Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Изучение структуры атома привело к созданию новых инструментов, позволяющих определять концентрацию частиц с точностью до нескольких частей на миллиард. При таком разрешении можно было попытаться получить новые ответы на старые вопросы.

Либби заплатил двум молодым ученым пять тысяч долларов и предложил им заняться изучением форм углерода. Подобно большинству атомов, углерод встречается в природе в виде нескольких разных изотопов. Все атомы углерода имеют в ядре одинаковое число протонов. Разница в том, сколько в ядре нейтронов. Либби догадался, что все живые существа должны иметь такую же долю атомов углерода-14, как и в атмосфере. Живые существа дышат, едят и пьют, захватывая при этом атомы углерода, и поэтому в их организмах должен соблюдаться такой же баланс изотопов углерода, как и в воздухе. Когда организм умирает, равновесие с атмосферой нарушается: новые атомы углерода больше не поступают в организм, а те, что остались, начинают превращаться в другие формы.

Как и в случае других атомов, эта реакция происходит с постоянной скоростью, определенной физико-химическими законами. Зная это, Либби предположил, что измерение содержания углерода-14 в древних костях позволит определить приблизительное время смерти животного. Это было серьезным прорывом: как будто в древних костях, зубах, раковинах или древесине были обнаружены идущие часы.

Гарольд Юри из соседней лаборатории считал, что атомы могут явиться ключом к пониманию истории планеты, Солнечной системы и всей Вселенной. Одним из главных объектов восхищения Юри был кислород. Этот крошечный атом, являющийся очень важным элементом воздуха, воды и костей, имеет несколько свойств, которые открывают окно в прошлое и в бесконечный мир вокруг нас.

Юри знал, что кислород, как и углерод, встречается в виде более тяжелых изотопов с большим содержанием нейтронов и в виде легких изотопов, в которых нейтронов меньше. Исключительно из теоретических соображений он предположил, что соотношение этих форм в любом веществе зависит от температуры. Идея эта родилась вовремя, поскольку уже существовали инструменты, позволявшие проверить ее экспериментальным путем.

И все получилось: соотношение тяжелых и легких изотопов кислорода в веществе действительно зависит от температуры. Для Юри и его группы этот успех означал, что путем измерения содержания разных форм кислорода в веществе (например, в воде или костях) можно определить температуру среды в процессе образования этого вещества. Проблема заключалась лишь в том, чтобы найти в геологической летописи правильные данные, с точностью указывающие на климатическое состояние Земли в разные эпохи. Только тогда инструменты, предложенные Либби, Юри и их коллегами, смогли бы свести причину со следствием.

Морские раковины прочны и очень долго сохраняются, поскольку в их составе имеется кристаллическое вещество карбонат кальция. Это соединение, столь важное для обеспечения твердости раковин, содержит кислород. Юри и другие ученые понимали, что раковины морских животных формируются из атомов и молекул, находящихся в морской воде во время жизни животного. Таким образом, относительное содержание различных форм кислорода в раковинах может отражать температуру воды в то время, когда жили их обитатели. Поскольку раковины очень хорошо сохраняются, они могут содержать подробную летопись событий далекого прошлого.

Воспользовавшись изотопами кислорода как термометром, а изотопами углерода в качестве хронометра, а также руководствуясь регулярным расположением геологических слоев, ученые принялись изучать климатические изменения во время ледниковых периодов.

Стотысячелетний цикл изменений формы земной орбиты: ледниковые периоды обычно наступают при эксцентрическом положении Земли.

Одна группа исследователей проследила за изменениями температуры по весьма представительному собранию раковин. Морское дно — идеальная среда: здесь слой за слоем оседают из толщи воды частицы вещества. Анализируя состав кислорода в раковинах внутри слоев, ученые смогли в общих чертах описать изменения климата. Оказалось, что температура на планете то повышалась, то понижалась: пики высоких температур чередовались с долинами низких. Но эти изменения не были хаотическими. Если внимательно изучить графики, можно обнаружить, что пики и провалы повторяются каждые сто тысяч лет. Именно это число прежде называл Милутин Миланкович. В результатах работ других групп также стало появляться число 100 000. Может быть, события на Земле и в самом деле зависят от космических процессов?

Проблема заключалась в запутанности данных. На графиках зависимости температуры от времени было множество пиков, а не только те, что повторялись с периодичностью сто тысяч лет. Тогда один английский и два американских ученых решили применить метод анализа, разработанный одним из советников Наполеона в Египте. Этот чиновник от скуки решил заняться изучением теплоты и законов ее передачи между различными материалами. Эта работа чрезвычайно помогла ученым спустя сто лет. Однако помог им не анализ свойств теплоты, а математический метод, разработанный наполеоновским чиновником. Если у вас есть некий очень сложный график, то, возможно, эта сложность является результатом наложения нескольких независимых колебательных процессов. Математический метод, известный теперь (по имени автора) как преобразование Фурье, позволяет разделить сложную зависимость на несколько регулярных и более простых.

Благодаря этому несложному аналитическому аппарату набор данных перестал выглядеть хаотично, а приобрел глубокий смысл. Это было наложение ритмических процессов с цикличностью в сто тысяч, сорок тысяч и девятнадцать тысяч лет. Миланкович и Кролл оказались правы: ледниковые периоды во многом связаны с орбитой, углом наклона оси и вращением Земли.

Графики изменений климата с пиками и провалами, отражающими подъемы и падения температуры за миллионы лет, напоминают электрокардиограмму человека. Сердце Земли стучит уже много лет, соответствуя ритму изменения земной орбиты, а также действию воды и воздуха. До глобального похолодания сорок пять миллионов лет назад, которое так заинтересовало многих ученых, включая Морин Раймо, эти изменения орбиты редко приводили к ледниковым периодам. Но позднее колебания орбиты стали вызывать наступление и отступление полярных льдов. И эти полярные льды преподнесли сюрпризы.

В 1964 году, на пике активности в Кэмп-Сенчури, датский геолог Вилли Дансгор посетил Туле (самую крупную авиационную базу региона, снабжавшую лагерь), чтобы изучить местный снег. До этого Дансгор провел некоторое время в Чикаго и даже поработал в лаборатории Юри. Тамошние студенты запомнили его тягу к холоду: долгими чикагскими зимами он оставлял окна открытыми.

Прибыв на базу, он услышал о военном городке в сотне километров к востоку. Он попросил разрешения посетить КэмпСенчури, но ему отказали ввиду чрезвычайной секретности операции. И все же в качестве руководителя лаборатории армии США по изучению холодных регионов ему удалось получить доступ к глыбам древнего льда, которые вынимали, чтобы освободить пространство для города. Может быть, именно в этом льде найдутся ответы на вопросы об изменениях земного климата?

Всю жизнь Дансгор мечтал увидеть большой непотревоженный столб льда, и теперь у него перед глазами лежали самые полные из когда-либо виденных им ледяных колонн. Дансгор сразу же отметил две особенности. Во-первых, лед переливался разными цветами, от зеленого до голубого. Во-вторых, колонны льда состояли из толстых, тонких и средних слоев. Практически все компоненты воды и воздуха попадают в лед. В лед вмерзают частицы всех размеров и видов — не только семена, растения, зола, но и обломки самолетов времен Второй мировой. Атмосферный воздух остается во льду в виде пузырьков. А сами слои льда могут отражать смену времен года. Арктическая зима темная и холодная, а лето яркое и сравнительно теплое. Солнце топит лед, вода приносит с собой осадки, поэтому летние слои льда темнее и грязнее зимних. Одни слои могут быть темнее других из-за принесенной ветром пыли. Лед захватывает много всего и является очень ценным источником информации об изменениях климата.

Дансгор применил к ледяным глыбам Гренландии метод Гарольда Юри. Поскольку объектом исследования были не раковины, а лед, методика требовала некоторой коррекции, но Дансгору удалось понять заключенную во льде информацию об изменениях климата. Дансгор измерил содержание кислорода вдоль столба льда с глубины более восьмисот метров — примерно сто тысяч лет истории. Он обнаружил заметное похолодание семнадцать тысяч лет назад — это был ледниковый период, впервые замеченный Агассисом. Кроме того, он увидел потепление около полутысячи лет назад. А еще он обратил внимание на холодный период, продолжавшийся с 1700 по 1850 год, когда в большей части Европы установились холода, а Ханс Бринкер[5] катался на коньках по каналам Амстердама.