14С - датирование
В верхних слоях атмосферы (на высоте 10 - 80 км) идут реакции обмена зарядами между быстрыми нейтронами (n) и ядрами атомов азота, возникающими под действием космических лучей (р = протон):
14N + n -> 14С + p
Образованный при этом радиоактивный сверхтяжелый углерод 14С распределяется равномерно по атмосфере в форме 14CO2 и ассимилируется растениями. Благодаря пищевой цепи процесс распределения происходит таким образом, что почти все существующие ныне растения, животные и люди имеют одинаковое соотношение концентрации:
14С / 12С ~1/1014
Если умирает живое существо или происходит одревеснение древесного кольца, то тем самым прекращается углеродный обмен с окружающей средой и концентрация 14С в результате радиоактивного распада уменьшается
14С -> 14N + е + v
(v - антинейтрино, е - электрон) в момент периода полураспада Т = 5730 л (т. е. но прошествии 5730 лет соотношение становится 14С /12С=0.5/1012 , по прошествии 11460 л - 0,25/1012, по прошествии 40000 л - 7,9 • 10-15. по прошествии 100000 л - 5,6 • 10-18). Возникающие при этом атомы невозможно обнаружить в присутствующей в воздухе массе N.
Применяются два метода измерения:
1. Подсчет 14С-распадов по счетчику заряженных частиц. Для этого (устаревшего) способа требуется около 10 г углерода.
2. Подсчет 14С-атомов с помощью ускорителя частиц (ускорителя масспектрометра, УМС). Для этого требуется лишь, несколько миллиграммов углерода. С помощью этого метода можно определить возраст одного-единственного зернышка пшеницы или маленького осколка какого-либо предмета быта, имеющего огромную археологическую ценность, или частицу ископаемой окаменелости.
Подсчет с помощью ускорителя частиц более точен и позволяет произвести расчет более высокого С-возраста (замеры более низких соотношений 14С /12С). В то время как методика определения возраста с помощью счетчика имеет свой предел в районе 40000 14С-лет, с помощью ускорителя частиц можно преодолеть границу в 100000 14С -лет. Но это возможно лишь в теории, а в действительности же существующие с 1977 года и до настоящего времени ускорители частиц, даже у гранитов и антрацитов, возраст которых исчисляется сотнями миллионов лет, дают лишь показания их 14С - возраста от 40000 до 60000 лет. Эти неожиданные результаты объясняются загрязненностью проб и, соответственно, измерительной аппаратуры "молодым" 11С - со держащим углеродом. Однако если замеренный 14С действительно присутствует в пробах, то это должно исключать вывод о возможном их возрасте в миллионы лет. Здесь уместно вспомнить о превратившейся в уголь горизонтально расположенной ветви, которая была заключена в известняк системы мелового периода и служила в течение сотен миллионов лет "банком" ископаемых и которая насчитывает 14С -возраст в 12800 л.
Для определения возраста t согласно уравнения (1*) требуется определить "начальное", бывшее действительным на момент смерти живых существ соотношение (1=0). Не совсем корректно применять для этого действительное на настоящий момент значение (10-12). Процесс образования 14С зависит от изменяющейся интенсивности космического излучения, солнечной активности и земного магнитного поля. Соотношение 14С/12С определяется затем по количеству 15С в атмосфере, океане и биосфере, на которое и делится образующийся 14С.
Снижению соотношения 14С/12С могла бы послужить интенсивная вулканическая активность, сопровождающаяся выбросом большого количества 14С 12С и, при известных обстоятельствах, выпадение карбонатов (углекислой соли).
Если имеющейся в наличии биомассы было бы больше (напр., меньшие площади были бы заняты пустынями), то соотношение было бы меньшим.
Такое уменьшение соотношения 14С/12С на момент смерти некого живого существа при определении его возраста приводит к искажению 14С/12С в сторону увеличения.
С помощью дендрохронологии (пересчета количества годовых колец деревьев, особенно хвойных сосен, секвойи, дубов) можно определить начальное соотношение 14С/12С ("дубовая" кривая). Возможность подобных замеров охватывает временные периоды в несколько тысячелетий.
Результаты попыток определения возраста, которые не поддаются раскрытию путем составления непрерывной дендрохронологии, являются весьма зависимыми от той или иной модели. Даже высокий 14С -возраст согласно концепции катастрофической модели может истолковываться как действительно насчитывающий много тысяч лет возраст (мега-сукцессионная модель, раздел 8.3). Однако, практически невозможно по возрасту пробы, пусть даже и в миллионы лет, определить в ней наличие необходимого характерного количества |4С.
Урановые и полониевые зоны излучения.
Согласно широко распространенным в настоящее время теориям о происхождении Земли, предполагается, что она образовалась из обломков пород пыли и газа, которые под воздействием силы притяжения соединились в представляющий собой раскаленную разжиженную массу шар. В ходе очень медленного процесса его остывания выкристаллизовывались породы земной коры. Однако наличие зон активного полониевого излучения в породах раннего этапа развития Земли подвергает сильному сомнению всю эту схему.
Зоны излучения представляют собой шарообразные (в микроскопическом разрезе - в форме кругов) затемнения некоторых прозрачных материалов, таких как, например, слюда (рис. 8.14). Их диаметр достигает 0,01-0,1 мм. Они вызваны а - излучением, которое исходит из эпицентра радиоактивности, едва достигающего величины в 1 мкм. Если радиоактивная субстанция расположена в центре цепочки a - распадов, как, например, 218Ро (Т=3,05 мин) - > 214Ро (1 = 0,000164 сек) -> 210Ро (Т=138 дней) - > 206РЬ, то для каждого а - распада возникает свое кольцо; так, для 218Ро возникают три концентрических кольца, радиусы которых (в зависимости от силы энергии распада) являются характерными для того или иного и-распада (см. рис. 8.14). 218Ро является элементом распада 238U, но центры зон излучения полония не содержат и не содержали, однако, никакого урана. Вследствие краткости периода полураспада мы имеем уже не полоний, а лишь стабильный конечный продукт - 206РЬ. Иногда встречаются зоны излучения полония с тремя кольцами (см. рис. 8.14), иногда - с двумя (отсутствует среднее кольцо), а иногда только с одним кольцом (внутренним). Изначально они, должно быть, содержали 218Ро, или 214Ро, или 210Ро. Следует заметить, что зоны излучения могут сохраниться лишь при температуре материала ниже 300°С, а иначе они исчезают.
Если полоний является продуктом распада урана, то он должен, разделившись на изотопы, превратиться в центры зон излучения (так как имеется три вида зон излучения полония). Это в наибольшей степени было бы вероятно в расплавленном материале. Далее должен был бы начаться процесс выкристаллизовывания и остывания породы. Все это может занимать вряд ли больше времени, чем период полураспада любого Ро-изотопа - т. е. менее, чем одна миллисекунда у 214Ро.
Если исходить из подобных условий протекания реакции, то становится ясно, что воспроизводились модели только тех пород, которые уже содержали зоны излучения. Согласно этим условиям, полоний уже присутствовал в подвергающейся исследованию "первичной породе", и как раз при температуре ниже 300°С.
Для оценки верхней возрастной границы земной коры могут быть также использованы определенные зоны излучения: Р. ДЖЕНТРИ обнаружил в угле девонского периода зоны уранового излучения. Эти зоны излучения указывают на то, что в породе произошел лишь первый из восьми а-распадов 238U-ряда. Второй этап распада 238U с Т = 244 • 103 лет послужил причиной появления второй зоны (второго концентрического шара), при условии, конечно наступления его с достаточной частотой. Эта оговорка вызвана тем, что в описании условий протекания реакции для этого не предусмотрено достаточно времени. В центре этих зон излучения находился 238U, но практически отсутствовал 206РЬ. Но в возрасте 380 • 106 лет, который указан на геологической временной шкале, следовало бы ожидать наличия достаточно большого количества 206РЬ. ДЖЕНТРИ установил, что уголь должен быть, по крайней мере, в 1000 раз моложе, чем это указано на геологической временной шкале. А отсюда следует, что, если девонский период моложе, чем это указано на геологической временной шкале, то и все находящиеся над ним геологические системы должны быть моложе.
Незначительное содержание гелия в земной атмосфере
При радиоактивном распаде нуклидов 238U, 235U, и 232U и прохождении ими множества промежуточных ступеней до получения стабильных конечных продуктов 206РЬ, 207РЬ, и 208РЬ происходит соответственно 8, 7 или 6 а-распадов. При каждом а-распаде выделяется атом гелия.
Т. о., в земной коре идет постоянный процесс образования 4Не, который постепенно уходит в атмосферу (рис. 8.15). Так как гелий является благородным газом, то он не может образовывать химические соединения. Предполагают, что он не улетучивается в межпланетное пространство, а скапливается в атмосфере.
Относительная доля гелия в атмосфере Земли достигает (5,24 ± 0,05) • 10-6 . Это соответствует в общей сложности равенству N = 5,59 • 1038 атомов гелия или плотности о=1,1 • 1024 атомов на м2. Приток 4Не из земной коры достигает J+ =2 • 1010 атомов на м2 в секунду. Очень приблизительная оценка интенсивности оттока из верхних слоев атмосферы максимально достигает J+ = 5 • 108 атомов на м2 в секунду. Прибывает в таком случае, по крайней мере, в 40 раз больше, чем убывает.
Возраст атмосферы (Земли) при такой оценке колеблется от t=о/(J+- J-)=1,8 миллионов лет до 2500. Это значительно меньше стандартного возраста Земли в 4,6 миллиардов лет. При этом предполагается, что атмосфера не содержала изначально 4Не и он не попадал в атмосферу извне (от солнца). Если же не делать подобных допущений, в пользу чего имеются также убедительные аргументы, то возраст Земли можно легко ограничить несколькими тысячелетиями. Оценка в 1,8 миллионов лет является верхней границей возраста Земли.
В качестве доказательств обратного пытаются использовать различные факторы, которые якобы могут доказать более высокий возраст Земли: чрезвычайно сильную раскаленность экзосферы, полярные ветры, фактор солнечного ветра, энергетический обмен 4Не-атомов с горячими ионами. Не все перечисленные здесь феномены возвращают нас к первоначальному выводу
Небольшая продолжительность жизни комет с коротким периодом существования
Ядра комет - это небесные тела величиной во много километров, которые относятся к нашей Солнечной системе. Они вращаются по эллиптическим орбитам, центр которых - Солнце. Ядра комет представляют собой неплотные шары из льда (состав Н2О, СН4 СО2 ) и других летучих веществ, а также из пыли и обломков пород.
Если ядро находится на меньшем расстоянии от Солнца, чем 1 - 2 радиуса орбиты Земли (астрономическая единица = АЕ), то оно под влиянием солнечных лучей при мощном выбросе газа может образовать огромную, достигающую размеров Солнца 'голову" (облако из газа), плазменный шлейф (хвост из ионизированного газа) в форме прямой линии и изогнутый шлейф из пыли, длина которого может быть больше чем 2 АЕ. При каждом облете Солнца (по перигелию) ядро теряет свою мантию на толщину в несколько метров. Поэтому число возможных вращений комет по перигелию ограничивается 100- 1000, После этого остается след из пыли и обломков (метеоритный поток), а при определенных обстоятельствах дегазированное ядро в форме астероида.
Орбиты комет могут претерпевать сильные искажения при сближении с большими планетами, особенно с Юпитером, иногда даже таким образом, что комета может навсегда быть выброшена из солнечной системы. Из-за потери массы и нестабильности орбит кометы (их ядра) считаются образованиями с кратким периодом жизни.
В зависимости от времени обращения Т кометы подразделяются на два основных класса (л - годы): кометы с кратким периодом существования (далее КПС) с 0,Зл<Т<200л и кометы с длительным периодом существования (далее ДПС) с Т > 200 л.
Среди комет с длительным периодом существования различают в соответствии с афелием А (наибольшим расстоянием от Солнца) два подкласса: "старые" ДПС с А < 30000 АЕ и "новые" ДПС с ЗОООО АЕ < А < 100000 АЕ.
Орбиты КПС напоминают форму круга и менее наклонены относительно орбиты Земли. Орбиты ДПС, напротив, очень эксцентричны (вытянуты в длину), и их оси симметрично распределены по кругу.
КПС должны исчезать максимум после 1000 оборотов по 200 лет существования, т. е. в течение 200000 лет. ДПС могут существовать дольше, однако из-за нарушения орбит не настолько долго, как указывает на это предполагаемый возраст Земли (5 миллиардов лет). Таким образом, в настолько старой Солнечной системе нельзя рассчитывать на существование комет, так как кометы не могут существовать так долго и не могут вновь образовываться по ходу ее развития. Поэтому пришлось сконструировать приемлемую абстрактную модель - автором ее является ЖАН ЛЕНДРИК ООРТ (1950) - которая, несмотря на существование комет, призвана обосновать более высокий возраст солнечной системы: КПС. должны получить дополнительный импульс благодаря превращению "старых" ДПС в КПС. ДПС образуются, согласно ООРТУ, из туманностей.
Оортовские туманности (см. рис, 8.16) представляют гобой скопление порядка 10" -10" ядер комет, которые движутся внутри равномерно заполненной оболочки. Эта оболочка, имеющая шарообразную форму и удаленная от Солнца на расстояние от 30000 АЕ до 100000 АЕ (0,5 - 1,5 световых лет), движется по орбитам, имеющим форму круга ("К" на рис. 8.16).
Эта туманность таким образом нарушается пролетающими мимо звездами (St), что орбита некоторых ядер комет приобретает настолько эксцентричную траекторию (2), при которой туманность приближается к Солнцу на расстояние всего лишь в несколько АЕ. Таким образом, должны возникнуть "новые" ДПС, которые до того момента еще никогда не приближались к Солнцу столь близко. И уже при первом прохождении вблизи от Солнца их орбиты должны были так измениться, что из них сразу бы получились "старые" ДПС(З).
Описанная выше модель наталкивается, однако, на многократные непреодолимые трудности:
Эти и подобные факты делают теорию Оортовской туманности слишком неправдоподобной. Другие модели возникновения комет, например, в процессе вулканических выбросов, или благодаря уплотнению метеоритных потоков, являются еще менее правдоподобными. Лучше всего подобные теории вписываются, включая также теорию возникновения комет, в рамки модели, согласно которой солнечная система была создана не более, чем несколько десятков тысячелетий тому назад.
Рис. 8.14: Зоны излучения полония-218 в слюде. Три кольца зоны излучения происходят от происходящих последовательно процессов а-распада: 1 - среднее кольцо 218Ро (Т=3,00 мин), 2 - Внешнее кольцо 5кРо (T=164fis), 3 - Внутреннее кольцо 210Ро (Т=138 d). Увеличение 275-кратное (снимок: R.V. GENTRY, Oak Ridge National Laboratory).
Рис. 8.15 4Не в атмосфере (пояснения в тексте)
Рис. 8.16. Абстрактная модель Оортовских туманностей. А - внешний край Оортовской туманности, I - внутренний край, К - 10" - 10'2 ядер комет Оортовской туманности. So - Солнце вместе с планетами и возникшими из "старых" ДПС - КПС (4), St - орбита пролетающей мимо звезды, 1 - орбита ядра кометы Оортовской туманности, 2 - орбита некоей "новой" КПС, 2" - орбита ядра кометы, многократно прошедшей сквозь звезду, 3 - орбита бывшей ранее до того новой" ДПС, которая вследствие нарушения орбиты превратилась в ' старую ДПС. Орбиты КПС (4/, если учитывать их масштаб и сравнительно малый диаметр, не могут быть нанесены на схему, вся известная планетная система сжимается на схеме до размеров точки диаметром менее, чем 1,1 мм.
