Почему самые распространённые элементы во Вселенной так редки на Земле?

Вселенная состоит в основном из двух элементов: водорода и гелия. Эти элементы, образовавшиеся в огромных количествах во время Большого взрыва, составляют большую часть наблюдаемой материи в космосе. Однако на Земле они встречаются на удивление редко. Водород, хотя и присутствует в изобилии в виде воды, составляет лишь малую часть массы Земли. Что касается гелия, то он настолько редок, что был открыт только в XIX веке благодаря его спектральным линиям, наблюдавшимся во время солнечного затмения. Почему же эти элементы, столь обильные во Вселенной, так скудны на нашей планете?

Космическое происхождение водорода и гелия

Распространенность водорода и гелия относится к самым первым моментам после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад. В этот начальный период Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей и состояла в основном из супа кварков и глюонов. Когда эти кварки остыли, они объединились и образовали протоны и нейтроны — основные строительные блоки атомов.

В первые три минуты после Большого взрыва температура и давление были идеальными для ядерного синтеза — процесса, который привел к образованию легчайших атомных ядер. Водород, простейший элемент, производился в больших количествах. В то же время небольшая часть протонов и нейтронов слилась с образованием гелия.

Таким образом, большинство тяжелых элементов не образовалось на этой начальной стадии Большого взрыва. Они появились позже, в ядрах звезд. Это объясняется тем, что звезды действуют как ядерные печи, преобразуя водород в гелий путем ядерного синтеза в течение всей своей жизни. По мере старения звезд в них могут образовываться еще более тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и так далее вплоть до железа. Эти элементы затем рассеиваются по Вселенной при взрывах сверхновых, обогащая межзвездную среду материалами, из которых формируются будущие поколения звезд и планет.

Несмотря на эти превращения, большая часть барионной материи во Вселенной (то, что мы можем видеть) остается в виде водорода и гелия (около 74 % и 24 % соответственно). Этот дисбаланс объясняется простотой и стабильностью ядер водорода и гелия, которые сохранились на протяжении всей космической эволюции.

Парадокс нехватки на Земле

Несмотря на вселенское изобилие, водород и гелий — относительно редкие элементы на Земле (0,14% и 0,00052% земной коры по массе соответственно). Поначалу это может показаться парадоксальным, учитывая их распространенность во Вселенной, но это можно объяснить уникальными условиями, в которых формировалась и развивалась Земля.

Несмотря на то что водород является важнейшим компонентом воды, в свободном виде он на Земле встречается редко. Главная причина в том, что молекулярный водород (H₂) — очень легкий газ, способный легко улетучиваться из земной атмосферы. Гравитация нашей планеты не настолько сильна, чтобы удерживать этот легкий газ в течение длительного времени. Водород же легко связывается с другими элементами, образуя воду (H₂O) и различные органические соединения, что способствует его присутствию в окружающей среде Земли.

Что касается гелия, то его редкость еще более заметна. Будучи благородным газом, он не вступает в химическое взаимодействие с другими элементами, а значит, не задерживается в земных соединениях. Более того, как и у водорода, его низкая атомная масса позволяет ему легко выходить из атмосферы Земли. Большая часть гелия, обнаруженного на Земле, образуется в результате радиоактивного распада некоторых тяжелых элементов в недрах планеты, а не из первоначального протопланетного диска.

Другими словами, если газовые планеты-гиганты, такие, как Юпитер, сохранили большую часть водорода и гелия из протопланетного диска, из которого они произошли, благодаря своим огромным размерам и сильной гравитации, то Земля, которая меньше и ближе к Солнцу, потеряла большую часть этих легких элементов.