"Происхождение и возраст Земли" - читать интересную книгу автора (Субботин М. Ф.)

7. Возраст Земли

Говоря о происхождении Земли, мы должны, конечно, остановиться и на вопросе о её возрасте. Определение возраста Земли является одной из сложнейших задач, стоящих перед наукой. Только в последние годы открылась возможность сколько-нибудь точно оценить те огромные промежутки времени, с которыми приходится иметь дело при решении этой задачи. Это стало возможным лишь после того, как физики, изучая явления радиоактивности, проникли в тайны строения атомов тех химических элементов, которые образуют нашу Землю. Оказалось, что атомы некоторых элементов являются своего рода часами, очень медленно, но равномерно идущими. Вот эти-то часы и позволили нам впервые составить себе представление о возрасте, по крайней мере, верхних слоёв земной поверхности.

Нашему непосредственному изучению доступна лишь незначительная часть Земли. При помощи шахт и буровых скважин человек проник в глубь Земли не больше, чем на два-три километра, что составляет всего три-пять сотых процента земного радиуса. Геология позволяет судить о более глубоких слоях Земли благодаря тому, что горообразовательные процессы, сминая, разрывая и надвигая друг на друга мощные толщи горных пород, выводят их на поверхность Земли, а размывание дождями и реками глубоко вскрывает строение этих пластов. Это делает для нас доступным изучение пород на глубине до 20 километров, что составляет около 0,3 % земного радиуса. О том, каково строение Земли на протяжении остальных 99,7 % её радиуса, мы можем судить лишь на основании косвенных данных, доставляемых нам изучением силы тяжести в различных точках земной поверхности, изучением землетрясений и исследованием некоторых других явлений. Все эти данные привели к заключению, что внутренность Земли состоит из трёх главных частей.

1)  внешней оболочки, толщиной примерно в 1 200 км, состоящей из каменных пород;

2)  промежуточной оболочки толщиной около 1 700 км;

3)  очень плотного ядра, с радиусом около 3 400 км, состоящего, по-видимому, из железа и никеля.

Внешняя оболочка состоит прежде всего из осадочных пород (песок, глина, песчаники, сланцы, известняки и т. п.), покрывающих большую часть земной поверхности слоем, толщина которого доходит местами до 100 км. Этот слой называется земной корой. Под слоем осадочных пород находится слой из гранитов и базальтов, образовавшихся путём остывания некогда расплавленного вещества.

Под внешней каменной оболочкой находится промежуточная оболочка. Её называют ещё рудной, так как имеются основания предполагать, что она очень богата железом, хромом, никелем и магнием.

Ещё очень недавно считали, что внутренность Земли имеет такую высокую температуру, что вещество может там находиться только в газообразном состоянии. Такое мнение основывалось на том, что температура в доступных для нашего изучения слоях Земли повышается с глубиной (примерно на 3° на каждые 100 метров). Допуская, что это повышение температуры продолжается почти до самого центра Земли, находили в центре температуру около 200 000°. Однако, изучение землетрясений показало, что внутренние части Земли реагируют на сотрясения, как твёрдое тело, упругость которого превосходит упругость стали в 2#189; раза. В настоящее время считают, что наблюдаемое нами повышение температуры с глубиной ограничивается лишь тонким поверхностным слоем и объясняется не тем, что внутренность Земли очень горяча, а тем, что в поверхностном слое находятся радиоактивные элементы (радий, уран, торий и др.), непрерывно выделяющие тепло. Что же касается температуры центрального ядра, то её оценивают теперь всего в 2 000—4 000°. Несмотря на высокую температуру, вещество ядра может обладать свойствами твёрдого тела, так как оно находится под очень большим давлением, доходящим до трёх миллионов атмосфер.

Непосредственное определение возраста, не связанное с той или иной космогонической гипотезой, мы можем производить лишь в отношении самых поверхностных слоёв Земли, так как только эти слои доступны для лабораторного исследования.

Первая попытка такого рода была сделана в 1715 году английским астрономом Галлеем, современником Ньютона. Подземные источники, питающие реки, растворяют находящуюся в земле соль. Эта соль, унесённая реками в океан, там и остаётся, после того как унёсшая её вода испарится и в виде дождя вернётся в источники и реки. Благодаря такому круговороту воды содержание соли в океане с течением времени должно увеличиться.

Галлей предложил определить возраст океана по количеству содержащейся в нём соли. Такие подсчёты, повторявшиеся потом многими учёными при помощи более точных данных, дают возраст океана от 90 до 350 миллионов лет. Однако, этот способ, основывающийся на весьма шатких подсчётах того количества соли, которое ежегодно уносится реками в океан, не может дать сколько-нибудь точных результатов.

Более надёжные результаты дал геологический метод, основанный на определении толщины осадков. Дожди непрерывно смывают почву в реки, а реки уносят её в море и там отлагают. Такая небольшая река, как Темза, ежегодно выносит в море более двух миллионов тонн песка и глины. Общую толщину осадочных пород, образовавшихся на поверхности Земли за время её существования, оценивают в 100 км. Очень трудно найти среднюю скорость образования отложений. По одним подсчётам получается, что для образования слоя отложений, толщиной в один метр, требуется около 3 000  лет, по другим — около 10 000 лет. Исходя из этих данных, возраст Земли, считая со времени начала образования осадочных пород, получается между 300 и 1000 миллионов лет. Но главный недостаток этого метода, не позволяющий надеяться на точные результаты, заключается в том, что у нас нет никаких оснований считать скорость образования отложений неизменной. В давно прошедшие времена, когда только ещё начиналось образование осадочных пород, условия на Земле были совсем иные, а потому и скорость этого процесса могла быть совсем другой.

Лишь после открытия явлений радиоактивности стали возможны действительно надёжные определения возраста Земли. Сущность этих явлений заключается в том, что атомы некоторых химических элементов (получивших название радиоактивных) находятся в неустойчивом состоянии и распадаются, переходя в атомы других элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не получатся устойчивые атомы, образующие элементы, уже не обладающие свойством радиоактивности. Так, например, уран, для которого впервые было открыто (в 1896 г.) это явление распада атомов, переходит сначала в радий (открыт супругами Кюри в 1898 г.) и в гелий — очень лёгкий газ, впервые открытый на Солнце, а затем и найденный на Земле. Гелий дальнейшим изменениям не подвергается. Радий же, в свою очередь, является радиоактивным элементом, и его атомы продолжают распадаться, пока, наконец, не получатся атомы свинца. Распад атомов радия происходит значительно быстрее, нежели атомов урана. Через 1 500 лет грамм радия превращается в полграмма радия и почти полграмма свинца. Таким образом, конечными продуктами превращения урана являются свинец и гелий. Свинец, образовавшийся из урана, обладает теми же химическими свойствами, что и обычный свинец, но имеет слегка другой атомный вес (206,0 вместо 207,1). Это и даёт возможность отличить его от свинца иного происхождения.

Процесс превращения урана в свинец и гелий происходит крайне медленно. Если мы возьмём килограмм урана, то через 66 миллионов лет один процент, т. е. всего 10 граммов, урана превратится в 8,65 грамма свинца и 1,35 грамма гелия. В течение следующих 66 миллионов лет один процент оставшегося урана, т. е. 9,9 грамма, превратится в 8,564 грамма свинца и 1,336 грамма гелия. В следующие 66 миллионов лет один процент оставшегося урана, т. е. 9,801 грамма, в свою очередь, превратится в 8,478 грамма свинца и 1,323 грамма гелия, и т. д.

Самым замечательным является то, что скорость этого процесса, т. е. скорость распада атомов радиоактивных веществ, не зависит от тех условий, в которых вещество находится. Соответствующие опыты показали, что как при температурах, близких к абсолютному нулю (-273° по Цельсию), так и при температурах в несколько тысяч градусов распад атомов происходит одинаково быстро. Точно так же на быстроту распада атомов не влияет и повышение давления до десятков тысяч атмосфер.

Таким образом, определив в какой-либо горной породе количество свинца, образовавшегося из урана, мы можем высчитать возраст этой породы, т. е. число лет, протекших с того момента, когда она застыла. Такой способ годится, конечно, только для определения возраста твёрдого вещества, так как в жидком и газообразном состоянии свинец, получающийся от распада урана, может покидать место своего образования.

Этот способ определения возраста дал для более молодых горных пород, образующих верхние слои Земли, результаты, прекрасно согласующиеся с теми оценками их относительного возраста, которые делали геологи, исходя совсем из других соображений. Применяя этот способ к самым древним породам, получили для их возраста числа от 1 500 до 3 500 миллионов лет. Мы можем, следовательно, утверждать, что твёрдая оболочка Земли образовалась около трёх миллиардов лет тому назад.

Изучение явлений радиоактивности ещё только начинается. Но мы уже знаем, какую важную роль эти явления играют в природе. Превращение одних химических элементов в другие, сопровождаемое огромным выделением энергии, является одним из основных мировых процессов. Этот процесс даёт то огромное количество света и тепла, которое испускается Солнцем и звёздами на протяжении многих миллиардов лет. Роль радиоактивных веществ в жизни нашей Земли только ещё начинает выясняться, но не подлежит сомнению, что она очень велика.

Во всяком случае, в явлениях радиоактивности, так широко распространённых в природе, что нет уголка Земли, где бы мы не могли открыть следов распадающихся атомов, уже найдены превосходные часы для измерения прошлого.