Геологические часы - Александр Олейников

Астроном умер через 60 лет. И спустя еще 16 лет в предсказанный им год сотни телескопов во всех уголках Европы были направлены на небо. Множество ученых с нетерпением ожидали, исполнится ли предсказание англичанина. Оно исполнилось. Все газеты мира писали о замечательной комете, и со страниц каждой из них не сходило одно и то же имя - Эдмунд Галлей.

Имя знаменитого астронома известно теперь каждому школьнику. Но значительно меньше людей знают, что этот ученый всю жизнь пытался решить вопрос: когда образовался мир? Он посвятил этой проблеме интересные исследования.

Комета Галлея: 1 - траектория кометы; 2 - один из снимков кометы, переданных со станции "Вега-1" цвета отображают различную степень яркости объекта (самая яркая область кометы - красный цвет, несколько слабее - желтый и т.д.).

Увидев, как в пустынной местности постепенно засолоняются бессточные озера и лужи, оставшиеся от продолжительных дождей, Галлей задумался: нельзя ли использовать эти наблюдения, чтобы выяснить возраст нашей планеты? Астроном предполагал, что океаны произошли от дождей, пролившихся на Землю в первые века ее существования, что дождевая вода абсолютно чистая, т. е. лишена солей. Значит, и вода первичного океана была поначалу пресной.

А между тем речные воды всегда содержат в себе то или иное количество растворенных минеральных солей. Протекая по каменному ложу, сотни тысяч рек размывают горные породы, слагающие берега, и уносят с собой частицы минеральных веществ. Поэтому какой бы пресной ни казалась речная вода на вкус, она всегда содержит соли. Каждый час, каждый месяц, из года в год несут реки свои воды в океан. Под лучами солнца поверхность океана нагревается, вода начинает испаряться. Плывут над просторами моря облака, унося сгустившийся пар. А реки продолжают поставлять в Мировой океан новые и новые порции рассола.

Если взять пробу морской воды, можно выяснить, сколько в ней содержится соли, а зная площадь океана и его глубины, можно вычислить, каково общее количество солей в его водах. С другой стороны, определив объем воды, которую поставляют в моря реки, и количество растворенных в этой воде примесей, можно судить о том, сколько соли ежегодно получает океан с суши. Зная это, мы можем вычислить, сколько времени потребовалось, чтобы реки могли принести все те соли, которые содержатся ныне в морских водах.

Казалось, вопрос решится очень просто. Галлей произвел необходимые расчеты и получил ответ: со времени образования Мирового океана прошло 10 тыс. лет.

Сегодня мы можем повторить вычисления Галлея на вполне современной основе. Объем и массу водной оболочки Земли - гидросферы - удалось подсчитать достаточно точно. Известны средняя солевая насыщенность морских вод и концентрация важнейших веществ, растворенных в водах рек. По нынешним данным в Мировом океане содержится 56 256 000 млрд. т солей. Общий годовой сток рек равен 37 тыс. км3. Если принять, что средняя соленость речной воды составляет 0,146 частей на тысячу единиц, то все реки мира должны ежегодно выносить в океан 5402 млн. т растворенных веществ. Из этого количества около 555 млн. т являются так называемыми циклическими солями, принимающими участие в постоянном кругообороте вод гидросферы и атмосферы. Эти вещества в морской воде не накапливаются, и должны быть исключены из рассмотрения. Значит, годовой привнес новых растворенных веществ в океан составляет 4847 млн. т. Остается разделить 56256*1012 на 4847*106 и получить точную цифру - 11 606 354 года!

Таким образом, возраст океанов увеличивается более чем в тысячу раз. Но можно ли верить результатам пробных определений?

Модель Галлея не учитывала сведений о газах, растворенных в морской воде. Их присутствие может существенно влиять на степень насыщенности вод солями. Совершенно не принималось во внимание количество веществ, которые приносятся в море текучими водами в виде суспензий - взвесей мельчайших частиц горных пород; эти частицы, хотя и не полностью, тоже растворяются. За пределами рассмотрения остались также большие объемы растворенных веществ, выпадающих на поверхность океана с дождевыми осадками.

Да и можно ли утверждать, что накопление солей в океане всегда происходило с такой же скоростью, как сейчас? Не исключено, что ранее оно протекало во много раз медленнее. А каким образом учесть те огромные массы соли, которые выпадают из раствора и осаждаются на дне водоемов? Можно ли сбрасывать со счетов влияние подводных вулканических извержений, распыляющих в океане многие тысячи тонн растворимых минеральных веществ?

Через некоторое время после публикации Галлея химики и геологи постарались учесть все имевшиеся океанологические и гидрохимические материалы, а также сведения о скорости накопления океанических пород и получили более значительную оценку возраста океана - 200 млн. лет. Два столетия спустя эти расчеты были выполнены на уточненной основе, и предполагаемый возраст океана увеличился еще в полтора раза: 350 млн. лет - так оценивалась продолжительность его существования.

Но можно ли утверждать, что океан - ровесник Земли? Какие доказательства можно привести в пользу этого?

Если предположить, что Земля когда-то была полностью расплавленной, то в этом случае вода вместе с другими летучими веществами должна была бы испаряться и в газообразном состоянии накапливаться в атмосфере Земли. Будь это так, то современные океаны были бы попросту остатками древней горячей атмосферы. Но гипотезы о существовании некогда раскаленной планеты геологическими данными, по-видимому, не подтверждаются. Значит, процесс формирования гидросферы более сложный, она может быть следствием дегазации пород в недрах Земли, температурных преобразований глубинных и приповерхностных отложений, а также результатом освобождения воды при выветривании пород.

Стало быть, океаны, по-видимому, моложе земной коры и во всяком случае моложе нашей планеты.

ТАИНСТВЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

О соли, светящейся в темноте, о солнечном газе и дне рождения новой науки

Шли десятилетия, но ответ на интересующий ученых вопрос все не приходил. Только в самом конце XIX века были получены первые обнадеживающие данные.

В один из счастливых для науки дней 1896 г. французский физик Анри Беккерель, случайно оставив в ящике стола кусочек урановой соли и фотопластинку в кассете, обнаружил, что пластинка оказалась засвеченной какими-то неизвестными лучами. Это излучение сразу обратило на себя внимание экспериментатора и вызвало небывалый интерес в научном мире.

Десятки ученых всех стран направили свои исследования на поиски причин таинственного излучения. Неутомимые исследования повлекли за собой серию чрезвычайно важных открытий, положивших начало новому направлению в физике. В результате этих открытий удалось выделить чистый радий, узнать строение атома, изучить структуру атомного ядра и вскрыть природу загадочного явления, именуемого радиоактивным распадом.

Сегодня мы знаем, что все элементы, ядра атомов которых содержат более 81 протона, радиоактивны. Эти так называемые тяжелые элементы (каждый из них имеет несколько разновидностей - изотопов) подразделяются на три класса, или семейства: ряд урана, ряд тория и ряд актиния.

Свойством радиоактивности обладают также некоторые изотопы и более легких элементов. Общее число известных ныне естественных радиоактивных изотопов достигает 60. Жизнь большинства из них весьма коротка, и наблюдать их мы можем лишь потому, что они непрерывно рождаются при ядерных реакциях или в результате разложения других радиоактивных элементов.

Все радиоактивные вещества обладают способностью распадаться, превращаясь в другие - дочерние - химические элементы. При этом скорость распада постоянна и не зависит от каких бы то ни было внешних воздействий. Атомы урана и тория, разрушаясь, превращаются в металл свинец и инертный газ гелий. Гелий может частично улетучиваться, свинец же, напротив, постепенно накапливается в минералах и горных породах. Время, за которое материнский элемент успевает наполовину превратиться в дочерний, называется периодом полураспада.

Радиоактивный распад непрерывно происходит во всей земной коре и во внутренних областях Земли. Стало быть, зная скорость распада урана и тория и количество накопившегося в минерале свинца, можно вычислить время образования этого минерала.

Изучение возраста Земли на основании выявления закономерностей радиоактивного распада началось еще в первые годы нынешнего века. Удалось установить, что гелий, впервые обнаруженный на Солнце и получивший свое название по имени древнегреческого бога этого светила Гелиоса, встречается на Земле достаточно часто, причем родителями его всегда являются радиоактивные элементы уран и торий. Первые опыты определения возраста минералов по этим элементам провел великий английский физик Эрнест Резерфорд.