Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Когда частица космического излучения, на протяжении многих тысячелетий странствовавшая по Галактике, врезается в атомное ядро в верхних слоях атмосферы Земли (примерно в 30 км над поверхностью), она разбивает ядро на составляющие его частицы, высвобождая множество нейтронов. Эти быстрые нейтроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомными ядрами, превращая их в новые изотопы и другие элементы. В частности, быстрый нейтрон (n), столкнувшись с атомом Азота (¹⁴N, преобладающим компонентом атмосферы), может выбить протон и занять его место в ядре:

n + ¹⁴N -> ¹⁴

C + p.

В ядре по-прежнему четырнадцать частиц, но на один протон меньше, поэтому атом перемещается с седьмого на шестое место в Периодической таблице и превращается в ¹⁴C. Скорость образования ¹⁴C в ходе этого процесса примерно постоянна, и если учесть естественную скорость распада изотопа, мы получим то соотношение, которое и наблюдаем в воздухе сегодня, когда на каждый триллион ядер¹²

C приходится одно ядро ¹⁴C.

Я говорю, что скорость «примерно постоянна», но этого недостаточно для точного датирования. И хотя в наши дни я могу измерить ее непосредственно, откуда мне знать, какой она была 1400 лет назад, прежде чем мы хотя бы вообразили космические лучи, не говоря уже о радиоактивных изотопах? На самом деле скорость образования частиц меняется и предсказуемо, и непредсказуемо по трем различным причинам, и датирование при помощи изотопа¹⁴C практично только потому, что у нас есть независимый способ определения этой скорости.

Изменчивая скорость образования частиц

Первое, что следует учесть, – это скорость, с которой космические лучи из дальнего космоса достигают Земли. Ее значение будет колебаться в зависимости от очень долгих временных масштабов, поскольку Солнечная система обращается вокруг центра Галактики (примерно раз в 240 миллионов лет) и проходит через разные области космоса. Если нам случится миновать место недавнего звездного взрыва – основного места образования космических лучей, – то дождь из частиц высокой энергии усилится, и вместе с этим возрастет скорость образования ¹⁴C. Однако в интересующих нас временных рамках (от тысяч до десятков тысяч лет) можно с уверенностью предположить, что скорость, с которой межзвездные космические лучи прибывают в окрестности Земли, достаточно постоянна.

Второй фактор, определяющий уровень воздействия этих лучей на атмосферу, – это интенсивность магнитного поля Земли и активность Солнца. Космические лучи по определению представляют собой заряженные частицы (с положительным или отрицательным зарядом), а такие частицы энергично взаимодействуют с магнитным полем. Более того, напряженность магнитного поля Земли (которое заставляет стрелку вашего компаса поворачиваться, указывая на север) достаточно велика, чтобы полностью отклонить некоторые космические лучи и направить многие другие вдоль своих силовых линий на Северный и Южный полюса, рождая полярное сияние.

Оказывается, напряженность (и даже направление) магнитного поля Земли непостоянна. Поле, созданное турбулентными потоками в расплавленной части земных недр, то усиливается, то ослабевает и меняет свое положение: в настоящий момент Северный магнитный полюс находится в 395 км к югу от географического Северного полюса, сместившись на 570 км к северу и на 810 км на запад за последние двадцать лет²

.

Однако для проникновения космических лучей важнее напряженность поля. За последние два столетия она уменьшалась примерно на 6 % за столетие³; чем слабее поле, тем больше космических лучей достигает поверхности Земли и тем сильнее возрастает образование ¹⁴C. Если эта тенденция сохранится, поле исчезнет в течение следующих нескольких тысяч лет. Если взглянуть на происходящее в более долгих временных масштабах, то мы увидим, что наблюдаемые в последнее время колебания не являются чем-то необычным, а нынешняя напряженность аналогична средней за последние 7000 лет. Было показано, что за еще более долгое время (от сотен тысяч до десятков миллионов лет) поле исчезает и снова возвращается, меняя полярность, при этом Южный магнитный полюс находится рядом с географическим Северным полюсом и наоборот. Это не имеет значения для интересующей нас скорости образования частиц ¹⁴C, поскольку из-за сравнительно короткого периода полураспада данный изотоп бесполезен для датирования, когда возраст объекта намного превышает 50 000 лет.