Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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 11, погибли и поэтому недоступны. Не так давно Дж. Веллекоп и его коллеги обошли это ограничение и получили прямые данные о температуре морской поверхности в горных породах долины реки Бразос, протекающей в Техасе, примерно в 1200 километрах от места удара¹². Им удалось извлечь липиды глицерол-диалкил-глицерол-тетраэфира (GDGT), производимые морскими организмами типа Thaumarchaeota. Эти организмы входят в царство архей – одноклеточных существ, не имеющих ядра и представляющих собой одну из трех основных ветвей жизни на Земле. Сложные органические жирные кислоты, которые производят Thaumarchaeota, образуют клеточные мембраны архей. Их молекулярная структура очень чувствительна к температуре окружающей среды – в течение нескольких часов они реагируют на любое изменение последней. Извлекая эти соединения из пограничного слоя K-Pg, исследователи обнаружили, что средняя температура поверхности моря внезапно падает с 30 °C до 23 °C в пределах 1 см отложения, а затем, примерно на 20 см выше пограничного слоя, возвращается к своему прежнему значению. Этот резкий температурный переход полностью соответствует «импактной зиме», вызванной падением астероида.

Достигнув уровня, характерного для нее перед столкновением, температура продолжает возрастать до 32,5 °C, затем останавливается на высоте 85 см выше границы в образце отложений, и снова снижается до 30 °C. Это также согласуется с одним из ожидаемых последствий. Когда огненное облако, возникшее при ударе, испарило большую часть Мексиканского залива, в атмосферу было выброшено огромное количество водяного пара, а также более 1 триллиона тонн CO₂ из кальцита (CaCO₃) и других минералов и углеводородов, составлявших значительную долю остальной части залива в том месте, где произошел удар. Внезапный выброс парниковых газов привел к наблюдаемому повышению температуры, которое, по всей видимости, сохранялось по крайней мере на протяжении тысячелетия. С конца XVIII столетия, когда началась эпоха промышленного развития, антропогенный выброс CO₂ в атмосферу достиг сопоставимого уровня (приблизительно 1 триллион тонн), а наблюдаемое повышение температуры на границе K-Pg аналогично тому, какое предсказывают современные климатические модели на конец нашего века.

⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в морской воде

Еще один интересный признак столкновения астероида получен в результате анализа изотопов Стронция (38-й элемент), который имеет четыре стабильных изотопа: ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,86 %), ⁸⁷Sr (7,00 %) и ⁸⁸Sr (82,58 %). Содержание ⁸⁷Sr на самом деле со временем растет (очень медленно), поскольку он возникает в результате бета-распада Рубидия-87, период полураспада которого составляет 48,8 миллиарда лет. (Это означает, что с тех пор, как образовалась Земля – а это произошло 4,5 миллиарда лет назад, – распалось только 6,3 % ⁸⁷Rb, поэтому, когда я говорю «медленно», я имею в виду «очень медленно».) Датирование при помощи рубидий-стронциевого метода сыграет важную роль в будущих главах, поэтому стоит уже сейчас потратить немного времени и изучить взаимосвязь этих двух изотопов. Для наших целей важно отметить, что Стронций находится непосредственно под Кальцием в Периодической таблице и, следовательно, химически подобен ему, благодаря чему становится прекрасным заменителем Кальция в маленьких раковинах фораминифер, состоящих из CaCO₃.

В веществе земной коры Стронций составляет около 370 миллионных долей (ppm), а ⁸⁷Sr присутствует в концентрации 25,9 ppm (7 % от общего количества). Рубидий встречается реже, его концентрация достигает 90 ppm, а изотоп ⁸⁷Rb сегодня составляет 27,83 % от общего количества; в ту эпоху, когда формировалась Земля – с учетом той части, которая к настоящему времени уже распалась, – на его долю приходилось 29,16 % из 91,62 ppm Рубидия, присутствующих в то время (единственный другой изотоп, ⁸⁵Rb, стабилен, поэтому он не меняется со временем). Это означает, что распад ⁸⁷Rb дает нам лишь 1,68 ppm современного ⁸⁷Sr, и даже через миллион лет доля дополнительного изотопа ⁸⁷Sr, который добавится в результате распада ⁸⁷Rb, составит всего 0,00035 ppm – это совершенно ничтожная величина. Поэтому любое внезапное изменение соотношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr должно иметь какую-то внешнюю причину.

В морской воде концентрация Стронция и Рубидия сильно отличается от тех, которые характерны для горных пород на суше: у Стронция она составляет 8,1 ppm, а у Рубидия – 0,12 ppm. Но океан очень большой, и если перевести эту долю в абсолютные величины, то окажется, что всего в нем 11 триллионов тонн Стронция и 0,77 триллиона тонн именно изотопа ⁸⁷Sr. Поэтому для того, чтобы изменить общее соотношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, необходимо добавить огромную долю одного изотопа к другому. Сегодня соотношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в морской воде равно 0,7091, тогда как соотношение, поступившее в море в ходе эрозии наземных пород, приближается к 0,716. Таким образом, любое значительное увеличение соотношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в океанах предполагает невероятное усиление эрозии.

Именно об этом говорят некоторые исследователи, изучавшие соотношения изотопов Стронция на границе K-Pg. Анализ раковин фораминифер, найденных в слоях горных пород, показал, что содержание ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr постепенно увеличивается – от 0,7077 за 10 миллионов лет до границы до 0,7078 на границе¹³. Это объясняется последовательным возрастанием площади суши, происходившим в тот период под влиянием тектоники плит (больше земли – больше возможностей для эрозии горных пород). Ряд измерений проведен и на самой границе, и они не очень хорошо согласуются друг с другом, хотя все они, похоже, свидетельствуют о небольшом, но резком увеличении – оценки этого скачка варьируются от 0,0002¹⁴ до лишь четверти этого числа. Но, опять же, если мы обратим внимание на цифры, упомянутые выше, то увидим, что даже меньшее изменение соотношения, равное 0,00005, требует добавления примерно 5 миллиардов тонн дополнительного ⁸⁷Sr. Если учесть, сколь скромным оказалось возрастание ⁸⁷Sr в наземных породах, которые, по всей видимости, стали источником этого избытка, то нам потребуется в общей сложности 65 миллиардов тонн Стронция из эродированных пород или 175 триллионов тонн горных пород в целом¹⁵.