Jak stará je Země? Jak se určovalo její stáří a proč je to tak těžké?

Astronomové se snaží určit stáří vesmíru co nejpřesněji. V roce 2013 oznámila Evropská kosmická agentura (ESA), že na základě pozorování pomocí vesmírného dalekohledu Planck získala dosud nejdetailnější mapu rozložení kosmického mikrovlnného pozadí – tzv. reliktního záření z období krátce po Velkém třesku. Družice registrovala nejstarší světlo z doby, kdy byl vesmír starý pouhých 380 tisíc let.

Tehdy jej vyplňovala horká a hustá „polévka“ vzájemně se ovlivňujících protonů, elektronů a fotonů, jejíž teplota dosahovala přibližně 2 700 °C. Jakmile se protony a elektrony spojily a vytvořily atomy vodíku, oddělilo se záření od hmoty. S rozpínáním vesmíru se jeho vlnová délka prodlužovala až do oblasti mikrovlnného záření, které odpovídá současné teplotě 2,7° nad absolutní nulou (tj. −270,45 °C). Na mapě rozložení reliktního záření lze rozeznat drobné teplotní fluktuace, jež souhlasí s oblastmi nepatrně odlišných hustot v raných fázích vývoje vesmíru. Zmíněné fluktuace pak představují zárodky budoucích struktur – dnešních galaxií a hvězd. Podle měření družice Planck činí stáří vesmíru 13,82 miliardy let.

Vznik Sluneční soustavy

Zhruba devět miliard roků po Velkém třesku se začala psát historie Sluneční soustavy. Všechny planety se zformovaly ze sluneční pramlhoviny – materiálu zbylého po vzniku Slunce. Malé prachové částice se spojovaly ve stále větší a větší tělesa, až vzniklo velké množství tzv. planetesimál. Tyto útvary se dále pojily a nakonec se zrodily objekty planetárních rozměrů.

Počítačové modely naznačují, že k růstu prachových zrn dochází slepováním při vzájemných kolizích. Pokud se však srážka větších zrn odehraje vysokou rychlostí, celek se často opět rozpadne. Prachové částice zkrátka potřebují „klidný přístav“, kde by mohly pokračovat v růstu, než se z nich stanou tělesa schopná samostatného přežití, ze kterých následně „vyrostou“ planetky, komety či planety. Existence prachových pastí se předpokládá již dlouho, ale donedávna o nich neexistovaly žádné důkazy.

Astronomové využívající nový radioteleskop ALMA v Chile objevili v okolí mladé hvězdy Oph-IRS 48 oblast, kde se prachové částice mohou shlukovat a zvětšovat. Vůbec poprvé se tak podařilo prachovou past pozorovat a vyřešila se tím letitá záhada formování planet. Na rádiových vlnách detekovali vědci oblast, kde jsou větší prachová zrna uvězněna, a kde tedy mohou v klidu růst v důsledku pomalých srážek a vzájemného slepování.

Podobný scénář se s největší pravděpodobností uplatnil i ve Sluneční soustavě při vzniku známých planet včetně Země. Navíc do naší planety narazila v rané fázi vývoje planetesimála o velikosti Marsu a důsledkem zmíněné kolize se stal náš věrný průvodce – Měsíc –, který se zformoval během velmi krátké doby.

Problémy se Zemí

Jak ovšem vědci zjistili, že stáří Země činí zrovna 4,54 miliardy let? Ve skutečnosti bylo velmi obtížné určit věk naší planety na základě zkoumání jejího povrchu, protože desková tektonika neustále mění jeho charakter. Nejstarší části Země sklouzly pod tektonické desky a recyklovaly se v jejím nitru. Na naší planetě se nepodařilo nalézt pozůstatky horniny starší než 4,4 miliardy roků.

Vědci předpokládají, že se veškerý materiál ve Sluneční soustavě vytvořil ve stejném okamžiku. Různé chemické látky, především radioaktivní izotopy, vznikly společně. Jelikož se rozpadaly známou rychlostí (tzv. poločas rozpadu), lze zmíněné izotopy použít k určení délky existence chemických prvků. A na základě studia různých meteoritů z odlišných oblastí Sluneční soustavy odborníci odvodili, že se jednotlivé planety zformovaly prakticky ve stejném okamžiku.

Naše současné a přesné metody určení stáří Země navazují na dlouhou řadu odhadů z uplynulých let. Vědci objevili charakteristické vlastnosti naší planety a Slunce, jež se během vývoje měnily, a na základě toho vypočítali stáří Země. Všechny dřívější odhady byly z různých důvodů bohužel chybné.

Radiometrické datování

V roce 1896 objevil francouzský chemik Antoine Henri Becquerel (1852–1908) při zkoumání fluorescence uranových solí přirozenou radioaktivitu – proces, při němž se materiály rozpadají na jiné prvky za současného uvolňování energie. Geologové si uvědomili, že nitro Země obsahuje velké množství radioaktivních látek a že by mohlo jít o příležitost, jak určit její věk. Objev nejen odhalil nedokonalosti předcházejících metod určování stáří naší planety, ale poskytl rovněž metodu novou – radiometrické datování.

Geologové následně zjistili, že se radioaktivní materiály rozpadají na další prvky v poměru, jejž lze velmi dobře předpovědět: u některých z nich je přitom zmíněný proces velmi rychlý, zatímco u jiných může trvat miliony i miliardy let. Ernest Rutherford (1871–1937) a Frederick Soddy (1877–1956) určili, že polovina izotopů radioaktivních prvků se rozpadá na jiné izotopy vždy za stejnou dobu. Pokud máme například určité množství thoria-232, jeho polovina se rozpadne za čtrnáct miliard let, další polovina za dalších čtrnáct miliard let atd. Z uvedeného jevu vychází i termín „poločas rozpadu“ (poločas přeměny). 

Na základě určení poločasu rozpadu radioaktivních izotopů dokázali vědci sestavit časový žebříček, který by jim přesně ukázal stáří geologických útvarů včetně Země. Využili při tom například rozpad uranu na různé izotopy olova. Jestliže celá Sluneční soustava vznikla ze společného zárodečného materiálu s rovnoměrně rozptýlenými izotopy olova, pak by všechna tělesa z tohoto materiálu měla vykazovat stejné množství zmíněných izotopů. Kromě toho by se mělo postupem času množství různých izotopů olova měnit, jelikož představují konečný produkt rozpadu uranu. To způsobuje změny množství uranu a olova.

Zkoumání starých hornin

Bertram Boltwood (1870–1927) aplikoval uvedenou metodu datování na 26 různých vzorků horniny a zjistil, že jsou staré 92–570 milionů let. Další zdokonalení této techniky vedlo k hodnotám v rozpětí 250 milionů až 1,3 miliardy roků. V roce 1907 publikoval Boltwood výsledky svých výzkumů, z nichž vyplývalo stáří 535 milionů let pro horniny z Branchville a až 2,2 miliardy pro vzorky z Cejlonu (dnešní Šrí Lanky).

Geologové tak založili výzkum Země na pátrání po pradávných kamenných útvarech na jejím povrchu. Velmi staré povrchové horniny nalezli v Kanadě, v Austrálii a v Africe: jejich stáří se pohybuje v rozpětí 2,5–3,8 miliardy roků. Nejstarší horniny se podařilo objevit v roce 1999 na území Kanady, přičemž byly datovány více než čtyři miliardy let do minulosti. Uvedená hodnota představuje minimální stáří Země, avšak v důsledku geologických procesů, jako je zvětrávání a desková tektonika, musí být naše planeta ještě starší.

Úlomek zirkonu nalezený v Západní Austrálii – v oblasti Jack Hills – je nejstarší známou pozemskou horninou: odborníci stanovili jeho stáří na 4,404 miliardy let. „Zemská kůra vznikla relativně brzy po zrodu naší planety a tento malý úlomek představuje její pozůstatek,“ uvedli vědci ve studii zveřejněné v časopise Nature Geoscience.

Svědectví meteoritů

Problém s určením stáří pozemských hornin spočívá v tom, že na naší planetě neustále probíhají geologické změny. Desková tektonika nepřetržitě recykluje části jejího povrchu, strhává je do hlubin a navždy je ukrývá před našimi zraky. Lze si však domyslet, že se všechna tělesa ve Sluneční soustavě zformovala zhruba ve stejném období – včetně meteoritů, jež se pohybují v kosmickém prostředí, a tudíž je na rozdíl od zemského povrchu neovlivňují procesy zvětrávání a deskové tektoniky.

TIP: Proč bylo tak těžké určit stáří Země? Zajímavé vědecké teorie z historie

Geologové proto využili tato dávná tělesa – například meteority Canyon Diablo (úlomky asteroidu, jenž vytvořil tzv. Barringerův kráter) – k přesnému určení stáří našeho solárního systému, a tedy i Země. Použili metodu radiometrického datování ke stanovení doby zrodu zmíněných meteoritů, na jejímž základě pak určili stáří naší planety na 4,54 miliardy roků s minimální chybou zhruba 1 %.