ile lat ma Ziemia i skąd wiemy?

fizyczny proces rozpadu promieniotwórczego dostarczył naukowcom Ziemi, antropologom i biologom ewolucyjnym ich najważniejszą metodę określania absolutnego wieku skał i innych materiałów (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Ta niezwykła technika, która polega na pomiarach charakterystycznych właściwości materiałów promieniotwórczych, nazywana jest geochronologią radioizotopową lub po prostu ” datowaniem radiometrycznym.”

śladowe ilości izotopów pierwiastków promieniotwórczych, w tym węgla-14, uranu-238 i kilkudziesięciu innych, są wokół nas—w skałach, w wodzie i w powietrzu (Tabela 1). Izotopy te są niestabilne, więc stopniowo rozpadają się lub „rozpadają”.”Datowanie radiometryczne działa, ponieważ pierwiastki radioaktywne rozpadają się w przewidywalny sposób, jak regularne tykanie zegara. Oto jak to działa. Jeśli masz kolekcję miliona atomów radioaktywnego izotopu, połowa z nich rozpadnie się w czasie zwanym „okresem półtrwania.”Uran-238, na przykład, ma okres półtrwania 4.468 miliardów lat, więc jeśli zaczniesz z milionem atomów i wrócisz za 4,468 miliardów lat, Znajdziesz tylko około 500 000 atomów uranu-238 pozostałych. Reszta uranu ulegnie rozpadowi do 500 000 atomów innych pierwiastków, ostatecznie do stabilnych (tj. nieradioaktywnych) atomów ołowiu-206. Poczekaj kolejne 4,468 miliarda lat i pozostanie tylko około 250 000 atomów uranu (rys. 8).

najbardziej znana metoda datowania radiometrycznego obejmuje izotop węgla-14, którego okres półtrwania wynosi 5730 lat. Każdy żywy organizm pobiera węgiel podczas swojego życia. W tej chwili twoje ciało pobiera węgiel z pożywienia i przekształca go w tkankę, i to samo dotyczy wszystkich innych zwierząt. Rośliny pobierają dwutlenek węgla z powietrza i przekształcają go w korzenie, łodygi i liście. Większość tego węgla (około 99%) ma postać stabilnego (nieradioaktywnego) węgla-12, podczas gdy Być może 1% to nieco cięższy stabilny węgiel-13. Ale pewien niewielki procent węgla w twoim ciele i każdej innej żywej istocie-nie więcej niż jeden atom węgla w każdym bilionie-ma postać radioaktywnego węgla-14.

dopóki organizm żyje, węgiel-14 w jego tkankach jest stale odnawiany w tej samej małej, częściowej proporcji na bilion, która występuje w ogólnym środowisku. Wszystkie izotopy węgla zachowują się tak samo chemicznie, więc proporcje izotopów węgla w żywej tkance będą prawie takie same wszędzie, dla wszystkich żywych istot. Kiedy organizm umiera, przestaje przyjmować węgiel w jakiejkolwiek formie. Dlatego od czasu śmierci węgiel-14 w tkankach nie jest już uzupełniany. Podobnie jak tykający zegar, atomy węgla-14 przekształcają się przez rozpad radioaktywny w azot-14, atom po atomie, tworząc coraz mniejszy procent całkowitego węgla. Naukowcy mogą zatem określić przybliżony wiek kawałka drewna, włosów, kości lub innego obiektu, dokładnie mierząc frakcję węgla-14, która pozostaje i porównując ją z ilością węgla-14, którą Zakładamy, że była w tym materiale, gdy był żywy. Jeśli materiałem jest na przykład kawałek drewna wyjęty z egipskiego grobowca, mamy dość dobre oszacowanie, ile lat ma artefakt i, wnioskując, kiedy grobowiec został zbudowany. Co więcej, naukowcy przeprowadzili skrupulatne z roku na rok porównania dat węglowych 14 z chronologiami pierścieni drzewnych (Reimer et al. 2004). Rezultat: te dwie niezależne techniki dają dokładnie te same daty dla starożytnego drewna kopalnego.

datowanie węgla-14 często pojawia się w wiadomościach w doniesieniach o starożytnych artefaktach ludzkich. W wysoce nagłośnionym odkryciu w 1991 roku znaleziono starożytnego myśliwego zamrożonego w pakiecie lodowym włoskich Alp (rys. 9). „Ötzi The iceman”, jak go nazywano, został pokazany za pomocą technik węglowych 14 sprzed około 5300 lat. Technika zapewniała podobne ustalenia wieku dla tkanek Icemana, jego odzieży i narzędzi (Fowler 2000).

datowanie węglem-14 było instrumentalne w mapowaniu historii ludzkości w ciągu ostatnich kilkudziesięciu tysięcy lat. Jeśli jednak obiekt ma więcej niż około 50 000 lat, ilość węgla-14 w nim pozostała jest tak mała, że tej metody datowania nie można użyć. Do tej pory skały i minerały, które mają miliony lat, naukowcy muszą polegać na podobnych technikach, które wykorzystują radioaktywne izotopy o znacznie większym okresie półtrwania (Tabela 1). Do najczęściej stosowanych zegarów radiometrycznych w geologii należą Zegary oparte na rozpadie potasu-40 (okres półtrwania 1,248 mld lat), uranu-238 (okres półtrwania 4,468 mld lat) i rubidu-87 (okres półtrwania 47 mld lat). W tych przypadkach geolodzy mierzą całkowitą liczbę atomów radioaktywnych pierwiastków macierzystych i stabilnych pierwiastków potomnych, aby określić, ile radioaktywnych jąder było obecnych na początku. Tak więc, na przykład, jeśli skała pierwotnie powstała dawno temu z niewielką ilością atomów uranu, ale bez atomów ołowiu, to stosunek atomów uranu do ołowiu może dziś zapewnić dokładny stoper geologiczny.

Kiedy widzisz geologiczne szacunki wieku zgłaszane w publikacjach naukowych lub w wiadomościach, są szanse, że te wartości pochodzą z radiometrycznych technik datowania. W przypadku wczesnego osadnictwa Ameryki Północnej, na przykład, bogate w węgiel szczątki ogniska i związane z nimi artefakty wskazują na obecność człowieka około 13 000 lat temu. Znacznie starsze wydarzenia w historii życia, niektóre sięgające miliardów lat wstecz, często opierają się na datowaniu potasu-40. Technika ta działa dobrze, ponieważ skamieniałości są prawie zawsze zachowane w warstwach osadów, które również rejestrują okresowe spadki popiołu wulkanicznego jako cienkie horyzonty. Popiół wulkaniczny jest bogaty w minerały zawierające potas, więc każdy spadek popiołu stanowi unikalny znacznik czasu w sekwencji osadowej. Powstanie ludzi około 2.5 milionów lat temu, wyginięcie dinozaurów 65 milionów lat temu, pojawienie się zwierząt z twardymi muszlami począwszy od około 540 milionów lat temu i inne kluczowe przejścia w życiu na Ziemi są zwykle datowane w ten sposób (rys. 10).

najstarsze znane skały, w tym bazalt i inne formacje magmowe, zestalone z rozpalonych do czerwoności roztopów. Te trwałe próbki z księżyca i meteorytów są zazwyczaj ubogie w potas, ale na szczęście zawierają niewielkie ilości uranu-238 i innych radioaktywnych izotopów. Jak tylko te stopione skały ostygną i twardnieją, ich pierwiastki radioaktywne są zablokowane na miejscu i zaczynają się rozpadać. Najstarsze z tych próbek to kilka rodzajów meteorytów, w których nieco ponad połowa oryginalnego uranu rozpadła się na ołów. Te pierwotne skały kosmiczne, resztki z formowania się ziemi i innych planet, dają wiek około 4,56 miliarda lat dla powstającego układu słonecznego. Najstarsze znane skały księżycowe, około 4,46 miliarda lat, również rejestrują te najwcześniejsze wydarzenia formacyjne(Norman et al. 2003).

Ziemia musiała uformować się mniej więcej w tym samym czasie, ale pierwotna powierzchnia naszej niespokojnej planety uległa erozji. Tylko kilka bogatych w Uran, wielkości piasku ziaren odpornego minerału cyrkonu, niektóre tak stare jak 4,4 miliarda lat, przetrwać (Wilde et al. 2001). Niemniej jednak skały uranowe na każdym kontynencie zapewniają szczegółową chronologię wczesnej Ziemi(Hazen et al. 2008, 2009). Najstarsze skały ziemskie, mające około czterech miliardów lat, wskazują na wczesne początki kontynentów. Skały sprzed prawie 3,5 miliarda lat zawierają najstarsze jednoznaczne skamieniałości-prymitywne mikroby i kopułopodobne struktury zwane stromatolitami, które tworzyły swoje skaliste domy (rys. 11). Charakterystyczne bogate w Uran formacje osadowe i warstwowe złoża tlenków żelaza od około 2,5 do 2,0 mld lat dokumentują stopniowy wzrost tlenu atmosferycznego w wyniku fotosyntezy(Hazen et al. 2008, 2009). Rzeczywiście, każdy etap historii Ziemi został datowany z niezwykłą dokładnością i precyzją dzięki technikom radiometrycznym.