Idade da Terra

A idade da Terra estímase que é de 4, 54 ± 0, 05 miles de millóns de anos (4, 54 × 109 anos ± 1%). Esta idade pode representar a idade da acreción da Terra, da formación do núcleo, ou do material a partir do cal se formou a Terra. Esta datación está baseada en probas da datación radiométrica da idade de material de meteoritos e é consistente coas idades radiométricas medidas nas rochas terrestres máis antigas e de mostras de rochas lunares.
Seguindo o desenvolvemento das técnicas de datación radiométrica a inicios do século XX, as medidas do chumbo en minerais ricos en uranio mostraron que algunhas tiñan un exceso de mil millóns de anos de idade.
O máis antigo de todos os minerais analizados ata agora, os pequenos cristais de circóns das Jack Hills de Australia Occidental, teñen polo menos 4404 millóns de anos (4, 404 × 109). As inclusións ricas en calcio–aluminio, que son os constituíntes sólidos máis antigos coñecidos contidos en meteoritos que se formaron no sistema solar, teñen unha idade de 4567 millóns de anos (4, 567 × 109), o que marca un límite inferior para a idade do sistema solar.
Hipotetízase que a acreción da Terra empezou pouco despois da formación de ditas inclusións ricas en calcio-aluminio e os meteoritos. Como non se sabe o período de tempo exacto que durou este proceso de acreción, e as predicións de diferentes modelos de acreción van desde uns poucos millóns de anos a uns 100 millóns de anos, a idade exacta da Terra é difícil de determinar. É tamén difícil determinar a idade exacta das rochas máis antigas da Terra, expostas na superficie, xa que son agregados de minerais de idades posiblemente diferentes. Desenvolvemento dos conceptos xeolóxicos modernos
Os estudos dos estratos, as capas de rocha e terra, deron aos naturalistas unha apreciación de que a Terra puido pasar por moitos cambios durante a súa existencia. Estas capas a miúdo contiñan restos fosilizados de criaturas descoñecidas, o que levou a algúns a interpretar que había unha progresión de organismos dunha capa a outra.
Nicolas Steno no século XVII foi un dos primeiros naturalistas que observou unha conexión entre os restos fósiles e os estratos. As súas observacións levárono a formular importantes conceptos estratigráficos (como a "lei da superposición" e o "principio de horizontalidade orixinal" dos estratos). Na década de 1790, William Smith hipotetizou que se dúas capas de rochas en localizacións moi afastadas contiñan fósiles similares, entón era moi plausible que as capas fosen da mesma idade. O sobriño e estudante de William Smith, John Phillips, calculou posteriormente por eses medios que a Terra tiña unha antigüidade duns 96 millóns de anos.
A mediados do século XVIII, o naturalista Mikhail Lomonosov suxeriu que a Terra fora creada separadamente do resto do universo e varios centos de miles de anos antes. As ideas de Lomonosov eran maiormente especulativas. En 1779 o conde de Buffon tratou de obter un valor para a idade da Terra facendo un experimento: creou un pequeno globo que lembraba a Terra en formación e despois mediu a súa velocidade de arrefriamento. Así estimou que a Terra tiña uns 75000 anos de idade.
Outros naturalistas usaron estas hipóteses para construír unha historia da Terra, aínda que as súas liñas de tempo eran inexactas, xa que non sabían canto se tardaba en depositar unha capa estratigráfica. En 1830, o xeólogo Charles Lyell, desenvolvendo as ideas dos traballos de James Hutton, popularizou o concepto de que as características da Terra estaban en cambio perpetuo, erosionándose e reformándose continuamente, e a velocidade deste cambio era aproximadamente constante. Isto era un reto á visión tradicional, que consideraba a historia da Terra como algo estático na que os cambios se producían debido a catástrofes intermitentes (catastrofismo). Moitos naturalistas influídos por Lyell fixéronse "uniformistas" e crían que os cambios eran constantes e uniformes (uniformismo ou uniformitarismo). Os primeiros cálculos
En 1862, o físico William Thomson, 1º barón Kelvin, publicou uns cálculos que establecían a idade da Terra entre 20 millóns e 400 millóns de anos.
Asumiu que a Terra se formara como un obxecto completamente fundido, e determinou o tempo que tardaría a zona superficial en arrefriar ata a temperatura actual. Os seus cálculos non tiñan en conta a calor producida pola desintegración radioactiva (un proceso daquela descoñecido para a ciencia) nin, máis significativamente, a convección que ten lugar no interior da Terra, que permite que escape máis calor do interior para quentar rochas situadas preto da superficie. As estimacións de Kelvin sobre a idade do Sol eran aínda máis restritivas, e estaban baseadas en estimacións da súa produción térmica e nunha teoría que dicía que o Sol obtiña a súa enerxía do colapso gravitacional; Kelvin estimou que o Sol tiña só uns 20 millóns de anos. Xeólogos como Charles Lyell costáballes aceptar unha idade tan baixa para a Terra. Para os biólogos, incluso cen millóns de anos parecían unha idade demasiado curta para ser plausible. Na teoría de Darwin da evolución, o proceso de variacións ao azar herdables con selección natural acumulativa requirían longos períodos de tempo. (Segundo a bioloxía moderna, toda a historia evolutiva desde a orixe da vida aos nosos días tivo lugar desde hai entre 3, 5 e 3, 8 miles de millóns de anos, que é o tempo que pasou desde que apareceu o último antepasado universal de todos os organismos vivos, como mostran as datacións xeolóxicas modernas. )
Nunha conferencia de 1869, o gran partidario de Darwin, Thomas H. Huxley, atacou os cálculos de Thomson, suxerindo que os cálculos en si parecían precisos pero estaban baseados en asuncións erradas. O físico Hermann von Helmholtz (en 1856) e o astrónomo Simon Newcomb (en 1892) contribuíron ao debate cos seus propios cálculos que daban unha idade de 22 e 18 millóns de anos, respectivamente: eles calcularon independentemente o tempo que tardaría o Sol en condensarse ata o seu actual diámetro e brillo a partir da nebulosa de gas e po da cal se orixinou. Os seus valores eran consistentes cos cálculos de Thomson. Porén, asumían que o Sol producía o seu resplandor só debido á calor da súa contracción gravitacional. O proceso de fusión nuclear solar non era coñecido daquela.
En 1895 John Perry puxo en dúbida as cifras de Kelvin baseándose nas súas asuncións sobre a condutividade, e Oliver Heaviside entrou na discusión, considerándoo "un vehículo para mostrar a capacidade do seu método operador para resolver problemas de extraordinaria complexidade. "
Outros científicos apoiaron as cifras de Thomson. O fillo de Charles Darwin, o astrónomo George H. Darwin, propuxo que a Terra e a Lúa se separaran a partir dun corpo único inicial nos seus primeiros tempos cando estaban fundidos. Calculou o tempo que lle levaría á fricción mareal orixinar que a Terra tivese o seu actual día de 24 horas. O seu valor de 56 millóns de anos engadiu probas adicionais de que Thomson podía estar na pista certa.
A última estimación que deu Thomson, en 1897, foi: "que tiña máis de 20 e menos de 40 millóns de anos e probablemente moito máis preto de 20 que de 40". En 1899 e 1900, John Joly calculou a velocidade á cal os océanos acumularían sal a partir dos procesos de erosión e determinou que os océanos tiñan unha idade de entre 80 e 100 millóns de anos.
Unha vez que se descubriron a radioactividade e a fusión nuclear, todos estes primeiros cálculos quedaron obsoletos. Datación radiométrica
Debido á súa natureza química, os minerais das rochas conteñen certos elementos e non outros; pero nas rochas que conteñen isótopos radioactivos, o proceso de desintegración radioactiva xera co tempo elementos exóticos. Medindo a concentración dos produtos finais estables da desintegración, xunto co coñecemento da vida media e a concentración inicial do elemento en desintegración, pode calcularse a idade da rocha. Os produtos finais destes procesos radioactivos típicos son argon, formado pola desintegración do potasio-40, e chumbo, formado a partir do uranio e torio. Se a rocha sufriu fusión, como ocorre no manto terrestre, tales produtos finais non radioactivos escapan normalmente ou son redistribuídos. Así, a idade das rochas terrestres máis antigas dá un valor mínimo para a idade da Terra, asumindo que non queda ningunha rocha intacta tan antiga como a propia Terra.
Convectividade do manto e radioactividade
En 1892, a Thomson concedéuselle o título de lord Kelvin en honra dos seus moitos logros científicos. Kelvin calculou a idade da Terra usando gradientes térmicos, e obtivo unha estimación duns 100 millóns de anos. Non se decatou de que o manto da Terra está en convección, e isto invalidaba a súa estimación. En 1895, John Perry obtivo unha idade da Terra estimada en 2 ou 3 miles de millóns de anos usando un modelo dun manto convectivo e unha codia delgada. Kelvin seguiu confiando na súa estimación de 100 millóns de anos, e posteriormente mesmo a reduciu a 20 millóns de anos.
O descubrimento da radioactividade introduciu outro factor no cálculo. Despois do descubrimento inicial de Henri Becquerel en 1896, Marie e Pierre Curie descubriron os elementos radioactivos polonio e radio en 1898; e en 1903, Pierre Curie e Albert Laborde anunciaron que o radio produce bastante calor para fundir o seu propio peso en xeo en menos dunha hora. Os xeólogos déronse conta rapidamente que isto botaba abaixo as asuncións que subxacían a maioría dos cálculos da idade da Terra feitos ata entón. Asumiran que a calor orixinal da Terra e o Sol se disipara lentamente no espazo, pero a desintegración radioactiva significaba que esta calor estaba rexenerándose continuamente. George Darwin e John Joly foron os primeiros en sinalar isto en 1903.
Invención da datación radiométrica
A radioactividade, que derrocara os vellos cálculos, proporcionaba unha base para novos cálculos, en forma de datación radiométrica. Ernest Rutherford e Frederick Soddy conxuntamente continuaron os seus traballos sobre materiais radioactivos e concluíron que a radioactividade se debía a unha transmutación espontánea de elementos atómicos. Na desintegración radioactiva, un elemento desintégrase orixinando outro máis lixeiro, liberando radiacións alfa, beta ou gamma no proceso. Tamén determinaron que un determinado isótopo dun elemento radioactivo desintégrase noutro elemento a unha velocidade determinada. Esta velocidade mídese pola chamada "vida media", que é o tempo que tarda unha masa de material radioactivo en orixinar o seu "produto de desintegración" reducindo a súa masa á metade.
Algúns materiais radioactivos teñen vidas medias curtas e outros longas. O uranio e o torio teñen longas vidas medias, e así persisten na codia terrestre, pero os elementos radioactivos con vidas medias curtas en xeral xa desapareceron. Isto suxire que podería medirse a idade da Terra determinando as proporcións relativas dos materiais radioactivos en mostras xeolóxicas. En realidade, os elementos radioactivos non sempre se desintegran en elementos non radioactivos ("estables") directamente, senón que orixinan outros elementos tamén radioactivos que teñen as súas propias vidas medias e así sucesivamente, ata que chegan a un elemento estable. Estas "series de desintegración", como as series do uranio-radio e o torio, xa se coñecían poucos anos despois do descubrimento da radioactividade e proporcionaron unha base para construír técnicas de datación radiométrica.
Os pioneiros da radioactividade foron os químicos Bertram B. Boltwood e o físico Rutherford. Boltwood realizou estudos de materiais radioactivos como asesor, e cando Rutherford daba clases en Yale en 1904, Boltwood foi inspirado a describir as relacións entre elementos en varias series de desintegración. Posteriormente en 1904, Rutherford deu os primeiros pasos cara á datación radiométrica suxerindo que as partículas alfa liberadas por desintegración radioactiva podían ser atrapadas en material rochoso en forma de átomos de helio. Daquela, Rutherford só estaba facendo conxecturas sobre as relacións entre as partículas alfa e os átomos de helio, pero probaría a conexión entre eles catro anos máis tarde.
Soddy e Sir William Ramsay acababan de determinar a taxa á que o radio produce partículas alfa, e Rutherford propuxo que podía determinar a idade dunha mostra de rocha medindo a súa concentración de helio. Datou unha rocha nunha idade de 40 millóns de anos por esta técnica. Rutherford escribiu: Rutherford asumiu que a taxa de desintegración do radio que determinaron Ramsay e Soddy era exacta, e que o helio non escapara da mostra co tempo. O esquema de Rutherford era inexacto, pero fora un útil paso adiante.
Boltwood centrouse nos produtos finais das series de desintegración. En 1905, suxeriu que o chumbo era o produto final estable da desintegración do radio. Xa se sabía que o radio era un produto intermedio da desintegración do uranio. Rutherford tamén participou, delineando un proceso de desintegración na cal o radio emitía cinco partículas alfa a través de varios produtos intermediarios que acaban no chumbo, e especulouse que a cadea de desintegración do radio-chumbo podería utilizarse para datar mostras de rochas. Boltwood fixo o traballo preliminar, e ao final de 1905 proporcionou datacións de 26 mostras de rochas, que ían de 92 a 570 millóns de anos. Non publicou estes resultados, o que foi unha sorte porque eran defectuosos por erros de medida e malas estimacións da vida media do radio. Boltwood refinou o seu traballo e finalmente publicouno en 1907.
O artigo de Boltwood sinalaba que as mostras tomadas de capas comparables de estratos tiñan proporcións de chumbo/uranio similares, e que mostras de capas máis vellas tiñan unha maior proporción de chumbo, excepto onde había probas de que o chumbo se filtrara saíndo da mostra. Os seus estudos eran defectuosos porque a serie de desintegración de torio non se comprendía, o cal levou a resultados incorrectos para as mostras que contiñan tanto uranio coma torio. Porén, os seus cálculos eran moito máis exactos que calquera dos que ata entón se realizaran. Os refinamentos desta técnica darían despois idades para as 26 mostras de Boltwood de 410 millóns a 2, 2 miles de millóns de anos.
Arthur Holmes establece as datación radiométricas
Boltwood abandonou os traballos de datación radiométrica e seguiu investigando outras series de desintegración. Rutherford seguiu en parte interesado sobre o asunto da idade da Terra pero fixo poucos traballos sobre iso.
Robert Strutt, 4º barón de Rayleigh, seguiu prestando atención ao método do helio de Rutherford ata 1910 e despois cesou. Porén, un estudante de Strutt, Arthur Holmes empezou a interesarse na datación radiométrica e continuou traballando sobre ela despois de que todos os demais a abandonaran. Holmes centrouse na datación do chumbo, porque consideraba o método do helio pouco prometedor. Realizou medidas en mostras de rochas e concluíu en 1911 que a máis antiga (unha mostra procedente de Ceilán) era dunha idade duns 1, 6 miles de millóns. Estes cálculos non eran especialmente seguros. Por exemplo, asumiu que as mostras contiñan só uranio e nada de chumbo cando se formaron.
Investigacións máis importantes publicáronse en 1913. Mostraron que os elementos existen xeralmente en múltiples variantes con diferentes masas, ou "isótopos". Na década de 1930, veríase que os isótopos teñen núcleos con diferentes cantidades de partículas neutras, os "neutróns". Ese mesmo ano, publicáronse outras investigacións que estableceron as regras da desintegración radioactiva, o que permitía facer unha identificación máis precisa das series de desintegración.
Holmes cría que creara as ferramentas para mellorar a súa técnica e así facela menos complicada e máis útil, e continuou coas súas investigacións, publicadas antes e despois da Primeira guerra mundial. O seu traballo foi en xeral ignorado ata a década de 1920, aínda que en 1917 Joseph Barrell, un profesor de xeoloxía en Yale, redeseñou a historia xeolóxica como se entendía daquela para que concordase cos descubrimentos de Holmes sobre datación radiométrica.
A persistencia de Holmes finalmente empezou a dar froitos en 1921, cando os oradores na xuntanza anual da Asociación Británica para o Avance da Ciencia chegaron a un consenso de que a Terra tiña unha idade duns poucos de miles de millóns de anos, e que a datación radiométrica era crible. Holmes publicou The Age of the Earth, an Introduction to Geological Ideas en 1927 na cal presentaba un rango de idade de 1, 6 a 3, 0 miles de millóns de anos. Porén, non houbo un gran pulo inmediato de abrazar a datación radiométrica, e os membros máis tradicionais da comunidade xeolóxica resistíanse teimudamente. Nunca lles gustou o intento dos físicos de introducirse nos seus dominios, e ata entón ignoráranos con éxito. O crecente peso das evidencias finalmente inclinou a balanza en 1931, cando o Consello de Investigación Nacional da Academia Nacional de Ciencias dos Estados Unidos decidiu resolver a cuestión da idade da Terra creando un comité para investigar. Holmes, ao ser unha das poucas persoas adestradas nas técnicas de datación radiométrica, era un dos membros do comité e, de feito, escribiu a maior parte do informe final.
Así, o informe de Arthur Holmes concluía que a datación radioactiva era o único medio fiable de determinar as escalas de tempo xeolóxicas. As cuestións sobre o posible nesgo foron desviadas polo gran detalle e exactitude do informe. Describiu os métodos utilizados, o coidado co que se fixeran as medidas e as súas barras de erro e limitacións.
Datación radiométrica moderna
A datación radiométrica continúa a ser o modo predominante en que os científicos datan as escalas de tempo xeolóxicas. As técnicas de datación radioactiva foron comprobadas e afinadas continuamente desde a década de 1960. Ata agora téñense utilizado unhas corenta técnicas de datación, traballando sobre unha ampla variedade de materiais.
Existen posibles problemas de contaminación radioactiva, pero foron estudados e tratados con coidadosas investigacións, o que levou á creación de procedementos de preparación de mostras, minimizando as posibilidades de contaminación.
Por que se utilizaron meteoritos
Clair Cameron Patterson determinou unha idade de 4, 55 ± 0, 07 miles de millóns de anos, moi próxima á idade actualmente aceptada, usando a datación dos isótopos de uranio-chumbo (especificamente datación chumbo-chumbo) aplicada a varios meteoritos como o meteorito do Canón do Diablo e publicouna en 1956. A idade da Terra citada deriva, en parte, do meteorito do Canón do Diablo por varias importantes razóns e obtívose aplicando os coñecementos modernos da cosmoquímica acumulados despois de décadas de investigación.
A maioría das mostras xeolóxicas da Terra non serven para dar unha data directa de formación da Terra a partir da nebulosa solar porque a Terra sufriu unha diferenciación en núcleo, manto e codia, e estes despois pasaron por unha longa historia de mestura e desmestura dos materiais debido á tectónica de placas, meteorización e circulación hidrotermal.
Todos estes procesos poden afectar adversamente a mecanismos de datación isotópica porque non sempre pode asumirse que as mostras permaneceron nun sistema pechado, o cal significa que ou o núclido parental ou o fillo (unha especie de átomo caracterizado polo número de neutróns e protóns que contén) ou un núclido fillo intermedio puido ser parcialmente eliminado da mostra, o cal distorsionaría a data isotópica resultante. Para mitigar este efecto é usual datar varios minerais na mesma mostra, para proporcionar un isocrón. Alternativamente, pode utilizarse máis dun sistema de datación nunha mostra para comprobar a data.
Algúns meteoritos considérase ademais que representan o material primitivo a partir do cal se formou o disco solar en acreción. É posible que algúns meteoritos se comportasen como sistemas pechados (para algúns sistemas isotópicos) desde pouco despois de que se formase o disco solar e os planetas. Ata agora, estas observacións son apoiadas por moitas observacións científicas e datacións isotópicas repetidas, e é certamente unha hipótese máis robusta que a que asume que as rochas terrestres conservaron a súa composición orixinal.
Non obstante, utilizáronse menas de galena antigas do Arcaico para datar a formación da Terra, xa que representan os primeiros minerais formados por chumbo no planeta e son rexistros dos primeiros sistemas isotópicos chumbo-chumbo homoxéneos do planeta. Estes proporcionaron datas de 4, 54 miles de millóns de anos cunha precisión de só un 1% de marxe de erro.
As estatísticas de varios meteoritos nos que se fixo datación de isocróns son as seguintes:
Meteorito do Canón do Diablo
O meteorito do Canón do Diablo utilizouse porque é grande e representativo dun determinado tipo raro de meteorito que contén minerais de sulfuro (especialmente troilita, FeS), aliaxes metálicas níquel-ferro e minerais silicatos. Isto é importante porque a presenza das tres fases minerais permite a investigación de datas isotópicas usando mostras que proporcionan unha gran separación en concentracións entre os núclidos parentais e fillos. Isto é particularmente certo para o uranio e chumbo. O chumbo é fortemente calcófilo e encóntrase nos sulfuros en moita maior concentración que nos silictos, en comparación co uranio. Debido a esta segregación nos núclidos parentais e fillos durante a formación do meteorito, isto permitiu obter unha data máis precisa que todas as anteriores da formación do disco solar e, por tanto, dos planetas. A idade determinada para o meteorito do canón do Diablo foi confirmada por outros centos de determinacións de idade, doutras mostras terrestres e doutros meteoritos. Porén, as mostras de meteoritos, mostran un abano entre 4, 53 a 4, 58 miles de millóns de anos. Isto é interpretado como a duración da formación da nebulosa solar e o seu colapso no disco solar para formar o Sol e os planetas. Este período de tempo de 50 millóns de anos serviría para completar a acreción dos planetas a partir do po solar orixinal e meteoritos.
A Lúa, como outros corpos extraterrestres que non sufriron tectónica de placas e que non teñen atmosfera, proporcionan datas de idades bastante precisas obtidas das mostras traídas polas misións Apollo. As rochas traídas da Lúa foron datadas como máximo en 4, 51 miles de millóns de anos de idade. Os meteoritos marcianos que caeron sobre a Terra foron tamén datados en arredor de 4, 5 miles de millóns de anos por datación chumbo-chumbo. As mostras lunares, xa que non foron alteradas pola meteoriación, tectónica de placas ou material movido por organismos vivos, poden tamén proporcionar unha datación por exame directo con microscopio electrónico de trazadas de raios cósmicos. A acumulación de dislocacións xeradas por impactos de partículas de raios cósmicos de alta enerxía proporcionan outra confirmación das datas isotópicas. A datación por raios cósmicos só é útil en materiais que non foron fundidos, xa que a fusión borra a estrutura cristalina do material, e elimina as trazadas deixadas polas partículas.
En conxunto, a concordancia de datas de idades dos reservorios de chumbo terrestres máis temperáns e de todos os outros reservorios do sistema solar atopados ata agora apoian o feito de que a Terra e o resto do sistema solar se formou arredor de hai 4, 53 a 4, 58 miles de millóns de anos.