hur gammal är jorden, och hur vet vi?

den fysiska processen med radioaktivt sönderfall har gett jordforskare, antropologer och evolutionsbiologer sin viktigaste metod för att bestämma den absoluta åldern för stenar och andra material (Dalrymple 1991; Dickin 2005). Denna anmärkningsvärda teknik, som beror på mätningar av de utmärkande egenskaperna hos radioaktiva material, kallas radioisotop geokronologi, eller helt enkelt ”radiometrisk dejting.”

spårmängder av isotoper av radioaktiva ämnen, inklusive kol-14, uran-238 och dussintals andra, finns runt omkring oss—i stenar, i vatten och i luften (Tabell 1). Dessa isotoper är instabila, så de gradvis bryta isär eller ”förfall.”Radiometrisk dejting fungerar eftersom radioaktiva element sönderfaller på förutsägbart sätt, som den vanliga klockan. Så här fungerar det. Om du har en samling av en miljon atomer av en radioaktiv isotop, hälften av dem kommer att förfalla under en tidsperiod som kallas ”halveringstiden.”Uran-238 har till exempel en halveringstid på 4.468 miljarder år, så om du börjar med en miljon atomer och kommer tillbaka på 4.468 miljarder år, hittar du bara cirka 500.000 atomer av uran-238 kvar. Resten av uranet kommer att ha förfallit till 500 000 atomer av andra element, i slutändan till stabila (dvs icke-radioaktiva) atomer av bly-206. Vänta ytterligare 4.468 miljarder år och endast cirka 250.000 atomer av uran kommer att förbli (Fig. 8).

den mest kända radiometriska dateringsmetoden involverar isotopkol-14, med en halveringstid på 5,730 år. Varje levande organism tar in kol under sin livstid. Just nu tar din kropp kolet i din mat och omvandlar det till vävnad, och detsamma gäller för alla andra djur. Växter tar in koldioxid från luften och förvandlar den till rötter, stjälkar och löv. Det mesta av detta kol (cirka 99%) är i form av stabilt (icke-radioaktivt) kol-12, medan kanske 1% är det något tyngre stabila kolet-13. Men en viss liten andel av kolet i kroppen och alla andra levande varelser—inte mer än en kolatom i varje biljon—är i form av radioaktivt kol-14.

så länge en organism lever, förnyas kol-14 i dess vävnader ständigt i samma lilla andel per biljon som finns i den allmänna miljön. Alla isotoper av kol beter sig på samma sätt kemiskt, så proportionerna av kolisotoper i den levande vävnaden kommer att vara nästan samma överallt, för alla levande saker. När en organism dör, slutar den dock att ta in kol av någon form. Från tiden för döden fylls därför inte kolet-14 i vävnaderna längre. Som en tickande klocka, kol-14 atomer transmuterar genom radioaktivt sönderfall till kväve-14, atom-för-atom, för att bilda en allt mindre andel av det totala kolet. Forskare kan således bestämma den ungefärliga åldern på ett trästycke, hår, ben eller annat föremål genom att noggrant mäta fraktionen av kol-14 som återstår och jämföra den med mängden kol-14 som vi antar var i det materialet när det levde. Om materialet råkar vara en träbit som tagits ut ur en egyptisk grav, till exempel, har vi en ganska bra uppskattning av hur gammal artefakten är och, genom inferens, när graven byggdes. Vad mer, Forskare har genomfört noggranna år för år jämförelser av kol-14 datum med de av träd ring kronologier (Reimer et al. 2004). Resultatet: de två oberoende teknikerna ger exakt samma datum för gammalt fossilt Trä.

kol-14 dating visas ofta i nyheterna i rapporter om gamla mänskliga artefakter. I en mycket publicerad upptäckt 1991 hittades en gammal jägare frusen i ispaketet i de Italienska alperna (Fig. 9). ”Aixytzi iceman”, som han kallades, visades av Carbon-14-tekniker hittills från cirka 5300 år sedan. Tekniken gav liknande åldersbestämmelser för icemanens vävnader, hans kläder och hans redskap (Fowler 2000).

kol-14-datering har varit avgörande för att kartlägga mänsklig historia under de senaste tiotusentals åren. När ett objekt är mer än cirka 50 000 år gammalt är mängden kol-14 kvar i det så liten att denna dateringsmetod inte kan användas. Hittills stenar och mineraler som är miljontals år gamla, forskare måste förlita sig på liknande tekniker som använder radioaktiva isotoper med mycket större halveringstid (Tabell 1). Bland de mest använda radiometriska klockorna i geologi är de baserade på förfall av kalium-40 (halveringstid på 1,248 miljarder år), uran-238 (halveringstid på 4,468 miljarder år) och rubidium-87 (halveringstid på 47 miljarder år). I dessa fall mäter geologer det totala antalet atomer hos de radioaktiva föräldern och stabila dotterelementen för att bestämma hur många radioaktiva kärnor som var närvarande i början. Således, till exempel, om en sten ursprungligen bildades för länge sedan med en liten mängd uranatomer men inga blyatomer, kan förhållandet mellan uran-till-blyatomer idag ge en exakt geologisk stoppur.

När du ser geologiska åldersuppskattningar rapporterade i vetenskapliga publikationer eller i nyheterna är chansen att dessa värden härrör från radiometriska dateringstekniker. När det gäller den tidiga bosättningen i Nordamerika, till exempel, kolrika lägereldrester och tillhörande artefakter pekar på en mänsklig närvaro för cirka 13 000 år sedan. Mycket äldre händelser i livets historia, vissa sträcker sig tillbaka miljarder år, är ofta baserade på kalium-40 dejting. Denna teknik fungerar bra eftersom fossiler nästan alltid bevaras i lager av sediment, som också registrerar periodiska vulkaniska askfall som tunna horisonter. Vulkanisk aska är rik på kaliumbärande mineraler, så varje askfall ger en unik tidsmarkör i en sedimentär sekvens. Uppkomsten av människor om 2.För 5 miljoner år sedan, utrotningen av dinosaurierna för 65 miljoner år sedan, utseendet på djur med hårda skal som började för cirka 540 miljoner år sedan och andra viktiga övergångar i livet på jorden dateras vanligtvis på detta sätt (Fig. 10).

de äldsta kända klipporna, inklusive basalt och andra magmatiska formationer, stelnade från glödande glödheta smälter. Dessa hållbara prover från månen och meteoriterna är vanligtvis fattiga i kalium, men lyckligtvis innehåller de små mängder uran-238 och andra radioaktiva isotoper. Så snart dessa smälta stenar svalnar och härdar, låses deras radioaktiva element på plats och börjar förfallna. De äldsta av dessa prover är flera typer av meteoriter, där drygt hälften av det ursprungliga uranet har förfallit för att leda. Dessa primordiala rymdstenar, resterna från bildandet av jord och andra planeter, ger en ålder på cirka 4, 56 miljarder år för det växande solsystemet. De äldsta kända månstenarna, cirka 4,46 miljarder år, registrerar också dessa tidigaste formativa händelser (Norman et al. 2003).

jorden måste ha bildats ungefär samtidigt, men vår rastlösa Planets ursprungliga yta har nu eroderat bort. Endast ett fåtal uranrika, sandstora korn av hardy mineral zircon, några så gamla som 4,4 miljarder år, överlever (Wilde et al. 2001). Ändå, uranbärande stenar, på varje kontinent ger en detaljerad kronologi av den tidiga jorden (Hazen et al. 2008, 2009). De äldsta jordstenarna, ungefär fyra miljarder år, pekar på kontinenternas tidiga ursprung. Stenar från nästan 3,5 miljarder år sedan är värd för de äldsta entydiga fossilerna—primitiva mikrober och kupolliknande strukturer som kallas stromatoliter, som bildade sina steniga hem (Fig. 11). Distinkta uranrika sedimentära formationer och skiktade avlagringar av järnoxider från cirka 2,5 till 2,0 miljarder år dokumenterar den gradvisa ökningen av atmosfäriskt syre genom fotosyntes (Hazen et al. 2008, 2009). Verkligen, varje steg i jordens historia har daterats med utsökt noggrannhet och precision tack vare radiometriska tekniker.