Η δουλειά του γεωλόγους είναι να πεις την αληθινή ιστορία της ιστορίας της Γης - πιο συγκεκριμένα, μια ιστορία της ιστορίας της Γης που είναι πάντα αλήθεια. Πριν από εκατό χρόνια, δεν είχαμε μεγάλη ιδέα για το μήκος της ιστορίας - δεν είχαμε κανένα καλό δείκτη για το χρόνο. Σήμερα, με τη βοήθεια των μεθόδων ισοτοπικής χρονολόγησης, μπορούμε να καθορίσουμε τις ηλικίες των βράχων σχεδόν όσο και χαρτώνουμε τους ίδιους τους βράχους. Για αυτό, μπορούμε να ευχαριστήσουμε τη ραδιενέργεια που ανακαλύφθηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα.
Η ανάγκη για ένα γεωλογικό ρολόι
Πριν από εκατό χρόνια, οι ιδέες μας για τις ηλικίες των βράχων και την εποχή της Γης ήταν ασαφείς. Αλλά προφανώς, τα βράχια είναι πολύ παλιά πράγματα. Κρίνοντας από τον αριθμό των πετρωμάτων που υπάρχουν, συν τους απαράδεκτους ρυθμούς των διαδικασιών που τους διαμορφώνουν - διάβρωση, ταφή, απολίθωση, ανύψωση - το γεωλογικό αρχείο πρέπει να αντιπροσωπεύει αμέτρητα εκατομμύρια χρόνια χρόνου. Είναι αυτή η διορατικότητα, που εκφράστηκε για πρώτη φορά το 1785, που έκανε τον James Hutton πατέρα της γεωλογίας.
Γνωρίζαμε λοιπόν "βαθιά ώρα, "αλλά η εξερεύνηση ήταν απογοητευτική. Για περισσότερο από εκατό χρόνια, η καλύτερη μέθοδος για την οργάνωση της ιστορίας της ήταν η χρήση απολιθωμάτων ή βιοσυστοιχίας. Αυτό λειτούργησε μόνο για ιζηματογενή πετρώματα και μόνο μερικά από αυτά. Οι βράχοι της εποχής του Precambrian είχαν μόνο τα πιο σπάνια απολιθώματα απολιθωμάτων. Κανείς δεν ήξερε πόση ιστορία της Γης ήταν άγνωστη! Χρειαζόμασταν ένα πιο ακριβές εργαλείο, κάποιο ρολόι, για να το μετρήσουμε.
Η άνοδος της ισοτοπικής χρονολόγησης
Το 1896, η τυχαία ανακάλυψη της ραδιενέργειας από τον Henri Becquerel έδειξε τι θα μπορούσε να γίνει. Έμαθα ότι ορισμένα στοιχεία υφίστανται ραδιενεργή αποσύνθεση, αλλάζοντας αυθόρμητα σε άλλο τύπο ατόμου, εκμηδενίζοντας μια έκρηξη ενέργειας και σωματιδίων. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει με ένα ομοιόμορφο ρυθμό, σταθερό όπως ένα ρολόι, που δεν επηρεάζεται από τις συνήθεις θερμοκρασίες ή τη συνηθισμένη χημεία.
Η αρχή της χρήσης της ραδιενεργού αποσύνθεσης ως μέθοδος χρονολόγησης είναι απλή. Εξετάστε αυτή την αναλογία: μια σχάρα μπάρμπεκιου γεμάτη καύση άνθρακα. Ο ξυλάνθρακας καίει με ένα γνωστό ρυθμό και αν μετρήσετε πόση ξυλάνθρακα έχει απομείνει και πόση τέφρα έχει σχηματιστεί, μπορείτε να πείτε πόσο καιρό η σχάρα ήταν αναμμένη.
Το γεωλογικό ισοδύναμο του φωτισμού της σχάρας είναι ο χρόνος κατά τον οποίο στερεοποιήθηκε ένας κόκκος ορυκτών, είτε αυτό είναι πολύ καιρό πριν σε αρχαίο γρανίτη είτε μόλις σήμερα σε μια νέα ροή λάβας. Τα στερεά ορυκτά σιτάρια παγιδεύουν το ραδιενεργά άτομα και τα προϊόντα αποσύνθεσης τους, συμβάλλοντας στην εξασφάλιση ακριβών αποτελεσμάτων.
Λίγο μετά την ανακάλυψη της ραδιενέργειας, οι πειραματιστές δημοσίευσαν ορισμένες δοκιμαστικές ημερομηνίες βράχων. Συνειδητοποιώντας ότι η αποσύνθεση του ουρανίου παράγει ήλιο, ο Ερνέστ Ράχερφορντ το 1905 καθόρισε μια ηλικία για ένα κομμάτι μεταλλεύματος ουρανίου μετρώντας την ποσότητα του ηλίου που παγιδεύτηκε σε αυτό. Το Bertram Boltwood το 1907 χρησιμοποίησε μόλυβδο, το τελικό προϊόν της αποσύνθεσης του ουρανίου, ως μια μέθοδο για την εκτίμηση της ηλικίας του ορυκτού ουρανίτη σε μερικούς αρχαίους βράχους.
Τα αποτελέσματα ήταν θεαματικά αλλά πρόωρα. Τα βράχια φαινόταν να είναι εκπληκτικά παλιά, κυμαινόμενο σε ηλικία από 400 εκατομμύρια έως περισσότερο από 2 δισεκατομμύριο χρόνια. Αλλά εκείνη τη στιγμή κανείς δεν ήξερε για τα ισότοπα. Μια φορά ισότοπα, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1910, κατέστη σαφές ότι οι μέθοδοι ραδιομετρικής χρονολόγησης δεν ήταν έτοιμες για πρωταρχικό χρόνο.
Με την ανακάλυψη ισότοπων, το πρόβλημα της χρονολόγησης επέστρεψε στο τετράγωνο ένα. Για παράδειγμα, ο καταρράκτης αποσύνθεσης ουρανίου-μολύβδου είναι πραγματικά δυο-ουράνιο-235 διασπάται στο μόλυβδο-207 και το ουράνιο-238 διασπάται στο μόλυβδο-206, αλλά η δεύτερη διαδικασία είναι σχεδόν εφτά φορές πιο αργή. (Που κανει χρονολόγηση ουρανίου-μόλυβδου ιδιαίτερα χρήσιμο.) Περίπου 200 άλλα ισότοπα ανακαλύφθηκαν τις επόμενες δεκαετίες. εκείνα τα οποία είναι ραδιενεργά τότε είχαν τα ποσοστά αποσύνθεσης τους προσδιορισμένα σε πειστικά πειράματα εργαστηρίου.
Μέχρι τη δεκαετία του 1940, αυτή η θεμελιώδης γνώση και η πρόοδος στα μέσα έκαναν δυνατή την έναρξη των καθορισμένων ημερομηνιών που σημαίνουν κάτι για τους γεωλόγους. Ωστόσο, οι τεχνικές εξακολουθούν να προχωρούν σήμερα, διότι, με κάθε βήμα προς τα εμπρός, μπορούν να τεθούν και να απαντηθούν πολλά νέα επιστημονικά ερωτήματα.
Μέθοδοι ισοτοπικής χρονολόγησης
Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι ισοτοπικής χρονολόγησης. Κάποιος ανιχνεύει και μετράει τα ραδιενεργά άτομα μέσω της ακτινοβολίας τους. Οι πρωτοπόροι της χρονολόγησης των ραδιοανθράκων χρησιμοποίησαν αυτή τη μέθοδο επειδή ο άνθρακας-14, το ραδιενεργό ισότοπο του άνθρακα, είναι πολύ ενεργός, αποσυντίθεται με χρόνο ημίσειας ζωής μόλις 5730 ετών. Τα πρώτα εργαστήρια ραδιοανθράκων κατασκευάστηκαν υπόγεια, χρησιμοποιώντας παλαιά υλικά πριν από την εποχή της δεκαετίας του 1940 με ραδιενεργό μόλυνση, με στόχο να διατηρηθεί χαμηλή η ακτινοβολία του περιβάλλοντος. Παρόλα αυτά, μπορεί να χρειαστούν εβδομάδες μέτρησης των ασθενών για ακριβή αποτελέσματα, ειδικά σε παλαιά δείγματα στα οποία παραμένουν πολύ λίγα άτομα ραδιενεργού άνθρακα. Αυτή η μέθοδος εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για σπάνια, ιδιαίτερα ραδιενεργά ισότοπα άνθρακα-14 και τριτίου (υδρογόνο-3).
Οι περισσότερες διεργασίες αποσύνθεσης γεωλογικού ενδιαφέροντος είναι πολύ αργές για μεθόδους καταμέτρησης της αποσύνθεσης. Η άλλη μέθοδος στηρίζεται στην πραγματική καταμέτρηση των ατόμων κάθε ισότοπου, χωρίς να περιμένει κάποιες από αυτές να αποσυντεθούν. Αυτή η μέθοδος είναι πιο δύσκολη αλλά πιο ελπιδοφόρα. Περιλαμβάνει την προετοιμασία των δειγμάτων και την εκτέλεση τους μέσω ενός φασματόμετρο μάζας, η οποία τους μετατοπίζει ατομικά με το άτομο σύμφωνα με το βάρος, όπως είναι τακτοποιημένα ως μία από αυτές τις μηχανές διαλογής κερμάτων.
Για παράδειγμα, εξετάστε το μέθοδος χρονολογήσεως καλίου-αργού. Τα άτομα του καλίου προέρχονται από τρία ισότοπα. Το κάλιο-39 και το κάλιο-41 είναι σταθερά, αλλά το κάλιο-40 υφίσταται μια μορφή αποσύνθεσης που το μετατρέπει σε αργόν-40 με χρόνο ημιζωής 1.277 εκατομμύρια χρόνια. Έτσι, όσο μεγαλώνει το δείγμα, τόσο μικρότερο είναι το ποσοστό του καλίου-40, και αντίστροφα τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό του αργού-40 σε σχέση με το αργόν-36 και το αργό-38. Η μέτρηση μερικών εκατομμυρίων ατόμων (εύκολη μόνο με μικρογραμμάρια ροκ) αποδίδει ημερομηνίες που είναι αρκετά καλές.
Η ισοτοπική χρονολόγηση έχει υπογραμμίσει ολόκληρο τον αιώνα της προόδου που έχουμε σημειώσει στην πραγματική ιστορία της Γης. Και τι συνέβη σε αυτά τα δισεκατομμύρια χρόνια; Αυτός είναι αρκετός χρόνος για να χωρέσει όλα τα γεωλογικά γεγονότα που έχουμε ακούσει, με δισεκατομμύρια που έμειναν. Αλλά με αυτά τα εργαλεία χρονολόγησης, έχουμε ασχοληθεί με τη χαρτογράφηση βαθιά στιγμή, και η ιστορία γίνεται όλο και πιο ακριβή κάθε χρόνο.