Scienze della Terra

Obiettivi della lezione

• Definire la differenza tra età assoluta e età relativa.
• Descrivere quattro metodi di datazione assoluta.
• Spiegare cos’è la radioattività e fornire esempi di decadimento radioattivo.
• Spiega come il decadimento di materiali radioattivi aiuta a stabilire l’età di un oggetto.
• Stimare l’età di un oggetto, data l’emivita e la quantità di materiali radioattivi e figlia.,
• Fornire quattro esempi di materiali radioattivi che vengono utilizzati per datare oggetti, e spiegare come ciascuno viene utilizzato.

Anelli degli alberi

Nelle regioni al di fuori dei tropici, gli alberi crescono più rapidamente durante i caldi mesi estivi che durante l’inverno più fresco. Questo modello di crescita si traduce in bande alternate di “legno precoce” di colore chiaro a bassa densità e “legno tardivo”scuro ad alta densità. Ogni fascia scura rappresenta un inverno; contando gli anelli è possibile trovare l’età dell’albero (Figura 11.22)., La larghezza di una serie di anelli di crescita può dare indizi a climi passati e varie interruzioni come gli incendi boschivi. Siccità e altre variazioni del clima fanno crescere l’albero più lentamente o più velocemente del normale, che si presenta nelle larghezze degli anelli degli alberi. Queste variazioni degli anelli degli alberi appariranno in tutti gli alberi che crescono in una determinata regione, quindi gli scienziati possono abbinare gli anelli di crescita degli alberi vivi e morti. Utilizzando tronchi recuperati da vecchi edifici e antiche rovine, gli scienziati sono stati in grado di confrontare gli anelli degli alberi per creare una registrazione continua degli anelli degli alberi negli ultimi 2.000 anni., Questo record anello albero si è dimostrato estremamente utile nella creazione di un record di cambiamenti climatici, e nel trovare l’età di antiche strutture.

Carote di ghiaccio e Varve

Diversi altri processi provocano l’accumulo di strati annuali distinti che possono essere utilizzati per la datazione., Ad esempio, gli strati si formano all’interno dei ghiacciai perché tende ad esserci meno nevicate in estate, consentendo a uno strato scuro di polvere di accumularsi sulla neve invernale (Figura 11.23). Per studiare questi modelli, gli scienziati perforano in profondità le lastre di ghiaccio, producendo nuclei lunghi centinaia di metri. Gli scienziati analizzano queste carote di ghiaccio per determinare come il clima è cambiato nel tempo, nonché per misurare le concentrazioni di gas atmosferici. I nuclei più lunghi hanno contribuito a formare un record di clima polare che si estende centinaia di migliaia di anni fa.,

Un altro esempio di strati annuali è la deposizione di sedimenti nei laghi, in particolare i laghi che si trovano alla fine dei ghiacciai. Il rapido scioglimento del ghiacciaio in estate provoca un deposito di sedimenti denso e sabbioso. Questi strati spessi si alternano a strati sottili e ricchi di argilla depositati durante l’inverno. Gli strati risultanti, chiamati varves, forniscono agli scienziati indizi sulle condizioni climatiche passate., Ad esempio, un’estate particolarmente calda potrebbe provocare uno strato molto spesso di sedimenti depositati dal ghiacciaio di fusione. Le varve più sottili possono indicare estati più fredde, perché il ghiacciaio non si scioglie tanto e trasporta tanto sedimento nel lago.

Età della Terra

Mentre gli anelli degli alberi e altri strati annuali sono utili per datare eventi relativamente recenti, non sono di grande utilità sulla vasta scala del tempo geologico., Durante i secoli 18 e 19, i geologi hanno cercato di stimare l’età della Terra con tecniche indirette. Ad esempio, i geologi hanno misurato la velocità con cui i flussi hanno depositato i sedimenti, al fine di cercare di calcolare per quanto tempo il flusso era esistito. Non sorprendentemente, questi metodi hanno portato a stime selvaggiamente diverse, da pochi milioni di anni a “quadrilioni di anni”. Probabilmente la più affidabile di queste stime è stata prodotta dal geologo britannico Charles Lyell, che ha stimato che sono passati 240 milioni di anni dalla comparsa dei primi animali con conchiglie., Oggi gli scienziati sanno che la sua stima era troppo giovane; sappiamo che questo è avvenuto circa 530 milioni di anni fa.

Nel 1892, William Thomson (più tardi conosciuto come Lord Kelvin) calcolò l’età della Terra in modo sistematico (Figura 11.24). Presumeva che la Terra fosse iniziata come una palla di roccia fusa, che si è costantemente raffreddata nel tempo. Da queste ipotesi, ha calcolato che la Terra aveva 100 milioni di anni. Questa stima fu un duro colpo per i geologi e i sostenitori della teoria dell’evoluzione di Charles Darwin,che richiedeva una Terra più antica per fornire il tempo per l’evoluzione.,

I calcoli di Thomson, tuttavia, furono presto rivelati difettosi quando la radioattività fu scoperta nel 1896. La radioattività è la tendenza di alcuni atomi a decadere in atomi più leggeri, emettendo energia nel processo. I materiali radioattivi all’interno della Terra forniscono una costante fonte di calore. I calcoli dell’età della Terra usando il decadimento radioattivo hanno mostrato che la Terra è in realtà molto più vecchia di quanto calcolato da Thomson.

Decadimento radioattivo

La scoperta di materiali radioattivi ha fatto più che confutare la stima di Thomson dell’età della Terra., Ha fornito un modo per trovare l’età assoluta di una roccia. Per capire come questo è fatto, è necessario rivedere alcuni fatti sugli atomi.

Gli atomi contengono tre particelle: protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni si trovano nel nucleo, mentre gli elettroni orbitano attorno al nucleo. Il numero di protoni determina quale elemento stai esaminando. Ad esempio, tutti gli atomi di carbonio hanno sei protoni, tutti gli atomi di ossigeno hanno otto protoni e tutti gli atomi di oro hanno 79 protoni. Il numero di neutroni, tuttavia, è variabile., Un atomo di un elemento con un diverso numero di neutroni è un isotopo di quell’elemento. Ad esempio, l’isotopo carbonio-12 contiene 6 neutroni nel suo nucleo, mentre l’isotopo carbonio-13 ha 7 neutroni.

Alcuni isotopi sono radioattivi, il che significa che sono instabili e suscettibili di decadimento. Ciò significa che l’atomo cambierà spontaneamente da una forma instabile a una forma stabile. Ci sono due forme di decadimento nucleare che sono rilevanti nel modo in cui i geologi possono datare rocce (Tabella (11.,1):

Particella	Composizione	Effetto sul Nucleo
Alfa	2 protoni, 2 neutroni	Il nucleo contiene meno di due protoni e due un minor numero di neutroni.
Beta	1 elettrone	Un neutrone decade per formare un protone e un elettrone, che viene emesso.

Se un elemento decade perdendo una particella alfa, perderà 2 protoni e 2 neutroni., Se un atomo decade perdendo una particella beta, perde solo un elettrone.

Quindi cosa ha a che fare con l’età della Terra? Il decadimento radioattivo alla fine provoca la formazione di prodotti figlia stabili. I materiali radioattivi decadono a velocità note. Col passare del tempo, la percentuale di isotopi radioattivi diminuirà e la percentuale di isotopi figlia aumenterà. Una roccia con una percentuale relativamente elevata di isotopi radioattivi è probabilmente molto giovane, mentre una roccia con un’alta percentuale di prodotti figlie è probabilmente molto vecchia.,

Gli scienziati misurano il tasso di decadimento radioattivo con un’unità chiamata emivita. L’emivita di una sostanza radioattiva è la quantità di tempo, in media, necessaria per la metà degli atomi per decadere. Ad esempio, immagina una sostanza radioattiva con un’emivita di un anno. Quando si forma una roccia, contiene un certo numero di atomi radioattivi. Dopo un anno (un’emivita), metà degli atomi radioattivi sono decaduti per formare prodotti figlia stabili e il 50% degli atomi radioattivi rimane., Dopo un altro anno (due emivite), metà degli atomi radioattivi rimanenti sono decaduti e il 25% degli atomi radioattivi rimane. Dopo il terzo anno (tre emivite), rimane il 12,5% degli atomi radioattivi. Dopo quattro anni (quattro emivita), rimane il 6,25% degli atomi radioattivi e dopo 5 anni (cinque emivita) rimane solo il 3,125% degli atomi radioattivi.

Se trovi una roccia il cui materiale radioattivo ha un’emivita di un anno e misura il 3,125% di atomi radioattivi e il 96,875% di atomi figlia, puoi supporre che la sostanza abbia 5 anni., Il decadimento dei materiali radioattivi può essere mostrato con un grafico (Figura 11.25). Se trovi una roccia con il 75% degli atomi radioattivi rimanenti, su quanti anni ha?

Datazione radiometrica delle rocce

Nel processo di datazione radiometrica, vengono utilizzati diversi isotopi per datare rocce e altri materiali. Utilizzando diversi isotopi diversi aiuta gli scienziati a verificare l’accuratezza delle età che calcolano.,

Datazione al carbonio

L’atmosfera terrestre contiene tre isotopi di carbonio. Il carbonio-12 è stabile e rappresenta il 98,9% del carbonio atmosferico. Anche il carbonio-13 è stabile e rappresenta l ‘ 1,1% del carbonio atmosferico. Il carbonio-14 è radioattivo e si trova in piccole quantità. Il carbonio-14 viene prodotto naturalmente nell’atmosfera quando i raggi cosmici interagiscono con gli atomi di azoto. La quantità di carbonio-14 prodotta nell’atmosfera in un determinato momento è stata relativamente stabile nel tempo.

Il carbonio radioattivo-14 decade in azoto-14 stabile rilasciando una particella beta., Gli atomi di azoto vengono persi nell’atmosfera, ma la quantità di decadimento del carbonio-14 può essere stimata misurando la proporzione di carbonio-14 radioattivo in carbonio-12 stabile. Quando una sostanza invecchia, la quantità relativa di carbonio-14 diminuisce.

Il carbonio viene rimosso dall’atmosfera dalle piante durante il processo di fotosintesi. Gli animali consumano questo carbonio quando mangiano piante o altri animali che hanno mangiato piante. Pertanto la datazione al carbonio-14 può essere utilizzata per datare resti vegetali e animali. Gli esempi includono travi di un vecchio edificio, ossa o ceneri di un pozzo del fuoco., La datazione al carbonio può essere efficacemente utilizzata per trovare l’età dei materiali tra 100 e 50.000 anni.

La datazione al potassio-Argon

Il potassio-40 decade in argon-40 con un’emivita di 1,26 miliardi di anni. Poiché l’argon è un gas, può fuoriuscire dal magma fuso o dalla lava. Pertanto qualsiasi argon che si trova in un cristallo probabilmente formata a seguito del decadimento di potassio-40. Misurare il rapporto tra potassio-40 e argon-40 produrrà una buona stima dell’età del campione.

Il potassio è un elemento comune trovato in molti minerali come il feldspato, la mica e l’anfibolo., La tecnica può essere utilizzata per datare rocce ignee da 100.000 anni a oltre un miliardo di anni. Poiché può essere utilizzato per datare materiali geologicamente giovani, la tecnica è stata utile per stimare l’età dei depositi contenenti le ossa degli antenati umani.

Datazione uranio-Piombo

Due isotopi di uranio sono utilizzati per la datazione radiometrica. L’uranio-238 decade per formare il piombo-206 con un’emivita di 4,47 miliardi di anni. L’uranio-235 decade per formare il piombo-207 con un’emivita di 704 milioni di anni.

La datazione uranio-piombo viene solitamente eseguita su cristalli dello zircone minerale (Figura 11.,26). Quando lo zircone si forma in una roccia ignea, i cristalli accettano prontamente atomi di uranio ma rifiutano atomi di piombo. Pertanto, se si trova del piombo in un cristallo di zircone, si può presumere che sia stato prodotto dal decadimento dell’uranio.

La datazione uranio-piombo può essere utilizzata per datare rocce ignee da 1 milione di anni a circa 4,5 miliardi di anni. Alcune delle rocce più antiche della Terra sono state datate usando questo metodo, compresi i cristalli di zircone dall’Australia che hanno 4,4 miliardi di anni.,

Limitazioni della datazione radiometrica

La datazione radiometrica può essere utilizzata solo su materiali che contengono quantità misurabili di materiali radioattivi e dei loro prodotti derivati. Ciò include resti organici (che rispetto alle rocce sono relativamente giovani, meno di 100.000 anni) e rocce più vecchie. Idealmente, verranno utilizzate diverse tecniche radiometriche per datare la stessa roccia. L’accordo tra questi valori indica che l’età calcolata è accurata.,

In generale, la datazione radiometrica funziona meglio per le rocce ignee e non è molto utile per determinare l’età delle rocce sedimentarie. Per stimare l ” età di un deposito di roccia sedimentaria, geologi cercano rocce ignee vicine o interlayered che possono essere datati. Ad esempio, se uno strato di roccia sedimentaria è inserito tra due strati di cenere vulcanica, la sua età è compresa tra le età dei due strati di cenere.

Utilizzando una combinazione di datazione radiometrica, fossili di indice e sovrapposizione, i geologi hanno costruito una linea temporale ben definita della storia della Terra., Ad esempio, un flusso lavico sovrastante può fornire una stima affidabile dell’età di una formazione rocciosa sedimentaria in una posizione. Fossili indice contenuti in questa formazione possono quindi essere abbinati a fossili in una posizione diversa, fornendo una buona misura di età per quella nuova formazione rocciosa pure. Poiché questo processo è stato ripetuto in tutto il mondo, le nostre stime delle età delle rocce e dei fossili sono diventate sempre più accurate.

Riepilogo della lezione

Tecniche come la sovrapposizione e l’indice fossili possono indicare l’età relativa degli oggetti, quali oggetti sono più vecchi e quali sono più giovani., Sono necessari altri tipi di prove per stabilire l’età assoluta degli oggetti in anni. I geologi utilizzano una varietà di tecniche per stabilire l ” età assoluta, compresi radiometrica incontri, anelli degli alberi, carote di ghiaccio, e depositi sedimentari annuali chiamati varves.

La datazione radiometrica è la più utile di queste tecniche—è l’unica tecnica in grado di stabilire l’età di oggetti più vecchi di poche migliaia di anni. Le concentrazioni di diversi isotopi radioattivi (carbonio-14, potassio-40, uranio-235 e -238) e i loro prodotti figli vengono utilizzati per determinare l’età delle rocce e dei resti organici.,

Domande di revisione

1. Quali quattro tecniche vengono utilizzate per determinare l’età assoluta di un oggetto o evento?
2. Una sostanza radioattiva ha un’emivita di 5 milioni di anni. Qual è l’età di una roccia in cui rimane il 25% degli atomi radioattivi originali?
3. Uno scienziato sta studiando un pezzo di stoffa da un antico luogo di sepoltura. Determina che il 40% degli atomi di carbonio-14 originali rimangono nel tessuto. Sulla base del grafico del decadimento del carbonio (Figura 11.27), qual è l’età approssimativa del tessuto?
   

   Figura 11.,27: Decadimento radioattivo del carbonio-14

4. Quale isotopo o isotopi radioattivi useresti per datare ciascuno dei seguenti oggetti? Spiega ciascuna delle tue scelte.
   • Un pezzo di granito vecchio di 4 miliardi di anni.
   • Un letto di cenere vulcanica di un milione di anni che contiene le impronte di ominidi (antenati umani).
   • La pelliccia di un mammut lanoso che è stato recentemente recuperato congelato in un ghiacciaio.
   • Un trilobite fossilizzato recuperato da un letto di arenaria che ha circa 500 milioni di anni.,
5. Il principio dell’uniformitarionismo afferma che il presente è la chiave del passato. In altre parole, i processi che vediamo accadere oggi probabilmente hanno funzionato in modo simile in passato. Perché è importante supporre che il tasso di decadimento radioattivo sia rimasto costante nel tempo?

Vocabolario

età assoluta L’età di un oggetto in anni. particella alfa Particella costituita da due protoni e due neutroni che viene espulsa dal nucleo durante il decadimento radioattivo., particella beta Particella costituita da un singolo elettrone che viene espulso dal nucleo durante il decadimento radioattivo. Una particella beta viene creata quando un neutrone decade per formare un protone e l’elettrone emesso. prodotto figlia Sostanza stabile che viene prodotto dal decadimento di una sostanza radioattiva. Ad esempio, l’uranio-238 decade per produrre piombo-207. emivita Quantità di tempo necessario per la metà degli atomi di una sostanza radioattiva per decadere e formare prodotti figlia. nucleo di ghiaccio Cilindro di ghiaccio estratto da un ghiacciaio o calotta di ghiaccio., sostanza radioattiva instabile e suscettibile di emettere particelle energetiche e radiazioni. Emissione di radioattività di particelle ad alta energia e / o radiazioni da parte di alcuni atomi instabili. radiometrica incontri Processo di utilizzo delle concentrazioni di sostanze radioattive e prodotti figlia per stimare l ” età di un materiale. Man mano che le sostanze invecchiano, la quantità di atomi radioattivi diminuisce mentre la quantità di materiali figli aumenta. albero anello Strato di legno in un albero che si forma in un anno. È possibile determinare l’età di un albero contando i suoi anelli., varve Sottile strato di sedimenti depositati su un lago nel corso di un anno di solito si trovano sul fondo dei laghi glaciali.

Punti da considerare

• Perché tecniche come anelli degli alberi, carote di ghiaccio e varve sono utili solo per eventi accaduti negli ultimi mille anni?
• Perché era così importante per Darwin e i suoi seguaci dimostrare che la Terra era molto antica?
• Perché è importante utilizzare più di un metodo per trovare l’età di una roccia o di un altro oggetto?