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Edad de la Tierra

La canica azul , la Tierra vista en 1972 desde el Apolo 17

Se estima que la edad de la Tierra es de 4,54 ± 0,05 mil millones de años (4,54 × 10 9 años ± 1%). [1] [2] [3] [4] Esta edad puede representar la edad de la acreción de la Tierra , o la formación del núcleo , o del material del que se formó la Tierra. [2] Esta datación se basa en evidencia de la datación radiométrica de la edad del material de meteoritos [5] y es consistente con las edades radiométricas del material terrestre más antiguo conocido [6] y las muestras lunares . [7]

Tras el desarrollo de la datación radiométrica a principios del siglo XX, las mediciones de plomo en minerales ricos en uranio mostraron que algunos tenían más de mil millones de años. [8] Los minerales más antiguos analizados hasta la fecha (pequeños cristales de circón de las Jack Hills de Australia Occidental ) tienen al menos 4.404 millones de años. [6] [9] [10] Las inclusiones ricas en calcio y aluminio (los componentes sólidos más antiguos conocidos dentro de los meteoritos que se forman dentro del Sistema Solar ) tienen 4.567 millones de años, [11] [12] lo que da un límite inferior para la edad del Sistema Solar .

Se ha planteado la hipótesis de que la acreción de la Tierra comenzó poco después de la formación de las inclusiones ricas en calcio y aluminio y de los meteoritos. Dado que todavía no se conoce el tiempo que tardó este proceso de acreción y las predicciones de los diferentes modelos de acreción varían entre unos pocos millones y unos 100 millones de años, es difícil determinar la diferencia entre la edad de la Tierra y la de las rocas más antiguas. También es difícil determinar la edad exacta de las rocas más antiguas de la Tierra, expuestas en la superficie, ya que son agregados de minerales de edades posiblemente diferentes.

Desarrollo de conceptos geológicos modernos

Los estudios de los estratos —la disposición de las capas de rocas y suelo— permitieron a los naturalistas apreciar que la Tierra pudo haber pasado por muchos cambios durante su existencia. Estas capas a menudo contenían restos fosilizados de criaturas desconocidas, lo que llevó a algunos a interpretar una progresión de organismos de una capa a otra. [13] [14]

Nicolas Steno en el siglo XVII fue uno de los primeros naturalistas en apreciar la conexión entre los restos fósiles y los estratos. [14] Sus observaciones lo llevaron a formular conceptos estratigráficos importantes (es decir, la " ley de superposición " y el " principio de horizontalidad original "). [15] En la década de 1790, William Smith planteó la hipótesis de que si dos capas de roca en ubicaciones muy diferentes contenían fósiles similares, entonces era muy plausible que las capas tuvieran la misma edad. [16] El sobrino y estudiante de Smith, John Phillips , calculó más tarde por tales medios que la Tierra tenía unos 96 millones de años. [17]

A mediados del siglo XVIII, el naturalista Mijaíl Lomonosov sugirió que la Tierra había sido creada independientemente del resto del universo y varios cientos de miles de años antes. [ cita requerida ] Las ideas de Lomonosov eran en su mayoría especulativas. [ cita requerida ] En 1779, el conde de Buffon intentó obtener un valor para la edad de la Tierra mediante un experimento: creó un pequeño globo que se parecía a la Tierra en composición y luego midió su tasa de enfriamiento. Esto lo llevó a estimar que la Tierra tenía unos 75.000 años de antigüedad. [ 18 ]

Otros naturalistas utilizaron estas hipótesis para construir una historia de la Tierra , aunque sus líneas de tiempo eran inexactas ya que no sabían cuánto tiempo tomó establecer las capas estratigráficas. [15] En 1830, el geólogo Charles Lyell , desarrollando ideas encontradas en las obras de James Hutton , popularizó el concepto de que las características de la Tierra estaban en cambio perpetuo, erosionándose y reformándose continuamente, y la tasa de este cambio era aproximadamente constante. Esto fue un desafío a la visión tradicional, que veía la historia de la Tierra como dominada por catástrofes intermitentes . Muchos naturalistas fueron influenciados por Lyell para convertirse en " uniformistas " que creían que los cambios eran constantes y uniformes. [ cita requerida ]

Cálculos tempranos

En 1862, el físico William Thomson, primer barón Kelvin, publicó cálculos que fijaban la edad de la Tierra entre 20 y 400 millones de años. [19] [20] Supuso que la Tierra se había formado como un objeto completamente fundido y determinó la cantidad de tiempo que tardaría el gradiente de temperatura cerca de la superficie en disminuir hasta su valor actual. Sus cálculos no tuvieron en cuenta el calor producido por la desintegración radiactiva (un proceso entonces desconocido) o, más significativamente, la convección dentro de la Tierra , que permite que la temperatura en el manto superior permanezca alta durante mucho más tiempo, manteniendo un alto gradiente térmico en la corteza durante mucho más tiempo. [19] Aún más restrictivas fueron las estimaciones de Thomson sobre la edad del Sol, que se basaban en estimaciones de su producción térmica y en una teoría de que el Sol obtiene su energía del colapso gravitacional; Thomson estimó que el Sol tiene unos 20 millones de años. [21] [22]

William Thomson (Lord Kelvin)

Los geólogos como Lyell tenían dificultades para aceptar una edad tan corta para la Tierra. Para los biólogos, incluso 100 millones de años parecían demasiado cortos para ser plausibles. En la teoría de la evolución de Charles Darwin , el proceso de variación hereditaria aleatoria con selección acumulativa requiere grandes duraciones de tiempo, y Darwin afirmó que las estimaciones de Thomson no parecían proporcionar suficiente tiempo. [23] Según la biología moderna, la historia evolutiva total desde el comienzo de la vida hasta hoy ha tenido lugar desde hace 3.5 a 3.8 mil millones de años , la cantidad de tiempo transcurrido desde el último ancestro universal de todos los organismos vivos como lo demuestra la datación geológica. [24]

En una conferencia en 1869, el gran defensor de Darwin, Thomas Henry Huxley , atacó los cálculos de Thomson, sugiriendo que parecían precisos en sí mismos pero que se basaban en suposiciones erróneas. El físico Hermann von Helmholtz (en 1856) y el astrónomo Simon Newcomb (en 1892) contribuyeron al debate con sus propios cálculos de 22 y 18 millones de años, respectivamente: calcularon de forma independiente la cantidad de tiempo que tardaría el Sol en condensarse hasta su diámetro y brillo actuales a partir de la nebulosa de gas y polvo de la que nació. [25] Sus valores eran consistentes con los cálculos de Thomson. Sin embargo, asumieron que el Sol solo brillaba por el calor de su contracción gravitatoria . El proceso de fusión nuclear solar aún no era conocido por la ciencia.

En 1892, Thomson fue ennoblecido como Lord Kelvin en reconocimiento a sus muchos logros científicos. En 1895, John Perry cuestionó la cifra de Kelvin basándose en sus suposiciones sobre la conductividad, y Oliver Heaviside entró en el diálogo, considerándola "un vehículo para mostrar la capacidad de su método de operadores para resolver problemas de asombrosa complejidad". [26] Otros científicos respaldaron las cifras de Kelvin. El hijo de Darwin, el astrónomo George H. Darwin , propuso que la Tierra y la Luna se habían separado en sus primeros días cuando ambas estaban fundidas. Calculó la cantidad de tiempo que habría tardado la fricción de las mareas en dar a la Tierra su actual día de 24 horas. Su valor de 56 millones de años fue una prueba adicional de que Thomson estaba en el camino correcto. [25] La última estimación que dio Kelvin, en 1897, fue: "que tenía más de 20 y menos de 40 millones de años, y probablemente mucho más cerca de 20 que de 40". [27] En 1899 y 1900, John Joly calculó la velocidad a la que los océanos deberían haber acumulado sal a partir de los procesos de erosión y determinó que los océanos tenían entre 80 y 100 millones de años. [25]

Datación radiométrica

Descripción general

Por su naturaleza química, los minerales de roca contienen ciertos elementos y no otros; pero en rocas que contienen isótopos radiactivos, el proceso de desintegración radiactiva genera elementos exóticos con el tiempo. Al medir la concentración del producto final estable de la desintegración, junto con el conocimiento de la vida media y la concentración inicial del elemento en desintegración, se puede calcular la edad de la roca. [28] Los productos finales radiactivos típicos son el argón de la desintegración del potasio -40 y el plomo de la desintegración del uranio y el torio . [28] Si la roca se funde, como sucede en el manto terrestre , estos productos finales no radiactivos normalmente escapan o se redistribuyen. [28] Por lo tanto, la edad de la roca terrestre más antigua da un mínimo para la edad de la Tierra, suponiendo que ninguna roca ha estado intacta durante más tiempo que la Tierra misma.

Manto convectivo y radiactividad

El descubrimiento de la radiactividad introdujo otro factor en el cálculo. Después del descubrimiento inicial de Henri Becquerel en 1896, [29] [30] [31] [32] Marie y Pierre Curie descubrieron los elementos radiactivos polonio y radio en 1898; [33] y en 1903, Pierre Curie y Albert Laborde anunciaron que el radio produce suficiente calor para fundir su propio peso en hielo en menos de una hora. [34] Los geólogos se dieron cuenta rápidamente de que esto alteraba las suposiciones subyacentes a la mayoría de los cálculos de la edad de la Tierra. Estos habían asumido que el calor original de la Tierra y el Sol se había disipado de manera constante en el espacio, pero la desintegración radiactiva significaba que este calor se había repuesto continuamente. George Darwin y John Joly fueron los primeros en señalar esto, en 1903. [35]

Invención de la datación radiométrica

La radiactividad, que había derribado los viejos cálculos, produjo una ventaja adicional al proporcionar una base para nuevos cálculos, en forma de datación radiométrica .

Ernest Rutherford en 1908

Ernest Rutherford y Frederick Soddy continuaron trabajando en conjunto sobre materiales radiactivos y concluyeron que la radiactividad era causada por una transmutación espontánea de elementos atómicos. En la desintegración radiactiva, un elemento se descompone en otro elemento más ligero, liberando radiación alfa, beta o gamma en el proceso. También determinaron que un isótopo particular de un elemento radiactivo se desintegra en otro elemento a una velocidad distintiva. Esta velocidad se expresa en términos de "vida media", o la cantidad de tiempo que tarda la mitad de la masa de ese material radiactivo en descomponerse en su "producto de desintegración".

Algunos materiales radiactivos tienen vidas medias cortas y otros tienen vidas medias largas. El uranio y el torio tienen vidas medias largas y, por lo tanto, persisten en la corteza terrestre, pero los elementos radiactivos con vidas medias cortas generalmente han desaparecido. Esto sugirió que podría ser posible medir la edad de la Tierra determinando las proporciones relativas de materiales radiactivos en muestras geológicas. En realidad, los elementos radiactivos no siempre se desintegran en elementos no radiactivos ("estables") directamente, sino que se desintegran en otros elementos radiactivos que tienen sus propias vidas medias y así sucesivamente, hasta que alcanzan un elemento estable . Estas " cadenas de desintegración ", como las series uranio-radio y torio, se conocieron a los pocos años del descubrimiento de la radiactividad y proporcionaron una base para construir técnicas de datación radiométrica.

Los pioneros de la radiactividad fueron el químico Bertram B. Boltwood y el físico Rutherford. Boltwood había realizado estudios de materiales radiactivos como consultor y, cuando Rutherford dio una conferencia en Yale en 1904, [36] Boltwood se sintió inspirado para describir las relaciones entre los elementos en varias series de desintegración. A finales de 1904, Rutherford dio el primer paso hacia la datación radiométrica al sugerir que las partículas alfa liberadas por la desintegración radiactiva podrían quedar atrapadas en un material rocoso como átomos de helio . En ese momento, Rutherford solo estaba adivinando la relación entre las partículas alfa y los átomos de helio, pero demostraría la conexión cuatro años después.

Soddy y Sir William Ramsay acababan de determinar la velocidad a la que el radio produce partículas alfa, y Rutherford propuso que podía determinar la edad de una muestra de roca midiendo su concentración de helio. Mediante esta técnica, fechó una roca que tenía en su poder con una edad de 40 millones de años. Rutherford escribió sobre su intervención en una reunión de la Royal Institution en 1904:

Entré en la sala, que estaba medio a oscuras, y en ese momento vi a Lord Kelvin entre el público y me di cuenta de que estaba en apuros en la última parte de mi discurso, que trataba sobre la edad de la Tierra, donde mis opiniones entraban en conflicto con las suyas. Para mi alivio, Kelvin se quedó profundamente dormido, pero cuando llegué al punto importante, vi al viejo pájaro incorporarse, abrir un ojo y lanzarme una mirada malvada. Entonces, de repente, tuve una inspiración y dije: "Lord Kelvin había limitado la edad de la Tierra, siempre que no se descubriera una nueva fuente. Esa declaración profética se refiere a lo que estamos considerando esta noche, el radio". ¡Mira!, el viejo me sonrió radiante. [37]

Rutherford supuso que la tasa de desintegración del radio determinada por Ramsay y Soddy era precisa y que el helio no escapaba de la muestra con el tiempo. El esquema de Rutherford era inexacto, pero fue un primer paso útil. Boltwood se centró en los productos finales de la serie de desintegración. En 1905, sugirió que el plomo era el producto estable final de la desintegración del radio. Ya se sabía que el radio era un producto intermedio de la desintegración del uranio. Rutherford se unió a la idea, describiendo un proceso de desintegración en el que el radio emitía cinco partículas alfa a través de varios productos intermedios para terminar en plomo, y especuló que la cadena de desintegración radio-plomo podría usarse para datar muestras de rocas. Boltwood hizo el trabajo preliminar y para fines de 1905 había proporcionado fechas para 26 muestras de rocas separadas, que iban desde 92 a 570 millones de años. No publicó estos resultados, lo cual fue una suerte porque estaban defectuosos por errores de medición y estimaciones deficientes de la vida media del radio. Boltwood refinó su trabajo y finalmente publicó los resultados en 1907. [8]

El artículo de Boltwood señaló que las muestras tomadas de capas comparables de estratos tenían proporciones de plomo y uranio similares, y que las muestras de capas más antiguas tenían una mayor proporción de plomo, excepto cuando había evidencia de que el plomo se había filtrado de la muestra. Sus estudios tenían fallas debido a que no se entendía la serie de desintegración del torio, lo que condujo a resultados incorrectos para las muestras que contenían tanto uranio como torio. Sin embargo, sus cálculos eran mucho más precisos que cualquiera de los que se habían realizado hasta ese momento. Los refinamientos en la técnica darían posteriormente edades para las 26 muestras de Boltwood de 410 millones a 2.200 millones de años. [8]

Arthur Holmes establece la datación radiométrica

Aunque Boltwood publicó su artículo en una importante revista geológica, la comunidad geológica mostró poco interés en la radiactividad. [ cita requerida ] Boltwood abandonó su trabajo sobre datación radiométrica y se dedicó a investigar otras series de desintegración. Rutherford siguió sintiendo cierta curiosidad por la cuestión de la edad de la Tierra, pero trabajó poco en ella.

Robert Strutt experimentó con el método del helio de Rutherford hasta 1910 y luego dejó de hacerlo. Sin embargo, el alumno de Strutt, Arthur Holmes, se interesó en la datación radiométrica y continuó trabajando en ella después de que todos los demás se dieran por vencidos. Holmes se centró en la datación con plomo porque consideraba que el método del helio no era prometedor. Realizó mediciones en muestras de rocas y concluyó en 1911 que la más antigua (una muestra de Ceilán ) tenía unos 1.600 millones de años. [38] Estos cálculos no eran especialmente fiables. Por ejemplo, supuso que las muestras solo contenían uranio y nada de plomo cuando se formaron.

En 1913 se publicaron investigaciones más importantes que demostraban que los elementos generalmente existen en múltiples variantes con diferentes masas, o " isótopos ". En la década de 1930, se demostró que los isótopos tenían núcleos con diferentes cantidades de partículas neutras conocidas como " neutrones ". Ese mismo año, se publicó otra investigación que establecía las reglas de la desintegración radiactiva, lo que permitió una identificación más precisa de las series de desintegración.

Muchos geólogos consideraron que estos nuevos descubrimientos complicaban tanto la datación radiométrica que resultaba inútil. [ cita requerida ] Holmes consideró que le proporcionaban herramientas para mejorar sus técnicas y siguió adelante con su investigación, publicando antes y después de la Primera Guerra Mundial. Su trabajo fue generalmente ignorado hasta la década de 1920, aunque en 1917 Joseph Barrell , profesor de geología en Yale, rediseñó la historia geológica tal como se entendía en ese momento para ajustarse a los hallazgos de Holmes en la datación radiométrica. La investigación de Barrell determinó que las capas de estratos no se habían depositado todas al mismo ritmo, por lo que las tasas actuales de cambio geológico no podían usarse para proporcionar cronogramas precisos de la historia de la Tierra. [ cita requerida ]

La persistencia de Holmes finalmente comenzó a dar frutos en 1921, cuando los oradores de la reunión anual de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia llegaron a un consenso aproximado de que la Tierra tenía unos pocos miles de millones de años y que la datación radiométrica era creíble. Holmes publicó The Age of the Earth, an Introduction to Geological Ideas en 1927, en el que presentó un rango de 1.6 a 3.0 mil millones de años. Sin embargo, no hubo un gran impulso para adoptar la datación radiométrica, y los fanáticos de la comunidad geológica se resistieron obstinadamente. Nunca les habían importado los intentos de los físicos de entrometerse en su dominio, y hasta ahora los habían ignorado con éxito. [39] El creciente peso de la evidencia finalmente inclinó la balanza en 1931, cuando el Consejo Nacional de Investigación de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos decidió resolver la cuestión de la edad de la Tierra designando un comité para investigar.

Holmes, siendo una de las pocas personas que recibió formación en técnicas de datación radiométrica, fue miembro del comité y, de hecho, escribió la mayor parte del informe final. [40] Por lo tanto, el informe de Holmes concluyó que la datación radioactiva era el único medio fiable para determinar una escala de tiempo geológico . Las cuestiones de sesgo se desviaron por el gran y exigente detalle del informe. Describía los métodos utilizados, el cuidado con el que se realizaron las mediciones y sus márgenes de error y limitaciones. [ cita requerida ]

Datación radiométrica moderna

La datación radiométrica sigue siendo la forma predominante que utilizan los científicos para datar escalas de tiempo geológicas. Las técnicas de datación radioactiva se han probado y perfeccionado de forma continua desde la década de 1960. Hasta la fecha se han utilizado unas cuarenta técnicas de datación diferentes, que funcionan con una amplia variedad de materiales. Las fechas de la misma muestra utilizando estas diferentes técnicas coinciden mucho en cuanto a la edad del material. [ cita requerida ] Existen posibles problemas de contaminación , pero se han estudiado y abordado mediante una investigación minuciosa, lo que ha llevado a minimizar los procedimientos de preparación de muestras para limitar la posibilidad de contaminación. [ cita requerida ]

Uso de meteoritos

Una edad de 4,55 ± 0,07 mil millones de años, muy cerca de la edad aceptada hoy, fue determinada por Clair Cameron Patterson usando datación isotópica de uranio-plomo (específicamente datación plomo-plomo ) en varios meteoritos, incluido el meteorito Canyon Diablo , y publicada en 1956. [41] La edad citada de la Tierra se deriva, en parte, del meteorito Canyon Diablo por varias razones importantes y se basa en una comprensión moderna de la cosmoquímica desarrollada a lo largo de décadas de investigación.

Diagrama isócrono del isótopo de plomo que muestra los datos utilizados por Patterson para determinar la edad de la Tierra en 1956.

La mayoría de las muestras geológicas de la Tierra no pueden dar una fecha directa de la formación de la Tierra a partir de la nebulosa solar porque la Tierra ha experimentado una diferenciación en núcleo, manto y corteza, y ésta ha atravesado una larga historia de mezcla y desmezcla de estos reservorios de muestra por la tectónica de placas , la erosión y la circulación hidrotermal .

Todos estos procesos pueden afectar negativamente a los mecanismos de datación isotópica porque no siempre se puede suponer que la muestra haya permanecido como un sistema cerrado, lo que significa que el nucleido padre o hijo (una especie de átomo caracterizada por el número de neutrones y protones que contiene un átomo) o un nucleido hijo intermedio pueden haberse eliminado parcialmente de la muestra, lo que sesgará la datación isotópica resultante. Para mitigar este efecto, es habitual datar varios minerales en la misma muestra, para proporcionar una isócrona . Alternativamente, se puede utilizar más de un sistema de datación en una muestra para verificar la fecha.

Además, se considera que algunos meteoritos representan el material primitivo a partir del cual se formó el disco solar en acreción. [42] Algunos se han comportado como sistemas cerrados (para algunos sistemas isotópicos) poco después de que se formaran el disco solar y los planetas. [ cita requerida ] Hasta la fecha, estas suposiciones están respaldadas por mucha observación científica y fechas isotópicas repetidas, y ciertamente es una hipótesis más sólida que la que supone que una roca terrestre ha conservado su composición original.

Sin embargo, se han utilizado antiguos minerales de plomo de la época arcaica para datar la formación de la Tierra, ya que representan los primeros minerales formados exclusivamente con plomo en el planeta y registran los primeros sistemas isotópicos de plomo-plomo homogéneos del planeta. Estos han arrojado fechas de 4.540 millones de años con una precisión de tan solo el 1% de margen de error. [43]

Las estadísticas de varios meteoritos que han sido sometidos a datación isócrona son las siguientes: [44]

Meteorito del cañón Diablo

Cráter Barringer , Arizona, donde se encontró el meteorito Canyon Diablo.

El meteorito Canyon Diablo se utilizó porque es grande y representativo de un tipo particularmente raro de meteorito que contiene minerales de sulfuro (particularmente troilita , FeS), aleaciones metálicas de níquel y hierro , además de minerales de silicato. Esto es importante porque la presencia de las tres fases minerales permite la investigación de fechas isotópicas utilizando muestras que proporcionan una gran separación en concentraciones entre nucleidos padre e hijo. Esto es particularmente cierto en el caso del uranio y el plomo. El plomo es fuertemente calcófilo y se encuentra en el sulfuro en una concentración mucho mayor que en el silicato, en comparación con el uranio. Debido a esta segregación en los nucleidos padre e hijo durante la formación del meteorito, esto permitió una fecha mucho más precisa de la formación del disco solar y, por lo tanto, de los planetas que nunca antes.

Fragmento del meteorito de hierro del Cañón Diablo.

La edad determinada a partir del meteorito Canyon Diablo ha sido confirmada por cientos de otras determinaciones de edad, tanto de muestras terrestres como de otros meteoritos. [45] Las muestras de meteoritos, sin embargo, muestran una extensión de 4.53 a 4.58 mil millones de años atrás. Esto se interpreta como la duración de la formación de la nebulosa solar y su colapso en el disco solar para formar el Sol y los planetas. Este lapso de tiempo de 50 millones de años permite la acreción de los planetas a partir del polvo solar y los meteoritos originales.

La Luna, como otro cuerpo extraterrestre que no ha sufrido tectónica de placas y que no tiene atmósfera, proporciona fechas de edad bastante precisas a partir de las muestras traídas de las misiones Apolo. Las rocas traídas de la Luna han sido datadas en un máximo de 4.510 millones de años. Los meteoritos marcianos que han aterrizado en la Tierra también han sido datados en alrededor de 4.500 millones de años mediante la datación plomo-plomo . Las muestras lunares, ya que no han sido perturbadas por la meteorización, la tectónica de placas o el material movido por organismos, también pueden proporcionar datación mediante el examen directo con microscopio electrónico de las huellas de rayos cósmicos . La acumulación de dislocaciones generadas por los impactos de partículas de rayos cósmicos de alta energía proporciona otra confirmación de las fechas isotópicas. La datación por rayos cósmicos solo es útil en material que no se ha fundido, ya que la fusión borra la estructura cristalina del material y borra las huellas dejadas por las partículas.

En conjunto, la concordancia de las fechas de edad de los primeros yacimientos de plomo terrestres y de todos los demás yacimientos dentro del Sistema Solar encontrados hasta la fecha se utilizan para apoyar el hecho de que la Tierra y el resto del Sistema Solar se formaron hace alrededor de 4.530 a 4.580 millones de años. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

Lectura adicional

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