چرا رایج‌ترین عناصر جهان روی زمین کمیاب هستند؟

بر اساس بهترین تخمین ها، بیشتر کیهان از ماده و انرژی تاریک تشکیل شده است که هیچ یک از آنها روی زمین شناسایی نشده است. حتی ماده باریونی که ما گاهی آن را جهان مرئی می نامیم، سه چهارم هیدروژن و 23 درصد هلیوم است.

به گزارش سرگرمی روز، اما ترکیب زمین کاملاً متفاوت است، بنابراین هلیوم یکی از کمیاب ترین عناصر روی زمین محسوب می شود و هیدروژن تنها کسری از یک درصد پوسته زمین و مقدار کمی از زمین را تشکیل می دهد.

نقطه شروع

در مقیاس جهانی، هیدروژن به وفور یافت می شود زیرا بیشتر آن در طول انفجار بزرگ شکل گرفته است. در اولین لحظات تولد، جهان ترکیبی آشفته از کوارک ها و گلوئون ها بود. هنگامی که همه چیز ثابت شد، بیشتر مواد قابل مشاهده از الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها همراه با ذرات زیراتمی عجیب تشکیل شده بود.

در نهایت الکترون ها و پروتون ها یکدیگر را پیدا کردند تا هیدروژن را تشکیل دهند. در این فرآیند مقدار کمی هلیوم و لیتیوم تولید شد.

بیشتر لیتیوم اولیه در ستارگان از بین رفت، اما همان ستاره ها در فرآیند همجوشی، هیدروژن را به لیتیوم تبدیل کردند. با این حال، اگر جهان را به ماشینی برای تبدیل هیدروژن به عناصر دیگر تشبیه کنیم، باید بگوییم که این جهان هنوز جوان است و راه زیادی در پیش دارد.

هیدروژن یکی از رایج ترین عناصر در جهان است

اما اگر فقط به زمین نگاه کنیم، فرآیند تبدیل عناصر تقریباً کامل شده است. اقیانوس ها از دو هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده اند و البته حاوی سدیم، کلر و عناصر تشکیل دهنده نمک هستند. برخی از عناصر در سنگ ها قفل شده و به مولکول های کربن مانند متان در جو متصل هستند. با این حال، هیدروژن اتمی زیادی روی زمین وجود ندارد.

مقدار هلیوم روی زمین حتی کمتر از هیدروژن است. بنابراین تا زمان مشاهده خطوط طیفی آن در طی یک خورشید گرفتگی، هیچ کس اثری از این عنصر روی زمین ندیده بود.

زمین، مانند تمام سیارات، از یک قرص پیش سیاره ای تشکیل شده است. این دیسک حاصل هیدروژن و هلیوم در دوران بیگ بنگ و برخی عناصر سنگین دیگر است که در نسل اول ستارگان ایجاد شد و پس از مرگ این اجرام سنگین در انفجارهای ابرنواختری و کیلونووا در سراسر جهان پخش شد.

خورشید و سیارات غول گازی در بیرونی منظومه شمسی ترکیبی نزدیک به قرص اولیه پیش سیاره ای دارند. اگرچه بسیاری از هیدروژن اصلی خورشید امروز به هلیوم تبدیل شده است. با این حال، زمین و سایر سیارات درونی منظومه شمسی ترکیب متفاوتی دارند.

موارد دیگر کجا هستند؟

هیدروژن و هلیوم علاوه بر فراوانی در جهان، گازهای بسیار سبکی هستند. به همین دلیل به راحتی از گرانش زمین فرار می کنند.

سیاره بزرگتری مانند مشتری به دلیل گرانش قوی خود دارای مقدار زیادی از این گازها است. اما زمین آنقدر بزرگ نیست که این گازها را به دام بیندازد. همچنین فاصله زمین و خورشید نسبت به سایر غول های گازی کمتر است. به همین دلیل گازها داغتر می شوند و انرژی لازم برای فرار را می گیرند.

هلیوم گازی سبک و نجیب است و به همین دلیل یافتن آن در زمین دشوار است

یکی دیگر از دلایل نادر بودن هلیوم، قرار گرفتن آن در گروه گازهای نجیب است. این گاز تقریباً هرگز با اتم های دیگر واکنش نمی دهد. اکثر دانشمندان سیاره‌شناسی تردید دارند که هلیوم اصلی از قرص پیش سیاره‌ای امروز در زمین زنده بماند، اگرچه یک فرضیه نشان می‌دهد که ممکن است مقدار کمی از این گاز هنوز در زمین وجود داشته باشد.

هلیمی که امروز روی زمین می بینیم در واقع نتیجه تجزیه رادیواکتیو عناصر سنگین تر است. یک نوع متداول واپاشی تولید ذرات آلفا است که دو پروتون و دو نوترون آن با هسته اتم هلیوم 4 یکسان هستند. وقتی ذرات آلفا آزاد می شوند، می توانند الکترون های محیط را جذب کرده و تبدیل به هلیوم شوند.

وقتی به زمین نگاه می کنید، بیشتر چیزی که می بینید آب است، دو سوم اتم های آن هیدروژن هستند، اما این عنصر تنها بخش کوچکی از سیاره را تشکیل می دهد.

اگر اتم هلیوم در نزدیکی سطح زمین آزاد شود، می تواند به جو رفته و سپس وارد فضا شود. با این حال، هلیوم تولید شده توسط فعالیت های رادیواکتیو زیرزمینی می تواند در حفره های موجود در زمین به دام بیفتد.

اگرچه هلیوم اغلب با بادکنک های تولد همراه است، اما کاربردهای مهم دیگری مانند خنک کردن تجهیزات علمی و دستگاه های MRI در دماهای بسیار پایین دارد. ذخایر هلیوم با حفاری در محیط های باستانی که در آن هلیوم میلیون ها سال پیش انباشته شده بود، به دست می آیند.

این فضاها همچنین حاوی گازهای فراوان تری هستند و بیشتر ذخایر هلیوم در واقع در حین حفاری متان جمع آوری می شوند. با این حال، با دور شدن جهان از سوخت‌های فسیلی، منابع متراکم‌تر هلیوم در اولویت قرار خواهند گرفت.

هیدروژن در زمین بیشتر از هلیوم رایج است زیرا با عناصر زیادی مانند اکسیژن ترکیب می شود. یک مولکول بخار آب 9 برابر سنگین تر از یک مولکول هیدروژن (H2) است و این ویژگی توانایی آن را برای فرار کاهش می دهد.

با این حال، بسیاری از هیدروژن موجود در سیارک‌هایی که با هم ترکیب شدند و زمین را تشکیل دادند، مدت‌هاست که فرار کرده است. به خصوص که برخوردهای گذشته سیاره ما را به دریایی از ماگما تبدیل کرده است.

بر اساس یک بحث طولانی مدت، ممکن است مقداری هیدروژن از تشکیل سیاره زمین وجود داشته باشد که در اعماق گوشته در آب های زمین زنده مانده است. طبق فرضیه دیگری، زمین ممکن است در گذشته خشک شده باشد، قبل از اینکه توسط هیدروژن موجود در دنباله دارها و سیارک ها دوباره پر شود.

صرف نظر از اینکه کدام دیدگاه صحیح است، زمین خوش شانس است که هیدروژن کافی در آن وجود دارد. ماه و سایر سیارات درونی منظومه شمسی هیدروژن کمتری دارند. این اجسام بسیاری از گاز هیدروژن خود را در فرآیندهای مشابه زمین از دست دادند و گرانش کمی برای جلوگیری از این اتفاق داشتند.