Кузнецов Д.М., Гапонов В.Л., Алилуйкина В.В., Пятницына Е.В.

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова ФГБОУ ВПО «ДГАУ», г.Новочеркасск, Россия

Оценочные расчеты концентрации кислорода в воде антарктического озера «Восток»

Уникальность подледного антарктического озера «Восток» обусловлена тем, что в некоторой степени именно этот объект может являться удобной моделью или аналогом внеземных водных водоемов, в существование которых современная наука уже не сомневается. Результаты всесторонних исследований спутника Юпитера Европы и спутника Сатурна Энцелада позволяют предположить нахождение под многокилометровой толщей льда воды в жидком состоянии. Пока не известен солевой состав этих вод, но, то, что они существуют как таковые, практически признано единогласно. Не случайно уже детализируются сроки запуска специальных миссий к этим «планетам» с целью поиска возможных следов жизни. Почему бы нет? Логика простая: раз есть вода в жидком состоянии – значит, может быть присутствие жизни.

На озере «Восток» многое аналогично - отрезанность от внешней атмосферной земной жизни 3-4 километровой толщей льда плюс отрезанность от водных просторов океана. Объект сам по себе. Предварительные анализы проб воды, полученной в результате уникальной технологической операции, проведенной российскими специалистами, пока позволяют сказать только, что вода озера «Восток» богата кислородом. Подтвердить или опровергнуть наличие углеродной (белковой) жизни в любой форме – это задача будущих всесторонних исследований. Тем не менее, в том случае, если существование живых организмов в воде озера «Восток будет обнаружена, это позволит предположить и аналогичный феномен на Европе и Энцеладе, а возможно, и еще на целом ряде астрономических объектов нашей Солнечной системы.

Пока повышенная концентрация кислорода в воде озера «Восток» трактуется исключительно как результат таяния поверхностных слоев льда. Однако, совершенно не учитывается еще один, возможно, более значительный процесс кислородного «загрязнения» воды озера «Восток». Возможен механизм образования кислорода, связанный с радиолизом молекул воды. Рассмотрим его подробнее.

Действие ионизирующих излучений на воду приводит к радиолизу. Причем наибольший выход продуктов радиолиза дают излучения, характеризующиеся высокой плотностью ионизации, например α-частицы. Поскольку молекула воды полярна, то электронная плотность несколько сдвинута в сторону кислорода. Поэтому при попадании на молекулу высокоэнергетических частиц какого-либо излучения разрыв связи чаще всего будет происходить по следующей схеме:

В результате радиолиза воды протекают следующие процессы [1]:

1. Ионизация и возбуждение молекул воды:

Н₂О +ν →е^-+ Н₂О⁺

2. Сольватация электронов и последующее взаимодействие с молекулами воды:

е^-+ Н₂О⁺→H • + ОН^-

3. Образование радикалов H • и НO • в результате реакций ионов и возбужденных молекул воды:

Н₂O⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + НO •

4.Рекомбинация радикалов в местах их высокой концентрации:

  H •  + H •   → Н₂

  H •  + НO • → Н₂O

  НO •  + НO • → Н₂О₂

5.Образование свободного кислорода:

Н₂O₂ + НO • → H • + Н₂О + О₂

Радиолиз воды является достаточно изученным процессом и практически все исследователи упоминают, что при радиолизе воды образуются молекулы, ионы и радикалы: Н₂, Н₂О₂, Н₃О⁺, ОН^-и т.д., в различных количествах в зависимости от линейной передачи энергии, от рН и содержания растворенных газов.

Детальными исследования процесса радиолиза воды установлено, что стабильными молекулярными продуктами радиолиза молекул воды являются О₂, О₃, Н₂О₂, Н₂. Однако, соотношение выходов этих продуктов меняется в зависимости от конкретных условий облучения. Так, в работе [1] указывается, что в случае облучения молекул воды альфа-частицами основными продуктами будут Н₂О₂ и Н₂. Здесь следует указать, что образующийся пероксид кислорода не является устойчивым соединением и достаточно легко разлагается с образованием ионов кислорода и, затем, молекул кислорода. Причем катализатором процесса разложения Н₂О₂ могут являться практически любые горные породы, поскольку они содержат в себе оксиды переходных металлов.Учитывая нестабильность молекул пероксида водорода и длительный период облучения (продолжительность автономного существования озера «Восток» превышает 5•10³ лет) конечными продуктами процесса радиолиза воды остаются О₂ и Н₂. Однако, наиболее вероятный конечный продукт – молекулярный кислород. Здесь необходимо учитывать два обстоятельства.

Во-первых, проникающая способность молекулярного водорода значительно выше молекулярного кислорода, и молекулярный водород, скорее всего, достаточно легко диффундирует через верхнюю толщу льда.

Во-вторых, растворимость этих газов в воде различна и насыщенная молярная концентрация Н₂ ниже числа молей О₂, растворенного в единице объема. Например, при обычных условиях один объем воды может растворить 0,02 объема водородаи 0,04объема кислорода.

Поскольку давление слоя льда над озером «Восток» достигает значительных величин (упоминаются значения в 300 и более атм), то, растворимость кислорода в воде будет относительно высокой, что также будет способствовать повышенной концентрации кислорода.

Нормальная радиоактивность горных пород обусловлена кларковым содержанием в ней радионуклидов (радиоактивных элементов). "Нормальными" в радиационном отношении принято считать горные породы, в которых содержание радиоактивных элементов 238U (продуктом распада которого является 222Rn и 232Th (в результате распада которого образуется 220Rn) не превышает 2,5 г/т (2,5 кларка). Содержание урана в породах в количестве 0,001% создает аномалию радиоактивности, характеризующуюся мощностью дозы излучения в 0,05 мкГр/ч (5 мкР/ч), а повышение содержания до 2% обусловливает поле радиации на уровне 100 мкГр/ч (10 000 мкР/ч). Радиационный фон в угольных и других "неурановых" шахтах фиксируется на уровне 0,04 - 0,06 мкГр/ч (4 - 6 мкР/ч), но может достигать 0,27 - 2,97 мкГр/ч (27 - 297 мкР/ч). Кроме упомянутых выше радиоактивных семейств урана и тория, концентрация которых в земной коре повышена (2,5 • 10^-4 и 1,3 • 10 ³% соответственно), высокой радиоактивностью отличаются породы, содержащие радиоактивный изотопа калия 40К, концентрация которого в земной коре составляет 0,025%.

Самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер (естественная радиоактивность) сопровождается испусканием в первую очередь альфа-частиц и, в меньшей степени, испусканием гамма-квантов. Радиоактивность тяжелых элементов с порядковым номером в таблице Менделеева, большим 82, сводится к последовательным превращениям одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными радиоактивными рядами или семействами тяжелых элементов являются ряды урана-238, урана-235, тория-232.У них период полураспада (T1/2), т.е. время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, составляет 4,5•10⁹; 7,13•10⁸; 1,39•10¹⁰ лет соответственно. Кроме радиоактивных семейств имеются одиночные радионуклиды, в которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений. Среди них наиболее распространен калий-40 (Т1/2=1,4•10⁹лет).

Проведем довольно простой расчет. Априорно примем, что концентрации радиоактивных элементов в поверхностных слоях земной коры, находящейся под площадью антарктического озера «Восток», соответствуют их среднему содержанию, т.е. 2,5 • 10^-4 для урана, 1,3 • 10^-3% для тория и 2,5 • 10^-2% для радиоактивного изотопа калия 40К. Примем, что только 10 сантиметров поверхностного слоя являются источником радиоактивного излучения, ввиду малой проникающей способности альфа-частиц. Это составит, с учетом площади антарктического озера «Восток», равной 15,5 тыс. км²,в частности, для урана 238U, следующее количество:

Объем 10 метрового слоя грунта под площадью антарктического озера «Восток», равен 10 * 15,5*10⁹м³ или 15,5*10¹⁰м³. Средняя плотность осадочных пород земной коры варьируется в пределах 1,8-4,0*10³кг/м³. Примем значение 2,5*10³ кг/м³ (чуть ниже плотности гранита, равной 2,6*10³ кг/м³). Таким образом, масса интересующей нас литосферной оболочки составит 38,75*10¹³кг. С учетом концентрации 2,5*10^-4 % для урана, это составит 9,6875*10⁸кг. Аналогично проведем расчет и для других радиоактивных элементов (см. табл.1).

Таблица 1 – Расчет количества элементарных актов самопроизвольного распада радиоактивных элементов

Радиоактивный элемент	Количество радиоактивных изотопов, т	Количество распавшихся радиоактивных изотопов за 10^7 лет, т	Количество элементарных актов самопроизвольного распада N
Уран (238U)	~ 968 750	~ 1500	37,957·10^27
Торий (232Th)	~ 5 037 500	~ 7800	198·10^27
Калий (40К)	~ 96 875 000	~ 150000	22,528·10^30
Всего	~ 1 028 81 200	~ 160000	~ 23·10^30

Расчет количества распавшихся радиоактивных изотопов за 10⁷ лет, т вынесем за скобки данной статьи, поскольку это осуществляется по известным уравнениям. Для каждого элемента T ½ является определенной и постоянной величиной и может служить его диагностическим признаком. В ядерной физике известна следующая формула /2/:

М_U= М_238U*е^{-0,693t/Т1/2}

Используя данную формулу, можно рассчитать количество распавшихся радиоактивных изотопов за 10⁷ лет(время существования ледового панциря Антарктиды). Это позволяет рассчитать, в свою очередь, количество элементарных актов самопроизвольного распада, предполагая, например, что при распадении 1 г урана (238U) будет происходить:

N_A =1* N_A/M_U = 2,5·10²¹,

гдеN_A– число Авогадро (6,022·10²¹ моль^-1 ); M_U- молярная масса 238U (грамм/моль).

Каждый элементарный акт самопроизвольного распада генерирует одну альфа-частицу, что в свою очередь, приводит к ионизации одной молекулы воды по рассмотренному выше механизму. Тогда за 10⁷ лет количество элементарных актов самопроизвольного распада неустойчивых атомных ядер будет составлять ~ 23·10³⁰ (см. Табл.1) , это в свою очередь соответствует ионизации количества воды, равного 3,81·10³⁰ молям или 68 747 тонн. Поскольку, как было показано выше, наиболее вероятный конечный продукт процесса ионизации воды в данных условиях – молекулярный кислород, то можно оценить его концентрацию в воде озера «Восток», учитывая примерный объем воды озера «Восток», равный 15,5*10¹¹м³. Весьма грубый расчет позволяет получить значение, превышающее концентрацию кислорода в водах Мирового океана в 3-4 раза (14 мг/т).

Необходимо указать, что поскольку мы в нашем умозрительном допущении не рассматриваем наличие жидкофазного контакта воды озера «Восток» с любыми внешними водами, то мы предполагаем ограниченность присутствия в этой среде любых видов углеродсодержащих или металлосодержащих компонентов. Это приводит к тому, что чрезвычайно высокая окислительная активность воды озера «Восток» не нейтрализуется реакциями образования карбонатов или оксидов. Такая среда оказывается чрезвычайно ядовитой для возможных биологических объектов.

Заключение.

1. Проведенные оценочные расчеты показали, что одним из основных источников повышенной концентрации кислорода в воде антарктического озера «Восток» является радиолиз воды в результате нормальной радиоактивности низлежащих горных пород.

2. Образующиеся ионы кислорода в водеозера «Восток» вследствие аномальной замкнутости данного объекта не нейтрализуются реакциями образования карбонатов или оксидов, что делает существование любых форм белковой жизни в подледном озера «Восток» чрезвычайно маловероятной.

Литература

1 Радиохимическая переработка ядерного топлива АЭС /Землянухин В. И., Ильенко Е. И., Кондратьев А. Н. и др. 2-е изд. ,перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 280 с.

2 Пикаев А. К., Кабакчи С. А., Макаров И. Е. Высокотемпературный радиолиз воды и водных растворов. М. :Энергоатомиздат, 1988. - 136 с.

3 Своллоу А. Радиационная химия. Пер. с англ. М. :Атомиздат, 1976. -280 с.

4 Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная техника и методы. М. : Наука, 1985. - 375 с.

5 Пикаев А. К. Современная радиационная химия. Радиолиз газов и жидкостей. М.: Наука, 1986. - 440 с.

6 Пикаев А. К. Современная радиационная химия. Твердое тело и полимеры. М.: Наука, 1987. - 448 с.

7 Шубин В. Н. , Кабакчи С. А. Теория и методы радиационной химии воды. М.: Наука, 1969. - 216 с.

8 Кабакчи С. А. , Пикаев А. К. Методы расчета газовыделения и оценки взрывоопасности радиационно-химических аппаратов с водяным теплоносителем или биологической защитой. М. :Энергоиздат, 1981. - 52 с.

9 Бяков В. М. , Ничипоров Ф. Г. Радиолиз воды в ядерных реакторах. М. :Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.