Глава 7 УГЛЕРОДНЫЕ ЧАСЫ

Главная забота исследователя при измерении времени всеми рассмотренными часами (в предыдущих главах рассмотрены гелиевые, свинцовые, аргоновые, стронциевые и ксеноновые часы - fat)- сохранение равновесия между радиоактивными (материнскими) и радиогенными (дочерними) изотопами. Нарушается равновесие - стрелки часов смещаются. Часы или спешат, или отстают.
А теперь познакомимся с часами - их называют углеродными, - в которых все наоборот: нужно, чтобы дочерний изотоп полностью отделился от материнского. И при этом он должен еще и сам распадаться... К тому же, чтобы углеродные часы шли и измеряли время всяких земных событий, им нужна...

ПОМОЩЬ ИЗ КОСМОСА

В углеродных часах все начинается с космического излучения. Земля находится в потоке космического 'дождя', идущего без остановки вот уже почти 4,5 млрд. лет. 'Капли' этого 'дождя' - в основном протоны, т. е. лишенные электрона ядра атомов водорода. Встречаются также и более крупные 'капли' - ядра атомов гелия, a-частицы. Их приблизительно в 6 раз меньше, чем протонов. Кинетическая энергия космических протонов и нейтронов колоссальна - 10⁹-10¹⁷ эВ. Мчась сквозь верхние слои атмосферы, протон или a-частица где-то на высоте 9-12 км неизбежно сталкиваются с атомами азота, кислорода, углерода. Столкновение - и в стороны разлетаются осколки разбитых атомных ядер: мезоны, вторичиые a-частицы, протоны и нейтроны.
Вот эти-то последние и есть 'пружины', которые движут 'стрелки' углеродных часов. Через 1 см² поверхности в 1 сек проносится в атмосфере 2-3 нейтрона. Пролетая сквозь атмосферу, быстрые, высокоэнергетические нейтроны сталкиваются с молекулами воздуха. При каждом столкновении нейтрон передает часть своей кинетической энергии молекуле кислорода, азота, озона, углекислого газа и теряет скорость. Постепенно нейтрон замедляется. Его кинетическая энергия не превосходит нескольких электрон-вольт.
И тогда-то происходит рождение радиоактивного изотопа, который и служит 'стрелкой' углеродных часов, - радиоуглерода ¹⁴С. Нейтрон ударяется о ядро изотопа азота ¹⁴N, всегда присутствующего в воздухе, внедряется в него и выталкивает протон. Массовое число не изменяется, а заряд атомного ядра уменьшается на единицу. Следовательно, азот превращается в углерод - изотоп ¹⁴С.
Этот изотоп - радиоактивный. Потому его и называют радиоуглеродом. Период полураспада ¹⁴С - всего 5730 лет. Если бы космическое излучение постоянно не возобновляло запасы радиоуглерода, он бы давно вымер на Земле. Но благодаря безостановочному космическому 'дождю', поливающему Землю, радиоуглерод, словно легендарная птица Феникс, снова и снова восстает из пепла...
Между распадом и образованием радиоуглерода установилось подвижное равновесие. Подобное тому, какое предусматривает классическая...

ЗАДАЧА О БАССЕЙНЕ, ТРУБАХ И ВОДЕ

Сначала ванна или бассейн заполняются водой, а затем вода (по чьей-то забывчивости!) начинает равномерно выливаться через верхнее сливное отверстие. Уровень воды остается неизменным. Так же и в воздушном 'бассейне'. Расчеты показали, что с учетом скорости образования ¹⁴С и скорости его распада в атмосфере Земли в общей сложности постоянно присутствует 80 т изотопа ¹⁴С.
80 т углерода - это количество 'воды в бассейне'. Образование радиоуглерода космическим излучением - это 'втекающая в бассейн вода'. А радиоактивный распад ¹⁴С - это 'вытекающая из бассейна вода'...
Однако реальная картина оказалась немного сложнее. Когда измерили количество 14C в атмосфере, оказалось, что его там ... 950 кг. Это можно объяснить только одним: быстрым уходом радиоуглерода из атмосферы в гидросферу и литосферу. Если продолжить аналогию с ванной, заполняемой водой, то ситуация, пожалуй, напоминает случай, когда вода поступает в одну ванну, переливается из нее в другую, а уже оттуда вытекает вон.
Причина быстрого ухода радиоуглерода из верхних слоев атмосферы - его химическая активность. Радиоуглеродный атом соединяется химически с атомом кислорода. Образуется молекула углекислого газа CO₂.
Радиоактивный углекислый газ смешивается с атмосферным. Его поглощают растения, а затем часть радиоуглерода попадает в организм травоядных животных. Но еще интенсивнее (в 7-8 раз) радиоуглерод поглощается Мировым океаном. В воде океана углекислый газ растворяется и образуются карбонаты и бикарбонаты металлов, присутствующих в воде.
Время, которое требуется для распрострения 'новорожденного' радиоуглерода по всем 'сферам' Земли, не превышает 100 лет и, скорее всего, много меньше. Это время гораздо короче продолжительности жизни радиоуглерода. Поэтому любой атом радиоуглерода за время своей жизни успевает совершить несколько 'оборотов' в обменном резервуаре Земли. Следовательно, радиоактивиый углерод равномерно распределен по всему этому вместилищу.
Из какой бы части обменного резервуара ни взяли углерод, наряду со стабильными изотопами ¹²С и ¹³С в нем присутствует радиоуглерод ¹⁴С в количестве примерно 0,000 000 000 107%. -соответственно удельная (приходящаяся на 1 г) активность углерода всюду в обменном резервуаре одна н та же. И в воздухе, и в зернах пшеницы, и в крови диких зверей, и в листве деревьев и в раковине улитки, и в морской воде: 16 распадов в1 мин в 1 г углерода.
Выйдет углерод из обменного резервуара - и равновесие нарушается. Это происходит тогда, когда живой организм умирает. Прекращается обмен с внешней средой. Поступления новых атомов ¹⁴С нет. А радиоактивный распад продолжается. Вот с этого-то момента углеродные радиоактивные часы пошли) Закон, описывающий ход углеродных часов, - обычный закон радиоактивного распада

A_t = А₀ * е^-lt (12)

(A_t - удельная активность спустя t лет после выхода радиоуглерода из обменного резервуара; А₀ - удельная активность углерода в обменном резервуаре Земли).
Казалось бы, все очень просто: измерьте начальную удельную активность углерода А₀ и его удельную активность через t лет и можно вычислить время t:

t = 0,693*T_1/2 ln (А₀/ A_t)

(T_1/2 - период полураспада углерода ¹⁴С, T_1/2 = 0,693/l).

Однако при использовании столь простой идеи углеродных часов встретились немалые трудности. Прежде всего непростым делом оказалось само измерение удельной активности углерода. Мешает измерению... космическое излучение. То самое, что приводит к рождению атомов ¹⁴С. Чтобы защититься от этого всепроникающего излучения, приходится сооружать...

КРЕПОСТИ ИЗ СТАЛИ И... РТУТИ

Измерить удельную активность углерода - зто значит подсчитать число распадов 14С в точно известном количестве углерода. Каждый распад сопровождается выбрасыванием b^- -частицы.
Американский физик У. Ф. Либби в 1949 г. взялся разработать способ подсчета b^- -частиц, испускаемых распадающимися ядрами радиоуглерода. У. Ф. Либби нанес тонкий слой углерода на внутреннюю поверхность металлической трубки. В трубке была натянута продольная проволочка. Она была присоединена к положительному полюсу батареи (служила анодом). А сама трубка была катодом, поскольку ее присоединили к отрицательному полюсу батареи.
Из герметически закрытой трубки выкачали воздух и заполнили ее смесью газов аргона и этилена под небольшим давлением.
У. Ф. Либби рассуждал так. Распадается атомное ядро ¹⁴С - и внутрь трубки летит b^- -частица - электрон. Энергия b^- - частицы 50.000 эВ. Столкнется b^- -частица с атомом аргона - выбьет из атома вторичный электрон. Да вдобавок передаст ему часть своей кинетической энергии. Вторичный электрон, в свою очередь, тоже может столкнуться с другим атомом аргона и выбить электрон третьего поколения.

А сама b^- -частица, продолжая движение, вызовет ионизацию множества атомов - энергии у нее для этого достаточно. Каждый раз рождаются электроны второго и третьего поколений. В течение короткого времени через газ, заполняющий счетчик, течет электрический ток - электроны устремляются к аноду - центральной проволочке, а ионы аргона - к стенкам трубки. Происходит короткий электрический импульс, пока не израсходуются все электроны и ионы, созданные b^- -частицей.
Следовательно, каждой b^- -частице отвечает электрический импульс. Его можно усилить с помощью электронных ламп и зарегистрировать. Число сосчитанных импульсов должно быть равно числу распавшихся ядер радиоуглерода. Такой прибор называют счетчиком b^- -частиц.
После того как У. Ф. Либби провел измерения радиоактивности углерода, он удалил из счетчика углерод и проверил, что насчитает пустой счетчик. Наверное, ничего?
Как это на первый взгляд ни странно, пустой счетчик тоже регистрировал какие-то импульсы. Следовательно, внутри него пролетали какие-то неизвестные частицы?! В минуту сквозь счетчик Либби проскальзывало 500 таинственных частиц.
Однако при более внимательном разборе дела стало понятным, что никакой тайны здесь нет. Счетчик добросовестно регистрировал... пришельцев из космоса. Где-то за миллионы световых лет от нас образовались космические частицы - протоны. Преодолев необозримо далекие расстояния, они достигают Земли, простреливают атмосферу и при соударении с молекулами воздуха рождают вторичные частицы - мезоны. Вот они-то и могут случайно угодить в счетчик. А ему 'все равно', какие импульсы регистрировать - радиоуглеродные b^- -частицы или космические мезоны...
Возвели вокруг счетчика 'крепость' из железных плит толщиной в 20 см. Сквозь стены крепости часть космических частиц пробиться не смогла. Из 500 импульсов осталось 100 импульсов в 1 мин. Но и это слишком много, потому что современный углерод в счетчике Либби давал всего 7 импульсов в 1 мин.
Попробовали увеличить толщину стен 'крепости', но большого эффекта не добились. Сделали стены из еще более труднопроходимого для космических частиц металла - свинца. Однако число вредных импульсов - фон счетчика - повысилось! Стало ясно: нужно уберечь счетчик не только от космического излучения, но и от вездесущих радиоактивных примесей, присутствующих во всех металлах. Особенно в свинце и в железе. Ведь известно, что в современной металлургии для контроля процессов смешивания и плавления добавляют радиоактивные изотопы, например, кобальта (⁶⁰Со). Металлурги радуются улучшению технологии - им кобальт только помогает. А физики в отчаянии - мешают радиоактивные добавки...
Американский геохимик Дж. Кали предложил защищать счетчик от собственных железных 'крепостных стен' стеной из ртути, залитой меж двумя тонкими листами железа. Пришлось использовать чуть ли не центнер ртути! Это позволило еще уменьшить фон - правда, только в 2 раза.
Решительная победа над фоном была достигнута, когда догадались защитить счетчик стеной из других счетчиков, Конечно, здесь защита была не механическая, а электрическая. Электрическая схема счетчиков была построена остроумно. Ее назвали схемой антисовпадений.
Центральный, измерительный, счетчик находился под строгим контролем окружающих его счетчиков-сторожей. Если ядерная частица прилетала со стороны - либо из космоса, либо от радиоактивных загрязнений в защитных материалах,- она неизбежно пролетала сквозь наружный счетчик-сторож и только после этого - через измерительный счетчик. Счетчик-сторож, зафиксировав импульс чужой частицы, прилетевшей со стороны, давал команду электрической схеме: 'Отставить!' Хоть измерительный счетчик и испускал импульсы, электрическая схема, подчиняясь команде, их не принимала, не регистрировала. Только в тех случаях, когда ни один счетчик-сторож не подавал сигнала тревоги, импульс центрального счетчика регистрировался электрической схемой. Таким образом удалось снизить фон вредных импульсов до 2 в 1 мин.
В других лабораториях занялись усовершенствованием самих счетчиков. Была поставлена задача:

НАУЧИТЬ СЧЕТЧИКИ СЧИТАТЬ!

Все было ясно, что введение в счетчик углерода в виде порошка, покрывающего стенки, - не самое удачное решение проблемы. Во-первых, значительная доля b^- -частиц летит не в сторону проволочки, а вбок и в стенки счетчика, поэтому частица бесполезно пропадают. Во-вторых, некоторые b^- -частицы поглощаются в слое углерода, не успев вылететь во внутреннее пространство счетчика, заполненное аргоном. Лишь 5 из 100 b^- -частиц радиоуглерода давали импульсы в счетчике Либби. Остальные 95 b^- -частиц пропадали зря. Слишком медленно считал такой счетчик, слишком мала была его эффективность (5 % !), слишком много требовалось углерода на один анализ...
Тогда решили перевести углерод в газообразную форму (в СО₂) и заполнить этим газом весь объем счетчика. Эффективность счетчика сразу повысилась до 80%. Теперь лишь 1 из 5 b^- - частиц терялась понапрасну. Потом был найден способ 'обучить' электрические схемы отличать импульсы b^- - частиц радиоуглерода от импульсов всех других ядерных фоновых частиц, попадающих в счетчик. Это удалось сделать, подобрав напряжение батареи, питающей счетчик. При определенном напряжении батареи величина импульса пропорциональна энергии ядерной частицы, пролетающей сквозь счетчик. Схема построена так, что она не реагирует на импульсы, которые больше или меньше импульса b^- -частицы радиоуглерода.
И, наконец, родилась совершенно новая идея счетчика. Из исследуемого углерода синтезируют жидкие вещества. Например, ленинградские ученые X. В. Протопопов и С. В. Бутомо разработали метод синтеза бензола, в состав которого входит исследуемый радиоуглерод. Бензол вместе со специально подобранными химическими добавками наливают в прозрачную кювету. При каждом b^- - распаде радиоуглерода в жидкости происходит микроскопическая световая вспышка. Ее вызывают b^- -частицы, передающие молекулам жидкости свою энергию. При этом молекулы возбуждаются: их электронные облака перестраиваются. Но практически сразу же принимают нормальные размеры и форму, освободившись от энергии возбуждения путем выбрасывания кванта света. Это и есть световая вспышка, сцинтилляция. Конечно, она слишком мала, чтобы ее можно было заметать невооруженным глазом.
Рядом с кюветой ставят фотоумножитель - прибор, регистрирующий световые вспышки и преобразующий их в электрические импульсы. Сколько зарегистрировано вспышек - столько, следовательно, и распалось ядер ¹⁴С. Эффективность такого сцинтилляционного счетчика близка к 100%. Он имеет небольшие размеры. Поэтому вероятность попадания в него космических частиц невелика. К тому же вспышки от них гораздо ярче вспышек от b^- -частиц, так что их легко различить.
Таким образом, теперь умеют точно измерять удельную активность углерода не только современного (около 16 импульсов в 1 мин на 1 г), но и очень 'древнего', где в 1 г лишь каждые 15 мин распадается 1 атом.
Но исследователей поджидали трудности и совсем иного-происхождения - геохимические. Они возникли, когда стали выбирать первичную удельную радиоактивность углерода [см. формулу (12)]. Выяснилось, что можно использовать далеко не всякий углерод из обменного резервуара Земли. Лучшим оказался углерод, выделенный из старой древесины. Например,

УГЛЕРОД ИЗ БАБУШКИНОГО КОМОДА

За последние 100 лет углерод обменного резервуара довольно быстро изменяет удельную активность. 'Виновато' в этом человечество. Люди за последние годы миллиардами тонн сжигают топливо - каменный уголь и нефть. Когда-то, сотни миллионов лет назад в каменном угле и нефти содержался радиоуглерод - они ведь произошли из органического вещества. Но теперь весь радиоуглерод в них давно уж распался.

Сжигая уголь и нефть, человек перекачивает в атмосферу углерод в виде углекислого газа СО₂. В одной только нашей стране за 1 год в атмосферу улетает ... 1000 км³(!) углекислого газа. А во всем мире и за десятки лет?! В этом углекислом газе практически нет радиоуглерода. Поэтому неудивительно, что такой техногенный, нерадиоактивный углерод, разбавляя атмосферу Земли, уменьшает удельную активность ее углерода. Особенно усилился этот процесс за последние десятилетия.
Американский геохимик X. Зюсо рассчитал, что с 1905 по 1955 г. активность радиоуглерода в деревьях лесов США уменьшилась на 3,4%. Если этот процесс не учитывать, можно ошибиться в определении возраста на сотни лет, что часто совершенно неприемлемо.
Возникла и другая сложность. При ядерных испытаниях в атмосфере и в океане среди прочих радиоактивных изотопов образуется и радиоуглерод. За последние годы содержание 14С в атмосфере увеличивалось. Например, удельная активность углерода в воздухе некоторых районов южного полушария возросла только за 3 года (с 1954 по 1957 г.) на 7%. В тропосфере северного полушария с 1953 по 1959 г. концентрация ¹⁴С повысилась на 32%. В воздухе Москвы активность углерода в 1964 г. была в 2 раза больше, чем в 1955 г. В некоторых точках Земли рост активности углерода был еще больше: например, в Ленинграде в 1967 г. содержание ¹⁴С было в 30 (!) раз выше, чем в 1954 г. Во всем этом виноваты (теперь уже без кавычек) испытания ядерного оружия. Максимум концентрации радиоуглерода в атмосфере был в 1964 г. После этого она стала медленно уменьшаться. Если ядерных испытаний в атмосфере больше не будет, прежний уровень радиоактивного ¹⁴С будет восстановлен в 2020 г.!
Поэтому, определяя возраст древних предметов, нельзя в качестве первичной использовать удельную активность углерода из современного обменного резервуара. Надо взять углерод, представляющий обменный резервуар времен наших прабабушек или бабушек. В прошлом веке и в начале нашего века люди еще не успели изменить изотопный состав атмосферного углерода. Такой углерод содержится, например, в старой, столетней мебели. 100 лет - величина пренебрежимо малая в сравнении с периодом полураспада ¹⁴С. К тому же можно внести соответствующую поправку в измеренный возраст.
... И вот, наконец, все трудности преодолены, можно было браться за определение возраста с помощью углеродных часов. Очень заманчиво прежде всего проверить их на археологических материалах. Например, определить...

ВОЗРАСТ ЕГИПЕТСКИХ МУМИЙ

Речь идет, конечно, не о возрасте египетских царей, а об археологическом возрасте самих захоронений.
Взяли кусочек дерева, из которого было изготовлено погребальное ложе царя из династии Птолемеев. По археологическим данным, этот царь был похоронен примерно 2280 лет назад.
Кусочек дерева от царской гробницы сожгли. Образовавшийся углекислый газ тщательно собрали в баллон. Пропустив газ через растворы, выделили осадок карбоната стронция SrCO₃. Подействовав на него магнием, подучили карбид стронция SrC₂. А уж как из карбида получить ацетилен, знают многие 'любители' химических взрывов; нужно бросить карбид в воду... Ацетилен - это газ, молекула его имеет формулу С₂Н₂. Чтобы из ацетилена получить бензол, заставили каждые 3 молекулы ацетилена объединиться: С₂Н₂ + С₂Н₂ + С₂Н₂ = 3 С₆Н₆. Это удалось сделать при нагревании ацетилена в присутствии особых веществ - катализаторов. Получилась жидкость - бензол, содержащий 92% углерода по массе.
Залили эту жидкость в прозрачную кювету и поднесли к фотоэлектронному умножителю. Каждый распадающийся атом радиоуглерода заявлял о себе микроскопической вспышкой - сцинтилляцией в бензоле. Фотоэлектронный умножитель зарегистрировал и сосчитал эти вспышки. Получилась удельная активность углерода (A_t) 12 распадов в 1 мин. Следовательно, возраст царского погребения 2190 лет - в согласии с ожиданиями археологов. Часы шли исправно!
Проверку часов продолжали, исследовав кусок деревянной обшивки римского корабля. По историческим данным, этот корабль потерпел кораблекрушение примерно 2000 лет назад. Дерево химически обработали так же, как и при исследовании гробницы египетского царя. Выделили бензол, подсчитали удельную активность углерода и рассчитали время гибели римского корабля - 2030 лет назад. Снова была подтверждена правильность хода радиоуглеродных часов.
Исследовали и другие археологические находки - деревянные доски этрусской гробницы в Италии (2700 лет), полотняную обертку свитков с текстом библии, найденную в пещере в Палестине (1917 лет), кусок деревянного пола из большого дворца в городе Тайинате в северо-западной Сирии (2531 год). Получалось вполне удовлетворительное согласие между показаниями углеродных часов и данными археологов.
Во многих лабораториях мира взялись за работу по датировке разнообразных событий далекого прошлого.
Но чем больше получали данных, тем становилось яснее: при измерении возраста самых древних археологических находок показания углеродных часов далеко не всегда верны. 'Углеродные' возрасты получались меньше истинных.
Американский исследователь X. Зюсс проверил ход углеродных часов с помощью годичных древесных колец. Он воспользовался тем, что секвойи в Калифорнии живут фантастически долго - до 8000 лет. Вещество сердцевины деревьев не обновляет свой углерод. Он по мере роста дерева выходит из обменного резервуара. Следовательно, измеряя удельную активность углерода из каждого внутреннего годичного древесного кольца, можно сопоставить показания углеродных часов с числом колец. Иначе говоря, сопоставить показания этих часов с возрастом дерева, с истинным временем.
Так X. Зюсс и сделал. Обнаружилось, что обычно до 3500 лет в показаниях часов большой ошибки нет. Но при возрасте 4000 лет и более радиоуглеродное время оказалось меньше истинного. Вероятно, причина этого - некоторое изменение скорости генерации ¹⁴C космическими лучами.
Ученые получили возможность внести поправки в показания радиоактивных углеродных часов и еще более обоснованно применять их в археологии.
Какие только археологические предметы не исследовали! Древесный уголь из пещер и остатки домов, зерна пшеницы, остатки плетеных корзин, веревочные сандалии, сруб колодца, веревки, хлопчатобумажные ткани с мумии, дротики ... В табл. 6 приведено несколько примеров. Но дело не свелось просто к датированию тех или иных археологических находок. Уточненные радиоуглеродные возрасты заставили внести важные поправки в археологию.

Таблица 6. Что показали радиоуглеродные часы

Это поправки принципиальные. Например, некоторые из них касаются важнейших представлений о развитии европейской цивилизации.

Раньше общепринятым было мнение о том, что в Европу, населенную племенами дикарей, пришла цивилизация с Востока- из Египта, с Ближнего Востока, из Средиземноморья. А до этого времени якобы существовал колоссальный разрыв в развитии культуры и в уровне хозяйства между Европой и Востоком - не в пользу Европы.
Однако, когда были получены уточненные радиоуглеродные данные, такую точку зрения пришлось изменить. Например, выяснилось, что огромные каменные могильные сооружения во Франции, в Бретани, европейцы научились строить за 1000 лет до того, как монументальная погребальная архитектура появилась в Восточном Средиземноморье. И за 1500 лет до египетских пирамид!
Выяснилось, что плавить медь на Балканах, на территории современной Югославии, тогдашние жители научились еще 6500 лет назад! Это значит, что утверждение о проникновении медной металлургии в Европу из стран Эгейского моря неверно.
Углеродные часы показали, что прежде многие археологи недооценивали самобытность и творческие возможности обитателей доисторической Европы. Вероятно, истоки земной цивилизации нужно искать не в каком-либо одном месте планеты, а во многих странах, на всех континентах...

ВЕЛИКИЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ

В течение последних сотен миллионов лет Земля была более теплой планетой, тем теперь. Температура в тропиках была близка к современной, а в умеренных и высоких широтах - гораздо выше теперешней.
Но 70 млн. лет тому назад что-то произошло с климатом Земли. Температурные контрасты между экваториальными и приполярными областями начали возрастать. И 2-3 млн. лет назад возникли полярные шапки льда. Холодное дыхание севера заклубилось над Европой, Азией в Северной Америкой. Теплые субтропики уступили место сначала современным лесам. А затем медленно, но неотвратимо с севера двинулись на сушу льды. Они сметали все на своем пути. Подминали вековые деревья, волокли огромные валуны, процарапывали на теле Земли глубокие борозды-озера. Холодно и неуютно стало в средних широтах. Да и на экваторе средняя температура снизилась примерно на 6њ С. Иногда ледники временно, на несколько тысяч лет, отступали, но потом возвращались вновь и вновь.
Углеродные часы позволили изучить самые последние страницы истории Великих Оледенении.

Еще 59 тыс. лет назад на Земле был довольно теплый период. Ледники ушли на север, климат был мягким. Земля была покрыта густыми лесами. Казалось, Арктика навсегда успокоилась. Но это было временное затишье...
Внезапно (в сравнении с историей Земли, конечно) началась еще одна атака льдов. Ледники двинулись в новый поход. Словно шеренга чудовищных бульдозеров ползла по Евразии. Целые леса оказались срезанными под корень, перемолотыми, засыпанными ледниковыми наносами. Современным геологам удалось, вскрыв поверхностные породы, найти следы происшедшей десятки тысяч лет назад катастрофы - поваленные, обезображенные деревья. Выделив из погребенной древесины углерод и измерив его удельную активность, удалось точно установить время движения ледника.
Эта катастрофа произошла 56-53 тыс. лет назад. Но в борьбе тепла с холодом и на этот раз победило тепло; ледники остановились, начали подтаивать и двинулись вспять. Это отступление льдов продолжалось около 4 тыс. лет. Снова потеплело на Земле. Опять стала бурно развиваться растительность. Какая - об этом узнали палеоботаники. В древней почве нашли ископаемые споры. Каждому виду растений соответствует свой тип спор. По типу спор можно представить, какие леса покрывали территорию Европы и Северной Америки. Оказалось, в лесах росли теплолюбивые деревья.
Время установления теплого климата определили с помощью радиоуглеродных часов. В теплые периоды истории Земли в многочисленных озерах, образовавшихся при таянии льдов, бурно расцветала растительность. Отмирая, листья, стебли, цветы растений опускались на дно. Постепенно из них образовывался ил или торф. Озера высыхали, а ил и торф оставались.
Если измерить активность радиоуглерода в таком ископаемом иле или торфе, по ней можно рассчитать время ледникового затишья.
Это затишье длилось 10-12 тыс. лет. И снова ледяные громады стали продвигаться на юг - началась новая ледовая атака. 37-30 тыс. лет назад произошло очередное оледенение. Но это была, пожалуй. Только 'разведка боем'. После нее ледники снова 'уползли' на север, словно для того, чтобы набраться сил для решающего наступления...
И вот, после затишья, продолжавшегося 4-5 тыс. лет, началась последняя грандиозная атака ледников. 25 тыс. лет назад льды двинулись на юг. Трудно пришлось и людям и зверям. Холод сковал леса. В Европе климат стал не только холодным, но и чрезмерно сухим. На тысячи километров вдоль границ ледников протянулись тундры и степи. Леса во многих местах высохли и вымерли. Уровень моря понизился на 85-120 м по сравнению с современным. Британские острова, например, соединились с материком Европы, а на месте Берингова пролива возник 'мост' суши между Азией и Америкой.
Арктическая температура была на территории современной Франции, Австрии, Чехословакии, Венгрии, а Дания, Швеция Норвегия и огромные участки нашей страны были покрыты ледяным нетающим панцирем. Теперешние Эстония, Латвия, Литва, Ленинградская, Вологодская, Псковская, Калининская Ярославская, Архангельская области 20 тыс. лет назад представляли бескрайнюю ледяную пустыню.
По занесенным снегом тундре в степям бродили стада мамонтов и шерстистых носорогов в поисках скудной растительности. Нередко и эти великаны не выдерживали сурового климата и гибли. Их тела заносило снегом, обволакивало льдом, засыпало песком и илом.
В наше время нет-нет да обнаружат где-нибудь в земле бивень или кость мамонта. А то и целый экземпляр, с шерстью и с мясом, сохранившийся в 'холодильнике' вечной мерзлоты. Выделят из остатков мамонта углерод, измерят с помощью счетчика его радиоактивность - и ответ готов: можно точно сказать, когда прекратил свое существование владелец великолепного закрученного в спираль бивня. Изучают пути передвижения мамонтов и других животных, спасавшихся от наступления ледников, - лошадей, бизонов, мастодонтов, носорогов, слонов.
Только 15 тыс. лет назад наконец кончилось царство льда и мороза. Началось Великое Отступление ледников. Оно продолжается и теперь. Арктика теплеет. Мы нередко жалуемся на дурную погоду и холода. Однако не стоит все же забывать, насколько наш европейский климат стал мягче того, какой был в наших краях всего каких-нибудь 20-17 тыс. лет назад. Правда, период наибольшего потепления - это все-таки не наше время, а эпоха 6-5 тыс. лет назад. Тогда на Земле было гораздо теплее, чем сейчас.
Таким образом, радиоактивные углеродные часы помогли людям прочитать страницы истории климата Земли.
Но этими часами можно измерить время и других событий прошлого: не только очень 'холодных', но и очень 'горячих'. Например, можно определить...

КОГДА СЛУЧИЛОСЬ ИЗВЕРЖЕНИЕ ВУЛКАНА

Земные недра нередко очень бурно напоминают о себе. Раскаленная магма, прорываясь из глубины, образует на теле Земли вулканы. Сквозь жерла вулканов изливаются потоки огнедышащей магмы. Этим-то и можно воспользоваться, чтобы определить возраст потухшего ныне вулкана.
Есть среди Курильских островов небольшой остров Онекотан длиной 50 км и шириной 10-20 км. На нем два действующих вулкана высотой около 1,5 км каждый.
Однажды исследовательский корабль пристал к острову. Высадившаяся на берег экспедиция имела задачу изучить историю вулканов этого острова. Ученым удалось вскрыть слои пород, окружающих вулканы. И на глубине 30-35 м перед глазами исследователей предстали погребенные остатки обугленных деревьев, древняя почва, новые слои с остатками деревьев. Все это было засыпано, завалено толстым слоем вулканических пород.
Как могли деревья и почва оказаться под слоем пород? Вероятно, в результате извержений вулкана в далеком прошлом.
Вырвавшиеся из вулкана горячие потоки магмы обожгли, обуглили деревья, оказавшиеся на их пути или поблизости. Такое обугленное дерево погибло в момент извержения вулкана. В этот момент, следовательно, вулкан запустил радиоуглеродные часы. Изотоп 14С распадался, с каждым годом радиоактивность древесины становилась все меньше и меньше. По величине радиоактивности можно судить о времени, протекшем с момента извержения вулкана.
Если же дерево оказалось не обожженным, а просто погребенным под слоем вулканических осколков и камней, оно все равно погибло. И в этом случае углеродные часы были также запущены.
Экспедиция собрала пробы погребенной древесины и почвы. В Москве в лаборатории была измерена удельная активность углерода. И вот какая картина истории вулканов острова Онекотан открылась перед исследователями.
Все началось с образования вулкана 30 тыс. лет назад. Непрерывно изливалась из недр горячая магма. Сначала она образовала небольшой каменный холм. Затем все новые и новые потоки лавы, стекая по склонам холма, застывали и превращались в магматические породы. Холм рос и в конце концов превратился в гору высотой 1400 м с диаметром основания 18 км. О времени извержений, при которых увеличивались размеры вулкана, можно судить по показаниям радиоуглеродных часов в обугленных деревьях.
Но однажды относительно спокойное течение вулканической истории острова Онекотан было прервано грандиозным взрывом.
Случайно в жерле вулкана произошел затор. Образовалась 'пробка' из вязкой магмы и застывшей породы. Внутри вулкана между тем накапливались горячие пары и газы. Давление в таком закупоренном 'паровом котле' стало огромным, и он взорвался В воздух было выброшено 12 км³ раздробленных глубинных пород. Представьте себе каменный столб диаметром 1 км и высотой 16 км! Какая же могучая сила потребовалась, чтобы подбросит в небо этот столб и раздробить его на мелкие осколки?!
Туча осколков рухнула на Землю. Росшие на острове деревья были засыпаны толстым слоем камней. И вот теперь, измерив активность радиоуглерода, ученые смогли сказать, когда произошло взрывоподобное извержение вулкана - 7500 лет назад.
А на другом конце Земли вскоре случилось тоже необычно событие, но не земного, а космического происхождения. Радиоуглеродные часы оказались пригодными для изучения и космических событий. Они позволяют измерить, например,

ВРЕМЯ ПАДЕНИЯ МЕТЕОРИТОВ

В один миг обуглить, убить дерево может кроме горячей вулканической лавы и упавший метеорит. Этим фактом воспользовались исследователи, чтобы определить время падения метеоритов. На Земле найдено более 130 метеоритных кратеров. Они образовались при падении на Землю каменных или железных метеоритов. Скорость метеорита огромна - десятки тысяч километров в час. Следовательно, и кинетическая энергия очень велика. Ударится метеорит о Землю - и почти вся кинетическая энергия превращается в тепло. Поэтому даже при падении небольшого метеорита происходит сильный взрыв. При падении метеоритов обычно образуется кратер - круглая воронка с насыпными краями. Например, в США, в штате Аризона, обнаружен кратер диаметром 1200 м, а в СССР, в Сибири, найден кратер-великан диаметром...150 км.
В отличие от Луны, Марса, Меркурия, где метеоритные кратеры сохраняются в неизменном виде миллионы лет, на Земле подобные кратеры исчезают очень быстро. Вода, ветер, температура, растительность - все это скрывает, сглаживает, маскирует метеоритные кратеры. Сравнительно быстро их заносит песком, заливает водой, они зарастают травой, кустарником, деревьями...
Но все-таки метеоритные кратеры иногда найти удается. Так, в Эстонии, на острове Саарема, обнаружено несколько метеоритных кратеров. Это крупные воронки диаметром от нескольких до десятков метров.
В другом районе Эстонии, неподалеку от города Тарту, нашли еще несколько метеоритных кратеров. Самый крупный из них-Пыргухауд (Чертова могила). Диаметр этой воронки космического происхождения около 80 м. Глубина кратера 12 м. Он окружен валом высотой 4 м.
Когда упали космические 'путешественники' на землю Эстонии? Сколько лет метеоритным кратерам на острове Саарема и Котловану ада?
Ответить, на этот вопрос помог самый обыкновенный торф. На дне многих метеоритных кратеров образуется торф. Кратер- это ведь очень подходящее место для образования болота. Отобрали пробы торфа с самого дна кратера - из глубины торфяного слоя в 2,5 м. Приготовили из торфа препарат углерода и измерили его удельную активность, по которой рассчитали возраст: 4480 лет. Но это, конечно, не время падения метеорита. Ведь торф образовался гораздо позже падения: в воронке успели вырасти растения, из них образовался торф и только тогда углеродные часы были запущены. 4480 лет - это время, раньше которого метеорит не мог упасть.
Чтобы узнать время падения метеорита, взяли почву еще глубже. Углеродные часы показали ее возраст - 6030 лет. Вот это и есть время падения метеорита. При ударе о землю он 'вбил' в глубину, опалил слой почвы. Естественно, что всякая органическая жизнь в ней в этот момент прекратилась - углеродные часы были запущены в момент удара метеорита и образования Котлована ада.
А на острове Саарема метеоритные кратеры образовались гораздо позже - всего 2700 лет назад.
Хороши углеродные часы, но и у них есть большой недостаток. Слишком кратковременно они действуют в сравнении с историей Земли. Самое большое - 60-70 тыс. лет. Если принять историю Земли равной 1 году, то время действия углеродных часов составит всего 10 мин. А если надо измерить сотни тысяч или несколько миллионов лет? Конечно, можно использовать свинцовые, аргоновые или стронциевые часы. Но для них такое время чересчур коротко: слишком мало успевает накопиться радиогенных изотопов. Точность получается невысокой. Все равно, что с помощью башенных часов пытаться измерить 1-2 мин.
Вот если бы найти в природе такие изотопы, в которых скорость распада меньше, чем у радиоуглерода (период полураспада- 5730 лет), но больше, чем у калия, урана, тория, рубидия (периоды полураспада - миллиарды лет). Или иначе: требуются такие радиоактивные часы, скорость хода которых меньше, чем углеродных, но больше, чем свинцовых, аргоновых и стронциевых часов. Такие часы найдены. Они помогают определять...

ВОЗРАСТ МОРСКОГО ДНА

Вот как действуют, например, бериллиево-алюминиевые часы. 'Пружина', приводящая в действие эти часы, - космическое излучение. В верхних слоях атмосферы под действием космических лучей происходят ядерные реакции с образованием двух радиоактивных изотопов: бериллия ¹⁰Ве и алюминия ²⁶Аl. Их периоды полураспада 2,7 и 0,74 млн. лет. Уже давно установилось равновесие между образованием и распадом этих изотопов. Так что в атмосфере количество того или другого все время постоянно: во всей земной атмосфере 430 т ¹⁰Ве и 1,7 т ²⁶Al. Соотношение их радиоактивности в атмосфере тоже постоянно, где бы мы его ни проверили. Ведь это изотопы очень близких по химическим свойствам элементов. Во всех физико-химических процессах они ведут себя одинаково.
Космическое излучение постоянно заводит часы, образуя все новые и новые атомы радиоактивных ¹⁰Be и ²⁶Аl взамен распавшихся. 'Новорожденные' атомы ¹⁰Be и ²⁶Аl адсорбируются на мельчайших частицах пыли, носящейся в воздухе, и вместе с дождевой водой выпадают на поверхность Земли. В основном в океаны. Это и немудрено: в северном полушарии 61% поверхности нашей планеты занято океаном, а в южном - 81%.
Атомы ¹⁰Ве и ²⁶Аl увлекаются на дно вместе с осаждающимися донными отложениями. Эти отложения образуют морские осадки - ил, глину ... Сколько времени понадобилось, чтобы накопился, например, слой морского ила толщиной 15 м? Ответ на подобный вопрос могут дать бериллиево-алюминиевые часы.
...С исследовательского судна опустили на дно пробоотборник. Пройдя сквозь многокилометровую толщу воды, где-то в кромешной тьме океанских глубин пробоотборник достиг дна. Стальная труба врезалась в мягкий ил и ушла на глубину 15 м. Подняли трубу на палубу, внутри -длинный керн, столб ила со дна. Осторожно разрезали керн на поперечные слои снизу доверху. Каждый из слоев исследовали в лаборатории: высушили прокалили, обработали химическими реагентами и выделили бериллий вместе с алюминием. А затем с помощью чувствительные счетчиков измерили соотношение радиоактивности ¹⁰Ве и ²⁶Аl в каждом слое керна. Оно оказалось разным.
В верхнем слое никаких отличий от атмосферного соотношения не обнаружили. А в самом нижнем слое, взятом с глубины 15 м от поверхности океанического дна, активность ¹⁰Be и ²⁶Аl была гораздо меньше. Это и понятно: нижний слой ила отложился давно. И пока на него из воды насыпались все новые и новые слои, радиоактивные атомы ¹⁰Ве и ²⁶Аl распадались и распадались...
Скорость распада известна. Известно начальное соотношение ¹⁰Be и ²⁶Аl. Следовательно, измерив теперешнее соотношение радиоактивности этих двух изотопов, можно рассчитать, когда отложился нижний слой ила.
Можно вычислить и скорость отложения ила, если предположить, что она всегда была одинаковой в данном месте океана. Нужно просто разделить толщину осадка на время его накопления. Обнаружили, что скорость осадконакопления в океане довольно мала (по меркам человеческой жизни) - всего 3-5 мм за 1000 лет. Даже во времена египетских фараонов толщина многометровых океанических осадочных слоев была всего на 1-2 см меньше, чем сейчас.
И вместе с тем 3-5 мм за 1000 лет - это ведь и много: за время, прошедшее с тех пор как на Земле появился Человек, толщина океанических осадочных слоев возросла по крайней мере на 15 м-на высоту 4-5-этажного дома...
С помощью бериллиево-алюминиевых часов определяют возраст океанических осадков, образовавшихся несколько сот тысяч или миллионов лет тому назад. Но эти часы пока не часто используют в лабораториях. Слишком мала радиоактивность ¹⁰Вe и ²⁶Аl, слишком трудно ее измерять. В самом деле, в 1 кг океанической глины в 1 мин распадается не больше 10 атомов ¹⁰Be и ²⁶Аl. К тому же возникающее при распаде ионизирующее излучение - очень 'мягкое', низкоэнергетическое. Оно легко поглощается во всех веществах, его трудно зарегистрировать с помощью счетчиков. Все это заставило разработать и другие радиоактивные часы для определения времени и скорости отложения морских осадков. Разработка этих часов началась с того, что обнаружилась...

ПРОПАЖА РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ В ОКЕАНЕ

В 1 см³ океанической воды содержится 2,5*10^-9 г урана. И закона радиоактивного равновесия следовало ожидать, что содержание радия будет около 8*10^-16 г/см³. А на самом деле оно в 10 раз меньше. Куда исчез радий?
В лабораториях известных советских ученых И. Е. Старика Ленинграде и В. И. Баранова в Москве, а еще раньше в американских лабораториях обнаружили 'исчезновение' в океанической воде и другого изотопа - тория ²³⁰Th (иногда по-старинке его называют ионием ²³⁰Io). Он тоже, как и радий, - член радиоактивного семейства ²³⁸U. В океане ученые недосчитались 98% (!)иония по сравнению с тем его количеством, которое отвечает равновесию с растворенным в океанической воде ураном. Куда пропал ионий?

Довольно быстро удалось разыскать 'пропажу': почти весь ионий оказался в составе морских осадков. Объясняется это химическими свойствами изотопа. Ведь ионий - один из изотопов тория. И ведет он себя так, как полагается вести себя торию: очень охотно (в геологическом масштабе - мгновенно) осаждается из воды океана на дно. Вероятно, атомы иония адсорбируются на мельчайших частицах ила и глины. Или образуют малорастворимые соединения с некоторыми веществами морской воды.
Так или иначе, ионий уходит вместе с обычным торием (²³²Th) из океанической воды в донные осадки. Причем часто в таком соотношении с ²³²Th, которое отвечает равновесию этих изотопов одного и того же элемента - тория - в океанической воде. А материнский элемент иония - уран - остается в океане. Поэтому как только ионий попал в глину или ил, устилающие дно океана, его количество начинает уменьшаться по закону радиоактивного распада - больше нет новых поступлений атомов иония от распада урана. Соответственно уменьшается и отношение ²³⁰Io/²³²Th. Величина этого отношения - мера возраста океанического осадка. Чем дольше пролежал осадок на дне морском, тем больше успело распасться иония, тем меньше отношение ²³⁰Io/²³²Th. С помощью счетчиков измеряют это отношение. Зная период полураспада иония (76 тыс. лет), можно рассчитать возраст ила или глубоководной глины.
Но иногда, как показали исследования ленинградского радиохимика Ю. В. Кузнецова, такие ионий-ториевые часы показывают неправильное время. Это объясняется возможным, нередко большим различием в геохимическом поведении иония и тория. На первый взгляд, это абсурдное утверждение: уже говорилось, что ²³⁰Io и ²³²Th - изотопы одного и того же элемента-тория. А, как известно, изотопы-'близнецы' ведут себя во всех процессах одинаково.
Но ²³⁰Io и ²³²Th разная геохимическая и ядерно-физическая 'судьба'; торий попадает в океаническую воду в результате растворения минералов и выноса в воду мельчайших минеральных пылинок с суши. Ионий же рождается при радиоактивном распаде урана непосредственно в воде. Поэтому ²³⁰Io и ²³²Th могут находиться в разной химической форме, в различных химических соединениях. Естественно, и поведение их при образовании океанических осадков может различаться. А для точного измерения времени ионий-ториевыми часами требуется полная идентичность обоих изотопов.
К счастью, удалось найти более подходящую изотопную пару. Это уже знакомый нам ионий и изотоп радиоактивного элемента протактиния - ²³¹Ра, Химические свойства иония и протактиния очень близки. И что самое благоприятное, и ²³⁰Iо, и ²³¹Ра - члены радиоактивных семейств одного и того же элемента урана. Именно поэтому 'новорожденные' атомы ²³⁰Io и ²³¹Pa находятся в момент своего образования в совершенно одинаковых условиях - в океанической воде, где находились их материнские атомы урана. И их дальнейшая история - быстрый переход в осадок и постепенный радиоактивный распад - тоже аналогична. С той лишь разницей, что скорость распада ²³¹Pa (период полураспада 34 тыс. лет) меньше скорости распада ²³⁰Iо. С течением времени соотношение ²³¹Pа/²³⁰Iо в океанической глине или в глубоководном иле изменяется. Для определения возраста нужно измерить с помощью счетчиков отношение ²³¹Ра/²³⁰Iо - это и будут 'стрелки' протактиниево-иониевых часов. С их помощью определяют время в сотни тысяч лет.