Первым, кто предложил использовать радиоактивный распад для определения возраста Земли, был Эрнест Резерфорд в 1904 году. Тогда не было никакой ясности с этим вопросом, и представления о возрасте Земли были весьма туманны. Результаты, которые были получены по первым минералам, в 1908 году показали, что их возраст достигает несколько миллиардов лет, и это было сенсацией. Уже в 1950-е годы Клэр Паттерсон сумел определить возраст Земли, проанализировав серию метеоритов на содержание изотопов урана и свинца и использовав одновременно образцы донных отложений из глубоководной части океана. По соотношению урана и свинца удалось показать, что возраст составляет около 4,5 миллиардов лет. Эта величина близка к тем показателям, которые сейчас считаются общепринятыми.
Помимо определения возраста по изотопам урана и свинца, существует целый ряд методов определения возраста. Одним из традиционных методов геологии является калий-аргоновый метод, который основан на радиоактивном превращении сорокового калия — изотопа калия-40 — в сороковой аргон. Эта пара очень удобна по двум причинам: во-первых, калия много в природе, во-вторых, аргон представляет собой инертный газ, поэтому мы имеем четкую точку отсчета.
Например, когда кристаллизуется какой-то минерал, в нем заведомо нет аргона, потому что этот процесс происходит при высокой температуре, при которой аргон летучий. Этот момент может служить началом отсчета накопления аргона. По соотношению «калий — аргон» мы можем определить возраст объекта. Этот метод используется в очень широких пределах от тысяч до сотен миллионов лет. Была проведена показательная работа по датированию извержения Везувия, когда были засыпаны пеплом Помпеи. Мы знаем историческую дату этого события, и необходимости в датировке не было. Это была проверка метода, в ходе которой он показал цифры, близкие к тому, что мы имеем в реальности.
Существует еще целый ряд методов, основанных на тех радиоактивных изотопах, радионуклидах, которые образуются под действием космического излучения. Самым популярным методом является радиоуглеродный. Это классический метод, который изначально создавался для археологических объектов, но сейчас используется не только в археологии, став традиционным методом четвертичной геологии. Период полураспада углерода-14 — 5730 лет. Это означает, что мы можем определять возраст объектов в пределах от первых сотен лет до 50 тысяч лет, то есть все, что касается последнего цикла оледенения. В связи с этим метод оказался очень востребованным.
Принцип действия этого метода очень прост. Мы живем в постоянном потоке космических лучей, которые пронизывают нашу Землю, но мы от них надежно ограждены тремя уровнями защиты. Первый — это магнитосфера Солнца, которая препятствует проникновению галактических космических лучей. Второй — магнитное поле нашей Земли, которое также отклоняет лучи. Третий уровень — наша земная атмосфера. Поэтому основные процессы взаимодействия космических лучей, имеющие к нам отношение, происходят на верхней границе атмосферы. Там на атомах азота под действием нейтронов вторичного космического излучения образуется углерод-14. Дальше он перераспределяется в соответствии с круговоротом углерода в природе и участвует в быстром обмене.
Быстрый обмен углерода — это воздух, где он присутствует в виде углекислого газа, биосфера суши и поверхность океана. С некоторой натяжкой можно считать, что во всех этих резервуарах удельная активность углерода усредняется. То есть отношение четырнадцатого радиоактивного углерода к стабильному двенадцатому примерно одинаковое. Но если какой-то объект выпадает из этого круговорота углерода — например, спиленное дерево, мертвое животное или человек, — то с этого момента включаются радиоактивные часы. Больше не происходит пополнения радиоактивного углерода, поскольку нет участия в углеродном обмене, а распад идет.
Мы можем, проанализировав соотношение 12 °C и 14 °C, определить, сколько времени прошло с того момента, как объект выпал из оборота, то есть любую органику мы можем этим методом датировать. Причем карбонатные скелеты и раковины тоже вполне себе датируются радиоуглеродным методом.
Привычно думать, что этот метод используется в археологии. Но менее на слуху приложение радиоуглеродного метода к климатологии. Например, исследование углеродного цикла с помощью углерода-14. Как мы знаем, существует проблема глобального потепления, которую связывают с увеличением концентрации CO2 в атмосфере, и основной резервуар, куда CO2 из атмосферы дальше поступает, — это глубинные воды океана.
Понять, как происходит обмен углерода между поверхностными и глубинными водами, сейчас важнейшая и совершенно нетривиальная задача, на которую пока нет окончательного ответа. В 1970–1980-х годах были проведены длительные и масштабные исследования по всем океанам на содержание углерода-14 в водной толще. Тогда были установлены контуры этого глобального океанического конвейера, и стало ясно, как циркулирует вода в океане.
Причин циркуляции вод две: ветра, которые двигают поверхность, и глубинные воды, которые двигаются за счет изменений разницы в солености и температуре, то есть в плотности. Было установлено, что любой маленький объем воды появляется на поверхности океана примерно в среднем раз в тысячу лет. Таким образом, с помощью радиоактивного углерода была установлена скорость оборота водных масс.
Сейчас радиоуглеродный метод применяется для разных геологических задач. Но самое интересное приложение этого метода появилось в связи с деятельностью человека. В 1960-е годы произошло поступление большого количества радиоактивного углерода в результате атмосферных ядерных взрывов. С тех пор концентрация в атмосфере выросла вдвое. Этот пик радиоактивного углерода можно использовать для датирования недавних событий.
Вырисовываются совершенно неожиданные применения. Например, были проведены работы по определению скорости роста камней в почках: вырезав камень и проанализировав его послойно, по содержанию радиоактивного углерода можно увидеть скорость роста этих камней. С помощью радиоуглеродного метода можно отличать современные слоновьи бивни от старых, определять происхождение алкоголя, год урожая вина. В Америке, где интенсивно используется биотопливо как добавка к автомобильному, радиоуглерод применяется для определения процента биотоплива.
Помимо вопросов, связанных с датировками, радиоуглерод помогает нам многое понять в процессах, связанных с магнитным полем Земли и солнечной активностью. Солнечная активность сильно влияет на космогенные радионуклиды в целом и радиоуглерод в частности, поэтому мы можем по радиоуглероду, например, в годичных кольцах деревьев восстановить, как менялась солнечная активность на протяжении последних столетий.
Наблюдения за солнечной активностью ведутся примерно с 1600 года, когда Галилей изобрел телескоп. Первое время они были не слишком регулярными. Но используя содержание радиоактивного углерода в годичных кольцах, возраст которых точно известен, мы можем понять, как менялась солнечная активность на протяжении тысячелетий. Сейчас такие результаты есть, и мы знаем активность Солнца примерно за 8 тысяч лет.
Интерес к солнечной активности не праздный, потому что она сильно влияет на человеческую жизнь. В первую очередь через климатические факторы, хотя как именно работает взаимосвязь солнечной активности с климатом — не очень ясно. Согласно одной из современных теорий, связующим звеном являются галактические космические лучи. Когда солнечная активность высокая, космические лучи задерживаются и в меньшей степени проникают в атмосферу. Соответственно, меньше ионизация атмосферы, меньше образуется центров конденсации и облаков, поэтому климат более теплый и менее влажный. Вторая версия предполагает, что связующим звеном между солнечной активностью и климатом может быть озоновый слой в атмосфере.
Первые исследования в этой области начал наш соотечественник биофизик Александр Чижевский. Но на том этапе развития науки не было возможности ни подтвердить, ни опровергнуть эти теории о взаимосвязи социальных, медицинских и прочих факторов с факторами космическими. Теперь есть достаточно инструментальных возможностей, для того чтобы реконструировать солнечную активность в прошлом и попытаться понять процессы, которые влияют на нашу жизнь.
