Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Исследователи обнаружили, что относительные количества трех изотопов соответствуют тому, чего следует ожидать от солнечных космических лучей. Однако они пришли к выводу, что масштаб солнечной вспышки, необходимой для столь значительного возрастания численности, должен был превосходить самую сильную солнечную бурю за всю историю наблюдений, – ей стало событие Кэррингтона 1 и 2 сентября 1859 года³⁴. Оно имело глобальные последствия: полярным сиянием можно было любоваться даже на юге Карибского бассейна, а в Новой Англии было так светло, что в полночь можно было читать на улице газету³⁵. Почти все телеграфные системы в мире вышли из строя из-за токов огромной силы, наведенных в магнитном поле Земли. Если бы столь грандиозное событие, не говоря уже о более масштабном, произошло бы в сегодняшнем мире, зависимом от спутников и электронных устройств, это стало бы катастрофой. По оценкам Лондонского Ллойда, ущерб от

такого события составит от 0,6 до 2,6 триллиона долларов только для экономики США³⁶. Это тот случай, когда мы очень надеемся, что прошлое – это не анонс будущего.

И, наконец, пришло время кратко коснуться вопроса о еще более отдаленных событиях, повлиявших на летопись ледяных кернов. Взрывное разрушение звезды за считаные часы высвобождает больше энергии, чем Солнце способно произвести за все 10 миллиардов лет своей жизни (см. гл. 16). Поэтому даже несмотря на то, что самые близкие подобные события, зарегистрированные за последние 2000 лет, происходят в сотни миллионов раз дальше Солнца, их огромная энергия все равно может повлиять на Землю. В частности, всплеск рентгеновских лучей, падающий на верхние слои атмосферы, ионизирует большую часть Азота до N₂⁺, который, в свою очередь, соединяется с Кислородом в ряде этапов с образованием нитрат-ионов (NO₃^—). За последние сорок лет звучали различные заявления о том, что во льду обнаружены выбросы NO₃, соответствующие звездным взрывам, которые произошли в 1006, 1054, 1572 и 1604 годах нашей эры – но нам так и не удалось найти убедительных доказательств их правоты ни в одном из независимых исследований ледяных кернов.

Поскольку во всей нашей Галактике каждое столетие взрывается лишь несколько звезд, ждать нам, скорее всего, придется долго – более миллиона лет, если судить по летописи ледяных кернов, – прежде чем ближайшее подобное событие действительно озарит небо. Однако недавно трое исследователей из Национальных институтов здравоохранения связали увеличение содержания редкого изотопа Железа-60 (⁶⁰Fe) в глубоководном керне с прохождением нашей планеты вблизи скопления звезд, которое могло вызвать несколько взрывов, случившихся примерно 2,5–3 миллиона лет назад. Ближайший такой взрыв был бы как минимум в тридцать раз ближе, чем те, о которых нам известно из исторических хроник, и воздействие на Землю было бы в 900 раз сильнее³⁷. Поскольку ⁶⁰Fe – это радиоактивный изотоп, его период полураспада составляет 2,6 миллиона лет, и примерно половина частиц, полученных нами от этих взрывов, все еще сохранилась. На Земле нет источника этого изотопа – весь присутствующий в настоящее время ⁶⁰Fe поступает в виде крошечной доли из примерно 10 000 тонн межпланетной и межзвездной пыли, которая ежегодно опускается на Землю³⁸.

И все же, благодаря титаническим усилиям, ⁶⁰Fe недавно обнаружили в антарктическом снеге. Команда из Германии собрала 500 кг снега со своей антарктической исследовательской станции (всему ему менее двадцати лет) и перевезла его в замороженном виде в Мюнхен. Там ученые расплавили его, тщательно профильтровали, пропустили безводные компоненты через масс-спектрометр и обнаружили пять атомов ⁶⁰Fe (из 50 000 триллионов триллионов атомов, составляющих исходный образец снега). Таким образом, скорость аккреции ⁶⁰Fe составляет около трех атомов на квадратный фут (примерно 30 на 1 кв. м.) в день, или менее 0,6 миллиграмма (масса двух маковых семян) по всей Земле в год. Тщательно сравнивая количество ⁶⁰Fe с другими изотопами, исследователи методично исключали образование частиц из метеоритного материала Солнечной системы, а также влияние ядерных испытаний и других антропогенных последствий – и наконец сделали вывод, что эти атомы рождены из межзвездного облака газа и пыли, через которое сейчас проходит Солнечная система. Они отмечают, что создание многолетней летописи, в которой фиксировалась бы концентрация ⁶⁰Fe, позволило бы определить области космоса, через которые прошла Солнечная система, вращаясь вокруг центра Галактики³⁹.

Другие климатические «посредники»

Годичные кольца деревьев и ледяные керны – далеко не единственные источники сведений о климате далеких эпох. Годовыми слоями обладают и коралловые рифы – вот к кому прекрасно подходит фраза «ты есть то, что ты ешь»! В них остаются изотопные следы, свидетельствующие о температуре океана, об элементах, возникших под действием космических лучей, и о химическом составе воды, в которой они растут. Есть еще фораминиферы⁴⁰, одноклеточные организмы, заключенные в крошечные раковины

из кальцита (CaCO₃). Их формы и размеры необычайно многообразны, а состав их популяций очень чувствителен к температуре и кислотности океана. Когда они умирают и падают на дно, то накапливаются слоями, как и лед, а керны, пробуренные и извлеченные со дна океана, предоставляют нам непрерывную летопись, в которой зафиксированы температура поверхности моря и химический состав океана. Черви и другие существа, обитающие в океанских глубинах, немного портят годовые слои, но радиоуглеродное датирование позволяет устанавливать точный возраст на протяжении по крайней мере 50 000 лет. Соотношение ¹⁸O/¹⁶O в раковинах повторяет картину, обратную тому же соотношению во льду, поскольку чем ниже температура, тем меньше тяжелого изотопа испаряется и тем больше его остается в океане, – иными словами, поэтому чем холоднее, тем больше ¹⁸O в раковинах и тем меньше ¹⁸O во льду⁴¹.

Океанские керны могут раскрыть перед нами страницы исторической хроники в сто с лишним раз более долгой, чем самые глубокие ледяные керны. Недавно ученые из Японии извлекли из океана, с глубины почти в 6 км, образец керна длиной 75 метров, в котором содержалось вещество возрастом примерно в 100 миллионов лет. Они нашли в отложениях множество видов бактерий и, накормив их обедом, увидели, как те начали расти и делиться – конечно, это не совсем «Парк Юрского периода», но все-таки это живые существа из той же эпохи, ожившие в наше время⁴².

Мы можем расширить климатическую летопись, хотя и гораздо более приближенно, до момента возникновения жизни на Земле, произошедшего 3,9 миллиарда лет назад (см. гл. 13). В истории Земли было много ледниковых периодов или, возможно, правильнее сказать, – ледниковых эр, перемежаемых долгими периодами, когда на планете вообще не было никакого льда. Антарктида покрылась льдом примерно 34 миллиона лет назад, хотя обширные ледники в Северном полушарии появились всего 3 миллиона лет назад. До образования нынешнего антарктического ледяного щита Земля была свободна ото льда на протяжении 200 с лишним миллионов лет. Одно из самых сильных оледенений произошло в период, охватывающий время от 720 до 635 миллионов лет назад, когда Земля превратилась в гигантский снежный ком, почти полностью покрытый льдом. За этим последовал теплый период, продолжавшийся почти 200 миллионов лет, – именно в нем, кстати, случился кембрийский взрыв (540 миллионов лет назад), после которого многоклеточная жизнь стала обычным явлением и впервые вышла на сушу. Эти длительные колебания климата были вызваны в первую очередь тектоникой плит – движением континентов, которые сталкивались и снова распадались, плавая в вязкой жидкой мантии Земли.

Как описано выше, действие орбитальных периодов Земли проявляется медленно, на временных масштабах от десятков до сотен тысяч лет. И для того, чтобы полностью осмыслить множество самых разных факторов, отвечающих за климат нашей планеты, и тем самым увериться в нашей способности предсказывать ее будущее, нам нужны еще более продолжительные климатические летописи. Наши атомные историки, найденные в годичных кольцах, ледяных кернах, коралловых рифах и океанских отложениях, дают нам заглянуть в хронику минувших времен, задолго до появления первых homo sapiens. Сам наш вид возник как сила природы, и наша совокупная деятельность меняет климат с беспрецедентной скоростью. И именно здесь важно подчеркнуть, насколько важна роль палеоклиматической летописи, которая позволяет нам оценить и, возможно, даже смягчить наше воздействие – и, таким образом, сделать наше собственное будущее не столь неопределенным.

Глава 12

Гибель динозавров: атомный взгляд

В главе 11 мы привлекли особое внимание к тому, что беспрецедентны не масштабы нынешних изменений температуры Земли, не протяженность ее ледниковых щитов и не химический состав ее атмосферы. Скорость, с которой происходят перемены, – вот что поражает и тревожит, ведь то, что прежде занимало десятки тысячелетий, теперь совершается за десятки лет. Однако даже это стремительное изменение не уникально в истории Земли. Впрочем, в последний раз, когда произошло нечто подобное, существа, преобладавшие на планете в то время, не просто обеспокоились – событие, о котором мы будем говорить, ознаменовало их гибель.

Шестьдесят шесть миллионов лет назад астероид диаметром 10 км упал недалеко от побережья полуострова Юкатан в Мексике. Последствия этого удара уничтожили 75 % жизни на суше и в океанах по всей планете – от диатомовых водорослей до динозавров. Как всегда, мы можем обратиться к нашим атомным историкам, чтобы точно датировать это событие и выявить, к чему оно привело, начиная с нескольких минут после столкновения и заканчивая последствиями, которые проявились лишь многие тысячелетия спустя.