Според учените планетите нямат точен момент на раждане: Земята се е формирала постепенно. В газовия и прахов диск около младото Слънце, минералните частици са се сблъсквали, сливали и гравитационно са привличали околната материя. Този процес на растеж на големи небесни тела от разпръсната материя се нарича гравитационна акреция.
Възраст на Земята
Хронологичната отправна точка за цялата планетарна система се осигурява от огнеупорни минерални зърна в древни хондрити метеорити. Те са се кондензирали от охлаждащ се газ преди 4,5673 милиарда години. Те са най-старото известно твърдо вещество в Слънчевата система.
Земята завършва своя растеж по-късно. Две дати отбелязват различни етапи в развитието на системата: преди 4,567 милиарда години около Слънцето са се образували първите твърди минерали, а приблизително тридесет милиона години по-късно акрецията е завършена и материалът на планетата се разделя на метално ядро и силикатна мантия.
Невъзможно е да се намерят първични скали на земната повърхност. В ранния архей вътрешността на планетата се е нагрявала от удари на протопланети и разпадане на краткоживеещи изотопи: материята се е топила в глобален магмен океан. По-късно се е засилила тектониката на плочите, която непрекъснато е претопявала кората, потъвала е плочите обратно в мантията и е заличавала следите от най-древните геоложки епохи. Следователно, земните скали регистрират само по-ниска възрастова граница, но не разкриват момента на произхода на планетата.
Прочетете също: Друго ядро може да е скрито във вътрешността на Земята: 5 мистерии, които озадачават учените
Геолози откриха най-старите зрънца земен материал в Западна Австралия сред пясъчниците на хълмовете Джак. Това са цирконови кристали, кристализирали преди 4,404 милиарда години. Най-старият оцелял монолитен масив от кора е сивият гнайс Акаста в северозападна Канада, който е на приблизително 4,03 милиарда години.
Разликата между възрастта на планетата и най-старите скали се обяснява с динамиката на вътрешността. Вътрешната топлина кара мантията да циркулира, да смачква слоеве, да движи континенти и да претопява древен силикатен материал.
През 17-ти век хронологията се основава на свещени текстове. През 1650 г. ирландският архиепископ Джеймс Ъшър сумира поколенията на библейските патриарси и извежда дата: Земята е възникнала през есента на 4004 г. пр.н.е. Тези изчисления не включват емпирични наблюдения на материята и планетата.
Първите физически експерименти са проведени през 18 век. Френският натуралист Жорж-Луи дьо Бюфон предполага, че младата Земя е била разтопена маса, която постепенно е започнала да се охлажда. Бюфон оценява времето на около 75 000 години, въпреки че в личните си дневници признава, че всъщност са били необходими милиони години, за да се формира планетата.
През 19-ти век геолозите се опитват да измерят възрастта на Земята по дебелината на седиментните слоеве. Те сравняват дебелината на пясъчните и глинестите слоеве със скоростта, с която реките отмиват суспендирани минерали в морето. Оценките варират от десетки милиони до един и половина милиарда години: реките текат неравномерно, а ерозията непрекъснато разрушава древните слоеве.
През 1862 г. британският физик Уилям Томсън (лорд Келвин) математически изчислява скоростта на охлаждане на Земята. Той приема стационарна вътрешност и провежда топлопренос. Келвин оценява диапазона от 20–400 милиона години, като по-късно понижава границата до 20–40 милиона. Заключенията на Келвин противоречат на геоложките наблюдения на Чарлз Лайъл и еволюционната теория на Чарлз Дарвин, която предполага значително по-дълъг период от време.
Келвин е сгрешал във физическите си предположения. Той не бил запознат с два фактора: отделянето на топлина от радиоактивни елементи във вътрешността на Земята и конвекцията на мантията. През 1895 г. бившият му асистент Джон Пери доказва, че ако материалът на мантията е пластичен и пренася топлина чрез конвективни течения, възрастта на Земята би се увеличила до няколко милиарда години.
През 1899 г. ирландският физик Джон Джоли се опитва да изчисли възрастта на планетата въз основа на солеността на океаните. Той изчислява масата на натрия в морската вода и я сравнява с обема на соли, внасяни от реките годишно. Той стига до възраст от приблизително 80–100 милиона години. Методът му не отчита геохимичния цикъл: Джоли смята, че океанът е затворен резервоар, докато натрият е непрекъснато свързан в дънните седименти.
Фундаменталният инструмент на геохронологията се появява в началото на 19-ти и 20-ти век. През 1896 г. Анри Бекерел открива естествената радиоактивност, а Пиер и Мария Кюри демонстрират, че радиоактивните минерали непрекъснато излъчват топлина. Ърнест Ръдърфорд и Фредерик Соди формулират ключовия закон на ядрената физика: нестабилните ядра се разпадат със строго експоненциална скорост, независимо от външното налягане, химичните връзки и околната температура. Периодът от време, необходим за разпадането на точно половината от първоначалните атоми, се нарича период на полуразпад.
Основното предизвикателство беше изборът на подходящи проби. На Земята скалните цикли непрекъснато нулират изотопния часовник. За да преодолеят това препятствие, геохимиците се обърнаха към метеорити – реликви от ранната слънчева система, прекарали милиарди години в студен вакуум.
Решителен пробив е направен през 50-те години на миналия век от американския геохимик Клеър Патерсън от Калифорнийския технологичен институт. Той разработва ултрачисти лабораторни шкафове, елиминирайки замърсяването на пробите с повсеместното олово, намиращо се в бензиновите отработени газове. Патерсън прилага изотопен модел, базиран на два независими пътя: уран-238 се разпада до олово-206 с период на полуразпад от 4,47 милиарда години, докато уран-235 се разпада до олово-207 за 704 милиона години.
Ключът към разплитането на мистерията се оказва железният метеорит Каньон Диабло. Неговите сулфидни съединения – минералът троилит (FeS) са практически лишени от уран, но първичното олово на протопланетната мъглявина беше запазено. Този състав установи нулева точка за изотопния състав на ранната система. Сравнявайки го с проби от каменни метеорити и дълбоководни седименти от Тихия океан, Патерсън конструира изохрон – обща линия на еволюция на оловото за планетарни тела. През 1953 г. той изчислява възрастта на Земята на 4,5 милиарда години, а през 1956 г. публикува по-точна цифра: 4,55 ± 0,07 милиарда години.
Съвременните масспектрометри с висока резолюция потвърждават откритията на Патерсън. Изчерпателен радиоизотопен анализ на стотици метеоритни хондрити, лунни базалти и най-старите земни циркони е изградил последователна хронология: Земята се е образувала преди 4,54 ± 0,05 милиарда години. Грешката в изчисленията е по-малка от един процент.
Прочетете също: Това може да се случи отново: Магнитното поле на Земята почти е изчезнало преди 41 000 години
