19. Для гелия приходится с этим считаться, так как в представлениях о нем получило широкое распространение построение Муре и Лепапа, указывавших, что гелия слишком много в земной коре по сравнению с тем радиоактивным распадом, которым он образуется, и что неизбежно допустить существование избыточного гелия, который Муре относил к космическому гелию – остатку газовой фазы в истории нашей планеты. Но теперь ясно после 20 лет работы, что гелия вообще в земной коре много больше, чем думали Муре и Лепап, и что по сравнению с неизбежностью его образования радиоактивным распадом учитываемое его количество скорее слишком мало[171].

А главное то, что химический характер атмосферы нашей планеты явно указывает, что она никакого отношения к гипотетической газовой фазе догеологической Земли (если таковая фаза даже была) иметь не может. Подобно тому, что мы имеем для земной коры вообще и в земной атмосфере при ее изучении можно оставить в стороне космогонические представления. Они только путают. Мы здесь можем стоять на более прочной почве.

Недавние определения состава газов стратосферы явно показали, что отношения между азотом и кислородом в ней регулируются иными законами, чем те, которые бы существовали, если бы газовая оболочка в основных чертах определялась законами всемирного тяготения[172].

Исходя из этих соображений, посмотрим, что должно делаться с гелием в земной коре.

Гелий непрерывно образуется в земной коре как известным нам радиоактивным распадом элементов U-, Th-, AcU-, Sm-рядов, так и другими, еще неизвестными. Атом земного гелия – это остановившаяся в своем взрывчатом состоянии, перешедшая в нормальное газовое состояние α-частица. Число атомов гелия в земной коре постоянно растет. Он быстро образуется из α-частиц – так быстро, что мы можем с длением перехода его в нормальное газовое состояние совсем не считаться.

Атомов гелия в земной коре в пределе столько, сколько в ней в течение геологического времени выделилось α-частиц, за вычетом возможного, но недоказанного ухода их за пределы планеты. Это положение, в такой форме мне кажется верное, указывает, почему он может быть мерой шедшего радиоактивного процесса, связанного с α-излучениями.

Но гелий не только создавался в древние геологические периоды – он непрерывно создается и теперь, постоянно нарастая в веществе нашей планеты.

Так как радиоактивные элементы неравномерно распределены в земной коре, образуя даже радиоактивные руды и в разных концентрациях наблюдаясь в разных земных породах, можно ждать, что выделение гелия в атмосферу будет идти с различной интенсивностью в разных участках земной коры и в разные времена года. Нельзя ли его измерением в атмосферах следить за ходом радиоактивного распада вещества планеты, связанного с α-излучением, за гелиевым дыханием планеты, если можно так образно выразиться?

И есть ли такое гелиевое дыхание? И если нет, то почему? Мы знаем, что радиоактивный распад идет сильнее в биосфере, чем в глубоких частях земной коры благодаря концентрации в ней атомов U, Th, AcU. Здесь мы имеем максимальные выделения гелия в нашей планете.

20. Для других газовых продуктов распада мы имеем это выделение в земную атмосферу резко выраженным – для радона и его изотопов.

Мы знаем, что им создается в значительной мере (на две трети) огромное планетное явление – электрическое поле Земли, ионизации атмосферы, тропосферы главным образом.

Гелий – газ того же генезиса, того же процесса.

Он не может не отражаться в атмосфере. Отличие гелия от эманаций прежде всего в том, что в то время как эманации быстро переходят в твердую пыль и превращаются в конце концов в свинец, находящийся в рассеянном состоянии, гелий представляет химический элемент, практически и геологически вечный, да к тому же еще остающийся в нашей планете в газообразном состоянии и не дающий, поскольку известно, никаких химических соединений.

Он по отношению к атмосфере должен быть в том же положении, в каком находятся и эманации.

Но есть определенные свойства гелия, которые делают его нахождение в атмосфере еще более вероятным и, мне кажется, еще более важным для тщательного изучения. Атом гелия есть окончательная стадия α-излучения. Где же он находится в земной коре?

Сегодня я скажу еще несколько слов об этом, говоря о работе проф. В. И. Баранова, производимой здесь, в Москве, в Московском отделении Радиевого института. На основании его первых фотографий можно сделать заключение, что гелий, конечная точка пробега α-частицы, остается в горных породах, то есть из породы не выходит[173].

21. Можно утверждать, что главная часть гелия находится в рассеянном состоянии в литосфере, в твердых алюмосиликатах и силикатах, проникая всю их массу и отражая этим рассеянное состояние радиоактивных элементов, столь для них характерное.

Это представление подтвердилось еще с другой стороны. Несколько лет назад проф. Панет, тогда в Кенигсберге, теперь в Лондоне, чрезвычайно уточнил методику определения гелия и попытался определить геологическое время существования метеоритов. Он в основу положил представление, что гелий в них остается[174]. Он получил «возраст» метеоритов в предельном случае до трех миллиардов лет. Мы в Радиевом институте в числе методик для определения геологического возраста вводим методику Панета. Прибор, по этому принципу построенный (с изменениями) проф. В. Г. Хлопиным и Э. К. Герлингом, дает возможность точно измерять количество гелия, равное 10^–6 см³. Панет мог измерять до 10^–9 см³.

Из измерений Панета совершенно ясно, что гелий в течение десятков тысяч декамириад и тех резких разнообразных изменений, которым подвергались изученные Панетом метеориты, остался в них. Вся система даже в геологическом аспекте времени в частях, отдаленных от поверхности, оставалась химически неизмененной (ср. § 16).

По-видимому, в соответственном масштабе необходимо признать это и для литосферы. В ней гелий главным образом должен находиться в рассеянном состоянии в твердом веществе. То же самое должно быть допущено и для радиоактивных эманаций, но они в твердой форме сохраняются в литосфере, в конце концов, в форме рассеянных атомов свинца.

В этой форме хотя и находится большая часть атомов создающегося гелия, но далеко не вся. Рассеянный гелий для твердых пород не имеет практического значения.

Остальная часть гелия находится в трех состояниях: 1) в земной атмосфере – в тропосфере, 2) в подземных атмосферах и 3) в водном газовом растворе в тех разнообразных формах водных растворов, которые проникают всю литосферу.

Чрезвычайно характерно для гелия, что он является наименее растворимым в воде из всех нам известных газов. В водных природных растворах концентрация гелия из того рассеянного состояния, в каком он находится в твердой среде, где главная масса его зарождается, наблюдаться вследствие этого не может.

Концентрация гелия может наблюдаться только в подземных атмосферах, в газовых скоплениях земной коры, в определенных случаях. Мы знаем сейчас, что в разных формах этих газовых подземных атмосфер находится очень разнообразное количество гелия. Здесь местами идет очень большая концентрация; в газоносных осадочных и обломочных породах известны концентрации, превышающие 8 % по объему гелия в подземной атмосфере.

Законы этих концентраций неизвестны, и распределение гелия в подземных атмосферах, приводящее к концентрациям, динамический процесс, с этим связанный, не изучен.

Он, очевидно, так или иначе связан с распределением радиоактивного распада в земной коре.

22. Совершенно необходимо, в частности для того, чтобы не искать ощупью нужных гелиевых месторождений, имеющих большое практическое значение сейчас для воздухоплавания, а затем, несомненно, и для других целей, так как свойства гелия во многом представляют своеобразные особенности, важные в человеческом быту и культуре, поставить систематическое изучение концентраций гелия в верхних участках земной коры, в тропосфере, в почвенной, подпочвенной атмосферах до уровня верховодок. Верховодки, может быть, не являются препятствием для гелия; он или будет проходить через них свободно, или будет скапливаться под ними. Было бы важно это систематически выяснить.