Глава 2Создание нашей планеты
В 1969 году — том самом, когда астрологи предсказывали большое землетрясение в Калифорнии — на другом краю света разворачивались события, которые привлекли внимание геологов, и их последствия оказались весьма значимыми. Японские ученые, работавшие в Антарктиде, наткнулись на небольшие темные камни, рассеянные по поверхности льда. В этом не было ничего необычного — за исключением того, что регион покрыт снегом и льдом, и никакого местного источника камней попросту не имелось. Как выяснилось, источник оказался не местным — камни были метеоритами и прилетели из космоса.
Но возникла новая загадка. Давно известно, что на планету падает много внеземных материалов — большинство оценок дает величину примерно в сто тонн в день. Однако в основном это крошечные частицы, которые сгорают в атмосфере (такие падающие звезды мы видим в ночном небе), и только очень небольшая часть попадает на Землю в виде заметных метеоритов. Две трети нашей планеты покрыто океанами, и большинство метеоритов попадает в море и там остается. Очень мало людей наблюдало падение метеорита, и вы наверняка не видели их лежащими у себя в саду или в местном парке. Поэтому многочисленные метеориты на антарктическом льду вроде бы не поддавались объяснению. Что же такого особенного в южном континенте, что он собрал больше метеоритов, чем есть где бы то ни было еще?
Как нередко бывает с первоначально загадочными явлениями, нашлось вполне рациональное объяснение. Вскоре оказалось, что помог следующий процесс: метеориты падали в Антарктиде десятки тысяч лет, постепенно накапливались, а затем попадали в небольшие области, известные как области «голубого льда». В одной из этих областей работали японские ученые. Голубой лед возникает в тех местах, где толстые ледники, медленно стекающие с внутренней части континента, натыкаются на какой-то скрытый топографический барьер, например, горный хребет, и их выталкивает вверх. Когда слой льды достигают поверхности, постоянные сильные ветры и сухой воздух Антарктиды разрушают и уносят его, а принесенные ледником метеориты остаются лежать на поверхности. Это похоже на случаи отложения камней и гальки в пустынях, когда ветры сдувают мелкие песчинки, оставляя более тяжелый грубый материал. Подобно гигантской конвейерной ленте, антарктический лед переносит метеориты, выпавшие за тысячи лет, в несколько небольших участков, где лед просто исчезает, а космические камни остаются. После 1969 года в области голубого льда регулярно летом устраивают экспедиции для сбора метеоритов. Ученые всего мира приезжают на континент для таких поисков. Всего за несколько десятилетий найдены десятки тысяч новых образцов, что многократно увеличило запасы в мировых коллекциях.
В чем причина такого интереса к метеоритам? В том, скажут вам многие геологи, что они представляют собой ключи к пониманию того, как сформировалась Земля и Солнечная система. На первый взгляд метеориты не особо отличаются от большинства земных пород. Однако детальное их исследование показывает, что отличия очень велики, и в этом обнаруживается ключ к разгадке их возраста и происхождения. Некоторые древние культуры почитали метеориты, поскольку верили, что те были присланы богами; сегодня их почитают ученые, поскольку эти породы приносят информацию о самых первых эпохах истории Солнечной системы. Почти все метеориты, датированные с помощью радиоизотопных методов, описанных в предыдущей главе, имеют возраст, близкий к 4,5 миллиардам лет, что значительно старше самых старых земных пород. Самый распространенный вид метеоритов — «хондриты» — содержит намеки на те типы материалов, которые пошли на строительство нашей планеты. Действительно, минеральные комплексы в некоторых хондритах, вероятно, во многом представляют состав пород, образовавших Землю.
Хондриты — лишь один из типов метеоритов; все они древние, у каждого есть собственная история, и каждый содержит сведения о том, как создавалась и развивалась наша планета. Например, железные метеориты состоят из твердого железа, которое всегда содержит примесь никеля. Это указывает на то, что такие метеориты — аналоги металлических ядер, находящихся в центре планет (о железном ядре Земли мы поговорим далее в этой главе). Если у вас есть возможность посетить Американский музей естественной истории в Нью-Йорке[11], вы можете прикоснуться к фрагменту одного из таких железных метеоритов, который, вероятно, некогда был частью ядра небольшого астероида. При возрасте в 4,5 миллиарда лет он, несомненно, окажется самым старым предметом, к которому вы когда-либо прикасались. Этот массивный кусок железа массой примерно 34 тонны взят от одного из самых крупных известных метеоритов — метеорита Мыс Йорк, названного (как и все метеориты[12]) по месту находки — в нашем случае по названию мыса Йорк на северо-западе Гренландии. Он был «открыт» в 1894 году американским исследователем Робертом Пири (инуиты знали его уже много веков и использовали в качестве источника железа). Датирование показывает, что метеорит Мыс Йорк упал на Землю примерно 10 тысяч лет назад, распавшись при пролете через атмосферу на множество частей. Образец в Музее естественной истории — самый крупный из многочисленных фрагментов этого тела, выставленных в музеях мира.
В отличие от железных метеоритов, хондриты состоят из месива минеральных зерен, многие из которых встречаются и в земных породах, но кроме них включают никелистое железо, которого в земных породах нет, а также мелкие похожие на мрамор сферические зерна, называющиеся «хондрами»[13] (отсюда и название этого типа метеоритов). Хаотическая текстура хондритов указывает на то, что они образовывались случайным образом из различных компонентов. Их текстура также свидетельствует об очень важном признаке: они никогда не плавились целиком. Более того, отдельные минеральные зерна в хондритах имеют самый древний возраст, когда-либо измеренный с помощью радиоизотопного датирования: они датируются первыми днями существования Солнечной системы. Благодаря этим двум свойствам изучающие их геохимики пришли к выводу, что хондриты приносят нам то, чего мы не можем найти на Земле или в других разновидностях метеоритов: образец того исходного материала, из которого образовались Земля и соседние планеты. Похоже, это неизмененные образцы твердой материи, которая летала в Солнечной системе в момент рождения Земли; есть веские доказательства, что их источник — небольшие астероиды, которые никогда не становились достаточно крупными, а потому не нагревались и не плавились.
Примитивная природа хондритов сделала их основным источником информации об общем химическом составе Земли. Вы можете спросить, почему ключевую роль играют такие редкие камни, когда прямо под ногами у нас вся планета — бери и анализируй. Вы можете также спросить, зачем вообще знать общий состав Земли. Вкратце ответ таков: если мы хотим понять, как Земля дошла до нынешнего своего состояния, нам нужно кое-что знать о ее первоначальном общем составе. Его нелегко установить, когда наш доступ к породам осуществляется только через тонкую внешнюю оболочку планеты, которая сильно отличается от недоступной внутренней части. Однако, используя информацию от хондритов как своего рода проверку в реальных условиях, объединяя данные прямых измерений поверхностных пород и сведения о внутренности планеты, полученные с помощью дистанционного зондирования, геохимики смогли разработать модели для общего состава Земли, которые можно подтвердить независимыми свидетельствами — например, данными о плотности нашей планеты.
Важная при изложении таких моделей идея — то, что состав Земли и других планет земной группы (это внутренние планеты Солнечной системы — Меркурий, Венера, Земля, Марс) зависит от пропорций основных минералов, найденных в хондритах. Яркий пример — железо: хорошо известные различия в плотности планет земной группы можно практически полностью объяснить различным содержанием железа в них. В хондритах много зерен железа, однако их количество в разных хондритах отличается. Согласно таким моделям, Земля намного тяжелее Марса, потому что ее хондритоподобные строительные блоки содержали больше железа. Точно так же и другие различия между внутренними планетами можно понять, если оперировать различными количествами компонентов хондритов. Несомненно, это чересчур упрощенное описание того, что происходило в реальности, однако это не отменяет важности хондритов как хорошей отправной точки для понимания состава Земли и других планет. Разные планеты в итоге включали разное количество тех или иных составляющих этих метеоритов.
Но даже если метеориты дают хорошее представление о химическом составе Земли, они мало что говорят нам о процессе формирования планет. Что заставило сформироваться нашу планету 4,5 миллиарда лет назад? Кое-что можно узнать по метеоритам, однако большая часть сведений исходит из других источников, особенно из астрономических теорий и наблюдений.
В 1990 году НАСА запустило ныне знаменитый космический телескоп «Хаббл». Несмотря на то, что поначалу обнаружились проблемы с оптикой, с ними в конце концов справились, и с тех пор аппарат отправлял четкие потрясающие фотографии других далеких миров. Среди самых захватывающих объектов — исполинские облака в местах, которые мы привыкли считать «космической пустотой». Эти облака были хорошо известны астрономам и до запуска «Хаббла», однако снимки космического телескопа особенно красивы. На них видны огромные, неправильные, клочковатые, хаотичные, а иногда даже грозные на вид облака из газа и пыли. Оказывается, в этих повергающих наблюдателя в трепет областях зарождаются новые звезды и планеты.
С помощью телескопов, подобных «Хабблу», астрономы смогли непосредственно наблюдать за образованием звезд в межзвездных облаках. Другие астрономические наблюдения показывают, что у многих звезд есть обращающиеся вокруг планеты. (Эти наблюдения трудны, и до сих пор астрономы находили планеты гораздо крупнее Земли. Тем не менее, с 1995 года уже обнаружены сотни экзопланет, и большинство ученых полагает, что обнаружение маленьких землеподобных планет у других звезд — всего лишь вопрос времени и совершенствования технологий). Таким образом, имеющиеся факты заставляют предположить, что системы, подобные Солнечной, вполне обычны, и что материал, из которого состоят Солнце и планеты, когда-то был частью межзвездного газопылевого облака, похожего на те, что наблюдает «Хаббл». Прямые наблюдения показывают, что основными компонентами этих облаков являются водород (самый распространенный элемент во Вселенной) и гелий. Однако они включают и другие вещества — в частности, множество твердых «пылевых» частиц: микроскопические кристаллики замерзших соединений, содержащих водород (например, метана, аммиака и обычной воды); крохотные частички глины; зерна некоторых дру