Человек, который узнал возраст Земли

Выдающийся американский геохимик Клэр Паттерсон (1922–1995), родившийся 100 лет назад, вошел в историю мировой науки как первый ученый, определивший возраст нашей планеты. А еще он первым осознал опасность загрязнения окружающей среды соединениями свинца и начал борьбу с этими загрязнениями. Два открытия, крупнейшее фундаментальное и важнейшее практическое, — и при этом имя Паттерсона, к сожалению, не так знаменито, как оно того заслуживает.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Четыре с половиной миллиарда лет

Клэр Паттерсон родился в маленьком городке Митченвилл в штате Айова. Он с детства увлекался химией, к восьмому классу начал рассказывать учителям то, чего они не знали, школу окончил в 16 лет и в Гриннел-колледже в 1943 году получил степень по химии. В колледже он познакомился со своей будущей женой Лорной Макклири. Затем они оба отправились в Университет Айовы, где Паттерсон всего за девять месяцев получил магистерскую степень по химии.

В 1944 году Паттерсона вместе с женой пригласили в Манхэттенский проект (создание американского ядерного оружия), на секретный завод в Ок-Ридже, штат Теннесси. Паттерсон занимался разделением изотопов урана методом масс-спектрометрии. Бомбардировки Хиросимы и Нагасаки его ужаснули, и в дальнейшем он не участвовал в военных проектах. Степень доктора философии Клэр Паттерсон получил в Чикагском университете за работы в области молекулярной спектроскопии.

В Чикаго научным руководителем Паттерсона был химик-ядерщик Гаррисон Браун (1917–1986). Как вспоминал Паттерсон, его шеф интересовался значимыми вопросами, любил «пробираться в безлюдные пустоты протознания». Он поставил перед своим сотрудником амбициозную задачу: определить возраст древнейших горных пород изотопным методом и тем самым оценить возраст Земли. (А чтобы получить грант от Комиссии по атомной энергии США, написал в заявке, что исследование Паттерсона поможет разработке уранового топлива, хотя в планы ученых это не входило.) Заявку удовлетворили, и Паттерсон последовал за Брауном в Калифорнийский технологический институт, где затем и проработал всю жизнь.

Идею определения возраста горных пород по соотношению продуктов радиоактивного распада предложил еще в 1904 году Эрнест Резерфорд (1871–1937). Идея заключалась в том, что альфа-частицы, образующиеся при распаде урана, не могут покинуть горную породу и превращаются в гелий. Следовательно, по количеству гелия можно определить, сколько урана распалось за время существования горной породы. Сложив эту величину с оставшимся в породе количеством урана, можно вычислить его исходное содержание в момент образования породы и долю урана, распавшегося за время существования породы. А дальше все просто: зная период полураспада урана, легко определить, насколько давно образовалась порода.

В основе метода лежало предположение о том, что образовавшийся гелий не может покинуть породу. Но в этом были серьезные сомнения: гелий летуч. Хотелось бы измерить содержание какого-нибудь продукта, который заведомо остается в породе и которого там не было, когда она образовалась.

Вскоре Бертран Болтвуд (1870–1927) показал, что в результате распада урана образуется свинец, который не может покинуть породу. Это позволило точно определять возраст горных пород по соотношению атомов урана и свинца в кристаллических соединениях урана (вероятность попадания атома свинца в такой кристалл в момент его образования крайне мала). Болтвуд измерил соотношение урана и свинца в ряде образцов урановой руды и получил значение ее возраста от 400 миллионов до 2 миллиардов лет. Это стало сенсацией: раньше считали, что Земля значительно моложе. По мнению Уильяма Томсона (1824–1907), оценившего скорость остывания Земли, ее возраст не превышал 50 миллионов лет.

В дальнейшем благодаря развитию масс-спектрометрии и появлению методов, позволяющих измерять количества разных изотопов одного элемента, уран-свинцовая датировка была значительно усовершенствована. Появились и другие методы изотопного датирования горных пород. Но подробный рассказ об этом выходит за рамки данной статьи.

Главная трудность, которая стояла перед Паттерсоном, заключалась в том, чтобы найти как можно более древние горные породы. Все остальное было делом техники.

Блестящая идея Паттерсона заключалась в том, что искать древнейшие горные породы невозможно и, главное, не нужно. Нужно измерить соотношение урана и свинца в метеоритах, которые, скорее всего, затвердели одновременно с Землей.

Несколько десятков тысяч лет назад в штате Аризона упал метеорит, остатки которого находят и поныне. Сейчас это жуткое, неприветливое место носит названия Каньон Дьявола, Аризонский кратер или Кратер Бэрринджера (по имени исследователя, горного инженера Дэниеля Моро Бэрринджера). Ударный кратер огромен — диаметр более 1,2 км, глубина 219 м, край поднимается над равниной на 46 м. В 1953 году Паттерсон измерил соотношение урана и свинца во фрагментах аризонского метеорита и показал, что его возраст — 4,55 миллиарда лет (плюс-минус 70 миллионов лет).

Эта дата была принята научным сообществом как возраст земной коры. С 1953 года она практически не изменилась, хотя погрешность уменьшилась. В 1956 году Паттерсон опубликовал свой результат в журнале «Geochimica et Cosmochimica Acta», и его пытались дезавуировать «лучшие, самые способные критики», как говорил ученый, — но не смогли. Зато однажды к нему в дверь постучался христианин-евангелист и вежливо сообщил, что ученый, противоречащий Ветхому Завету в столь важном вопросе, попадет в ад.

Известные науки земные породы моложе метеоритов. Самые древние породы, найденные в Канаде, имеют возраст 3,96 миллиарда лет. А самые древние минералы — цирконы, найденные в Западной Австралии, в осадочных породах холмов Джек-Хиллс в Западной Австралии, — возникли 4,4 миллиарда лет назад.

Что такое этилированный бензин

По значимости работу Клэра Паттерсона можно сравнить с открытием Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые в том же 1953 году определили структуру ДНК. Установление возраста Земли, несомненно, заслуживало Нобелевской премии по физике. Можно предположить, что Паттерсон не стал нобелевским лауреатом из-за своей бескомпромиссной борьбы против загрязнения окружающей среды.

Аналитическая методика, позволяющая выделять и измерять минимальные количества свинца, нашла и другие применения. Паттерсон начал измерять содержание свинца в донных океанских отложениях, во льдах Гренландии и Антарктиды. Он предложил оригинальный метод, позволяющий оценивать многолетнюю динамику содержания соединений свинца в атмосфере Земли. Лед в ледниках Гренландии нарастает слоями, и количество свинца в разных слоях льда коррелирует с его содержанием в атмосфере в прошлые годы.

Анализы льда и донных отложений говорили об одном: начиная с 1920-х годов в атмосфере свинца становится все больше. Пробы океанской воды, взятые на глубине, содержали на порядок меньше свинца, чем пробы с поверхности. Несложно догадаться, что загрязнение антропогенное, и причина была очевидна: бензин.

Чтобы разобраться, как связаны бензин и свинец, придется отправиться в прошлое на сто лет назад, в Америку 1920-х годов, и вспомнить кое-что из органической химии.

Чтобы бензиновый двигатель внутреннего сгорания устойчиво работал, бензин должен гореть равномерно. Но он не хотел гореть равномерно, внутри двигателей автомобилей начала ХХ века происходили небольшие взрывы, поэтому они не только работали очень шумно, но и быстро ломались.

Стойкость топлива к детонации измеряется октановым числом. Этот показатель соответствует объемным процентам изооктана в смеси «гептан-изооктан», которая детонирует так же, как и конкретный вид топлива. Например, у бензина АИ 95 такая же стойкость к детонации, как у смеси, содержащей 95% изооктана. Гептан детонирует легко, а изооктан, наоборот, к детонации очень стоек, поэтому чем больше октановое число, тем лучше бензин.

Томас Миджли

Итак, на заре автомобилизма встал вопрос: как повысить октановое число? (Сам термин «октановое число», конечно, появился позже проблемы.) Эту задачу решил работавший в «Дженерал моторс» Томас Миджли-младший (1889–1944), выдающийся американский химик и изобретатель. В 1921 году он предложил добавлять в бензин дешевую и эффективную антидетонационную присадку — тетраэтилсвинец (ТЭС), который не дает образовываться перекисным соединениям в топливе и тем самым снижает вероятность возгорания.

Это находка была огромным успехом, до нее перепробовали сотни других добавок. Миджли, например, испытывал теллуровую присадку, она оказалась действенной, но страшно вонючей: пока шли испытания, жена отправляла изобретателя спать в подвал, потому что смена одежды и ванна от вони не избавляли. В итоге победа осталась за ТЭС.

Осадок металлического свинца в цилиндре двигателя, конечно, никому не был нужен, и, чтобы его убрать, ТЭС добавляли в бензин вместе с так называемыми выносителями — хлор- или бромсодержащими веществами, которые образуют со свинцом летучие соединения. Смесь ТЭС и выносителя назвали этиловой жидкостью, а бензин с такой добавкой — этилированным. (Заметим, что слово «свинец» из наименований коммерческих продуктов исчезло.)

Свинец улетает в воздух, двигатель работает ровно, инженерная проблема решена, легковой автотранспорт Америки и Европы стремительно развивается. Но возникла другая проблема, к решению которой человечество приступит лишь через шесть десятилетий. В окружающей среде накапливается свинец.

Томас Миджли вместе с изобретателем ДДТ Паулем Мюллером (1899–1965) может претендовать на звание химика, нанесшего наибольший вред окружающей среде. Этот человек ответствен как минимум за две блестящие идеи с ужасными последствиями. Первая — это ТЭС. Второй идеей Миджли стало использование фреонов в холодильниках (ранее в охладителях циркулировали более ядовитые и взрывоопасные вещества, по сравнению с которыми фреоны действительно казались безопасной альтернативой).

В конце концов Миджли убило его собственное изобретение. В 1940 году он заболел полиомиелитом и стал инвалидом, однако не пал духом и придумал сложное механическое устройство, состоящее из веревок и блоков, которое поднимало его с постели. В 1944 году (когда молодой Паттерсон стал магистром и отправился в Ок-Ридж) Миджли запутался в веревках и умер от удушения.

Как писал историк экологии Джон Макнил, Миджли «оказал более неблагоприятное воздействие на атмосферу, чем любой другой отдельно взятый организм в истории Земли». Впрочем, возлагать всю вину на него едва ли справедливо. От этиловой жидкости не хотели отказываться те, кому она приносила прибыль.

Знак на старинном бензонасосе, рекламирующий этилированный бензин (про свинец ни слова!) Изображение: wikimedia.org

«Безопасный» свинец

Сейчас «свинец» звучит как синоним «загрязнителя» или «яда». Мы знаем, что свинец может накапливаться в организме и приводит к тяжелым системным патологиям. Но в первой половине ХХ века это не было так очевидно. О токсичности свинца, конечно, знали — об этом писал еще Бенджамин Франклин, — но сколько того свинца в бензине и в воздухе? Неужели это всерьез влияет на здоровье?

В августе 1924 года, после того как компания «Стандарт ойл» (будущий «Эксон») открыла более дешевый метод синтеза ТЭС, она вместе с «Дженерал моторс» и при участии «Дюпона» основала корпорацию «Этил гэселин» для производства чудесной присадки к бензину. Начали строить заводы. Однако на заводах происходило странное: рабочие заболевали, теряли вес, видели пугающие галлюцинации, один человек выбросился из окна. Завод компании «Дюпон» в Дипуотере прозвали «Дом бабочек»: отравленные сотрудники ловили в воздухе несуществующих насекомых. Свинец в составе летучих органических соединений действовал быстро и убийственно, проблема была велика, и скрыть от общественности ее не удалось.

Сам Миджли, по-видимому, тоже отравился: он страдал от постоянного холода, пониженной температуры тела, в 1923 году отправился в отпуск во Флориду, «чтобы согреться». Правда, уже 30 октября 1924 года во время пресс-конференции он демонстрирует безопасность ТЭС: льет жидкость себе на руки, вдыхает пары и заявляет, что мог бы делать это каждый день. (Был ли это действительно тетраэтилсвинец, кто знает?)

К тому времени пресса и власти заинтересовались происходящим. Компании-производители отвечали, что на заводах следует улучшить вентиляцию и строго соблюдать технику безопасности, тогда все будет в порядке. Появились результаты испытаний на животных, дышавших выхлопными газами, якобы подтверждающие безопасность. Критики сразу отметили, что исследование на протяжении нескольких месяцев ничего не говорит о том, что происходит с горожанами, которые годами подвергаются воздействию газов.

Роберт Кехо

В 1924 году Чарльз Кеттеринг, руководитель исследований и разработок «Дженерал моторс», нанял молодого врача, специалиста по гигиене труда Роберта Кехо (1893—1992). Перед ним была поставлена задача сделать производство безопасным, но фактически Кехо стал пропагандистом безвредности свинца в бензине и одним из главных оппонентов Паттерсона. В 1930 году он получил собственную лабораторию в Университете Цинциннати — первую в мире лабораторию, где занимались токсикологией промышленного производства. Проблема была лишь в том, что ее финансировали «Дженерал моторс», «Дюпон» и «Этил». Контракт Кехо предусматривал, что перед публикацией каждая рукопись должна быть «представлена спонсору для критики и предложений».

Кехо получил известность как эксперт в правительстве и общественном здравоохранении. Он утверждал, в частности, что присутствие свинца в организме человека и других живых существ — нормальное явление и что содержание свинца ниже «порогового» безопасно. Роберт Кехо монополизировал тему тетраэтилсвинца на полвека. Но после войны свинцом занялся Клэр Паттерсон.

Конец эпохи ТЭС

О повсеместном присутствии свинца в воде и воздухе никто не знал лучше Паттерсона. Во время своих исследований возраста Земли он потратил немало усилий, чтобы создать «бессвинцовую» рабочую зону и избежать влияния современных примесей на свои образцы (совсем как исследователи древней ДНК человека вынуждены тщательно избавляться от рассеянной везде ДНК современных людей). Но он же установил, что так было не всегда. До изобретения Томаса Миджли вода, воздух и почва не содержали свинца (хотя его количество растет с самого рождения человеческой цивилизации). А значит, ничего «нормального» в его присутствии нет.

Интересно, что работу Паттерсона по анализу образцов донных отложений и океанской воды финансировал Американский институт нефти. Таким образом, нефтяная отрасль фактически сама оплатила получение результата, который сулил компаниям огромные убытки.

После того как в 1963 году «Nature» опубликовал первую статью Паттерсона с соавтором о свинце в воде и снеге, финансирование прекратилось. Представители топливного бизнеса звонили ректору Калтеха, чтобы ученому запретили писать гадости, предлагали Паттерсону гранты, пытались заблокировать другие источники финансирования. Намекали, что он эксцентричен и невменяем. Первое было правдой: Паттерсон отказался от постоянного преподавательского контракта с университетом, носил вместо костюма футболки с брюками хаки, мог надеть носки разных цветов и (в особенно дымный день) газовую маску, да еще и бегал на длинные дистанции. Современному ученому, чтобы прослыть эксцентричным, надо стараться гораздо больше — никого не впечатлят разноцветные носки, а после ковида и маска. Но в середине ХХ века это еще было «чудачествами».

Несмотря на все это, журнал «Archives of Environmental Health» в 1965 году напечатал знаменитое эссе Паттерсона о «естественном» и «загрязняющем» свинце в окружающей среде («Contaminated and Natural Lead Environments of Man»). Клэр Паттерсон доказывал, что никакие естественные источники свинца, от вулканов до метеоритного дыма, не могли создать той картины, которую он наблюдал. В свинцовом загрязнении виноваты люди.

Так началась кампания, направленная на запрещение использования тетраэтилсвинца. Эта кампания не сразу, но увенчалась успехом.

В 1966 году Клэр Паттерсон добился проведения слушаний в Сенате США по поводу опасности свинцовых загрязнений. Убедить сенаторов ему не удалось, но после этого к работе подключилось немало исследователей, и у Паттерсона появлялось все больше сторонников в научных кругах.

Клэр Паттерсон в 1972 году Фото: Caltech Archives

В 1972 году Агентство по загрязнению окружающей среды в США (EPA) ввело запрет на использование тетраэтилсвинца и производство двигателей, работающих на этилированном бензине. Производители этих двигателей подали на EPA в суд, но проиграли дело. С 1976 года началось постепенное вытеснение бензина, содержащего тетраэтилсвинец, которое практически завершилось к середине 1980-х годов. К 1994 году содержание свинца в крови американцев снизилось на 78% по сравнению с 1978 годом.

В конце 1970-х годов начался постепенный отказ от использования тетраэтилсвинца и в СССР. Он завершился уже в России в начале 2000-х годов. Последней в мире страной, использовавшей тетраэтилсвинец в бензине для легковых автомобилей, оставался Алжир, где он был запрещен только в 2021 году.

Отказу от ТЭС способствовало открытие других, менее вредных антидетонаторов, например ферроцена, метил-трет-бутилового эфира и других. Еще в 1949 году исследователи из фирмы UOP разработали технологию каталитической модификации бензина (платформинга), повышающей его антидетонационную стойкость; это делает ненужным добавление антидетонаторов.

Тетраэтилсвинец, однако, продолжают добавлять в авиационный бензин (большинство современных самолетов летает не на бензине, а на керосине) и в топливо для гоночных автомобилей.

Отношение к Клэру Паттерсону оставалось неоднозначным. У него было много друзей и много врагов, но он продолжал делать то, что считал правильным. Жизнь этого человека — уникальное сочетание крупных достижений в фундаментальной науке, поиска решений острых практических проблем и ярко выраженной нравственной позиции.

Еще в 1980-е годы Паттерсон продолжал ездить в экспедиции за новыми образцами. Признание наконец-то пришло: Паттерсон стал членом Национальной академии наук, получил премию Тайлера — высшую награду в области науки об окружающей среде. Его именем назвали астероид. Клэр Паттерсон умер от приступа астмы 5 декабря 1995 года. В этом же месяце с американских бензоколонок были удалены последние запасы этилированного бензина.

Реклама этилированного бензина 1953 года в журнале «Лайф. «”Тук!” — так ваша машина говорит “Ой!”» Реклама расписывает страдания машины и кошелька автолюбителя и указывает на спасение: просто заливай в бак «Этил»