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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 acreción de la Tierra , o formación del núcleo , o del material a partir del cual se formó la Tierra. [2] Esta datación se basa en evidencia de datación por edad radiométrica del material de meteoritos [5] y es consistente con las edades radiométricas del material terrestre más antiguo conocido [6] y de 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 Jack Hills en 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 supone que la acreción de la Tierra comenzó poco después de la formación de las inclusiones ricas en calcio y aluminio y de los meteoritos. Debido a que aún no se conoce el tiempo que tomó este proceso de acreción, y las predicciones de diferentes modelos de acreción varían desde unos pocos millones hasta aproximadamente 100 millones de años, la diferencia entre la edad de la Tierra y la de las rocas más antiguas es difícil de determinar. 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.
Los estudios de los estratos (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 fue uno de los primeros naturalistas en el siglo XVII en apreciar la conexión entre restos fósiles y estratos. [14] Sus observaciones le llevaron a formular importantes conceptos estratigráficos (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 alumno 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 Mikhail Lomonosov sugirió que la Tierra había sido creada por separado del resto del universo y varios cientos de miles de años antes. [ cita necesaria ] Las ideas de Lomonosov eran en su mayoría especulativas. [ cita necesaria ] En 1779, el conde du 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 velocidad de enfriamiento. Esto le llevó a estimar que la Tierra tenía unos 75.000 años. [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 llevó 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 perpetuo cambio, erosionándose y reformándose continuamente, y el ritmo de este cambio era aproximadamente constante. Esto fue un desafío a la visión tradicional, que veía la historia de la Tierra dominada por catástrofes intermitentes . Muchos naturalistas fueron influenciados por Lyell para convertirse en " uniformistas " que creían que los cambios eran constantes y uniformes. [ cita necesaria ]
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 para disminuir a su valor actual. Sus cálculos no tuvieron en cuenta el calor producido a través de 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 por mucho más tiempo, manteniendo un alto gradiente térmico en la corteza por 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 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]
A los geólogos como Lyell les resultaba difícil aceptar una edad tan corta de 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 que pasó desde el último ancestro universal de todos los organismos vivos como lo muestra la datación geológica. . [24]
En una conferencia pronunciada 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) aportaron al debate sus propios cálculos de 22 y 18 millones de años, respectivamente: calcularon de forma independiente el tiempo que tardaría el Sol en condensarse. a su diámetro actual y brillo 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 sólo brillaba por el calor de su contracción gravitacional . La ciencia aún no conocía el proceso de fusión nuclear solar.
En 1892, Thomson fue ennoblecido como Lord Kelvin en reconocimiento a sus numerosos logros científicos. En 1895 John Perry cuestionó la figura de Kelvin basándose en sus supuestos sobre la conductividad, y Oliver Heaviside entró en el diálogo, considerándolo "un vehículo para mostrar la capacidad de su método operador 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 roto en sus primeros días cuando ambas estaban fundidas. Calculó la cantidad de tiempo que habría tomado la fricción de las mareas para darle a la Tierra su día actual 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 debido a los procesos de erosión y determinó que los océanos tenían entre 80 y 100 millones de años. [25]
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. Midiendo la concentración del producto final estable de la descomposición, junto con el conocimiento de la vida media y la concentración inicial del elemento en descomposición, 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 de la Tierra , estos productos finales no radiactivos normalmente escapan o se redistribuyen. [28] Así, 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 propia Tierra.
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 derretir su propio peso en hielo en menos de una hora. [34] Los geólogos rápidamente se dieron cuenta de que esto alteraba las suposiciones subyacentes a la mayoría de los cálculos de la edad de la Tierra. Éstos habían asumido que el calor original de la Tierra y el Sol se había disipado constantemente en el espacio, pero la desintegración radiactiva significaba que este calor se había repuesto continuamente. George Darwin y John Joly fueron los primeros en señalarlo, en 1903. [35]
La radiactividad, que había derribado los antiguos cálculos, supuso una ventaja al proporcionar una base para nuevos cálculos, en forma de datación radiométrica .
Ernest Rutherford y Frederick Soddy continuaron conjuntamente su trabajo sobre materiales radiactivos y llegaron a la conclusión de 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 un ritmo distintivo. Esta tasa se expresa en términos de "vida media", o la cantidad de tiempo que tarda la mitad de una masa de ese material radiactivo en descomponerse en su "producto de desintegración".
Algunos materiales radiactivos tienen vidas medias cortas; algunos 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 directamente en elementos no radiactivos ("estables"), sino que se desintegran en otros elementos radiactivos que tienen sus propias vidas medias y así sucesivamente, hasta alcanzar un elemento estable . Estas " cadenas de desintegración ", como las series uranio-radio y torio, se conocieron pocos años después del descubrimiento de la radiactividad y sirvieron de base para la construcción de 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 inspiró para describir las relaciones entre 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 en forma de átomos de helio . En aquel momento, Rutherford sólo estaba adivinando la relación entre las partículas alfa y los átomos de helio, pero la demostraría cuatro años más tarde.
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 discurso en una reunión de la Royal Institution en 1904:
Entré en la sala, que estaba medio oscura, y en ese momento vi a Lord Kelvin entre la audiencia y me di cuenta de que estaba en problemas en la última parte de mi discurso, que trataba sobre la edad de la Tierra, donde mis puntos de vista estaban en conflicto con los suyos. Para mi alivio, Kelvin se quedó profundamente dormido, pero cuando llegué al punto importante, vi al viejo pájaro sentarse, abrir un ojo y lanzarme una mirada siniestra. Entonces me llegó una inspiración repentina y dije: "Lord Kelvin había limitado la edad de la Tierra, siempre que no se descubriera una nueva fuente. Esa expresión profética se refiere a lo que estamos considerando esta noche: ¡el radio!". ¡Mirad! el viejo me sonrió. [37]
Rutherford asumió que la tasa de desintegración del radio determinada por Ramsay y Soddy era precisa y que el helio no se escapaba de la muestra con el tiempo. El plan de Rutherford era inexacto, pero fue un primer paso útil. Boltwood se centró en los productos finales de la serie Decay. 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 y describió 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 del radio-plomo podría usarse para fechar muestras de rocas. Boltwood hizo el trabajo preliminar y, a finales de 1905, había proporcionado fechas para 26 muestras de rocas distintas, con edades comprendidas entre 92 y 570 millones de años. No publicó estos resultados, lo cual fue una suerte porque estaban viciados por errores de medición y estimaciones deficientes de la vida media del radio. Boltwood perfeccionó su trabajo y finalmente publicó los resultados en 1907. [8]
El artículo de Boltwood señalaba que las muestras tomadas de capas comparables de estratos tenían proporciones similares de plomo y uranio, y que las muestras de capas más antiguas tenían una mayor proporción de plomo, excepto cuando había evidencia de que el plomo se había lixiviado de la muestra. Sus estudios se vieron afectados por el hecho de que no se entendía la serie de desintegración del torio, lo que llevó a resultados incorrectos para muestras que contenían tanto uranio como torio. Sin embargo, sus cálculos fueron mucho más precisos que cualquiera que se hubiera realizado hasta ese momento. Los refinamientos en la técnica darían más tarde edades de 410 millones a 2,2 mil millones de años para las 26 muestras de Boltwood. [8]
Aunque Boltwood publicó su artículo en una destacada revista geológica, la comunidad geológica tenía poco interés en la radiactividad. [ cita necesaria ] Boltwood abandonó el trabajo en datación radiométrica y pasó a investigar otras series de desintegración. Rutherford seguía teniendo cierta curiosidad sobre la cuestión de la edad de la Tierra, pero trabajó poco al respecto.
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 dieron por vencidos. Holmes se centró en la datación por 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 alrededor de 1.600 millones de años. [38] Estos cálculos no eran particularmente confiables. Por ejemplo, supuso que las muestras sólo contenían uranio y nada de plomo cuando se formaron.
En 1913 se publicó una investigación más importante. Mostró 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 números de partículas neutras conocidas como " neutrones ". Ese mismo año se publicó otra investigación que establecía las reglas de la desintegración radiactiva, permitiendo una identificación más precisa de las series de desintegración.
Muchos geólogos sintieron que estos nuevos descubrimientos hacían que la datación radiométrica fuera tan complicada que carecía de valor. [ cita necesaria ] Holmes sintió que le dieron 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, volvió a dibujar la historia geológica tal como se entendía en ese momento para ajustarla a los hallazgos de Holmes en la datación radiométrica. La investigación de Barrell determinó que no todas las capas de estratos se habían depositado al mismo ritmo, por lo que los ritmos actuales de cambio geológico no podían usarse para proporcionar líneas de tiempo precisas de la historia de la Tierra. [ cita necesaria ]
La persistencia de Holmes finalmente comenzó a dar sus 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 La edad de la Tierra, una introducción a las ideas geológicas en 1927 en la 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 intransigentes de la comunidad geológica resistieron obstinadamente. Nunca les habían importado los intentos de los físicos de invadir su dominio y hasta el momento 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 nombrando un comité para investigar.
Holmes, al ser una de las pocas personas capacitadas 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 radiactiva era el único medio confiable para precisar una escala de tiempo geológico . Las cuestiones de parcialidad fueron desviadas por el gran y exigente detalle del informe. Describió los métodos utilizados, el cuidado con el que se realizaron las mediciones y sus barras de error y limitaciones. [ cita necesaria ]
La datación radiométrica sigue siendo la forma predominante en que los científicos fechan las escalas de tiempo geológico. Las técnicas de datación radiactiva se han probado y perfeccionado continuamente desde los años 1960. Hasta la fecha se han utilizado unas cuarenta técnicas de datación diferentes, trabajando con una amplia variedad de materiales. Las fechas de la misma muestra utilizando estas diferentes técnicas coinciden muy estrechamente en la edad del material. [ cita necesaria ] Existen posibles problemas de contaminación , pero se han estudiado y tratado mediante una investigación cuidadosa, lo que lleva a minimizar los procedimientos de preparación de muestras para limitar la posibilidad de contaminación. [ cita necesaria ]
Clair Cameron Patterson determinó una edad de 4,55 ± 0,07 mil millones de años, muy cercana a la edad aceptada en la actualidad, utilizando la datación con isótopos de uranio y plomo (específicamente la datación con plomo ) en varios meteoritos, incluido el meteorito Canyon Diablo , y se publicó 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 acumulada durante décadas de investigación.
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 se ha diferenciado en núcleo, manto y corteza, y esto ha pasado por una larga historia de mezcla y desmezcla de estas muestras. yacimientos por tectónica de placas , meteorización y 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 caracterizado por el número de neutrones y protones) contiene un átomo) o es posible que se haya eliminado parcialmente de la muestra un nucleido hijo intermedio, lo que distorsionará la fecha isotópica resultante. Para mitigar este efecto es habitual datar varios minerales en una 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 necesaria ] Hasta la fecha, estas suposiciones están respaldadas por muchas observaciones científicas 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, los antiguos minerales de plomo arcaicos de galena se han utilizado para fechar la formación de la Tierra, ya que representan los minerales de plomo formados únicamente más antiguos del planeta y registran los primeros sistemas homogéneos de isótopos de plomo-plomo del planeta. Estos han arrojado fechas de edad 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]
Se utilizó el meteorito Canyon Diablo porque es grande y representativo de un tipo de meteorito particularmente raro que contiene minerales de sulfuro (particularmente troilita , FeS), aleaciones metálicas de níquel - hierro y 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 las concentraciones entre los nucleidos padres e hijos. 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, a diferencia del uranio. Debido a esta segregación en los nucleidos padres e hijos durante la formación del meteorito, esto permitió una fecha mucho más precisa que nunca de la formación del disco solar y, por tanto, de los planetas.
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 hace 4,53 a 4,58 mil millones de años. 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 50 millones de años permite la acumulación de planetas a partir del polvo solar y los meteoritos originales.
La Luna, como otro cuerpo extraterrestre que no ha sufrido placas tectónicas y que no tiene atmósfera, proporciona fechas de edad bastante precisas a partir de las muestras devueltas por las misiones Apolo. Se ha datado que las rocas devueltas desde la Luna tienen una antigüedad máxima 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 datación plomo-plomo . Las muestras lunares, dado que no han sido alteradas por la erosión, las placas tectónicas o el material movido por organismos, también pueden proporcionar datación mediante el examen directo de las trayectorias de rayos cósmicos con microscopio electrónico . La acumulación de dislocaciones generadas por impactos de partículas de rayos cósmicos de alta energía proporciona otra confirmación de las fechas isotópicas. La datación por rayos cósmicos sólo 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 tanto de los primeros reservorios terrestres de plomo como de todos los demás reservorios dentro del Sistema Solar encontrados hasta la fecha se utilizan para respaldar el hecho de que la Tierra y el resto del Sistema Solar se formaron hace alrededor de 4,53 a 4,58 mil millones de años. [ cita necesaria ]
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