Крис Терни - Кости, скалы и звезды. Наука о том, когда что произошло

Открытие радиоактивности повлекло за собой обнаружение еще целого ряда новых химических элементов в начале XX в. К урану (открытому в 1789 г.) добавились радий, полоний, радон и торий. Может быть, с их помощью удастся установить возраст Земли? В 1907 г. Резерфорд выдвинул гипотезу, что газ гелий является побочным продуктом радиоактивного распада, — и год спустя она подтвердилась. Если предположить, что гелий после образования удерживается в горной породе и что скорость его образования поддается учету, можно вычислить время остывания и затвердевания породы (тот же принцип, что в калиево- и аргонно-аргоновом методах).

Резерфорд проверил это предположение на практике. Нагрев кусок минерала под названием торианит, он собрал выделившийся гелий и подсчитал, что данный образец должен был сформироваться по меньшей мере 500 млн лет назад. Теория Кельвина была разбита в пух и прах. А ведь Резерфорд взял не самый древний образец камня, так что возраст получился минимальным.

Со временем физики установили целую серию различных элементов, образующихся при распаде урана, — так называемую «цепочку распада». Важно отметить, что единственным известным тогда изотопом урана был 238U, чей период полураспада равнялся 4,5 млрд лет. Наконец у ученых появилась машина времени, способная перенести их к заре времен. Геологи обрели способ определить возраст Земли.

До сих пор я старался избегать научных определений изотопов — с непривычки они могут показаться тяжеловатыми. Однако теперь мы вплотную подошли к тому моменту, когда без них не обойтись, иначе будет непонятно, как все-таки определили возраст Земли. Дальше разные изотопы одних и тех же элементов пойдут сплошным потоком, поэтому будьте внимательны, не перепутайте. Следите за верхними индексами перед всеми нашими U и Pb. А я постараюсь свести их количество к минимуму.

В 1905 г. американский ученый Бертрам Болтвуд выяснил, что конечным продуктом цепочки распада урана является свинец. И у него возникла идея нового способа датировки горных пород. К 1906 г. Болтвуд раздобыл 26 образцов различных горных пород, которые намеревался датировать ураново-свинцовым методом.

Метод основывается на том, что по мере прохождения атомом цепочки распада радиоактивный распад принимает разные формы. Переход атомов из одной формы в другую сопровождается выбросом гелия, электронов или других форм энергии, и в конечном итоге появляется стабильный изотоп свинца — 206Pb. Исходя из того, что изначально, при кристаллизации минералов, в образцах свинец не содержался, Болтвуд, измерив соотношение между ураном и свинцом, подсчитал, что данные куски породы образовались около 570 млн лет назад. Теперь минимальный возраст Земли, определенный Резерфордом, уже не казался таким нелепым.

Доводить дело до конца — причем почти в одиночку — и вычислять возраст Земли с помощью радиоактивных изотопов выпало британскому геологу Артуру Холмсу. Начиная с 1911 г. он работал над определением возраста Земли и созданием временной шкалы для всех открытых учеными геологических рубежей, которые оставались без датировки. Возраст Земли по-прежнему мог оказаться абсолютно любым. И если измышления епископа Ашшера в расчет уже не брали, то у Кельвина в некоторых кругах еще находились сторонники. К 1931 г. Холмс утверждал, что возраст Земли располагается где-то в промежутке от 1460 млн до 3000 млн лет.

К концу 1920-х Резерфорд обнаружил еще один, доселе неизвестный изотоп урана — 235U, дающий при распаде свою собственную стабильную разновидность свинца, 207Pb. Помимо него был открыт еще один изотоп свинца — 204Pb, не являвшийся, впрочем, продуктом распада урана. Его концентрация со времен образования Земли никак не изменилась. Что бы ни происходило с ураном, на количестве 204Pb это не отражалось никак.

И тогда пришло осознание одного очень важного фактора. Поскольку период полураспада 235U составляет 704 млн лет, он распадается в шесть раз быстрее 238U. То есть в конечном итоге чем старше образец породы, тем выше изначальное содержание 235U и тем больше образуется 207Pb. Учитывая, что два разных изотопа урана образуют разные изотопы свинца, соотношение 207Pb к 206Pb тоже будет расти со временем. Поэтому для определения возраста уже не требовалось знать количество урана, достаточно было подсчитать соотношение разных изотопов свинца. В теории, разумеется. Все упиралось в необходимость выяснить изначальное соотношение на момент формирования Земли, до того, как на их количество повлиял распад урана. Требовалась отправная точка — образец, не содержащий уран.

Холмс взял образец из Гренландии. Предполагалось, что содержащийся в нем свинец не является продуктом радиоактивного распада, и поэтому образец отражает состояние Земли на момент формирования. В 1946 г. Холмс определил минимальный возраст Земли как 3000 млн лет, но в 1947 г. скорректировал его до 3400 млн. Путем обратной проекции своих результатов во времени он вычислил, что распад урана начался 4500 млн лет назад, и установил тем самым верхний предел возраста планеты.

Однако уже после проделанного Холмсом гигантского труда стало известно, что на поверхности планеты ни один камень, даже из Гренландии, не отражает изначального состояния Земли. На ее поверхности происходят постоянные изменения, непрерывное разрушение и переработка горных пород. Гренландский образец Холмса выдал лишь минимальную границу возраста. По-прежнему требовался кусок камня, отражавший начальную стадию формирования Земли, но избежавший воздействия геологических процессов. К сожалению, найти такой на Земле не представлялось возможным.

В 1940-1950-х считалось, что вся наша Солнечная система формировались более или менее одновременно. Теперь мы знаем, что процесс этот был гораздо более сложным и занял десятки миллионов лет, однако пока для наших целей нас устроят такие представления. Смысл в том, что железные метеориты, как самое примитивное вещество в Солнечной системе, должны были сформироваться в числе первых. Медленно застывая и превращаясь в знакомую нам сегодня Землю, наша планета подвергалась непрерывной бомбардировке маленьких твердых небесных тел. Поскольку в железных метеоритах содержание урана стремится к нулю, рассуждали ученые, имеющийся в них свинец никак не может быть продуктом радиоактивного распада. А значит, по составу железных метеоритов можно вычислить то самое изначальное, исконное соотношение свинца, присутствовавшее в зарождающейся Солнечной системе — и в нашей планете.

К началу 1950-х американский геохимик Клэр Паттерсон, работавший в Калифорнийском технологическом институте, завершил исследование железного метеорита и определил средний состав свинца. В 1953 г. он пришел к выводу, что именно таким и было исконное соотношение, и, отталкиваясь от этих данных, получил возможность вычислить количество свинца, образовавшееся на Земле в результате уранового распада и срок его образования. Верхний предел возраста Земли получился 4600 млн лет.