Žemės amžius: kaip mokslas nustatė apie 4,5 mlrd. metų
Apskaičiuota, kad Žemės amžius yra šiek tiek daugiau nei 4,5 mlrd. metų. Tai išsiaiškinti buvo sudėtinga užduotis. Didžiąją žmonijos istorijos dalį pagrindiniai faktai apie planetą nebuvo žinomi. Šią problemą XX amžiuje ėmėsi spręsti Žemės mokslininkai.
Šiuolaikiniai skaičiavimai grindžiami radioaktyviais datavimo metodais. Seniausiems Žemės mineralams - mažiems cirkono kristalams iš Vakarų Australijoje esančių Džeko kalvų - yra mažiausiai 4,4 mlrd. metų. Ca-Al turtingiems intarpams - seniausiems žinomiems kietiems gabalėliams meteorituose, susiformavusiems Saulės sistemoje, - yra 4,567 mlrd. metų. Taip nustatomas Saulės sistemos amžius ir viršutinė Žemės amžiaus riba.
Kaip veikia radiometrinis datavimas
Radiometrinis (radioaktyvus) datavimas remiasi tuo, kad tam tikri cheminiai elementai yra nestabilūs ir savaime virsta kitais – taip vadinamais dukteriniais – izotopais. Kiekvienai radioaktyviai transformacijai būdingas savas pusinės eliminacijos (half-life) laikas, per kurį pusė pradinio tėvinio izotopo jau būna pavirtę dukteriniu. Matuodami santykį tarp tėvinio ir dukterinio izotopų, mokslininkai gali apskaičiuoti, kiek laiko vyko radioaktyvus skilimas, ir taip nustatyti uolos ar inkluzijos amžių.
Populiariausios sistemos geologijoje yra:
- Uranas–svinas (U–Pb), dažnai taikomas cirkonams dėl jų atsparumo ir aukšto uždarymo (closure) temperatūros;
- Pb–Pb (vado–vado) arba sudėtinės Pb izotopų analizės, naudotos Saulės sistemos amžiui nustatyti;
- Rubidžius–stroncis (Rb–Sr) ir samaris–neodimis (Sm–Nd), naudojami meteorituose ir dinozorių uolienose.
Kritinė sąvoka yra „uždarymo temperatūra“: ta temperatūra, nuo kurios medžiaga nebeįsileidžia judrių izotopų ir jos izotopinis santykis išlieka iš esmės neatšaukiamas. Būtent dėl didelio atsparumo cirkonai dažnai išsaugo labai senus signalus ir leidžia nustatyti ankstyvąją planetos istoriją.
Seniausi pėdsakai: cirkonai, CAI ir mėnulio bei meteorito mėginiai
Džeko kalvų (Jack Hills) cirkonų kristalai iš Vakarų Australijos yra vieni iš seniausių Žemėje išlikusių mineralų — jie rodo amžių apie 4,4 mlrd. metų. Šie mažyčiai kristalai yra vertingi, nes išsaugo cheminę informaciją apie ankstyvąją Žemės litosferą ir atmosferą.
Ca-Al turtingi intarpai (angl. CAI) randami tam tikruose chondritiniuose meteorituose ir laikomi pirmosiomis kietosiomis medžiagomis, susiformavusiomis Saulės protoplanetariniame diske. Jų radioizotopiniai tyrimai duoda ~4,567 mlrd. metų — tai laikoma Saulės sistemos susidarymo (akrecijos) pradžia ir todėl viršutine Žemės amžiaus riba.
Be meteorituose randamų CAI ir antžeminių cirkonų, svarbūs įrodymai gaunami iš mėnulio uolienų (Apollo misijos mėginiai), kurie taip pat rodo seniausius Saulės sistemos laikus ir patvirtina, kad Žemė ir Mėnulis susiformavo labai ankstyvoje Saulės sistemos istorijoje.
Žemės amžiaus nustatymas istorijoje ir šiandien
XX a. viduryje Clarkas Pattersonas (Clair Patterson) panaudojo vado izotopų analizę meteorituose ir pasiūlė, kad Saulės sistemos amžius yra apie 4,55 mlrd. metų, taip atsisakius ankstesnių labai įvairių spekuliacijų. Vėlesni, tikslesni tyrimai su modernesniais instrumentais suvienodino įrodymus — šiandien priimamas Saulės sistemos ir Žemės amžius yra maždaug 4,54 ± 0,05 mlrd. metų.
Kodėl negalime tiesiogiai datuoti visos Žemės?
Visą Žemę datuoti sudėtinga, nes planeta yra aktyvi: pluta verda, protekta ir perkalibruoja – seniausios uolienos dažnai būna perdirbtos, ištirpintos arba transformuotos per milijardus metų. Dėl šios priežasties mokslininkai remiasi keliais nepriklausomais įrodymais: seniausiais cirkonais, meteorituose rastais CAI ir meteoritų amžiumi, taip pat mėnulio uolienomis. Visi šie duomenys kartu sudaro nuoseklų vaizdą, leidžiantį nustatyti Žemės amžių ir jo netikrumą.
Tolesni tyrimai ir neatsakyti klausimai
Nors pagrindinė amžiaus riba ir bendras vertinimas yra stabilūs, toliau tobulėja analizės metodai (masinės spektrometrijos prietaisai, pažangesni izotopinių santykių modeliai). Taip pat tęsiami tyrimai, nagrinėjantys ankstyvąją Žemės aplinką ir procesus, kurie formavo pirmuosius žemės plutos fragmentus bei sąlygas gyvybės atsiradimui.
Apibendrinant: radiometrinis datavimas, seniausi cirkonai iš Džeko kalvų ir CAI meteorituose leidžia mokslui patikimai nustatyti, kad mūsų planeta yra apie 4,5 mlrd. metų amžiaus, o ši išvada paremta keliais nepriklausomais geochemijos ir kosmochemijos įrodymais.
Žemė iš kosmoso
XIX a.
Paskutiniame XIX a. ketvirtyje ilgai vyko diskusijos dėl Žemės amžiaus. Čarlzo Ljelio (Charles Lyell) knygoje "Geologijos principai" (Principles of Geology, 1830-33) jis įrodė, kad Žemė keitėsi lėtai ir kad tai, ką matome, yra laipsniškų pokyčių rezultatas. Šis uniformizmas aiškiai reiškė, kad Žemė yra sena, nors Lyellas nebandė nustatyti, kiek ji sena.
Tuo tikėjo ir jo jaunesnysis draugas Čarlzas Darvinas. Darvinas matė, kad jei evoliucija būtų įvykusi, tam būtų prireikę daug laiko. Be to, tarp ankstyvųjų fosilijų kambro sluoksniuose ir dabartinio žemės paviršiaus yra didžiulis kiekis nuosėdinių uolienų. Darvinas ir Ljelas sutarė, kad tokiam kiekiui uolienų nusėsti prireikė labai daug laiko.
Pirmajame "Apie rūšių kilmę" leidime (1859 m.) Darvinas apskaičiavo, kad Sasekso Vealdo erozija turėjo trukti 300 milijonų metų.p314 Ir jis, ir Ljelas nustebo, kai fizikas Viljamas Tomsonas (lordas Kelvinas) pasakė, kad Žemė negali būti tokia sena, kaip jie manė. Jis atliko skaičiavimus remdamasis tuo, per kiek laiko Žemė turėjo atvėsti iki dabartinės temperatūros, jei pradinė temperatūra būtų 2 000 Co. Kelvino rezultatas buvo pagrįstas idėja, kad geoterminis gradientas netoli žemės paviršiaus atspindi laidųjį kietosios Žemės vėsimą.
Šį skaičiavimą jis atliko keletą kartų, darydamas įvairias prielaidas. 1862 m. jis apskaičiavo nuo 20 iki 400 mln. metų, bet 1866 m. sumažino viršutinį apskaičiavimą iki 100 mln. metų ir užsipuolė Darviną ir Lilą, kad šie neatkreipė dėmesio į jo skaičiavimus. Žinome, kad Darvinas buvo susirūpinęs ir nerimavo, kad tai nepakankamai ilgas laikas, kad vyktų evoliucija. Tomas Henris Hakslis (Thomas Henry Huxley) pastebėjo, kad Kelvino skaičiavimai buvo geri, bet jo prielaidos klaidingos. 1897 m. Kelvinas paskutinį kartą atliko skaičiavimus ir gavo 20-40 mln. metų. Tai, žinoma, tikrai nebūtų pakankamas laikas evoliucijai vykti. Oliveris Heavisidas taip pat nesutiko ir pasiūlė alternatyvų geoterminį modelį. Galiausiai paaiškėjo, kad ir Kelvinas, ir Heavisidas klydo.
Klampusis apvalkalas
XIX a. pabaigoje kažkas suprato, kad jei mantija būtų labai klampus (lipnus) skystis, tai labai pakeistų skaičiavimus. 1895 m. Džonas Peris (John Perry), buvęs Kelvino padėjėjas, remdamasis konvekcinės mantijos ir plonos plutos modeliu, nustatė, kad Žemės amžius yra 2-3 mlrd. metų.
Kelvino modelyje šiluma Žemės paviršiuje gaunama atšaldant negilią išorinę plutą, darant prielaidą, kad Žemė yra kieta. Tačiau jei laidumas Žemės viduje būtų daug didesnis nei paviršiuje, Žemės branduolys ir apatinė mantija taip pat atvėstų. Tai suteiktų didžiulę energijos atsargą paviršiuje. Tokiu atveju Kelvino apskaičiuotas Žemės amžius būtų daug kartų per mažas.
Pagrindinė Perio priežastis buvo ta, kad konvekcija skystame arba iš dalies skystame Žemės viduje šilumą perduoda daug efektyviau nei laidumas:
"... didelis vidinis skystumas praktiškai reikštų begalinį laidumą mūsų tikslui".
Kelvinas pasiliko prie savo 100 milijonų metų įvertinimo, o vėliau jį sumažino iki maždaug 20 milijonų metų.
Dabar jau žinome, kad klampaus skysčio egzistavimas po plona pluta yra daug svarbesnis veiksnys nei radioaktyvumo atradimas, []kuris daugelį metų buvo vadovėlinis paaiškinimas. Perio darbas iš naujo atrastas ir išnagrinėtas visai neseniai.
XX a.
1896 m. Henris Bekerelis atrado radioaktyvumą. 1903 m. jis kartu su Pierre'u ir Marie Curie pasidalijo Nobelio fizikos premiją "už ypatingus nuopelnus atrandant savaiminį radioaktyvumą".
Galiausiai buvo suprasta, kad radioaktyvumas yra pagrindinis Žemės šilumos šaltinis.p206 1921 m. buvo atliktas pirmasis šiuolaikinis įvertinimas, naudojant radiometrinį datavimą. Jis buvo pagrįstas Henry Norriso Russello (Henrio Noriso Raselo) urano ir švino datavimu: urano skilimo į šviną greičiu Žemės plutoje. Jis nustatė, kad tai yra 2-8 mlrd. metų. p27, 3.1 lentelė. 1949 m. H. E. Suessas, remdamasis visa eile radioaktyviųjų izotopų, nustatė, kad tai yra 4-5 mlrd. metų. Tai artimas mūsų šiandien įvertintam laikui, kuris dar labiau patikslintas iki maždaug 4560 mln. metų.
Skaičiavimuose naudojama konvekcija klampiame skystyje ir radioaktyvumas, taigi Perry idėja sujungiama su radioaktyvumo poveikiu, nors Perry indėlis buvo pamirštas. Vėlesnės žinios apie plokščių tektoniką leido įsitikinti, kad apatinė mantija yra klampus skystis.
Saulės sistema
Manoma, kad Saulės sistemos formavimasis ir evoliucija prasidėjo prieš 4,568 mlrd. metų, kai gravitaciškai suiro nedidelė milžiniško molekulinio debesies dalis. Iš esmės visa sistema išsivystė per tą patį laikotarpį.
Religinės pažiūros
Naudojant mokslinį metodą, Žemės amžiui apskaičiuoti taikomi uniforminiai metodai. Hinduizmo religija yra arčiausiai dabartinio mokslinio įvertinimo. Kai kurie krikščionys ir žydai tiki, kad Pradžios knygos sukūrimo pasakojimas yra pažodžiui teisingas, o tai reikštų, kad Žemė buvo sukurta prieš 5000-10 000 metų, o amžiaus apskaičiavimo metodai nebuvo nuoseklūs per visą Žemės istoriją. Tačiau šiais laikais dauguma žmonių mano, kad į tokius klausimus geriausiai atsako moksliniai metodai.
Susiję puslapiai
- Geochronologija
- Geologinio laiko skalės istorija
- Gamtos laiko juosta
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kiek metų yra Žemei?
Atsakymas: Apskaičiuota, kad Žemės amžius yra šiek tiek daugiau nei 4,5 mlrd. metų.
K: Kaip buvo nustatytas Žemės amžius?
Atsakymas: Žemės amžius buvo nustatytas radioaktyviaisiais datavimo metodais.
K: Kokie yra seniausi Žemės mineralai?
A: Seniausi mineralai Žemėje yra maži cirkono kristalai iš Vakarų Australijoje esančių Džeko kalvų, kurių amžius siekia mažiausiai 4,4 mlrd. metų.
K: Kas yra Ca-Al turtingi intarpai?
A: Ca-Al turtingi inkliuzai yra seniausi žinomi kieti gabalėliai, randami meteorituose, kurie susiformavo Saulės sistemoje, ir jiems yra 4,567 mlrd. metų.
K: Kiek laiko praėjo nuo tada, kai žmonės pirmą kartą pabandė išspręsti šią problemą?
A: Didžiąją žmonijos istorijos dalį žmonės bandė išspręsti šią problemą ir nustatyti pagrindinius faktus apie mūsų planetos amžių.
K: Kada mokslininkai pradėjo rengti šiuolaikinius Žemės amžiaus nustatymo įverčius?
A: Šiuolaikinius Žemės amžiaus nustatymo įverčius mokslininkai pradėjo daryti XX amžiuje.
K: Ką žinojimas apie Ca-Al turtingus intarpus pasako apie mūsų planetos amžių?
A: Žinios apie Ca-Al turtingus intarpus mums leidžia nustatyti viršutinę mūsų planetos amžiaus ribą ir Saulės sistemos susiformavimo laiką.
