Чтение онлайн

Теперь вернемся на окраину Ланиакеи, в нашу Местную группу галактик, в Рукав Ориона, где мы найдем Солнце и планету Земля. После того как в результате аккреции образовалась эта планета, наш скульптор с бензопилой в качестве последнего штриха придал ей особую внутреннюю структуру. Геологи называют этот процесс дифференциацией.

Молодая Земля нагревалась и плавилась. Нагрев вызывали резкие столкновения в ходе аккреции, радиоактивные элементы (которые образовались при взрыве сверхновой, как и б'oльшая часть материала для Солнечной системы), а также давление, растущее по мере того, как планета увеличивалась в размере. Наконец молодая Земля стала такой горячей, что в основном растопилась в вязкое месиво, а после сжижения отдельные слои планеты распределились по плотности, и она обрела свою нынешнюю структуру.

Более тяжелые элементы, в первую очередь железо, никель и немного кремния, провалились через горячую жижу в середину и образовали металлическое ядро Земли. При вращении планеты оно создало магнитное поле, которое защитило ее поверхность от повреждений со стороны заряженных частиц солнечного ветра. Более легкие горные породы, например базальты, скопились выше ядра и образовали второй слой – зону полурасплавленных пород, перемешанных с газом и водой, глубиной 3000 километров, которая называется мантией. Отсюда берется лава, извергаемая вулканами. Самые легкие горные породы, в основном граниты, всплыли на поверхность, остыли и затвердели, образовав третий слой – тонкую, как яичная скорлупа, оболочку, которая называется корой и сегодня покрыта океанами и материками. Толщина коры под океанами в некоторых местах составляет всего пять километров, но под континентами она достигает 50 километров. Кора особенно интересна с химической точки зрения. Здесь можно найти твердые вещества, жидкости и газы, она неоднократно нагревалась и остывала под действием вулканов, падающих астероидов, жгучего молодого Солнца и наконец сконденсировавшихся первых земных океанов. В коре и мантии благодаря теплу и круговороту элементов образовалось около 250 новых минералов [42] . Пузыри газов, в том числе углекислого газа и водяного пара, выходили из мантии через вулканы и трещины на поверхности и образовали четвертый слой – первую атмосферу Земли. Кора и атмосфера также обогащались газами, водой, сложными молекулами и другими материалами, которые приносили с собой астероиды и кометы.

Горячее расплавленное ядро сохраняло молодую Землю в движении, потому что энергия из центра пробивалась через толщу планеты, подогревая и смешивая ее верхние слои, в результате чего возникали циркулирующие потоки мягких горных пород в мантии и образовалась усеянная вулканами поверхность. Жар ядра продолжает управлять изменениями в верхних слоях планеты. Сегодня можно проследить за движениями на ее поверхности с помощью систем GPS, и мы знаем, что плиты коры движутся примерно с той же скоростью, с которой у вас растут ногти. Самые быстрые перемещаются примерно на 25 сантиметров в год.

Геологи делят историю Земли на части. Самая продолжительная из них – эон. Первый эон называется гадей («подобный аду»). Он длился с образования Земли и до начала архейского эона (около 4 млрд лет назад). Заглянув на планету во времена гадея, вы увидели бы массу строительного хлама, оставшегося от аккреции. Трещины и разрывы на поверхности Луны и других планет показывают, что от 4 до 3,8 млрд лет назад на внутреннюю Солнечную систему обрушился дождь астероидов и других блуждающих объектов. Его называют «поздней тяжелой бомбардировкой», которую, вероятно, вызвало смещение орбит Юпитера и Сатурна, в результате чего объекты россыпью разлетелись по молодой Солнечной системе. Сейчас большинство астероидов обитает между Юпитером и Марсом – возможно, это обломки кирпичей и балок, из которых разрушительная гравитационная сила Юпитера так и не дала образоваться планете. Сегодня нам известно около 300 000 астероидов. Большинство из них маленькие, но этих блуждающих объектов достаточно много, чтобы бомбардировать внутренние планеты [43] .

Что бы ни говорили в Голливуде, выкопать в Земле такую яму, чтобы добраться до ее недр, невозможно. На данный момент самое глубокое отверстие составляет примерно 12 километров, а это около 0,2 % расстояния до земного ядра. Его пробурили в ходе геологического исследования на Кольском полуострове на северо-западной оконечности России. О том, что находится внутри планеты, нам известно благодаря другому ловкому научному трюку, аналогу рентгена у геологов. Землетрясения вызывают колебания, которые проходят через толщу земли. Сейсмографы измеряют их в различных местах на ее поверхности. Сравнивая результаты в разных зонах, можно понять, как быстро и на какое расстояние колебания прошли под землей. Известно также, что отдельные виды колебаний с разной скоростью распространяются в разных материалах – одни только в твердых веществах, другие также в жидкостях. Так что, проследив за ними с помощью всевозможных сейсмографов, о внутренностях планеты можно многое выяснить.

Определить возраст Земли и многие другие даты, разбросанные по всей современной истории происхождения мира, удалось лишь во второй половине XX века, опираясь на весьма хитроумные научные средства.

Первые шаги к тому, чтобы составить современную историю планеты Земля, были сделаны в XVII веке. Тогда некоторые пионеры геологии поняли, что можно было бы установить порядок событий в истории Земли, даже не имея понятия, когда именно они произошли. В XVII веке живший в Италии датский священник Нильс Стенсен показал, что, внимательно изучая осадочные породы, можно определить, в каком порядке отложились разные их слои. Все осадочные породы формируются послойно, так что известно, что чем старше слой, тем ниже он лежит. Все, что прорезает слои, должно быть моложе.

В начале XIX века английский геодезист Уильям Смит продемонстрировал, что в разных местах в скальных породах встречается один и тот же набор окаменелостей. Разумно предположить, что одинаковые окаменелости относятся примерно к одному и тому же времени, и на этом основании можно определить слои, которые во всем мире заложились более-менее одновременно. Используя сочетание этих принципов, геологи XIX века сумели составить относительную хронологию истории Земли. Она также лежит в основе современных геологических систем датировки и начинается с кембрийского периода – первого, в слоях которого окаменелости видны невооруженным глазом.

Однако никто не знал, когда именно был кембрийский период, и многие геологи оставили надежду однажды определить абсолютные даты для каждого пласта. В 1788 году Джеймс Геттон писал: «У нас нет ни признаков начала, ни перспективы конца» [44] . Даже в начале XX века единственным способом установить точную дату события было найти письменный источник, в котором оно упоминается. А это означало, как указывал Герберт Уэллс, когда сразу после Первой мировой войны пытался написать современную историю происхождения мира, что абсолютную хронологию невозможно построить дальше чем на несколько тысяч лет в прошлое.

Однако тогда уже был сделан ряд открытий, благодаря которым в конце концов стала возможна более точная датировка, хотя Герберт Уэллс об этом не знал. Ключом ко всему была радиоактивность, форма энергии, обнаруженная в 1896 году Анри Беккерелем. В атомах с крупными ядрами, например уране, сила отталкивания между множеством положительно заряженных протонов может дестабилизировать ядро, и в конце концов оно спонтанно распадается, испуская электроны с высокой энергией, фотоны или даже целые ядра гелия. Отбросив часть ядра, элемент превращается в другие элементы с меньшим числом протонов. Например, уран в конце концов распадается до свинца. В 1900-х годах Эрнест Резерфорд понял, что, даже если нельзя сказать, когда собирается распасться конкретное ядро, радиоактивный распад, усредненный по миллиардам частиц, оказывается очень предсказуемым процессом. Каждый изотоп одного и того же элемента (у изотопов одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов) распадается с разной, но регулярной частотой, так что можно точно определить, сколько времени потребуется, чтобы распалась половина атомов данного изотопа. Например, период полураспада урана-238 (у которого 92 протона и 146 нейтронов) составляет 4,5 млрд лет, а урана-235 (92 протона и 143 нейтрона) – 700 млн лет.

Резерфорд догадался, что радиоактивный распад можно использовать как своеобразные геологические часы, если измерить, какая часть пробы распалась. В 1904 году он попробовал измерить распад пробы урана и в качестве возраста Земли получил число около 500 млн лет. Основная идея была верна, но его оценка вызвала сомнения, потому что общепризнанный возраст Земли был гораздо меньше – менее 100 млн лет.

Со временем все больше геологов стали соглашаться, что Земля может быть намного старше, чем считали раньше. Но измерение радиоактивного распада вызывало сложнейшие технические проблемы. Они были решены лишь в конце 1940-х годов с помощью методов, разработанных в рамках Манхэттенского проекта по созданию первой атомной бомбы. Чтобы сделать бомбу, требовалось разделить разные изотопы урана и получить чистые образцы урана-235. Американский физик Уиллард Либби помогал разрабатывать методы выделения и измерения разных изотопов урана, которые впоследствии оказались необходимы для измерения радиоактивного распада.

В 1948 году группе Либби удалось точно определить возраст материала из гробницы фараона Джосера, который ученым предоставил музей Метрополитен [45] . Они использовали углерод-14, радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет, вследствие чего он чрезвычайно удобен для исследования таких органических материалов, как древесина. Для разных периодов и материалов использовали разные радиоактивные вещества. Геологам особенно пригодился распад урана до свинца, а благодаря тому, что изотопы урана распадаются с неодинаковой скоростью, удалось провести перекрестный контроль [46] . В 1953 году Клэр Паттерсон с помощью уран-свинцового метода определил возраст железного метеорита. Он верно предположил, что метеориты состоят из первозданного материала молодой Солнечной системы и поэтому по ним можно судить о ее возрасте в целом. Согласно его измерениям, Земле оказалось около 4,5 млрд лет – значительно больше, чем по оценке Резерфорда. Датировка Паттерсона до сих пор считается верной.