Jordvidenskab

Lektionsmål

• Definer forskellen mellem absolut alder og relativ alder.
• beskriv fire metoder til absolut datering.
• forklar, hvad radioaktivitet er, og giv eksempler på radioaktivt henfald.
• Forklar, hvordan henfaldet af radioaktive materialer hjælper med at fastslå en objekts alder.
• estimere en objekts alder i betragtning af halveringstiden og mængderne af radioaktive materialer og dattermaterialer.,
• Giv fire eksempler på radioaktive materialer, der bruges til at datere objekter, og forklar, hvordan hver enkelt bruges.

træringe

i områder uden for troperne vokser træer hurtigere i de varme sommermåneder end i den køligere vinter. Dette vækstmønster resulterer i skiftende bånd af lysfarvet, lav densitet “tidligt træ” og mørkt, høj densitet “sent træ”. Hvert mørkt bånd repræsenterer en vinter; ved at tælle ringe er det muligt at finde træets alder (figur 11.22)., Bredden af en række vækstringe kan give spor til tidligere klimaer og forskellige forstyrrelser såsom skovbrande. Tørke og andre variationer i klimaet får træet til at vokse langsommere eller hurtigere end normalt, hvilket dukker op i bredden af træringene. Disse træringvariationer vises i alle træer, der vokser i en bestemt region, så forskere kan matche vækstringene fra levende og døde træer. Ved hjælp af logfiler, der er genvundet fra gamle bygninger og gamle ruiner, har forskere været i stand til at sammenligne træringe for at skabe en kontinuerlig registrering af træringe i løbet af de sidste 2.000 år., Denne træringrekord har vist sig yderst nyttig til at skabe en fortegnelse over klimaændringer og til at finde alderen på gamle strukturer.

iskerner og Varver

flere andre processer resulterer i akkumulering af forskellige årlige lag, der kan bruges til datering., For eksempel dannes lag inden for gletsjere, fordi der har tendens til at være mindre snefald om sommeren, hvilket tillader et mørkt støvlag at akkumulere oven på vinterens sne (figur 11.23). For at studere disse mønstre borer forskere dybt ind i isark og producerer kerner hundreder af meter lange. Forskere analyserer disse iskerner for at bestemme, hvordan klimaet har ændret sig over tid, samt at måle koncentrationer af atmosfæriske gasser. De længste kerner har bidraget til at danne en oversigt over polært klima, der strækker sig hundreder af tusinder af år tilbage.,

et andet eksempel på årlige lag er aflejring af sedimenter i søer, især de søer, der er placeret i slutningen af gletsjere. Hurtig smeltning af gletsjeren om sommeren resulterer i en tyk, sandet aflejring af sediment. Disse tykke lag veksler med tynde, lerrige lag deponeret om vinteren. De resulterende lag, kaldet varver, giver forskere ledetråde om tidligere klimaforhold., For eksempel kan en særlig varm sommer resultere i et meget tykt lag af sediment aflejret fra den smeltende gletsjer. Tyndere varver kan indikere koldere somre, fordi gletsjeren ikke smelter så meget og bærer så meget sediment i søen.

Jordens alder

mens træringe og andre årlige lag er nyttige til datering af relativt nylige begivenheder, de er ikke til meget brug i den store skala af geologisk tid., I løbet af det 18. og 19. århundrede forsøgte geologer at estimere jordens alder med indirekte teknikker. For eksempel, geologer målte, hvor hurtigt vandløb deponerede sediment, for at forsøge at beregne, hvor længe strømmen havde eksisteret. Ikke overraskende resulterede disse metoder i vildt forskellige estimater, fra et par millioner år til “quaduadrillions of years”. Sandsynligvis den mest pålidelige af disse estimater blev produceret af den Britiske geolog Charles Lyell, der skønnes, at 240 millioner år er gået siden udgivelsen af det første dyr med skaller., I dag ved forskere, at hans skøn var for ung; vi ved, at dette skete for omkring 530 millioner år siden.

i 1892 beregnede Williamilliam Thomson (senere kendt som Lord Kelvin) Jordens alder på en systematisk måde (figur 11.24). Han antog, at Jorden begyndte som en kugle af smeltet sten, som støt er afkølet over tid. Ud fra disse antagelser beregnede han, at Jorden var 100 millioner år gammel. Dette skøn var et slag for geologer og tilhængere af Charles Dar .ins evolutionsteori, hvilket krævede en ældre jord for at give tid til evolution at finde sted.,

Thomsons beregninger blev imidlertid snart vist at være mangelfulde, da radioaktivitet blev opdaget i 1896. Radioaktivitet er visse atomers tendens til at henfalde til lettere atomer, der udsender energi i processen. Radioaktive materialer i Jordens indre giver en stabil varmekilde. Beregninger af Jordens alder ved hjælp af radioaktivt henfald viste, at jorden faktisk er meget ældre end Thomson beregnet.

radioaktivt henfald

opdagelsen af radioaktive materialer modbeviste mere end Thomsons skøn over Jordens alder., Det gav en måde at finde den absolutte alder på en klippe. For at forstå, hvordan dette gøres, er det nødvendigt at gennemgå nogle fakta om atomer.atomer indeholder tre partikler: protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner er placeret i kernen, mens elektroner kredser omkring kernen. Antallet af protoner bestemmer hvilket element du undersøger. For eksempel har alle atomer af kulstof seks protoner, alle atomer af ilt har otte protoner, og alle atomer af guld har 79 protoner. Antallet af neutroner er imidlertid variabelt., Et atom af et element med et andet antal neutroner er en isotop af dette element. For eksempel indeholder isotopen carbon-12 6 neutroner i sin kerne, mens isotopen carbon-13 har 7 neutroner.nogle isotoper er radioaktive, hvilket betyder, at de er ustabile og sandsynligvis vil henfalde. Dette betyder, at atomet spontant skifter fra en ustabil form til en stabil form. Der er to former for nukleart henfald, der er relevante for, hvordan geologer kan datere klipper (Tabel (11.,1):

partikel	sammensætning	effekt på kernen
Alpha	2 protoner, 2 neutroner	kernen indeholder to færre protoner og to færre neutroner.
Beta	1 Elektron	en neutron henfalder til dannelse af en proton og en elektron, der udsendes.

Hvis et element, der henfalder ved at miste en alfa-partikel, vil det miste 2 protoner og 2 neutroner., Hvis et atom henfalder ved at miste en beta-partikel, mister det kun en elektron.

Så hvad har dette at gøre med jordens alder? Radioaktivt henfald resulterer i sidste ende i dannelsen af stabile datterprodukter. Radioaktive materialer henfalder til kendte hastigheder. Efterhånden som tiden går, andelen af radioaktive isotoper vil falde, og andelen af datterisotoper vil stige. En sten med en relativt høj andel radioaktive isotoper er sandsynligvis meget ung, mens en sten med en høj andel datterprodukter sandsynligvis er meget gammel.,

forskere måler hastigheden af radioaktivt henfald med en enhed kaldet halveringstid. Halveringstiden for et radioaktivt stof er mængden af tid, Gennemsnitlig, det tager for halvdelen af atomerne at henfalde. Forestil dig for eksempel et radioaktivt stof med en halveringstid på et år. Når en sten dannes, indeholder den et vist antal radioaktive atomer. Efter et år (en halveringstid) er halvdelen af de radioaktive atomer henfaldet til dannelse af stabile datterprodukter, og 50% af de radioaktive atomer forbliver., Efter endnu et år (to halveringstider) er halvdelen af de resterende radioaktive atomer forfaldne, og 25% af de radioaktive atomer forbliver. Efter det tredje år (tre halveringstider) forbliver 12, 5% af de radioaktive atomer. Efter fire år (fire halveringstider) forbliver 6, 25% af de radioaktive atomer, og efter 5 år (fem halveringstider) forbliver kun 3, 125% af de radioaktive atomer.

Hvis du finder en sten, hvis det radioaktive materiale, der har en halveringstid på et år og måle 3.125% radioaktive atomer og 96.875% datter atomer, kan du antage, at stoffet er 5 år gammel., Forfaldet af radioaktive materialer kan vises med en graf (figur 11.25). Hvis du finder en klippe med 75% af de resterende radioaktive atomer, hvor gammel er den?

radiometrisk datering af klipper

i processen med radiometrisk datering bruges flere isotoper til at datere klipper og andre materialer. Brug af flere forskellige isotoper hjælper forskere med at kontrollere nøjagtigheden af de aldre, de beregner.,

Carbon Dating

Jordens atmosfære indeholder tre isotoper af kulstof. Carbon-12 er stabilt og tegner sig for 98,9% af atmosfærisk kulstof. Carbon-13 er også stabilt og tegner sig for 1,1% af atmosfærisk kulstof. Carbon-14 er radioaktivt og findes i små mængder. Carbon-14 produceres naturligt i atmosfæren, når kosmiske stråler interagerer med nitrogenatomer. Mængden af carbon-14 produceret i atmosfæren på et bestemt tidspunkt har været relativt stabil gennem tiden.

radioaktivt kulstof-14 henfalder til stabilt nitrogen-14 ved frigivelse af en beta-partikel., Nitrogenatomerne går tabt i atmosfæren, men mængden af kulstof-14-henfald kan estimeres ved at måle andelen af radioaktivt kulstof-14 til stabilt kulstof-12. Som et stof aldre falder den relative mængde carbon-14.

kulstof fjernes fra atmosfæren af planter under fotosynteseprocessen. Dyr forbruger dette kulstof, når de spiser planter eller andre dyr, der har spist planter. Derfor carbon-14 dating kan bruges til dato plante-og dyrerester. Som eksempler kan nævnes tømmer fra en gammel bygning, knogler, eller aske fra en brand pit., Carbon dating kan effektivt bruges til at finde en alder af materialer mellem 100 og 50,000 år gammel.

kalium-Argon Dating

kalium-40 henfalder til argon-40 med en halveringstid på 1, 26 milliarder år. Fordi argon er en gas, kan den undslippe fra smeltet magma eller lava. Derfor enhver argon, der findes i en krystal sandsynligvis dannet som følge af henfald af kalium-40. Måling af forholdet mellem kalium-40 og argon-40 vil give et godt skøn over prøvenes alder.

kalium er et almindeligt element, der findes i mange mineraler såsom feldspat, glimmer og amfibol., Teknikken kan bruges til at datere stødende klipper fra 100.000 år til over en milliard år gammel. Fordi det kan bruges til at datere geologisk unge materialer, teknikken har været nyttig til at estimere alderen på aflejringer, der indeholder knogler fra menneskelige forfædre.

uran-bly Dating

to isotoper af uran anvendes til radiometrisk datering. Uran-238 henfalder til at danne bly-206 med en halveringstid på 4,47 milliarder år. Uran-235 henfalder til at danne bly-207 med en halveringstid på 704 millioner år.uran-bly-datering udføres normalt på krystaller af mineraletircircon (Figur 11.,26). Når formsirkon dannes i en stødende klippe, krystallerne accepterer let atomer af uran, men afviser atomer af bly. Derfor, hvis der findes noget bly i en crystalirkonkrystal, kan det antages, at det blev fremstillet ved nedbrydning af uran.

Uran-bly dating kan bruges til dato vulkanske bjergarter fra 1 million år til omkring 4,5 milliarder år gammel. Nogle af de ældste klipper på jorden er dateret ved hjælp af denne metode, inklusive 4.4irkonkrystaller fra Australien, der er 4, 4 milliarder år gamle.,

begrænsninger af radiometrisk datering

radiometrisk datering kan kun bruges på materialer, der indeholder målbare mængder radioaktive materialer og deres datterprodukter. Dette inkluderer organiske rester (som sammenlignet med klipper er relativt unge, mindre end 100.000 år gamle) og ældre klipper. Ideelt, flere forskellige radiometriske teknikker vil blive brugt til at datere den samme klippe. Aftale mellem disse værdier indikerer, at den beregnede alder er nøjagtig.,generelt fungerer radiometrisk datering bedst for stødende klipper og er ikke særlig nyttig til bestemmelse af alderen på sedimentære klipper. At estimere alderen på en sedimentær stenaflejring, geologer søger efter nærliggende eller sammenflettede stødende klipper, der kan dateres. For eksempel, hvis et sedimentært klippelag er klemt fast mellem to lag vulkansk aske, dens alder er mellem de to askelag.ved hjælp af en kombination af radiometrisk datering, indeksfossiler og superposition har geologer konstrueret en veldefineret tidslinje for Jordens historie., For eksempel kan en overliggende lavastrøm give et pålideligt skøn over alderen på en sedimentær klippeformation et sted. Indeksfossiler indeholdt i denne formation kan derefter matches med fossiler på et andet sted, giver også en god aldersmåling for den nye klippeformation. Da denne proces er blevet gentaget over hele verden, vores estimater af sten og fossile aldre er blevet mere og mere nøjagtige.

Lektionsoversigt

teknikker som superposition og indeksfossiler kan fortælle dig den relative alder af objekter, hvilke objekter der er ældre, og hvilke der er yngre., Andre typer beviser er nødvendige for at fastslå objektets absolutte alder i år. Geologer bruger en række forskellige teknikker til at etablere absolut alder, inklusive radiometrisk dating, træringe, iskerner, og årlige sedimentære aflejringer kaldet varver.radiometrisk datering er den mest nyttige af disse teknikker-det er den eneste teknik, der kan bestemme alderen på objekter, der er ældre end et par tusinde år. Koncentrationerne af flere radioaktive isotoper (carbon-14, kalium-40, uran-235 og -238) og deres datterprodukter bruges til at bestemme alderen på klipper og organiske rester.,

Revie?spørgsmål

1. hvilke fire teknikker bruges til at bestemme den absolutte alder af et objekt eller begivenhed?
2. et radioaktivt stof har en halveringstid på 5 millioner år. Hvad er alderen på en klippe, hvor 25% af de originale radioaktive atomer forbliver?
3. en videnskabsmand studerer et stykke klud fra et gammelt gravsted. Hun bestemmer, at 40% af de oprindelige carbon-14 atomer forbliver i kluden. Baseret på carbon decay graf (figur 11.27), hvad er den omtrentlige alder af kluden?
   

   Figur 11.,27: radioaktivt henfald af kulstof-14

4. hvilken radioaktiv isotop eller isotoper vil du bruge til at datere hver af følgende objekter? Forklar hvert af dine valg.
   • et 4 milliarder år gammelt stykke granit.
   • en million år gammel seng af vulkansk aske, der indeholder fodspor fra hominider (menneskelige forfædre).
   • pelsen af en uldmammut, der for nylig blev genvundet frosset i en gletsjer.
   • en fossiliseret Trilobit genvundet fra en seng af sandsten, der er omkring 500 millioner år gammel.,
5. princippet om uniformitarionisme siger, at nutiden er nøglen til fortiden. Med andre ord, de processer, vi ser ske i dag, fungerede sandsynligvis på en lignende måde i fortiden. Hvorfor er det vigtigt at antage, at hastigheden af radioaktivt henfald har været konstant over tid?

ordforråd

absolut alder en objekts alder i år. alfapartikelpartikel bestående af to protoner og to neutroner, der udstødes fra kernen under radioaktivt henfald., beta partikel partikel bestående af en enkelt elektron, der udstødes fra kernen under radioaktivt henfald. En beta partikel er skabt, når en neutron henfalder til dannelse af en proton og den udsendte elektron. datter produkt stabilt stof, der produceres ved henfald af et radioaktivt stof. For eksempel nedbrydes uran-238 for at producere bly-207. halveringstid mængde tid, der kræves for halvdelen af atomer af et radioaktivt stof til henfald og danne datter produkter. iskernecylinder af is ekstraheret fra en gletscher eller isplade., radioaktivt stof, der er ustabilt og sandsynligvis udsender energiske partikler og stråling. radioaktivitetsemission af højenergipartikler og / eller stråling fra visse ustabile atomer. radiometrisk dating proces med at bruge koncentrationerne af radioaktive stoffer og datterprodukter til at estimere alderen på et materiale. Når stoffer bliver ældre, falder mængderne af radioaktive atomer, mens mængderne af dattermaterialer stiger. træringslag af træ i et træ, der dannes på et år. Du kan bestemme alderen på et træ ved at tælle dets ringe., varve tyndt lag af sediment deponeret på en søbed i løbet af et år normalt findes i bunden af glaciale søer.

punkter at overveje

• Hvorfor er teknikker som træringe, iskerner og varver kun nyttige til begivenheder, der opstod i de sidste par tusinde år?
• Hvorfor var det så vigtigt for Dar ?in og hans tilhængere at bevise, at Jorden var meget gammel?
• Hvorfor er det vigtigt at bruge mere end en metode til at finde alderen på en klippe eller et andet objekt?