I NEED NEWS
 
 
Опубликовано: 22 июня 23:42
 373  0
 

Как это работает? Как рассчитывают возраст Земли?

 
 

Его пытались вычислить самые разные ученые. Было поставлено множество экспериментов. Чтобы точно определить возраст нашей планеты, понадобилось больше трех веков. Теперь мы знаем, что Земля существует уже 4,54 млрд лет (с точностью 1%) — значение, которое мало изменилось с момента, когда его впервые получили 57 лет назад, в 1956 году; уменьшилась лишь погрешность. Но можем ли мы быть уверены в том, что перед нами уже окончательное число? Почему так много времени потребовалось, чтобы его найти? В поисках ответа на эти вопросы мы должны вернуться назад на три столетия. 

Архиепископ англиканской церкви Джеймс Ашшер (James Ussher) из Ирландии — один из многих ученых XVII века, пытавшихся установить точную дату создания Земли Богом. В те времена знания привыкли добывать путем анализа разного рода исторических текстов, в том числе Библии, и полученные значения колебались от 3616 до 6984 года до н. э. Ашшер расставил в хронологическом порядке всех значимых персонажей в Ветхом Завете, начиная с Адама. Так он определил, что небо и земля созданы в ночь с субботы на воскресенье 23 октября 4004 года до н. э. Дата осталась бы малоизвестной, если бы не предприимчивый торговец по имени Томас Гай (Thomas Guy). Почувствовав спрос на дешевое массовое издание Библии, Гай в 1675 году начал печатать версию книги, которая включала в себя хронологию Ашшера, вынесенную на поля.

СФЕРЫ ВРЕМЕНИ 

По мере того как накапливались знания по геологии, ученые начали понимать, что историю всей Земли явно не уместишь в нескольких тысячелетиях. Французский натуралист Жорж-Луи Леклерк де Бюффон (Georges-Louis Leclerc de Buffon) выдвинул гипотезу об образовании земного шара из струи очень горячего материала, вылетевшей из Солнца под влиянием кометы. Он попытался выяснить, когда это могло произойти, изучая опытным путем процессы охлаждения.

В течение 11 лет Бюффон проводил длительные эксперименты с шарами разного радиуса, изготовленными из железа и камня. Засекал время их охлаждения, а затем экстраполировал эмпирические данные на объект размером с Землю. Результаты он обнародовал в 1775 году, оценив возраст Земли по меньшей мере в 74 832 года с момента ее образования до нынешнего охлажденного состояния. При этом сам Бюффон считал, что Земля всё же гораздо старше и ей, возможно, даже 10 млн лет. 

В течение последовавшего затем столетия появились и многочисленные свидетельства длительных геологических процессов, протекавших многие миллионы лет. По характерным отложениям были описаны разные геологические эпохи. Наконец, к середине XIX века метод «песочных часов» стал восприниматься как весьма авторитетный. Первые попытки оценить мощность горных пород на разных континентах и скорость, с которой накапливались эти отложения (что позволяло получить в результате время, необходимое для их накопления), давали огромный разброс — от З млн до 2,4 млрд лет (из-за разницы в скорости образования осадков в разных местах).

Еще одной альтернативой стали попытки измерения скорости, с которой в морской воде накапливалась соль. Реки выносят в моря соль из размытых ими горных пород. Если предположить, что первоначально океаны состояли из пресной воды, то, в принципе, можно оценить и время, необходимое для их «загрязнения» до нынешнего состояния. Этот метод был сопряжен с немалыми сложностями и приводил к большому разбросу значений (не говоря уж о сугубой гипотетичности исходного предположения).

В 1862 году британский физик лорд Кельвин начал одно из выступлений на заседании Эдинбургского королевского общества с выпадов в адрес геологов и их методов определения возраста Земли. Как и Бюффон, Кельвин утверждал, что Земля первоначально находилась в расплавленном состоянии, и считал «очевидным», что, если известны температура, при которой плавятся горные породы, и скорость, с которой они охлаждаются, можно рассчитать время, за которое образуется земная кора. Первоначальное значение Кельвина лежало в очень широких пределах, от 20 до 400 млн лет, но несколько лет спустя, после точных измерений температуры плавления пород (она оказалась значительно ниже предполагаемой), Кельвин пересмотрел свою оценку, уменьшив ее до 20-40 млн лет. Среди геологов эта работа вызвала изрядное смятение.

Десятилетие на рубеже XX века принесло целый ряд важнейших открытий. В 1895 году были открыты рентгеновские лучи, а в 1896 году стало известно, что уран тоже испускает похожие «таинственные лучи». Это явление радиоактивности было обнаружено французским химиком Антуаном Беккерелем (Antoine Henri Becquerel), а затем его изучением занялись супруги-физики Мария Склодовская-Кюри (Maria Skiodowska-Curie) й Пьер Кюри (Pierre Curie). Название этому явлению дала Мария Кюри. В результате их открытий по лабораториям всего мира прокатился настоящий бум исследований в этом направлении.

В 1897 году Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) открыл электрон, а в 1902 году Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford) и Фредерик Содди (Frederick Soddy) предложили теорию радиоактивного распада, легшую в основу учения об атоме и атомной энергии. Они поразили мир заявлением, что в процессе радиоактивного распада один элемент меняется на другой: уран превращается в радий, который распадается, выделяя газ радон. 

Вскоре после этого Содди показал, что в результате выделяется не только радон, но и гелий. Радон тоже неустойчив и распадается на другие элементы. 

Пару месяцев спустя, перед тем как Пьер и Мария Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1903 году, Пьер обнаружил, что в процессе радиоактивного распада атом покидают электроны с выделением энергии в виде тепла. Даже если Кельвин был прав, полагая, что Земля охлаждалась из расплавленного состояния, он в любом случае не знал, что в то же время радиоактивные элементы внутри Земли производят достаточно тепла, чтобы затянуть процесс охлаждения практически на любой срок, который может понадобиться геологам.

КАМЕНЬ ВЕКОВ 

Открытие того, что гелий является побочным продуктом распада урана, подтолкнуло Резерфорда к следующему шагу. Он понял, что, исходя из скорости образования гелия и замеров количества урана и гелия в породах, путем относительно простых расчетов мы можем оценить длительность накопления гелия и так установить возраст породы. Спустя год Резерфорд стал первым человеком, оценившим возраст горной породы при помощи радиоактивного распада, — он получил значение 40 млн лет. К сожалению, в его методе крылась ошибка, и отыскать ее помог Роберт Стратт (Robert Strutt), преподаватель физики из Лондонского королевского научного колледжа (Великобритания), который обратил внимание на то, что газообразный гелий может просачиваться сквозь породы. Это означало, что лишь часть радиогенного гелия оказывалась измеренной и полученный таким образом возраст был лишь минимальной оценкой. Заняться поисками более совершенного метода Стратт предложил одному из своих учеников, 20-летнему Артуру Холмсу. 

 В 1907 году американский химик Бертрам Болтвуд (Bertram Borden Boltwood) изучил породы, содержащие уран. Он заметил, что наряду с гелием в них содержалось большое количество свинца, и предположил, что свинец может быть конечным продуктом в цепочке распада урана. А Холмс, в свою очередь, понял, что если прав Болтвуд, то возраст породы можно получить, измеряя содержание в ней свинца, а не гелия. Тем самым определялось, какая доля урана успела распасться за время существования объекта — с момента кристаллизации в нем минералов. Ученый решил это попробовать. Зимой 1910 года он проанализировал содержание урана и свинца в 17 минералах. 

Измеряя соотношение урана и свинца в породах, Артур Холмс разработал надежный экспериментальный метод датирования, открыв дорогу к определению возраста Земли. Установка Артура Холмса для определения соотношения урана и свинца в минералах. Минеральной раствор кипятят (1), собирают выделившийся газ радон (2), количество которого (в силу своей радиоактивности он приводит к ионизации воздуха) оценивается с помощью электроскопа (3). 

В 1910 году британский геолог Артур Холмс (Arthur Holmes) установил соотношение урана и свинца (U/Pb) для 17 различных минералов. Так удалось оценить возраст пород и показать, что свинец — стабильный продукт распада урана. Холмс выделял минералы из горных пород и сплавлял их с бурой в платиновом тигле, а полученную стекловидную массу растворял в разбавленной соляной кислоте. После кипячения раствора и отстаивания в закупоренной колбе [1] радон собирался в газгольдер [2], его количество оценивалось с помощью электроскопа [3], реагирующего на радиоактивность. Известная скорость распада урана в радон позволяла оценить количество урана. Свинец анализировали при помощи тонкой химической процедуры, пока накапливался радон. Чтобы удостовериться в правильности результатов, эксперимент повторяли до пяти раз. Однажды Холмсу пришлось отбросить все данные и начать сначала, потому что радон просочился в комнату, исказив результаты эксперимента. Соотношение U/Pb в изученных минералах в среднем оказалось равным 0,045 — возраст пород был оценен в 370 млн лет. Кроме того, соотношение U/Pb последовательно менялось с изменением возраста пород, что свидетельствовало о надежности уран-свинцового метода датировки. Этот метод в конечном счете и послужил основой для современной оценки возраста Земли.

Полученные результаты позволили Холмсу прийти к выводу, что свинец — действительно конечный продукт распада урана и что теперь наконец найден надежный метод оценки возраста пород (в разных вариациях он используется до сих пор). Самая древняя порода в исследованных образцах имела возраст 1,64 млрд лет, а Земля должна была быть еще старше. Однако эти результаты приняли в штыки большинство геологов, которые доверяли Кельвину и полученным им цифрам. 

Прогресс шел медленными темпами, а открытие изотопов Фредериком Содди в 1913 году всё лишь усложнило. В то время единственным способом отличить один изотоп от другого было получение их атомных масс, и лишь несколько лабораторий в мире могли справиться с этой задачей. Кроме того, Холмс понимал, что некоторое количество свинца, вероятно, присутствовало на Земле изначально. Он не мог определить, какой из изотопов свинца образуется в результате распада урана, а какой присутствовал на Земле с самого начала, поэтому его датировки не могли быть точными.

ПРОБЫ И ОШИБКИ 

В 1924 году Холмс стал профессором в Даремском университете (Великобритания), где продолжил работу по созданию «общей шкалы геологического возраста» и установлению возраста всей Земли. Помимо прочего, он попытался разработать и новые методы датировки. Хотя каждый метод изначально выглядел многообещающим, спустя какое-то время все они были признаны непригодными. Наконец в 1938 году молодой физик Альфред Нир (Alfred Nier), работавший с новым масс-спектрометром Гарвардского университета (США), попытался выделить все известные изотопы свинца (химический символ РЬ). Он быстро обнаружил три известных изотопа радиогенного происхождения (от распадавшихся урана и тория) — 206РЬ, 207РЬ и 208РЬ. А в конце спектра заметил еще один крошечный всплеск. Тогда и был наконец идентифицирован первичный изотоп 204РЬ — недостающий элемент в уран-свинцовой головоломке. 

Нир занялся разработкой геохронологической шкалы времени. Перед Второй мировой войной он провел серию очень точных экспериментов, позволивших определить возраст 2S разных пород из различных геологических формаций. Возраст одного из исследованных минералов, пегматита из Манитобы, был оценен в 2,48 млрд лет. Заинтересовавшись результатами Нира, Холмс написал ему в мае 1945 года (после того как тот закончил свою работу в Манхэттенском проекте по созданию атомной бомбы, в котором тогда принимали участие очень многие американские физики). 

По мнению Холмса, работа Нира представляет «огромный интерес не только потому, что показала, что старейшие породы пока не найдены». Она, как он считал, интересна еще и вот чем: «...полученное значение дает знать, что современные представления о расширяющейся Вселенной нуждаются в пересмотре». 

К тому времени американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) определил, что возраст Вселенной составляет лишь 1,8 млрд лет. А ведь данные Нира показывали, что это не может быть истиной — вся Вселенная не моложе Земли. Холмс предсказал, что данные Нира еще помогут уточнить возраст Земли. Он же приобрел одну из первых вычислительных машин для завершения сложных вычислений и вновь обратился к Ниру 16 февраля 1946 года, написав, что возраст Земли должен быть в районе 3 млрд лет и что лучший набор данных приводит его к значению 3,015 млрд лет. 


Гипер соленые воды Мертвого моря в Израиле показывают, как много соли может содержаться в морской воде. Первые попытки определения
возраста Земли включали в себя расчет времени, потребовавшегося для накопления соли в изначально пресной воде морей.

К началу 1950-х годов метод уран-свинцовых изотопов для датировки пород наконец стал общепризнанным. Но Холмс был уже нездоров и отошел от исследований, предоставив следующему поколению продолжить его поиски. По мере усовершенствования технологии другой американский исследователь, Клэр Паттерсон (Claire Patterson), сумел выявить исчезающе малые количества свинца в железных метеоритах. 

Преимущество выбора именно железных метеоритов в том, что содержание урана в них незначительно, поэтому любой первичный свинец не загрязнен свинцом радиогенного происхождения. Паттерсон сообразил, что если Земля (согласно предположениям астрономов) была сформирована в то же время, что и Солнечная система, то можно использовать данные по количеству первичного свинца, выделенного из метеоритов, для определения текущего возраста Земли. 

Следующие три года Паттерсон провел в попытках это подтвердить. В 1956 году ему удалось наконец показать, что Земля, планеты и метеориты имели общее начало. Он проанализировал содержание свинца в пяти метеоритах и выяснил, что соотношения их изотопов легли на прямую линию (изохрону), которая и дала возраст 4,55 ± 0,07 млрд лет. Кроме того, образцы с Земли (а позже и Луны) легли на эту линию, то есть Земля и метеориты сформированы примерно в одно время из одного солнечного вещества около 4,5 млрд лет назад. Так ровно через 300 лет после Ашшера (умершего в 1656 году) истинный возраст Земли был наконец установлен.

Источник

Похожие статьи
Похожие новости

Оставьте сообщение

Имя:

Комментарий:


 
I NEED NEWS