Крис Терни - Terni_Kosti_skalyi_i_zvezdyi._Nauka_o_tom_kogda_chto_proizoshlo.395719

Одним из первых воспользоваться свойствами радиоактивности для определения возраста нашей планеты догадался новозеландец Эрнест Резерфорд, в начале 1900-х гг. работавший в канадском Универ­ситете Макгилла. Резерфорд понимал, что огромный объем заключенной в радиоактивных элементах энер­гии должен поддерживать высокую температуру вну­три Земли. Планету уже нельзя было рассматривать согласно представлениям Кельвина как остывающий раскаленный шар (в 1908 г. Резерфорд получил Нобе­левскую премию за исследования радиоактивности — по иронии судьбы, в области химии, которую он ста­вил ниже физики).

В 1904 г. Резерфорд выступил с докладом перед Ко­ролевской ассоциацией. Разумеется, среди слушате­лей оказался не кто иной, как Кельвин. Начало докла­да он, видимо, проспал, но, когда Резерфорд подошел к проблеме возраста Земли, тут же проснулся и резко выпрямился в кресле. И тут Резерфорда осенило. Он напомнил об оговорке, которую делал Кельвин в сво­их ранних трудах: его выводы относительно земного возраста могут оказаться неточными, если на планете обнаружится другой, неизвестный в тот момент источ­ник энергии (хотя Кельвин с пеной у рта доказывал, что подобное маловероятно). Резерфорд предположил, что радиоактивность вполне может служить таким до­полнительным источником энергии. Кельвин, поль­щенный знаком уважения от Резерфорда, тем не ме­нее от своих результатов не отказался, продолжая считать их верными, и даже сообщил одному своему другу в доверительной беседе, что это, пожалуй, самой большой его вклад в науку.

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.