Nauka o Ziemi

cele lekcji

• Zdefiniuj różnicę między wiekiem absolutnym a wiekiem względnym.
• opisz cztery metody datowania absolutnego.
• wyjaśnij czym jest radioaktywność i podaj przykłady rozpadu promieniotwórczego.
• wyjaśnij, w jaki sposób rozpad materiałów radioaktywnych pomaga ustalić wiek obiektu.
• oszacuj wiek obiektu, biorąc pod uwagę okres półtrwania oraz ilości materiałów radioaktywnych i pochodnych.,
• podaj cztery przykłady materiałów radioaktywnych, które są używane do datowania obiektów i wyjaśnij, w jaki sposób każdy z nich jest używany.

pierścienie drzew

w regionach poza tropikami drzewa rosną szybciej w ciepłych miesiącach letnich niż w chłodniejszej zimie. Ten wzór wzrostu powoduje naprzemienne pasma jasnego, niskiej gęstości „wczesnego drewna” i ciemnego, wysokiej gęstości „późnego drewna”. Każdy ciemny pas reprezentuje zimę; licząc pierścienie można znaleźć wiek drzewa (rysunek 11.22)., Szerokość serii pierścieni wzrostu może dać wskazówki do przeszłych klimatów i różnych zakłóceń, takich jak pożary lasów. Susze i inne zmiany klimatu sprawiają, że drzewo rośnie wolniej lub szybciej niż normalnie, co pojawia się w szerokościach pierścieni drzew. Te odmiany pierścieni drzew pojawią się na wszystkich drzewach rosnących w określonym regionie, więc naukowcy mogą dopasować pierścienie wzrostu żywych i martwych drzew. Używając dzienników odzyskanych ze starych budynków i starożytnych ruin, naukowcy byli w stanie porównać pierścienie drzew, aby stworzyć ciągły zapis pierścieni drzew w ciągu ostatnich 2000 lat., Ten zapis pierścienia drzew okazał się niezwykle przydatny w tworzeniu zapisu zmian klimatu i w znalezieniu wieku starożytnych struktur.

rdzenie lodowe i Varves

kilka innych procesów powoduje nagromadzenie różnych warstw rocznych, które mogą być używane do datowania., Na przykład warstwy tworzą się w lodowcach, ponieważ latem występuje mniej opadów śniegu, umożliwiając gromadzenie się ciemnej warstwy pyłu na szczycie zimowego śniegu (rysunek 11.23). Aby zbadać te wzory, naukowcy wiercą głęboko w pokrywach lodowych, produkując rdzenie o długości setek metrów. Naukowcy analizują te rdzenie lodowe, aby określić, jak klimat zmieniał się w czasie, a także zmierzyć stężenia gazów atmosferycznych. Najdłuższe rdzenie przyczyniły się do stworzenia rekordu polarnego klimatu sięgającego setek tysięcy lat wstecz.,

Innym przykładem warstw rocznych jest odkładanie się osadów w jeziorach, zwłaszcza jeziorach położonych na krańcach lodowców. Szybkie topnienie lodowca w lecie skutkuje gęstym, piaszczystym osadem. Te grube warstwy przeplatają się z cienkimi, bogatymi w glinę warstwami osadzającymi się w zimie. Powstałe warstwy, zwane varves, dają naukowcom wskazówki dotyczące przeszłych warunków klimatycznych., Na przykład szczególnie ciepłe lato może spowodować powstanie bardzo grubej warstwy osadu odkładającego się z topniejącego lodowca. Cieńsze warfy mogą wskazywać na chłodniejsze lata, ponieważ lodowiec nie topi się tak bardzo i przenosi tyle osadów do jeziora.

wiek Ziemi

chociaż pierścienie drzew i inne warstwy roczne są przydatne do datowania stosunkowo niedawnych wydarzeń, nie są zbyt użyteczne w ogromnej skali czasu geologicznego., W XVIII i XIX wieku geolodzy próbowali oszacować wiek Ziemi za pomocą technik pośrednich. Na przykład geolodzy zmierzyli, jak szybko strumienie osadzają się osady, aby spróbować obliczyć, jak długo strumień istniał. Nic dziwnego, że metody te doprowadziły do szalenie różnych szacunków, od kilku milionów lat do „kwadrylionów lat”. Prawdopodobnie najbardziej wiarygodną z tych szacunków sporządził Brytyjski geolog Charles Lyell, który oszacował, że od pojawienia się pierwszych zwierząt z muszlami minęło 240 milionów lat., Dziś naukowcy wiedzą, że jego szacunki były zbyt młode; wiemy, że miało to miejsce około 530 milionów lat temu.

W 1892 roku William Thomson (znany później jako Lord Kelvin) obliczył wiek Ziemi w sposób systematyczny (rysunek 11.24). Zakładał, że ziemia zaczęła się jako kula stopionej skały, która stopniowo ochładzała się w czasie. Na podstawie tych założeń obliczył, że Ziemia ma 100 milionów lat. Oszacowanie to było ciosem dla geologów i zwolenników teorii ewolucji Karola Darwina, która wymagała starszej ziemi, aby zapewnić czas na ewolucję.,

obliczenia Thomsona okazały się jednak wkrótce błędne, gdy w 1896 roku odkryto radioaktywność. Radioaktywność jest tendencją niektórych atomów do rozpadu na lżejsze Atomy, emitujące energię w procesie. Materiały radioaktywne we wnętrzu Ziemi zapewniają stałe źródło ciepła. Obliczenia wieku Ziemi z wykorzystaniem rozpadu promieniotwórczego wykazały, że Ziemia jest w rzeczywistości znacznie starsza niż obliczył Thomson.

rozpad radioaktywny

odkrycie materiałów radioaktywnych nie podważyło szacunków Thomsona dotyczących wieku Ziemi., To dało sposób na odnalezienie absolutnego wieku skały. Aby zrozumieć, jak to się robi, konieczne jest dokonanie przeglądu niektórych faktów na temat atomów.

Atomy zawierają trzy cząstki: protony, neutrony i elektrony. Protony i neutrony znajdują się w jądrze, podczas gdy elektrony krążą wokół jądra. Liczba protonów decyduje o tym, który element badasz. Na przykład, wszystkie atomy węgla mają sześć protonów, wszystkie atomy tlenu mają osiem protonów, a wszystkie atomy złota mają 79 protonów. Liczba neutronów jest jednak zmienna., ATOM pierwiastka o różnej liczbie neutronów jest izotopem tego pierwiastka. Na przykład izotop węgla-12 zawiera 6 neutronów w jądrze, podczas gdy izotop węgla-13 ma 7 neutronów.

niektóre izotopy są radioaktywne, co oznacza, że są niestabilne i mogą się rozpadać. Oznacza to, że atom spontanicznie zmieni się z niestabilnej Formy do stabilnej formy. Istnieją dwie formy rozpadu jądrowego, które są istotne w tym, jak geolodzy mogą datować skały (tabela (11.,1):

cząstka	skład	wpływ na jądro
Alfa	2 protony, 2 neutrony	dwa neutrony mniej.
Beta	1 elektron	jeden neutron rozpada się tworząc Proton i elektron, który jest emitowany.

Jeśli element rozpada się przez utratę cząstki alfa, straci 2 protony i 2 neutrony., Jeśli atom rozpada się, tracąc cząstkę beta, traci tylko jeden elektron.

Co to ma wspólnego z wiekiem Ziemi? Rozpad radioaktywny prowadzi ostatecznie do powstania stabilnych produktów pochodnych. Materiały radioaktywne rozpadają się w znanym tempie. W miarę upływu czasu udział izotopów promieniotwórczych maleje, a udział izotopów pochodnych wzrośnie. Skała o stosunkowo dużej zawartości izotopów promieniotwórczych jest prawdopodobnie bardzo młoda, zaś skała o dużej zawartości produktów pochodnych jest prawdopodobnie bardzo stara.,

naukowcy mierzą szybkość rozpadu promieniotwórczego za pomocą jednostki zwanej okresem półtrwania. Okres półtrwania substancji radioaktywnej jest ilość czasu, średnio, To Trwa dla połowy atomów do rozpadu. Na przykład wyobraź sobie substancję radioaktywną o okresie półtrwania wynoszącym jeden rok. Kiedy skała jest utworzona, zawiera pewną liczbę atomów radioaktywnych. Po roku (jeden okres półtrwania) połowa atomów radioaktywnych rozpadła się tworząc stabilne produkty pochodne, a 50% atomów radioaktywnych pozostaje., Po kolejnym roku (dwa okresy półtrwania) połowa pozostałych atomów radioaktywnych rozpadła się, a 25% atomów radioaktywnych pozostało. Po trzecim roku (trzy okresy półtrwania), 12,5% atomów radioaktywnych pozostaje. Po czterech latach (cztery okresy półtrwania), 6,25% atomów radioaktywnych pozostaje, a po 5 latach (pięć okresów półtrwania), tylko 3,125% atomów radioaktywnych pozostaje.

Jeśli znajdziesz skałę, której materiał radioaktywny ma okres półtrwania wynoszący jeden rok i mierzy 3,125% atomów radioaktywnych i 96,875% atomów pochodnych, możesz założyć, że substancja ma 5 lat., Rozpad materiałów radioaktywnych można pokazać na wykresie (rysunek 11.25). Jeśli znajdziesz kamień z 75% radioaktywnych atomów, ile ma lat?

Datowanie radiometryczne skał

w procesie datowania radiometrycznego stosuje się kilka izotopów do datowania skał i innych materiałów. Użycie kilku różnych izotopów pomaga naukowcom sprawdzić dokładność wieku, który obliczają.,

Datowanie węglowe

ziemska atmosfera zawiera trzy izotopy węgla. Węgiel-12 jest stabilny i stanowi 98,9% węgla atmosferycznego. Węgiel-13 jest również stabilny i stanowi 1,1% węgla atmosferycznego. Węgiel-14 jest radioaktywny i występuje w niewielkich ilościach. Węgiel-14 powstaje naturalnie w atmosferze, gdy promienie kosmiczne oddziałują z atomami azotu. Ilość węgla-14 wytwarzanego w atmosferze w danym momencie była stosunkowo stabilna w czasie.

radioaktywny węgiel-14 rozpada się do stabilnego azotu-14 uwalniając cząstkę beta., Atomy azotu są tracone do atmosfery, ale ilość rozpadu węgla-14 można oszacować mierząc proporcję radioaktywnego węgla – 14 do stabilnego węgla-12. W miarę starzenia się substancji względna ilość węgla-14 maleje.

węgiel jest usuwany z atmosfery przez rośliny podczas procesu fotosyntezy. Zwierzęta zużywają ten węgiel, gdy jedzą rośliny lub inne zwierzęta, które zjadły rośliny. Dlatego datowanie węglem-14 Może być wykorzystane do datowania szczątków roślin i zwierząt. Przykłady obejmują belki ze starego budynku, kości, lub popiół z paleniska., Datowanie węglowe może być skutecznie wykorzystane do znalezienia wieku materiałów między 100 a 50 000 lat.

Datowanie potasowo-Argonowe

potas-40 rozpada się na argon-40 o okresie półtrwania 1,26 miliarda lat. Ponieważ argon jest gazem, może uciec ze stopionej magmy lub lawy. Dlatego każdy argon, który znajduje się w krysztale, prawdopodobnie powstał w wyniku rozpadu potasu-40. Pomiar stosunku potasu – 40 do argonu-40 da dobre oszacowanie wieku próbki.

potas jest powszechnym pierwiastkiem występującym w wielu minerałach, takich jak skalenie, Mika i amfibole., Technika ta może być wykorzystana do datowania skał magmowych od 100 000 lat do ponad miliarda lat. Ponieważ może być stosowana do datowania geologicznie młodych materiałów, technika ta była przydatna przy szacowaniu wieku osadów zawierających kości ludzkich przodków.

Datowanie uranowo-ołowiowe

do datowania radiometrycznego stosuje się dwa izotopy uranu. Uran-238 rozpada się tworząc ołów-206 o okresie półtrwania 4,47 miliarda lat. Uran-235 rozpada się tworząc ołów – 207 o okresie półtrwania 704 milionów lat.

datowanie uranowo-ołowiowe jest zwykle wykonywane na kryształach cyrkonu mineralnego (ryc. 11.,26). Kiedy cyrkon tworzy się w skale magmowej, kryształy łatwo przyjmują Atomy uranu, ale odrzucają Atomy ołowiu. Dlatego, jeśli jakikolwiek ołów znajduje się w krysztale cyrkonu, można założyć, że powstał on z rozpadu uranu.

datowanie uranowo-ołowiowe może być wykorzystane do datowania skał magmowych o wieku od 1 miliona lat do około 4,5 miliarda lat. Niektóre z najstarszych skał na Ziemi zostały datowane za pomocą tej metody, w tym kryształy cyrkonu z Australii, które mają 4,4 miliarda lat.,

ograniczenia datowania Radiometrycznego

datowanie radiometryczne może być stosowane tylko na materiałach, które zawierają wymierne ilości materiałów promieniotwórczych i ich produktów pochodnych. Obejmuje to pozostałości organiczne (które w porównaniu ze skałami są stosunkowo młode, mają mniej niż 100 000 lat) i starsze skały. Idealnie, kilka różnych technik radiometrycznych będzie stosowane do tej samej skały. Zgodność między tymi wartościami wskazuje, że obliczony wiek jest dokładny.,

ogólnie rzecz biorąc datowanie radiometryczne najlepiej sprawdza się w przypadku skał magmowych i nie jest zbyt przydatne do określania wieku skał osadowych. Aby oszacować wiek złoża skał osadowych, geolodzy szukają pobliskich lub przeplatanych skał magmowych, które mogą być datowane. Na przykład, jeśli warstwa skał osadowych jest umieszczona między dwiema warstwami popiołu wulkanicznego, jej wiek jest między wiekami dwóch warstw popiołu.

korzystając z kombinacji datowania radiometrycznego, skamieniałości indeksowych i superpozycji, geolodzy skonstruowali dobrze zdefiniowaną oś czasu historii Ziemi., Na przykład przepływ lawy może dać wiarygodne oszacowanie wieku formacji skał osadowych w jednym miejscu. Skamieniałości indeksowe zawarte w tej formacji można następnie dopasować do skamieniałości w innej lokalizacji, zapewniając dobry pomiar wieku dla tej nowej formacji skalnej. Ponieważ proces ten był powtarzany na całym świecie, nasze szacunki dotyczące wieku skał i skamieniałości stały się coraz dokładniejsze.

podsumowanie lekcji

techniki takie jak superpozycja i indeks pozwalają określić względny wiek obiektów, które obiekty są starsze, a które młodsze., Inne rodzaje dowodów są potrzebne do ustalenia bezwzględnego wieku obiektów w latach. Geolodzy używają różnych technik do ustalenia absolutnego wieku, w tym datowania radiometrycznego, pierścieni drzew, rdzeni lodowych i rocznych osadów zwanych warwami.

datowanie radiometryczne jest najbardziej użyteczną z tych technik—jest to jedyna technika, która może ustalić wiek obiektów starszych niż kilka tysięcy lat. Stężenia kilku izotopów promieniotwórczych (węgiel-14, potas-40, uran-235 i-238) i ich produktów pochodnych są wykorzystywane do określania wieku skał i szczątków organicznych.,

pytania przeglądowe

1. jakie cztery techniki są używane do określenia bezwzględnego wieku obiektu lub zdarzenia?
2. radioaktywna substancja ma okres półtrwania 5 milionów lat. Jaki jest wiek skały, w której pozostało 25% pierwotnych atomów radioaktywnych?
3. Naukowiec bada kawałek materiału ze starożytnego miejsca pochówku. Określa ona, że 40% oryginalnych atomów węgla-14 pozostaje w tkaninie. Na podstawie wykresu rozkładu węgla (rysunek 11.27), jaki jest przybliżony wiek tkaniny?
   

   Rysunek 11.,27: radioaktywny rozpad węgla-14

4. jakiego radioaktywnego izotopu lub izotopów użyłbyś do datowania każdego z następujących obiektów? Wyjaśnij każdy ze swoich wyborów.
   • 4 miliardowy kawałek granitu.
   • milionowe łoże popiołu wulkanicznego, które zawiera ślady hominidów (ludzkich przodków).
   • futro wełnianego mamuta, które niedawno odzyskano zamrożone w lodowcu.
   • skamieniały trylobit wydobyty z złoża piaskowca sprzed około 500 milionów lat.,
5. zasada uniformitarionizmu głosi, że teraźniejszość jest kluczem do przeszłości. Innymi słowy, procesy, które widzimy zachodzące dzisiaj prawdopodobnie działały w podobny sposób w przeszłości. Dlaczego ważne jest założenie, że tempo rozpadu promieniotwórczego pozostaje stałe w czasie?

słownictwo

wiek bezwzględny wiek obiektu w latach. cząstka Alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, które są wyrzucane z jądra podczas rozpadu promieniotwórczego., cząstka beta składa się z pojedynczego elektronu, który jest wyrzucany z jądra podczas rozpadu promieniotwórczego. Cząstka beta powstaje, gdy Neutron rozpada się tworząc proton i wyemitowany elektron. produkt Pochodny stabilna substancja, która jest wytwarzana przez rozpad substancji radioaktywnej. Na przykład uran-238 rozpada się, tworząc ołów-207. okres półtrwania czas wymagany dla połowy atomów substancji radioaktywnej do rozpadu i tworzenia produktów pochodnych. Cylinder rdzenia lodowego z lodu wydobywanego z lodowca lub pokrywy lodowej., substancja radioaktywna, która jest niestabilna i może emitować energiczne cząstki i promieniowanie. emisja promieniotwórcza cząstek wysokoenergetycznych i / lub promieniowania przez niektóre niestabilne Atomy. proces datowania radiometrycznego polegający na wykorzystaniu stężeń substancji promieniotwórczych i produktów pochodnych do oszacowania wieku materiału. W miarę starzenia się substancji ilość atomów radioaktywnych zmniejsza się, podczas gdy ilość materiałów pochodnych wzrasta. warstwa pierścienia drzewa w drzewie, które tworzą się w ciągu jednego roku. Możesz określić wiek drzewa, licząc jego pierścienie., varve cienka warstwa osadów osadzonych na jeziorze w ciągu jednego roku Zwykle znalezione na dnie jezior polodowcowych.

punkty do rozważenia

• dlaczego techniki takie jak pierścienie drzew, rdzenie lodowe i Varve są przydatne tylko dla wydarzeń, które miały miejsce w ciągu ostatnich kilku tysięcy lat?
• dlaczego tak ważne było dla Darwina i jego zwolenników udowodnienie, że Ziemia jest bardzo stara?
• dlaczego ważne jest, aby użyć więcej niż jednej metody, aby znaleźć Wiek skały lub innego obiektu?