Brīnumainā gāzu pasaule

Visumu ieskauj milzīgi gāzu un putekļu mākoņi – miglāji. Te dzimst zvaigznes. Smaguma spēka iedarbībā gāze un putekļi savienojas molekulās, kas griežas ap savu asi un kļūst arvien blīvākas. No šī materiāla var izveidoties planētas. Tieši tā pirms pieciem miljardiem gadu radās mūsu Saules sistēma.

Mēs dzīvojam okeāna dibenā – šis okeāns ir dzīvību nesošais gaiss.

Uz brīdi pagriezīsim pulksteni četrus miljardus gadu atpakaļ, kad Zeme bija līdz sarkankvēlei nokaitēta planēta. Karsta planēta, kas riņķo pa orbītu ap vienu no zvaigznēm, kas kopš tā laika ir nosaukta par Sauli. Jaunās planētas virsma ir sākusi sacietēt, un to ieskauj plāns gaisa slānis. Tas ir tādēļ, ka Zeme ir tik smaga, ka tās smaguma spēks spēj noturēt atmosfēru, – ne visām planētām ir tā paveicies.

Augsta tīrības pakāpe

Daudzās laboratorijās un atsevišķās rūpniecības nozarēs ir nepieciešamas gāzes ar augstu tīrības pakāpi, un, starp citu, var saražot gāzi, kur starp miljons gāzes molekulām ir tikai viena “svešas izcelsmes” molekula. To raksturo ar ppm (parts per million – daļas uz miljonu).

Toreiz, pasaules pirmsākumos, radās ļoti neparasta planēta. Piemēram, tās nokaitētais dzelzs kodols nodrošināja spēcīgu magnētisko lauku, tāpēc planētas atmosfēra ir labi aizsargāta no pastāvīgajiem Saules elektronu uzlidojumiem jeb tā sauktajām Saules vētrām. Elektroni ietriecas Zemes atmosfērā ar ātrumu 1600 km sekundē. Magnētiskais lauks atvaira Saules vētru un novirza to uz Zemes poliem, kur uzlidojums pamazām norimst un pārtop par skaisto ziemeļblāzmu. Saules vētra var nodarīt lielus postījumus planētām, kurām nav magnētiskā lauka. Atmosfēra tiek aizpūsta no planētas un izkliedēta kosmosā.

Pirmsākumos Zemes atmosfēra nebija tāda, kādu mēs to pazīstam šodien. Tā sastāvēja no 99% slāpekļa un mazāk nekā 1% skābekļa. Tikai rodoties dzīvībai, viss sāka mainīties. Augi ir bijusi unikāla Zemes iezīme miljoniem gadu, un tie ražo lielu daudzumu skābekļa. Acīmredzot kādā brīdī skābekļa īpatsvars atmosfērā sasniedza 35%; tas ir ievērojami vairāk nekā mūsdienu rādītājs – 21%. Parādoties dzīvniekiem, radās jauna mijiedarbība un līdzsvars: dzīvnieki patērēja skābekli un apmaiņā pret to apgādāja augus ar oglekļa dioksīdu.

Gaiss, ko mēs elpojam

Gaiss, ko mēs elpojam, pārsvarā sastāv no slāpekļa. Precīzāk sakot, tas veido 78,09% gaisa blīvuma. Tam seko skābeklis (20,95%), argons (0,93%; inerta gāze) un oglekļa dioksīds (tikai 0,03%). Gaiss satur arī ļoti niecīgu daudzumu citu gāzu, piemēram, neonu, hēliju un kriptonu.

Cik blīva ir Zemes atmosfēra? Neviens nevar precīzi atbildēt uz šo jautājumu, jo, attālinoties no Zemes, atmosfēra kļūst arvien retinātāka – tai nav skaidri noteiktas robežas.

Zemes rādiuss ir 6370 km. Salīdzinājumā ar to atmosfēras slānis ir ļoti plāns, un 99,999% gaisa atrodas mazāk nekā 100 kilometru augstumā. Ja jūs lidojat ar standarta komerclidmašīnu 10 kilometru augstumā, 80% atmosfēras atrodas zem jums. Astronauti teiktu, ka Zemes atmosfēra atgādina plānu ādas slāni. Tas ir plāns un skaists.

Mēs dzīvojam atmosfēras apakšējā slānī, un kādu dienu debesis mums šķiet dzidri zilas, bet citu – pelēkas un apmākušās. Pat no šī skatu punkta Zemes atmosfēra ir satriecoša – tā ir tik caurspīdīga, ka līdz gaisa jūras dzīlēm jeb līdz mums spēj nokļūt milzīgs daudzums dzīvību nesošas gaismas. Parasti jūras dzelmē pārsimt metru dziļumā neiekļūst ne gaismas stariņš.

Gāze

Daudzi uzskata, ka gāze ir dabasgāze, sadzīves gāze vai propāna gāze – tās ir gāzes, ko izmanto tikai kā kurināmos elementus. Patiesībā vārds “gāze” raksturo tikai vielas stāvokli jeb vielu, kas atrodas gāzveida stāvoklī.

Taču, lai gan gaisma šķiet neredzama, tā tomēr tur ir un atrodas gandrīz nepārtrauktā kustībā. Un tā sver daudz vairāk, nekā varētu domāt. Viens kubikmetrs sver aptuveni 1,2 kg. Tādēļ vidusmēra dzīvojamā istabā ir aptuveni 60 kg gaisa.

Mēs katru dienu lietojam vārdu “gaiss”. Savukārt tehniskajiem speciālistiem uz to ir cits skatījums: viņu pasaulē gaiss sastāv no vairākām gāzēm. Termins “gāzes” galvenokārt tiek attiecināts uz gāzveida vielām, kas radušās uz Zemes virsmas pastāvošo apstākļu iedarbībā. Visām vielām ir trīs stāvokļi: ciets, šķidrs vai gāzveida. Piemēram, ūdens ir sastopams kā ledus, šķidrums un neredzami tvaiki atmosfērā.

Tas, ka parasts gaiss var pārvērsties šķidrumā, daudziem šķiet īsts brīnums. Taču, pareizi izmantojot fizikas likumus, kas attiecas uz gāzēm, gaisu var atdzesēt līdz tādai pakāpei, ka tas pārvēršas par šķidrumu. Bet tas vēl nav viss: gaisu var sadalīt tā gāzveida sastāvdaļās, jo tās pārvēršas šķidrumā atšķirīgās temperatūrās. Un tieši tik vienkārši no zila gaisa var uzburt tādas gāzes kā skābekli, slāpekli un argonu.

Zvaigznes – galaktikas “gāzes ražotnes”

Pretēji vispārpieņemtam uzskatam visuma masu galvenokārt veido nevis zvaigznes un planētas, bet gan gāzes, kas aizpilda kosmosa telpu starp zvaigznēm un galaktikām. Sākotnēji visuma masu veidoja 80% ūdeņraža un 18% hēlija. Smagākie uz Zemes pazīstamie elementi veidoja mazāk nekā 2%. Praksē tas nozīmē, ka ikreiz, kad kosmosā izveidojas 10 vidēju atomu kopa, 9 no tiem ir ūdeņraža atomi. No tā arī cēlies nosaukums “visuma būvelementi”.

Ūdeņraža mākoņi ir izplatīta parādība plašajā debesu jumā un ir dabīga zvaigznes mūža sastāvdaļa. Mazākas zvaigznes var nodzīvot līdz 10 miljardiem gadu, savukārt lielās zvaigznes izdeg ātrāk un dzīvo tikai dažus miljonus gadu. Ņemot vērā, ka visums ir aptuveni 15 miljardus gadu vecs, varētu secināt, ka zvaigznēm būtu jābūt sen izdegušām un debesīm – piķa melnām. Taču, par laimi, debesīs rodas arvien jaunas zvaigznes, vecās iet bojā, un gāzes mākoņi starp šīm zvaigznēm ir šī procesa sastāvdaļa.

Zvaigznes rodas, gāzes mākoņiem sabrūkot sava smaguma spēka iedarbībā. Tas rada koncentrētus gāzes sabiezējumus, kas kļūst arvien blīvāki un līdz ar to – arvien karstāki. Kad to kodoli sasniedz pietiekami augstu temperatūru (>1 milj. °C), to iekšienē notiek sintēze, kuras laikā divi ūdeņraža kodoli rada hēliju – gluži kā ūdeņraža bumbā.

Šo agresīvo procesu rezultātā mākonis var sabrukt, taču tā smaguma spēks notur to esošajā stāvoklī. Ja mākonī atsākas sabrukšana, temperatūra kodolā paaugstinās un kodolprocesi kļūst intensīvāki. Tas izraisa zvaigznes augšanu, kā rezultātā temperatūra un kodolprocesu intensitāte samazinās. Turpmākajā zvaigznes mūžā kodola temperatūra būs pietiekami augsta, lai nodrošinātu hēlija atomu un hēlija un dzelzs sintēzi. Līdzīgi supernovas zvaigznēs veidojas skābeklis un slāpeklis.

Ikreiz, kad zvaigzne ieiet jaunā attīstības posmā un ar laiku iet bojā, tās gāzes izplatās kosmosā, kur tās izveido jaunas zvaigznes. Tas nozīmē, ka zvaigznes var uzskatīt par galaktikas “gāzes ražotnēm”: tās saražo smagākos elementus, kas ir pastāvīgo planētu galvenais būvelements un nodrošina dzīvību, piemēram, uz Zemes. Tādējādi nākamā zvaigžņu populācija ietvers vairākus smagos elementus, kas zvaigžņu veidošanās procesā “aizrotēs” līdz tādai zvaigznei kā Saule, kur pirms 5 miljardiem gadu, veidojoties Saules sistēmai, radās tādas iekšējās planētas kā Merkūrs, Venēra, Zeme un Marss.

Teksts: Henrik Rosenørn
Foto: Linde un Astronomibladet(DK)