ВОЗРАСТ МЕТЕОРИТОВ

Возможность подвергнуть метеорит самому детальному анализу — химическому микроанализу, изотопическому и т. п., — открывает пути к определению его возраста и даже давности разных этапов его существования: времени отвердевания вещества метеорита, времени дробления материнского тела или времени падения метеорита, найденного случайно.

Вещество метеорита содержит первоначально нормальное для Вселенной количество тяжелых элементов, в большей или меньшей степени радиоактивных. Последние распадаются по экспоненциальному закону. Если первоначальное количество атомов данного рода i на грамм метеоритного вещества было то по истечении времени 6 их остается

где Я — постоянная распада, такая, что число атомов уменьшается вдвое по истечении времени удовлетворяющего условию

Время , которое удобно употреблять вместо , называется периодом полураспада данного атомного ядра. В качестве примера радиоактивных процессов приведем следующие, связанные с распадом урана и тория (в знаменателе показан период полураспада):

Во всех трех случаях происходит многоэтапный процесс выброса а-частиц и электронов из ядер с образованием в конечном счете стойких продуктов — радиогенных изотопов свинца и газообразного гелия. Важен еще распад радиоактивного калия (полупериод лет). 88 % его ядер путем выброса Р-частиц преобразуются в ядро после захвата электрона переходит в ядра аргона :

Пока метеорит входит в состав родительского крупного тела при высокой температуре и, может быть, в пластическом состоянии, распадающиеся ядра i и продукты распада s свободно перемещаются и теряют взаимную связь. Но когда метеорное тело выделилось в самостоятельное твердое тело, такая миграция возможна лишь для газов и то, пока метеорит горяч. После того как он охладится, все продукты распада, в том числе и газообразные, остаются на месте. Измерение относительного содержания ядер i и s, поскольку постоянная времени известна, позволяет определить время, в течение которого происходит распад, — либо от момента образования метеорита, либо от момента, когда он остыл. Так как одно ядро s образовалось в конечном результате распада одного ядра i, то число атомов s будет по истечении времени

В случае, когда образуется несколько конечных ядер s из одного исходного как, например, в процессах (38.7), вносится соответствующий множитель. В лаборатории методами микрохимического или изотопического анализа находят отношение чисел ядер и . Согласно формулам (38.8) и (38.12) оно должно равняться

откуда определяется без труда. Фактически встречаются многочисленные трудности, связанные в основном с двумя обстоятельствами: с незнанием первоначального содержания элемента s в исследуемом образце и с расщепляющим действием космических лучей.

В настоящее время разработано много способов обойти первую трудность. Так, изучают космическое «первоначальное» отношение числа ядер изотопов свинца Изотоп нерадиогенного происхождения и число его ядер с течением времени не меняется. Поэтому всякое избыточное количество и т. д. по отношению к можно считать радиогенным.

Вторая трудность возникает следующим образом. Проницающая способность космических лучей, наиболее часто встречающихся в межпланетном пространстве, такова, что средний свободный путь космической частицы в теле метеорита составляет 150 г/см2. Это значит, что метеорит при поперечнике около 1 м уже пронизывается космическими лучами со всех сторон.

Рассмотрим для примера воздействие протонов высокой энергии на ядро атома железа. Оно протекает согласно формуле

    (38.11)

(n — нейтрон). Из всей серии образовавшихся ядер и Н устойчивы и они уже могут нанести ущерб определению времени свободного существования метеорита, основанному на процессах (38.7). Наоборот, расхождение между значениями возраста метеорита, определенного по свинцу и по гелию, дает указание на время, в течение которого метеорит подвергался экспозиции космическими лучами.

В отличие от естественного радиоактивного распада, искусственная радиоактивность, вызванная космическими лучами, наращивает продукты распада s пропорционально времени. Однако образующиеся неустойчивые изотопы опять распадаются по экспоненциальному закону или тоже пропорционально времени, так как возможен индуцированный распад. Их число должно в конце концов соответствовать равновесному значению, при котором количество образующихся и распадающихся ядер данного рода одинаково. Но скорость образования пропорциональна интенсивности облучения, так что изменения потока космических частиц, вполне вероятные в течение миллиардов лет, могут внести ошибки в определение времени свободного существования метеорита. С помощью некоторых обходных методов их можно учесть, и тогда мы получаем сведения о том, насколько непостоянен поток космических лучей в Солнечной системе.

Метеорит после падения на Землю защищен атмосферой от воздействия космических тел и тогда в нем протекают процессы естественной радиоактивности и той искусственной радиоактивности, которая возникла в связи с предшествующим облучением космическими лучами. При этом открываются возможности определить давность падения тех метеоритов, которые были найдены случайно. Для этого особенно удобно определять относительное содержание быстротечных изотопов как .

Не вдаваясь в технические детали, приведем результаты определения различных «возрастов» метеоритов.

Время облучения метеоритов космическими лучами получается сравнительно небольшим — порядка десятков и сотен миллионов лет. По содержанию улетучивающихся газов давность этапа, когда метеорит охладился, оказывается гораздо больше — порядка миллиардов лет (от 0,3 до лет), с некоторым скучиванием возрастов около 1 и 4,2 млрд лет. Вообще говоря, железные метеориты оказываются старше каменных, но это могло произойти и оттого, что каменные легче подвергаются эрозии в космосе. В среднем можно утверждать, что большинство метеоритов не подвергалось нагреву в течение последних 4,5—5 млрд лет, и то, что у них возрасты больше лет практически встречаются очень редко, указывает на возраст Солнечной системы не свыше 5 млрд лет. Вспомним, что и на Луне самые старые образцы — не старше 4,6 млрд лет. Интенсивность космических лучей за последний миллиард лет, по-видимому, была постоянна в пределах 50 %. Она не зависит от расстояния от Солнца и потому космические лучи следует считать межзвездными по происхождению.

Давность выпадения найденных (без наблюдения падения) железных метеоритов обычно превышает несколько сотен или тысяч лет. Имеются и такие, которые пролежали в земле без особых изменений до полумиллиона лет. У хондритов возрасты составляют несколько тысяч лет, но определяются они очень большими погрешностями. Два хондрита имеют давность падения свыше 10 тысяч лет. При благоприятных условиях даже каменные метеориты могут долго сохранять признаки метеоритной структуры.