Ile lat ma nasza planeta? Dziś odpowiedź wydaje się prosta: około 4,54 miliarda lat. Jednak jeszcze w połowie XX wieku ustalenie jej wieku było jednym z wielkich wyzwań geologii. Skały na powierzchni Ziemi nie zachowały bowiem pełnego zapisu jej początków.
Amerykański geochemik Clair Cameron Patterson znalazł wskazówki w materiale, który przybył z kosmosu. Analizując izotopy ołowiu w meteorytach, pomógł ustalić wiek Ziemi. Przy okazji odkrył coś jeszcze: ołów, którego ślady tak utrudniały mu pracę w laboratorium, był wszechobecny również w środowisku. Historia liczenia miliardów lat doprowadziła go do problemu znacznie bliższego codziennemu życiu.
Dlaczego tak trudno ustalić wiek Ziemi?
Ziemia formowała się stopniowo z materii krążącej wokół młodego Słońca, a jej wczesna historia obejmowała zderzenia, nagrzewanie i różnicowanie się wnętrza. Pytanie o wiek planety jest więc także pytaniem o to, jaki moment jej powstawania chcemy uznać za początek.
Geolodzy nie mogą po prostu pobrać próbki pierwszej ziemskiej skały i sprawdzić, kiedy powstała. Przez miliardy lat skorupa ziemska była nieustannie przekształcana. Skały ulegały wietrzeniu, pogrążaniu w głąb Ziemi, metamorfizmowi, a niektóre także przetopieniu. Procesy te mogły zmieniać lub zacierać zapis ich wcześniejszej historii.
Dlatego wiek najstarszej znalezionej skały nie musi być równy wiekowi całej planety. Aby zajrzeć dalej w przeszłość, naukowcy sięgnęli po materiał pozaziemski: meteoryty.
Meteoryty jako świadkowie narodzin Układu Słonecznego
Meteoryty to fragmenty ciał kosmicznych, które przetrwały przejście przez atmosferę i dotarły do powierzchni Ziemi. Wiele z nich pochodzi z niewielkich ciał powstałych we wczesnym Układzie Słonecznym. Część zachowała informacje o wydarzeniach znacznie starszych niż większość znanych nam skał ziemskich.
To nie znaczy, że każdy meteoryt jest niezmienioną kapsułą czasu. Również jego materia mogła być później ogrzewana lub przekształcana. Odpowiednio dobrane próbki pozwalają jednak badać początki Układu Słonecznego i porównywać je z historią Ziemi.
Wśród materiałów wykorzystanych przez Pattersona znalazł się Canyon Diablo – meteoryt żelazny związany z kraterem Barringer, znanym również jako Meteor Crater, w Arizonie. Ołów z jego minerałów pomógł badaczowi określić skład izotopowy zbliżony do pierwotnego. Stanowił punkt odniesienia dla porównania z ołowiem z innych meteorytów.
Samo uderzenie, które utworzyło krater, nastąpiło około 50 tysięcy lat temu. To dwa różne wydarzenia: materiał meteorytu jest pozostałością bardzo wczesnej historii Układu Słonecznego, natomiast krater powstał stosunkowo niedawno.
Zegar zapisany w izotopach ołowiu
Podstawą badań Pattersona były izotopy ołowiu, czyli odmiany tego samego pierwiastka, których atomy różnią się liczbą neutronów w jądrze.
Część ołowiu obecnego w materii Układu Słonecznego istniała już wtedy, gdy tworzyły się meteoryty. Inna część powstawała później wskutek rozpadu promieniotwórczego. Uran-238 w wyniku kolejnych przemian prowadzi do powstania ołowiu-206, a uran-235 – ołowiu-207. Z kolei ołów-208 może powstawać w szeregu przemian toru-232.
Ważny dla porównań jest także ołów-204. Nie powstaje on w tych długotrwałych szeregach rozpadu i służy jako izotop odniesienia. Warto przy tym pamiętać, że również izotopy 206, 207 i 208 występowały w materii pierwotnej – nie cała ich ilość powstała później z rozpadu uranu i toru.
Tempo przemian promieniotwórczych jest znane. Jeżeli więc odpowiednio porównamy proporcje izotopów ołowiu w różnych próbkach, możemy wyciągnąć wnioski o czasie, jaki upłynął od określonego etapu ich historii. Nie jest to odczyt z jednego kosmicznego zegarka: potrzebne są pomiary wielu materiałów, znajomość procesów, którym podlegały, oraz właściwa interpretacja wyników.
Wiek Ziemi: wynik z 1956 roku
W 1956 roku Patterson opublikował pracę „Age of meteorites and the earth” – „Wiek meteorytów i Ziemi”. Na podstawie analizy izotopów ołowiu w kilku meteorytach oraz porównania ich z materiałem ziemskim oszacował wiek na 4,55 miliarda lat, z niepewnością około 70 milionów lat.
Dla człowieka przyzwyczajonego do liczenia lat w kalendarzu 70 milionów może wydawać się ogromnym marginesem. W odniesieniu do dziejów liczących ponad cztery i pół miliarda lat był to jednak wynik o wielkim znaczeniu.
Patterson uznał, że wiek wyznaczony dla badanych meteorytów można odnieść także do Ziemi, opierając się na porównaniu składu izotopowego i określonych założeniach dotyczących ewolucji ołowiu. Nie zmierzył więc bezpośrednio wieku pierwszej ziemskiej skały.
Dziś wiek Ziemi podaje się zazwyczaj w przybliżeniu jako 4,54 miliarda lat. Z kolei jedne z najstarszych znanych składników meteorytów, bogate we wapń i glin inkluzje mineralne, mają około 4,567 miliarda lat i są używane do określania początku historii Układu Słonecznego. Te daty dotyczą powiązanych, lecz nie identycznych etapów: powstawanie planety było procesem rozciągniętym w czasie.
Ołów, którego było za dużo
Droga do wyniku z 1956 roku nie prowadziła wyłącznie przez obliczenia. Równie trudne okazało się uzyskanie próbek wystarczająco czystych do pomiarów.
Patterson badał bardzo małe ilości ołowiu. Tymczasem pierwiastek ten mógł dostać się do materiału z laboratoryjnego kurzu, odczynników, naczyń czy otaczającego powietrza. Nawet niewielka domieszka zmieniała wynik, gdy w samej próbce ołowiu było bardzo mało.
Badacz poświęcił lata na opracowanie metod oddzielania i oznaczania śladowych ilości tego pierwiastka oraz ograniczania zanieczyszczeń. Rozwijał rygorystyczne procedury czyszczenia i pracy w kontrolowanych warunkach. Dzięki takim metodom geochemicy mogli dokładniej badać skład izotopowy nie tylko meteorytów, lecz także zwykłych skał magmowych i osadów.
Problem nie kończył się jednak na drzwiach laboratorium. Skoro tak trudno było uniknąć obcego ołowiu podczas analizy, warto było zapytać, ile tego pierwiastka znajduje się w otaczającym nas świecie i skąd on pochodzi.
Od meteorytów do oceanów
Po badaniach nad wiekiem Ziemi Patterson wraz ze współpracownikami zajął się ołowiem w środowisku. Analizowali między innymi próbki oceaniczne i próbowali ustalić, jak obieg tego pierwiastka zmieniła działalność człowieka.
Jednym z sygnałów ostrzegawczych było porównanie wód powierzchniowych i głębinowych. W badaniach opublikowanych w 1963 roku Patterson i Mitsunobu Tatsumoto wykazali, że analizowane wody głębinowe zawierały od trzech do dziesięciu razy mniej ołowiu niż wody przy powierzchni. Wynik ten wskazywał na zaburzenie naturalnego obiegu pierwiastka przez dopływ ołowiu pochodzącego z działalności człowieka.
W 1965 roku Patterson opublikował artykuł, w którym zakwestionował ówczesne przekonania o niewielkim wpływie przemysłu na ilość ołowiu w środowisku i organizmie człowieka. Zwracał uwagę, że powszechnie mierzone stężenia nie muszą odpowiadać naturalnemu tłu. Aby je poznać, trzeba było znaleźć materiał pochodzący sprzed okresu intensywnego zanieczyszczania środowiska.
Śnieg i lód jako archiwum zanieczyszczeń
Takim archiwum okazały się pokrywy lodowe. Śnieg, który opadał w kolejnych latach, zatrzymywał drobiny i substancje obecne w atmosferze. Z czasem kolejne warstwy były przykrywane następnymi i przekształcały się w lód. Ich analiza pozwala więc badać zmiany zachodzące w dawnym środowisku.
Fot. K. Makinson, CC BY-SA 3.0.
W 1969 roku Masayoshi Murozumi, Tsaihwa Chow i Clair Patterson opublikowali wyniki badań śniegu i lodu z Grenlandii oraz Antarktydy. W próbkach grenlandzkich stężenie ołowiu było znacznie większe w młodszych warstwach niż w warstwach pochodzących ze starożytności. Najostrzejszy wzrost odnotowano po 1940 roku.
Badacze wiązali wcześniejszy wzrost zawartości ołowiu w grenlandzkim śniegu przede wszystkim z emisjami z hut, a późniejszy – w dużej mierze ze spalaniem benzyny zawierającej dodatki ołowiu. Wyniki z Antarktydy także wskazywały na wzrost po 1940 roku, choć oznaczone tam stężenia były niższe niż w młodych warstwach grenlandzkich.
Lód pokazywał więc, że ślady działalności człowieka docierały daleko poza miasta, drogi i zakłady przemysłowe. Można je było znaleźć nawet w śniegu odłożonym na odległych obszarach polarnych.
Benzyna ołowiowa i źródła zanieczyszczeń
Ołów trafiał do środowiska z różnych źródeł, między innymi z hutnictwa, farb, lutów i paliw. W XX wieku szczególnie istotnym źródłem emisji stała się benzyna z dodatkiem tetraetyloołowiu.
Substancję tę dodawano do paliwa, aby zwiększyć jego liczbę oktanową i ograniczyć spalanie stukowe w silniku. Podczas spalania benzyny związki ołowiu wydostawały się ze spalinami do atmosfery. Następnie mogły osiadać wraz z pyłem lub opadami, trafiając do gleb i wód.
Ołów jest toksyczny dla organizmu. Szczególnie wrażliwe na jego działanie są dzieci, u których narażenie może szkodzić rozwijającemu się układowi nerwowemu.
Patterson analizował również inne sposoby oceny dawnego narażenia ludzi, w tym zawartość ołowiu w szczątkach pochodzących z dawnych populacji. Takie porównania pomagały spojrzeć na współczesne wyniki z innej perspektywy: to, że daną ilość ołowiu znajdowano powszechnie, nie oznaczało jeszcze, że była ona naturalna.
Jak ograniczano ołów w benzynie?
Wyniki badań nad ołowiem przyczyniły się do debaty o skutkach jego emisji. Nie była to łatwa dyskusja: obejmowała zdrowie publiczne, interpretację danych naukowych oraz interesy przemysłu.
W 1973 roku amerykańska Agencja Ochrony Środowiska, czyli EPA, ogłosiła przepisy przewidujące stopniowe zmniejszanie zawartości ołowiu w benzynie. Proces ograniczania emisji trwał wiele lat. Od 1 stycznia 1996 roku w Stanach Zjednoczonych zakazano sprzedaży benzyny ołowiowej do pojazdów poruszających się po drogach publicznych. Zakaz ten nie obejmował wówczas wszystkich zastosowań paliw zawierających ołów.
Historia ta nie sprowadza się do pracy jednego naukowca: na zmianę przepisów wpłynęły badania wielu zespołów, działania instytucji i decyzje polityczne. Patterson odegrał jednak ważną rolę, pokazując, jak bardzo powszechne zanieczyszczenie może utrudniać rozpoznanie naturalnego stanu środowiska.
Co łączy wiek Ziemi z czystym powietrzem?
Meteoryt, ocean i pokrywa lodowa wydają się należeć do zupełnie różnych opowieści. W badaniach Pattersona połączył je ołów – pierwiastek, który może przechowywać informacje zarówno o bardzo odległej przeszłości, jak i o wpływie współczesnej cywilizacji.
Aby odczytać pierwszą z tych historii, trzeba było nauczyć się rozpoznawać ślady drugiej. Badania wieku Ziemi wymagały usunięcia z próbek niemal niewidocznych zanieczyszczeń. Gdy Patterson zaczął pytać o ich pochodzenie, geochemia pomogła dostrzec problem dotyczący nie tylko laboratorium, lecz całego środowiska.
Źródła
- Patterson, C. (1956), Age of meteorites and the earth, „Geochimica et Cosmochimica Acta”, 10, 230–237.
- Patterson, C. C. (1965), Contaminated and Natural Lead Environments of Man, „Archives of Environmental Health”, 11, 344–360.
- Murozumi, M., Chow, T. J., Patterson, C. (1969), Chemical concentrations of pollutant lead aerosols, terrestrial dusts and sea salts in Greenland and Antarctic snow strata, „Geochimica et Cosmochimica Acta”, 33, 1247–1294.
- Tilton, G. R., Clair Cameron Patterson, National Academy of Sciences, 1998.
- US EPA, EPA Requires Phase-Out of Lead in All Grades of Gasoline, 1973, oraz EPA Takes Final Step in Phaseout of Leaded Gasoline, 1996.
Zdjęcie w zajawce: Meteoryt Canyon Diablo. Fot. Dave Pape / Wikimedia Commons, CC BY 2.0.
