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 (рис. 8.1). 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.
Рис. 8.1 Молодой Артур Холмс в 1912 г., когда он окончил учебу и начинал свою карьеру в геохронологии. Источник: Wikimedia Сommons
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 (см. главу 11), 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[31] 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. В 1943 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. (см. главу 18). Большинство геологов тогда категорически отвергли эту гипотезу, однако Холмс видел доказательства – горные породы в Африке, которые соответствовали породам Южной Америки.
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 (рис. 8.2). Он даже выдвинул предположение, что морское дно должно расширяться, за десятилетия до обнаружения первых свидетельств такого расширения (спрединга) в конце 1950-х гг.
Рис. 8.2 Составленная Холмсом схема конвекции в мантии, которая перемещает континенты. Из книги «Принципы физической геологии» (Лондон, 1944)
На склоне лет ученый начал получать заслуженные награды за почти единоличное решение проблемы геохронологии. В 1940 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.
09. Посланцы из космоса: происхождение солнечной системыХондриты
За рамками души большинство видов искусства черпают вдохновение в природе. Для меня эстетические метеориты – наилучшее приближение к способности созерцать то, что есть на небесах.