Ile lat ma Ziemia? Może się wydawać, że odpowiedź na to pytanie jest prosta. Typowe szacunkowe szacunki są takie, że nasza planeta ma około 4,5 miliarda lat. Ale im bliżej planetolodzy się przyglądają, tym bardziej staje się ta historia. Niuanse dotyczące formowania się naszej planety mogą przesunąć wiek Ziemi o około pół miliarda lat.

„Łatwo jest mówić o wieku, ale staje się on coraz bardziej złożony w miarę powiększania” — mówi profesor geologii Thomas Lapen, który przewodniczy wydziałowi nauk o Ziemi i atmosferze Uniwersytetu w Houston. Gdy naukowcy starali się określić dokładniejsze pomiary wieku Ziemi, musieli zmagać się ze specyfiką powstania naszej planety.

„Kiedy się rodzisz, to chwila” — wyjaśnia Lapen. Ale formowanie się planet to proces trwający miliony lat. Aby przypisać Ziemi wiek, astrofizycy, planetolodzy i geolodzy muszą określić, który punkt procesu można uznać za narodziny Ziemi.

Kiedy „narodziła się” Ziemia?

Około 4,6 miliarda lat temu gaz i pył krążyły po orbicie wokół nowo powstałego Słońca. W ciągu pierwszych milionów lat Układu Słonecznego cząstki zderzały się i łączyły w asteroidy i nasiona planet. Te kosmiczne skały zderzały się ze sobą, niektóre stawały się coraz większe, kształtując Układ Słoneczny, jaki widzimy dzisiaj.

Ale planety to nie tylko wielkie stosy kamieni. Gromadząc materiał, te ciała niebieskie również różnicują się w warstwy jądra, płaszcza i skorupy (przynajmniej w przypadku Ziemi i innych planet skalistych). Akrecja i różnicowanie wymagają czasu, prawdopodobnie rzędu dziesiątek milionów lat. Niektórzy mogą uważać moment na tym etapie formowania się Ziemi za narodziny naszej planety. Ale Lapen mówi, że myśli o tym jako o poczęciu Ziemi, a narodziny przyszły później, kiedy kataklizm również uformował księżyc.

[Related: June 29 was Earth’s shortest day since the invention of atomic clocks]

Zgodnie z powszechnie akceptowaną teorią gigantycznego zderzenia, podczas chaosu wczesnych dni naszego Układu Słonecznego, proto-Ziemia zderzyła się z innym małym ciałem wielkości Marsa. Kiedy obaj zderzyli się ze sobą, szczątki połączyły się w księżyc na orbicie wokół Ziemi.

Uważa się również, że to uderzenie zasadniczo „zresetowało” materiały, z których składała się planeta, mówi Lapen. W tamtym czasie proto-Ziemię mógł pokrywać gruby ocean magmy. Po potężnym zderzeniu materia obu ciał zmieszała się i połączyła w układ planetarno-księżycowy, który znamy dzisiaj. Dowody na taki „reset” pochodzą zarówno ze skał ziemskich, jak i księżycowych, które zawierają identyczne formy tlenu, wyjaśnia Lapen.

„Proto-Ziemia została najprawdopodobniej zniszczona lub zmieniona w składzie” – mówi Lapen. „Moim zdaniem Ziemia nie była Ziemią, jaką znamy, aż do momentu powstania księżyca”.

Gdyby to wydarzenie oznaczało narodziny naszej planety, oznaczałoby to, że Ziemia ma od 4,4 do 4,52 miliarda lat. Ale określenie bardziej konkretnego wieku naszej planety wymaga przesiewania starożytnych dowodów.

Przypisanie liczby do wieku naszej planety

Podobnie jak detektywi poszukujący śladów dawnej zbrodni, planetolodzy muszą przyjrzeć się dowodom, które pozostają do dziś, składając w całość wczesną historię naszej planety. Ale przy całym zamieszaniu w tym rozdziale – wzburzonym oceanie magmy i intensywnym obrocie geologicznym – znalezienie dowodu może być trudne.

Jednym ze sposobów ograniczenia wieku Ziemi jest poszukiwanie najstarszych skał na planecie, wyjaśnia Lapen, które powstały zaraz po tym, jak ocean magmy stwardniał w stałą powierzchnię. Na tę datę naukowcy zwracają uwagę na cyrkonie odkryte w Jack Hills w Zachodniej Australii – najstarsze znane minerały.

Aby określić wiek tych kryształów, zespół naukowców zastosował technikę zwaną datowaniem radiometrycznym, która mierzy zawarty w nich uran. Ponieważ ten pierwiastek promieniotwórczy rozpada się na ołów w znanym tempie, naukowcy mogą obliczyć wiek minerału na podstawie stosunku uranu do ołowiu w próbce. Ta metoda wykazała, że ​​cyrkonie mają około 4,4 miliarda lat.

Te skały sugerują, że układ Ziemia-Księżyc musiał kiedyś się uformować przed 4,4 miliarda lat temu, ponieważ zapis skalny „zostałby zatarty przez wydarzenie formowania księżyca” – mówi Lapen. Tak więc planeta nie jest młodsza niż 4,4 miliarda lat. Ale o ile może być starszy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, mówi Lapen, naukowcy zwracają się gdzie indziej – w tym na Księżyc.

[Related: Here’s how life on Earth might have formed out of thin air and water]

Skały na ciele satelity Ziemi są lepiej zachowane niż te tutaj, ponieważ księżyc nie podlega procesom takim jak tektonika płyt, które stopiłyby i przetasowałyby jego powierzchnię. Istnieją dwa główne źródła tych wskazówek: w meteorytach księżycowych, które spadają na Ziemię, oraz w próbkach pobranych bezpośrednio z Księżyca podczas programu NASA Apollo.

Podobnie jak proto-Ziemia, młody księżyc również był pokryty oceanem magmy. Najstarsze skały pobrane z powierzchni Księżyca mogą wskazywać, kiedy powstała skorupa księżyca. Naukowcy przeprowadzili datowanie radiometryczne fragmentów cyrkonu zebranych podczas misji Apollo 14, korygując obliczenia ekspozycji na promieniowanie kosmiczne i ustalili, że skorupa księżycowa stwardniała około 4,51 miliarda lat temu.

Lapen mówi, że między zderzeniem a ciałami łączącymi się, ochładzającymi i różnicującymi musiałby upłynąć pewien okres czasu, więc ta data ma również okno niepewności wynoszące około 50 milionów lat.

„Datowanie dokładnego wydarzenia jest bardzo trudne” – mówi. Lapen szacuje, że układ Ziemia-Księżyc prawdopodobnie powstał między 4,51 miliarda a 4,52 miliarda lat temu, ale niektórzy naukowcy twierdzą, że obliczenia mogą być oddalone nawet o 50 milionów lat.

Innym sposobem ograniczenia tego okna czasowego jest spojrzenie na skały, które istniały, gdy formowała się proto-Ziemia. Kiedy planety zestaliły się z gruzu wokół młodego Słońca, nie cała materia połączyła się w światy i ich księżyce, które widzimy dzisiaj. Niektóre pozostały zachowane w asteroidach lub kometach.

Czasami te kapsuły czasu Układu Słonecznego docierają do nas jako meteoryty, które spadają na powierzchnię naszej planety. Lapen mówi, że najstarszą znaną skałą kosmiczną jest meteoryt Erg Chech 002. Uważa się, że jest to fragment magmowej skorupy prymitywnej protoplanety z wczesnego Układu Słonecznego. W związku z tym datowanie meteorytu Erg Chech 002 stanowi migawkę czasu, w którym proto-Ziemia była prawdopodobnie na podobnym etapie swojego poczęcia.

„Jeśli„ narodziny Ziemi ”zdefiniowane są jako czas formowania się pierwszego jądra proto-Ziemi lub protoplanety, które ostatecznie rozrosło się poprzez akrecję, tworząc dzisiejszą Ziemię”, mówi Lapen, „to być może było to tak dawno temu, jak wiek [Erg Chech 002]”. Naukowcy obliczyli, że ten fragment magmowej skorupy skrystalizował się około 4,565 miliarda lat temu.

Czy wiek Ziemi można udoskonalić?

W ludzkich skalach czasowych niepewność wynosząca 50 milionów lat, kiedy powstał układ Ziemia-Księżyc, wydaje się rozległa i nieprecyzyjna. Ale w planetarnych skalach czasowych, szczególnie miliardy lat temu, „to dobre oszacowanie” – mówi Lapen.

„Im dalej patrzymy w przeszłość, tym mniej dokładne są rzeczy z powodu luk w zapisach. To stosunkowo krótki okres, w którym działo się wiele rzeczy – doszło do uderzenia, wszystko musiało się połączyć, ochłodzić i zróżnicować w solidne skaliste ciała, które mają jądro, płaszcz i skorupę” – mówi.

Jednak naukowcy nie są skończeni. Zawsze istnieje możliwość uzyskania dokładniejszych i dokładniejszych pomiarów wieku Ziemi, mówi Lapen, zwłaszcza gdy naukowcy pozyskują dodatkowe próbki z Księżyca, meteorytów i asteroid.