Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

порода затвердевает и блокирует все свои атомы, каждый захват электронов, производимый изотопом 40K, приводит к тому, что одинокий атом газообразного Аргона попадает в клетку, выстроенную из окружающих молекул горной породы. В сущности, это позволяет нам применить простой метод «накопительных часов», описанный в главе 6. Простой подсчет количества атомов 40K и 40Ar и установление соотношения позволяет нам определить уникальную точку на кривой распада материнских ядер и накопления дочерних (см. рис. 6.6) и непосредственно установить возраст. Однако на практике это предполагает некоторые допущения и большую осторожность при проведении измерений.

Во-первых, как отмечалось в главе 11, Аргон – это третий по распространенности элемент в атмосфере Земли, и мы должны предположить, что в минерал, когда тот охлаждается из жидкого состояния в твердое, не проникает воздух; в противном случае начальное содержание 40Ar не было бы нулевым, как того требует метод «накопительных часов»9. Более того, нужно тщательно выбирать исследуемый кристалл, следя за тем, чтобы в нем не было никаких трещин, через которые может вытечь радиогенный Аргон. Здесь не обойтись без тщательной обработки, при которой породу измельчают, после чего вручную отбирают отдельные кристаллы и осторожно их нагревают, чтобы удалить из воздуха любой поверхностный Аргон, а затем их помещают в вакуумную печь, куда добавляют точно известное количество 38Ar – и расплавляют образец, чтобы высвободить все захваченные газы (H2O, CO2, Ar и др.). Посторонние газы вымораживают жидким Азотом, а оставшийся Аргон направляют в масс-спектрометр, разделяющий изотопы. Любой присутствующий 36Ar может поступать только из воздуха (где он составляет 0,334 % от общего количества Аргона), поэтому его содержание позволяет вычислить абсолютное значение для поправки на воздух и вычесть соответствующее количество каждого изотопа. Оставшееся количество 38Ar добавляется только для точности измерений, а отношение этого количества к 40Ar показывает, сколько радиогенных атомов присутствует в образце.

Недавно была разработана новая версия основного метода, которая несколько упрощает процесс и снижает погрешности измерений. В ее основе лежит то преимущество, что между Калием и Аргоном существует еще одна родственная связь через реакцию

39K + n → 39Ar.

В данном случае 39Ar претерпевает бета-распад и разрушается до 39К с периодом полураспада, составляющим всего 269 лет; даже в молодой породе возрастом 10 000 лет останется только один из 100 миллиардов атомов 39Ar, а у образца возрастом 66 миллионов лет оставшееся количество равно нулю. Метод предполагает, что кристалл сперва бомбардируют нейтронами для получения 39Ar, а затем измеряют относительные количества 36Ar, 38Ar, 39Ar и 40Ar, что позволяет одновременно оценить загрязнение воздуха и количество присутствующего в породе Калия и тем самым установить возраст.

А теперь поговорим о тектитах – стеклянных шариках размером от миллиметра до сантиметра, которые возникли в результате сильного нагрева, вызванного ударной волной после столкновения Земли с астероидом, и теперь разбросаны по всему Карибскому региону в слоях горных пород, связанных с границей K-Pg. При помощи калий-аргонового датирования коллекции тектитов с Гаити П. Ренн и его коллеги установили наиболее точную дату падения астероида Чикшулуб (66,038 ± 0,04 млн лет назад) с замечательной точностью 0,06 % (или всего 32 000 лет) – это сравнимо с тем, как если бы вы вспомнили, когда проснулись этим утром, с точностью до 20 секунд10. Далее они сравнили эту дату с другими, рассчитанными на основе изучения бентонитов – кристаллов глинного минерала из Хеллс-Крик, штат Монтана, время появления которых совпадало со скачком Иридия на границе K-Pg, и установили возраст 66,043 ± 0,04 миллиона лет, что в полной мере соответствует данным, полученным при помощи тектитов, найденных в пяти тысячах километров от этого места. Дата вымирания динозавров – одна из наиболее точно известных во всей геологии.

Если это покажется вам недостаточно точным, у нас есть даже данные о месяце, когда произошел удар. Формация Типот-Рок в Вайоминге, известная благодаря одноименному скандалу в администрации Гардинга, содержит все геологические признаки – увеличенное количество Иридия; минералы, образовавшиеся при ударе; тектиты и так далее, – свойственные другим месторождениям, расположенным на границе K-Pg по всему миру. Во время столкновения с астероидом эта территория была покрыта широким и мелким внутренним морем. Джек Вулф извлек окаменелые листья кувшинок из слоя отложений, совпадающего с границей K-Pg, и показал, что они имели искаженные, сломанные жилки – ему удалось воспроизвести этот эффект, поместив современные листья кувшинок в морозильную камеру. Вулф предположил, что к замерзанию растений привела «импактная зима» (см. ниже), которую вызвали обломки пород, заполонившие стратосферу в результате столкновения. Учитывая репродуктивную стадию, которой достигли различные виды водных растений, он пришел к выводу, что удар, должно быть, произошел в начале июня11. Подробный отчет об этом роковом дне мы приведем чуть позже.

Стремительное изменение климата

В ходе масштабных извержений вулканов, произошедших трижды за последнее столетие (Агунг в 1963 году, Эль-Чичон в 1982-м и Пинатубо в 1991-м), в стратосферу проникало огромное количество выбросов, достигавших такой высоты, что они окружали земной шар и вызывали падение глобальной температуры с 0,10 до 0,25 °C в течение нескольких лет после каждого события. В каждом из этих взрывных извержений объемы выброса составили более 10 кубических километров (около 25 миллиардов тонн) вещества. В главе 11 мы говорили о том, что в исторические времена происходили еще более крупные извержения, – скажем, одно из таких случилось в 1257 году нашей эры. Оно имело место в Индонезии, и, по оценкам, объемы выбросов составили 40 кубических километров вещества, что вызвало коллапс сельского хозяйства следующим летом, поскольку солнце в небе так и не появилось. Как полагают, удар Чикшулуба был в 2500 раз сильнее – он произвел 100 000 кубических километров выбросов.

И кроме того, астероид попал в самое неудачное для динозавров место – в участок, богатый ангидритом (CaSO4) и его водонасыщенной формой, которую мы называем гипсом. В результате в стратосферу поднялось примерно 300 миллиардов тонн серы, которая соединилась с водой, образовав серную кислоту H2SO4, и конденсировалась в крошечные капли с высокой отражающей способностью. В течение десятилетия или около того эти капли, в сочетании с огромным количеством пыли и сажи, уменьшили количество солнечного света, достигавшего поверхности Земли, на 80–90 %. Фотосинтез практически прекратился, а температура воздуха резко упала. Однако большая теплоемкость глубоких океанов могла противостоять внезапным и сильным изменениям температуры. Океаны оставались теплее воздуха, что создало идеальные условия для формирования гигантских яростных штормов, а они, в свою очередь, еще дольше удерживали в воздухе частицы пыли.

Хотя резкое вымирание морских видов на границе K-Pg – это явный признак внезапных драматических изменений, после него все ископаемые, такие как фораминиферы, при помощи которых мы измеряли температуру океана в главе