Jak stará je Země — 4,5 miliardy let, metody datování a důkazy
Stáří Země 4,5 mld. let — přehled radioizotopického datování, zirkonů z Jack Hills, meteoritických důkazů a nejnovějších vědeckých zjištění.
Stáří Země se odhaduje na něco málo přes 4,5 miliardy let. Vyřešit tento problém bylo obtížné. Po většinu lidské historie nebyla základní fakta o planetě známa. Problém řešili vědci zabývající se výzkumem Země až ve dvacátém století.
Moderní odhady jsou založeny na radioaktivních datovacích metodách. Nejstarší minerály na Zemi - malé krystaly zirkonu z Jack Hills v západní Austrálii - jsou staré nejméně 4,4 miliardy let. Inkluze bohaté na Ca-Al - nejstarší známé pevné kousky v meteoritech vzniklých v rámci sluneční soustavy - jsou staré 4,567 miliardy let. Tím je dáno stáří sluneční soustavy a horní hranice stáří Země.
Co přesně znamená „stáří Země“?
Termín může mít několik významů:
- Stáří nejstaršího pevného materiálu – např. zirkony staré ~4,4 miliardy let, které představují nejstarší známé kusy pevné horniny na Zemi.
- Stáří sluneční soustavy – určené z inkluzí v meteoritech (CAIs), které dávají ~4,567 miliardy let a představují horní hranici, kdy vznikl pevný materiál v soustavě.
- Čas vzniku planety jako celku – doba, kdy akrece a diferenciace vytvořily Zemi jako samostatné těleso; často se uvádí přibližně 4,54 miliardy let (s určitou nejistotou).
Hlavní metody datování
Pro určení stáří se používají především radiometrické metody, založené na radioaktivním rozpadu nestabilních izotopů. Klíčové body:
- Zásada: radioaktivní mateřský izotop se přeměňuje na stabilní dceřinný izotop s charakteristickou pólčasem. Měřením poměru mateřského a dceřinného izotopu lze spočítat čas od uzavření systému (kdy byl materiál „uzavřený“ vůči migraci prvků).
- U–Pb (uran–olovo): jedna z nejspolehlivějších metod, často používaná na zirkony. U–Pb nabízí možnost kontroly konzistence pomocí concordia diagramů.
- Pb–Pb (olovo–olovo): metoda použita k datování CAI inkluzí v meteoritech a určení stáří sluneční soustavy.
- Sm–Nd, Rb–Sr, K–Ar/Ar–Ar, Lu–Hf – další izotopové systémy, které se používají jako vzájemná kontrola a pro datování rozmanitých geologických procesů.
- Isochronové metody: umožňují zjistit počáteční podíl dceřinného izotopu a eliminovat některé druhy kontaminace.
Klíčové důkazy a měření
- Inkluze Ca–Al (CAIs) v meteoritech: tyto inkluze jsou nejstarší pevné objekty v sluneční soustavě. Pb–Pb datování dává stáří kolem 4,567 miliardy let, což definuje stáří sluneční soustavy a horní hranici stáří Země.
- Zirkony z Jack Hills (Austrálie): nejstarší zirkony mají stáří přibližně 4,4 miliardy let; představují nejstarší pevné materiály nalezené na Zemi.
- Nejstarší skalní útvary na Zemi: například Acasta Gneiss v Kanadě (~4,03 miliardy let) a některé úseky v Grónsku či na Kanadském štítu. U některých lokalit (např. Nuvvuagittuq) existuje diskuse o možném stáří větším než 4,2 Ga, ale tyto údaje jsou předmětem debat.
- Meteority (chondrity): představují materiál, který se vytvořil současně se Zemí; jejich stáří radiometrickými metodami je konzistentní s CAI daty a podporuje hodnotu ~4,56–4,57 Ga.
- Měsíční vzorky: datování měsíčních hornin rovněž pomohlo omezit čas formování Země–Měsícového systému (např. impakt s vytvořením Měsíce proběhl pravděpodobně do několika desítek milionů let po akreci Zeme).
Přesnost, nejistoty a omezení
Radiometrické datování je velmi přesné, když jsou splněny podmínky (uzavřený systém, měřená minerální fáze nevykazuje zděděné složky apod.). Hlavní zdroje nejistoty:
- metamorfóza a obnovující geologické procesy, které mohou "resetovat" datovací systémy;
- dědictví starších zrn v mladších horninách (např. zirkon s jádrem starším než okolní matrice);
- kontaminace olovem nebo jinými prvky;
- nutnost přesných hodnot rozpadu (konstant rozpadu) a kalibrace měřících přístrojů.
Přesto kombinace různých izotopových metod a vzorků (meteority, zirkony, měsíční horniny) vede ke konzistentnímu obrazu: sluneční soustava vznikla asi před 4,567 miliardy lety a Země jako planetární těleso vznikla krátce poté — obvykle se v literatuře uvádí přibližná hodnota ~4,54 miliardy let s nejistotou na úrovni desítek milionů let.
Co z toho vyplývá pro pochopení rané Země
Vědci na základě datování a fyzikálních modelů soudí, že Země vznikla během procesu akrece z prachoplynného disku kolem mladého Slunce. Během několika desítek milionů let po začátku akrece došlo k diferenciaci (vznik jádra a pláště) a následným kolizím, včetně pravděpodobného velkého impaktu, který vytvořil Měsíc. Raná historie planety byla intenzivní a mnoho původních hornin bylo později přeměněno nebo odstraněno, proto jsou nejstarší přímo dostupné materiály (zirkony, meteority, měsíční vzorky) tak cenné pro rekonstrukci časné fáze vzniku Země.
Shrnutí
- Horní hranice stáří Země je dána stářím nejstarších inkluzí v meteoritech (CAIs) ~4,567 miliardy let.
- Nejstarší pevné materiály na Zemi (zirkony) jsou staré ~4,4 miliardy let.
- Vědecký konsenzus uvádí stáří Země přibližně 4,54 miliardy let (s nejistotou řádu desítek milionů let), což vychází z radiometrických dat a kosmochemických modelů.
Pokud chcete, mohu doplnit konkrétní příklady studií, odkazy na přehledové články nebo vysvětlit princip některé z radiometrických metod do větší hloubky.
Země z vesmíru
19. století
V poslední čtvrtině 19. století se vedla dlouhá debata o stáří Země. Charles Lyell ve své knize Principles of Geology (1830-33) ukázal, že Země se měnila pomalu a že to, co vidíme, je výsledkem postupných změn. Tento uniformitarismus jasně znamenal, že Země je stará, i když se Lyell nesnažil zjistit, jak stará.
Tomu věřil i jeho mladší přítel Charles Darwin. Darwin viděl, že pokud by evoluce proběhla, vyžadovala by dlouhou dobu. Mezi ranými zkamenělinami v kambrických vrstvách a současným povrchem země se navíc nachází obrovské množství sedimentárních hornin. Darwin a Lyell se shodli na tom, že k usazení takového množství hornin by bylo zapotřebí velmi dlouhé doby.
V prvním vydání knihy O původu druhů (1859) Darwin odhadl, že eroze Sussexského pohoří Weald musela trvat 300 milionů let.p314 On i Lyell byli překvapeni, když fyzik William Thomson (lord Kelvin) prohlásil, že Země nemůže být tak stará, jak se domnívali. Výpočet provedl na základě toho, jak dlouho muselo trvat, než se Země ochladila na současnou teplotu při výchozí teplotě 2 000o °C. Kelvinův výsledek byl založen na myšlence, že geotermální gradient v blízkosti povrchu odráží vodivé ochlazování pevného zemského tělesa.
Tento výpočet provedl několikrát, přičemž vycházel z různých předpokladů. V roce 1862 se jeho odhad pohyboval mezi 20 a 400 miliony let, ale v roce 1866 snížil nejvyšší odhad na 100 milionů let a napadl Darwina a Lylea, že si jeho výpočtu nevšimli. Víme, že Darwin byl znepokojen a obával se, že to nebude dostatečně dlouhá doba, aby umožnila evoluci. Thomas Henry Huxley poznamenal, že Kelvinovy výpočty jsou dobré, ale jeho předpoklady jsou chybné. V roce 1897 Kelvin provedl výpočet naposledy a došel k hodnotě 20 až 40 milionů let. To by ovšem rozhodně nebyla dostatečně dlouhá doba na to, aby mohla proběhnout evoluce. Oliver Heaviside také nesouhlasil a navrhl alternativní geotermální model. Nakonec se ukázalo, že se Kelvin i Heaviside mýlili.
Viskózní plášť
Hned na konci 19. století si někdo uvědomil, že pokud je plášť vysoce viskózní (lepkavá) tekutina, bude to pro výpočty velký rozdíl. V roce 1895 John Perry, bývalý Kelvinův asistent, vytvořil odhad stáří Země na 2 až 3 miliardy let pomocí modelu konvektivního pláště a tenké kůry.
V Kelvinově modelu je teplo na zemském povrchu odvozeno z ochlazování mělké vnější kůry za předpokladu pevné Země. Pokud by však byla vodivost uvnitř Země mnohem vyšší než na povrchu, pak by se ochlazovalo i zemské jádro a spodní plášť. Tím by se na povrchu vytvořila obrovská zásoba energie. V takovém případě by byl Kelvinův odhad stáří Země mnohonásobně nižší.
Perryho hlavním důvodem bylo, že konvekce v tekutém nebo částečně tekutém nitru Země přenáší teplo mnohem účinněji než vedení:
"... velká vnitřní tekutost by pro náš účel prakticky znamenala nekonečnou vodivost".
Kelvin se držel svého odhadu 100 milionů let a později tento odhad snížil na přibližně 20 milionů let.
Nyní víme, že existence viskózní tekutiny pod tenkou kůrou je mnohem důležitějším faktorem než objev radioaktivity, []který byl po mnoho let učebnicovým vysvětlením. Znovuobjevení a přehodnocení Perryho práce je poměrně čerstvé.
20. století
V roce 1896 objevil Henri Becquerel radioaktivitu. V roce 1903 se spolu s Pierrem a Marií Curieovými podělil o Nobelovu cenu za fyziku "za mimořádné zásluhy, které prokázal svým objevem spontánní radioaktivity".
Nakonec se zjistilo, že radioaktivita je hlavním zdrojem tepla uvnitř Země.p206 V roce 1921 byl proveden první moderní odhad pomocí radiometrického datování. Bylo založeno na datování uran-olovo: rychlost rozpadu uranu na olovo v zemské kůře, jehož autorem byl Henry Norris Russell. Došel k odhadu 2 až 8 miliard let. str. 27, tabulka 3.1 V roce 1949 odhadl H. E. Suess 4 až 5 miliard let na základě celé řady radioaktivních izotopů. To se blíží dnešnímu odhadu, který byl dále zpřesněn na přibližně 4 560 milionů let.
Výpočet využívá konvekci ve viskózní tekutině i radioaktivitu, takže kombinuje Perryho myšlenku s účinkem radioaktivity, přestože Perryho příspěvek byl zapomenut. Pozdější poznatky o deskové tektonice zcela jistě prokázaly, že spodní plášť je viskózní tekutina.
Sluneční soustava
Odhaduje se, že vznik a vývoj Sluneční soustavy začal před 4,568 miliardami let gravitačním zhroucením malé části obřího molekulárního mračna. V podstatě se celá soustava vyvinula ve stejném časovém období.
Náboženské názory
Použití vědecké metody předpokládá uniformní metody výpočtu stáří Země. Hinduistické náboženství se nejvíce blíží současnému vědeckému odhadu. Někteří křesťané a židé věří, že vyprávění o stvoření v knize Genesis je doslovně pravdivé, což by znamenalo, že Země byla stvořena před 5000 až 10 000 lety, a metody používané k výpočtu stáří nebyly v průběhu historie Země jednotné. V dnešní době si však většina lidí myslí, že na takové otázky nejlépe odpovídají vědecké metody.
Související stránky
- Geochronologie
- Historie geologické časové stupnice
- Časová osa přírody
Otázky a odpovědi
Otázka: Jak stará je Země?
Odpověď: Stáří Země se odhaduje na něco málo přes 4,5 miliardy let.
Otázka: Jak bylo určeno stáří Země?
Odpověď: Stáří Země bylo určeno pomocí radioaktivních datovacích metod.
Otázka: Jaké jsou nejstarší minerály na Zemi?
Odpověď: Nejstaršími minerály na Zemi jsou malé krystaly zirkonu z Jack Hills v západní Austrálii, které jsou staré nejméně 4,4 miliardy let.
Otázka: Co jsou inkluze bohaté na Ca-Al?
Odpověď: Inkluze bohaté na Ca-Al jsou nejstarší známé pevné kousky nalezené v meteoritech, které vznikly ve sluneční soustavě, a jsou staré 4,567 miliardy let.
Otázka: Jak je to dlouho, co se lidé poprvé pokusili vyřešit tento problém?
Odpověď: Po většinu lidské historie se lidé snaží tento problém vyřešit a určit základní fakta o stáří naší planety.
Otázka: Kdy začali vědci provádět moderní odhady pro určení stáří Země?
Odpověď: Vědci začali provádět moderní odhady pro určení stáří Země ve dvacátém století.
Otázka: Co nám znalost inkluzí bohatých na Ca-Al říká o stáří naší planety?
Odpověď: Znalost inkluzí bohatých na Ca-Al nám říká, že poskytuje horní hranici stáří naší planety a také odhad, kdy se naše sluneční soustava zformovala.
Vyhledávání