Woher wissen Wissenschaftler das Alter von Fossilien und das Alter der Erde? Dank einer revolutionären Erfindung

Bevor physikalische und chemische Methoden zur objektiven Bestimmung des Alters antiker Fossilien eingesetzt wurden, verließen sich Geologen und Archäologen bei der Altersbestimmung antiker Artefakte hauptsächlich auf Erfahrungswerte und Indizien, was zu großen Fehlern führte.

1940 entdeckten der amerikanische Wissenschaftler Martin Karman und sein Kollege Sam Rubin Kohlenstoff-14. 1947 erhielt Willard Libby von der Universität Chicago den Nobelpreis für Chemie für die Erfindung der Kohlenstoff-14-Datierungsmethode. Von da an erlebte das schwierige Problem der Datierung in der Archäologie, Geologie und Hydrologie einen revolutionären Durchbruch.

Wie bestimmt Kohlenstoff-14 das Alter eines Objekts? Kohlenstoff (Elementsymbol C) ist das sechste Element im Periodensystem, da der Kohlenstoffkern 6 Protonen enthält. Kohlenstoff hat jedoch drei gemeinsame Isotope, nämlich Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14 (abgekürzt als C-12, C-13, C-14). Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen in ihren Kernen, aber die Anzahl der Neutronen beträgt 6, 7 bzw. 8.

Von diesen drei Kohlenstoffisotopen sind C-12 und Kohlenstoff C-13 stabile Isotope, was bedeutet, dass sie dort bleiben, egal wie viele Jahre vergehen. während C-14 ein radioaktives Element ist, was bedeutet, dass es instabil ist und mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren in andere Substanzen zerfällt. Das heißt, nach 5730 Jahren wird die Hälfte des C-14 zu Stickstoff-14 zerfallen.

Auf diese Weise lässt sich berechnen, wie viele Jahre eine Substanz existiert. Durch die Messung der in der Substanz verbleibenden C-14-Menge können wir ungefähr feststellen, wie viele Jahre die Substanz existiert.

Voraussetzung hierfür ist, dass die Menge an C-14 festgelegt ist, denn sonst könnte selbst ein Gott nicht wissen, wie viel davon nach vielen Jahren noch übrig sein sollte, oder er könnte, selbst wenn er den Gehalt wüsste, nicht berechnen, wie viele Jahre es existiert. Es ist einfach so, dass die natürlichen Kohlenstoffisotope auf der Erde normalerweise in stabilen Mengen vorkommen, nämlich zu etwa 99 % aus C-12, zu 1 % aus C-13 und nur zu einem Billionstel aus C-14.

Es ist dieses Billionstel von C-14 und sein Verhältnis zu C-12 und C-13, das für Wissenschaftler zu einer wichtigen Grundlage für die Berechnung des Alters bestimmter Substanzen geworden ist. Beispielsweise absorbieren Pflanzen oder Tiere Kohlenstoff, wenn sie leben. Der Mensch nimmt beispielsweise Kohlenstoff durch die Atmung und die Nahrungsaufnahme auf. Diese Kohlenstoffelemente reichern sich im Körper an und ihr Verhältnis ist grundsätzlich festgelegt. Sobald ein lebender Organismus jedoch stirbt, werden diese Elemente nicht mehr aufgenommen und absorbiert, sodass C-12 und C-13 im Körper fixiert werden, während C-14 zu zerfallen und abzunehmen beginnt.

Wissenschaftler entnehmen einige Proben von ausgegrabenen oder entdeckten Überresten oder Knochen urzeitlicher Organismen und berechnen den Kohlenstoffgehalt durch Instrumententests. Sie ermitteln das Verhältnis von C-14 zu C-12 und C-13 und leiten daraus das Alter der biologischen Überreste ab. Wenn beispielsweise der C-14-Gehalt im Inneren nur halb so hoch ist wie er sein sollte, beträgt das Alter der uralten fossilen Überreste 5.730 Jahre und so weiter.

Allerdings ist die C-14-Datierungsmethode mit einem gewissen Fehler behaftet. Dies liegt daran, dass die Halbwertszeit von C-14 selbst einen Fehler von ±40 Jahren aufweist und jede historische Periode oder besondere Umweltveränderungen, wie etwa Vulkanausbrüche, Schwankungen im C-14-Gehalt verursachen. Daher werden bei der Anwendung der C-14-Datierungsmethode gleichzeitig auch andere Referenzobjekte herangezogen. Als Referenz werden beispielsweise die Werte verwendet, die durch den Nachweis von C-14 in Baumringen und Stalaktitenringen gewonnen werden, da diese genauer sind.

Ausländischen Medienberichten zufolge hat ein internationales Wissenschaftlerteam eine umfassende Kalibrierung der Kohlenstoff-14-Datierung durchgeführt. Im Rahmen der siebenjährigen Studie wurden 15.000 Proben aus aller Welt verwendet, um eine neue und genauere Kalibrierungskurve zu erstellen, mit der sich das Alter von Objekten vor 55.000 Jahren genauer bestimmen lässt.

Daher war die C-14-Bestimmungsmethode nach ihrer Einführung viel besser als frühere Methoden, die sich ausschließlich auf Erfahrung stützten, wie etwa der Markt für Kulturgüter, der sich ausschließlich auf die Erfahrung einiger weniger erfahrener Experten stützte. Dies ist ein objektiver Standard, der viele subjektive und spekulative Fehler vermeidet. Da der C-14-Gehalt in Objekten jedoch äußerst gering ist, sind die Objekte umso seltener, je älter sie sind. Daher liegt die relativ genaue Altersbestimmung im Allgemeinen im Bereich von 60.000 Jahren. Der Fehler wird größer, wenn die Zeit weiter zurückliegt.

Wie wird also das Alter von Fossilien, Gesteinen und der Erde bestimmt? Das Alter von Fossilien und Gesteinen beträgt oft Hunderte von Millionen oder sogar Milliarden von Jahren, das Alter der Erde beträgt jedoch 4,6 Milliarden Jahre. Wie kam es dazu?

Obwohl C-14 nicht zur Altersbestimmung von Fossilien oder Gesteinen aus sehr alten Zeiten verwendet werden kann, hat es den Menschen methodische Inspiration geliefert. Das heißt: Wenn das radioaktive Isotop C-14 zur Altersbestimmung verwendet werden kann und es viele radioaktive Isotope gibt, einige davon mit sehr langen Halbwertszeiten, warum können dann radioaktive Isotope mit längeren Halbwertszeiten nicht zur Kalibrierung des Alters älterer Materialien verwendet werden?

Tatsächlich werden radioaktive Elemente mit längeren Halbwertszeiten zur Bestimmung des Alters antiker Materialien verwendet. Zu den Isotopenzerfallssystemen, die Geologen derzeit zur Altersbestimmung von Gesteinen verwenden, gehören beispielsweise neben der C-14-Methode auch die Uran-Thorium-Blei-Methode, die Samarium-Neodym-Methode, die Rubidium-Strontium-Methode, die Kalium-Argon-Methode usw.

Diese Verfahren sind recht professionell und kompliziert, deshalb werde ich hier nicht näher darauf eingehen (siehe Bild oben: Einführung in die Uran-Thorium-Blei-Methode).

Tatsächlich müssen wir nur die Halbwertszeit dieser Elemente und den Prozess ihres Zerfalls und ihrer letztendlichen Umwandlung in stabile Elemente verstehen, um eine allgemeine Vorstellung zu bekommen.

Beispielsweise gibt es drei natürliche Isotope von Uran (chemisches Elementsymbol U), nämlich U-234, U-235 und U-238. Ihre Atomkerne besitzen alle 92 Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen, nämlich 144, 145 bzw. 146. Ihre natürlichen Häufigkeiten betragen: U-238 99,275 %, U-235 0,72 % und U-234 0,005 %.

Die Halbwertszeiten der drei natürlichen Uranisotope betragen: U-238 4,51 Milliarden Jahre, U-235 700 Millionen Jahre und U-234 247.000 Jahre. Auf diese Weise können wir anhand des Urangehalts in verschiedenen Proben und des Verhältnisses zwischen den Isotopen feststellen, wie lange das Objekt von seiner Entstehung bis heute existiert hat.

Andere Methoden zur Bestimmung radioaktiver Elemente werden auf diese Weise grob berechnet.

Vor der Einführung der Datierung mittels radioaktiver Elemente basierte das Verständnis der Menschen von der Erdgeschichte größtenteils auf empirischen Schätzungen oder Unsinn. Beispielsweise glaubte Aristoteles im antiken Griechenland, dass die Zeit weder Anfang noch Ende habe und die Erde daher unendlich alt sei. und im Mittelalter schätzten viele christliche Theologen durch das Studium der Bibel das Alter der Erde auf 5471 bis 7519 Jahre, und ein Gläubiger berechnete sogar den Geburtstag der Erde genau auf den 22. Oktober 4004 v. Chr.

Da die Menschen damals immer dachten, die Erde sei der Mittelpunkt des Universums, glaubten sie, das Alter der Erde sei das Alter des Universums.

Tatsächlich ist das alles Unsinn. Erst als Darwin nach seinen Untersuchungen die Theorie der Evolution der Arten vorschlug, fand das Verständnis der Menschen von der Welt Eingang in das wissenschaftliche System. Sie stellten fest, dass sich das Alter vieler Fossilien nicht durch Tausende von Jahren erklären ließ und dass die Erde bei weitem nicht so jung war wie angenommen. Aber wie alt ist die Erde? Es gab nie ein Konzept.

Erst mit der Entdeckung von C-14 und der Einführung von Willard Libbys C-14-Datierungsmethode begann die Ära der Verwendung radioaktiver Isotope zur Altersbestimmung antiker Objekte und das menschliche Verständnis des Universums und der Erde erfuhr weltbewegende Veränderungen. Durch die Untersuchung und Messung verschiedener geologischer Zeitalter auf der Erde weiß man, dass das Alter der Erde mindestens 4 Milliarden Jahre beträgt.

Claire Patterson, Geochemikerin am Caltech, arbeitete am Manhattan-Projekt zur Entwicklung der Atombombe, ist aber vor allem für die Berechnung des Alters des Universums bekannt. In den 1950er Jahren erfand er die Blei-Blei-Datierungsmethode, indem er die Uran-Blei-Datierungsmethode verbesserte. Er maß den Bleiisotopengehalt des Diablo-Canyon-Meteoriten und ermittelte das Alter der Erde auf 4,55 ± 0,7 Milliarden Jahre. Diese genaue Schätzung konnte bisher nicht bestätigt werden.

Durch die Messung von Meteoriten kann das Alter der Erde ermittelt werden, da Meteoriten im Grunde Asteroiden aus dem Sonnensystem sind. Diese Asteroiden sind Produkte der Entstehung des Sonnensystems und Himmelskörper gleichen Alters wie die Erde. Claires Berechnungsfehler beträgt jedoch ±0,7 Milliarden Jahre, sodass die wissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen davon ausgeht, dass das Alter der Erde 4,6 Milliarden Jahre betragen könnte.

Neben der Berechnung des Erdalters haben Wissenschaftler mithilfe der radioaktiven Isotopenmethode auch ziemlich genaue Messungen vieler geologischer Gegebenheiten, paläontologischer Fossilien usw. vorgenommen, beispielsweise von Dinosaurierfossilien, Fossilien aus der kambrischen Explosion und den frühesten mikrobiellen Fossilien. Dadurch können die Menschen immer mehr über die Geschichte ihrer Heimat erfahren. Was denkst du darüber? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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