Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикорпи

Есть еще один интересный пример. Рассмотрим кристаллический минерал циркон из элемента цирконий (Zr). Кристалл циркона чрезвычайно устойчив: он выживает в условиях выветривания и даже при частичном плавлении пород в земной мантии. Самая распространенная форма циркона ZrSi0₄. При кристаллизации обычно возникает небольшая примесь, в результате которой менее чем в 1 % случаев атомы циркония замещаются атомами урана (USiO₄) или тория ThSiO₄). Это возможно потому, что ядра U и Th по размеру такие же, как ядра Zr. С другой стороны, свинец (Pb) не может входить в состав кристалла просто потому, что он слишком велик, поэтому в момент формирования в кристалле нет свинца, но вместе с большим количеством циркония есть небольшое количество урана и тория. С течением времени атомы U и Th испытывают радиоактивный распад. Атомы ²³⁵U распадаются на ²⁰⁷Pb с временем полураспада 703,8 млн лет, а ²³⁸U распадается на ²⁰⁶Pb с временем полураспада 4,468 млрд лет. Теперь мы можем оценить возраст кристалла циркона, просто подсчитав, сколько атомов ²³⁵U превратилось в ²⁰⁷Pb и сколько — в ²⁰⁶Pb. Если половина ²³⁸U превратилась в ²⁰⁶Pb, то возраст кристалла равен времени полураспада, в нашем случае 4,468 млрд лет. Возраст может быть определен и у других минералов, содержащих уран. На практике оценку возраста лучше делать построением изохрон, линий одного и того же возраста, вычислив Зависимость отношения ²⁰⁶Pb/²³⁸U к отношению ²⁰⁷Pb/²³⁵U. Чтобы быть уверенным, что внешнее загрязнение U и Pb не повлияло на результат.

Открытие движения тектонических плит.

Нам трудно уразуметь, что «неподвижные» звезды меняют свое положение на небе в течение тысяч лет. Точно так же трудно представить, что твердые камни под нашими ногами движутся и меняют свои очертания. Движение звезд на небе и гор с континентами противоречит нашей интуиции, поскольку мы привыкли относиться к ним как к точкам отсчета для всего, что движется быстрее, например, планеты, приливы и воздушные потоки. Огромные возрасты, полученные радиохронологическим методом, заставили по-новому взглянуть на процессы, происходящие в Земле, для которых дли-на человеческой жизни — всего лишь миг. Соответствие береговых линий восточной части Южной Америки и западной части Африки озадачило географов сразу же после создания первых достаточно точных карт этих материков. Тогда это обычно объясняли тем, что Атлантический океан представляет собой широкий каньон и средняя часть единого континента туда провалилась. Французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини в 1858 году предположил, что Южная Америка и Африка раскололись и разошлись на современное расстояние. Его смелая теория в точности соответствовала библейскому контексту. На пятый день творения все континенты были единой сушей. На шестой день творения появились длинные разломы. Извержение вулканических газов раздвинуло континенты. В это же время Земля сжалась, и моря залили континенты, вызвав гигантский потоп (рис. 29.2).

Рис. 29.2. Антонио Снайдер-Пеллегрини (1802–1885) нарисовал первую карту, демонстрирующую движение континентов.

Для геологов такое объяснение не имело никакого смысла. Через пятьдесят лет, когда опять был поднят вопрос о движении континентов, подмоченная репутация Снайдера вызвала отрицательную реакцию на новую теорию. В 1910 году американец Ф. Э. Тейлор предположил, что образование горных цепей обусловлено движениями континентов. По его мнению, Гималаи образовались из-за того, что Евразийский континент двигался к югу и столкнулся с Индийским субконтинентом.

Обычно отцом тектонических движений считается Альфред Вегенер (1880–1930). Немецкий ученый был поражен схожестью окаменелостей на обоих берегах Атлантики и в 1912 году предположил, что 200 млн лет назад, в мезозойскую эру, все континенты образовывали единый суперконтинент Пангею, окруженную океаном Панталасса (рис. 29.3 и 29.4). Суперконтинент раскололся на части, и современные континенты начали расходиться. Свою идею Вегенер опубликовал в 1915 году в книге «Происхождение континентов и океанов». В пользу этой теории он приводил несколько аргументов.

1. Земная кора бывает двух типов: более легкая образует континенты, а более плотная — дно океанов. Континенты плавают в океанской коре и даже скользят по ней, если возникает боковая сила.

2. Береговые линии Южной Америки и Африки совпадают. Если учитывать мелководный континентальный шельф, то это совпадение усиливается. В этом случае даже Северная Америка и Европа тоже совпадают (см. рис. 29.3).

3. Если их совместить, то легко заметить, что и геологические структуры так точно совпадают, что совершенно очевидно, что континенты раскололись и разошлись.

Рис. 29.3. Единый сурперконтинент Пангея 225 млн лет назад, окруженный океаном Панталасса. Показано совпадение береговых линий и границ континентального шельфа. Читатель легко узнает Северную Америку, Южную Америку, Евразию и Африку. Попробуйте найти Антарктиду, Индию и Австралию.

4. Окаменелости на обеих сторонах Атлантического океана тоже совпадают, что свидетельствует: эти части суши были когда-то связаны (рис. 29.4).

5. Геологические свойства говорят о том, что континенты перемещались по разным климатическим зонам: в высоких широтах можно обнаружить залежи угля, хотя сформироваться они могли только у экватора. В то же время у экватора можно обнаружить признаки полярных ледяных шапок.

Рис. 29.4. Часть единого суперконтинента Пангея. Карта показывает совпадение однотипных ископаемых остатков на современных континентах.

Вегенер не мог указать, что служит причиной движения континентов. Это и сдерживало признание его теории. Даже в 1948 году известный американский геолог утверждал, что «теория движения континентов — это фикция, это захватывающая идея, вводящая наше воображение в заблуждение». Но вскоре после этого теория Вегенера получила мощную поддержку от результатов изучения двух предметов:

1) магнитных свойств коренных и осадочных морских пород (палеомагнетизм);

2) топографии (деталей поверхности) морского дна.

Мы еще вернемся к современным взглядам на движения континентов и их физическое значение, но сначала опишем, как сформировались Солнечная система и Земля.

Происхождение Земли как части Солнечной системы: современный взгляд.

Наше Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы сформировались в обширном газовом облаке. Та часть облака, где это произошло, была очень холодной: около -260 °C. С астрономической точки зрения, облако было плотным (около миллиона атомов в кубическом сантиметре), непрозрачным и выглядело совершенно черным. Такие облака существуют в космосе и сегодня. В основном это газовое облако состояло из водорода и гелия с примесью около 1 % более тяжелых элементов. Некоторая часть вещества была в виде льда и минеральной пыли, например кристаллов оливина, графита, очень мелких алмазов и других минералов. Облако сжималось и при этом сплющивалось и ускоряло свое вращение, как балерина в пируэте, из-за сохранения углового момента (см. главу 15). Постепенно сформировался протопланетный диск, температура и плотность которого возрастали в направлении центра. Это как раз то место, где образовалось Солнце. В экваториальной плоскости диск тоже стал плотным, и там начали формироваться планеты.