Летучие вещества представляют собой группу химических элементов и химических соединений , которые легко испаряются . В отличие от летучих веществ, элементы и соединения, которые трудно испаряются, известны как тугоплавкие вещества.
На планете Земля термин «летучие вещества» 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 , воду и другие.
Ученые-планетологи часто относят летучие вещества с исключительно низкой температурой плавления, такие как водород и гелий , к газам, тогда как летучие вещества с температурой плавления выше 100 К (–173 °C , –280 °F ) называют льдом. Термины «газ» и «лед» в этом контексте могут применяться к соединениям, которые могут быть твердыми, жидкими или газообразными. 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 по мере приближения к центру планеты. приближается. Внутри орбиты Юпитера кометная активность обусловлена сублимацией водяного льда. Сверхлетучие вещества, такие как CO и CO 2, вызвали кометную активность на расстоянии 25,8 а.е. (3,86 миллиарда километров). [1]
В магматической петрологии этот термин более конкретно относится к летучим компонентам магмы (в основном водяному пару и углекислому газу), которые влияют на внешний вид и взрывоопасность вулканов . Летучие вещества в магме с высокой вязкостью, обычно кислой с более высоким содержанием кремнезема (SiO 2 ), имеют тенденцию вызывать извержения, которые являются взрывными . Летучие вещества в магме с низкой вязкостью, как правило, в основной массе с более низким содержанием кремнезема, имеют тенденцию выходить в виде эффузивного извержения и могут привести к образованию фонтана лавы .
Некоторые извержения вулканов являются взрывоопасными из-за смешивания воды и магмы , достигающей поверхности, что приводит к внезапному высвобождению энергии. Однако в некоторых случаях извержение вызвано летучими веществами, растворенными в самой магме. [2] Приближаясь к поверхности, давление снижается и летучие вещества выходят из раствора, создавая пузырьки , которые циркулируют в жидкости . Пузыри соединяются вместе, образуя сеть. Это способствует дроблению на мелкие капли или распылению или коагуляции сгустков в газе . [2]
Обычно 95-99% магмы представляет собой жидкую породу. Однако небольшой процент присутствующего газа представляет собой очень большой объем , когда он расширяется при достижении атмосферного давления . Таким образом, газ играет важную роль в вулканической системе, поскольку он вызывает взрывные извержения. [2] Магма мантии и нижней коры имеет высокое содержание летучих. Вода и углекислый газ — не единственные летучие вещества, выделяемые вулканами ; другие летучие вещества включают сероводород и диоксид серы . Диоксид серы распространен в базальтовых и риолитовых породах. Вулканы также выделяют большое количество хлористого и фтористого водорода в виде летучих веществ. [2]
Есть три основных фактора, которые влияют на рассеивание летучих веществ в магме: всестороннее давление , состав магмы, температура магмы. Давление и состав являются наиболее важными параметрами. [2] Чтобы понять, как ведет себя магма, поднимаясь на поверхность, необходимо знать роль растворимости в магме. Для различных сочетаний магмы и летучих веществ был использован эмпирический закон . Например, для воды в магме уравнение n = 0,1078 P, где n — количество растворенного газа в весовых процентах (мас.%), P — давление в мегапаскалях (МПа), которое действует на магму. Значение меняется, например, для воды в риолите n = 0,4111 P и для углекислого газа n = 0,0023 P. Эти простые уравнения работают, если в магме есть только одно летучее вещество. Однако на самом деле ситуация не так проста, поскольку в магме часто содержится несколько летучих веществ. Это сложное химическое взаимодействие между различными летучими веществами. [2]
Упрощая, растворимость воды в риолите и базальте зависит от давления и глубины под поверхностью в отсутствие других летучих веществ. И базальт, и риолит теряют воду при уменьшении 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. [2] Если магма содержит меньше воды, чем максимально возможное количество, она недонасыщена водой. Обычно в глубоких слоях коры и мантии недостаточно воды и углекислого газа, поэтому в этих условиях магма часто бывает недостаточно насыщена . Магма становится насыщенной , когда достигает максимального количества воды, которое можно в ней растворить. Если магма продолжает подниматься на поверхность и растворяется больше воды, она становится перенасыщенной . Если в магме растворено больше воды, она может выбрасываться в виде пузырьков или водяного пара. Это происходит потому, что в процессе снижается давление и увеличивается скорость, и процесс также должен балансировать между уменьшением растворимости и давлением. [2] Если сравнить с растворимостью углекислого газа в магме, то она значительно меньше, чем в воде, и имеет тенденцию растворяться на большей глубине. В этом случае вода и углекислый газ считаются независимыми. [2] На поведение магматической системы влияет глубина, на которой выделяются углекислый газ и вода. Низкая растворимость углекислого газа означает, что он начинает выделять пузырьки еще до того, как достигнет магматического очага. Магма к этому моменту уже перенасыщена. Магма, обогащенная пузырьками углекислого газа, поднимается к кровле камеры и углекислый газ имеет тенденцию просачиваться через трещины в вышележащую кальдеру. [2] По сути, во время извержения магма теряет больше углекислого газа, чем вода, которая в очаге уже перенасыщена. В целом, вода является основным летучим веществом во время извержения. [2]
Зарождение пузырьков происходит, когда летучие вещества становятся насыщенными . На самом деле пузырьки состоят из молекул, которые имеют тенденцию спонтанно агрегировать в процессе, называемом гомогенной нуклеацией . Поверхностное натяжение действует на пузырьки, сжимая поверхность, и заставляет их вернуться в жидкость. [2] Процесс зарождения активнее, когда пространство для размещения нерегулярно и летучие молекулы могут ослабить эффект поверхностного натяжения. [2] Зарождение может происходить благодаря наличию твердых кристаллов , которые хранятся в магматическом очаге. Они являются идеальными потенциальными местами зарождения пузырьков. Если в магме нет зародышеобразования, образование пузырьков может появиться очень поздно, и магма станет значительно пересыщенной. Баланс между давлением пересыщения и радиусами пузырьков выражается уравнением: ∆P=2σ/r, где ∆P составляет 100 МПа, а σ — поверхностное натяжение. [2] Если зарождение начинается позже, когда магма очень перенасыщена, расстояние между пузырьками становится меньше. [2] По сути, если магма быстро поднимается на поверхность, система будет еще больше неравновесной и пересыщенной. Когда магма поднимается, возникает конкуренция между добавлением новых молекул к существующим и созданием новых. Расстояние между молекулами характеризует эффективность летучих веществ при агрегации в новом или существующем месте. Кристаллы внутри магмы могут определять, как пузырьки растут и зарождаются. [2]