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地球最古老年龄的发现者与反铅斗士,20世纪影响最大的地球化学家——克莱尔·卡梅伦·帕特森

已有 1466 次阅读 2023-3-14 06:54 |个人分类:地球科学|系统分类:人物纪事

编者注:克莱尔-卡梅隆-帕特森(Clair Cameron Patterson,1922年6月2日-1995年12月5日),美国地质学家、地球化学家。帕特森出生在爱荷华州的米切尔维尔,毕业于格林奈尔学院。后来他获得了芝加哥大学的博士学位,并在加州理工学院(Caltech)度过了他的整个职业生涯。在与本传记的作者乔治-蒂尔顿(George R. Tilton)的合作中,帕特森将铀-铅测年法发展为铅-铅测年法。通过使用大峡谷Diablo陨石的铅同位素数据,他计算出地球的年龄为45.5亿年,这个数字比当时存在的数字要准确得多,而且自1956年以来,这个数字基本没有变化。帕特森在20世纪40年代末作为芝加哥大学的作为一名研究生工作时候,发现样品遇到了铅污染。他在这方面的工作导致了对大气和人体中工业铅浓度的增长进行了全面的重新评估,他随后的运动对禁止汽油中的四乙基铅和食品罐中的铅焊料起到了开创性作用。 帕特森的许多成就在1995年被授予泰勒环境成就奖,这是对他为环境所做的长期努力的最恰当的奖励,1980年获得地球化学协会的戈德施密特奖章,1973年获得国家科学院劳伦斯-史密斯奖章,在1987年被选为美国家科学院院士,并在1973年和1975年分别获得格林奈尔学院和巴黎大学的荣誉博士学位,在1983年获得芝加哥大学的专业成就奖。一颗小行星(2511)和南极洲毛德皇后山脉的一座山峰都是以他的名字命名。

 克莱尔-卡梅隆-帕特森传记

作者:George R.Tilto(1998年)

 

    克莱尔-帕特森是一位精力充沛、勇于创新、意志坚定的科学家,他的开创性工作跨越了学科,包括考古学、气象学、海洋学和环境科学--除了化学和地质学。他最出名的是他对地球年龄的确定,这是在他花了大约五年时间建立了微克和亚微克级别的铅的分离和同位素分析方法之后才得以实现的。他的技术为陆地和行星研究开辟了铅同位素地球化学的新领域。而陆地铅同位素最终可以在普通火成岩和沉积物上进行测量,大大扩展了该技术的效用。

  在随后将该方法应用于海洋沉积物时,他得出的结论是,由于人类活动正在以前所未有的。可能是危险的铅含量污染环境,因此输入海洋的铅远远大于去除沉积物的铅。随后,他和其他调查员以及政治家就控制环境中的铅进行了多年的研究和辩论。最后,他的基本观点占了上风,导致进入环境的铅的数量大幅减少。因此,除了测量地球的年龄和大大扩展了铅同位老地球化学的领城之外,帕特委还运用他的科学知识为社会创造了一个更健康的环境。

   克莱尔-帕特森(朋友们都叫他"帕特")在爱荷华州的米切尔维尔出生和长大。他的父亲,他描述为"一个有争议的苏格兰知识分子",是一名邮政工人。他的母亲对教育感兴趣,在学校董事会任职。她在他很小的时候就给了他一套化学用品,这似乎开启了他对化学的终生吸引力。他在一所只有不到100名学生的小型高中上学,后来毕业于格林奈尔学院,获得化学学上学位。在那里,他遇到了他的准妻子洛纳-麦克利里。他们搬到爱荷华大学读研究生,帕特在那里做了一篇分子光谱学的硕士论文。

  1944年毕业后,帕特和劳里应乔治格洛克勒教授的激请,被派往芗加哥大学从事曼哈顿(原子弹)项目的工作,帕特曾为他做过硕士研究。在那里几个月后,他决定参军,但由于他的安全等级高,征兵委员会拒绝了他,并将他送回芝加哥大学。在那里,决定安排帕特去田纳西州的橡树岭,继续从事曼哈顿项目的工作。在橡树岭,帕特森在235U电磁分离厂工作,并熟悉了质谱仪。

  二战后,在诺伊州技术研究所获得了一个红外光谱研究人员的职位。在那些日子里,大量的科学家离开了各种战时活动,聚集在芝加哥大学。在地球化学方面,这些科学家包括Harold Urey、Willard Libby、Harrison Brown和Anthony Turkevich。物理系的质谱仪专家马克-英格拉姆(Mark Inahram)也在同位素工作中发挥了关键作用。这所大学创造了一个真正令人振奋的知识环境,而当时可能很少有研究生认识到这一点,甚至可能没有哈里森-布朗对陨石产生了兴趣,并开始实施一项计划,用战争年代开发的新分析技术测量微量元素丰度。陨石数据将用于定义太阳系中的元素丰度,除其他应用外,可用于开发元素的形成模型。

  他 与爱德华-戈德堡合作的第一个项目,即通过中子活化测量铁陨石中的镓,在帕特森和我加入的时候已经进展顺利。计划是由帕特森通过开发新的质谱技术来测量少量铅的同位素组成和浓度,而我则通过计数来测量铀。(我最后也是用同位素稀释的质谱仪来代替阿罗哈计数)。在某种程度上,我们的项目将试图验证当时在陨石文献中普遍存在的几种微量元素的丰度,而这些微量元素的丰度似乎(结果是是错误的,但哈里森也有这样的想法:来自铁陨石的铅同位素数据可能揭示太阳系最初形成时铅的同位素组成。他推断,与铅的浓度相比,铁陨石中的铀浓度可能可以忽略不计,因此最初的铅同位素比率将被保留下来。这就是帕特森开始他的论文项目时的目标,然而实现这一目标所需的时间比我们当时想象的要长得多。

    帕特森1948年在校园内最古老的建筑之一KentHall的一个尘十飞扬的买验室里开始了铅测量。现在回想起来,这是一个对铅工作极为不利的环境。当时没有任何现代技术,如层流过滤空气、液体试剂的亚沸点蒸馏和特氟隆容器等。尽管有这些障碍,帕特森还是能够达到大约0.1微克的处理黑度,这在当时是一个非常了不起的成就,但现在大约相当于常用于同位素分析的铅样品总量。1951年的论文没有报告来自陨石的铅分析,而是给出了从10亿年前花岗岩中分离出来的矿物的铅同位素组成。在访问华盛顿特区的美国地质调查局时,布朗遇到了Esper S.Larsen Jr.,他正在研究一种用铅法测定花岗岩中锆石的年代的方法。

   阿尔法计数法被用来测量铀和钍的含量:铅被认为是完全放射性的(由铀和针的衰变产生),由发射光谱法来确定。尽管有几个明显的缺点,该方法似乎对许多岩石给出了合理的年龄。布朗认为我和帕特森的工作将消除这些问题,所以我们安排研究拉森的一块岩石。我们最终获得了岩石中所有主要矿物和一些附属矿物的铅和铀的数据。特别重要的是在锆石中发现的高放射性铅,这表明花岗岩中常见的附属矿物可以用来测量准确的年龄。果然,锆石产生了几乎一致的铀-铅年龄,尽管后来发现并非所有锆石都是如此,无论如何,这个有希望的开始为地质学家开辟了一个新的测年领域,并导致了数百个锆石的年龄测定。

   在主导工作的同时,帕特森参与了一项实验,以确定40K衰变为40Ar和40Ca的比例。尽管β衰变到40Ca的衰变常数已经确定,但衰变到40Ar电子捕获的常数却有很多不确定性。这导致马克-英格拉姆和哈里森-布朗计划进行一项合作研究,通过确定1亿年前的氧化钾晶体(锡兰石)中的放射性40Ar和40Ca来测量支化率。英格拉姆小组将测量40Ar,而帕特森和布朗将测量40Ca,他们报告的数值与最终接受的数值相差约4%。毕业后,帕特森以博士后的身份留在了芝加哥布朗大学,继续探索他们仍未实现的陨石年龄目标。他在新的核研究所大楼里获得了更清洁的实验室设施,在那里他致力于分析技术的改进。然而,一年后,当布朗接受加州理工学院的教职时,这项工作被打断了。

 帕特森陪同去了那里,并建立了为低浓度铅工作设定新标准的设施。到了1953年,他终于能够进行最终的研究,使用Canyon Diablo铁陨石的troilite(硫化物)相来测量原始铅的同位素组成,他据此确定了地球的年龄。化学分离是在加州理工学院完成的,而质谱仪的测量仍然是在芝加哥大学的马克-英格拉姆实验室进行的。哈里森-布朗的怀疑终于得到了证实。答案变成了45亿年,后来又改进为45.5亿年。新的年龄比通常引用的33亿年的年龄要大得多,后者是基于对方铅矿床中陆地铅演化的脆弱模型。

  帕特森对成为第一个知道地球年龄的人的反应很有趣。他写道真正的科学发现使大脑在这种时刻没有能力向世界大力喊出"看我做了什么!现在我将收获认可和财富的好处"。相反,这种发现本能地迫使大脑在其神圣但孤独的科学思想,用别人听不到的声音发出"我们做到了"的雷声在那里,"我们"指的是帕特森所说的"几代人的科学思想共同体"。根据我的观察,他践行了这种道德观。对他来说,这肯定是一项改善"科学思想共同体"状况的工作。他的态度让人想起牛顿的一句话。"如果我比别人看得更远,那是因为我站在巨人的眉膀上"

   帕特森得出的年龄经受住了时间的考验,44年后仍然是引用的数值。在此期间,铀衰变常数的公认值有了小的变化,化学和质谱技术有了改进,对发生在早期太阳系和地球形成的物理过程有了更好的理解,但这些都没有实质性地改变帕特森首次给我们的年龄。

帕特森接下来专注于直接测定陨石的年龄,而不是从CanyonDiablo的troilite初始铅比推断其年龄。他通过测量两块带有球形软骨颗粒的石质陨石(软石)和第二块没有软骨颗粒的石质陨石(软石)中的铅同位素比率来做到这一点。一位同事Leon Silver推荐了软玉,因为它的新鲜度和进化的岩石学外观,再加上铁陨石线索,完整的数据得出的207Pb/206Pb年龄为45.5±0.7亿年。软玉石的数据特别重要,因为这两块软玉石中的Pb比率接近于现代地球铅的比率,引起了关于可能的地球污染的问题,但是新拉雷多软玉石中特别高的铀/铅和钍/铅比率产生的铅的同位素比率是不一样的。

   在陆地岩石中曾经发现的任何同位素组成。它们也符合45.5亿年,这消除了对该日期的重大错误的任何怀疑。陨石工作间接导致了他的第二个主要科学成就。从普通岩石中分离出微克数量的铅并确定其同位素组成,首次为测量普通地质样品,如花岗岩、玄武岩和沉积物中的铅同位素开辟了道路。这促使他开始了铅同位素示踪研究,作为解开地球地球化学演变的工具。作为该项目的一部分,他着手通过测量海洋沉积物中铅的同位素组成来获得"现代陆地铅"的更好数据。

  1962年,TsaihwaChow和Patterson在一份百科全书式的出版物中报告了第一个结果,开始了Patterson对人为铅污染的关注,这在他剩余的科学生涯中占据了大部分的注意力。同位素数据显示了大西洋和太平洋铅的有趣模式,这可能与排入这些海洋的陆地的年龄和成分的差异有关。然而,在研究海洋中铅的输入和清除之间的平衡时,作者计算出目前每年散布到环境的人为铅的救最大约是沉积到海洋沉积物中的速度的80倍。因此,铅的地球化学循环似平已经严重失衡。作者指出,他们的计算是临时性的:在许多情况下,分析数据很少或者精度很低,但是这是一项开创性的研究,开始了帕特森对铅污染问题的调查。

  1962年论文中的许多结论所依据的分析数据的局限性导致帕特森开始进行新的调查以解决这个问题。1963年,他与Misunohuatsumoto发表了一份报告,显示深海水的铅含量比地表水小到10倍,与大多数元素(如钡)的趋势相反。这为人类输入的铅扰乱了铅的自然地球化学循环的平衡提供了新的证据,在1965年发表的题为"人类受污染和自然铅环境"的论文中,帕特森首次尝试消除当时流行的观点,即工业铅使环境中的铅含量比自然水平增加不超过两倍。他坚持认为,这种看法是由于史前对比样本中的铅分析质量差,其中大部分报告的铅实际上是低估了空白污染。他汇集了从汽油、焊料、油漆和杀虫剂中进入环境的工业铅量,并表明与预期的自然通量相比,它们涉及非常大量的铅。他估计许多美国人血液中的铅浓度是自然水平的100多倍,并且在铅中毒症状发生的公认限度的两倍之内。R.A.Kehoe,一位公认的工业毒理学专家,在他提出的警告中指责他是一个狂热者而不是一个科学家。另一位著名的毒理学家刚刚从世界卫生组织的会议上回来,在这次会议上,15个国家同意在过去20年里,环境中的铅对人体负担的贡献没有任何重大变化,无论是血液还是尿液中的铅含量。

   结论是 "哗众取宠"。帕特森的反应记录在给编辑凯瑟琳-布科特的信中,该信伴随着修订后的手稿。所附手稿并不构成基础研究,它属于我兴趣之外的领域。对于一个兴趣倾向于基础研究的物理科学家来说,这不是一个受欢迎的活动。在一年多的时间里,我在不情愿的情况下把精力放在了这个问题上,并对地球化学的研究造成了损害。最后,他们已经迎接他们的是毒理学家、卫生工程师和公共卫生官员的嘲笑和轻蔑的侮辱,因为他们的传统观点受到了挑战。合人欣慰的是,这一阶段的工作已经结束,我在这种艰难情况下的参与者很快就会停止。

   Patterson的参与并没有停止:相反,在1965年10月27日,他写信给加州州长Pat Brown,重申了他在1965年审查中的观点,并强调了气溶胶中危险的高铅含量,特别是在洛杉矶地区。他在信中称,加州公共卫生局没有尽到保护民众免受铅中毒危害的责任。他的第一次请求遭到了礼貌的拒绝。1966年3月24日的第二封信取得了较好的效果,也许是因为一封来自州政府高官的信。1966年7月6日,州长布朗签署了一项法案,指示州公共卫生部举行听证会,并在1967年2月1日前为加州制定空气质量标准。虽然这个期限没有达到,但帕特森显然在推动对加州空气控制标准的关注方面发挥了作用。

   他同时在国家层面也开始了平行的行动。1965年10月7日,他向空气和水污染小组委员会主席、参议员马斯基发出了一封类似布朗信的信函。他在信中表示愿意出席委员会的会议。随后,他被激请参加了1966年6月15日在华盛顿举行的听证会。帕特森在会上强调,大多数官员没有理解"自然"和"正常"铅含量的区别,前者是基于工业化前人类的不正确数据,后者是基干现代人口的平均水平。为了支持这一论断,他引用了他在格陵兰岛的最新工作,表明从工业革命开始,雪中的铅含量大量增加。他还认为,公共卫生机构与铅工业的合作如此密切是错误的,他认为铅工业在有关公共卫生的问题上往往有偏见。

   他的观点引起了一些公众(如拉尔夫-纳德)的支持,但再次遭到其他人的强烈反对,特别是受到高度重视的工业中毒问题权威R.A.Kehoe的反对。持续了大约20年,到1970年,帕特森和他的同事完成了对格陵兰岛和南极洲雪层的研究,清楚地显示了这两个地区从工业革命开始大气中铅的增加。现代格陵兰雪的含铅量是工业化前雪的100多倍,大部分的增加发生在村去100年里。在南极洲的雪中,这种影响要小10倍,但它是可以清楚地观察到。

   1971年,国家委员会发布了一份题为《透视空气中的铅》的报告,以指导环境保护局的铅污染政策。该小组被广泛指责在解释其数据时不够有力,并且过于偏重于工业科学家。帕特森的工作在很大程度上被忽视了,然而到1973年12月,环保署确实宣布了一项计划,分阶段将汽油中的铅减少60-65%。因此,从汽油中去除铅的工作开始了。与此同时,帕特森继续从另一个角度研究铅的问题,他测量了现代人体内的铅、钡和钙的浓度,其中钡是铅的良好替身,而钙则没有收费。帕特森曾在一封信中说:"我对这篇论文有浓厚的兴趣"。

   20世纪70年代末,帕特森将注意力转向了食品中的铅。1979年,他写信给环境保护局的食品和药品专员,声称 "你们总部的实验室不能正确分析金枪鱼肌肉中的铅"。他坚持认为,实验室的空白值过高,无法准确分析出低于1ppm的铅浓度。当被问及他是否可以列举其他同意他的结果的实验室时,帕特森回答说,科学问题不是由多数人投票决定的。这次接触最终导致他参加了1981年10月10日在华盛顿举行的关于分析食品中1ppm以下水平的铅的分析方法的研讨会。环保局和食品局的代表都参加了这次会议。

   Patterson提出了三项改进建议,这些建议似乎得到了认真对待。这些建议是:(1)使用标准局的质谱仪来进行质谱铅分析;(2)更好地装备环保局的实地实验室;(3)促进环保局和学术实验室之间的更多联系。几个月后,帕特森写道,他相信在总部环保局实验室进行的分析工作符合他的标准,Dorothv M.Seltle和Pallerson发表了一份关于由于封罐使用的铅焊料而进入食物链的铅最的警告。尽管国家海洋服务实验室报告的长鳍金枪鱼罐头肌肉中的铅含量仅为自由金枪鱼的两倍(每克700纳克对400纳克),但作者发现新鲜的铅含量为每克0.3纳克,罐头肌肉中为每克1400纳克。钡在样品中的差异仅为2倍。在加州理工学院准备的新鲜肌肉样品,在渔业实验室分析后,铅含量为20纳克克,仍然比加州理工学院的数值高得多。到1993年,美国所有的食品容器中都去除了铅焊料,帕特森的影响再次清晰可见。

   尽管他被排除在1971年的国家研究委员会小组之外,该小组编制了关于空气传播的铅的报告,但在1978年,帕特森被任命为一个新的12人国家研究委品会小组,评估与铅中毒有关的环培问题的知识状况。该小组的报告因包含多数人和少数人的评价而受到关注。多数人的报告指出需要减少城市儿童的铅危害:指出需要更好地定义成人铅的毒性和典型水平之间的差距:并承认典型的大气铅浓度是普通人群自然背景的10到100倍,而城市人群的浓度是1000到10000倍。报告要求对这些问题以及铅摄入和智力之间的关系进行进一步研究。报告强调需要改进分析工作。

   在他冗长的78页的报告中,帕特森认为多数派报告不够有力。基本上他说,普遍做法的危险性已经有足够明确的定义,应该立即开始努力,大幅减少或完全消除日常环境中的工业铅。这包括汽油。食品容器、铝箔、油漆和釉料。他还提到了水分配系统。他敦促"调查细胞内的生化扰动,这些扰动是由典型铅暴露引起的"。长期以来,他一直批评为空气或血液中的铅指定一个明确的限制,以表示有毒和无毒水平之间的分界线,

   上述项目给出了一些但不完整的迹象,表明帕特森致力于减少环境铅负担的努力。随着时间的推移,许多其他人也加入了这场运动,但他显然是一个主要的参与者,可以说他发起了一些已经发生的变化。1973年左右,汽油中的铅开始减少:1987年,铅被完全去除。铅焊料已经从美国的食品容器以及油漆和水管中去除。到1991年,科学家们可以报告说,自1971年以来,格陵兰雪的铅含量已经下降了7.5倍。人们将记住帕特森,因为他首先发现了人类中"天然"和"普通"或"典型"的铅含量之间的差异,并争论这一点,直到它被普遍接受。这反过来又刺激了大量的医学研究,研究低于有毒中毒水平的铅对人类学习能力的影响。

  从20世纪80年代初开始,帕特森的兴趣开始转向我称之为他知识生涯的第三个阶段。这涉及到对人类(他常说的H.s.sapiens)在社会中的地位进行反省和哲学评估。他区分了他所称的工程与科学的思维模式。他的思想在1994年为纪念他而出版的Geochimica et Cosmochimica特刊上的两篇文章中得到了最好的阐述。他认为科学思维是一种探究性思维,旨在揭开世界的秘密,而工程思维则是为了控制自然界。这无疑是源于他作为科学家发现地球年龄的经验,而工程思维则会被等同于利用污染环境的大量铅的技术。因此,他说:"大多数人无法看到由一万年变态的功利主义合理化所构建的文化的弊端。因为他们只通过有病的智人头脑的眼睛来感知其物质技术形式。"

     他正在写一本书,表达他对这些和其他问题的想法,如人口控制。我们永远不会知道它可能包含什么内容,但我们可以猜测,它将是刺激性的、独特的、无疑是有争议的处理,作为一个人,帕特森对自己的成就很谦虚,并慷慨地承认同事的贡献,他向世界各地的科学家开放他的实验室,培训他们掌握他所开发的技术。他在科学上很有自信,不喜欢循规蹈矩的人。尽管他对他的工作所产生的负面批评非常敏感,但他仍积极地追求他的信念,有些人会(有些人确实)称之为狂热的动力。也许任何较低程度的动机都会导致他放弃斗争,而没有看到它的终点。他非常关心社会的福利,并将他的科学知识用于为所有人寻求和创造一个更美好的未来。他对他希望写的书的最后努力就是为了这个目标。他的独特个性在索尔-贝罗的小说《院长的十二月》中得到了雄辩的描绘,在该小说中,帕特森是同比奇的模特。他确实是一个独一无二的人。





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