Метеориты. Космические камни, создавшие наш мир - Тим Грегори

Казалось, он проходит сквозь стены. Свинцом был с ног до головы покрыт и сам Паттерсон: его волосы, одежда, ботинки, кожа. То же самое можно было сказать и обо всех его сотрудниках.

Но Паттерсон сумел обратить проблему свинцового загрязнения себе на пользу: он увидел в ней возможность научиться измерять изотопный состав свинца во многих разнообразных видах веществ.

Паттерсон лишь прикоснулся к проблеме, которой суждено было стать одной из главных экологических угроз современности: катастрофическому свинцовому загрязнению, охватившему всю планету, и в особенности ее города. Этилированный бензин, пары которого впрыскиваются в атмосферу из выхлопных труб миллионов автомобилей, стал особенно опасной частью этой проблемы. Другой опасностью были содержащие свинец краски – именно из-за них в лаборатории Паттерсона одним из источников свинца оказались стены. Исследования источников и степени глобального свинцового загрязнения (и связанного с ним массового отравления свинцом населения Земли) впоследствии стали главной темой научной деятельности Паттерсона; они внесли значительный вклад в успех всемирного движения за полный запрет этилированного бензина. Но в то время истинный масштаб и опасность свинцового загрязнения, его влияния на здоровье людей еще не были известны. Поэтому для Паттерсона главной проблемой, связанной с вездесущим свинцовым загрязнением, было искажение данных по изотопному составу циркона. Именно эта проблема загораживала ему дорогу к вычислению возраста нашей планеты.[14]

На избавление от свинцового загрязнения Паттерсон потратил пять лет, но в конце концов все же добился своего: измерил изотопный состав свинца в кристаллах циркона размером с булавочную головку. Его данные наконец перестали выглядеть абсурдными и приобрели смысл. Но чего ему это стоило! Устраняя малейшие следы свинца в своей лаборатории, он до изнеможения протирал химическую посуду и лабораторные химические скамьи тщательно очищенными перегонкой кислотами. Чистоте самих кислот, которые поставлялись в его лабораторию, он, впрочем, тоже не доверял и дополнительно перегонял их на самостоятельно изготовленных дистилляторах. Буквально ничего не казалось ему достаточно чистым.

Затем Паттерсон перешел к строительству собственной совершенно новой ультрачистой лаборатории, предназначенной для измерений состава железных метеоритов. Он приложил невероятные усилия, чтобы сделать эту лабораторию свободной от свинцового загрязнения. Воздух, поступающий внутрь помещения, очищался сложной системой фильтров, устраняющей из него все пылевые частицы. Соблюдался строжайший дресс-код: каждый входящий в лабораторию переодевался в специальный сверхчистый комбинезон.

В 1956 году, после того как в этой сверхчистой лаборатории он выделил из железных метеоритов первичный свинец и подготовил его образцы к исследованию, Паттерсон измерил изотопный состав этого свинца на своем масс-спектрометре. Записывающее устройство на выходе прибора выдало результат. Затаив дыхание, Паттерсон ввел полученные цифры в уравнение и выписал его решение. Это был возраст Земли. Она оказалась старой: чуть старше четырех с половиной миллиардов лет. В этот миг возраст нашей планеты знал только один человек в мире – он установил его первым в истории человечества. Это был Клэр Кэмерон Паттерсон.

Свои результаты и выводы Паттерсон опубликовал в статье «Возраст метеоритов и Земли»,3 которая стала классикой науки о Земле и планетах. Точный возраст Земли был определен в 4 550 000 000 лет. Изотопные измерения Паттерсона оказались очень точными: границы ошибок его вычислений были меньше двух процентов.4

Стоит упомянуть и кое-какие индивидуальные особенности использованного Паттерсоном «магического уравнения». Каждая из них – и определение скорости распада 235U и 238U, и развитие масс-спектрометрии, и средства измерения изотопных смесей – родилась в ходе разработки ядерного оружия. Из избыточно, до гротеска мощной техники уничтожения, способной вмиг погасить тлеющий в космосе огонек человеческой цивилизации, явился способ проникновения в глубины истории нашей планеты и нашего собственного происхождения. Чуть не разрушив наше будущее, мы открыли наше глубокое прошлое.

Начало

Паттерсон и его сотрудники определили время рождения Земли. Но, чтобы датировать события, разворачивавшиеся до ее образования, нужен камень, который сформировался еще до появления планет. К счастью, такие породы дошли до нашего времени в составе нерасплавленных астероидов: индивидуальные фрагменты космических отложений, сформировавшиеся в протопланетном диске и сохранившиеся внутри хондритов. Правда, их размеры в лучшем случае составляют лишь несколько миллиметров, и измерить их изотопный состав – исключительно трудная задача. И все же она разрешима.

О самом существовании изотопов стало известно всего за несколько десятилетий до того, как Паттерсон вычислил возраст Земли. Поэтому ученые и инженеры еще только разрабатывали методы их точного измерения.

Современные ультрачистые лаборатории и масс-спектрометры устроены гораздо сложнее и изощреннее, чем во времена Паттерсона – в 1950-х. Наука двигалась вперед. Появилась возможность определять возраст и гораздо более мелких фрагментов метеоритов. Современные масс-спектрометры позволяют с высокой точностью измерять состав свинца в образцах в тысячи раз мельче, чем даже те, с которыми работал Паттерсон, – массой всего в несколько миллионных долей миллионной доли грамма! Этими методами можно измерять возраст индивидуальных хлопьев пыли первичной туманности, сохранившихся в составе хондритов. Таким образом, мы можем заглянуть в глубины времени, когда планет еще не существовало и в протопланетном диске кристаллизовались первые частицы пыли.

Трудность ориентирования на временной шкале Солнечной системы состоит в том, чтобы точно отметить момент начала отсчета. Как мы убедились, образование Солнечной системы – история превращения первичной туманности из газовой в пылевую, а затем превращения этой пыли в миры – было не событием, а процессом. Этот процесс шел несколько миллионов лет. Где же мы проведем черту между «до» и «после» образования Солнечной системы, если граница между этими состояниями так размыта? По правде говоря, любая такая черта произвольна и условна, ее проведение – в основном вопрос выбора, а не реальных физических условий, заданных Природой. И все же Природа предусмотрела элегантное решение этой проблемы, спрятав его среди космических отложений, составляющих хондриты.

Исходную отметку на временной шкале задают CAI, первые хлопья пыли, сконденсировавшиеся в туманности. Это первые твердые частицы – каменные пылинки, образовавшиеся в завихрениях газа. Время их формирования диктует нам естественный выбор момента рождения Солнечной системы и начала ее «каменной летописи». Если мы измерим возраст CAI, мы тем самым определим и истинный возраст Солнечной системы.

Датировка возраста CAI по урановым часам требует точного измерения состава смеси изотопов свинца внутри индивидуальных микроскопических кристаллов в индивидуальном CAI. Если измерен изотопный состав свинца и урана для каждого типа минералов в CAI, из этого можно вывести количество накопленного радиогенного свинца, а отсюда вычислить и возраст. Все, казалось бы, ясно. Однако в аналитическом отношении это непростая задача.

В CAI содержится всего несколько миллиардных долей грамма свинца. Поэтому даже мельчайшее загрязнение – миллионная доля от миллионной доли грамма – будет катастрофическим. Для