Возраст Земли

Вплоть [58]до конца XVIII века преобладали основанные на Библии представления, согласно которым мир был сотворен всего несколько тысяч лет назад. Поэтому Ч. Лайелю (п. 4.2) потребовалось незаурядное мужество, чтобы заявить, что образование известных геологических слоев должно было занять несравненно более длительный отрезок времени. Но насколько более длительный — оставалось неизвестным. И все же, как это ни странно, уже к середине XIX века большинство геологов считало, что Земля существовала либо вечно, либо в течение столь длительного времени, которое никакими практическими средствами нельзя отличить от вечности.

В 1860 г. выдающийся английский физик Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, сломал ногу и был вынужден провести несколько месяцев в постели. За это время он прочитал недавно вышедшую модную книгу, которая называлась «Проис­хожде­ние видов». Хотя дарвиновской эволюционной концепции он так и не принял, книга навела его на мысль, что время существования Солнца и Земли, требуемое теорией Дарвина, должно быть очень велико — но все же насколько велико? Размышляя об этой проблеме, он придумал способ физической оценки возраста Земли. Способ основывался на предположении, что наша планета образовалась в горячем состоянии с температурой около 1000°С. Рассчитав, сколь долго должен остывать шар таких размеров с учетом его подогрева излучением Солнца и приливным трением, Кельвин пришел к выводу, что Земля образовалась приблизительно 25 миллионов лет назад.

Эта оценка не удовлетворила геологов и биологов-эво­лю­ци­о­ни­с­тов, которые полагали, что для возникновения сложных организмов требовалось еще больше времени — и намного больше. Однако убедительных контраргументов они не находили вплоть до 1899 г., когда ирландский геолог Дж. Джоли[59] обратил внимание на то, что образование соленых океанов должно было занять не менее 100 миллионов лет. Его идея была очень проста: океаны солоны из-за химических соединений, которые приносятся в них реками[60].[61] Взяв известную концентрацию солей натрия в морской воде и разделив ее на годовое поступление этих солей со стоком всех рек Земли, Джоли получил свою оценку.

Окончательную ясность в вопрос о возрасте Земли внес уже XX век. В 1896 году А. Беккерель открыл явление радиоактивности — самопроизвольного распада некоторых атомных ядер, — а в 1903 году П. Кюри и Э. Ре­зер­форд обнаружили, что радиоактивный распад атомных ядер сопровождается выделением тепла (бла­го­да­ря чему работают современные АЭС). Но если Земля содержит радиоактивные элементы (а это так), то это означает существование у нее внутреннего источника тепла. Кельвин этого важного фактора в своих расчетах учесть, естественно, не мог. В 1904 г. Резерфорд показал, что внутренний радиоактивный подогрев мог удлинить время остывания Земли до миллиардов лет. Однако для получения точного результата требовалось точно знать, сколько и каких радиоактивных элементов содержит в себе наша планета, а эти данные и сейчас носят весьма приблизительный характер.

В дальнейшем Резерфорд создал более точные способы датировки горных пород, основанные на анализе радиоактивных превращений. Совокупность таких способов образует сейчас целую научную дисциплину — радиометрию. Основную идею, лежащую в основе радиометрии[62], можно пояснить следующим примером.

Один из изотопов калия, широко распространенного на Земле элемента, K⁴⁰, распадаясь, превращается в аргон Ar⁴⁰. Скорость процесса хорошо известна: спустя 1,3 млрд лет от исходных ядер калия остается ровно половина. Аргон — газ, и дальнейшая судьба его зависит от состояния породы. Если она расплавлена, то аргон выделяется из нее при извержениях. Однако после затвердевания породы атомы аргона остаются связанными в ней. Чем больше времени проходит с момента затвердевания, тем больше накапливается аргона. Анализ содержания аргона-40 и калия-40 в породе позволяет судить о ее возрасте.

Аргон является третьей после азота (78%) и кислорода (21%) составляющей воздуха, которым мы дышим (около 1%). О радиоактивном происхождении атмосферного аргона говорит тот факт, что его атомная масса составляет 40 единиц, в то время как в космосе наиболее распространен изотоп аргона с атомной массой 36[63]. Большое содержание радиогенного (не радиоактивного!) аргона-40 в атмосфере — еще одно свидетельство почтенного возраста нашей планеты.

Сам Резерфорд исследовал геологические образцы, возраст которых достигал двух миллиардов лет. В настоящее время известны породы из Северной Канады (гнейсы Акаста) и Западной Австралии (цирконы Маунт-Наррьер) возрастом от 4 миллиардов до 4 миллиардов 200 миллионов лет[64]. Это говорит о том, что уже в те далекие времена Земля имела твердые участки поверхности, сохранившиеся до наших дней.

Современная же оценка времени формирования самой Земли, полученная путем сравнения изотопного состава земных пород, с составом метеоритов — фрагментов того вещества, из которого когда-то сформировалась Земля, но которые никогда не претерпевали переплавку, — составляет 4,6 миллиарда лет.