— Ты зря горячишься! — возразил я. — Предсказание погоды — дело исключительно сложное, и ошибки и случайности здесь неизбежны. А что касается изотопов, то здесь ты угодил в самую точку. Можно с их помощью определять погоду. Пока, к сожалению, не на завтрашний день, а ту, которая была миллионы и сотни миллионов лет назад.
— Толя, ты, часом, не угорел ночью? — участливо спросила Майка.
— Начальник говорит истину! — торжественно воскликнул Илья. — Есть такая наука — палеоклиматология! Изучение климата древности. В ней большую роль играет изотоп кислорода O18. Это его самый тяжелый изотоп. Впрочем, Анатолий, рассказывай. «Продолжим наши игры», как говорил Остап Бендер.
— Наверное, всем известно, — заговорил я, — что многие десятки миллионов лет назад на месте, где теперь находится Московская область, плескалось море. И жили в этом море особые моллюски — белемниты, раковины которых сохранились до наших дней в виде так называемых чертовых пальцев. Но пока маленькое отступление.
В науке существует процесс, носящий название изотопного обмена. Суть его в том, что распределение изотопов одного и того же элемента между разными химическими соединениями может изменяться.
Объяснение явления просто: химические свойства изотопов элемента бесконечно близки, но не тождественны. Есть некоторые отличия, они и проявляются в изотопном обмене.
Вот пример.
В нашем распоряжении вода, но не обычная, а составленная из двух атомов водорода и одного атома так называемого «тяжелого» кислорода, то есть его изотопа с атомным весом 18. Формула такой воды запишется, как H2O18.
Будем пропускать через эту воду обычный молекулярный кислород O216. Получится система, состоящая из воды и растворенного в воде кислорода:
O216 + H2O18.
Оказывается, что в этом случае произойдет изотопный обмен: атомы О16 будут замещать атомы О18 в молекуле воды.
А вот как запишется реакция:
O216 + 2H2O18↔O218 + 2H2O16.
Расчеты показывают, что эта обратимая реакция лучше идет слева направо, или, как говорят химики, равновесие реакции сдвинуто вправо. Иными словами, О16 охотнее входит в состав воды, чем остается в виде молекулярного кислорода.
Можно подсчитать величину отношения:
(О16/О18) воды к (О16/О18) молекулярного кислорода.
При 25 °C оно равно 1,041, а при 100 °C составит 1,005. Эта величина называется постоянной равновесия и зависит от температуры.
Эта зависимость лежит в основе так называемого геологического термометра. Но как с помощью такого термометра определять температуру?
Есть другая реакция изотопного обмена:
CaCO316 + 3H2O18↔CaCO318 + 3H2O16.
Она подчиняется тем же закономерностям, что и предыдущая.
Теперь маленький экскурс в область геологии.
CaCO3, карбонат кальция, — это известняк, относящийся к так называемым осадочным породам. Они являются отложениями древних морей. Раковины низших организмов — также известняк. Обломки таких раковин часто попадаются при исследовании отложений. Когда-то организмы, которым принадлежали раковины, жили в морях. Они использовали в качестве «строительного материала» именно CaCO3, содержащийся в морской воде. И чем выше была температура воды, тем больше O18 входило в их состав.
Достаточно определить изотопный состав кислорода в отложениях известняка, в различных их слоях, чтобы установить температуру «рождения» и «роста» раковин. Значит, мы имеем реальную возможность судить о температурах в невообразимо далеком прошлом.
Точность метода потрясающая: плюс-минус полградуса!
Так какая же температура была в районе нынешней Московской области сто пятьдесят миллионов лет назад?
На этот вопрос отвечают белемниты.
В учебнике геологии можно прочесть: «Белемниты известны с триасового периода, достигли расцвета в юрский и меловой периоды, к началу третичного периода вымерли».
В учебнике найдется и другая справка: триасовый период закончился 180 миллионов лет назад, юрский — примерно 130, меловой — 60 миллионов; далее начался третичный.
Значит, нас должны интересовать юрские белемниты, которые особенно процветали 150 миллионов лет назад.