Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Теерикор Пекка (читать книгу онлайн бесплатно полностью без регистрации .txt) 📗
Одновременно с оценками Кельвина, профессор зоологии Оксфордского университета Эдвард Паултон, основываясь на современной скорости отложения осадков, пришел к выводу, что после кембрийского периода прошло около 400 млн лет. А для начала кембрийского периода геолог Джон Гудчайлд получил потрясающую оценку в 700 млн лет. Очевидно, что Земля и Солнце должны быть старше. Так возникло противоречие между возрастом в десятки миллионов лет, о котором говорили физики и биологи, и возрастом в сотни миллионов лет, определенным геологами.
Все эти оценки возрастов были кардинально пересмотрены после создания методов радиохронологии. Эрнест Резерфорд (открывший атомное ядро, см. главу 16) и Фредерик Содди в 1902 году измерили, сколько тепла дает радиоактивное излучение, то есть сколько энергии выделяется из одного грамма радиоактивного вещества. Результат оказался поразительным: один грамм радия дает более чем в тысячу раз больше энергии, чем химическое сгорание одного грамма углерода. Эта идея рождала верное направление мысли, но определенный этим способом возраст вступал в противоречие с мнением лорда Кельвина. В 1904 году Резерфорд выступал с докладом в Королевском институте. В аудитории он заметил Кельвина:
«Я понял, что у меня проблемы с последней частью моего доклада, посвященной возрасту Земли… К моему облегчению, Кельвин часто дремал, но когда я подошел к важному месту, то увидел, что старый ворон сидит, открыв глаза, и смотрит на меня злобным взглядом! Вдруг я почувствовал вдохновение и сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при том лишь условии, что никакие новые источники энергии не будут открыты. И его пророческие слова относились именно к тому, что мы сегодня обсуждаем, — к радию! И вот старик уже приветливо улыбается мне».
Молодой физик утверждал, что Солнце может просуществовать значительно более 20 млн лет, возможно, даже миллиард лет и что Землю не ждет скорая смерть из-за того, что, по мнению Кельвина, Солнце начнет тускнеть. На следующий день газетные заголовки кричали: «День Страшного суда откладывается!»
Оказалось, что радиоактивность может увести нас еще дальше вглубь времен. Рассказывают, что Резерфорд как-то шел по университету с камнем в руке. Он столкнулся с геологом и спросил его: «Адамс, сколько лет Земле?» Тот ответил, что, по измерениям разными методами, около 100 млн лет. К его удивлению, Резерфорд сказал: «Возраст этого камня 700 млн лет». Он только что определил возраст камня, используя скорость распада урана. В 1907 году Бертран Болтвуд измерил возраст различных горных пород и получил значения от 400 до 2200 млн лет. Позже датировка геологических пластов была усовершенствована, и ошибка уменьшилась до 1 млн лет. Мы знаем, что возраст Солнечной системы составляет 4,567 ± 0,001 млрд лет и что Земля примерно того же возраста. В табл. 29.1 приведены скорости полураспада некоторых радиоактивных изотопов, а во врезке 29.1 даны примеры радиоактивного датирования.
Таблица 29.1. Изотопы, используемые при датировке минералов.
Как пример методов радиохронологии рассмотрим изотоп калия с атомным весом 40 единиц (4°К). Этот изотоп распадается на 89 % кальция и 11 % аргона! вес каждого из которых тоже составляет 40. Один из этих двух элементов — аргон, инертный газ, который может сохраняться в горных породах. Но если порода расплавится, газ выходит наружу. Отношение изотопов аргон-40 и калий-40 указывает, сколько времени горная порода находилась в твердом состоянии. Можно сказать, что эти часы начинают тикать с того момента, как порода последний раз застыла, ведь до этого аргон из нее свободно выходил, так что перед затвердеванием породы его там практически не было. Со временем доля изотопа аргона возрастает, и через 1200 млн лет уже собирается 11 % аргона относительно изотопа калия (это временя полураспада калия-40). Измерив в образце отношение аргона-40 и калия-40, мы определим его возраст.
Есть еще один интересный пример. Рассмотрим кристаллический минерал циркон из элемента цирконий (Zr). Кристалл циркона чрезвычайно устойчив: он выживает в условиях выветривания и даже при частичном плавлении пород в земной мантии. Самая распространенная форма циркона ZrSi04. При кристаллизации обычно возникает небольшая примесь, в результате которой менее чем в 1 % случаев атомы циркония замещаются атомами урана (USiO4) или тория ThSiO4). Это возможно потому, что ядра U и Th по размеру такие же, как ядра Zr. С другой стороны, свинец (Pb) не может входить в состав кристалла просто потому, что он слишком велик, поэтому в момент формирования в кристалле нет свинца, но вместе с большим количеством циркония есть небольшое количество урана и тория. С течением времени атомы U и Th испытывают радиоактивный распад. Атомы 235U распадаются на 207Pb с временем полураспада 703,8 млн лет, а 238U распадается на 206Pb с временем полураспада 4,468 млрд лет. Теперь мы можем оценить возраст кристалла циркона, просто подсчитав, сколько атомов 235U превратилось в 207Pb и сколько — в 206Pb. Если половина 238U превратилась в 206Pb, то возраст кристалла равен времени полураспада, в нашем случае 4,468 млрд лет. Возраст может быть определен и у других минералов, содержащих уран. На практике оценку возраста лучше делать построением изохрон, линий одного и того же возраста, вычислив Зависимость отношения 206Pb/238U к отношению 207Pb/235U. Чтобы быть уверенным, что внешнее загрязнение U и Pb не повлияло на результат.
Нам трудно уразуметь, что «неподвижные» звезды меняют свое положение на небе в течение тысяч лет. Точно так же трудно представить, что твердые камни под нашими ногами движутся и меняют свои очертания. Движение звезд на небе и гор с континентами противоречит нашей интуиции, поскольку мы привыкли относиться к ним как к точкам отсчета для всего, что движется быстрее, например, планеты, приливы и воздушные потоки. Огромные возрасты, полученные радиохронологическим методом, заставили по-новому взглянуть на процессы, происходящие в Земле, для которых дли-на человеческой жизни — всего лишь миг. Соответствие береговых линий восточной части Южной Америки и западной части Африки озадачило географов сразу же после создания первых достаточно точных карт этих материков. Тогда это обычно объясняли тем, что Атлантический океан представляет собой широкий каньон и средняя часть единого континента туда провалилась. Французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини в 1858 году предположил, что Южная Америка и Африка раскололись и разошлись на современное расстояние. Его смелая теория в точности соответствовала библейскому контексту. На пятый день творения все континенты были единой сушей. На шестой день творения появились длинные разломы. Извержение вулканических газов раздвинуло континенты. В это же время Земля сжалась, и моря залили континенты, вызвав гигантский потоп (рис. 29.2).
Рис. 29.2. Антонио Снайдер-Пеллегрини (1802–1885) нарисовал первую карту, демонстрирующую движение континентов.
Для геологов такое объяснение не имело никакого смысла. Через пятьдесят лет, когда опять был поднят вопрос о движении континентов, подмоченная репутация Снайдера вызвала отрицательную реакцию на новую теорию. В 1910 году американец Ф. Э. Тейлор предположил, что образование горных цепей обусловлено движениями континентов. По его мнению, Гималаи образовались из-за того, что Евразийский континент двигался к югу и столкнулся с Индийским субконтинентом.
Обычно отцом тектонических движений считается Альфред Вегенер (1880–1930). Немецкий ученый был поражен схожестью окаменелостей на обоих берегах Атлантики и в 1912 году предположил, что 200 млн лет назад, в мезозойскую эру, все континенты образовывали единый суперконтинент Пангею, окруженную океаном Панталасса (рис. 29.3 и 29.4). Суперконтинент раскололся на части, и современные континенты начали расходиться. Свою идею Вегенер опубликовал в 1915 году в книге «Происхождение континентов и океанов». В пользу этой теории он приводил несколько аргументов.
