Взламывая планету Земля

Горная формация получила название сланцы Бёрджес, в конце 1890-х годов там нашли большое количество окаменелостей. Однако настоящий клад обнаружил в 1910 году американский палеонтолог Чарльз Дулиттл Уолкотт, незадолго до этого покинувший управление Геологической службы США. Поиск окаменелостей стал семейным занятием, в этом Чарлзу во время походов в горы помогали его дети, трое сыновей и дочь. Жена Чарльза, Елена, умерла в 1911 году, но уже к 1914 году он заново женился на известной художнице-натуралистке Мэри Во, которая отлично дополнила их команду. К 1924 году Уолкотты нашли свыше 65 000 образцов, все они были взяты на территории древнего морского дна и относились к кембрийскому периоду, с которого началась палеозойская эра. Само слово «кембрий» происходит от названия горных образований, впервые найденных в Уэльсе. Во времена Уолкотта возраст пород пытались определить наугад, но сегодня достоверно известно, что кембрийским породам между 541 и 485 млн лет. Сланцам Бёрджеса, например, 508 лет.

Чарльз Дулиттл Уолкотт отдыхает от поиска окаменелостей в сланцах Бёрджеса, а слева от него изображена окаменелость брахиопода, разновидность моллюсков, некогда населявшая Кембрийские моря, но теперь встречающаяся куда реже.

Вся жизнь перед глазами

Уолкотт не справился с масштабом задачи и смог провести анализ окаменелостей только в 1960-е годы. До этого они пылились без дела в Смитсоновском институте. Уолкотт сделал вывод, что почти каждый филюм (или подцарство) животных, населяющих планету, представлен в окаменелостях. Это касается членистоногих, насекомых и пауков, разнообразных видов червей, медуз и даже крошечных рыбоподобных существ. Ископаемые находки говорят о том, что событие, называемое кембрийским взрывом, за несколько миллионов лет привело от отсутствия видимой жизни к буйному многообразию видов.

Радиометрическое датирование

В самом начале XX века открытия в области радиоактивности дали возможность определять возраст горных пород по их атомам. Что сможет рассказать о возрасте Земли эта новая технология?

Радиоуглеродный анализ

Космические лучи, сталкиваясь с азотом в верхних слоях атмосферы, образуют радиоактивный изотоп углерода — углерод-14. Все живые существа содержат в себе небольшое количество углерода-14, пополняемое в течение жизни. Когда организм умирает, углерод-14 начинает распадаться. По любым остаткам живых существ — волосам, костям, древесине, хлопку — можно определить возраст, исходя из содержащегося в них количества углерода-14. Метод работает для любых артефактов и останков, но не старше 50 000 лет, как, например, эта 400-летняя китайская статуя из дерева.

В начале 1900-х годов два физика, Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, доказали, что радиоактивность — это процесс распада нестабильных атомов, высвобождение энергии и материала и образование новых элементов. (Элемент — это вещество с определенной структурой атомов. Радиоактивность меняет эту структуру, поэтому один элемент преобразуется в другой.) Резерфорд и Содди доказали невозможность предсказать радиоактивный распад отдельных атомов. Однако они придерживались схемы полураспада, что означает, что время, необходимое для распада половины радиоактивного материала, — величина постоянная. Сегодня мы знаем о крайне нестабильных радиоактивных веществах, период полураспада которых составляет миллионные доли секунды, хотя в породах чаще встречаются торий и уран, у которых период полураспада измеряется миллионами лет. Если вы знаете первичное количество этих металлов — сколько их было при формировании породы, — тогда по их количеству в текущий момент можно будет узнать возраст этой породы.

Артур Холмс доказал, что в более древних породах радиоактивного материала меньше.

На практике

Некоторые исследователи пытались измерить радиоактивный распад по количеству присутствующих альфа-частиц — небольших заряженных частиц, отделяющихся от атомов при распаде. Однако проще воспользоваться цепочкой распада. Например, радиоактивный уран, прежде чем достичь стабильной формы свинца, распадается на несколько крайне нестабильных атомов и дочерние продукты, такие как радон, радий и полоний. Американский химик Бертран Болтвуд был первым, кто применил этот подход. Он сравнил соотношение урана и свинца в горных породах, чтобы определить их возраст, и предположил, что некоторым из них 500 млн лет. В 1911 году британский исследователь Артур Холмс обнаружил породы возрастом 1,6 млрд лет. В 1927 году он откорректировал эту цифру до 3 млрд лет. В 1950-е годы понимание цепочек радиоактивного распада привело к тому, что ученые смогли определить возраст метеоритов — 4,55 млрд лет: это возраст Земли и Солнечной системы.