Wie alt ist die Erde und woher wissen wir das?

Der physikalische Prozess des radioaktiven Zerfalls hat Geowissenschaftlern, Anthropologen und Evolutionsbiologen ihre wichtigste Methode zur Bestimmung des absoluten Alters von Gesteinen und anderen Materialien zur Verfügung gestellt (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Diese bemerkenswerte Technik, Das hängt von Messungen der charakteristischen Eigenschaften radioaktiver Materialien ab, wird Radioisotop-Geochronologie genannt, oder einfach „radiometrisch Dating.“Spuren von Isotopen radioaktiver Elemente, einschließlich Kohlenstoff-14, Uran-238 und Dutzenden anderer, sind überall um uns herum — in Gesteinen, in Wasser und in der Luft (Tabelle 1). Diese Isotope sind instabil, so dass sie allmählich auseinanderbrechen oder „zerfallen“.“ Radiometrische Datierung funktioniert, weil radioaktive Elemente auf vorhersehbare Weise zerfallen, wie das regelmäßige Ticken einer Uhr. Hier ist, wie es funktioniert. Wenn Sie eine Sammlung von einer Million Atomen eines radioaktiven Isotops haben, Die Hälfte von ihnen zerfällt über einen Zeitraum, der als „Halbwertszeit“ bezeichnet wird.“ Uran-238 zum Beispiel hat eine Halbwertszeit von 4.468 Milliarden Jahre, wenn Sie also mit einer Million Atomen beginnen und in 4,468 Milliarden Jahren zurückkommen, finden Sie nur noch etwa 500.000 Atome Uran- 238 übrig. Der Rest des Urans wird zu 500.000 Atomen anderer Elemente zerfallen sein, letztendlich zu stabilen (d. H. Nicht radioaktiven) Atomen von Blei-206. Warten Sie noch 4,468 Milliarden Jahre und es bleiben nur noch etwa 250.000 Uranatome übrig (Abb. 8).

Die bekannteste radiometrische Datierungsmethode beinhaltet das Isotop Kohlenstoff-14 mit einer Halbwertszeit von 5.730 Jahren. Jeder lebende Organismus nimmt im Laufe seines Lebens Kohlenstoff auf. In diesem Moment nimmt Ihr Körper den Kohlenstoff in Ihrer Nahrung auf und wandelt ihn in Gewebe um, und das gleiche gilt für alle anderen Tiere. Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf und verwandeln es in Wurzeln, Stängel und Blätter. Der größte Teil dieses Kohlenstoffs (etwa 99%) liegt in Form von stabilem (nicht radioaktivem) Kohlenstoff-12 vor, während vielleicht 1% der etwas schwerere stabile Kohlenstoff-13 ist. Aber ein gewisser kleiner Prozentsatz des Kohlenstoffs in Ihrem Körper und jedem anderen Lebewesen — nicht mehr als ein Kohlenstoffatom pro Billion — liegt in Form von radioaktivem Kohlenstoff-14 vor.

Solange ein Organismus lebt, wird der Kohlenstoff-14 in seinen Geweben ständig in demselben kleinen Anteil pro Billion erneuert, der in der allgemeinen Umgebung zu finden ist. Alle Kohlenstoffisotope verhalten sich chemisch gleich, So dass die Anteile der Kohlenstoffisotope im lebenden Gewebe überall nahezu gleich sind, für alle Lebewesen. Wenn ein Organismus stirbt, hört er jedoch auf, Kohlenstoff in irgendeiner Form aufzunehmen. Ab dem Zeitpunkt des Todes wird daher der Kohlenstoff-14 in den Geweben nicht mehr aufgefüllt. Wie eine tickende Uhr, Kohlenstoff-14 Atome wandeln sich durch radioaktiven Zerfall in Stickstoff-14 um, Atom für Atom, einen immer kleineren Prozentsatz des Gesamtkohlenstoffs zu bilden. Wissenschaftler können somit das ungefähre Alter eines Holzstücks bestimmen, Haar, Knochen, oder ein anderes Objekt, indem der verbleibende Anteil an Kohlenstoff-14 sorgfältig gemessen und mit der Menge an Kohlenstoff-14 verglichen wird, von der wir annehmen, dass sie sich zu Lebzeiten in diesem Material befand. Wenn das Material zufällig ein Stück Holz aus einem ägyptischen Grab ist, zum Beispiel, Wir haben eine ziemlich gute Schätzung, wie alt das Artefakt ist und, durch Folgerung, wann das Grab gebaut wurde. Darüber hinaus haben Wissenschaftler Jahr für Jahr sorgfältige Vergleiche von Kohlenstoff-14-Daten mit denen von Baumringchronologien durchgeführt (Reimer et al. 2004). Das Ergebnis: Die beiden unabhängigen Techniken ergeben genau die gleichen Daten für altes fossiles Holz.Kohlenstoff-14-Datierung erscheint oft in den Nachrichten in Berichten über alte menschliche Artefakte. In einer viel beachteten Entdeckung im Jahr 1991 wurde ein alter Jäger im Eisbeutel der italienischen Alpen gefroren gefunden (Abb. 9). „Ötzi der Eismann“, wie er genannt wurde, wurde durch Carbon-14-Techniken vor etwa 5.300 Jahren gezeigt. Die Technik lieferte ähnliche Altersbestimmungen für das Gewebe des Iceman, seine Kleidung und seine Geräte (Fowler 2000).

Die Kohlenstoff-14-Datierung war in den letzten Zehntausenden von Jahren maßgeblich an der Kartierung der Menschheitsgeschichte beteiligt. Wenn ein Objekt jedoch mehr als etwa 50.000 Jahre alt ist, ist die Menge an Kohlenstoff-14, die darin verbleibt, so gering, dass diese Datierungsmethode nicht verwendet werden kann. Um Gesteine und Mineralien zu datieren, die Millionen von Jahren alt sind, müssen sich Wissenschaftler auf ähnliche Techniken verlassen, die radioaktive Isotope mit viel größerer Halbwertszeit verwenden (Tabelle 1). Zu den am häufigsten verwendeten radiometrischen Uhren in der Geologie gehören solche, die auf dem Zerfall von Kalium-40 (Halbwertszeit von 1,248 Milliarden Jahren), Uran-238 (Halbwertszeit von 4,468 Milliarden Jahren) und Rubidium-87 (Halbwertszeit von 47 Milliarden Jahren) basieren Jahre). In diesen Fällen, Geologen messen die Gesamtzahl der Atome der radioaktiven Eltern- und stabilen Tochterelemente, um zu bestimmen, wie viele radioaktive Kerne zu Beginn vorhanden waren. So, beispielsweise, Wenn sich ein Gestein vor langer Zeit ursprünglich mit einer kleinen Menge Uranatomen, aber ohne Bleiatome gebildet hat, Dann kann das Verhältnis von Uran zu Bleiatomen heute eine genaue geologische Stoppuhr liefern.

Wenn Sie geologische Altersschätzungen in wissenschaftlichen Publikationen oder in den Nachrichten sehen, werden diese Werte wahrscheinlich von radiometrischen Datierungstechniken abgeleitet. Im Falle der frühen Besiedlung Nordamerikas zum Beispiel deuten kohlenstoffreiche Lagerfeuerreste und zugehörige Artefakte auf eine menschliche Präsenz vor etwa 13.000 Jahren hin. Viel ältere Ereignisse in der Geschichte des Lebens, Einige reichen Milliarden von Jahren zurück, basieren oft auf Kalium-40 Dating. Diese Technik funktioniert gut, da Fossilien fast immer in Sedimentschichten aufbewahrt werden, die auch periodische Vulkanaschefälle als dünne Horizonte aufzeichnen. Vulkanasche ist reich an kaliumhaltigen Mineralien, so dass jeder Aschefall einen einzigartigen Zeitmarker in einer sedimentären Sequenz liefert. Der Aufstieg der Menschen über 2.vor 5 Millionen Jahren, das Aussterben der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren, das Auftreten von Tieren mit harten Schalen ab etwa 540 Millionen Jahren und andere wichtige Übergänge im Leben auf der Erde werden normalerweise auf diese Weise datiert (Abb. 10).

Die ältesten bekannten Gesteine, einschließlich Basalt und anderer magmatischer Formationen, verfestigten sich aus glühenden rotglühenden Schmelzen. Diese haltbaren Proben vom Mond und Meteoriten sind typischerweise arm an Kalium, aber glücklicherweise enthalten sie kleine Mengen an Uran-238 und anderen radioaktiven Isotopen. Sobald diese geschmolzenen Gesteine abkühlen und aushärten, Ihre radioaktiven Elemente sind an Ort und Stelle und beginnen zu zerfallen. Die ältesten dieser Proben sind verschiedene Arten von Meteoriten, bei denen etwas mehr als die Hälfte des ursprünglichen Urans zu Blei zerfallen ist. Diese ursprünglichen Weltraumgesteine, die Reste der Entstehung der Erde und anderer Planeten, ergeben für das entstehende Sonnensystem ein Alter von etwa 4, 56 Milliarden Jahren. Die ältesten bekannten Mondgesteine mit etwa 4,46 Milliarden Jahren zeichnen diese frühesten prägenden Ereignisse ebenfalls auf (Norman et al. 2003).Die Erde muss sich ungefähr zur gleichen Zeit gebildet haben, aber die ursprüngliche Oberfläche unseres unruhigen Planeten ist jetzt erodiert. Nur wenige uranreiche, sandgroße Körner des harten Minerals Zirkon, einige bis zu 4,4 Milliarden Jahre alt, überleben (Wilde et al. 2001). Dennoch liefern uranhaltige Gesteine auf allen Kontinenten eine detaillierte Chronologie der frühen Erde (Hazen et al. 2008, 2009). Die ältesten Erdgesteine, bei etwa vier Milliarden Jahren, weisen auf die frühen Ursprünge der Kontinente hin. Gesteine von vor fast 3,5 Milliarden Jahren beherbergen die ältesten eindeutigen Fossilien – primitive Mikroben und kuppelartige Strukturen, sogenannte Stromatolithen, die ihre felsigen Häuser bildeten (Abb. 11). Markante uranreiche Sedimentformationen und geschichtete Ablagerungen von Eisenoxiden aus etwa 2,5 bis 2,0 Milliarden Jahren dokumentieren den allmählichen Anstieg des Luftsauerstoffs durch Photosynthese (Hazen et al. 2008, 2009). Tatsächlich, Jede Phase der Erdgeschichte wurde dank radiometrischer Techniken mit exquisiter Genauigkeit und Präzision datiert.