știința Pământului

obiectivele lecției

• definiți diferența dintre vârsta absolută și vârsta relativă.
• descrieți patru metode de întâlnire absolută.
• explicați ce este radioactivitatea și dați exemple de dezintegrare radioactivă.
• explicați modul în care degradarea materialelor radioactive ajută la stabilirea vârstei unui obiect.
• estimați vârsta unui obiect, având în vedere timpul de înjumătățire și cantitățile de materiale radioactive și fiice.,
• dați patru exemple de materiale radioactive care sunt utilizate până în prezent obiecte și explicați modul în care este utilizat fiecare.în regiunile din afara tropicelor, copacii cresc mai repede în lunile calde de vară decât în timpul iernii mai reci. Acest model de creștere are ca rezultat alternarea benzilor de „lemn timpuriu” de culoare deschisă, de joasă densitate și de „lemn târziu”de înaltă densitate. Fiecare bandă întunecată reprezintă o iarnă; prin numărarea inelelor este posibil să se găsească vârsta copacului (figura 11.22)., Lățimea unei serii de inele de creștere poate oferi indicii despre climatele din trecut și diverse întreruperi, cum ar fi incendiile forestiere. Secetele și alte variații ale climei fac ca arborele să crească mai lent sau mai rapid decât în mod normal, ceea ce apare în lățimile inelelor copacilor. Aceste variații de inele de copac vor apărea în toți copacii care cresc într-o anumită regiune, astfel încât oamenii de știință pot potrivi inelele de creștere ale copacilor vii și morți. Folosind bușteni recuperați din clădiri vechi și ruine antice, oamenii de știință au reușit să compare inelele copacilor pentru a crea o înregistrare continuă a inelelor copacilor în ultimii 2.000 de ani., Această înregistrare a inelului de copac s-a dovedit extrem de utilă în crearea unei înregistrări a schimbărilor climatice și în găsirea vârstei structurilor antice.
  

  figura 11.22: secțiune transversală care arată inele de creștere. Partea groasă, de culoare deschisă a fiecărui inel reprezintă o creștere rapidă a primăverii și a verii. Partea subțire, întunecată a fiecărui inel reprezintă o creștere lentă a toamnei și a iernii.

  miezuri de gheață și Varves

  Mai multe alte procese duce la acumularea de straturi anuale distincte, care pot fi utilizate pentru datare., De exemplu, straturile se formează în interiorul ghețarilor, deoarece tinde să fie mai puține ninsori în timpul verii, permițând acumularea unui strat întunecat de praf deasupra zăpezii de iarnă (figura 11.23). Pentru a studia aceste modele, oamenii de știință forează adânc în foi de gheață, producând miezuri de sute de metri lungime. Oamenii de știință analizează aceste nuclee de gheață pentru a determina modul în care clima sa schimbat în timp, precum și pentru a măsura concentrațiile de gaze atmosferice. Cele mai lungi nuclee au ajutat la formarea unui record de climă polară care se întinde cu sute de mii de ani în urmă.,

  

  figura 11.23: secțiunea de bază de gheață care prezintă straturi anuale.un alt exemplu de straturi anuale este depunerea sedimentelor în lacuri, în special lacurile care se află la capătul ghețarilor. Topirea rapidă a ghețarului în timpul verii are ca rezultat un depozit gros, nisipos de sedimente. Aceste straturi groase alternează cu straturi subțiri, bogate în argilă depuse în timpul iernii. Straturile rezultate, numite varves, oferă oamenilor de știință indicii despre condițiile climatice din trecut., De exemplu, o vară deosebit de caldă ar putea duce la un strat foarte gros de sedimente depus din ghețarul topit. Varvele mai subțiri pot indica veri mai reci, deoarece ghețarul nu se topește la fel de mult și transportă la fel de mult sediment în lac.

  vârsta Pământului

  

  figura 11.24: Lord Kelvin.in timp ce inele de copac și alte straturi anuale sunt utile pentru datare evenimente relativ recente, ele nu sunt de mare folos pe scara largă a timpului geologic., În secolele XVIII și XIX, geologii au încercat să estimeze vârsta Pământului cu tehnici indirecte. De exemplu, geologii au măsurat cât de repede fluxurile au depus sedimente, pentru a încerca să calculeze cât timp a existat fluxul. Nu este surprinzător că aceste metode au dus la estimări extrem de diferite, de la câteva milioane de ani la „cvadrilioane de ani”. Probabil cea mai fiabilă dintre aceste estimări a fost produsă de geologul britanic Charles Lyell, care a estimat că au trecut 240 de milioane de ani de la apariția primelor animale cu cochilii., Astăzi oamenii de știință știu că estimarea lui era prea tânără; știm că acest lucru s-a întâmplat acum aproximativ 530 de milioane de ani.în 1892, William Thomson (mai târziu cunoscut sub numele de Lord Kelvin) a calculat vârsta Pământului într-un mod sistematic (figura 11.24). El a presupus că Pământul a început ca o minge de rocă topită, care sa răcit constant în timp. Din aceste ipoteze, el a calculat că pământul avea 100 de milioane de ani. Această estimare a fost o lovitură pentru geologi și susținători ai teoriei evoluției lui Charles Darwin, care a necesitat un pământ mai vechi pentru a oferi timp pentru ca evoluția să aibă loc.,totuși, calculele lui Thomson s-au dovedit curând a fi eronate când radioactivitatea a fost descoperită în 1896. Radioactivitatea este tendința anumitor atomi de a se descompune în atomi mai ușori, emițând energie în proces. Materialele Radioactive din interiorul Pământului oferă o sursă constantă de căldură. Calculele vârstei Pământului folosind dezintegrarea radioactivă au arătat că Pământul este de fapt mult mai vechi decât a calculat Thomson.

  dezintegrarea radioactivă

  descoperirea materialelor radioactive a făcut mai mult decât să infirme estimarea lui Thomson despre vârsta Pământului., A oferit o modalitate de a găsi vârsta absolută a unei stânci. Pentru a înțelege cum se face acest lucru, este necesar să revizuim câteva fapte despre atomi.atomii conțin trei particule: protoni, neutroni și electroni. Protonii și neutronii sunt localizați în nucleu, în timp ce electronii orbitează în jurul nucleului. Numărul de protoni determină ce element examinați. De exemplu, toți atomii de carbon au șase protoni, toți atomii de oxigen au opt protoni, iar toți atomii de aur au 79 de protoni. Cu toate acestea, numărul de neutroni este variabil., Un atom al unui element cu un număr diferit de neutroni este un izotop al acelui element. De exemplu, izotopul carbon-12 conține 6 neutroni în nucleul său, în timp ce izotopul carbon-13 are 7 neutroni.unii izotopi sunt radioactivi, ceea ce înseamnă că sunt instabili și probabil să se descompună. Aceasta înseamnă că atomul se va schimba spontan de la o formă instabilă la o formă stabilă. Există două forme de dezintegrare nucleară care sunt relevante în modul în care geologii pot Data roci (Tabelul (11.,1):

  Particule	Compozitie	Efect asupra Nucleului
  Alfa	2 protoni, 2 neutroni	nucleul conține două mai puține protoni și doi mai puțini neutroni.
  Beta	1 electron	un neutron se descompune pentru a forma un proton și un electron, care este emis.

  Dacă un element se descompune prin pierderea unei particule alfa, se va pierde 2 protoni și 2 neutroni., Dacă un atom se descompune pierzând o particulă beta, pierde doar un electron.deci, ce legătură are asta cu vârsta Pământului? Dezintegrarea radioactivă duce în cele din urmă la formarea de produse fiice stabile. Materialele Radioactive se descompun la rate cunoscute. Odată cu trecerea timpului, proporția izotopilor radioactivi va scădea, iar proporția izotopilor fiice va crește. O rocă cu o proporție relativ mare de izotopi radioactivi este probabil foarte tânără, în timp ce o rocă cu o proporție mare de produse fiice este probabil foarte veche.,oamenii de știință măsoară rata de dezintegrare radioactivă cu o unitate numită timp de înjumătățire. Timpul de înjumătățire al unei substanțe radioactive este timpul necesar, în medie, pentru ca jumătate din atomi să se descompună. De exemplu, imaginați-vă o substanță radioactivă cu un timp de înjumătățire de un an. Când se formează o rocă, ea conține un anumit număr de atomi radioactivi. După un an (un timp de înjumătățire), jumătate din atomii radioactivi s-au descompus pentru a forma produse fiice stabile, iar 50% din atomii radioactivi rămân., După încă un an (doi timpi de înjumătățire), jumătate din atomii radioactivi rămași s-au descompus și 25% din atomii radioactivi rămân. După al treilea an (trei timpi de înjumătățire), 12,5% din atomii radioactivi rămân. După patru ani (patru de înjumătățire), de 6,25% de atomi radioactivi rămâne, și după 5 ani (cinci înjumătățire), numai 3.125% din atomi radioactivi rămâne.

  Dacă ați găsit o piatră al cărei material radioactiv are o jumătate de viață de un an și măsura 3.125% atomi radioactivi și 96.875% fata de atomi, puteți presupune că substanța este de 5 ani., Degradarea materialelor radioactive poate fi prezentată cu un grafic (figura 11.25). Dacă găsiți o rocă cu 75% din atomii radioactivi rămași, cam cât de veche este?

  

  figura 11.25: degradarea unei substanțe radioactive imaginare cu un timp de înjumătățire de un an.datarea radiometrică a rocilor

  în procesul de datare radiometrică, mai mulți izotopi sunt utilizați pentru a data roci și alte materiale. Utilizarea mai multor izotopi diferiți îi ajută pe oamenii de știință să verifice acuratețea vârstelor pe care le calculează.,

  datarea cu Carbon

  atmosfera Pământului conține trei izotopi de carbon. Carbon-12 este stabil și reprezintă 98,9% din carbonul atmosferic. Carbon-13 este, de asemenea, stabil și reprezintă 1,1% din carbonul atmosferic. Carbon-14 este radioactiv și se găsește în cantități mici. Carbon-14 este produs în mod natural în atmosferă atunci când razele cosmice interacționează cu atomii de azot. Cantitatea de carbon-14 produsă în atmosferă în orice moment a fost relativ stabilă în timp.

  carbonul radioactiv-14 se descompune la azotul stabil-14 prin eliberarea unei particule beta., Atomii de azot se pierd în atmosferă, dar cantitatea de dezintegrare carbon-14 poate fi estimată prin măsurarea proporției de carbon-14 radioactiv la carbon-12 stabil. Pe măsură ce o substanță îmbătrânește, cantitatea relativă de carbon-14 scade.carbonul este îndepărtat din atmosferă de către plante în timpul procesului de fotosinteză. Animalele consumă acest carbon atunci când mănâncă plante sau alte animale care au mâncat plante. Prin urmare, datarea cu carbon-14 poate fi folosită până în prezent pentru resturi de plante și animale. Exemplele includ Cherestea dintr-o clădire veche, oase sau cenușă dintr-o groapă de foc., Datarea cu Carbon poate fi utilizată eficient pentru a găsi vârsta materialelor între 100 și 50.000 de ani.potasiul-40 se descompune în argon-40 cu un timp de înjumătățire de 1,26 miliarde de ani. Deoarece argonul este un gaz, acesta poate scăpa de magma topită sau de lavă. Prin urmare, orice argon care se găsește într-un cristal probabil format ca urmare a degradării potasiului-40. Măsurarea raportului dintre potasiu – 40 și argon-40 va produce o estimare bună a vârstei eșantionului.potasiul este un element comun care se găsește în multe minerale, cum ar fi feldspatul, mica și amfibolul., Tehnica poate fi folosită până în prezent roci magmatice de la 100.000 de ani la peste un miliard de ani. Deoarece poate fi folosită până în prezent materiale tinere din punct de vedere geologic, tehnica a fost utilă în estimarea vârstei depozitelor care conțin oasele strămoșilor umani.

  datare uraniu-plumb

  doi izotopi de uraniu sunt utilizate pentru datare radiometrice. Uraniul-238 se descompune pentru a forma plumb-206 cu un timp de înjumătățire de 4,47 miliarde de ani. Uraniul-235 se descompune pentru a forma plumb-207 cu un timp de înjumătățire de 704 milioane de ani.datarea cu uraniu-plumb este de obicei efectuată pe cristale de zircon mineral (Figura 11.,26). Când zirconul se formează într-o rocă magmatică, cristalele acceptă cu ușurință atomii de uraniu, dar resping atomii de plumb. Prin urmare, dacă se găsește vreun plumb într-un cristal de zircon, se poate presupune că a fost produs din dezintegrarea uraniului.

  

  figura 11.26: cristal de Zircon.datarea cu uraniu-plumb poate fi folosită până în prezent roci magmatice de la 1 milion de ani până la aproximativ 4,5 miliarde de ani. Unele dintre cele mai vechi roci de pe Pământ au fost datate folosind această metodă, inclusiv cristale de zircon din Australia care au 4, 4 miliarde de ani.,datarea radiometrică poate fi utilizată numai pe materiale care conțin cantități măsurabile de materiale radioactive și produsele lor fiice. Aceasta include resturi organice (care în comparație cu rocile sunt relativ tinere, mai puțin de 100.000 de ani) și roci mai vechi. În mod ideal, mai multe tehnici radiometrice diferite vor fi utilizate până în prezent aceeași rocă. Acordul dintre aceste valori indică faptul că vârsta calculată este corectă.,în general, datarea radiometrică funcționează cel mai bine pentru rocile igneous și nu este foarte utilă pentru determinarea vârstei rocilor sedimentare. Pentru a estima vârsta unui depozit de roci sedimentare, geologii caută roci magmatice din apropiere sau intercalate care pot fi datate. De exemplu, dacă un strat de rocă sedimentară este intercalat între două straturi de cenușă vulcanică, vârsta sa este cuprinsă între vârstele celor două straturi de cenușă.folosind o combinație de datări radiometrice, fosile index și suprapuneri, geologii au construit o cronologie bine definită a istoriei Pământului., De exemplu, un flux de lavă suprapus poate oferi o estimare fiabilă a vârstei formării rocilor sedimentare într-o singură locație. Index fosile conținute în această formare pot fi apoi adaptate la fosile într-o locație diferită, oferind o măsurare de vârstă bun pentru că formarea de rocă nouă, de asemenea. Pe măsură ce acest proces a fost repetat peste tot în lume, estimările noastre despre vârstele rocilor și fosilelor au devenit din ce în ce mai precise.

  Rezumatul lecției

  tehnicile precum superpoziția și fosilele indexului vă pot spune vârsta relativă a obiectelor, care obiecte sunt mai vechi și care sunt mai tinere., Alte tipuri de dovezi sunt necesare pentru a stabili vârsta absolută a obiectelor în ani. Geologii folosesc o varietate de tehnici pentru a stabili vârsta absolută, inclusiv datarea radiometrică, inelele copacilor, miezurile de gheață și depozitele sedimentare anuale numite varves.datarea radiometrică este cea mai utilă dintre aceste tehnici—este singura tehnică care poate stabili vârsta obiectelor mai vechi de câteva mii de ani. Concentrațiile mai multor izotopi radioactivi (carbon-14, potasiu-40, uraniu-235 și -238) și produsele lor fiice sunt utilizate pentru a determina vârsta rocilor și a rămășițelor organice.,

  întrebări de revizuire

  1. ce patru tehnici sunt folosite pentru a determina vârsta absolută a unui obiect sau eveniment?
  2. o substanță radioactivă are un timp de înjumătățire de 5 milioane de ani. Care este vârsta unei roci în care rămân 25% din atomii radioactivi originali?
  3. un om de știință studiază o bucată de pânză dintr-un loc vechi de înmormântare. Ea stabilește că 40% din atomii originali de carbon-14 rămân în pânză. Pe baza graficului de dezintegrare a carbonului (figura 11.27), care este vârsta aproximativă a pânzei?
     

     Figura 11.,27: dezintegrarea radioactivă a carbonului-14

  ce izotop radioactiv sau izotopi ați folosi până în prezent fiecare dintre următoarele obiecte? Explicați fiecare dintre alegerile tale.o bucată de granit veche de 4 miliarde de ani.

  4. un pat vechi de un milion de ani de cenușă vulcanică care conține amprentele hominidelor (strămoșii umani).
  5. blana unui mamut lânos care a fost recent recuperat înghețat într-un ghețar.
  6. un trilobit fosilizat recuperat dintr-un pat de gresie care are aproximativ 500 de milioane de ani.,

vocabular

vârsta absolută vârsta unui obiect în ani. particule de particule alfa constând din doi protoni și doi neutroni care este ejectat din nucleu în timpul dezintegrării radioactive., particule de particule beta constând dintr-un singur electron care este ejectat din nucleu în timpul dezintegrării radioactive. O particulă beta este creată atunci când un neutron se descompune pentru a forma un proton și electronul emis. fiica produs substanță stabilă, care este produsă prin dezintegrarea unei substanțe radioactive. De exemplu, uraniul-238 se descompune pentru a produce plumb-207. timpul de înjumătățire este necesar pentru ca jumătate din atomii unei substanțe radioactive să se descompună și să formeze produse fiice. cilindru de gheață de gheață extras dintr-un ghețar sau o foaie de gheață., substanță radioactivă care este instabilă și care poate emite particule energetice și radiații. emisia de radioactivitate a particulelor de energie înaltă și / sau a radiațiilor de către anumiți atomi instabili. radiometric datare procesul de utilizare a concentrațiilor de substanțe radioactive și produse fiice pentru a estima vârsta unui material. Pe măsură ce substanțele îmbătrânesc, cantitățile de atomi radioactivi scad, în timp ce cantitățile de materiale fiice cresc. copac inel strat de lemn într-un copac care se formează într-un an. Puteți determina vârsta unui copac prin numărarea inelelor sale., varve strat subțire de sedimente depuse pe un lacbed pe parcursul unui an, de obicei, găsite în partea de jos a lacurilor glaciare.

puncte de luat în considerare

• De ce sunt tehnici precum inele de copac, miezuri de gheață și varves utile doar pentru evenimentele care au avut loc în ultimele mii de ani?
• de ce a fost atât de important pentru Darwin și urmașii săi să demonstreze că Pământul era foarte vechi?
• De ce este important să folosiți mai multe metode pentru a găsi vârsta unei roci sau a unui alt obiect?