Twoja wyszukiwarka

ANDRZEJ PIEŃKOWSKI
WIEK ZIEMI
Wiedza i Życie nr 4/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/1998

SKĄD WIEMY, ILE LAT LICZY SOBIE NASZA PLANETA? DLACZEGO PRÓBA POZNANIA JEJ WIEKU WYMAGA SZUKANIA RACZEJ POZA ZIEMIĄ NIŻ NA NIEJ?

W porównaniu z długością naszego życia czas trwania wielu procesów zachodzących w przyrodzie wydaje nam się trudny bądź wręcz niemożliwy do wyobrażenia. W szczególności zaś dotyczy to zjawisk geologicznych. Ostatni lądolód ustąpił z terenu Europy około 10 tys. lat temu. Jego dziełem jest pełen łagodnych wzgórz i jezior krajobraz północnej i środkowej Polski. Około 10 mln lat temu, w epoce mioceńskiej, duża część naszego kraju w zasadzie nie widniałby na żadnej mapie, bo znajdował się... na dnie morza. Natomiast ostatnie dinozaury wymarły "zaledwie" 65 mln lat temu. Było to całkiem niedawno - dziś wiek Ziemi określamy w miliardach lat.

NA POCZĄTKU BYŁ CHAOS

Pierwsze próby określenia wieku naszej planety czyniono na podstawie źródeł biblijnych. W średniowieczu powszechnie uznawano, że Wszechświat został stworzony 6 tys. lat temu. Dopiero na początku renesansu, gdy nauką zaczęli zajmować się ludzie świeccy, szybko okazało się, że fakty naukowe pozostają w rażącej sprzeczności z popieraną przez Kościół doktryną dotyczącą wieku Ziemi. Źródłem wątpliwości były obserwacje geologiczne i rodząca się fizyka.

Pomimo to Kościół nie rezygnował ze swego stanowiska. Żyjący na przełomie XVI i XVII wieku arcybiskup Armagh i prymas Irlandii James Ussher wykazał ogromną odwagę, ogłaszając publicznie, że świat zaczął się dokładnie w południe 23 października 4004 roku p.n.e. Wynikało to z jego własnych obliczeń opartych na tekście Starego Testamentu. Siła autorytetu Usshera była tak znaczna, że przez 200 lat nikt nie ośmielił się otwarcie podać w wątpliwość tego twierdzenia.

Ryc. 1. Sir Charles Lyell

Fot. Internet

W 1841 roku angielski geolog Charles Lyell (ryc. 1) ogłosił obowiązujący do dziś podział dziejów Ziemi na ery i epoki geologiczne, podkreślając przy tym znaczną długość czasu geologicznego. Zachęcił tym Charlesa Darwina do ogłoszenia swojej teorii ewolucji. Korzystając ze skali Lyella, w 1893 roku inny geolog, Thomas Mellard Reade, na podstawie tempa osadzania i erozji skał orzekł, że od kambru upłynęło 95 mln lat. Archibald Geikie, przewodniczący Brytyjskiej Służby Geologicznej, oficjalnie przyznawał się do poglądu, że wiek Ziemi może sięgać nawet 600 mln lat.

Zgoła innego zdania byli ówcześni fizycy, na czele z lordem Kelvinem, który twierdził, że Ziemia w żadnym przypadku nie może mieć więcej niż 25-100 mln lat, ponieważ tyle czasu potrzeba, by jej początkowo płynna powierzchnia wystygła do temperatury, przy której możliwy jest rozwój życia organicznego. Wartość 100 mln lat wspierana była dodatkowo jego obliczeniami dotyczącymi spłaszczenia kuli ziemskiej jako wyniku działania siły odśrodkowej na niezastygłą Ziemię oraz czasu kurczenia się Słońca pod wpływem własnej grawitacji (wiek Słońca stanowi górną granicę wieku Ziemi, bo Ziemia nie może być starsza od Słońca). Nie wydawało mu się możliwe, żeby Słońce mogło świecić 500 mln lat temu. Jego podstawowym argumentem pozostawało jednak obliczenie czasu stygnięcia Ziemi. W tym okresie nie odkryto jeszcze promieniotwórczości, dlatego słuszne wydawało się założenie, że Ziemia nie ma wewnętrznego, odnawialnego źródła ciepła. Jego istnienia Kelvin nie brał więc pod uwagę. Wszyscy jednak uznawali słuszność jednej podstawowej tezy: Ziemia musi być starsza niż wszystkie skały na jej powierzchni.

Ostatnie dziesięciolecie XIX wieku przyniosło falę nowych prób datowania wieku naszej planety. Geolodzy ustalili ostatecznie tempo powstawania różnych skał osadowych i na podstawie grubości ich warstw doszli do wartości 704 mln lat, które upłynęły od kambru do dziś. Oceanolodzy próbowali mierzyć czas istnienia hydrosfery na podstawie zawartości sodu w wodzie morskiej. Metoda opierała się na zjawisku ciągłego wzbogacania oceanów w sód przez rzeki; z uwagi na swoją niedokładność okazała się jednak nieprzydatna do tego celu. Błąd wynikał z nieuwzględnienia sodu wchodzącego w skład tworzących się na dnie skał, a także wydzielanego przez podmorskie procesy wulkaniczne. Do grupy badaczy wieku Ziemi dołączyli także biolodzy. Jean Baptiste Lamarck próbował oszacować czas niezbędny do adaptacji organizmów żywych do środowiska, a Darwin okres, w jakim dokonała się ewolucja metodą doboru naturalnego. Prawdziwa rewolucja dokonała się jednak w 1896 roku wraz z odkryciem promieniotwórczości przez francuskiego fizyka Henriego Becquerela [patrz artykuł Promieniotwórczość odkrywana na raty].

EPOKA PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Było to przełomowe wydarzenie nie tylko w fizyce, ale także w geologii. Po pierwsze, obecność niestabilnych pierwiastków w głębi Ziemi, wydzielających duże ilości ciepła, przełamywała ograniczenie czasowe narzucone obliczeniami Kelvina. Geolodzy i biolodzy zapewne odetchnęli wtedy z ulgą. Po drugie, inny sławny fizyk, Ernest Rutherford, wpadł właśnie wtedy na pomysł, że zjawisko radioaktywności można doskonale zastosować do oznaczania wieku bezwzględnego skał. Słowo "bezwzględny" oznaczało perspektywę zarzucenia pracochłonnego poszukiwania skamieniałej fauny i flory przewodnich gatunków, bo wiek można było określić, przynosząc po prostu skałę do laboratorium. To wspaniałe odkrycie najbardziej przysłużyło się badaczom skał magmowych, które, jako powstałe z roztopionej skały, skamieniałości mieć nie mogły. Pierwszy entuzjazm, jak to zwykle w takich przypadkach bywa, został szybko ostudzony, ponieważ naliczanie lat kamieniom nie jest wcale takie proste. Tym niemniej, metoda okazała swą wysoką skuteczność, oddając geologii nieocenione usługi.

Ryc. 2. Fragment jednej z najstarszych skał na Ziemi: warstwowanej formacji żelazistej z kompleksu Isua na Grenlandii. Naprzemienne warstewki krzemionki (SiO2) i hematytu (Fe2O3) są dowodem na to, że 2.6 mld lat temu w atmosferze był już wolny tlen

Fot. Internet

Datowania izotopowe skał prowadzone są już od bardzo dawna. Początkowo posługiwano się prostymi licznikami promieniowania, ponieważ jedynie one były dostępne. Potem nastała era spektrometrów masowych (ryc. 3). Rozpowszechnienie tych urządzeń umożliwiło wykorzystanie nowych, bardziej wymagających metod izotopowych (patrz: ramka o izotopach). Dzięki nim oznaczono wiek większości najważniejszych gospodarczo masywów skalnych na świecie lub przynajmniej podjęto takie próby. Otrzymane liczby przeważnie zgadzały się z oczekiwaniami, bo geolodzy dobrze rozwinęli sztukę określania wieku skał metodą interpretacji stratygraficznej, paleontologicznej i tektonicznej. Czasem tylko zdarzały się niespodzianki, tak jak w przypadku polskich Gór Sowich, które okazały się młodsze niż sądzono (w zasadzie wciąż pozostają zagadką). Z czasem natrafiono na prawdziwe "kamienne antyki". Najstarsze z nich odkryto m.in. w zachodniej Grenlandii, gdzie tworzą tzw. kompleks suprakrustalny Isua, zbudowany ze zmetamorfizowanych skał magmowych i osadowych (ryc. 2). Ich wiek określono na 3.75 mld lat. Warto tu zaznaczyć, że skała osadowa jest wtórną formacją geologiczną, zbudowaną z minerałów "odzyskanych" z wcześniej istniejących skał, które uległy erozji. Niektóre minerały z kompleksu Isua mają 4.1-4.2 mld lat.

W tym momencie można by zakończyć artykuł, uznając, że te najbardziej wiekowe kawałki materii na powierzchni Ziemi wyznaczają początek jej historii. A jednak tak nie jest. Wiek najstarszych skał wyznacza tylko dolną granicę wieku Ziemi, która istniała już dużo wcześniej. Wiemy to na podstawie badań meteorytów.

OKRUCHY KOSMOSU

Według powszechnie uznanego w dzisiejszych czasach modelu kosmologicznego, opartego na hipotezie Wielkiego Wybuchu, Wszechświat powstał w ciągu nieskończenie małego ułamka sekundy. Obserwowalnymi śladami tego wydarzenia są "przesunięcie ku czerwieni", świadczące o ekspansji kosmosu, paradoks Olbersa (skończoność Wszechświata) i reliktowe promieniowanie mikrofalowe o temperaturze 2.7 K. Z najnowszych pomiarów stałej Hubble'a wynika, że stało się to około 12 mld lat temu. Na tę wartość wskazują także ostatnio badacze gromad kulistych. W ten sposób zażegnano wieloletni konflikt w kosmologii.

Po Wielkim Wybuchu gorący Wszechświat zaczął powoli stygnąć i kondensować się. Z początku materia podzieliła się na części, z których później powstały galaktyki. Wewnątrz nich ulegała dalszemu podziałowi, wyłaniając z siebie zaczątki gwiazd. Wokół protogwiazd pozostałości pierwotnej materii zastygały w tzw. planetozymale - niewielkie stałe ciała kosmiczne wielkości dużych planetoid. Wskutek działania grawitacji przyciągały się nawzajem i łączyły, tworząc zalążki planet. Uderzenia nowych planetozymali w istniejące już protoplanety wyzwalały duże ilości energii, dlatego w tym okresie powierzchnia Ziemi była wciąż płynna. Dopiero gdy większość z nich została już "połknięta" przez planety, mogła powstać skorupa ziemska. Przypuszczalnie właśnie ten moment wyznacza wiek najstarszych skał na Ziemi.

Resztki pierwotnej materii Układu Słonecznego wciąż krążą w przestrzeni międzyplanetarnej. Są to planetoidy, meteoryty i komety. Jeśli Ziemia powstała w opisany sposób, te "okruchy z kosmicznego stołu" są niezwykle cennym materiałem, ponieważ ich zegary izotopowe od momentu powstania w drodze kondensacji z mgławicy słonecznej nigdy nie zostały wyzerowane przez podgrzanie czy działanie czynników chemicznych. Pozostając przez miliardy lat w temperaturze zera absolutnego, zachowały obraz tego, co było na początku. Dlatego właśnie na nich przeprowadzono najwięcej studiów dotyczących narodzin Układu Słonecznego i budowy planet.

Ryc. 4. Olympus Mons - najwyższy wulkan w Układzie Słonecznym. Ta wysoka na 24 km góra stanowi dowód, że jeszcze 180 mln lat temu Mars miał aktywną litosferę. Czy taki wulkan byłby w stanie wyrzucić z siebie kilkaset kilogramów lawy z prędkością umożliwiającą jej ucieczkę poza zasięg grawitacji planety? Fragmenty skał marsjańskich spadły na Ziemię, a ten wulkan jest jednym z możliwych źródeł

Zdjęcia NASA/JPL

Badania izotopowe meteorytów wykazały to, czego można się było spodziewać. Praktycznie wszystkie stosowane zegary izotopowe dały identyczny wiek, co z jednej strony wskazywało na ich pierwotne pochodzenie, a z drugiej było dowodem wiarygodności izotopowych metod datowania. Wynosi on około 4.55 mld lat. Co więcej, wartość ta jest zgodna z wiekiem części próbek przywiezionych z Księżyca przez misje Apollo. Pozostałe skały Księżyca, a także bazaltowe meteoryty typu SNC (patrz ramka o meteorytach) są dużo młodsze. W przypadku SNC jest to najwyżej 1.3 mld lat. Otrzymane liczby świadczą, że Księżyc ma najprawdopodobniej tyle samo lat, co najstarsze meteoryty, i że wystygł ostatecznie dość szybko, bo już około 3.2 mld lat temu. Na Marsie natomiast aktywny wulkanizm występował jeszcze wiele miliardów lat po ostygnięciu powierzchni planety. Snuto przypuszczenia, że marsjańskie meteoryty to skały wyrzucone przez największy wulkan w Układzie Słonecznym - Olympus Mons (ryc. 4).

Ryc. 5. Fragment meteorytu Canyon Diablo. Dzięki niemu udowodniono wspólne pochodzenie meteorytów i Ziemi

Fot. Internet

Jednym z kamieni milowych na drodze do poznania wieku Ziemi stał się meteoryt metaliczny Canyon Diablo (ryc. 5), który spadł w USA, w stanie Arizona, około 50 tys. lat temu. W 1956 roku C.C. Patterson opublikował pracę, w której wykazał, że skład izotopowy ołowiu w meteorycie wskazuje na wspólne pochodzenie z ołowiem ziemskim. Ponadto, wiek wyliczony zmodyfikowaną metodą U-Pb, przy założeniu wspólnego pochodzenia obu próbek, dał wartość 4.55 mld lat, czyli wynik doskonale zgodny z danymi uzyskanymi z oznaczeń innych meteorytów. Meteoryty, będąc małymi, szybko stygnącymi obiektami, musiały stanowić pierwsze zestalone fragmenty mgławicy słonecznej, dlatego ich wiek stanowi najbardziej prawdopodobne przybliżenie momentu powstania płynnej jeszcze Ziemi. Dziś jest to wartość powszechnie uznana w świecie nauki i, jak na razie, nic nie zapowiada, żeby miała się diametralnie zmienić.

STARA MŁODA ZIEMIA

Jak już wspomniałem na wstępie, chrześcijanie uważali w przeszłości, że Ziemia ma nie więcej niż około 6 tys. lat. Nie było powodów, by sądzić inaczej, bo nauka była w powijakach. Tym bardziej zaskakujące jest to, że pogląd o młodej Ziemi nie dał się całkowicie wyplenić żadnymi odkryciami nowożytnej nauki i wciąż znajduje wielu zwolenników, szczególnie w USA. U większości z nich źródłem tego są przekonania religijne, stojące w sprzeczności z aktualnym stanem wiedzy o świecie.

Próba udowodnienia młodego wieku Ziemi wymaga podważenia wielu podstawowych faktów naukowych. Dlatego ludzie ci sięgają po argumenty spoza głównego nurtu datowań izotopowych, bezpodstawnie twierdząc, że nie dają one wiarygodnych wyników. Jednak proponowane przez nich metody badawcze nie mieszczą się w ramach obowiązującego współcześnie paradygmatu nauki. Dlatego przytaczam je tylko jako ciekawostki.

Najważniejsze z wyników tego typu "datowań" to: 200 tys. lat - na podstawie ilości izotopu helu 4H zgromadzonego w atmosferze (4H powstaje z rozpadu promieniotwórczego; przyjęto założenie, że hel nie ucieka w kosmos), 8 tys. lat(!) - przez ekstrapolację wstecz prowadzonych przez 130 lat pomiarów pola magnetycznego Ziemi, wykazujących tendencję spadkową (teoria ta stoi w sprzeczności z naszą wiedzą o ziemskim polu magnetycznym) oraz od 100 do 260 mln lat - z wyliczenia czasu koniecznego do zgromadzenia w oceanach świata obecnych ilości metali (wartość wieku zależy od wybranego pierwiastka: 260 mln lat to wynik dla sodu, natomiast 100 lat - wartość, o której chyba nikt nie myśli serio - jest rezultatem wyliczenia bilansu pierwiastkowego glinu).

OSTATNIA MINUTA

Trzeba przyznać, że dotychczas poznaliśmy Ziemię w bardzo nieznacznym stopniu. Wiemy dużo o jej powierzchni, sporo o atmosferze, trochę mniej o oceanach, a najgłębsze wiercenia z najwyższym trudem przekroczyły 10 km. Dla porównania: średni promień Ziemi wynosi 6371 km! To, co leży poniżej, "znamy" tylko na podstawie naszych domysłów i badań sejsmicznych, których interpretacja jest często bardzo kłopotliwa i niepewna. Dlatego Ziemia może okazać się starsza, niż wskazują na to badania meteorytów. Wyznaczają one tylko dolną cezurę wieku.

Co zatem było wcześniej? Istnieją przesłanki, by sądzić, że Układ Słoneczny powstał z materii wyrzuconej przez eksplodującą supernową. Bez tego założenia trudno wytłumaczyć występowanie na Ziemi pierwiastków cięższych od żelaza, których nukleosynteza wymaga dużej gęstości tzw. szybkich neutronów - warunku, który spełniony jest tylko w środku eksplodującej gwiazdy. Poza tym, ostatnie badania izotopowe próbek księżycowych ("Science", 5340, 7/11/1997) sugerują, że hipoteza o powstaniu naszego satelity w wyniku kolizji Ziemi z obiektem kosmicznym o wielkości Marsa może być prawdziwa. Tak monstrualna katastrofa, jeśli rzeczywiście miała miejsce, mogła wyzerować wszystkie ziemskie i księżycowe, a także większość meteorytowych (w założeniu, że także powstały w kolizji) systemów izotopowych 4.55 mld lat temu, zacierając tym samym ślady wcześniejszej przeszłości. Datowania chondrytów, uważanych za powstałe z pierwotnej materii tego Układu, wskazują, że nie był to jednak zbyt długi odcinek czasu. Autorzy wspomnianej wyżej pracy twierdzą, że zderzenie to wydarzyło się nie więcej niż 100 mln lat po powstaniu Układu Słonecznego.

Ktoś kiedyś obliczył, że gdyby porównać długość historii Ziemi do roku kalendarzowego, Homo sapiens zacząłby istnieć mniej więcej 10 minut przed północą ostatniego dnia roku (cienka czerwona linia na skali poniżej). Jeśli odrzucimy całą megalomanię rodu ludzkiego, pozostanie nam przyznać, że jesteśmy tu tylko na chwilę. Natomiast Ziemia, którą przywykliśmy uważać za swoją własność, zapewne przeżyje nie tylko nas, ale też setki czy tysiące kolejnych pokoleń "władców".

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(01/96) ŚNIEGI OLIMPU
(11/96) ŻYCIE NA MARSIE?
(06/98) ILE LAT MA WSZECHŚWIAT