Rainer Olzem - arge-geologie.de

Wie alt ist die Welt? - Methoden der Geochronologie

Am Ende der Welt. Holzstich von Camille Flammarion (www.heikenwaelder.at)
Pan Gu teilt Himmel und Erde (blog.chinadelightours.com)

Das, was wir heute als Himmel und Erde bezeichnen, war vor undenklichen Zeiten ein durcheinandergewirbeltes "Ding" von der Gestalt eines Eis. Inmitten dieses Eis aber formte sich ein Wesen, Pan Gu, das einem Menschen glich.

Nach achtzehntausend Jahren strebte alles, was hell und klar war innerhalb des Eis, empor und wurde zum Himmel. Alles Dunkle und Trübe hingegen senkte sich herab und wurde zur Erde. Pan Gu schwebte zwischen beiden und wuchs und wuchs - so wie auch Himmel und Erde wuchsen. Der Himmel wurde immer höher, die Erde immer fester und Pan Gu immer größer. So vergingen wiederum achtzehntausend Jahre.

So die chinesische Mythologie. Aber wie alt ist die Welt wirklich?

Die christliche Zeitrechnung

James Ussher

Im christlichen Abendland gab die Schöpfungsgeschichte der Bibel bis weit ins 18. Jahrhundert die Zeitskala vor. So datierte der Erzbischof von Armagh in Irland, James Ussher (1581-1656), die Entstehung der Welt auf Sonntag den 23. Oktober 4004 vor Christus.

Seine Herleitung: Die Schöpfung hatte 6 Tage gedauert, also würde die Welt über 6 Zeitalter bestehen. Und weil die Bibel offenbarte, dass für den Herrn ein Tag wie tausend Jahre sei, würde die Welt nach 6.000 Jahren untergehen. Böse Zungen behaupten, er hätte sogar die exakte Uhrzeit mit morgens 8:00 Uhr angegeben. Aber das ist wohl nur eine Unterstellung.

Erste wissenschaftliche Datierungen

Benoit de Maillet
Georges de Buffon

Eine weitere - diesmal wissenschaftliche - Methode zur Altersbestimmung der Erde entwickelte der französische Diplomat und Naturhistoriker Benoit de Maillet (1656 - 1738). Er ging davon aus, dass die Erde ursprünglich vollständig mit Wasser bedeckt war. Anhand der Messungen der Meeresspiegelabsenkung im Mittelmeer bestimmte er so ein Alter der Erde von 2,6 Millionen Jahren.

Für den französischen Grafen und Naturwissenschaftler Georges-Louis Leclerc de Buffon (1707 - 1788) war die Erde ein Himmelskörper, der aus der Sonne herausgebrochen war und in der Kälte des Weltraums allmählich erstarrt sei. Er machte ein klassisches Experiment, indem er zwei Metallkugeln bis zur Weißglut erhitzte und sie abkühlen ließ. Er notierte den Zeitpunkt, an dem die Temperatur der Kugeln mit der Durchschnittstemperatur von Paris übereinstimmte, rechnete die Dauer der Abkühlung auf eine Kugel von der Größe der Erde um und kam so auf ein Alter der Erde von 74.832 Jahren.

Hermann von Helmholtz
William Thomson alias Lord Kelvin

Der deutsche Arzt und Physiker Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) schätzte das Alter der Erde aus der Abkühlung der Sonne. Helmholtz berechnete, dass es 22 Millionen Jahre dauern würde, damit die Erde von einem Nebel aus Staub und Gas auf ihren aktuellen Durchmesser und auf ihre heutige Temperatur käme.

Auch der irische Physiker William Thomson, der spätere Lord Kelvin (1824 – 1907), kam aufgrund der noch vorhandenen Erdwärme auf ein Alter der Erde von 24,1 Millionen Jahre.

Kelvin verwendete noch weitere Methoden, um das Alter der Erde zu berechnen, so z. B. die Wirkung der sogenannten Gezeitenreibung. Die Gezeitenreibung beschreibt die bremsende Wirkung der durch die Anziehungskraft des Mondes bedingten Gezeiten auf die Erdrotation - Ebbe und Flut laufen der Erdrotation entgegen –, was zu einer Verlängerung des Tages um etwa 1 s in 100.000 Jahren führt. Die Gezeitenreibung bewirkt zugleich eine Vergrößerung des Abstandes des Mondes von der Erde, wodurch sich der Mondumlauf um die Erde verlängert. Kelvin berechnete daraus ein Alter der Erde von bis zu 1 Milliarde Jahren.

Edmund Halley

Der englische Astronom Edmund Halley (1656-1742) ermittelte das Alter der Erde durch die Geschwindigkeit der Zunahme der Salzkonzentrationen in den Ozeanen.

Die Geologen Thomas Mellard Reade (1832-1909) und John Joly (1857-1933), beide ebenfalls Engländer, verfeinerten diese Methode der "Salzuhr" und kamen auf ein Alter der Erde von bis zu 100 Millionen Jahren.

Relative und absolute Datierung

Nikolaus Steno

Relative Datierung

In der Geochronologie unterscheidet man zwischen relativer Datierung und absoluter Datierung.  Relative Datierungsmethoden erlauben - bei einem Vergleich unterschiedlicher geologischer Objekte - lediglich die Feststellung, welches Objekt jünger oder älter als ein anderes ist. Aus der großen Zahl der relativen Datierungsmethoden sollen hier als Beispiele die Stratigrafie und die Biostratigrafie genannt werden:

1669 erkannte der dänische Arzt und Naturforscher Nicolaus Steno (1638-1687), dass in einem geologischen Profil die unten liegenden Gesteinsschichten die älteren sind, und die darüber lagernden sukzessive immer jünger werden. Damit entdeckte er als erster das stratigrafische Prinzip, dass der Anordnung im Raum auch eine Abfolge in der Zeit entspricht.

Die Schichtenfolge am Übergang des Buntsandsteins zum Muschelkalk deckt von unten nach oben mehr als 2 Millionen Jahre Erdgeschichte ab: Aufschluss am Kallmuth bei Homburg am Main (wikipedia.org)
Robert Hooke

Steno identifizierte auch die in den Gesteinen enthaltenen Fossilien als Reste ausgestorbener Pflanzen und Tiere. Aber erst Robert Hooke (1638-1703) stellte fest, dass man aus dem Fossilinhalt der Gesteine eine zeitliche Abfolge der sich verändernden Umweltbedingungen rekonstruieren könne.

Später bemerkte man, dass die Fossilien in den jüngeren Schichten sich von denen der älteren Schichten unterschieden und den heute lebenden Organismen immer ähnlicher wurden. Damit hatte man das biostratigrafische Prinzip entdeckt, dass normal abgelagerte Sedimente eine evolutionäre Abfolge von Fossilien enthalten.

Leitfossil Steinmannia bronni

Die für eine Epoche charakteristischen Fossilien, so genannte Leitfossilien, erlauben die zeitliche Einordnung auch weit auseinanderliegender Fundstellen.

Findet man z.B. die kleine Muschel Steinmannia bronni (früher: Posidonia bronni) im Gestein, dann handelt es sich um rund 180 Millionen Jahre alte Sedimente des Schwarzen Jura, des sogenannten Posidonienschiefers.

Die Eruption des Chamuscada (El Hierro) wurde mit Hilfe eines verkohlten Holzes in der Lava auf 550 v. Chr. datiert (roter Pfeil = Fundort des Holzrestes) (Quelle: GRAFCAN)

Absolute Datierung

Eine absolute Datierung erlaubt die Bestimmung des exakten Alters geologischer Objekte. Von allen absoluten Datierungsmethoden sind für die Geologie nur die von Bedeutung, die ein großes Zeitintervall abdecken. Für die Datierung junger – bis max. 60.000 Jahre alter - geologischer Objekte ist die Radiokarbonmethode (14C-Methode) geeignet. Dazu bedarf es allerdings organischen Materials, z.B. auch kleiner verbrannter Holzreste in der Lava.

Alle Lebewesen nehmen durch ihren Stoffwechsel Kohlenstoff auf, und zwar die Isotope 14C und 12C in gleichem Mengenverhältnis. Stirbt der Organismus ab, dann stoppt die Aufnahme von Kohlenstoff und es beginnt der Zerfall des 14C- Isotops (zu 14N), während 12C stabil bleibt.

Misst man nun das Verhältnis der beiden Isotope zueinander, dann kann anhand der Halbwertszeit von 14C (die Zeit, in der die Hälfte der Isotope zerfällt = 5.730 ± 40 Jahre) der Zeitpunkt bestimmt werden, wann das Lebewesen abgestorben ist und keinen Kohlenstoff mehr aufgenommen hat.

Entscheidend für die Datierung sehr alter geologischer Objekte ist also die Länge der Halbwertszeit eines Elementes.

Die Entdeckung der Radioaktivität

Henri Becquerel
Marie und Pierre Curie
Ernest Rutherford

1896 entdeckte der französische Physiker Henri Becquerel (1852 – 1908) die Radioaktivität des Urans und schuf damit die Grundlagen für eine exakte Bestimmung des absoluten Alters.

Kurz nach Becquerels Entdeckung fand die aus Polen stammende Chemikerin Marie Curie (1867 – 1934) in Zusammenarbeit mit ihrem Ehemann, dem französischen Chemiker Pierre Curie (1859 – 1906), ein weiteres radioaktives Element, das Radium.

Und 1905 berechnete der britische Physiker Ernest Rutherford (1871 – 1937) erstmals das absolute Alter eines Gesteins über den radioaktiven Zerfall des im Gestein vorhandenen Urans. Das war der Beginn der radiometrischen Datierung, die unter Verwendung natürlich vorkommender radioaktiver Elemente eine absolute Altersbestimmung von Mineralien und Gesteinen ermöglicht.

Halbwertszeiten einiger radioaktiver Isotope

Ausgangsisotop (radioaktives Isotop, Mutterisotop)

wird zu (Zerfallsprodukt, Tochterisotop)

Halbwertszeit in Jahren

Datierbare Minerale/Gesteine/
Substanzen

Kohlenstoff-14

Stickstoff-14

5.730

Holz, Torf, Muschelschalen, Grund-/Meerwasser

Chlor-14

Stickstoff-14

301.300

v.a. See- und Meeressedimente

Beryllium-10

Bor-10

1,51 Millionen

v.a. See- und Meeressedimente

Uran-235

Blei-207

703,8 Millionen

In fast allen Gesteinen

Kalium-40

Calcium-40

1,248 Milliarden

Glimmer, Hornblende, Vulkanite

Lutetium-176

Hafnium-176

3,76 Milliarden

Kalium-arme Gesteine, metamorphe Gesteine

Uran-238

Blei-206

4,468 Milliarden

In fast allen Gesteinen

Thorium-232

Blei-208

14,05 Milliarden

Meeressedimente

Rhenium-187

Osmium-187

43,3 Milliarden

Erze, v.a. Molybdän- und Kupfererze

Rubidium-87

Strontium-87

48,1 Milliarden

metamorphe Gesteine, Vulkanite

Samarium-147

Neodym-143

106 Milliarden

Kalium-arme Gesteine, metamorphe Gesteine

Wolfram-183

Hafnium-179

110 Billiarden

Eruptivgesteine, Granit

Bismuth-209

Thallium-209

19 Trillionen

Metamorphe Gesteine, Plutonite

Tellur-128

Xenon-128

7 Quadrillionen

Sulfidische Erze

In der folgenden Zeit wurden noch weitere radioaktive Elemente entdeckt, die für eine Altersbestimmung infrage kamen. Und kaum 10 Jahre nach Rutherfords ersten Messungen wurde klar, dass einige präkambrische Gesteine ein bis dahin unglaubliches Alter von mehreren Milliarden Jahren aufweisen mussten.

Leukipp (Wikipedia)

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Der griechische Philosoph Leukipp (5. Jh. v. Chr.) folgerte, dass die Materie aus kleinsten Teilchen bestehen würde, die schließlich nicht mehr teilbar seien. Damit hatte er den Begriff Atom eingeführt – abgeleitet vom griechischen "átomos" = das Unteilbare.

Dass Atome nicht unteilbar, sondern aus noch kleineren Bausteinen zusammengesetzt sind, ist seit dem frühen 20. Jahrhundert bekannt. Dennoch hat es über 20 weitere Jahre bis zur Entwicklung von Modellen gedauert, die alle beobachteten Eigenschaften der Atome im Prinzip korrekt beschreiben können.

"Rosinenkuchenmodell" nach Thomson (Wikipedia: Night Ink)

Eines der ersten Modelle eines Atoms wurde vom britischen Physiker Joseph Thomson (1856 - 1940) 1903 vorgeschlagen. Thomson ging davon aus, dass die einige Jahre zuvor von ihm entdeckten Elektronen ein natürlicher Bestandteil der Atome sein müssen und stellte sich ein Atom als einen „Brei“ positiv geladener Masse vor, in den die negativ geladenen Elektronen eingebettet seien. Aus diesem Grund wird dieses Modell häufig auch als „Rosinenkuchenmodell“ bezeichnet.

1911 entwarf Ernest Rutherford ein Atommodell, das die von ihm in Experimenten beobachtete unerwartete Ablenkung von radioaktiven Teilchen in einer dünnen Metallfolie erklären konnte. Danach besteht das Atom aus einem positiv geladenen winzigen Kern, der von negativ geladenen Elektronen wie in einer Hülle umgeben ist.

Der Physiker Niels Bohr und ...
... sein Atommodell (wikidental.name) bitte klicken

Das erste weithin anerkannte Atommodell wurde 1913 vom Dänischen Physiker Niels Bohr (1885 – 1962) auf der Grundlage des Rutherfordschen Modells entwickelt. Atome bestehen beim Bohrschen Modell aus einem schweren, positiv geladenen Atomkern und leichten, negativ geladenen Elektronen, die den Atomkern auf geschlossenen Bahnen in unterschiedlichen Abständen umkreisen.

Das Bohrsche Atommodell kann viele der tatsächlich beobachteten Eigenschaften der Atome nicht erklären, hat jedoch wegen der anschaulichen Vorstellung von Elektronen, die den Atomkern umkreisen wie Planeten die Sonne, für Jahrzehnte das populäre Bild von Atomen geprägt.

Werner Heisenberg: "Versuchen Sie es gar nicht erst" (wikimedia)

Erst in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde klar, dass der Aufbau der Atome nur mit Hilfe der neu entwickelten Quantenmechanik schlüssig erklärt werden kann. In solchen quantenmechanischen Atommodellen wird ein Elektron nicht als Teilchen, sondern als Welle betrachtet. Es lässt sich somit nicht exakt lokalisieren, sondern besitzt gleichzeitig gewisse Aufenthaltswahrscheinlichkeiten an verschiedenen Orten innerhalb des Atoms.

Auf die Frage, wie man sich denn solch ein Atom vorzustellen habe, antwortete Werner Heisenberg (1901 – 1976), einer der Väter der Quantenmechanik: "Versuchen Sie es gar nicht erst."

Der Atomkern setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen. Manche Atomkerne haben nun gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Sie stellen dann ein und dasselbe Element dar, verhalten sich chemisch nahezu identisch, haben aber voneinander verschiedene Massen. Diese unterschiedlichen Atomarten werden Isotope genannt.

Halbwertszeit-Kurve (felixdeiters.de/Physik)

Was ist Radioaktivität?

Die meisten Isotope sind stabil, der Kern eines radioaktiven Isotops jedoch zerfällt spontan unter Freisetzung von Teilchen oder Strahlung und wird dabei zu einem anderen Element. Das ursprüngliche Atom nennt man "Mutteratom"und sein Zerfallsprodukt "Tochteratom". Radioaktivität ist also die Eigenschaft bestimmter instabiler Atomkerne, sich ohne äußere Einwirkung von selbst in andere Kerne umzuwandeln und dabei energiereiche Strahlung auszusenden.

Der Übergang vom Mutterisotop in das Tochterisotop geschieht nicht willkürlich, sondern mit einer für das Mutterisotop spezifischen konstanten Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit wird durch die Halbwertszeit charakterisiert, das ist die Zeit, in der exakt die Hälfte der Mutterisotope zu Tochterisotopen zerfallen ist.

Weil die Zerfallsrate unabhängig ist von den geologischen Prozessen, die z. B. mit hohen Temperaturen und Drücken einhergehen, funktioniert der radioaktive Zerfall immer und überall in der gleichen Geschwindigkeit. Deshalb sind radioaktive Isotope äußerst zuverlässige Uhren für die Altersbestimmung.

Der radioaktive Zerfall von Rubidium zu Strontium (Press/Siever, 2008)

Ein typisches Element für die radiometrische Datierung ist Rubidium. Rubidium-87 zerfällt zu Strontium-87 unter Emission eines Elektrons aus dem Kern, wodurch ein Neutron in ein Proton umgewandelt wird.

Die Halbwertszeit von Rubidium-87 beträgt 48,1 Milliarden Jahre. So lange dauert es, bis in einer Gesteinsprobe die Hälfte des Rubidiums-87 zu Strontium-87 zerfallen ist.

Die radioaktive Uhr

Um das radiometrische Alter des Gesteins bestimmen zu können, muss die Menge der im Gestein ursprünglich enthaltenen Mutterisotope bekannt sein. Im Fall der Rubidium-Strontium-Datierung  kann das über den Anteil an Strontium-86 geschehen. Strontium-86 ist ein stabiles Isotop, das nicht zerfällt und dessen Menge sich im Gestein auch nicht mit zunehmendem Alter verändert.

Heute ist das am häufigsten angewandte Verfahren zur absoluten Altersbestimmung von geologischen Einheiten die Uran-Blei-Datierung. Vorteilhaft an dieser Methode ist die lange Halbwertszeit von Uran und die Tatsache, dass mit Uran-238 und Uran-235 gleich zwei Mutterisotope genutzt werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten – Uran-238: 4,468 Milliarden Jahre, Uran-235: 703,8 Millionen Jahre – hat sich das Verhältnis beider Isotope im Laufe der Erdgeschichte kontinuierlich verschoben. Damit kann jedem Zeitpunkt der Erdgeschichte ein bestimmtes Verhältnis beider Mutterisotope zugeordnet werden.

Meteoriten - Materie aus dem All

Clair Patterson

Der amerikanische Geochemiker Clair Patterson (1922 – 1995) hatte in den 1950er Jahren eine brillante Idee. Er wusste, dass Meteoriten Materiebruchstücke aus unserem Sonnensystem sind, die gleichzeitig mit der Erde und den anderen Planeten entstanden sind. Aber im Gegensatz zu den Gesteinen auf der Erde, die im Kreislauf der Gesteine einem steten Wandel unterliegen, haben sich Meteorite kaum verändert, so dass ihr Isotopenverhältnis seit Beginn des Sonnensystems weitgehend unverändert vorliegen müsse. Diese kontinuierliche, ungestörte Entwicklung des Isotopenzerfalls müsste die Möglichkeit bieten, das Alter der Erde exakt zu datieren.

Teil des Sikhote-Alin Eisenmeteorits von 1947 (johnsonmeteorites.com)

Also bestimmte er in den Meteoriten den Anteil von Uran-235/Uran-238 zu Blei-207/Blei-206. 1958 veröffentlichte er seine Arbeit "Age of meteorites and the earth" und kam zu dem Ergebnis, dass das Sonnensystem einschließlich der Erde vor 4,55 Milliarden ± 70 Millionen Jahren entstanden sein musste.

Weitere Datierungen anderer Wissenschaftler an Meteoriten mit Hilfe der Rubidium-Strontium- und später auch der Samarium-Neodym-Methode bestätigten ein Alter der Erde zwischen 4,39 und 4,60 Milliarden Jahren.

Aber erst 2010 wurde das exakte Alter der Erde mit der Wolfram-Hafnium-Methode ermittelt:

                               4,475 ± 0,035 Milliarden Jahre

Im Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel (kedarvideo.wordpress.com)

Die ältesten Gesteine der Erde

Gesteine aus der frühen Zeit der Erdentstehung gibt es auf der Erde nicht, denn es dauerte lang bis zur Ausbildung der ersten dauerhaft festen Erdkruste.

Die ältesten bislang datierten Gesteine mit einem Alter von 4,28 Milliarden Jahren haben kanadische Geologen erst 2008 im Norden Kanadas an der Hudson Bay entdeckt. Es sind magmatische Gesteine aus dem so genannten Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel, einem alten Kraton, der seit dieser Zeit nicht am Kreislauf der Gesteine teilgenommen hat und dessen Gesteine seitdem in ursprünglicher Beschaffenheit anstehen.

Die gesamte Erdgeschichte (Zahlen = Millionen Jahre) (Press/Siever, Allgemeine Geologie, 5. Auflage, 2008)

Wie alt ist das Universum?

Edwin Hubble

Der amerikanische Astronom Edwin Hubble (1889 – 1953) entdeckte 1929 bei der Beobachtung ferner Galaxien, dass die Lichtwellen, die er von diesen Galaxien einfing, eine Rotverschiebung ihrer Spektrallinien zeigten. Hubble stellte außerdem fest, dass das Licht ferner Sterne umso stärker rotverschoben ist, je weiter sie von der Erde entfernt waren.

Diesen Verschiebungseffekt kennt man aus der Akustik, dort ist es der sogenannte Dopplereffekt: Wenn ein schnell fahrendes Auto auf uns zufährt, werden die Schallwellen quasi "gestaucht", also die Frequenz erhöht und das Motorengeräusch klingt höher. Wenn es an uns vorbeifährt und sich von uns entfernt, werden die Schallwellen "gedehnt" und das Motorengeräusch wird schlagartig tiefer.

Auch jede Lichtquelle, die von uns weg fliegt, sendet "röteres" Licht aus, die Lichtwellen werden "gedehnt", sodass die Spektrallinien ins Rote verschoben sind. Und je schneller sie sich entfernen, desto stärker die Rotverschiebung.

Rotverschiebung im Absorptionsspektrum des Galaxienhaufens BAS11 (leifiphysik.de)

Hubble interpretierte diese Rotverschiebung als Dopplereffekt des Lichts, d.h. als eine "Fluchtgeschwindigkeit". Demnach müsste sich das Weltall unentwegt ausdehnen, da alle Galaxien vor uns fliehen. Da aber die Erde nicht im Zentrum des Weltalls steht, von dem aus sich alles entfernt, muss sich jede Galaxie von jeder entfernen.

Das kann man sich wie Punkte – das sind die Galaxien - auf der Oberfläche und im Inneren eines Luftballons vorstellen. Bläst man den Ballon auf, so entfernt sich jeder Punkt von jedem.

Beim Big Bang-Modell, das ist die Urknall – Hypothese, lässt man die Doppler-Rotverschiebung als einzige und dominierende Rotverschiebung zu. Neuerdings wird in der Kosmologie der Begriff "kosmologische Rotverschiebung" bevorzugt. Sie funktioniert im Prinzip ebenso, nur entfernt sich hier das Auto nicht dadurch, dass es fährt, sondern es steht und die Straße verlängert sich von selbst durch Expansion.

Die Entwicklung des Universums wird durch die Einsteinschen Feldgleichungen beschrieben. Wird der heutige aus astronomischen Beobachtungen bekannte Zustand des Universums in diese Gleichungen eingesetzt, lässt sich daraus die zukünftige Entwicklung unseres Universums abschätzen. Daraus folgt, dass die Expansion des Universums wahrscheinlich nie enden wird, denn es ist eine beschleunigte Expansion, das heißt, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto höher ist ihre Fluchtgeschwindigkeit.

Genauso lässt sich mit Hilfe der Einsteinschen Feldgleichungen die Entwicklung des Universums auch rückwärts in der Zeit berechnen. Geht man immer weiter in der Zeit zurück, so gelangt man an einen Punkt, an dem das gesamte Universum in einem sehr kleinen Bereich zusammengepresst war. Dieser Punkt ist bekannt als der Urknall. Die Rückrechnung ergibt, dass der Urknall vor

                                13,8 ± 0,04 Milliarden Jahren

stattgefunden haben muss. Das ist das Alter des Universums.

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