До сих пор то, что возраст Земли составляет 4,5 миллиарда лет, принималось нами почти как нечто само собой очевидное. Но, собственно говоря, каким образом было установлено, что возраст Земли, по-видимому, составляет 4,5 миллиарда лет?
Земля, как уже неоднократно говорилось, обладает внутренним источником тепла, являющимся решающим фактором в ее развитии. И его существование стало причиной различных движений земной коры, бесчисленно раз происходящих после ее образования. Поэтому обнаружить породы, сформировавшиеся в период становления Земли как планеты, фактически невозможно. А ведь анализ лишь этих пород при помощи рассмотренных далее методов определения абсолютного возраста смог бы точно установить время, когда образовалась Земля. Однако надеяться иа это совершенно бесомысленно.
Возраст, принятый в настоящее время для Земли, определен косвенно — по возрасту метеоритов. Можно считать, как уже говорилось, что Земля и метеориты сформировались почти в одно и то же время. На это хотя бы указывает то, что И в Земле и в метеоритах раньше должно было содержаться значительное количество йода-129, имеющего период полураспада 17 миллионов лет. А поскольку Земля и метеориты образовались почти в одно и то же время, то если бы удалось достоверно определить возраст метеоритов, его можно было бы считать и возрастом Земли.
Для определения абсолютного возраста пород существуют различные методы. Мы их рассмотрим далее. Здесь же приведем результаты определения возраста метеоритов.
Около 4,5 миллиарда лет назад в результате протекавших ранее процессов нуклеосинтеза уже существовал весь набор химических элементов, составляющих нашу Солнечную систему. Химические элементы находились в космическом пространстве в виде межзвездного газа (с примесью пыли), иногда концентрирующегося в облака. К таким облакам относилось и протосолнечиое, которое обладало почти той же массой, что и современная Солнечная система. При сжатии в его центре сформировалось Солнце. Согласно теоретическим представлениям масса межзвездного газа, из которого образовалась Солнечная система, должна составлять 1,05 массы Солнца. Как показывают расчеты, системы подобного типа, то есть имеющие в центре лишь одну звезду, не могут сформироваться, если масса газа больше или меньше этого значения.
На ранних стадиях сжатия облака, еще до того как в его центре образовалось Солнце, облако, медленно вращаясь, начало постепенно уплощаться н приняло дискообразную форму. Именно с этого момента, собственно, и началась стадия протосолнечной туманности. Поскольку в это время температура в туманности стала падать, возникла конденсация составляющего ее газа. В результате протосолиечная туманность, по-видимому, стала состоять в основной своей внешней части из бесчисленного множества мелких частиц размером несколько миллиметров. В дальнейшем, по мере того как облако становилось все более плоским, плотность его вещества увеличивалась, и вследствие механической неустойчивости облако разделилось на группы тел размером около 10 километров, называемых микропланетами, или планетезималиями .
Микропланеты в результате повторявшихся столкновений друг с другом сливались, разрастаясь в конце концов до размеров планет, таких, как, скажем, Земля и Марс. Как показывают расчеты, время, необходимое для формирования планет типа Земли или Марса из протосолнечной туманности, составляет от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов лет. Это хорошо согласуется с выводом, сделанным на основании существования в прошлом йода-129, о том, что промежуток времени, прошедший с момента завершения реакций нуклеосинтеза элементов до эпохи формирования Земли и метеоритов, равнялся около 100 миллионов лет.
Теперь можно более подробно остановиться на блестящем результате опыта Рей-нольдса. Дело в том, что если на ранних стадиях существования метеоритов в них присутствовал йод-129, то образование метеоритов должно было начаться не позднее чем через 100 миллионов лет после некоторого процесса ядерного синтеза (или, как говорят, нуклеосинтеза), приведшего к возникновению йода-129 и других элементов, В дальнейшем было установлено, что некоторое количество ксенона-129, содержащегося в земной атмосфере, также образовалось при распаде йода-129 (конечно, при этом использовался уже другой метод, который мы здесь не будем обсуждать из-за его громоздкости).
Из этого можно заключить, что и Земля сформировалась спустя примерно 100 миллионов лет после упомянутого процесса нуклеосинтеза9.•
Однако хотя процесс нуклеосинтеза, в котором образовался йод-129, произошел не ранее чем за 100 миллионов лет до образования Земли и метеоритов, нет никаких оснований предполагать, что синтез всех элементов, составляющих Солнечную систему, протекал одновременно. Наоборот, имеющиеся данные указывают на то, что образование некоторых элементов происходило за чрезвычайно длительное время. В частности, об этом свидетельствует изотопный состав урана, содержащегося в Земле и метеоритах.
Прежде чем окунуться в действие яркого и красочного спектакля «История Земли», давайте познакомимся с происхождением его главных действующих лиц — урана и тория и с тем, как образовались в космическом пространстве другие химические элементы, из которых сформировалась Земля.
Как сейчас полагают, Земля образовалась в Солнечной системе 4,5 миллиарда лет назад из обширной газообразной протосолнечной туманности, и уже тогда в состав этой туманности входили составляющие современную Землю химические элементы. Но как возникла эта туманность и как произошли составляющие ее химические элементы?
Поставленные здесь вопросы очень сложны, и полного ответа на них наука пока не получила. Тем не менее уже сегодня можно сделать некоторые вполне определенные выводы. Значительная их часть следует из изучения распределения радиоактивных и стабильных изотопов химических элементов в веществе Солнечной системы.
Один из наиболее впечатляющих результатов этого изучения состоит в следующем. Ученым удалось обнаружить свидетельства в пользу того, что в метеоритах и на Земле раньше существовал один из радиоактивных изотопов йода — йод-129. Еще раз подчеркнем слова «раньше существовал», так как период полураспада йода-129 не превышает 17 миллионов лет при возрасте Земли и метеоритов 4,5 миллиарда лет. Нетрудно подсчитать, что экспоненциально уменьшаясь согласно закону радиоактивного распада, количество йода, существовавшего в момент возникновения Земли, должно за 4,5 миллиарда лет сократиться до 10-80 от начального значения.
Тепловая эволюция тел, имеющих внутренние источники тепла, тесно связана с размерами этих тел. Давайте, например, попробуем сравнить Луну и Землю. Предположим, что удельное содержание радиоактивных элементов в них одинаково (в действительности же, как полагают, удельное содержание радиоактивных элементов на Луне вдвое меньше). Поскольку Луна очень мала по сравнению с Землей, доля тепла, излучающаяся с ее поверхности, по сравнению с общим количеством выделяющегося тепла в лунных недрах значительно выше, чем для случая Земли 6. Практически Луна даже не прогревается своими внутренними источниками тепла, и поэтому на ней почти полностью отсутствуют наблюдаемые на Земле интенсивные тектонические (в частности, ведущие к образованию гор) и медленные колебательные движения коры.
На Земле, являющейся по сравнению с Луной очень крупным телом, тепло, выделяющееся радиоактивными элементами, накапливалось, температура ее недр повышалась, и поэтому Земля после своего возникновения не остывала, как полагал лорд Кельвин, а, наоборот, разогревалась (за исключением верхнего слоя).
Важную информацию о количестве тепла, выделяемого в недрах Земли, и о распределении его источников (радиоактивных веществ) можно получить при измерении количества тепла, просачивающегося через поверхность Земли. Ученые здесь поступают подобно врачу, ставящему диагноз, прослушивая больного и измеряя его температуру. При этом прослушивание заменяется изучением внутреннего строения Земли при помощи сейсмических волн, а температуру определяют, измеряя тепловой поток, проходящий наружу через земную поверхность. Так, используя физические методы, ставят диагноз состоянию Земли.
Однако сейчас, спустя 4,5 миллиарда лет, Земля, за исключением некоторой части ядра, находится в твердом состоянии5 (согласно данным сейсмологических исследований, внешняя значительная часть ядра Находится в жидком состоянии). Следовательно, определенная часть внутреннего тепла Земли должна была рассеяться за ее пределы. Медленно распространяясь по горным породам, это тепло, поднимаясь вместе с магмой к земной поверхности, затем покидает Землю, уносясь вместе с вулканическими газами, водяным паром и другими продуктами извержений.
Породы поверхностных слоев являются, образно говоря, ватным одеялом, укутывающим Землю и препятствующим потере тепла. По этой причине наблюдается повышение температуры при рассмотрении более глубоких слоев Земли. Однако поскольку тепло легко рассеивается с земной поверхности, то для близкорасположенных к ней горных пород, сколько бы сотен миллионов лет ни прошло, никакого повышения температуры наблюдаться не будет.
А ведь энергии, скрытой в радиоактивных элементах горных пород, достаточно, как мы помним, чтобы за несколько десятков миллионов лет полностью расплавить, например, кусок гранита, в котором они содержатся. Это означает, что если следовать Томпсону, то Земля после своего возникновения не только не будет остывать, но, напротив, должна разогреваться за счет энергии радиоактивного распада.
Конечно, это повышение температуры не может продолжаться до бесконечности. По мере истощения запасов радиоактивных элементов выделение тепла во внутренних частях планеты будет ослабевать, и когда-нибудь Земля, по-видимому, совершенно остынет.
В настоящее время мы пока не можем дать ответ на вопрос, находится ли Земля по-прежнему в процессе повышения температуры или он уже сменился остыванием. И будущее простого куска гранита может оказаться весьма символическим и навести на мысли, помогающие понять историю всей Земли.
Лорд Кельвин, а именно такой титул носил У. Томпсон, опубликовал в период с 1862 по 1899 год цикл работ, посвященных определению возраста Земли. Он предполагал, что во времена, когда Земля сформировывалась как планета, она находилась в расплавленно-жидком состоянии. Образовавшись при высокой температуре, наша планета затем начала остывать за счет излучения тепла с поверхности. Учитывая, кроме того, тепло, получаемое Землей от Солнца, а также тепло, выделяемое в результате трения при приливном взаимодействии между Землей и Луной, можно, пользуясь теорией теплопроводности, рассчитать время, требующееся на остывание Земли до современной температуры. Основываясь на таком расчете, Томпсон в своей знаменитой статье «Возраст Земли как места обитания жизни» писал, что возраст нашей планеты можно считать самым большим 20-7-400 миллионов лет.
Однако вывод о том, что возраст Земли не превышает нескольких сот миллионов лет, уже в то время являлся весьма трудноприемлемым для геологов. Уже тогда было известно, что в различных районах земного шара толща осадочных пород достигает мощности несколько километров. Скорость же накопления осадков в глубоководных областях океанов крайне мала и не превышает нескольких миллиметров за тысячу лет. Следовательно, чтобы образовалась толща осадочных пород мощностью в несколько километров, необходимо время, большее 1 миллиарда лет.