Когда образовалась планета Земля 

Сколько лет Земле?

Подобно сложным и загадочным проблемам происхождения Солнечной системы и Земли, существует множество расхождений во мнениях о возрасте Земли и ее прошлой геологической истории. Различные ученые пытались определить когда образовалась планета Земля, вычислить ее возраст на основе различных научных данных, экспериментальных исследований и логических аргументов, но их выводы, результаты и заключения настолько разнообразны и противоречивы, что становится очень трудно прийти к убедительному выводу, который может быть приемлемым для научного сообщества.

Если вы посмотрите на возраст Земли на научных сайтах и в различных публикациях, вы, как правило, найдете оценку в 4,55 миллиарда лет, плюс-минус 50 миллионов лет. Чем вы можете быть удивлены, так это тем, что принятая оценка восходит к 1950-м годам и с того времени осталась почти такой же, хотя научные знания с тех пор постоянно развивались. Так в чем же дело?

Теории датировок возраста Земли

Выяснить точное время возникновения Земли и периоды ее эволюционных этапов является довольно сложной задачей. Можно утверждать, что геологические процессы работают настолько медленно, что никто не может наблюдать их в полной мере в течение своей жизни.

Не случайно шотландский геолог Джеймс Хаттон высказал в 1775 году мнение, что «поверхность Земли претерпевает постоянные изменения, но эти изменения занимают так много времени, что человеку становится трудно их датировать».

Несмотря на то, что до сих пор не было разработано универсально приемлемого метода расчета возраста Земли и ее геологических событий, время от времени предлагалось несколько методов и концепций, которые до сих пор предлагаются для разгадки тайны истории Земли.

Поэтому желательно обсудить часть распространенных концепций и методов, чтобы иметь некоторое обобщенное понимание истории образования Земли.

Вопрос о возрасте Земли всегда вызывал горячие дискуссии в интернете, телевидении, радио, в школах и во многих религиозных конфессиях. Основное разногласие касается того, является ли наша планета старой, древней, как утверждают сторонники этой теории или, все-таки,  молодой, по мнению других.

• Сторонники Молодой Земли утверждают, что библейский возраст Земли и Вселенной около 6000 лет
• Сторонники Старой Земли убеждены, что возраст Земли около 4,5 миллиардов лет, а Вселенной около 14 миллиардов лет

Разница огромная! Приведем небольшую историю того, откуда взялись эти два основных расчета.

Религиозная точка зрения на возраст Земли

Откуда взялось мировоззрение о том, что возраст Земли не 4,5 миллиарда лет, а гораздо меньший? Проще говоря, оно пришло из Библии. Конечно, Библия нигде прямо не говорит: «Земле 6000 лет». В ней сказано, что Земля была сотворена в первый день творения (Бытие 1:1–5). Оттуда можно вычислить возраст Земли.

Вот приблизительный расчет:

Оценить возраст Земли возможно, взяв первые пять дней творения (от сотворения Земли до Адама), затем проследить генеалогию от Адама до Авраама, а потом добавить время от Авраама до сегодняшнего дня.

Адам был сотворен на 6-й день, поэтому до него было пять дней. Если сложить даты от Адама до Авраама, мы получим около 2000 лет. Большинство ученых согласны с тем, что Авраам жил около 2000 г. до н.э. (4000 лет назад).

Итак, простой расчет таков:

5 дней + ~2000 лет + ~4000 лет ≈ 6000 лет

Такой расчет сделали довольно много людей с тщательным вниманием относясь к библейским деталям. Все они пришли к выводу, что Земля была создана около 6000 лет назад, или около 4000 г. до н.э. Самые известные работы по этой теме – это, наверное, работы доктора Флойда Джонса (Хронология Ветхого Завета, 1993г.) и гораздо более ранняя книга исландского архиепископа Джеймса Ашера (Анналы мира, 1658 г.).

Другие христианские теологи, особенно в средневековую эпоху, изучая Библию, пришли к оценкам возраста Земли от 5471 до 7519 лет (согласно книге Г. Брента Далримпла «Возраст Земли»).

Староиранские религиозные священники оценивают возраст Земли в 1200 лет. Мусульманские же ученые отмечают, что в Коране есть намек на то, что каждый из шести дней творения, представленных в Библии, длился примерно от 1000 до 50 000 лет, но в исламской религиозной литературе мало ссылок на возраст Земли. Религиозные ученые древней Индии, представлявшую себе Вселенную, которая бесконечно то взрывалась, то расширялась, затем  коллапсировала только для того, чтобы опять начать все заново, подсчитали, что Земля существовала в течение 1,97 миллиарда лет.

Небиблейские методы расчета возраста Земли. Как можно определить возраст Земли?

Попытки выяснить возраст Земли уходят в глубину веков. Греческий философ Аристотель полагал, что время не имеет ни начала, ни конца и считал, что Земля бесконечно стара.

В отличие от приверженцев «Молодой Земли», креационистов, ищущих подтверждение возраста Земли в старых, ветхозаветных текстах, ученые, придерживающиеся «светских» теорий, опираются на научные наблюдения и расчеты.

С 1700-х и 1800-х годов ряд ученых приводили различные цифры, основанные на всевозможных данных, начиная от скорости охлаждения Земли и накопления отложений до химической эволюции океанов.

В 1862 году известный британский физик и математик У.Томсон, лорд Кельвин предложил вычислять возраст Земли на основе скорости охлаждения Земли.

Известно, что в среднем температура повышается с увеличением глубины земли на 1 °С каждые 32 м. Таким образом, температура в ядре Земли очень высокая. Происходит непрерывная передача тепла от ядра Земли к ее внешним слоям, откуда тепло уходит в атмосферу посредством механизма излучения. Количество потерянного тепла от Земли в результате излучения может быть определено на основе градиента температуры под землей, теплопроводности пород земной коры и площади поверхности Земли.

Время затвердевания земной коры можно узнать исходя из скорости потери тепла земной корой. Основываясь на вышеизложенных соображениях, лорд Кельвин предположил, что вся Земля затвердела при температуре 3870 °С.

Получается, что внешняя часть Земли затвердела при охлаждении около 40 000 000 лет назад. Тем самым, лорд Кельвин оценил возраст Земли в 40 миллионов лет, но этот небольшой возраст Земли не может быть принят. Более того, этот метод страдает определенными недостатками.

Во время постулирования кельвиновской концепции определения возраста Земли не было известно про радиоактивные элементы. Тепло генерируется за счет распада радиоактивных минералов и, таким образом, температура ядра Земли увеличивается.

Лорд Кельвин не учитывал этот факт в своей концепции, и поэтому его метод неприемлем. Но, несмотря на то, что его оценка и была ошибочной, его подход делать выводы, основанные на наблюдениях и расчетах, был, несомненно, научным методом.

Определение возраста Земли на основе океанической солености

Современные океанические воды содержат соль, но считается, что океаны во время их создания были пресными, не содержали соль. Позже дождевая вода после прохождения через грунты континентальных поверхностей вымывала содержащуюся в них соль, реки несли эти воды в океан и, таким образом, океаническая вода начинала становиться соленой.

С течением времени океаническая соленость увеличивалась. На основе экспериментов и наблюдений было установлено, что около 60 процентов соли в океаны приносится реками. Также было продемонстрировано, что существует более или менее сходство между океанической солью и солью, приносимой реками. На этом основании был сделан вывод, что реки являются основным источником океанической солености.

Если известно общее количество океанической соли и если определена годовая скорость увеличения солености океана, то может быть вычислен и возраст океанов.

Джон Джоли, ирландский геолог, профессор геологии и минералогии Тринити-колледж и Дублинского университета на основе серии экспериментов рассчитал общее количество соли во всех морских водах — 1,26 х 10²² грамм. Также он утверждал, что ежегодно в океанах откладываются около 1,56 х 10¹⁴ грамм соли, вымытой из суши.

Таким образом, на основе данных океанической солености, предоставленных Джоли, возраст океанов может быть рассчитан следующим образом:

Возраст океанов = 1,26 x 10²²/1,56 х 10¹⁴ = 80000000 лет.

Исходя из вышеприведенных расчетов, оказывается, что мировые океаны были созданы около 80 миллионов лет назад. Земля возникла гораздо раньше до возникновения океанов, но возникает вопрос, насколько раньше? Относительно ответа на этот вопрос нет единодушия. Некоторые ученые считают, что океаны были созданы как минимум через 40 миллионов лет после зарождения Земли.

Если мы согласимся с этим утверждением, то возраст Земли станет 120 миллионов лет, но этот расчет также совершенно неприемлем, потому что Земля не может быть такой молодой. Надо отметить, что на основе изучения палеомагнетизма уже датированы породы океанической коры возрастом 200 миллионов лет.

Несколько ученых попытались показать взаимосвязь между осаждением соли в океанах и периодами горообразования в глобальном масштабе. По их мнению, количество соли, приносимой в океаны реками, не всегда было одинаковым. Это количество доставляемой соли в океаны постепенно уменьшалось бы из-за постоянного разрушения гор в результате продолжающейся поверхностной эрозии.

И, наоборот, скорость осаждения соли в океанах вновь возросла бы после возникновения новых гор в течение следующего периода глобального горообразования. Исходя из этой предпосылки, сторонники вышеуказанной концепции определили возраст мирового океана равным 1500 миллионам лет. Они также предположили, что Земля возникла примерно на 375 миллионов лет раньше океанов. Таким образом, возраст Земли может быть рассчитан как 1500+375 =1875 миллионов лет.

Необходимо отметить, что и этот метод определения возраста Земли не лишен недостатков. Очень трудной и довольно невыполнимой задачей является измерение общего количества соли в Мировом океане и определение годовой скорости осаждения в нем соли. Кроме того, скорость и количество поверхностной эрозии не везде равны и не одинаковы каждый год, скорее они варьируются как в пространстве, так и во времени.

Таким образом, скорость осаждения соли в океанах может быть не одинаковой от года к году. Также ошибочно полагать, что суша является единственным источником океанической солености. Установлено, что тепловые конвективные течения внутри Земли также приносят в океаническую кору соль, которая, таким образом, также способствует солености океана.

На основе накопления отложений осадков

Существует несколько методов расчета возраста Земли на основе периода формирования осадочных пород. Первые магматические породы образовались вследствие охлаждения и затвердевания горячей жидкой магмы и лавы после зарождения Земли.

Эти магматические породы распадались и разлагались, и, таким образом, полученные отложения различных видов переносились и откладывались реками, ветром и т. д. в водоемах, образуя первые осадочные породы на поверхности земли.

С тех пор процессы осаждения и образования осадочных пород продолжались на протяжении всех геологических периодов и продолжаются до сих пор. Непрерывное осаждение приводит к увеличению толщины осадочных пород. Если удастся выяснить общую толщину и годовую скорость осаждения осадочных пород, то можно рассчитать возраст образования первых осадочных пород на земной поверхности и, применив здравый смысл, есть возможность приблизительно оценить возраст Земли.

Возраст первых осадочных пород = общая толщина осадочных пород/годовая скорость осаждения.

Различные ученые пытались рассчитать возраст Земли на основе вышеуказанного метода, но их результаты оказались различными из-за неодинаковой толщины осадочных пород в разных местах.

Ниже представлено несколько расчетов:

(1) Каменная статуя Рамзеса II была найдена в 1854 году в Египте (ныне ОАЭ) погребенной под 9-футовой (~ 3 м) толщей отложений. Статуя Рамзеса II была сделана примерно за 3000 лет до того, как ее удалось обнаружить в 1820 году. Исходя из этого факта, можно смело утверждать, что отложения толщиной 9 футов отложились за 3000 лет. Таким образом, может быть рассчитана годовая скорость осаждения. Считается, что известная глубина осадочных пород на поверхности земли составляет около 160 км (100 миль).

Для расчета возраста первых осадочных пород можно произвести следующий расчет:

9 футов осаждений за 3000 лет

3 фута осаждений за 1000 лет

общая глубина осадочных пород = 100 миль (160 км) или 528 000 футов

Отложение 528 000 футов получается за 176 миллионов лет.

Таким образом, возраст первой осадочной породы определен в 176 миллионов лет. Можно отметить, что осадочные породы образовались гораздо позже со времени возникновения Земли. Если предположить, что возраст Земли может быть в 3 раза больше, чем возраст первой осадочной породы, то возраст Земли может быть оценен примерно в 500 миллионов лет. Этот возраст намного ниже, чем ожидаемый возраст Земли, и, следовательно, этот метод также неприемлем.

(2) Предпринята попытка рассчитать возраст Земли на основе осадочных отложений в долинах реки Коларадо и Вайоминг, США. Было подсчитано, что отложения толщиной в полмили были отложены примерно за 6,5 миллионов лет.

На основе этой оценки можно сделать следующий расчет, чтобы узнать возраст первых осадочных пород:

Отложения толщиной 1/2 мили = за 6,5 миллионов лет

Отложения толщиной 100 миль = 1300 миллионов лет

Если считать, что возраст Земли в 3 раза превышает возраст первых осадочных пород, то Земле 3,9 миллиарда лет. Этот расчет более или менее дает довольно хорошее представление о возрасте Земли, который, как принято считать, находится в диапазоне от 4 до 5 миллиардов лет.

Некоторые ученые утверждают, что возраст Земли не может быть более чем в два раза больше возраста первых осадочных пород. Если принять это предположение, то возраст Земли вычисляется как 2,6 миллиарда лет. Этот расчет уже ближе к результату радиоизотопного датирования, согласно которому возраст Земли оценивается в 2000 миллионов лет.

На основе эрозии

Некоторые ученые попытались рассчитать возраст Земли на основе скорости эрозии участков суши. Этот метод основан на убеждении, что континентальные районы регулярно каждый год разрушаются экзогенными или денудационными процессами. Если мы сможем узнать общее количество денудации поверхностных материалов до сих пор и годовую скорость денудации, то можно оценить возраст Земли.

Обычно считается, что поверхность Земли толщиной в один фут, как правило, разрушается примерно через 10 000 лет. Верно и то, что эродированные отложения откладываются речными процессами в виде осадочных пород. Известная толщина осадочных пород составляет около 160 км (528 000 футов).

 (Эродированные земли — Земли, потерявшие в результате эрозии частично или полностью плодородный слой почвы.)

Таким образом, исходя из вышеизложенных фактов, можно произвести следующий расчет:

1-футовая эрозия = через 10 000 лет

528 000 футов эрозии = за 5280 миллионов лет, (т.е. 100 миль за 5,28 млрд. лет)

Если мы возьмем, что возраст Земли вдвое превышает возраст толщины отложений, полученных в результате непрерывной денудации участков суши, то возраст Земли можно оценить в 10 560 миллионов (или 10,5 миллиарда) лет. Эта оценка неприемлема, потому что возраст Земли не может быть таким большим. Этот метод также обладает многочисленными недостатками. Скорость эрозии варьируется как в пространстве, так и во времени.

Фактически, на скорость эрозии поверхностных материалов влияет множество факторов окружающей среды (например структура почвы, рельеф, растительность, эффективность денудационных процессов, климат и так далее), которые также варьируются от одного места к другому и от одного климатического региона к другому. Таким образом, определить скорость эрозии — очень сложная, скорее невыполнимая задача.

На основе приливной силы Луны

Возраст Земли, вычисленный на основе приливной силы Луны, рассчитывается различными способами. Есть версия, что Луна отделилась от Земли, став ее спутником, вращающимся вокруг нее.

Если это так, то давным-давно Луна могла находиться очень близко к Земле и ее гравитационное воздействие было максимальное. С течением времени Луна постепенно удалялась от Земли и, следовательно, гравитационное влияние Луны также постепенно уменьшалось.

Возраст Луны и, в конечном счете, возраст Земли рассчитывается на основе скорости уменьшения гравитационного влияния Луны. Ученые рассчитали возраст Земли, исходя из этого, как 4 миллиарда лет.

Второй метод — считается, что скорость вращения Земли уменьшается из-за гравитационного воздействия Луны.

На основании расчета гравитационного влияния Луны и изменения скорости вращения Земли был сделан вывод, что Луна удаляется от Земли со скоростью около 13 см в год. Нынешнее расстояние Луны от Земли составляет 384 000 км. Таким образом, Луне потребовалось бы 2 953 846 000 лет, чтобы отойти на 384 000 км от Земли. Исходя из этого, возраст Земли оценивается в 4 миллиарда лет.

По сезонным кольцам деревьев

Если вы когда-либо обращали внимание на спил ствола дерева, вы видели, как дерево формирует новое кольцо роста каждый год. В годы засухи дерево растет медленнее, поэтому кольцо более узкое; в хорошие благоприятные периоды кольцо толще. Сравнивая рисунок толстых и тонких колец с архивными данными о погоде, ученые могут убедиться, что метод точен. Этот метод можно использовать даже на мертвых деревьях, которые давно упали в лесу. Например, последние 200 колец в мертвом дереве могут совпадать с 200 кольцами в начале жизни живого дерева, поэтому два дерева вместе могут дать информацию о далеком прошлом.

Таким образом, несколько деревьев можно использовать для создания хронологии целого лесного региона. Например, европейские дубы были использованы для построения 12000-летней хронологии. Также можно узнать о прошлом планеты по годовым слоям льда в ледниках.  Пользуясь этим методом можно узнать историю, уходящую гораздо дальше в прошлое Земли. Каждый год количество выпадаемого снега меняется в зависимости от сезона, образуя годовой слой. Извлекая ледяные «керны» ледников, ученые имеют возможность наблюдать более 50000 лет древней истории.

Этот метод может быть проверен и расширен путем сравнения с историческими записями о погоде, а также с архивными данными об извержениях вулканов по всему земному шару, которые оставили тонкие слои пыли на ледниках. Ученые пробурили глубокие ледяные скважины в ледниках и обнаружили лед, которому 123 000 лет в Гренландии и 740 000 лет в Антарктиде.

  Эти слои имеют возраст гораздо больше чем 6000 или 10000 лет, за которые выступают креационисты Молодой Земли. Исследования изотопов показывают, что лед намного старше. По этим данным Земле не менее 740000 лет.

По лунным камням

Земля хорошо скрывает свой возраст. Сегодня большая часть земной коры, измененная за всю историю Земли тектоническим движением плит и эрозией, моложе планеты.

В зонах субдукции вдоль континентальных окраин океаническая кора погружается в мантию и плавится. Между тем, на срединно-океанических хребтах и в горячих точках образуется новая кора. Тектонические плиты давят друг на друга, создавая горы. Ручьи и реки несут выветрившиеся породы в низменности и в океан, по пути откладывая камни, грязь и песок.

В течение геологического времени накопленный осадок может сжиматься, образуя породу, или втягиваться в мантию, подвергаясь переплавке.

Нетронутые и неизмененные скальные образования очень трудно найти. Большинство старых пород были разрушены ветром и водой или погребены под континентальными плитами. Но, все-таки, еще можно обнаружить очень редкие древние породы. Например, кристаллы циркона из Джек-Хиллз в Западной Австралии, возрастом 4,404 миллиарда лет, в настоящее время самый старый минерал на Земле. В реке Акаста на северо-западе Канады некоторые образцы горных пород достигают 4,031 миллиарда лет.

Камень с Луны, привезенный астронавтами «Аполлона-14», имел в своей структуре фрагмент с нашей планеты. Ученые считают, что некогда в результате удара астероида или кометы произошел выброс кусков земной коры в космос, и, по крайней мере, один кусок упал на Луну. Исследования показали, что этому фрагменту около 4 миллиардов лет.

Поскольку древние земные породы вряд ли будут остатками первоначальной коры нашей планеты, ученым необходимо также взглянуть на старые материалы в других частях Солнечной системы, которые не претерпели особых изменений, как породы на Земле.

Поверхность Луны, несмотря на историю вулканической активности и метеоритных бомбардировок, имеет кору почти в том первоначальном виде, когда она была образована. Опубликованное в 2019 году исследование пород, привезенных миссиями «Аполлон», предполагает, что Луна сформировалась около 4,51 миллиарда лет назад, примерно через 50 миллионов лет после формирования Солнечной системы (4,56 миллиарда лет назад).

По метеоритам

Чтобы найти более старые породы, которые не были разрушены, нам нужно заглянуть за пределы Земли. Метеориты — это куски породы из Солнечной системы, которые недавно упали на Землю и не пострадали от сильной эрозии.  Метеориты были одними из первых твердых тел, появившихся в то время, когда вокруг молодого Солнца только начали формироваться планеты. Их структура с богатым содержанием кальция и алюминия дает возраст, который восходит к началу формирования Солнечной системы. Почти все метеориты имеют одинаковый радиометрический возраст — 4,567 миллиарда лет. Таким образом, Солнечной системе, включая Землю, свыше 4 500 000 000 лет.

Радиометрическое (радиоизотопное) датирование

По мере того, как прогресс в химии, геологии и физике продолжался, ученые нашли метод, с помощью которого можно определить абсолютный возраст образца породы или минерала.

Незадолго до начала XX-го века ученые выяснили, что они могут вычислить возраст породы, измеряя радиоактивный распад, метод, называемый радиометрическим датированием.

История радиометрического датирования началась примерно в начале XX-го века, когда ученые узнали больше о радиоактивности. Физик Эрнест Резерфорд вместе с коллегами был первым, кто попытался провести измерения на образце породы в 1904 году. Дополнительные открытия в области радиоактивности еще больше усовершенствовали этот метод измерений.

В 1921 году британский геолог Артур Холмс показал, что радиометрическое датирование является действенным методом определения возраста горных пород, и предположил, что Земле несколько миллиардов лет. С 1960-х годов радиометрическое датирование стало доминирующим способом измерения возраста горных пород.

Метод расчета возраста Земли на основе радиоактивных элементов приобрел максимальный успех в современном научном мире, поскольку этот метод более убедителен, чем другие методы.

В чем суть радиометрического датирования пород?

Некоторые элементы в горных породах радиоактивны, и ученые используют это свойство в качестве часов, определяющих возраст этих пород. 50% радиоактивных атомов распадаются из одной формы в другую в течение определенного периода времени. Этот временной интервал называется периодом полураспада.

Например, U-235 является радиоактивным изотопом урана. Через серию фаз распада он распадается до стабильной формы свинца, известной как Pb-207. На химическом жаргоне U-235 называется родительским изотопом, а Pb-207 является дочерним изотопом.

Чтобы датировать породу, ученые измеряют относительное количество родительских и дочерних изотопов в исследуемом образце. Из предыдущих исследований они уже знают, что период полураспада U-235 — количество времени, необходимое для преобразования 50% U-235 в Pb-207 — составляет 704 миллиона лет. Поэтому, если образец породы имеет по 50% U-235 и Pb-207, возраст этой породы составляет 704 миллиона лет. Если образец содержит 25% U-235 и 75% Pb-207, то возраст образца составляет 1 408 миллионов лет.

Другой родительский изотоп урана, U-238, распадается на другой изотоп свинца, известный как Pb-206, с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет. Ученые используют оба изотопа урана в своих анализах образца, потому что результаты перекрестно проверяют друг друга. Анализ соотношений U-235 к Pb-207 и U-238 к Pb-206 в образце дают одинаковые результаты его возраста.

Минерал под названием циркон часто содержит U-235 и U-238. Однако свинец не может включиться в кристаллическую решетку минерала. Поэтому, если в цирконе найден свинец, он попал туда только потому, что распался из изотопов урана. Это свойство циркона делает его идеальным минералом для использования в датировке пород.

Открытие Клэр Паттерсона

В начале 1950-х годов геохимик Калифорнийского технологического института по имени Клэр Кэмерон Паттерсон, который работал над Манхэттенским проектом по разработке атомной бомбы во время Второй мировой войны, измерил изотопный состав свинца из метеорита Каньон-Дьябло и нескольких других кусков космической породы, которые, как полагали, относится к материалу, из которого также сформировалась Земля. В 1953 году Паттерсон обнародовал оценку возраста Земли в 4,55 миллиарда лет (плюс-минус 70 миллионов лет). С тех пор исследования метеоритов и лунных пород лишь незначительно уточнили эту цифру, уменьшив погрешность до 20 миллионов лет.

Хотя открытие Паттерсона сделало его известным в мире науки, он не видел в этом большого значения. В то время «никто не заботился об этом», — вспоминал он в интервью, проведенном незадолго до его смерти в 1995 году. «Даже сегодня людям абсолютно все равно, сколько лет Земле».

---