Maapallon ikä: miten tutkijat määrittävät 4,56 miljardin vuoden iän

Varhainen tiede

Ensimmäiset maapalloa koskevat tosiasiat saivat selville antiikin kreikkalaiset. Eratostenes (276 eaa. - 194 eaa.) teki hyvän arvion maapallon koosta trigonometrian avulla.

Ensimmäisen näyttöön perustuvan arvion maapallon iästä teki ranskalainen diplomaatti, filosofi ja luonnontieteilijä Benoît de Maillet (1656-1738). Hän ajatteli, että maapallon on täytynyt kehittyä hitaasti, luonnonvoimin. Hän tutki geologiaa maastossa. Hän näki merkkejä eroosiosta maalla ja sedimentaatiosta meressä. Hän kätki ajatuksensa intialaisen filosofin kanssa käymänsä keskustelun varjolla välttääkseen konfliktin katolisen kirkon kanssa. Hänen teoksensa säilyi käsikirjoituksena hänen kuolemaansa saakka, kunnes se julkaistiin sen jälkeen, kun sen toimittaja oli tehnyt siihen muutoksia, jotka vahingoittivat sitä. Nyt on olemassa parempi nykyaikainen painos, joka perustuu käsikirjoituksiin. de Maillet arvioi, että maapallo oli yli kaksi miljardia vuotta vanhempi. Hän tunnusti myös fossiilien todellisen luonteen ja hänellä oli varhaisia ajatuksia evoluutiosta.

19. vuosisata

1800-luvun viimeisellä neljänneksellä käytiin pitkään keskustelua maapallon iästä. Charles Lyell osoitti teoksessaan Principles of Geology (1830-33), että maapallo on muuttunut hitaasti ja että se, mitä näemme, on asteittaisten muutosten tulosta. Tämä uniformitarismi tarkoitti selvästi, että maapallo oli vanha, vaikka Lyell ei yrittänytkään selvittää, kuinka vanha se oli.

Myös hänen nuorempi ystävänsä Charles Darwin uskoi tähän. Darwin näki, että jos evoluutio olisi tapahtunut, se olisi vaatinut pitkän ajan. Lisäksi kambrikauden kerrostumien varhaisfossiilien ja nykyisen maanpinnan välissä on valtava määrä sedimenttikiveä. Darwin ja Lyell olivat yhtä mieltä siitä, että näin suuren kiviainesmäärän kerrostuminen olisi kestänyt hyvin kauan.

Darwin arvioi teoksensa Lajien synty (1859) ensimmäisessä painoksessa, että Sussex Wealdin eroosion on täytynyt kestää 300 miljoonaa vuotta.^p314 Sekä hän että Lyell yllättyivät, kun fyysikko William Thomson (lordi Kelvin) sanoi, ettei maapallo voi olla niin vanha kuin he luulivat. Hänen laskelmansa perustui siihen, kuinka kauan maapallolta on kestänyt jäähtyä nykyiseen lämpötilaansa, kun lähtötilanne on 2 000^o C. Kelvinin mukaan maapallon lämpötila on ollut 2 000 C. Kelvinin tulos perustui ajatukseen, jonka mukaan maanpinnan läheinen geoterminen gradientti heijastaa kiinteän maapallon johtavaa jäähtymistä.

Hän teki tämän laskelman useita kertoja ja teki erilaisia oletuksia. Vuonna 1862 hänen arvionsa oli 20 ja 400 miljoonan vuoden välillä, mutta vuonna 1866 hän laski ylimmän arvionsa 100 miljoonaan vuoteen ja hyökkäsi Darwinia ja Lylen kimppuun siitä, etteivät he olleet ottaneet hänen laskelmaansa huomioon. Tiedämme, että Darwin oli huolissaan ja huolestunut siitä, että tämä ei olisi tarpeeksi pitkä aika evoluution mahdollistamiseksi. Thomas Henry Huxley huomautti, että Kelvinin laskelmat olivat hyviä, mutta hänen oletuksensa olivat vääriä. Vuonna 1897 Kelvin teki laskelman vielä kerran ja päätyi tulokseen 20-40 miljoonaa vuotta. Tämä ei tietenkään todellakaan olisi tarpeeksi pitkä aika evoluution mahdollistamiseksi. Oliver Heaviside oli myös eri mieltä ja ehdotti vaihtoehtoista geotermistä mallia. Sekä Kelvin että Heaviside osoittautuivat lopulta vääriksi.

Viskoosi vaippa

Aivan 1800-luvun lopulla joku tajusi, että jos vaippa olisi erittäin viskoosi (tahmea) neste, se vaikuttaisi suuresti laskelmiin. Vuonna 1895 John Perry, Kelvinin entinen avustaja, arvioi Maan iäksi 2-3 miljardia vuotta käyttäen konvektiivisen vaipan ja ohuen kuoren mallia.

Kelvinin mallissa maanpinnan lämpö saadaan matalan ulkokuoren jäähtymisestä, kun oletetaan, että maapallo on kiinteä. Mutta jos sähkönjohtavuus maapallon sisällä olisi paljon suurempi kuin pinnalla, myös maapallon ydin ja alempi vaippa viilenisivät. Tämä tarjoaisi valtavan energiavaraston pinnalle. Tällöin Kelvinin arvio maapallon iästä olisi moninkertaisesti liian alhainen.

Perryn tärkein syy oli se, että konvektio maapallon nestemäisessä tai osittain nestemäisessä sisätilassa siirtäisi lämpöä paljon tehokkaammin kuin johtuminen:

"... paljon sisäistä juoksevuutta tarkoittaisi käytännössä ääretöntä johtavuutta meidän tarkoituksessamme".

Kelvin piti kiinni 100 miljoonan vuoden arviostaan ja alensi myöhemmin arviotaan noin 20 miljoonaan vuoteen.

Nyt tiedämme, että viskoosin nesteen olemassaolo ohuen kuoren alla on paljon suurempi tekijä kuin radioaktiivisuuden löytyminen, joka oli oppikirjamaisen selityksenä monta vuotta. Perryn työn uudelleenlöytäminen ja uudelleen tarkastelu on melko tuore asia.

20. vuosisata

Vuonna 1896 Henri Becquerel löysi radioaktiivisuuden. Vuonna 1903 hän jakoi fysiikan Nobel-palkinnon Pierre ja Marie Curien kanssa "tunnustuksena niistä poikkeuksellisista ansioista, joita hän on tehnyt spontaanin radioaktiivisuuden löytämisellä".

Lopulta huomattiin, että radioaktiivisuus oli merkittävä lämmönlähde maapallon sisällä.^p206 Vuonna 1921 saatiin ensimmäinen nykyaikainen arvio, jossa käytettiin radiometristä ajoitusta. Se perustui Henry Norris Russellin uraani-lyijy-datointiin: uraanin hajoamisnopeus lyijyksi maankuoressa. Hänen arvionsa oli 2-8 miljardia vuotta. ^{s. 27, taulukko 3.1.} Vuonna 1949 H.E. Suess arvioi 4-5 miljardia vuotta perustuen koko joukkoon radioaktiivisia isotooppeja. Tämä on lähellä nykyisin arvioitua aikaa, jota on tarkennettu edelleen noin 4 560 miljoonaan vuoteen.

Laskelmassa käytetään hyväksi konvektiota viskoosissa nesteessä sekä radioaktiivisuutta, joten siinä yhdistetään Perryn ajatus radioaktiivisuuden vaikutukseen, vaikka Perryn panos oli jo unohdettu. Myöhemmin saatu tieto laattatektoniikasta teki melko varmaksi, että alempi vaippa oli viskoosia nestettä.

Aurinkokunta

Aurinkokunnan muodostumisen ja kehittymisen arvioidaan alkaneen 4,568 miljardia vuotta sitten jättimäisen molekyylipilven pienen osan painovoiman aiheuttamasta romahduksesta. Periaatteessa koko järjestelmä kehittyi samassa ajassa.

Uskonnolliset näkemykset

Tieteellisen menetelmän käyttö edellyttää, että maapallon iän laskemisessa käytetään yhdenmukaisia menetelmiä. Hindu-uskonto on lähimpänä nykyistä tieteellistä arviota. Jotkut kristityt ja juutalaiset uskovat, että Genesiksen luomiskertomus on kirjaimellisesti totta, mikä tarkoittaisi, että maapallo luotiin 5000-10 000 vuotta sitten, eivätkä iän laskemisessa käytetyt menetelmät ole olleet yhdenmukaisia koko maapallon historian ajan. Nykyään useimmat ihmiset kuitenkin ajattelevat, että tällaisiin kysymyksiin vastataan parhaiten tieteellisin menetelmin.

Aiheeseen liittyvät sivut

• Geokronologia
• Geologisen aika-asteikon historia
• Luonnon aikajana