Vek Zeme

Slnečná sústava – polomery obežných dráh ani veľkosti planét nie sú v správnej mierke

Vek Zeme je približne 4,5 miliardy (4,5. 10⁹) rokov. Toto číslo je kompromisom medzi vekom najstaršieho minerálu nájdeného na Zemi – zirkónu z Jack Hills v Austrálii a astronómami a planetológmi odhadovaného veku slnečnej sústavy. Rádiometrickým datovaním zirkónu bol stanovený jeho vek na 4,4 miliardy rokov (±8 miliónov rokov). Porovnanie masy a svietivosti Slnka s množstvom iných hviezd sa zdá, že vek celej slnečnej sústavy nemôže byť omnoho starší. Toto korešponduje s vekom Ca-Al inklúzií nájdených v meteoritoch, ktoré boli vytvorené spolu so vznikom slnečnej sústavy a ich vek bol stanovený na 4,567 miliardy rokov, čo určuje vek slnečnej sústavy a indikuje hornú hranicu veku Zeme. Utváranie Zeme akréciou tuhých častíc sa teda začalo čoskoro po vzniku týchto inklúzií a meteoritov. Nakoľko čas akrécie nie je presne známy (rôzne modely sa rozchádzajú v miliónoch rokov), nedá sa ani presnejšie určiť vek Zeme.

O presnom čísle veku Zeme pozri aj Hadaikum#Začiatok hadaika resp. čas vzniku slnečnej_sústavy a Zeme.

Vývoj predstáv a výskum

Predvedecké predstavy

V storočiach predchádzajúcich vedecko-technickej revolúcii boli predstavy o stvorení Zeme prevažne náboženského charakteru. Tieto predstavy pretrvávajú aj dodnes, niektoré skupiny dokonca odmietajú akékoľvek vedecké dôkazy.

Niektoré hinduistické pohľady trvajú na tom, že vesmír sa vytvára, zaniká a znovu sa vytvára v cykloch. V hinduistickej kozmológii je stanovený vek trvania vesmíru na 4,32 miliardy rokov (čo predstavuje jeden deň života Brahmu). Potom bude zničený a znovu sa stvorí. Podľa Číňanov Zem vzniká a zaniká v 23 miliónových ročných cykloch.

Európske predstavy boli omnoho konzervatívnejšie. Arcibiskup James Ussher z Armaghu vyrátal v roku 1654 podľa Biblie a astronomických pozorovaní dátum stvorenia Zeme na 23. október 4004 pred Kr. Byzantský filozof, misionár a zakladateľ slovanského písomníctva Konštantín Filozof vo svojom predhovore k staroslovienskemu prekladu Biblie známom pod menom Proglas čiže Predslov (je vôbec prvou literárnou pamiatkou v staroslovienčine) uviedol dobovú predstavu o veku Zeme s tým, že hovoril o siedmom tisícročí. Siedme tisícročie vyšlo tak, že od stvorenia sveta (a Zeme) opísaného v Biblii, do narodenia Kristovho sa počítalo 5 508 rokov; keď sa k tomu pripočíta 863 (rok príchodu Konštantína a Metoda na Moravu), vyjde 6 371 rokov, teda 7. tisícročie.

Niekoľko ľudí (hlavne Aristoteles) si predstavovalo, že Zem je večná.

Prvé koncepty

Charles Lyell

V 18. storočí sa už prírodovedci pokúsili stanoviť vek Zeme vedeckými metódami. Michail Lomonosov, považovaný aj za zakladateľa ruskej vedy, bol jedným z prvých, kto sa pokúsil vyriešiť túto úlohu. Vek Zeme odhadoval na pár desiatok tisíc rokov.

Lomonosovove myšlienky boli až príliš špekulatívne. V roku 1779 sa Francúz Comte du Buffon snažil zistiť vek Zeme pokusom. Zostrojil malý model s podobným zložením ako Zem. Tento model pomaly ochladzoval a vyšlo mu, že Zem je stará 75 000 rokov.

Veľmi málo prírodovedcov si myslelo to isté. Väčšina predpokladala, že Zem je večná, alebo jej vznik odvodzovali od biblických predstáv. Ale, mnoho geológov štúdiom vrstiev hornín prišlo na to, že Zem sa časom menila. Tieto vrstvy občas obsahovali skameneliny neznámych organizmov. V roku 1790 britský prírodovedec William Smith poukázal na to, že v rozličných vrstvách sa nenachádzajú rovnaké skameneliny, čo poukazovalo na to, že dané vrstvy nie sú rovnako staré.

Niektorí prírodovedci (medzi nimi aj Smithov študent John Phillips) použili túto myšlienku na rekonštrukciu histórie Zeme, ale nevedeli zaradiť jednotlivé vrstvy na časovej škále, ani odhadnúť ich vek. V 1830 geológ Charles Lyell posunul túto teóriu ďalej, zapracoval do nej neustále zmeny Zeme (eróziu a tvorbu pohorí) a vytvoril novú teóriu pojednávajúcu o dejoch na Zemi  – aktualizmus.

Prvé výpočty (fyzikov, geológov a biológov)

V roku 1862 glasgowský fyzik William Thomson publikoval článok, v ktorom uviedol vek Zeme medzi 20 až 400 miliónov rokmi. Tento údaj zistil z výpočtov časov potrebných na ochladenie roztavenej kamennej gule rozmerov Zeme na izbovú teplotu. S danými časmi však bol problém, nakoľko niektoré javy trvali podľa odhadov omnoho dlhšie.

Biológovia boli ochotní akceptovať, že Zem existuje iba určitý čas, ale dané čísla sa im zdali príliš malé. Charles Darwin, ktorý navrhol teóriu o pôvode druhov, nebol ochotný akceptovať ani 400 miliónov rokov. Darwinov advokát Thomas Huxley napadol v roku 1869 Thomsonove výpočty s tým, že sú síce matematicky správne, ale vychádzajú z nesprávnych predpokladov, čo sa nakoniec ukázalo ako správne tvrdenie a Thomsonove výpočty boli skutočne nesprávne. Ďalší vedci (medzi nimi aj nemecký fyzik Hermann von Helmholtz) sa pokúšali o korekciu Thomsonových rovníc, ale všetky pokusy boli nesprávne, nakoľko predpokladali iba chladnutie, nepočítali s inými zdrojmi energie.

Objav rádioaktivity

Maria Curieová-Skłodowská

Začiatkom 20. storočia bol Thomson povýšený za svoje zásluhy o rozvoj vedeckého poznania do šľachtického stavu a už ako lord Kelvin si bol istý svojou teóriou, že Zem nie je staršia ako 100 miliónov rokov. Kelvin odvodzoval vek Zeme od chladnutia žeravých železných gúľ. Geológovia, ktorí tušili, že Zem musí byť staršia, len korigovali tieto tvrdenia. Niektorí z nich sa pokúšali určiť vek Zeme na základe narastania salinity morskej vody, tieto merania však tiež neboli presné.

Zlom nastal, keď francúzsky chemik Henri Becquerel objavil v roku 1896 rádioaktivitu. V roku 1898 iní vedci Maria a Pierre Curie objavili rádioaktívne prvky polónium a rádium. Geológovia veľmi rýchlo pochopili, že rádioaktivita ako proces generujúci energiu je hlavný faktor ovplyvňujúci ich výpočty veku Zeme.

Lord Kelvin však, bez ohľadu na nové objavy, tvrdošijne zastával svoje pozície a odmietal uznať, že by sa mohol vo svojich výpočtoch mýliť. Proti jeho názorom sa počas života nikto neodvážil verejne vystúpiť, ale po jeho smrti v roku 1907 už bolo možné diskutovať o nových poznatkoch.

Začiatky rádiometrického datovania

Pokračovatelia vo výskume rádioaktivity (hlavne Ernest Rutherford) a zistili, že rádioaktívne prvky sa spontánne rozpadajú na prvky s menším atómovým číslom a uvoľňujú pri tom žiarenie. Taktiež zistil, že rýchlosť rozpadu (nazvaná aj polčas rozpadu) sa u rôznych prvkov líši.

Niektoré prvky sa rozpadajú rýchlo, iné zasa veľmi pomaly. Urán, tórium a rádium majú dlhý polčas rozpadu, preto, na rozdiel od prvkov s krátkym polčasom rozpadu, pretrvávajú v zemskej kôre. V skutočnosti sa však rádioaktívne prvky nerozpadajú priamo na stabilné, ale ich rozpad prechádza cez niekoľko medzistupňov (nazývaných aj rozpadové rady). Na základe tohto poznatku by sa dal stanoviť vek Zeme, prepočítaním obsahu pôvodných zložiek a ich rozpadových produktov. Priekopníkmi v tomto smere boli sám Rutherford a mladý chemik Bertram B. Boltwood. Boltwood začal ako prvý popisovať jednotlivé rozpadové rady a Rutherford objavil, že alfa-častice produkované alfa-rozpadom, zostávajú uzatvorené v horninách ako atómy hélia. William Ramsay zistil rýchlosť emisie alfa-častíc, a Rutherford deklaroval, že obsah hélia v horninách vypovedá o ich veku. Táto schéma bola síce nepoužiteľná, ale bola krokom správnym smerom.

Boltwood sa zameral na dokončenie svojej práce na rozpadových radoch. V roku 1905 zistil, že konečným produktom rozpadu rádia je olovo. Už predtým bolo známe, že samotné rádium vzniká rozpadom uránu. Rutherford sa pridal k jeho práci a navrhol, že rozpadový rad rádium-olovo by sa mohol použiť na datovanie hornín. Boltwood uskutočnil datovanie 26 vzoriek hornín a vyšli mu výsledky medzi 92 až 520 miliónov rokmi. Táto práca poukázala tiež na to, že v starších vrstvách musí byť väčší obsah olova ako v mladších. Daná teória však nezahrnovala možnosť, že olovo mohlo byť z horniny vylúhované v priebehu vekov. Zlepšenie techniky prinieslo aj opätovné definovanie veku daných vzoriek: 250 miliónov až 1,3 miliardy rokov.

Arthur Holmes a obhajoba rádiometrického datovania

Po publikácii Boltwoodových meraní sa geológovia začali zaujímať o rádioaktivitu. Samotný Boltwood však práce na datovaní hornín zanechal, venoval sa rozpadovým radom.

V Rutherfordových meraniach obsahu hélia pokračoval Robert Strutt až do roku 1910. Jeho študent Arthur Holmes pokračoval vo výskume rádiometrického datovania na základe obsahu olova (héliovú metódu považoval za neperspektívnu). Vypracoval metodické postupy na analýzu hornín daným datovaním. Určila aj vek najstaršej horniny na 1,6 miliardy rokov (urobil však závažnú chybu v tom, že v čase vzniku horniny predpokladal iba výskyt uránu a nie aj olova).

V roku 1915 sa na scénu dostáva objav izotopov chemických prvkov. Geológovia si mysleli, že nové objavy rádiometrické datovanie len skomplikujú.

Holmes pokračoval vo svojich pokusoch a ich zdokonaľovaní, aj keď jeho výsledky boli dlho ignorované. Až v 1921 boli plody jeho úsilia odmenené. V tomto roku sa uskutočnil míting Britskej asociácie pokroku vo vede, kde bola začatá široká diskusia o využití rádiometrického datovania. Aj keď mnoho geológov tvrdošijne odmietalo pokusy o zanesenie fyziky do ich odboru, napokon bola v roku 1926 na podnet Americkej akadémie vied založená komisia na zistenie veku Zeme. Holmes, ako vedec dlhodobo sa zaoberajúci touto problematikou, bol menovaný členom tejto komisie a vypracoval mnoho správ o činnosti komisie.

Závery komisie boli, že rádiometrické datovanie je spoľahlivá metóda na získanie údajov o veku hornín. Súčasťou správ boli aj metodické postupy, ako aj referencie o možných chybách.

Moderné rádiometrické datovanie

V súčasnosti je rádiometrické datovanie uznávaná metóda na zisťovanie veku hornín. Bolo vypracovaných vyše štyridsať rozličných metód, ktoré sa používajú na datovanie materiálov rôzneho veku aj zloženia. Zakladá sa na porovnaní obsahu rádioaktívnych izotopov a produktov ich rozpadu s použitím známych polčasov rozpadu. Medzi najčastejšie rádiometrické metódy datovania veku hornín K-Ar a U-Pb metóda alebo v súčasnosti sa rozvíjajúca metóda pozorovania stôp po štiepení U²³⁸.

Dnešná vedecká predstava

Zem sa pravdepodobne sformovala podobne ako ostatné terestrické planéty z protoplanetárneho disku, ktorý obklopoval vznikajúce Slnko (praslnko). Slnečný vietor, ktorý vyžarovalo praslnko, sa postaral o odstránenie najľahších prvkov – vodíka a hélia – z vnútorných častí disku. Až do vzdialenosti asi 700 miliónov kilometrov od praslnka zostal hlavne prach tvorený ťažšími prvkami, preto sa z neho utvorili planéty s pevným povrchom. Týmto spôsobom sa neodstránil ani zďaleka všetok vodík, pretože odstrániť všetky atómy (hoci aj určitého druhu) z väčšieho priestoru je nemožné. Vodík a hélium sa však vo vnútorných častiach protoplanetárneho disku natoľko zriedili, že v týchto lokalitách nebolo možné formovanie sa ďalšieho plynného obra, ale len kamennej gule s tenkou a riedkou (v porovnaní s plynnými obrami) vrstvou vodíkovo-héliovej atmosféry. Postupným zhlukovaním vznikli v disku väčšie nepravidelné telesá – planetezimály, z ktorých sa vzájomnými zrážkami sformovali väčšie guľaté telesá – protoplanéty.

Pred 4,6 miliardami rokov bol rast Zeme zhlukovaním protoplanét dokončený. Ešte dlho potom, v etape tzv. veľkého bombardovania, sa so Zemou zrážali mnohé menšie telesá, ktoré boli pozostatkami z obdobia vzniku planét. Po zrážkach zostávali na zemskom povrchu impaktné krátery, ale eróziou boli postupne zahladzované. Existuje hypotéza, že mladá Zem sa zrazila s telesom veľkosti Marsu a následkom tejto kolízie začal vznikať Mesiac.

Nie je známe, či Zem vznikala z materiálu jednotného zloženia, alebo už počas jej rastu sa hustejšie látky sústredili vo vnútri zemského telesa, a ľahšie bližšie pri povrchu. Planéta sa v tom čase zahrievala rádioaktívnou premenou prvkov, hlavne uránu a tória. Ešte väčšie teplo pravdepodobne získavala z pohybovej energie menších telies, ktorých spojením sa vytvorila. Zahriatím sa horniny vo vnútri Zeme roztavili.

Pred 4,3 miliardami rokov zemský povrch pokrýval súvislý magmatický oceán. Došlo k postupnej diferenciácii materiálu: hustejšie látky klesali do hĺbky a menej husté vystupovali k povrchu. Vytvorilo sa husté jadro zo železa s prímesou niklu. Okolo jadra sa z redších hornín formoval plášť a najľahšie horniny vytvorili spočiatku tenkú, neskôr stále hrubšiu vrstvu – kôru. Nad ňou sa odplynením hornín vytvorila prvotná atmosféra prevažne z vodíka a hélia, v menšej miere aj z oxidu uhličitého, vodnej pary a dusíka. Gravitácia Zeme však nedokázala najľahšie častice atmosféry (vodík a hélium) udržať a postupne sa rozptýlili do okolitého vesmíru.

Pred 4 miliardami rokov klesla teplota atmosféry natoľko, že sa vodná para začala zrážať do kvapiek a v lejakoch klesala k Zemi. Nepretržite pršalo milióny rokov. Voda sa z horúceho povrchu vyparovala, stúpala do mrakov a padala ako dážď. Tým sa dokončoval jej kolobeh. Na konci tohto obdobia sa zemský povrch ochladil a voda zalievala časť zemskej kôry. Vytvorili sa moria a oceány. Svietivosť Slnka bola v tých časoch cca o 40 % menšia ako dnes, ale jeho ultrafialové žiarenie bolo asi deseťtisíckrát intenzívnejšie. Slnečný vietor bol taký mohutný, že odvial prvotnú atmosféru Zeme.

Pred 3,8 – 3,5 miliardami rokov sa vytvorili podmienky vzniku života. Živé organizmy boli výhradne jednobunkové, mikroskopických rozmerov a ich životným prostredím bola voda. Pred 2,6 miliardami rokov, v dobe tzv. archaika, litosférické platne tvorili kontinenty a dno oceánov. Najneskôr pred 570 miliónmi rokov zemská kôra nadobudla vlastnosti dnešnej zemskej kôry. Pred asi 250 miliónmi rokov (perm) sa dnešné kontinenty postupne spojili od jedinej pevniny zvanej Pangea, ktorá bola obklopená jediným oceánom nazvaným Panthalassa. Pangea sa po asi 90 miliónoch rokov v jure rozpadla na južnú pevninu – Gondwana a severnú pevninu – Laurázia. Od Gondwany sa neskôr odlomila India a začala svoju pomerne rýchlu cestu na sever. Medzitým sa Laurázia rozdelila na Severnú Ameriku, ktorá odplávala západným smerom (čím vznikol severný Atlantik), a na Euráziu.

Pred 65 miliónmi rokov vznikol Indický oceán, oddelila sa Austrália od Antarktídy, India narazila na Euráziu, čoho dôsledkom je vyvrásnenie v súčasnosti najmohutnejšieho pohoria sveta – Himalájí. Kontinenty sú v neustálom pomalom pohybe aj v súčasnosti.

Referencie

Portál vied o Zemi