Часы в камне: Артур Холмс и возраст Земли

Фрагмент из книги Дональда Протеро «История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие» [Концепция геологического времени] делает вас шизофреником. Эти две шкалы времени — одна человеческая и эмоциональная, другая геологическая—просто несопоставимы. Но ощущение геологического времени—важная вещь, которую нужно донести до тех, кто не является геологом: даже крохотная скорость геологических процессов — сантиметры в год—приводит к огромным последствиям, если эти процессы продолжаются достаточно долго. Миллион лет на геологической шкале времени—малое число, а человеческий опыт вообще мимолетен — опыт всего человечества, а не одна жизнь. Лишь изредка эти две шкалы времени совпадают. Элдридж Муре. Из книги Джона Макфи «Собирая Калифорнию» Возможно, несколько нескромно спрашивать возрасту нашей Матери- Земли, однако наука не признаёт стыда и время от времени смело пытается вырвать у нее тайну, которая, как известно, хорошо охраняется. Артур Холмс. Возраст Земли Тупик Джеймс Хаттон писал, что мы не находим у Земли «следов начала», а после того как в 1830 г. из печати вышел первый том «Основных начал геологии» Чарльза Лайеля, почти все геологи согласились с тем, что Земля чрезвычайно стара. Но насколько стара? Какое число мы можем предложить для возраста Земли?  Проблема была сложной, однако она не обескураживала ученых, которые пробовали всевозможные изобретательные решения. Самый распространенный метод заключался в том, чтобы сложить максимальную толщину всех осадочных пород на Земле, вычислить, сколько времени потребовалось бы для отложения этих слоев, и получить оценку для минимального возраста. Например, собираем данные о максимальной мощности кембрия по всей Земле, максимальной мощности ордовика и так далее, а затем оцениваем, как долго мог длиться кембрий или ордовик, если взять типичную скорость накопления отложений. Большинство таких оценок дают примерно юо млн лет, что, как мы теперь знаем, отличается от реальности почти в 50 раз. Почему? Применявшие все эти ранние методы пользовались в расчетах ложными исходными предположениями. Важнее всего было то, что они не учитывали эрозионные перерывы в геологической летописи, известные как несогласия, когда породы, представляющие какой-либо временной интервал, просто отсутствуют. Более поздние исследования показали, что в геологической летописи полно такого рода лакун и действительно «пробелов больше, чем записей». Некоторые геологи в ту пору уже подозревали, что подобные несоответствия могут представлять определенную проблему, но никто не мог знать, насколько серьезной она оказалась. Затем появилась знаменитая оценка ирландского физика Джона Джоли. Он попытался рассчитать, сколько времени потребуется океанам, чтобы перейти от пресного состояния к их нынешнему уровню солености, если известна скорость, с которой соль попадает в океаны из рек мира. Он тоже получил величину 80-100 млн лет, отличающуюся от истинной более чем в 50 раз. Что же пошло не так? Проблема снова заключалась в ошибочных предположениях: Джоли исходил из того, что океаны постоянно накапливали соль с момента своего образования. Однако на самом деле содержание соли в океанах не особо меняется с течением времени, потому что основная ее часть блокируется в соляных отложениях в земной коре; в результате поддерживается равновесие, и количество соли в морской воде остается весьма стабильным. Самую известную и авторитетную оценку предложил прославленный физик Уильям Томсон (позднее получивший титул лорда Кельвина). Он сделал значительные открытия в области физики, а именно в термодинамике. Температурная шкала Кельвина названа в его честь: он впервые ввел понятие абсолютного нуля температуры (теперь обозначается как о К). Кстати, единица измерения температуры в этой шкале называется «кельвин», а не «градус Кельвина», поэтому рядом с буквой К не ставится значок градуса. Он также был выдающимся изобретателем и помог создать систему трансатлантических кабелей, которая обеспечила телеграфную, а затем и телефонную связь между Европой и Северной Америкой. В общем, он выделялся среди ученых своего времени, и мало кто осмеливался с ним не соглашаться. В 1862 г. Кельвин занялся вопросом возраста Земли, используя методы термодинамики. Он предположил, что Земля начиналась как расплавленный шар с той же температурой, что и Солнце, и что она охлаждалась с определенной скоростью, которую можно измерить по теплу, идущему из земных недр. С помощью этого метода он вычислил, что Земле всего 20 млн лет, и эта величина оказалась намного меньше, чем та, которую было готово принять большинство геологов. Такой небольшой возраст стал проблемой и для Чарльза Дарвина, который понимал: для того чтобы его недавно предложенная концепция эволюции работала, Земля должна быть очень старой. Оценка Кельвина, казалось, не давала достаточного срока. До конца XIX в. физики и геологи находились в тупике. Ни одна из сторон не могла понять аргументы другой или увидеть изъяны в собственных расчетах. К концу века геологи начали уступать и подгонять свои результаты, сдвигаясь от первоначальных значений 80-100 млн лет до чисел, близких к кельвиновским 20 млн лет. Физике тогда завидовали столь же сильно, как и сейчас! Однако у оценки Кельвина была та же проблема, что и у других: ошибочные предпосылки. Кельвин рассчитал охлаждение Земли, предположив, что планета пользовалась только тем теплом, которое получила при возникновении Солнечной системы, и никаких других источников тепла у нее не было. Сейчас мы знаем, что это не так: Земля действительно имеет дополнительный источник тепла. Она радиоактивна! В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель открыл радиоактивность, а в 1903-м Мария и Пьер Кюри показали, что радиоактивные материалы (например, радий) выделяют много тепла. В то время главным авторитетом Англии по отношению к этому новому источнику энергии был Эрнест Резерфорд, физик родом из Новой Зеландии. В 1904 г. он собирался выступить в Королевском институте Великобритании с рассказом о своем новом открытии и вдруг понял, что в аудитории находится 8о-летний лорд Кельвин. Молодой ученый намерился оспорить оценку возраста Земли, сделанную самым известным в мире физиком! Позже Резерфорд вспоминал: Я вошел в полутемное помещение, быстро заметил в аудитории лорда Кельвина и понял, что меня ждут неприятности в последней части выступления, посвященной возрасту Земли, — там, где моя точка зрения расходилась с его взглядами... К моему облегчению, Кельвин вскоре уснул, но когда я дошел до важного момента, увидел, как опытный старикан приподнялся, открыл глаза и посмотрел на меня недобрым взглядом. Внезапно на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет открыт новый источник [тепла]. Это пророческое высказывание относилось к тому, о чем мы сейчас говорим — к радию! Смотрите! Старик засиял, глядя на меня. Оценка Кельвина базировалась на ошибочном предположении, что у планеты нет других источников тепла, кроме его первоначального запаса, содержащегося в расплавленной массе; в результате Земля должна остывать не долее чем 20 млн лет. Однако радиоактивность как раз и обеспечивает дополнительную энергию. В действительности она дает так много энергии, что сейчас это единственный источник измеряемого тепла из недр Земли. Первоначальное тепло, выделившееся при охлаждении Земли, как считал Кельвин, рассеялось миллиарды лет назад — возможно, в течение 20 млн лет после образования нашей планеты 4,6 млрд лет назад. Геологическое время Беккерель, Кюри и Резерфорд положили начало физике и химии радиоактивности, и открытия их показали, что предположение Кельвина об отсутствии дополнительного тепла было неверным. Но они не были геологами, которых живо интересовала бы проблема возраста Земли. Зато двое других ученых, Бертрам Болтвуд и Артур Холмс, поняли, что радиоактивность не только объясняет, откуда берется тепло, опровергающее предположение Кельвина, но и дает ответ на вопрос: «Сколько лет Земле?» Путь к ответу прост, хотя многие понимают этот метод неправильно. В природе существует всего несколько элементов, которые являются радиоактивными и самопроизвольно распадаются: родительский атом (например, уран-238, уран-235 и калий-40) превращается в стабильный дочерний атом (свинец-206, свинец-207, аргон-40 и кальций-40), и скорость этого процесса достаточно мала, что позволяет использовать его для геологического датирования. Скорость распада известна точно, поэтому если мы сможем измерить в образце количество родительских атомов и количество дочерних, то их соотношение и будет мерой того, как долго происходил распад. Конечно, при работе с настоящими горными породами возникает много сложностей, поэтому должны соблюдаться особые условия. Распад измеряется с момента кристаллизации минерала, вот почему метод в основном применим к магматическим породам, образующимся в результате остывания магмы, — например, потокам лавы, слоям вулканического пепла или внедряющимся магматическим телам, формирующим дайки. Геохронологи (специалисты по радиометрическому датированию) стараются получить как можно более свежие кристаллы, чтобы не было ни утери, ни добавления родительских или дочерних атомов — такие утечки и загрязнения могут исказить измеряемое соотношение. Заранее устранить ожидаемые проблемы и правильно калибровать используемый для надежного определения возраста прибор (его называют масс-спектрометром, поскольку он разделяет разные изотопы и измеряет их массу) помогают разнообразные лабораторные процедуры. Наконец, каждая радиометрическая дата сопровождается оценкой погрешности, основанной на том, насколько воспроизводимым может быть каждый полученный результат. Например, если указывается возраст в юо млн лет ± 5 млн лет, это означает, что с вероятностью в 95% истинный возраст лежит где-то между 95 млн лет и 105 млн лет. Однако в 1900 г., когда радиоактивность только начинали изучать, все это не было известно. Физики пытались датировать горные породы, измеряя количество гелия — газа, выделяющегося при распаде урана, но уловить весь гелий почти невозможно. Другой метод нашел химик из Йельского университета Бертрам Болтвуд: он обнаружил, что уран в результате радиоактивного распада превращается в свинец. Следуя предположению Резерфорда, Болтвуд обратил внимание на то, что породы, заведомо более старые, содержат больше свинца, чем молодые. К сожалению, в то время господствовало самое примитивное понимание схемы превращения урана в свинец. В частности, Болтвуд не знал, что существуют два радиоактивных изотопа урана (уран-238 и уран-235), у которых разные скорости распада и разные дочерние изотопы свинца. И все же после анализа имевшихся у него образцов химик в 1907 г. получил величины от 400 млн лет до 2,2 млрд лет (единица в миллиард лет называется гигагодом и в зарубежной литературе обозначается Ga — сокращение латинского gigaannum). Это стало первым подтверждением догадки, что в действительности Земле уже миллиарды лет, как давно подозревали геологи, и что оценка Кельвина далека от истины. Увы, позднее Болтвуд начал страдать от тяжелой депрессии, и его исследования зашли в тупик. В 1927 г. он покончил с собой. Игры с датировкой Первые анализы Болтвуда показали, что возраст некоторых горных пород достигает 2,2 млрд лет, но дальше ученый не продвинулся. Задача превратить зарождающуюся геохронологию в строгую науку выпала на долю молодого британского геолога Артура Холмса. Холмс родился в 1890 г. в крохотном городке Гейтсхед (недалеко от Дарема и границы с Шотландией) в семье со скромным достатком. Изначально он планировал изучать физику в Королевском научном колледже (ныне Имперский колледж Лондона), но на втором году обучения вопреки советам наставников прошел курс геологии и нашел свое истинное призвание. Молодой Артур Холмс в 1912 г., когда он окончил учебу и начинал свою карьеру в геохронологии. Источник: Wikimedia Commons Холмс оказался блестящим студентом и вскоре занялся исследованиями. Он ухватился за горячую проблему радиоактивности и понял, что датирование уран-свинцовым методом, описанное в статье Болтвуда 1907 г., имеет огромные перспективы. Для своего проекта он использовал норвежский гранит девонского периода. Холмс прервал рождественские каникулы и провел их в Лондоне, работая в одиночестве в тихой лаборатории. Его научный руководитель физик Роберт Стретт отмечал: В настоящее время мы в значительной степени существуем за счет заимствованного оборудования, часть которого принадлежит другим общественным организациям, таким как Королевская обсерватория, Королевское общество и т.д., а часть была одолжена у владельцев. Едва ли стоит напоминать: то, что преподаватели Имперского колледжа вынуждены выпрашивать учебное оборудование у своих личных друзей, кажется несколько ниже достоинства такого учреждения. В январе 1910 г. Холмс в одиночку продолжал работу в тиши холодной лаборатории. В агатовой ступке он измельчал породу в порошок из минеральных зерен, переплавлял эти зерна в платиновом тигле с бурой, растворял их в чрезвычайно едкой плавиковой кислоте, а затем снова и снова кипятил раствор, измеряя выделение радона (косвенно определяя тем самым содержание урана в породе). Содержание свинца молодой ученый измерял так: сплавлял порошок в лепешку, затем кипятил, дважды растворял в соляной кислоте, а после этого давал испариться всей содержащейся воде. Далее он нагревал остаток в сульфиде аммония, и в результате свинец выпадал в осадок в виде сульфида свинца (известного как минерал галенит). Этот осадок Холмс собирал на фильтре, сушил, прокаливал, обрабатывал азотной кислотой, кипятил, обрабатывал серной кислотой и снова нагревал. «В результате, — писал Холмс, — оставалось чуть-чуть белого осадка. Его собирали на очень маленьком фильтре, промывали спиртом, сушили, прокаливали и взвешивали с максимально возможной точностью». Часто оставалось всего несколько миллиграммов вещества. Эти сложные химические манипуляции требовали невероятного терпения, исключительной ловкости и большого количества времени; часто в течение таких процедур расходовался почти весь первоначальный образец. В довершение всего результаты нужно было проверить, поэтому весь анализ ученый повторял от двух до пяти раз — в зависимости от того, сколько исходного вещества у него оставалось. Однажды ему пришлось отказаться от всех полученных данных, потому что в помещение просочился радон. В других случаях возникала необходимость просить в Британском музее еще один образец, так как первоначальный материал закончился. Однако в конце концов вся эта тяжелая работа окупилась, и Холмс получил надежную величину для возраста девонского гранита из Норвегии — 370 млн лет. Геолог значительно усовершенствовал подходы Болтвуда и доказал, что уран-свинцовый метод датирования действительно помогает определить возраст горных пород. Полученные результаты были опубликованы Холмсом в 1911 г. — через год после окончания колледжа.  Все годы учебы Холмс жил на крохотную стипендию в 60 фунтов в год; он был так беден, что на время ушел из колледжа и занялся поисками полезных ископаемых в Мозамбике, чтобы заработать приличные деньги. За 6 месяцев он ничего там не нашел и так сильно пострадал от малярии, что коллеги отправили его семье письмо с сообщением о его смерти. В конце концов он выздоровел и вернулся на судне домой, где стал ассистентом (преподавателем на низкой должности) в своей альма-матер — Имперском колледже Лондона. Там он возобновил изучение уран-свинцового метода, выяснив, что у свинца и урана существуют по два разных изотопа и это нужно учитывать при определении возраста пород. К 1913 г. у Холмса накопилось так много новых данных и так много усовершенствований используемого метода, что в 23 года он сумел написать новаторскую книгу «Возраст Земли» (The Age of the Earth). В ней автор не только объяснил основные принципы геохронологии и обсудил недостатки предыдущих методов датирования возраста Земли, но и окончательно опроверг ошибочную оценку лорда Кельвина. Он установил возраст некоторых старейших пород Британии — 1,6 млрд лет, однако отказался строить предположения о возрасте планеты. Последующие издания книги включали результаты анализа все более и более древних образцов, и к 1950-м гг. у Холмса появилась величина 4,6 млрд лет — современная оценка возраста нашей планеты. Самые ранние работы принесли ученому в 1917 г. докторскую степень в Имперском колледже Лондона. Однако в Европе бушевала Первая мировая война, и жить на жалкую зарплату ассистента было трудно. Чтобы заработать деньги для семьи, он решил снова попробовать себя в качестве геологоразведчика — на этот раз в одной нефтяной компании в Бирме в 1920 г. Но компания обанкротилась, и в 1924 г. Холмс вернулся в Англию без гроша в кармане. Это была не единственная беда: вскоре после приезда в Бирму заболел дизентерией и умер его трехлетний сын. К счастью, после его возвращения в 1924 г. репутация и научные достижения позволили ему получить должность ридера геологии в Даремском университете — недалеко от места его рождения. Там он проработал следующие 18 лет, преподавая геологию, дополняя и уточняя базу радиометрических данных со всего мира. Труды Холмса в этой области были настолько авторитетными, что его называли отцом геохронологии или отцом геологической шкалы времени. В1943 г. ученый переехал к северу от шотландской границы в Эдинбургский университет, где провел последние 13 лет своей карьеры — до выхода на пенсию в 1956 г. в возрасте 66 лет. Пионер тектоники плит За годы преподавания геологии в колледже Холмс обрел достаточный опыт, чтобы написать вводное пособие по геологии. Книга «Принципы физической геологии» впервые появилась в 1944 г., а впоследствии выдержала множество изданий и стала учебником для целых поколений британских студентов-геологов. Однако эта книга не совсем традиционна. В последней главе первого издания Холмс изложил спорную идею дрейфа континентов, выдвинутую немецким метеорологом Альфредом Вегенером еще в 1915 г. Большинство геологов тогда категорически отвергли эту гипотезу, однако Холмс видел доказательства — горные породы в Африке, которые соответствовали породам Южной Америки. Составленная Холмсом схема конвекции в мантии, которая перемещает континенты. Из книги «Принципы физической геологии» (Лондон, 1944) Холмс пошел еще дальше. Зная, как радиоактивность вызывает нагрев земных недр, он разобрался с загадкой Хаттоновой мысли о «великой тепловой машине Земли». В статье, опубликованной в 1931 г., Холмс впервые предположил, что это тепло вызывает мощные конвекционные течения в мантии, которые в свою очередь перемещают расположенные выше континенты. Он даже выдвинул предположение, что морское дно должно расширяться, за десятилетия до обнаружения первых свидетельств такого расширения (спрединга) в конце 1950-х гг. На склоне лет ученый начал получать заслуженные награды за почти единоличное решение проблемы геохронологии. В1940 г. Геологическое общество Лондона присудило ему медаль Мэрчисона, в 1942 г. он стал членом Королевского общества, в 1946 г. — обладателем медали Волластона. В 1956 г. ему вручили медаль Пенроуза — высшую награду Геологического общества США. За год до смерти, в 1964 г., за свой вклад не только в геохронологию, но и в новую область тектоники плит Холмс был удостоен премии Ветлесена, которую иногда называют Нобелевской премией по геологии. Подробнее о книге «История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие» можно узнать на сайте издательства «Альпина нон-фикшн».