How Old is Earth, and How Do we Know?

radioaktiivisen hajoamisen fysikaalinen prosessi on tarjonnut maan tutkijoille, antropologeille ja evoluutiobiologeille tärkeimmän menetelmänsä kivien ja muiden materiaalien absoluuttisen iän määrittämiseen (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Tätä merkittävää tekniikkaa, joka riippuu radioaktiivisten aineiden ominaispiirteiden mittauksista, kutsutaan radioisotooppigeokronologiaksi tai yksinkertaisesti ” radiometriseksi iänmääritykseksi.”

radioaktiivisten alkuaineiden isotooppeja, kuten hiili-14: ää, uraani-238: aa ja kymmeniä muita, on kaikkialla ympärillämme—kivissä, vedessä ja ilmassa (Taulukko 1). Nämä isotoopit ovat epävakaita,joten ne hajoavat vähitellen tai ” hajoavat.”Radiometrinen iänmääritys toimii, koska radioaktiiviset alkuaineet hajoavat ennalta-arvattavasti, kuten kellon säännöllinen tikitys. Näin se toimii. Jos sinulla on miljoona radioaktiivisen isotoopin atomia, puolet niistä hajoaa ”puoliintumisajaksi” kutsutun ajan kuluessa.”Esimerkiksi uraani-238: n puoliintumisaika on 4.468 miljardia vuotta, joten jos aloitat miljoonasta atomista ja palaat 4,468 miljardissa vuodessa, löydät vain noin 500 000 atomia uraania – 238 jäljellä. Loput uraanista on hajonnut 500 000 muiden alkuaineiden atomiksi, lopulta lyijy-206: n stabiileiksi (eli ei-radioaktiivisiksi) atomeiksi. Odota vielä 4,468 miljardia vuotta ja vain noin 250,000 atomia uraania jäljellä (Kuva. 8).

radiometrinen iänmääritys perustuu radioaktiivisen hajoamisen kellomaisiin ominaisuuksiin. Yhden puoliintumisajan aikana noin puolet radioaktiivisten atomien kokoelmasta hajoaa. Kun tietää, kuinka monesta atomista aine on saanut alkunsa, ja sitten mittaa, mitä on jäljellä, voi mitata vanhojen esineiden ikiä. Lähde: NCSE

tunnetuin radiometrinen iänmääritysmenetelmä liittyy hiili-14-isotooppiin, jonka puoliintumisaika on 5 730 vuotta. Jokainen elävä organismi ottaa hiiltä elinaikanaan. Tällä hetkellä kehosi ottaa ravinnossasi olevan hiilen ja muuttaa sen kudokseksi, ja sama pätee kaikkiin muihin eläimiin. Kasvit ottavat ilmasta hiilidioksidia ja muuttavat sen juuriksi, varsiksi ja lehdiksi. Suurin osa tästä hiilestä (noin 99%) on stabiilia (ei-radioaktiivista) hiili-12: ta, kun taas ehkä 1% on hieman raskaampaa stabiilia hiili-13: a. Mutta tietty pieni osa ruumiissasi ja kaikissa muissa elävissä olennoissa olevasta hiilestä-korkeintaan yksi hiiliatomi jokaista biljoonaa kohti-on radioaktiivisen hiili-14: n muodossa.

niin kauan kuin eliö on elossa, sen kudoksissa oleva hiili-14 uusiutuu jatkuvasti samassa pienessä, osa biljoonaa kohden-suhteessa, joka on yleisessä ympäristössä. Kaikki hiilen isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti samalla tavalla, joten hiilen isotooppien osuudet elävässä kudoksessa ovat lähes samat kaikkialla, kaikilla elollisilla. Kun eliö kuolee, se kuitenkin lakkaa syömästä hiiltä missä tahansa muodossa. Kuolinhetkestä lähtien kudosten hiili-14: ää ei siis enää täydennetä. Tikittävän kellon tavoin hiili-14-atomit muuttuvat radioaktiivisen hajoamisen kautta typpi-14: ksi atomi atomilta muodostaen yhä pienemmän osuuden kokonaishiilestä. Tutkijat voivat näin ollen määrittää puun, hiuksen, luun tai muun esineen likimääräisen iän mittaamalla huolellisesti jäljellä olevan hiili-14: n osuuden ja vertaamalla sitä hiili-14: n määrään, jonka oletamme olleen tuossa materiaalissa sen eläessä. Jos materiaali sattuu olemaan esimerkiksi egyptiläisestä haudasta otettu puunkappale, meillä on melko hyvä arvio siitä, kuinka vanha esine on ja päättelemällä, milloin hauta on rakennettu. Lisäksi tutkijat ovat tehneet pikkutarkkoja vuosi vuodelta vertailuja hiili-14 päivämäärät kuin puiden rengas kronologiat (Reimer et al. 2004). Tulos: kaksi toisistaan riippumatonta tekniikkaa tuottavat täsmälleen samat päivämäärät muinaiselle fossiiliselle puulle.

hiili-14-iänmääritys esiintyy usein uutisissa kertomuksissa ihmisen muinaisesineistä. Paljon julkisuutta saaneessa löydössä vuonna 1991 Italian Alppien jääpussista löytyi jäätyneenä muinainen metsästäjä (Kuva. 9). ”Jäämies Ötzi”, kuten häntä kutsuttiin, osoitettiin hiili-14-tekniikoilla noin 5 300 vuoden takaa. Tekniikka antoi samanlaiset ikämääritykset Jäämiehen kudoksista, hänen vaatteistaan ja työvälineistään (Fowler 2000).

hiili-14-iänmäärityksellä on ollut keskeinen merkitys ihmisen historian kartoittamisessa viimeisten kymmenientuhansien vuosien aikana. Kun esine on yli 50 000 vuotta vanha, siihen jää kuitenkin niin pieni määrä hiili-14: ää, ettei tätä iänmääritysmenetelmää voida käyttää. Tähän mennessä kiviä ja mineraaleja, jotka ovat miljoonia vuosia vanhoja, tutkijoiden on luotettava vastaaviin menetelmiin, joissa käytetään radioaktiivisia isotooppeja, joiden puoliintumisaika on paljon suurempi (Taulukko 1). Geologiassa käytetyimpiä radiometrisiä kelloja ovat kalium-40: n (puoliintumisaika 1,248 miljardia vuotta), uraani-238: n (puoliintumisaika 4,468 miljardia vuotta) ja rubidium-87: n (puoliintumisaika 47 miljardia vuotta) hajoamiseen perustuvat kellot. Näissä tapauksissa geologit mittaavat radioaktiivisten emoalkuaineiden ja stabiilien tytäralkuaineiden atomien kokonaismäärän määrittääkseen, kuinka monta radioaktiivista ydintä alussa oli. Jos siis esimerkiksi kiveen on alun perin muodostunut kauan sitten pieni määrä uraaniatomeja mutta ei lyijyatomeja, niin uraani-lyijyatomien suhde nykyään voi tarjota tarkan geologisen pysäytyskellon.

kun näkee tieteellisissä julkaisuissa tai uutisissa raportoituja geologisia ikäarvioita, on todennäköistä, että nämä arvot ovat peräisin radiometrisistä iänmääritysmenetelmistä. Esimerkiksi Pohjois-Amerikan varhaisasutuksen kohdalla hiilipitoiset nuotiojäännökset ja niihin liittyvät esineet viittaavat ihmisen läsnäoloon jo noin 13 000 vuotta sitten. Elämän historian paljon vanhemmat tapahtumat, joista jotkin ulottuvat miljardeja vuosia taaksepäin, perustuvat usein kalium – 40-iänmääritykseen. Tämä tekniikka toimii hyvin, koska fossiilit säilyvät lähes aina sedimenttikerroksissa, jotka myös rekisteröivät ajoittaisia vulkaanisen tuhkan putoamisia ohuina horisontteina. Vulkaanisessa tuhkassa on runsaasti kaliumia sisältäviä mineraaleja, joten jokainen tuhkan putoaminen antaa ainutlaatuisen aikamerkin sedimenttisarjassa. Ihmisten nousu noin 2.5 miljoonaa vuotta sitten, sukupuuttoon dinosaurukset 65 miljoonaa vuotta sitten, ulkonäkö eläinten kova kuoret alkaen noin 540 miljoonaa vuotta sitten, ja muut keskeiset siirtymät elämän maapallolla on yleensä ajoitettu tällä tavalla (Kuva. 10).

vanhimmat tunnetut kivet, mukaan lukien basaltti ja muut magmamuodostumat, jotka ovat jähmettyneet hehkuvista punahehkuisista sulista. Nämä kuusta ja meteoriiteista otetut kestävät näytteet ovat tyypillisesti huonosti kaliumpitoisia, mutta onneksi niissä on pieniä määriä uraani-238: aa ja muita radioaktiivisia isotooppeja. Heti kun nämä sulat kivet jäähtyvät ja kovettuvat, niiden radioaktiiviset alkuaineet lukkiutuvat paikoilleen ja alkavat hajota. Vanhimmat näistä näytteistä ovat monentyyppisiä meteoriitteja, joissa hieman yli puolet alkuperäisestä uraanista on hajonnut lyijyksi. Nämä alkukantaiset avaruuskivet, maan ja muiden planeettojen muodostumisesta syntyneet tähteet, tuottavat orastavalle aurinkokunnalle noin 4,56 miljardin vuoden iän. Vanhimmat tunnetut kuukivet, noin 4,46 miljardia vuotta, tallentavat myös nämä varhaisimmat formatiiviset tapahtumat (Norman et al. 2003).

maa lienee muodostunut samoihin aikoihin, mutta levottoman planeettamme alkuperäinen pinta on nyt rapautunut pois. Vain muutama uraanipitoinen, hiekan kokoinen jyvä sitkeä mineraali zirkoni, jotkut jopa 4,4 miljardia vuotta, hengissä (Wilde et al. 2001). Kuitenkin uraania sisältävät kivet, jokaisella mantereella tarjoavat yksityiskohtaisen kronologian varhaisesta maasta (Hazen et al. 2008, 2009). Vanhimmat maan kivilajit, noin neljän miljardin vuoden ikäisinä, viittaavat mantereiden varhaiseen alkuperään. Lähes 3,5 miljardin vuoden takaisissa kivissä on vanhimmat yksiselitteiset fossiilit—primitiiviset mikrobit ja kupolimaiset stromatoliitteiksi kutsutut rakenteet, jotka muodostivat kiviset kotinsa (viikuna. 11). Erottuvat uraanipitoiset sedimenttimuodostumat ja rautaoksidien kerrostumat noin 2,5-2,0 miljardin vuoden ajalta dokumentoivat ilmakehän hapen asteittaista nousua fotosynteesin kautta (Hazen et al. 2008, 2009). Maapallon historian jokainen vaihe on ajoitettu erittäin tarkasti radiometristen tekniikoiden ansiosta.