Гелий в атмосферах земных планет?

Есть ли у вас достоверные оценки того, сколько гелия выпарилось за последние 4 миллиарда лет?

Достоверных оценок - нет. Возможно, плохие догадки.

Краткий ответ: только следовые количества. Невозможно иметь достаточно редкого радиоактивного материала, чтобы создать настоящую гелиевую атмосферу. Даже если планета сохранила весь свой гелий в результате радиоактивного распада, он должен измеряться в частях на миллион, а не в настоящей атмосфере.

Длинный ответ ниже:

Количество альфа-частиц, создаваемых радиоактивным элементом, довольно простое: просто вычтите барионы в конечном состоянии из начального состояния. Бета-распад меняет тип адрона, но не количество, так, из Урана 238 в Свинец 206 - потеря 32 барионов, и все они через Альфа-распад - Альфа-частицы становятся атомами гелия, поэтому каждый U-238 распадается на 8 гелия .

Торий 232 в Свинец 208 - 6 гелия.

Уран 235 в свинец 207 - 7 гелий.

Калий 40 , другой распространенный радиоактивный элемент, подвергается бета-распаду только на CA40 (89,3%) и AR40 (10,7%), поэтому он не имеет значения при расчете гелия. Есть меньшее количество других элементов, испускающих альфа-частицы, таких как PT-190 , но они достаточно редки, чтобы их можно было игнорировать. Более неизвестно, сколько элементов с более коротким периодом полураспада было обычным явлением, когда Земля была молода, но больше не существует. Я понятия не имею, как это рассчитать, так что это будет что-то вроде неизвестного. Одним из возможных подходов было бы сказать, что формирующаяся планета будет достаточно горячей, чтобы потерять большую часть своего гелия, но это немного обман. Я думаю, что на раннем этапе прогнозы были приблизительными из-за неизвестного количества элементов с более коротким периодом полураспада.

U-238 легче всего рассчитать с периодом полураспада, примерно равным возрасту Земли, поэтому около половины земного U-238 завершили свой распад и произвели 8 гелия на U-238.

Торий-232 с периодом полураспада около 14 миллиардов лет, поэтому за возраст Земли распалось только около 20% исходного тория-232.

а U-235 с периодом полураспада около 700 миллионов лет означает, что почти 99% его распалось за возраст Земли. Текущие оценки говорят, что около 0,72% урана составляет U-235.

Я коснулся этого выше, но большое неизвестное для этого сценария находится в диапазоне периода полураспада в 100 миллионов лет. То есть элементы, которые достаточно долговечны, чтобы пережить формирование Земли, но не остались бы сегодня в высоких концентрациях. Это в этом диапазоне , нижняя часть 10 ^ 12 секунд, верхняя часть 10 ^ 15 секунд.

Кюрий-247 имеет период полураспада около 15 миллионов лет и распадается на свинец-207, высвобождая в процессе 10 альфа-частиц. Если формирование планет происходит относительно быстро, это может снабдить планету гелием, но я собираюсь проигнорировать это, поскольку у него слишком короткий период полураспада.

Уран-236 имеет период полураспада около 23 миллионов лет и распадается на торий, испуская всего 1 альфа-частицу. Предположительно, к моменту образования планет большая его часть станет торием, так что я тоже не буду обращать на это внимания.

Плутоний-244 , в основном синтетический, но это самый редкий первичный элемент на Земле. Из статьи в Википедии:

Точные измерения, начавшиеся в начале 1970-х годов, выявили первичный плутоний-244, что сделало его вторым самым короткоживущим первичным нуклидом после 146Sm. Количество 244Pu в предсолнечной туманности (4,57×109 лет назад) оценивается как 0,008 количества 238U.

Если оценки показывают, что он встречается чуть менее чем на 1% так же часто, как U-238, я также собираюсь игнорировать, поскольку 1% не будет иметь большого значения.

Наконец, стоит рассмотреть самарий-146 с периодом полураспада около 100 миллионов лет (или 68 миллионов, в зависимости от того, какой источник вы используете). Он распадается на неодим-142 , высвобождая одну альфа-частицу. Самарий 147 и 148 также подвергаются альфа-распаду, но очень медленно, период полураспада составляет 100 миллиардов и 7 квадриллионов соответственно.

Итак, это 4 основных изотопа гелия, которые «выделяются» из газа и имеют значение после формирования планеты. U-238 (8 гелия), U-235 (7), Th-232 (6) и SM-146 (1). А что касается того, сколько, вы должны спросить, как долго планета существует.

SM-146 распадается довольно быстро, период полураспада 100 миллионов лет. U-235 - 700 миллионов лет U-238 - 4,5 миллиарда лет T-232 - 14 миллиардов лет.

Если мы возьмем планету примерно возраста Земли

СМ-146 - практически весь У-235 - 99% У-238 - 50% Т-232 - 20%

Теперь хитрость заключается в том, сколько из этих элементов планета земной группы может иметь при формировании.

Если исходить из оценок радиоактивного распада и радиогенного тепла , то TH-232 и U-238 вместе производят 20 триллионов ватт (первая статья). Это 6 x 10 ^ 20 джоулей в год или около 3,75 x 10 ^ 33 мэВ в год в результате радиоактивного распада этих двух элементов.

Цепочка распада тория излучает около 42,6 МэВ за распад для 7 альфа-частиц. (около 7 МэВ на гелий) и цепочка распада U-238 , около 51,7 МэВ на 8 альфа-частиц. (примерно 6,5 МэВ). Это включает в себя нейтрино, и эта энергия должна быть учтена. Я не смог найти точных цифр, но около 10 МэВ (или 20%) теряется на этом сайте в нейтрино (технически антинейтрино) . Итак, очень приблизительно, скажем, тепло 5 МэВ создает одну альфа-частицу.

текущие скорости распада тория и урана-238 должны производить около 7,5 x 10 ^ 32 альфа-частиц, что соответствует примерно 1,2–1,3 миллиардам молей гелия или примерно 5 миллионам кг, от 5 до 6 тонн гелия, произведенного в земной коре. и мантии каждый год - на основе радиоактивных измерений, которые, вероятно, довольно точны.

В настоящее время тория примерно в 4 раза больше, чем U-238, но поскольку он распадается в 3 раза медленнее, производство гелия и выделение тепла в ядре Земли схожи ( эта диаграмма предполагает , что тепловыделение тория выше, но они близки) .

Производство гелия из тория было довольно стабильным, так как 80% тория при формировании планеты все еще здесь. Производство U-238 было примерно в два раза выше, когда сформировалась Земля. Производство U-235 в настоящее время незначительно по сравнению с двумя другими, но оно было намного выше, когда Земля была молодой. исходя из того, что U-235 составляет около 0,7% от общего количества урана, и он прошел от 6 до 7 периодов полураспада с момента образования Земли (с учетом того, что U-238 был вдвое больше, когда Земля сформировалась), это означает, что между 32 и 64 (скажем, 50) x 0,7, так что когда сформировалась Земля, U-235 было примерно на 30-40% больше, чем U-238.

Опять плохая математика:

Торий сейчас 2,5-3 тонны в год, на 25% больше, чем когда формировалась Земля. скажем, 3 тонны в год, в среднем

U-238, сейчас 2,5 тонны в год, в два раза больше, чем когда формировалась Земля. допустим в среднем это 3,5-4 тонны в год в среднем.

Я не собираюсь усреднять U-235, потому что он начинается слишком высоко и распадается слишком быстро, но если на момент образования Земли было примерно на 30-40% больше U-235, чем U-238, я могу просто умножить U-238. цифры на 35% и на 7/8, в среднем около 1 тонны в год.

Я делаю в год/в среднем просто для быстрой плохой математики, поэтому 3 + 3-4 + 1 = около 7,5 тонн в год x 4,5 миллиарда лет - быстрая оценка того, сколько гелия было произведено этими 3 элементами - очень плохая оценка , 33 млрд тонн. Большая часть этого гелия производится и будет оставаться в недрах Земли до тех пор, пока тектоника плит не позволит ему уйти. Скорость побега выше моей зарплаты.

Самарий-146 труднее всего оценить. По сути, весь он распался на неодим-142, но и самария (у него есть несколько стабильных изотопов), и неодима в изобилии, и эта цепочка производит один гелий. Вероятно, это не имеет большого значения в общей сумме. Таблица содержания элементов в земной коре .

С точки зрения атмосферы, 33 миллиарда тонн — это ничто. Даже если мы приспособимся к 40, 60 или 300 миллиардам тонн, этого все равно слишком мало, чтобы быть атмосферой. В настоящее время содержание гелия в атмосфере составляет около 5,2 частей на миллион, что дает атмосфере Земли массу около 5 600 триллионов тонн, что составляет 5,2% по молекуле, с поправкой на соотношение масс гелия (4) и азота/кислорода (29), что составляет около 4 миллиардов тонн. гелия в атмосфере Земли сегодня. Если бы мы сказали, что 400 миллиардов тонн гелия было произведено на Земле в результате радиоактивного распада (примерно в 10 раз больше моей оценки), это все еще ничтожное количество, всего в 100 раз больше текущего количества или 520 частей на миллион, что меньше, чем у аргона (в настоящее время 9300 частей на миллион ). Аргон-40, образующийся при радиоактивном распаде калия-40 .(около 10% времени), более распространен, потому что калий-40 встречается гораздо чаще, чем уран, торий и самарий-146, которые распадаются на альфа-частицы.

Это очень длинный ответ, который в основном говорит о том, что не хватает элементов, излучающих альфа-частицы, которые существуют достаточно долго, чтобы пережить планетарное формирование, которые производят что-то большее, чем следовые количества гелия.

Земля также сохраняет некоторое количество земного гелия, около 7% земного гелия является земным, 93% образуются в результате радиоактивного распада. Большая часть земного гелия Земли находится в ее мантии, очень мало - в ее коре.

Некоторое интересное и слабо связанное чтение. Йеллоустоун способен высвобождать больше гелия , чем производит радиоактивный материал, потому что его кора уникальна, очень старая и содержит гелий в ловушке более 2 миллиардов лет, только недавно начал его высвобождать.

---

Что касается вашего первоначального вопроса. Насколько я понимаю, планета должна быть очень большой, чтобы получить значительное количество гелия. По частицам Вселенная состоит примерно из 92% водорода и 8% гелия (или 75%-25% по массе).

Внешняя атмосфера Юпитера немного богаче гелия, около 10% гелия.

Самая верхняя атмосфера Урана состоит примерно из 15% гелия , но это только его внешний край. Уран, в отличие от Юпитера и Сатурна, в первую очередь не является водородно-гелиевой планетой, это скорее планета из воды/льда, которую иногда называют ледяным гигантом.

Кажется, что планеты должны быть очень массивными, чтобы получить значительное количество наиболее распространенных элементов, водорода и гелия, а затем, как следует из статьи в Википедии , им нужно нагреться, чтобы потерять свой водород, поэтому планеты с гелиевой атмосферой, вероятно, должны быть достаточно массивными. большая, возможно, более массивная, чем Нептун. Для типичной планеты земного типа это может быть довольно сложно сделать, если только она не очень массивная, а такая массивная планета земного типа может в любом случае напоминать газового гиганта из-за очень плотной атмосферы.

Мне трудно думать о каком-либо другом способе возникновения гелиевой атмосферы, если только вы не получите планету с температурой ниже 20 градусов по Кельвину, а все остальные газы не превратятся в жидкость или лед, но я подозреваю, что это не тот ответ, который вы ищете. . Планета, вероятно, должна быть довольно большой, чтобы удерживать значительное количество гелия, я думаю. за исключением очень странных обстоятельств, таких как столкновение гелиевого белого карлика с другим крупным объектом внутри звездной детской, даже в этом случае газообразный гелий не слипается, как лед и каменистый материал, но, возможно, такой сценарий мог бы поместить достаточное количество гелия в планетарное образование. (немного сумасшедшего, что, если), и я не уверен, что куплю его.

Я попытался объяснить это, поэтому исправления приветствуются и поощряются. Чуть позже постараюсь подчистить грамматику.