hoe oud is de aarde en hoe weten we dat?

het fysische proces van radioactief verval heeft aardwetenschappers, antropologen en evolutionaire biologen hun belangrijkste methode gegeven om de absolute leeftijd van stenen en andere materialen te bepalen (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Deze opmerkelijke techniek, die afhankelijk is van metingen van de onderscheidende eigenschappen van radioactieve materialen, wordt radio-isotoop geochronologie genoemd, of gewoon “radiometrische datering.”

sporen van isotopen van radioactieve elementen, waaronder koolstof-14, uranium-238 en tientallen andere, zijn overal om ons heen—in rotsen, in water en in de lucht (tabel 1). Deze isotopen zijn onstabiel, dus ze breken geleidelijk uit elkaar of ” verval.”Radiometrische datering werkt omdat radioactieve elementen op voorspelbare wijze vervallen, zoals het regelmatig tikken van een klok. Zo werkt het. Als je een verzameling van een miljoen atomen van een radioactieve isotoop, de helft van hen zal verval over een tijdspanne genaamd de “halfwaardetijd.”Uranium-238, bijvoorbeeld, heeft een halfwaardetijd van 4.468 miljard jaar, dus als je begint met een miljoen atomen en terugkomt in 4.468 miljard jaar, zul je slechts ongeveer 500.000 atomen uranium-238 overhouden. De rest van het uranium zal vergaan tot 500.000 atomen van andere elementen, uiteindelijk tot stabiele (d.w.z. niet-radioactieve) atomen van lood-206. Wacht nog eens 4.468 miljard jaar en slechts ongeveer 250.000 atomen uranium zal blijven (Fig. 8).

De bekendste radiometrische dateringsmethode betreft de isotoop carbon-14, met een halfwaardetijd van 5.730 jaar. Elk levend organisme neemt koolstof op tijdens zijn leven. Op dit moment neemt je lichaam de koolstof in je voedsel en zet het om in weefsel, en hetzelfde geldt voor alle andere dieren. Planten nemen kooldioxide op uit de lucht en veranderen het in wortels, stengels en bladeren. Het grootste deel van deze koolstof (ongeveer 99%) is in de vorm van stabiele (niet-radioactieve) koolstof-12, terwijl misschien 1% is de iets zwaardere stabiele koolstof-13. Maar een bepaald klein percentage van de koolstof in je lichaam en elk ander levend wezen—niet meer dan één koolstofatoom op elk biljoen—is in de vorm van radioactieve koolstof-14.

zolang een organisme in leven is, wordt de koolstof-14 in zijn weefsels voortdurend vernieuwd in dezelfde kleine, deel-per-biljoen verhouding die in de algemene omgeving wordt gevonden. Alle isotopen van koolstof gedragen zich Chemisch op dezelfde manier, dus de verhoudingen van koolstofisotopen in het levende weefsel zullen bijna overal hetzelfde zijn, voor alle levende dingen. Als een organisme sterft, neemt het geen koolstof meer in welke vorm dan ook op. Vanaf het tijdstip van overlijden wordt daarom de koolstof-14 in de weefsels niet langer aangevuld. Als een tikkende klok transmuteren koolstof-14 atomen door radioactief verval tot stikstof-14, atoom-voor-atoom, om een steeds kleiner percentage van de totale koolstof te vormen. Wetenschappers kunnen zo de geschatte leeftijd van een stuk hout, Haar, bot, of ander object bepalen door zorgvuldig de fractie van koolstof-14 die overblijft te meten en te vergelijken met de hoeveelheid koolstof-14 die we aannemen was in dat materiaal toen het nog leefde. Als het materiaal een stuk hout is dat uit een Egyptische tombe is gehaald, bijvoorbeeld, hebben we een vrij goede schatting van hoe oud het artefact is en, door gevolgtrekking, wanneer het graf werd gebouwd. Wat meer is, hebben wetenschappers zorgvuldige jaar-tot-jaar vergelijkingen van koolstof-14 data uitgevoerd met die van boomring chronologieën (Reimer et al. 2004). Het resultaat: de twee onafhankelijke technieken leveren exact dezelfde data op voor oud fossiel hout.

koolstof-14-datering verschijnt vaak in het nieuws in verslagen van oude menselijke artefacten. In 1991 werd een oude jager bevroren gevonden in het ijs van de Italiaanse Alpen (Fig. 9). “Ötzi de iceman,” zoals hij werd genoemd, werd aangetoond door koolstof-14 technieken tot op heden van ongeveer 5.300 jaar geleden. De techniek leverde vergelijkbare leeftijdsbepaling voor de weefsels van de iceman, zijn kleding en zijn werktuigen (Fowler 2000).

koolstof-14-datering heeft de geschiedenis van de mens gedurende de laatste tienduizenden jaren in kaart gebracht. Wanneer een object echter meer dan ongeveer 50.000 jaar oud is, is de hoeveelheid koolstof-14 die er nog in zit zo klein dat deze dateringsmethode niet kan worden gebruikt. Tot op heden stenen en mineralen die miljoenen jaren oud zijn, moeten wetenschappers vertrouwen op soortgelijke technieken die radioactieve isotopen met een veel grotere halfwaardetijd gebruiken (Tabel 1). Onder de meest gebruikte radiometrische klokken in de geologie zijn die gebaseerd op het verval van kalium-40 (halfwaardetijd van 1,248 miljard jaar), uranium-238 (halfwaardetijd van 4,468 miljard jaar), en rubidium-87 (halfwaardetijd van 47 miljard jaar). In deze gevallen meten geologen het totale aantal atomen van de radioactieve ouder-en stabiele dochterelementen om te bepalen hoeveel radioactieve kernen in het begin aanwezig waren. Dus, bijvoorbeeld, als een rots oorspronkelijk gevormd een lange tijd geleden met een kleine hoeveelheid uranium atomen maar geen lood atomen, dan is de verhouding van uranium-tot-lood atomen vandaag kan een nauwkeurige geologische Stopwatch.

wanneer geologische leeftijdschattingen worden gerapporteerd in wetenschappelijke publicaties of in het nieuws, is de kans groot dat deze waarden zijn afgeleid van radiometrische datering technieken. In het geval van de vroege vestiging van Noord-Amerika, bijvoorbeeld, koolstofrijke kampvuurresten en bijbehorende artefacten wijzen op een menselijke aanwezigheid van ongeveer 13.000 jaar geleden. Veel oudere gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven, sommige die miljarden jaren terug, zijn vaak gebaseerd op kalium-40 dating. Deze techniek werkt goed omdat fossielen bijna altijd worden bewaard in lagen van sedimenten, die ook periodieke vulkanische as valt als dunne horizonten registreren. Vulkanische as is rijk aan kaliumhoudende mineralen, dus elke asval biedt een unieke tijdmarker in een sedimentaire sequentie. De opkomst van de mens ongeveer 2.5 miljoen jaar geleden, het uitsterven van de dinosaurussen 65 miljoen jaar geleden, het verschijnen van dieren met harde schelpen begint ongeveer 540 miljoen jaar geleden, en andere belangrijke overgangen in het leven op aarde worden meestal op deze manier gedateerd (Fig. 10).

De oudste bekende stenen, waaronder basalt en andere stollingsformaties, gestold uit gloeiende roodgloeiende smelt. Deze duurzame monsters van de maan en meteorieten zijn meestal arm aan kalium, maar gelukkig bevatten ze kleine hoeveelheden uranium-238 en andere radioactieve isotopen. Zodra deze gesmolten rotsen afkoelen en verharden, zijn hun radioactieve elementen op hun plaats vergrendeld en beginnen te bederven. De oudste van deze monsters zijn verschillende soorten meteorieten, waarbij iets meer dan de helft van het oorspronkelijke uranium is vergaan tot lood. Deze oerrotsen, de restanten van de vorming van de aarde en andere planeten, leveren een leeftijd op van ongeveer 4,56 miljard jaar voor het ontluikende zonnestelsel. De oudst bekende maanstenen, op ongeveer 4,46 miljard jaar, registreren ook deze vroegste vormingsgebeurtenissen (Norman et al. 2003).de aarde moet rond dezelfde tijd gevormd zijn, maar het oorspronkelijke oppervlak van onze rusteloze planeet is nu weggeërodeerd. Slechts een paar uraniumrijke zandkorrels van het hardy mineraal zirkoon, sommige zo oud als 4,4 miljard jaar, overleven (Wilde et al. 2001). Niettemin, uranium-dragende rotsen, op elk continent bieden een gedetailleerde chronologie van de vroege aarde (Hazen et al. 2008, 2009). De oudste aardrotsen, ongeveer vier miljard jaar oud, wijzen op de vroege oorsprong van continenten. Rotsen van bijna 3,5 miljard jaar geleden Herbergen de oudste eenduidige fossielen-primitieve microben en koepelachtige structuren genaamd stromatolieten, die hun rotsachtige huizen vormden (Fig. 11). Onderscheidende uraniumrijke sedimentaire formaties en gelaagde afzettingen van ijzeroxiden van ongeveer 2,5 tot 2,0 miljard jaar documenteren de geleidelijke stijging van atmosferische zuurstof door fotosynthese (Hazen et al. 2008, 2009). Inderdaad, elke fase van de geschiedenis van de aarde is gedateerd met exquise nauwkeurigheid en precisie dankzij radiometrische technieken.