пройдя через множество слоёв, где преобладает водород.
![](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/950/0c7/262/9500c7262051b9302107ca784d257888.jpg)
Итак, отвечая на твой вопрос, Грег, все планеты создаются из одинаковых материалов, и если бы не излучение, испускаемое звёздами, на каждой планете преобладали бы водород и гелий, как на Солнце и на других звёздах. Но из-за близости к источнику энергии все элементы планеты получают энергетический пинок, и в случае известных нам каменистых планет, его достаточно, чтобы избавить мир от всего свободного водорода и гелия. Только приобретя очень большую массу, и находясь достаточно далеко от родительской звезды, можно удержать легчайшие из элементов против всего этого излучения. И чем более ты массивен, тем больше можешь удержать. А массу ты можешь наращивать примерно до 8% от массы Солнца, после чего ты в своём ядре начнёшь превращать водород в гелий, и сам станешь звездой!
Именно поэтому элементы расположены там, где они есть. Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.