Wiek Ziemi: 4,5 mld lat — dowody i metody datowania
Wiek Ziemi ~4,5 mld lat — odkrycia i metody datowania radiometrycznego, najstarsze cyrkony i inkluzje meteorytowe wyjaśniają genezę naszej planety.
Wiek Ziemi szacowany jest na nieco ponad 4,5 miliarda lat. Ustalenie tego było trudnym problemem do rozwiązania. Przez większą część historii ludzkości podstawowe fakty o naszej planecie były nieznane. Problem ten został rozwiązany przez naukowców zajmujących się badaniem Ziemi w XX wieku.
Współczesne szacunki opierają się na metodach datowania radioaktywnego. Najstarsze minerały na Ziemi - małe kryształki cyrkonu z Jack Hills w Zachodniej Australii - mają co najmniej 4,4 miliarda lat. Inkluzje bogate w Ca-Al - najstarsze znane stałe kawałki w meteorytach powstałych w Układzie Słonecznym - mają 4,567 miliarda lat. Daje to wiek Układu Słonecznego i górną granicę wieku Ziemi.
Metody datowania radiometrycznego — jak to działa
Datowanie radiometryczne wykorzystuje naturalne rozpady radioaktywnych izotopów w skałach i minerałach. Każdy radioaktywny izotop (rodzic) rozpada się z określoną szybkością do produktu rozpadu (potomka). Znając tempo rozpadu (stałą rozpadu lub okres półrozpadu) oraz stosunek ilości rodzica do potomka w próbce, można obliczyć, ile czasu upłynęło od momentu „zamknięcia” próbki (czyli od chwili, gdy minerał przestał wymieniać dany pierwiastek z otoczeniem).
Najważniejsze układy izotopowe używane do datowania bardzo starych próbek to:
- Uran ołowiowy (U–Pb) — uran (U-238 do Pb-206, U-235 do Pb-207). Jeden z najpewniejszych systemów, szeroko stosowany w cyrkonach.
- Ołów–ołów (Pb–Pb) — izochrony Pb używane do wyznaczania wieku Układu Słonecznego (np. meteoryty).
- Rubidowo–strontowy (Rb–Sr), samaru–neodymowy (Sm–Nd) — stosowane jako niezależne testy wieku i historii izotopowej skał.
- Potas–argonowy (K–Ar) i 40Ar/39Ar — użyteczne zwłaszcza do datowania młodszych procesów geologicznych.
Aby uzyskać wiarygodne wyniki, stosuje się różne techniki kontrolne: porównuje się wieki otrzymane z różnych układów izotopowych, wykorzystuje metody izochronowe, a także bada kompatybilność wyników dla różnych minerałów z tej samej próbki.
Główne dowody i co one oznaczają
- Cyrkony z Jack Hills — drobne kryształki cyrkonu wydobyte z osadów w Zachodniej Australii dają daty do około 4,4 mld lat. Cyrkon jest szczególnie wartościowy, bo zawiera uran, a jednocześnie dobrze „trzyma” ołów, co pozwala na precyzyjne datowanie metodą U–Pb.
- Inkluzje Ca–Al (CAI) w meteorytach — to najstarsze znane stałe fragmenty, pochodzące z pierwotnego dysku protoplanetarnego; mają około 4,567 mld lat. To przybliża nam czas powstania pierwszych minerałów w Układzie Słonecznym i wyznacza górną granicę wieku Ziemi.
- Meteoryty (chondry) — prymitywne meteoryty, które nie uległy znacznemu przetworzeniu, dają bardzo spójne wieki ~4,56–4,57 mld lat. Ponieważ meteoryty pochodziły z materiału, z którego uformował się Układ Słoneczny, ich wiek jest używany jako wiek początkowy tego systemu.
- Skalna historia Księżyca — skały przywiezione z Księżyca przez misje Apollo mają wieki bliskie 4,4–4,5 mld lat, co wspiera wnioski o wczesnej historii Ziemi (np. datowanie zakładające formowanie Księżyca w wyniku dużego zderzenia około 4,5 mld lat temu).
- Metody izochronowe i Pb–Pb — niezależne analizy izotopów ołowiu i innych pierwiastków przeprowadzone na meteorytach i skałach dają spójny wynik dla wieku Układu Słonecznego oraz w przybliżeniu dla wieku Ziemi.
Dlaczego nie można łatwo „zadatować” samej Ziemi bezpośrednio
Problem z bezpośrednim datowaniem najstarszych momentów Ziemi polega na tym, że powierzchnia planety jest dynamiczna: procesy tektoniczne, wulkanizm i erozja wielokrotnie przetwarzały najstarsze skały, usuwając lub przekształcając pierwotne zapisy. Dlatego najstarsze oryginalne materiały, które można dziś datować, to albo przetrwałe minerały (np. cyrkony), albo pozostałości Układu Słonecznego zachowane w meteorytach. Meteoryty i inkluzje CAI dostarczają „czasomierza” dla początku formowania się materiału Układu Słonecznego; porównanie ich z najstarszymi ziemskimi minerałami daje pełniejszy obraz.
Interpretacja liczbowego wieku Ziemi
Na podstawie licznych badań i metod radiometrycznych przyjęty wiek Ziemi wynosi około 4,54 mld lat z niepewnością rzędu dziesiątek milionów lat (często podawana wartość to 4,54 ± 0,05 mld lat). Wiek ten jest zgodny z wiekiem najstarszych minerałów ziemskich (cyrkon), wiekiem skał księżycowych i wiekiem meteorytów, które reprezentują pierwotny materiał Układu Słonecznego (CAI ~4,567 mld lat daje górną granicę).
Krótko o procesach zachodzących na wczesnej Ziemi
Po akrecji z protoplanetarnego dysku Ziemia prawdopodobnie przeszła etap intensywnego dogrzewania (częściowo dzięki zderzeniom i rozpadowi radioaktywnemu), co doprowadziło do roztopienia i różnicowania (oddzielenie jądra od płaszcza). Wiele z najstarszych skał uległo później przetworzeniu, jednak dzięki analizie cyrkonów i meteorytów można odtworzyć ramy czasowe tych wczesnych etapów. Dodatkowo istnieją hipotezy dotyczące późnego intensywnego bombardowania (Late Heavy Bombardment), które mogło wpływać na warunki panujące na młodej Ziemi.
Podsumowanie
Obecne, skonsolidowane dowody z różnych metod i materiałów wskazują, że Ziemia ma około 4,54 miliarda lat. Najstarsze zachowane na Ziemi cyrkony mają ~4,4 mld lat, zaś najstarsze inkluzje w meteorytach (CAI) ~4,567 mld lat, co razem z datowaniami meteorytów i skał księżycowych daje spójną i wiarygodną chronologię powstania naszej planety i Układu Słonecznego.
Ziemia z kosmosu
XIX w.
W ostatnim ćwierćwieczu XIX wieku toczyła się długotrwała debata na temat wieku Ziemi. W "Zasadach geologii" (1830-33) Charlesa Lyella wykazał on, że Ziemia zmieniała się powoli, a to, co widzimy, jest wynikiem stopniowych zmian. Ten uniformitaryzm wyraźnie oznaczał, że Ziemia jest stara, choć Lyell nie próbował ustalić, jak stara.
Jego młodszy przyjaciel Karol Darwin również w to wierzył. Darwin widział, że gdyby ewolucja miała miejsce, wymagałaby długiego czasu. Ponadto ogromna ilość skał osadowych leży pomiędzy wczesnymi skamieniałościami w warstwach kambryjskich a obecną powierzchnią ziemi. Darwin i Lyell zgodzili się, że odkładanie się tak dużej ilości skał zajęłoby bardzo dużo czasu.
W pierwszym wydaniu O pochodzeniu gatunków (1859) Darwin oszacował, że erozja Sussex Weald musiała trwać 300 milionów lat. p314 Zarówno on, jak i Lyell byli zaskoczeni, gdy fizyk William Thomson (Lord Kelvin) powiedział, że Ziemia nie może być tak stara, jak myśleli. Dokonał on obliczeń w oparciu o to, jak długo musiało zająć Ziemi ochłodzenie się do jej obecnej temperatury, biorąc pod uwagę punkt początkowy 2000oC. Wynik Kelvina opierał się na założeniu, że geotermiczny gradient przypowierzchniowy odzwierciedla przewodzące chłodzenie stałej Ziemi.
Obliczenia te przeprowadzał wiele razy, przyjmując różne założenia. W 1862 roku jego szacunek wynosił od 20 do 400 milionów lat, ale w 1866 roku obniżył górny szacunek do 100 milionów lat i zaatakował Darwina i Lyle'a za to, że nie zwrócili uwagi na jego obliczenia. Wiemy, że Darwin był niespokojny i martwił się, że nie będzie to wystarczająco długi okres, by umożliwić ewolucję. Thomas Henry Huxley zauważył, że obliczenia Kelvina były dobre, ale jego założenia były błędne. W 1897 roku Kelvin wykonał obliczenia po raz ostatni i wyszło mu, że okres ten wynosi od 20 do 40 milionów lat. To oczywiście zdecydowanie za mało, aby umożliwić ewolucję. Oliver Heaviside również się z tym nie zgadzał i zaproponował alternatywny model geotermalny. Ostatecznie okazało się, że zarówno Kelvin, jak i Heaviside byli w błędzie.
Płaszcz lepki
Pod koniec XIX wieku ktoś zdał sobie sprawę, że gdyby płaszcz był płynem o dużej lepkości (kleistości), miałoby to ogromny wpływ na obliczenia. W 1895 r. John Perry, były asystent Kelvina, oszacował wiek Ziemi na 2 do 3 miliardów lat, wykorzystując model konwekcyjnego płaszcza i cienkiej skorupy.
W modelu Kelvina ciepło na powierzchni Ziemi pochodzi z chłodzenia płytkiej skorupy zewnętrznej, przy założeniu, że Ziemia jest stała. Gdyby jednak przewodnictwo wewnątrz Ziemi było znacznie wyższe niż na powierzchni, wówczas jądro Ziemi i dolna warstwa płaszcza również by się ochłodziły. Dostarczyłoby to ogromnego zapasu energii na powierzchnię. W takim przypadku oszacowany przez Kelvina wiek Ziemi byłby wielokrotnie za niski.
Głównym argumentem Perry'ego było to, że konwekcja w płynnym, lub częściowo płynnym, wnętrzu Ziemi będzie przekazywać ciepło znacznie efektywniej niż przewodzenie:
"... duża płynność wewnętrzna oznaczałaby praktycznie nieskończoną przewodność dla naszych celów".
Kelvin obstawał przy swoim szacunku 100 milionów lat, a później zmniejszył go do około 20 milionów lat.
Obecnie wiemy, że istnienie lepkiego płynu pod cienką skorupą ziemską jest znacznie większym czynnikiem niż odkrycie radioaktywności, które przez wiele lat było podręcznikowym wyjaśnieniem. Ponowne odkrycie i przeanalizowanie pracy Perry'ego jest całkiem niedawne.
XX w.
W 1896 roku Henri Becquerel odkrył radioaktywność. W 1903 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki wraz z Pierrem i Marią Curie "w uznaniu nadzwyczajnych zasług, jakie położył dzięki odkryciu spontanicznej radioaktywności".
W końcu zdano sobie sprawę, że radioaktywność jest głównym źródłem ciepła we wnętrzu Ziemi. p206 W 1921 roku pojawiło się pierwsze nowoczesne oszacowanie, wykorzystujące datowanie radiometryczne. Było ono oparte na datowaniu uranowo-ołowiowym: tempo rozpadu uranu na ołów w skorupie ziemskiej, przez Henry'ego Norrisa Russella. Wyliczył on od 2 do 8 miliardów lat. str. 27, tabela 3.1 W 1949 r. H.E. Suess oszacował 4 do 5 miliardów lat, opierając się na całym szeregu izotopów promieniotwórczych. Jest to czas zbliżony do tego, który szacujemy dzisiaj, a który został jeszcze bardziej dopracowany do około 4560 milionów lat.
Obliczenia wykorzystują konwekcję w lepkim płynie, jak również radioaktywność, a więc łączą pomysł Perry'ego z efektem radioaktywności, mimo że wkład Perry'ego został zapomniany. Późniejsza wiedza o tektonice płyt pozwoliła na stwierdzenie, że dolny płaszcz jest płynem lepkim.
Układ Słoneczny
Szacuje się, że formowanie i ewolucja Układu Słonecznego rozpoczęła się 4,568 miliarda lat temu od grawitacyjnego zapadnięcia się niewielkiej części gigantycznego obłoku molekularnego. W zasadzie cały system rozwinął się w tym samym okresie czasu.
Poglądy religijne
Stosowanie metody naukowej zakłada uniformitarne metody obliczania wieku Ziemi. Religia hinduistyczna jest najbliższa współczesnym szacunkom naukowym. Niektórzy chrześcijanie i Żydzi wierzą, że narracja o stworzeniu z Księgi Rodzaju jest dosłownie prawdziwa, co oznaczałoby, że Ziemia została stworzona między 5000 a 10 000 lat temu, a metody używane do obliczania wieku nie były spójne w całej historii Ziemi. Jednak w dzisiejszych czasach większość ludzi uważa, że na takie pytania najlepiej odpowiadać metodami naukowymi.
Powiązane strony
- Geochronologia
- Historia geologicznej skali czasu
- Oś czasu przyrody
Pytania i odpowiedzi
P: Ile lat ma Ziemia?
O: Szacuje się, że Ziemia ma nieco ponad 4,5 miliarda lat.
P: Jak określono wiek Ziemi?
O: Wiek Ziemi został określony za pomocą metod datowania radioaktywnego.
P: Jakie są najstarsze minerały na Ziemi?
O: Najstarsze minerały na Ziemi to małe kryształki cyrkonu z Jack Hills w Australii Zachodniej, które mają co najmniej 4,4 miliarda lat.
P: Co to są inkluzje bogate w Ca-Al?
O: Inkluzje bogate w Ca-Al to najstarsze znane stałe kawałki znalezione w meteorytach, które powstały w Układzie Słonecznym i mają 4,567 miliarda lat.
P: Ile czasu upłynęło od momentu, kiedy ludzie po raz pierwszy próbowali rozwiązać ten problem?
O: Przez większą część historii ludzkości ludzie próbowali rozwiązać ten problem i ustalić podstawowe fakty dotyczące wieku naszej planety.
P: Kiedy naukowcy zaczęli dokonywać współczesnych szacunków w celu określenia wieku Ziemi?
O: Naukowcy zaczęli dokonywać nowoczesnych szacunków w celu określenia wieku Ziemi w XX wieku.
P: Co wiedza o inkluzjach bogatych w Ca-Al mówi nam o wieku naszej planety?
O: Wiedza o inkluzjach bogatych w Ca-Al mówi nam, że daje górną granicę wieku naszej planety, jak również szacunek czasu powstania naszego Układu Słonecznego.
Przeszukaj encyklopedię