Летучие - Volatiles

Для использования в других целях, см Неустойчивый (значения) .

Летучие вещества - это группа химических элементов и химических соединений, которые легко испаряются . В отличие от летучих веществ, элементы и соединения, которые не испаряются легко, известны как тугоплавкие вещества.

На планете Земля термин «летучие» часто относится к летучим компонентам магмы . В астрогеологии летучие вещества исследуются в коре или атмосфере планеты или луны. Летучие вещества включают азот , диоксид углерода , аммиак , водород , метан , диоксид серы и другие.

Планетарная наука

Ученые-планетологи часто классифицируют летучие вещества с исключительно низкими температурами плавления, такие как водород и гелий , как газы (как в газовом гиганте ), тогда как летучие вещества с температурой плавления выше примерно 100  K (–173 ° C , –280 ° F ) относятся к категории газов. как лед . Термины «газ» и «лед» в этом контексте могут применяться к соединениям, которые могут быть твердыми, жидкостями или газами. Таким образом, Юпитер и Сатурн - газовые гиганты, а Уран и Нептун - ледяные гиганты , хотя подавляющее большинство «газа» и «льда» в их недрах представляет собой горячую, очень плотную жидкость, которая становится плотнее в центре планеты. приближается. Внутри орбиты Юпитера кометная активность обусловлена сублимацией водяного льда. Суперлетучие вещества, такие как CO и CO 2 , вызвали кометную активность на расстоянии до 25,8 а.е. (3,86 миллиарда км).

Магматическая петрология

В петрологии извержений этот термин более конкретно относится к летучим компонентам магмы (в основном, водяному пару и двуокиси углерода), которые влияют на внешний вид и взрывоопасность вулканов . Летучие вещества в магме с высокой вязкостью, обычно кислые с более высоким содержанием кремнезема (SiO 2 ), имеют тенденцию вызывать взрывоопасные извержения. Летучие вещества в магме с низкой вязкостью, обычно основные с более низким содержанием кремнезема, имеют тенденцию выделяться и могут дать начало фонтану лавы .

Летучие вещества в магме

Некоторые извержения вулканов являются взрывоопасными, потому что смешивание воды и магмы, достигающей поверхности, внезапно высвобождает энергию. Более того, в некоторых случаях извержение вызвано летучими веществами, растворенными в магме. При приближении к поверхности давление уменьшается, и летучие вещества выделяются, образуя пузырьки, которые циркулируют в жидкости . Пузыри соединены вместе, образуя сеть. Это особенно увеличивает фрагментацию на мелкие капли или спрей или коагулировать сгустки в газе .

Как правило, 95-99% магмы составляют жидкие породы. Однако небольшой процент присутствующего газа представляет собой очень большой объем, когда он расширяется при достижении атмосферного давления . Газ - преобладающая часть в системе вулканов, потому что он вызывает взрывные извержения. Магма в мантии и нижней коре содержит много летучих веществ, а вода и углекислый газ - не единственные летучие вещества, выделяемые вулканами . Также они пропускают сероводород и диоксид серы . Диоксид серы обычно можно найти в базальтовых и риолитовых породах. Вулканы также выделяют большое количество хлороводорода и фтороводорода в виде летучих веществ.

Растворимость летучих веществ

Есть три основных фактора, которые влияют на дисперсию летучих веществ в магме: ограничивающее давление , состав магмы, температура магмы. Давление и состав - важнейшие параметры. Чтобы понять, как ведет себя магма, поднимаясь на поверхность, необходимо знать роль растворимости в магме. Для различных комбинаций магмы и летучих веществ использовался эмпирический закон . Например, для воды в магме уравнение n = 0,1078 P, где n - количество растворенного газа в процентах по массе (мас.%), P - давление в мегапаскалях (МПа), которое действует на магму. Значение изменяется, например, для воды в риолите, где n = 0,4111 P, а для углекислого газа n = 0,0023 P. Эти простые уравнения работают, если в магме есть только один летучий. Однако на самом деле ситуация не так проста, потому что в магме часто бывает несколько летучих веществ. Это сложное химическое взаимодействие между различными летучими веществами.

Проще говоря, растворимость воды в риолите и базальте является функцией давления и глубины под поверхностью в отсутствие других летучих веществ. И базальт, и риолит теряют воду с понижением давления по мере подъема магмы на поверхность. Растворимость воды в риолите выше, чем в базальтовой магме. Знание растворимости позволяет определить максимальное количество воды, которое может быть растворено в зависимости от давления. Если магма содержит меньше воды, чем максимально возможное количество, она недонасыщена водой. Обычно в глубокой коре и мантии недостаточно воды и углекислого газа, поэтому магма часто бывает недосыщенной в этих условиях. Магма становится насыщенной, когда достигает максимального количества воды, которое может быть растворено в ней. Если магма продолжает подниматься на поверхность и растворяется больше воды, она становится перенасыщенной . Если в магме растворяется больше воды, она может быть выброшена в виде пузырьков или водяного пара. Это происходит из-за того, что в процессе уменьшается давление и увеличивается скорость, и в процессе также необходимо балансировать между уменьшением растворимости и давлением. По сравнению с растворимостью углекислого газа в магме, она значительно меньше, чем вода, и имеет тенденцию растворяться на большей глубине. В этом случае вода и углекислый газ считаются независимыми. На поведение магматической системы влияет глубина выброса углекислого газа и воды. Низкая растворимость углекислого газа означает, что он начинает выделять пузырьки еще до того, как достигнет магматического очага. К этому моменту магма уже пересыщена. Магма, обогащенная пузырьками углекислого газа, поднимается на крышу камеры, и углекислый газ имеет тенденцию просачиваться через трещины в вышележащую кальдеру. В основном при извержении магма теряет больше углекислого газа, чем воды, которая в очаге уже перенасыщена. В целом вода является основной летучей во время извержения.

Зарождение пузырьков

Зарождение пузырьков происходит, когда летучие вещества насыщаются . На самом деле пузырьки состоят из молекул, которые стремятся спонтанно агрегировать в процессе, называемом гомогенным зародышеобразованием . Поверхностное натяжение действует на пузырьки сокращающихся поверхности и силы их обратно в жидкость. Процесс зародышеобразования сильнее, когда пространство для размещения нерегулярно, и летучие молекулы могут ослабить эффект поверхностного натяжения. Зарождение может происходить благодаря наличию твердых кристаллов , которые хранятся в магматическом очаге. Они являются идеальными потенциальными центрами зарождения пузырьков. Если в магме нет зародышеобразования, пузырьки могут появиться очень поздно, и магма станет значительно перенасыщенной. Баланс между давлением пересыщения и радиусами пузырька выражается этим уравнением: ∆P = 2σ / r, где ∆P равно 100 МПа, а σ - поверхностное натяжение. Если зарождение начинается позже, когда магма сильно пересыщена, расстояние между пузырьками становится меньше. По сути, если магма быстро поднимается на поверхность, система будет больше не равновесной и перенасыщенной. Когда магма поднимается, возникает конкуренция между добавлением новых молекул к существующим и созданием новых. Расстояние между молекулами характеризует эффективность агрегирования летучих веществ на новом или существующем сайте. Кристаллы внутри магмы могут определять, как пузырьки растут и зарождаются.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки