Удаление свинца

В конце 1940-х годов аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон (выходец из фермерской семьи в штате Айова), применяя новый метод измерения изотопов свинца, пытался окончательно установить возраст Земли. К сожалению, все имевшиеся у него образцы пород оказались загрязненными, причем весьма значительно. Большинство из них содержали свинец, в количестве, примерно в двести раз превышавшем обычный уровень. Пройдет много лет, прежде чем Паттерсон поймет, что виновником его неудач был печальной славы изобретатель из Огайо по имени Томас Миджли-младший.

По образованию Миджли был инженером, и мир, несомненно, стал бы безопаснее, если бы он оставался инженером. А он вместо этого заинтересовался промышленным применением химии. В 1921 году работая в «Дженерал моторс рисерч корпорейшн» в Дейтоне, штат Огайо, он изучал соединение, называющееся тетраэтилсвинец, и обнаружил, что оно значительно снижает вибрацию, или стук двигателя.

Хотя было широко известно, что свинец опасен, в первые годы двадцатого века его можно было обнаружить во всевозможных предметах потребления. Продукты питания поступали в банках, запаянных с помощью свинцового припоя. Вода часто хранилась в луженных свинцом баках. Арсенатом свинца в качестве пестицида опрыскивали фрукты. Свинец даже входил в состав тюбиков с зубной пастой. Едва ли можно было найти изделие, которое не вносило бы каплю свинца в организм потребителя. Однако ничто не могло сравниться по масштабам и длительности применения с добавлением его в моторное топливо.

Свинец — это нейротоксин. В больших количествах он может привести к необратимому поражению мозга и центральной нервной системы. Среди множества проявлений отравления — потеря зрения, бессонница, почечная недостаточность, потеря слуха, рак, паралич и судороги. В самой острой форме интоксикация проявляется в виде внезапных галлюцинаций, страшных как для пострадавших, так и для свидетелей. Как правило, они заканчиваются комой и смертью. Вряд ли вы захотите, чтобы вам в организм попало слишком много свинца.

С другой стороны, свинец легко добывать и обрабатывать и страшно выгодно производить в промышленных масштабах, а тетроэтилсвинец действительно устраняет стук в двигателях. Так что в 1923 году три крупнейшие американские корпорации — «Дженерал моторе», «Дюпон» и «Стандард ойл оф Нью-Джерси» создали совместное предприятие, названное «Этил газолин корпорейшн» (позднее для краткости просто «Этил корпорейшн»), с целью производства такого количества тетраэтилсвинца, какое мир был готов купить, и это оказалось потрясающей сделкой. Они назвали свою добавку «этилом», что звучало привлекательнее, чем токсичный «свинец», и 1 февраля 1923 года запустили ее в широкое применение (более разнообразное, чем представляло большинство потребителей).

Почти сразу у рабочих на производстве стали появляться неустойчивая походка и нарушения психики — ранние признаки отравления. Также почти сразу «Этил корпорейшн» стала следовать практике спокойного, но твердого отрицания, которая успешно служила ей десятки лет. В своей увлекательной истории промышленной химии «Прометеи в лаборатории» Шэрон Берч Макгрейн¹⁴⁶ при­водит пример, когда у персонала одного из заводов стали проявляться необратимые галлюцинации, представитель компании успокоил репортеров: «Они, вероятно, тронулись рассудком, потому что слишком напряженно работали». В ранний период производства этилированного бензина погибло по меньшей мере пятнадцать рабочих и бесчисленное множество других заболели, часто очень тяжело; точное их число неизвестно, потому что компании почти всегда удавалось замять неприятные известия об утечках и отравлениях. Однако временами замять их бывало невозможно — особенно в 1924 году, когда всего на одной плохо вентилируемой установке за несколько дней погибли пять рабочих и еще тридцать пять навсегда остались жалкими развалинами.

Поскольку об опасности нового продукта пошли слухи, полный энтузиазма изобретатель этила Томас Миджли, дабы ослабить беспокойство репортеров, решил провести для них наглядную демонстрацию. Непринужденно болтая об обязательствах компании в области безопасности, он плеснул тетроэтилсвинца себе на руки, затем на целую минуту поднес мензурку к носу, утверждая при этом, что может без вреда повторять эту процедуру каждый день. На самом деле Миджли прекрасно знал об опасности отравления свинцом. Он сам за несколько месяцев до того серьезно пострадал от избыточного воздействия и за исключением этого эпизода, если мог, близко не подходил к этой дряни.

Воодушевленный успехом с этилированным бензином, Миджли теперь обратился к другой технической проблеме века. В 1920-х годах пользоваться холодильниками часто бывало крайне рискованно, потому что в них применялись коварные, опасные газы, которые иногда просачивались наружу. В 1929 году в больнице Кливленда, штат Огайо, в результате утечки из холодильника погибло больше ста человек. Миджли задался целью создать газ, кото­рый был бы устойчивым, невоспламеняющимся, некоррозионным и безопасным при вдыхании. Можно подумать, что он обладал почти сверхъестественной способностью творить беды — на сей раз он придумал хлорфторуглероды, или ХФУ¹⁴⁷.

Редко какой промышленный продукт так быстро находил применение и причинял столько неприятностей. ХФУ поступили в производство в начале 1930-х годов и нашли тысячи применений практически во всех областях, от кондиционеров в автомашинах до баллончиков с дезодорантами, прежде чем полвека спустя заметили, что они разрушают в стратосфере озон. А это, как вы увидите, очень нехорошо.

Озон — это разновидность кислорода, в котором каждая молекула содержит три атома кислорода вместо обычных двух. По капризу природы у поверхности Земли он является очень вредным загрязнением, тогда как высоко в стратосфере оказывает благотворное воздействие, поскольку поглощает опасное ультрафиолетовое излучение. Однако полезного озона не так уж много. Если его равномерно распределить по всей стратосфере, он образовал бы слой всего около трех миллиметров толщиной. Вот почему этот слой так легко нарушить.

Хлорфторуглеродов тоже не очень много — они составляют всего около одной миллиардной части атмосферы, взятой в целом, — но они крайне разрушительны¹⁴⁸. Один-единственный килограмм ХФУ может захватить и уничтожить 70 тысяч килограммов атмосферного озона. ХФУ остаются в атмосфере долгое время — в среднем около ста лет, — все это время причиняя огромный вред. К тому же они как губка впитывают тепло. Молекула ХФУ дает в десять тысяч раз более сильный вклад в парниковый эффект, чем молекула углекислого газа — а углекислый газ, как известно, весьма эффективно создает парниковый эффект. Словом, хлорфторуглероды в конечном счете могут, пожалуй, оказаться одной из худших выдумок двадцатого века.

Миджли об этом так и не узнал, поскольку умер задолго до того, как поняли, насколько вредны ХФУ. Сама его кончина была весьма необычной. Заболев полиомиелитом и став инвалидом, Миджли изобрел хитроумное приспособление, включавшее несколько блоков с моторчиками, которые автоматически поднимали и переворачивали его в постели. В 1944 году, приведя в действие механизмы, он запутался в тросах и был ими задушен.

Если вы интересовались определением возраста различных предметов, то в 1940-х годах самым подходящим для вас местом был Чикагский университет. Уиллард Либби тогда разрабатывал метод радиоуглеродного датирования, позволяющий ученым точно определять возраст костей и других органических остатков, что было им недоступно раньше. В то время самые древние, надежно определенные даты не выходили за пределы Первой династии в Египте — около 3000 лет до н.э. Никто, например, не мог с уверенностью сказать, когда отступили последние ледниковые щиты или в какое время в прошлом кроманьонцы украшали пещеры Ласко во Франции.

Идея Либби оказалась настолько полезной, что в 1960 году ему присудят за нее Нобелевскую премию. Она исходила из понимания, что все живые организмы содержат изотоп углерода, называемый углерод-14, который начинает распадаться со строго определенной скоростью, как только те погибают. Период полураспада углерода-14, то есть время, необходимое для того, чтобы в любом образце исчезла половина его атомов, составляет примерно 5600 лет, так что, определив, сколько осталось углерода в данном образце, Либби мог получить довольно надежное представление о возрасте изучаемого предмета, правда, до известного предела. После восьми периодов полураспада от первоначального количества радиоактивного углерода остается всего 0,39 процента, а этого слишком мало для надежных измерений, так что радиоуглеродное датирова­ние годится только для объектов возрастом примерно до 40 тысяч лет.

Любопытно, что когда данный метод стал получать широкое распространение, в нем обнаружились некоторые изъяны. Начать с того, что один из основных элементов формулы Либби — период полураспада — был определен с ошибкой примерно на три процента. Однако к тому времени во всем мире были проведены уже тысячи измерений. Чтобы не пересматривать их все, ученые решили сохранить неточную величину. «Таким образом, — отмечает Тим Флэннери¹⁴⁹, — во всех необработанных данных радиоуглеродного датирования, которые вы встречаете сегодня, возраст образцов занижен примерно натри процента». Но этим проблемы не исчерпывались. Вскоре было также обнаружено, что содержащие углерод-14 образцы легко загрязнялись углеродом из других источников, например от незаметно попавшего вместе с образцом кусочка растительности. Для сравнительно молодых образцов, которым меньше двадцати тысяч лет, легкое загрязнение не имело большого значения, а вот для более древних образцов оно могло стать серьезной проблемой, потому что в этом случае подсчитывал ось очень малое количество остающихся атомов. Позаимствуем сравнение Флэннери — в первом случае ошибка в один доллар будет при подсчете тысячи долларов, а во втором ошибка в доллар будет иметь место, когда у вас на руках всего 2 доллара.

К тому же метод Либби основывался на предположении, что содержание углерода-14 в атмосфере и степень его усвоения живыми существами были неизменными на протяжении всей истории. На самом деле это не так. В настоящее время известно, что содержание углерода-14 в атмосфере изменяется в зависимости от того, как земное магнитное поле отклоняет космические лучи, а этот показатель со временем может значительно меняться¹⁵⁰. Это означает, что некоторые данные, полученные на основе распада углерода-14, могут вызывать сомнения. Среди наиболее сомни­тельных — датировки, относящиеся ко времени, когда в Америку пришли первые люди, что является одной из причин неустанных споров вокруг этого вопроса.

Наконец, и, пожалуй, несколько неожиданно, результаты могут быть искажены, казалось бы, не относящимися к делу внешними факторами — такими как пища, которую употребляли те, чьи кости подвергаются исследованию. Один недавний случай вызвал долгие споры относительно того, где берет начало сифилис — в Новом Свете или в Старом? Археологи из Гулля обнаружили, что похороненные на монастырском кладбище монахи страдали сифилисом, но первоначальное заключение, что монахи заразились им до путешествия Колумба, было поставлено под сомнение из-за того, что они потребляли много рыбы, отчего их кости могли казаться старше, чем на самом деле¹⁵¹. Монахи вполне могли подцепить сифилис, но когда и как — остается неразрешенной загадкой.

Из-за этих недостатков углерода-14 ученые стали разрабатывать другие методы определения возраста древних материалов, среди них датирование по термолюминесценции, посредством которой подсчитываются электроны, заключенные в глинах¹⁵², и метод электронного спинового резонанса, при котором образец облучается электромагнитными волнами и измеряются вибрации электронов. Но даже самые лучшие из этих методов не подходят для датирования чего-либо старше примерно двухсот тысяч лет и совсем не годятся для датирования неорганических веществ, таких как горные породы, что, разумеется, необходимо, если вы хотите определить возраст своей планеты.

Трудности датирования горных пород были таковы, что одно время почти во всем мире бросили этим заниматься. Если бы не один преисполненный решимости английский профессор, которого звали Артур Холмс, поиски решения этой проблемы могли бы вообще заглохнуть.

Холмс героически преодолевал препятствия и добивался нужных результатов. К 1920-м годам, в разгар его науч­ной деятельности, геология вышла из моды, поскольку новым увлечением века стала физика. Геологию жестко ограничивали в средствах, особенно на ее духовной родине, в Англии. Холмс много лет единолично представлял весь геологический факультет Даремского университета. Чтобы продолжать радиометрическое датирование горных пород, ему часто приходилось заимствовать у других или латать свою аппаратуру. Однажды дошло до того, что его расчеты фактически были задержаны на год в ожидании того, когда университет обеспечит его простой суммирующей машинкой. Время от времени он был вынужден совсем оставлять научную деятельность, чтобы заработать на содержание семьи — некоторое время он держал антикварную лавку в Ньюкасле-на-Тайне, — бывало, что у него даже не находилось пяти фунтов стерлингов на членские взносы в Геологическое общество.

Методика, которую Холмс применял в своей работе, была теоретически проста и непосредственно вытекала из явления, впервые замеченного в 1904 году Эрнестом Резерфордом и состоявшего в том, что некоторые атомы, распадаясь, образуют другой элемент, причем с достаточно предсказуемой скоростью, так что могут использоваться в качестве часов. Если известно, сколько времени требуется для превращения калия-40 в аргон-40, и измерить содержание того и другого в образце, то можно определить возраст материала. Холмс же, чтобы вычислить возраст пород и тем самым, как он надеялся, возраст Земли, измерял скорость распада урана с превращением в свинец.

Но на этом пути предстояло преодолеть множество технических трудностей. Холмс также нуждался в сложной аппаратуре, с помощью которой можно было бы делать очень тонкие измерения небольших по размеру образцов, но все, что ему удалось, так это получить простую счетную машинку. Так что было большим достижением, когда в 1946 году он смог с уверенностью заявить, что Земле по крайней мере три миллиарда лет, а возможно, и значи­тельно больше. К сожалению, теперь он столкнулся с новым тяжелым препятствием: консерватизмом его коллег ученых. Охотно воздавая хвалу его методике, многие из них утверждали, что он установил не возраст Земли, а всего лишь возраст составляющих ее пород.

Как раз в это время Гаррисон Браун из Чикагского университета разработал новый метод подсчета изотопов свинца в породах вулканического происхождения (т.е. тех, которые в отличие от осадочных пород прошли через плавление). Понимая, что работа будет крайне скучной, он перепоручил ее юному Клэру Паттерсону в качестве диссертационного проекта. Особенно замечательно то, что он обещал Паттерсону, что определить возраст Земли этим новым способом — сущий пустяк. В действительности на это потребуются годы.

Паттерсон начал работу в 1948 году. В сравнении с захватывающим воображение вкладом Томаса Миджли в прогресс человечества определение Паттерсоном возраста Земли выглядит более чем скромно. На протяжении семи лет — сначала в Чикагском университете, а затем, с 1952 года, в Калифорнийском технологическом институте — он работал в стерильной лаборатории, делая очень точные измерения соотношений свинца и урана в тщательно отобранных образцах древних пород.

Сложность измерения возраста Земли заключалась в том, что требовались очень древние породы с кристаллами, включающими свинец и уран, примерно того же возраста, что и сама планета. Более молодые образцы дают искажения в сторону более позднего времени. Но на Земле редко находят действительно древние породы. В конце 1940-х годов никто до конца не понимал почему. В действительности, и это весьма удивительно, лишь вступив в космический век, удалось внятно объяснить, куда делись на Земле все древние породы. (Ответ дает тектоника плит, до которой мы, разумеется, еще доберемся.) Паттерсону же между тем пока оставалось лишь пытаться разобраться в этих вещах, располагая весьма ограниченным набором образцов. В конце концов ему пришла в голову оригинальная мысль: можно восполнить нехватку образцов, используя породы внеземного происхождения. И он обратился к метеоритам.

Паттерсон выдвинул весьма сильное и, как оказалось, верное предположение, что многие метеориты представляют собой остатки строительных материалов, сохранившихся с ранних времен существования Солнечной системы, и потому внутри них мог сохраниться более или менее нетронутым первичный химический состав. Измерьте возраст этих странствующих камней — и вы получите (с неплохой точностью) возраст Земли.

Как всегда, все оказалось не так просто, как это может показаться из нашего беглого описания. Метеориты встречаются весьма редко, и достать их образцы не так-то легко. Кроме того, разработанная Брауном методика измерений оказалась крайне сложной в деталях и требовала значительной доработки. Ко всему прочему, с образцами Паттерсона постоянно возникали проблемы из-за того, что они бесконтрольно загрязнялись большими дозами содержащегося в атмосфере свинца каждый раз, как только попадали на воздух. Именно это обстоятельство заставило его в конечном счете создать стерильную лабораторию — первую в мире, если верить по крайней мере одному из источников.

Паттерсону потребовалось семь лет упорного труда, чтобы только собрать и оценить образцы, предназначенные для окончательной проверки. Весной 1953 года он привез свои образцы в Аргоннскую национальную лабораторию в штате Иллинойс. Там ему выделили время на масс-спектрографе последней модели — приборе, способном обнаруживать и измерять самое незначительное количество урана и свинца, упрятанное в древних кристаллах. Когда наконец Паттерсон получил результаты, он так разволновался, что сразу отправился на родину в Айову и попросил мать поместить его в больницу на исследование, так как подумал, что у него случился сердечный приступ.

Вскоре на конференции в Висконсине Паттерсон объявил окончательный возраст Земли — 4550 миллионов лет (плюс-минус 70 миллионов лет) — «цифра, остающаяся неизменной и через пятьдесят лет», как восхищенно замечает Макгрейн. После двухсотлетних попыток Земля наконец обрела возраст.

Почти сразу Паттерсон сосредоточил внимание на насыщавшем атмосферу свинце. Он был поражен, обнаружив, что даже то немногое, что было известно о воздействии свинца на человека, почти неизменно оказывалось либо неверным, либо вводящим в заблуждение. И неудивительно: ведь на протяжении сорока лет все исследования о воздействии свинца финансировались исключительно производителями свинцовых присадок.

В одном из таких исследований врач, не имевший специальной подготовки в области патологии, связанной с химией, взялся за пятилетнюю программу, в ходе которой добровольцам предлагалось вдыхать или глотать свинец в возрастающих количествах. Затем у них проверялись моча и кал. К несчастью, доктор, видимо, не знал, что свинец не выделяется с отходами жизнедеятельности. Наоборот, он накапливается в костях и крови — именно из-за этого он так опасен, — а ни кости, ни кровь не проверялись. В результате свинцу было выдано свидетельство полной безвредности для здоровья.

Паттерсон быстро установил, что в атмосфере находится —и фактически остается сегодня, потому что он никуда не девается, — огромное количество свинца. И около 90 % его, похоже, вышло из выхлопных труб автомашин. Но он не смог этого доказать. Ему требовалось найти способ сравнить нынешний уровень содержания свинца в атмосфере с уровнем, существовавшим до 1923 года, когда началось коммерческое производство тетра­этилсвинца. И тут он догадался, что ответ могут дать ледники.

Было известно, что в местах, подобных Гренландии, выпавший снег откладывается отдельными слоями (из-за сезонных колебаний температуры наблюдаются незначительные изменения в их окраске от зимы к лету). Отсчитывая эти слои и измеряя количество свинца в каждом из них, Паттерсон мог вычислить концентрацию свинца в земной атмосфере в любой период времени на протяжении сотен и даже тысяч лет. Эта идея легла в основу изучения ледниковых кернов, на котором во многом зиждется современная климатология.

Паттерсон обнаружил, что до 1923 года в атмосфере почти не было свинца, а после этого уровень содержания свинца неуклонно и опасно пополз вверх. Теперь делом его жизни стало добиться удаления свинца из бензина. Он стал постоянным и зачастую суровым критиком промышленного производства свинца и стоящих за этим интересов.

Кампания оказалась дьявольски трудной. «Этил» была мощной глобальной корпорацией и имела много высокопоставленных друзей. (Среди ее директоров были член Верховного суда Льюис Пауэлл и Гильберт Гровнор из Национального географического общества.) Паттерсон вдруг обнаружил, что средства на его научные исследования либо отозваны, либо выделяются с огромным трудом. Американский институт нефти расторг с ним контракт на исследования, Служба здравоохранения Соединенных Штатов, считавшаяся беспристрастным правительственным органом, тоже.

По мере того как Паттерсон все больше становился помехой для своего научного заведения, должностные лица свинцовых компаний частенько нажимали на попечителей Калифорнийского технологического института с целью заставить его замолчать или уйти. По словам Джейми Линкольна Китмана¹⁵³, писавшего в 2000 году в The Nation, руководство «Этила» предлагало пожертвовать средства на содержание в институте кафедры, если «Паттерсона уйдут». Дошло до абсурда, когда его, бесспорно, самого видного эксперта Америки по атмосферному свинцу, в 1971 году вывели из комиссии по вопросам свинцового загрязнения Национального научно-исследовательского совета.

Надо отдать должное Паттерсону, он остался тверд в своих убеждениях. И в конечном итоге его усилия привели к принятию Закона 1970 года «о чистом воздухе», а в 1986 году к полному изъятию из продажи в Соединенных Штатах этилированного бензина. Почти сразу содержание свинца в крови американцев упало на 80 %¹⁵⁴. Но из-за того, что свинец остается навсегда, у каждого современного американца содержится в крови в 625 раз больше свинца, чем у его соплеменника, жившего сто лет назад. Содержание свинца в атмосфере также продолжает увеличиваться, причем вполне законно, примерно на сто тысяч тонн в год, главным образом из-за его добычи, выплавки и промышленной обработки. В Соединенных Штатах также запретили применение свинца в малярных работах внутри помещений. «Через 44 года после большинства стран Европы», — замечает Макгрейн. Удивительно, что, несмотря на поразительную токсичность, свинцовый припой применялся в емкостях для продуктов питания аж до 1993 года.

Что касается «Этил корпорейшн», то она все еще процветает, хотя «Дженерал моторе», «Стандард Ойл» и «Дюпон» больше в ней не участвуют. (В 1962 году они продали свои акции компании «Албермэрл пейпер».) Согласно Макгрейн, еще в феврале 2001 года «Этил» продолжала утверждать, «что исследования не подтвердили, что этилированный бензин представляет опасность для здоровья человека или окружающей среды». На ее сайте в истории компании нет упоминания о Томасе Миджли, а просто содержится ссылка на первоначальный продукт, содержащий «определенные химические соединения»¹⁵⁵.

«Этил» больше не производит этилированный бензин, хотя, согласно отчетам компании за 2001 год, продажа тетраэтилсвинца в 2000 году все еще приносила ей 25,1 млн долларов (из общей суммы 795 млн долл.), даже больше, чемв 1999 году (24,1 млн долл.), но меньше, чем в 1998 году (117 млн долл.). В своем отчете компания заявляет о решимости «максимально увеличить поступления от продаж тетраэтилсвинца, применение которого в мире продолжает постепенно сокращаться». «Этил» сбывает тетраэтилсвинец по всему миру по соглашению с английской фирмой «Ассошиэйтед Октел Лтд.».

Что касается другого наказания, оставленного нам Томасом Миджли, — хлорфторуглеродов, в Соединенных Штатах они были запрещены в 1974 году, но эти коварные невидимки ужасно живучи, и те, что попали в атмосферу раньше (например, в составе дезодорантов или лаков для волос), почти наверняка будут оставаться там и пожирать озон еще долго после того, как нас с вами не станет. Еще хуже то, что мы каждый год продолжаем добавлять в атмосферу огромное количество хлорфторуглеродов. Согласно Уэйну Биддлу¹⁵⁶, на рынок ежегодно попадает 27 миллионов килограммов этого зелья стоимостью полтора миллиарда долларов. Так кто его производит? Мы, то есть множество наших крупных корпораций, производящих его на своих зарубежных предприятиях. В странах третьего мира его не запретят до 2010 года.

Клэр Паттерсон умер в 1995 году. Он не получил Нобелевской премии за свои труды. Геологам ее не дают. Еще более странно, что полстолетия упорного, самоотверженного труда не принесли ему ни славы, ни маломальского признания. Можно бы привести веские доводы в подтверждение того, что он был самым влиятельным геологом двадцатого века. Однако кто слыхал о Клэре Паттерсоне? В большинстве учебников геологии о нем не упоминается. В двух свежих популярных книгах об истории определения возраста Земли ухитрились исказить его имя.

В начале 2001 года рецензент одной из этих книг в журнале Nature совершил еще одну поразительную ошибку, представив Паттерсона женщиной.

Как бы то ни было, благодаря трудам Паттерсона Земля к 1953 году обрела наконец возраст, с которым все могли согласиться. Теперь оставалась единственная проблема — получалось, что Земля старше содержавшей ее Вселенной.