Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Галактике, врезается в атомное ядро в верхних слоях атмосферы Земли (примерно в 30 км над поверхностью), она разбивает ядро на составляющие его частицы, высвобождая множество нейтронов. Эти быстрые нейтроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомными ядрами, превращая их в новые изотопы и другие элементы. В частности, быстрый нейтрон (n), столкнувшись с атомом Азота (14N, преобладающим компонентом атмосферы), может выбить протон и занять его место в ядре:

n + 14N → 14C + p.

В ядре по-прежнему четырнадцать частиц, но на один протон меньше, поэтому атом перемещается с седьмого на шестое место в Периодической таблице и превращается в 14C. Скорость образования 14C в ходе этого процесса примерно постоянна, и если учесть естественную скорость распада изотопа, мы получим то соотношение, которое и наблюдаем в воздухе сегодня, когда на каждый триллион ядер12C приходится одно ядро 14C.

Я говорю, что скорость «примерно постоянна», но этого недостаточно для точного датирования. И хотя в наши дни я могу измерить ее непосредственно, откуда мне знать, какой она была 1400 лет назад, прежде чем мы хотя бы вообразили космические лучи, не говоря уже о радиоактивных изотопах? На самом деле скорость образования частиц меняется и предсказуемо, и непредсказуемо по трем различным причинам, и датирование при помощи изотопа14C практично только потому, что у нас есть независимый способ определения этой скорости.

Изменчивая скорость образования частиц

Первое, что следует учесть, – это скорость, с которой космические лучи из дальнего космоса достигают Земли. Ее значение будет колебаться в зависимости от очень долгих временных масштабов, поскольку Солнечная система обращается вокруг центра Галактики (примерно раз в 240 миллионов лет) и проходит через разные области космоса. Если нам случится миновать место недавнего звездного взрыва – основного места образования космических лучей, – то дождь из частиц высокой энергии усилится, и вместе с этим возрастет скорость образования 14C. Однако в интересующих нас временных рамках (от тысяч до десятков тысяч лет) можно с уверенностью предположить, что скорость, с которой межзвездные космические лучи прибывают в окрестности Земли, достаточно постоянна.

Второй фактор, определяющий уровень воздействия этих лучей на атмосферу, – это интенсивность магнитного поля Земли и активность Солнца. Космические лучи по определению представляют собой заряженные частицы (с положительным или отрицательным зарядом), а такие частицы энергично взаимодействуют с магнитным полем. Более того, напряженность магнитного поля Земли (которое заставляет стрелку вашего компаса поворачиваться, указывая на север) достаточно велика, чтобы полностью отклонить некоторые космические лучи и направить многие другие вдоль своих силовых линий на Северный и Южный полюса, рождая полярное сияние.

Оказывается, напряженность (и даже направление) магнитного поля Земли непостоянна. Поле, созданное турбулентными потоками в расплавленной части земных недр, то усиливается, то ослабевает и меняет свое положение: в настоящий момент Северный магнитный полюс находится в 395 км к югу от географического Северного полюса, сместившись на 570 км к северу и на 810 км на запад за последние двадцать лет2.

Однако для проникновения космических лучей важнее напряженность поля. За последние два столетия она уменьшалась примерно на 6 % за столетие3; чем слабее поле, тем больше космических лучей достигает поверхности Земли и тем сильнее возрастает образование 14C. Если эта тенденция сохранится, поле исчезнет в течение следующих нескольких тысяч лет. Если взглянуть на происходящее в более долгих временных масштабах, то мы увидим, что наблюдаемые в последнее время колебания не являются чем-то необычным, а нынешняя напряженность аналогична средней за последние 7000 лет. Было показано, что за еще более долгое время (от сотен тысяч до десятков миллионов лет) поле исчезает и снова возвращается, меняя полярность, при этом Южный магнитный полюс находится рядом с географическим Северным полюсом и наоборот. Это не имеет значения для интересующей нас скорости образования частиц 14C, поскольку из-за сравнительно короткого периода полураспада данный изотоп бесполезен для датирования, когда возраст объекта намного превышает 50 000 лет.

Уровень активности Солнца играет роль и в регулировании количества космических лучей, прибывающих на Землю. В период особо сильной активности солнечный ветер выходит за пределы земной орбиты, сводя к минимуму количество космических лучей, достигающих атмосферы, и отклоняя их в космос. Когда Солнце сравнительно спокойно, его магнитное влияние уменьшается, и на нас ливнем проливаются космические лучи. Изучая другие радиоактивные изотопы, возникающие под влиянием космического излучения, такие как Бериллий (10Be, t½ = 1,6 миллиона лет), мы можем составить график изменений солнечной активности, способной, помимо прочего, влиять на климат Земли (см. гл. 11).

Однако если говорить об активности нашей звезды, то существует противоположная тенденция, которую также необходимо учитывать. Когда Солнце активно, сильные вспышки на его поверхности выбрасывают на Землю протоны и электроны в форме солнечных космических лучей. Поскольку частота вспышек возрастает и ослабевает по мере одиннадцатилетнего цикла, интенсивность которого сильно меняется на протяжении столетий, она также оказывает влияние на образование 14С. Однако этот эффект относительно невелик: максимальный вклад Солнца в формирование межзвездных космических лучей обычно составляет от менее 1 до 5 %.

И, наконец, свой след в концентрации 14C, который придется учитывать будущим историкам и археологам, за последние два столетия оставила человеческая деятельность. Мы получаем уголь, нефть и природный газ из растительного материала, который оказался в земных недрах примерно 100 миллионов лет назад или еще раньше. Сжигание этого ископаемого топлива в наши дни приводит к выбросу Углерода в атмосферу (в форме CO2) и изменению соотношения содержания его изотопов. Мы подробнее изучим этот эффект в главе 11, но сейчас отметим, что этот очень старый ископаемый Углерод не содержит 14C – весь радиоактивный изотоп давным-давно распался. Поэтому в 2200 году историки вполне могли бы заключить, что артефакты современной цивилизации старше, чем на самом деле, поскольку соотношение 14C/12C в современной атмосфере понизилось под влиянием антропогенного фактора.

Однако есть еще один сопутствующий эффект, который будущим ученым также придется принять во внимание. С 1950 по 1963 год над землей прошло огромное количество ядерных испытаний. Великое множество нейтронов, образующихся при каждом взрыве, вступило во взаимодействие с Азотом – подобно тому, как это делают нейтроны, рожденные под воздействием космических лучей, – и произвело несколько тонн 14C. Концентрация 14C в атмосфере увеличилась почти вдвое, достигнув пика примерно в 1965 году. По мере того как Углерод медленно смешивался с землей и морской водой, интенсивность ослабевала, так что к 2021 году оставшийся избыток в атмосфере приблизился к нулю и продолжил снижаться из-за сжигания ископаемого топлива (см. гл. 11)4.

Если бы знания о скорости образования 14C нам предоставляли только эти факторы (изменение магнитного щита, солнечная активность и антропогенное влияние), нам пришлось бы смириться со значительной неопределенностью в возрасте объектов