я или преломляются подобно звуковым волнам или кругам на воде. Сейсмографы по всему миру занимаются улавливанием волн, достигающих поверхности Земли. Это дает представление о том, как волны перемещаются внутри, а также о характере среды, через которую они проходят глубоко под землей. В 1909 году хорватский ученый Андрия Мохоровичич заметил, что скорость волн меняется на глубине около 20 км под континентами и 5 км под океаном: сначала волны двигались через твердую толщу, а ниже находился плотный слой. Граница между ними стала известна как поверхность Мохоровичича (сокращенно Мохо), она показывает, где мантия Земли переходит в третий тонкий наружный слой, называемый корой.
Кембрийский взрыв
Обилие окаменелостей, найденных в сланцевых породах Канадских Скалистых гор, показало, что сложные формы жизни — виды, до сих пор существующие на Земле, — ворвались в историю планеты примерно 500 млн лет назад.
Это горное образование в Китае очень похоже на найденное в Канадских Скалистых горах, с той лишь разницей, что китайское на 10 млн лет старше. При раскопках в 1980-х годах в Маотяньшаньских сланцах был обнаружен схожий с канадским двойником набор окаменелостей, включая вымерший род Jianfengia (на иллюстрации), — это преследующие добычу членистоногие хищники с жесткими отростками на голове. Китайские окаменелости показали, что 520 млн лет назад жизнь на Земле уже развивалась и менялась.
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.
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?
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.
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.
Минералы циркона — старейшие на Земле. Некоторым кристаллам больше 4 млрд лет.
Дрейф материков
Когда первые точные карты мира стали широко доступны, многие люди заметили одну и ту же вещь — части суши идеально подходили друг другу, как кусочки паззла. Это наблюдение привело к великому предположению.
Первые карты мира, на которых материки приобрели максимально точные для того времени очертания, появились в конце XVI века. Многие детали на картах все еще основывались на домыслах и заблуждениях — особенно в Арктическом и Антарктическом регионах и на восточном побережье Тихого океана, территории, слабо исследованной европейцами. Однако Атлантический океан и его побережья были хорошо изучены. С момента создания первого атласа Авраамом Ортелием люди стали задаваться вопросом, почему Атлантическое побережье Южной Америки и Африка так хорошо подходят друг другу. Авраам Ортелий даже предположил, что Америка «оторвалась от Европы и Африки… этому способствовали землетрясения и наводнения. Следы разрыва обнаруживаются, когда кто-нибудь берет карту мира и тщательно рассматривает побережья».
Столетие спустя Александр фон Гумбольдт имел схожие взгляды. Примерно в то же время Чарльз Лайель, многое сделавший для того, чтобы геология стала главной наукой в 1830-х годах, сформулировал общий вывод: «Следовательно, континенты, хоть и постоянны для целых геологических эпох, полностью меняют свое местоположение с течением времени».
Однако новое поколение геологов XIX века оставило без внимания идею постоянно меняющейся поверхности планеты. (Только представьте сколько времени это займет!) Главный сторонник идеи о неподвижности материков Джеймс Дана, вслед за «Руководством по минералогии», в 1863 году выпустил «Руководство по геологии». В этой книге он заявлял: «У континентов и океанов есть свои очертания или формы, сформированные еще в далекие времена». Эта точка зрения стала известна, как теория фиксизма, и с учетом веса Даны в научной среде было тяжело с ней поспорить. Лучшим доказательством постоянства служил континентальный шельф, который образовался из осадочных пород, намытых реками с суши. Его бы не существовало, если бы континенты находились в движении.
Книга «Зрелище круга земного», которая считается первым атласом мира, была опубликована в 1570 году географом Авраамом Ортелием в Бельгии. Ортелий сделал описания представленных земель, но сам создал только несколько карт. Книга представляет собой сборник из 53 упорядоченных по континентам карт, составленных другими маститыми картографами. Карта все еще включала абстрактную Неведомую Южную Землю вместо Антарктиды. Интересно, что этот континент был показан отклоненным к северу между Индийским и Тихим океанами и покрывал область современной Австралии. За 40 лет до того, как этот островной континент стал известен европейцам в XVII веке, картографы уже предполагали, что там что-то есть.
На рисунках Альфреда Вегенера схематично показано, как некогда континенты были единым массивом суши (слово «Пангея» означает «вся Земля»), а потом они разошлись, заняв места на современной карте мира.
Более старая идея, конкурирующая с теорией фиксизма, получила название «дрейф материков». Согласно этой теории, Атлантический океан сформировался, когда Америка откололась от Африки и Азии, и все континенты мира медленно перемещаются и меняют форму. Теорию приписывают немецкому метеорологу Альфреду Вегенеру, который ввел термин «дрейф материков» в 1912 году. В последующие годы он продвигал эту идею, черпая доказательства в соответствующих ископаемых находках, сопоставляя геологические пласты пород. Все указывало на то, что в какой-то момент далекого прошлого все семь современных континентов были объединены в один. С момента раскола континентов начинаются различия в окаменелостях и слоях пород. Вегенер назвал этот единый сверхконтинент Пангеей и окружил его Панталассой — единым сверхокеаном. Это созвучно с более ранними идеями Эдуарда Зюсса, который, используя те же аргументы, предположил существование южного суперконтинента Гондваны, отделенного от северного континента Лавразии океаном Тетис. Оба были правы: около 200 млн лет назад Пангея раскололась на Гондвану и Лавразию. Однако возникал вопрос: как может дрейфовать сплошная твердая земля? Вегенер считал, что массив суши может перемещаться по морскому дну за счет центробежных сил вращения Земли. Истина, открытая в 1960-е годы, внесла ясность.