Учёные утверждают, что Земля образовалась четыре с половиной миллиарда лет назад. Это невообразимо давно. Как удалось заглянуть в столь далёкое прошлое и установить этот факт?
Ключ к разгадке: радиоактивность
Ключ к точному измерению возраста Земли дала открытая в начале XX века радиоактивность. Суть её в том, что нестабильные атомы химических элементов постепенно распадаются на более лёгкие с выделением энергии, элементарных частиц и жёсткого гамма-излучения. На этом явлении основана атомная энергетика. Даже двигатели некоторых космических аппаратов (например, знаменитых "Вояджеров") использовали атомный распад в качестве источника энергии.
Если взять отдельный радиоактивный атом, то невозможно предсказать, когда он закончит своё существование. Этот процесс случаен и может произойти в любую минуту. Но если атомов данного типа будет множество, то время, за которое распадётся половина из них - величина очень стабильная. Это время называют периодом полураспада. Его постоянство используют для определения возраста всего чего угодно, от новгородских берестяных грамот и Туринской плащаницы до древних карельских гранитов и даже целых небесных тел.
Как измерить миллиарды
Идея проста. Если мы знаем исходное содержание продуктов распада какого-то радиоактивного элемента в интересующей нас горной породе, то, посмотрев на изменения, произошедшие с течением времени, сможем точно определить то самое время, за которое эти изменения произошли.
Но для Земли очевидны и проблемы. Во-первых, её возраст весьма почтенен, и надо использовать какой-нибудь атом с огромным периодом полураспада. Во-вторых, найти на планете, поверхность которой постоянно изменяется и переплавляется, древние горные породы может быть непросто. Наконец, в-третьих, как узнать ту самую исходную концентрацию продуктов радиоактивного распада?
Преодолеваем проблемы
1. Подходящий радиоактивный элемент с большим периодом полураспада быстро нашёлся. Им оказался уран, точнее, две его изотопа - U-235 и U-238 с периодами полураспадов 0.7 и 4.5 миллиарда лет соответственно. В ходе их распада образуются два различных стабильных (то есть, не проявляющих радиоактивности) изотопа свинца, по содержанию которых вместе с содержанием урана можно определить возраст исследуемой породы.
Для определения возраста Земли и минералов часто используют уран-свинцовый и свинец-свинцовый методы, то есть определяют соотношение радиогенных и нерадиогенных изотопов свинца в породе с учётом или без учёта количества урана. Уран - довольно подвижный химический элемент, его концентрация в породе может меняться со временем под действием различных факторов, поэтому часто удобнее не учитывать его содержание, а изучать только количества изотопов свинца (в этом и есть суть свинец-свинцового метода). В то же время, современное соотношение изотопов урана постоянно в самых различных породах.
2. Найти очень древнюю породу на Земле весьма непросто. Литосферные плиты движутся, породы переплавляются, в то время как определить возраст минерала можно только с момента его затвердевания. Поэтому все земные камни моложе, чем сама планета.
Несмотря на это, оказалось, что даже если взять буквально первый попавшийся под ногами камень, его возраст окажется в разы выше, чем более ранние оценки лорда Кельвина (полученные ещё до обнаружения радиоактивности), которые он считал важнейшей работой своей жизни.
По мере обнаружения более и более старых минералов и совершенствования методов оценки возраста Земли всё больше уходили в прошлое. Наиболее древние из известных сейчас пород - это кристаллы циркона с возрастом 4.4 миллиарда лет. Циркон - тугоплавкая и очень распространённая магматическая порода, которая содержит включения радиоактивных элементов и очень хорошо сохраняется с течением времени.
Но очевидно, что и это не предел.
3. Используем метеориты. Считается, что Земля и Солнечная система в целом образовались примерно в одно и то же время, за считанные миллионы лет (что очень быстро по геологическим меркам). Поэтому ключ в определении возраста Земли стоит искать не на самой планете, а в таких космических объектах, где первоначальное вещество было законсервировано и не менялось миллиарды лет. Такое вещество можно отыскать в некоторых типах метеоритов.
Учёные определили возраст множества метеоритов, и для самых древних из них он заключён в пределах 4.5 ... 4.6 миллиарда лет. Это в том числе очень надёжная оценка и для возраста Земли, которая не может быть старше. Нашей планете 4.54 ± 0,05 миллиарда лет.