Haluan tällä artikkelilla tuoda esiin sitä, että kristityn ei tarvitse lähteä taistelemaan selviä tieteen tuloksia vastaan, on mahdollista uskoa samaan aikaan myös Raamatun sanomaan. Maailmankaikkeuden ja elämän pitkä ikä on yksi selvimmistä tieteen tuloksista. Tämän hyväksyminen vaikuttaa kyllä joidenkin Raamatun kohtien tulkintaan, mutta ei sen enempää. Raamattuhan ei ole tiedekirja, vaan kuvaa esim. luomista toisella tavalla, korostaen, että Jumala on kaiken takana.
Tärkeimpänä lähteenä tässä artikkelissa on kristityn tiedemiehen, tri Roger C. Wiensin, jo klassinen artikkeli radiometrisestä ajoituksesta (linkki lopussa).
Sisältö:
Radiometriset ajoitusmenetelmät perustuvat siihen, että tiettyjen alkuaineiden jotkut isotoopit hajoavat tunnetulla vauhdilla toisiksi alkuaineiksi tai isotoopeiksi. Isotoopit ovat saman alkuaineen eri muotoja, joissa on eri määrä neutroneita atomin ytimessä. Epävakaan isotoopin ja hajoamistuotteiden suhteellisesta määrästä näytteessä voidaan tehdä laskelmia tutkittavan materiaalin iästä.
Radioaktiivisesta aineesta muuttuu hajoamistuotteeksi tietyssä ajassa aina tietty osuus sen määrästä. Tähän liittyy käsite puoliintumisaika. Se on aika, jossa puolet radioaktiivisesta isotoopista hajoaa. Kullakin radioaktiivisella isotoopilla on sille ominainen puoliintumisaikansa.
Eri alkuaineisiin ja isotooppeihin perustuvat menetelmät eroavat sen suhteen, minkälaisiin aikaväleihin ja materiaaleihin niitä voidaan soveltaa. Usein tutkitaan jotain magmakivilajia, josta voidaan saada selville ajankohta, jolloin se on jähmettynyt ja kiteytynyt sulasta tilasta - eli sen ikä tässä mielessä. Eloperäisistä aineksista voidaan niihin sopivalla menetelmällä saada selville kauanko on kulunut sen eliön kuolemasta, josta ne ovat lähtöisin.
Hajoamisnopeudesta johdettujen matemaattisten peruskaavojen käyttäminen edellyttää, että tutkittavasta aineesta ei ole muodostumisen jälkeen poistunut ulkopuolelle tai siihen ei ole tullut ulkoa lisää tutkittavaa radioaktiivista ainetta eikä hajoamistuotetta. Tällaisia seikkoja ja muita mahdollisia häiriötekijöitä joudutaan ottamaan huomioon. Esim. hajoamistuotteen 'vuotamisen' ei tarvitse kuitenkaan aina tehdä iän laskentaa mahdottomaksi, on olemassa astetta kehittyneempiä matemaattisia apuneuvoja näihinkin tilanteisiin.
Argon-argon-menetelmä perustuu kalium-40:een ja argon-40:een aivan kuten kalium-argon-menetelmäkin ja sitä voidaan soveltaa samoihin kohteisiin. Siinä käytetään kuitenkin erilaista prosessia, jossa ei mitata suoraan kaliumia ja joka mahdollistaa myös näytteessä olevan ylimääräisen kaasukupliin vangiksi jääneen argon-40:n paljastumisen.
Kalium esiintyy luontaisesti kolmena isotooppina: K-39 (93.3 %), K-40 (0.0117 %) ja K-41 (6.7 %). Menetelmässä muunnetaan ensin osa kaliumin vakaasta isotoopista K-39 säteilyttämällä argon-39-kaasuksi. Se edustaa mittauksissa kalium-40:tä.
Toisessa vaiheessa näytettä kuumennetaan asteittain eri lämpötiloihin ja mitataan kussakin lämpötilassa vapautuneen argon-40:n ja argon-39:n suhde. Jos suhde on kaikissa mittauksissa vakio, ylimääräistä argon-40:tä ei ole mukana ja tästä suhteesta saadaan laskettua näytteen tarkka ikä, kun huomioidaan lisäksi säteilytyksen voimakkuus.
Voi kuitenkin käydä niin, että em. suhde on useimmissa tapauksissa lähes sama, mutta muutamissa lämpötiloissa tulee esiin suhteellisesti enemmän argon-40:tä. Tämä johtuu siitä, että eri kerroilla vapautuvat eri kohdassa näytettä olleet kaasut ja joillain kerroilla satutaan em. kaasukuplien kohdalle. Tällöin voidaan hylätä selvästi poikkeavat arvot ja käyttää iän laskennassa keskiarvoa noista riittävän yhtäpitävistä suhteista.
Kaavassa tK on kalium-40:n puoliintumisaika ja R on suhde Ar-40/Ar-39, jossa Ar-40:n määrästä on eliminoitu mahdollinen ylimääräinen osuus ylläkuvatulla menetelmällä. J on kerroin, joka on suhteessa säteilytyksen voimakkuuteen, jolla osa kalium-39:stä muutettiin kalium-40:tä 'edustavaksi' argon-39-kaasuksi.
Kertoimen J määrittely vaatii sitä, että säteilytetään myös toista näytettä, jonka ikä tunnetaan. Se on täytynyt ajoittaa jollain muulla tavalla. Yleisin toinen menetelmä on kalium-argon-ajoitus.
Kuumennusvaiheen mittauksissa voi käydä joskus myös niin, että argon-40:n ja argon-39:n suhteet asettuvat esim. kahteen ryhmään, niin että ei voida varmuudella sanoa kumpi suhde on 'poikkeama'. Tällöin ikää ei saada. Voi olla kyseessä esim. tilanne, jossa kyseinen kivinäyte on sulanut ja jähmettynyt useammin kuin kerran, mutta vain osittain, eikä sillä tavallaan ole tiettyä 'oikeaa' muodostumisikää.
Kalium-argon ja argon-argon ajoituksessa tutkimuskohteena ovat usein tulivuorenpurkauksista peräisin olevat ainekset. Menetelmää voidaan soveltaa myös vanhojen fossiilien iänmääritykseen esim. tilanteessa, jossa fossiili sijaitsee tietyn vulkaanisen kerroksen alapuolella tai kahden vulkaanisen kerrostuman välissä. Silloin saadaan kerrostumien iänmäärityksellä fossiilin iälle alaraja (vähintään niin ja niin vanha) tai sekä ala- että yläraja.
Argon-argon-menetelmää on kalibroitu tarkemmaksi 2000-luvulla, koska huomattiin sen antavan hiukan muista menetelmistä eroavia arvoja. Tämän hienosäädön suuruusluokka on noin 0.65 %. Niinpä esim. liitukauden lopussa tapahtuneen joukkosukupuuton, jolloin mm. dinosaurukset hävisivät, ajankohtaa on saatu tarkennettua. Aikaisemmin se ajoitettiin tapahtuneeksi 65 tai 65.5 mvs, nykyajoitus on 66 mvs.
Kivilajin ikää ei voida kuitenkaan suoraan laskea Sr-87.n ja Rb-87:n suhteesta, koska Sr-87:ä on jo valmiiksi mukana tuntematon määrä. Pohjaksi muutamia seikkoja, joita voidaan hyödyntää tämän ongelman ratkaisemisessa:
Strontiumilla on Sr-87:n lisäksi muitakin vakaita isotooppeja, esimerkiksi Sr-86. Kun kiviaines on sulassa tilassa, kaikki nämä strontiumin isotoopit jakautuvat tasaisesti magmaan. Niinpä lähtötilanteessa, kun kivi jäähtyy ja jähmettyy, strontium-87:n ja strontium-86:n suhde on kauttaaltaan sama. Ajan kuluessa strontium-87 kuitenkin lisääntyy rubidium-87:n hajoamisen johdosta ja tuo suhde muuttuu.
Toinen hyödyllinen seikka on se, että rubidium ei sovi yhtä hyvin kaikkien kiviaineksesta löytyvien mineraalien kiderakenteeseen ja jakaantuu sen takia epätasaisesti.
Nyt lähdetään hieman matematiikan puolelle. Kuvassa pystyakselilla, eli kuten yleensä sanotaan, y-akselilla, on suhde Sr-87/Sr-86. Vaaka-akselilla (x-akselilla) on suhde Rb-87/Sr-86. A, B, C ja D edustavat kiviaineksen eri 'kohtia', eri mineraaleja, noiden arvojen suhteen.
Voidaan päätellä, että lähtötilanteessa, magman juuri jäähdyttyä, A-D olisivat samalla vaakasuoralla viivalla (himmeällä piirretty osa), koska pystyakselilla kuvattu suhde Sr-87/Sr-86 on sama. Eli siis strontiumin isotoopit ovat tasaisesti jakautuneet määränsä mukaisessa suhteessa. A-D ovat kuitenkin vaaka-akselilla eri kohdassa, koska suhde Rb-87/Sr-86 vaihtelee rubidiumin epätasaisen jakautumisen takia.
Kalteva suora kuvaa nykytilannetta ja siitä tehtyjä mittauksia. Hajoamistuotteen Sr-87 suhteellinen määrä on lisääntynyt sitä enemmän, mitä enemmän rubidiumia on ollut - D on 'ylempänä' kuin A. Huomataan lisäksi, että A, B, C ja D asettuvat samalle suoralle (poikkeuksista myöhemmin). Suoraa voidaan kuvitteellisesti jatkaa (kuvassa A:sta vasemmalle) pisteeseen joka vastaa materiaalissa rubidiumin pitoisuutta 0. Sen pisteen y-arvo kertoo alkuperäisen Sr-87/Sr-86 suhteen ja siis alkuperäisen Sr-87:n osuuden. Mutta yllättävää kyllä, tieto ei ole edes välttämätön.
Myös kuvassa olevan suoran kulmakerroin ('jyrkkyys') kertoo näytteen iän, kulmakerroin kasvaa ajasta ja puoliintumisajasta riippuvalla tavalla. Käyttämällä hieman matematiikkaa saadaan aika (näytteen ikä) ratkaistua tätäkin kautta, koska kulmakerroin ja puoliintumisaika tunnetaan. Kaava on seuraavanlainen (t= aika, tR = rubidiumin puoliintumisaika, k = kulmakerroin):
Tuo kulmakerroin on käytännön tilanteissa hyvin pieni ja kuvan suora olisi hyvin 'loiva', koska rubidiumin puoliintumisaika on niin pitkä. Esim. kulmakerroin 0.0516 antaisi tulokseksi noin 3.57 mrd. vuotta.
Tällaista laskentatapaa voidaan käyttää useiden muidenkin ajoitusmenetelmien yhteydessä. Käytetään termiä isokroniajoitus. Isokronista eli vakiokoostumussuorasta voidaan puhua silloin, kun tulokset asettuvat samalle viivalle riittävän tarkasti.
Ongelmia voi tulla esim. silloin, kun magmaan on tullut mukaan eri-ikäisiä, sulamattomia mineraaleja ympäristöstä tai jos kiviaines on sulanut uudelleen, mutta vain osittain. Silloin eri mineraaleista otetut mittaukset (kuvassa A-D) eivät sijoitukaan samalle suoralle, eikä tulosta saada. Tilanne siis kuitenkin huomataan!
Joissain hyvin harvoissa tapauksissa voi käydä niin, että tulokset ovat samalla suoralla, mutta ikä on silti väärä. Näin voi käydä, jos esim. magma ei ole hyvin sekoittunutta ja siinä on kahdenlaista koostumusta, joissa on erilaiset rubidiumin ja strontiumin suhteet. Näiden erilasten suhteiden pitää vielä olla tietynlaiset, että kävisi kuvatulla tavalla. Jos tällaista tapausta epäillään, on käytettävä toisia ajoitusmenetelmiä, joilla erikoistilanne saadaan osoitettua.
Uraani-lyijy-ajoitus (U-Pb-menetelmä) on ko. menetelmistä pisimpään käytetty. Sitä käytettiin ensimmäisen kerran jo vuonna 1907. Menetelmää voidaan käyttää kiviainekseen, joka on muodostunut ja kiteytynyt vähintään 1 milj. vuotta sitten.
Ajoituksessa käytetään tavallisimmin zirkonia (zirkoniumsilikaatti), mutta menetelmä sopii myös muutamille muille mineraaleille. Zirkonia esiintyy lähes kaikkialla maailmassa, esimerkiksi Suomessa voi löytää erittäin pieniä zirkoneita satunnaisesti vaikka tavallisesta graniitista.
Zirkoni ottaa muodostuessaan uraania ja toriumia osaksi kiderakennettaan, mutta hylkii voimakkaasti lyijyä. Näinollen voidaan olettaa, että kaikki zirkonista löytyvä lyijy on syntynyt myöhemmin radioaktiivisesta hajoamisesta.
Joskus kuulee esitettävän erilaisia pinnallisesti katsoen ehkä uskottaviakin, mutta todellisuudessa heikosti perusteltuja epäilyksiä radiometristen ajoitusmenetelmien yleistä luotettavuutta kohtaan.
Saatetaan väittää, että radiometriset ajoitusmenetelmät pohjautuvat johtofossiileihin, joiden ikä oli lyöty lukkoon paljon ennen radioaktiivisuuden keksimistä. Tässä ei ole mitään perää, vaikka niin väitetäänkin usein maapallon lyhyttä ikää kannattavien kirjallisuudessa. Radiometriset ajoitusmenetelmät perustuvat radioaktiivisten isotooppien puoliintumisaikoihin. Niitä on mitattu jo todella pitkään. Menetelmiä ei kalibroida fossiilien perusteella.
Eräs toinen väite kuuluu, että puoliintumisaikoja ei voida luotettavasti mitata silloin kun ne ovat hyvin pitkiä. Tämä ei ole kuitenkaan totta. Näitä mittauksia on tehty jo hyvin kauan ja virhemarginaalit ovat pieniä. Esim. kivilajien ajoittamiseen käytettyjen isotooppien puoliintumisajat tunnetaan useimmissa tapauksissa jo vähintään 2% tarkkuudella. Myöskään ei ole totta, että pieni virhe puoliintumisajassa aiheuttaisi suuren virheen iänmääritykseen, vaan virhe on prosenteissa samansuuruinen.
On myös esitetty väite, että puoliintumisajat ovat voineet muuttua. Mitään sellaisia muutoksia ei ole havaittu, jotka vaikuttaisivat merkittävästi 'isoon kuvaan', vaikka joitain harvoja esimerkkejä tällaisesta onkin. Tähtitieteen puolelta on saatu mielenkiintoista lisätietoa. Kaukaisten supernovien valo välittää tietoa radioaktiivisesta hajoamisesta menneisyydessä. Noiden tietojen perusteella lasketut puoliintumisajat ovat yhtäpitäviä tavalliseen tapaan tehtyjen mittausten kanssa.
Saatetaan väittää myös esim. että iänmääritystä varten pitäisi aina tietää radioaktiivisen isotoopin ja hajoamistuotteen alkuperäinen suhde, eikä se olisi mahdollista. Kyllä se on on useimmiten mahdollista selvittää tai tiedetään etukäteen. Menetelmät lähtevät niiden määristä tutkimushetkellä ja eri menetelmissä iän laskemiseen riittävät muut lähtökohdat ovat erilaiset:
- tiedetään, että hajoamistuotteen alkuperäinen määrä on nolla (esim. uraani-lyijy-ajoitus)
- hajoamistuotetta voi esiintyä alkuperäisenä satunnaisesti pieninä määrinä eri kohdissa näytettä, mutta niiden vaikutus voidaan eliminoida (kuten kaasukuplat argon-argon-menetelmässä)
- hajoamistuotteen alkuperäinen määrä on tuntematon, mutta iän laskenta onnistuu jos voidaan käyttää ns. isokronimenetelmää (kuten rubidium-strontium-ajoituksessa)
- saatetaan tietää radioaktiivisen isotoopin ja hajoamistuotteen alkuperäinen suhde riittävän tarkasti (radiohiilimenetelmä)
Painavimpia argumentteja ovat ehkä sentyyppiset väitteet, että ei voitaisi tietää, onko tutkittavia isotooppeja 'karannut' tai tullut lisää ulkoa tai onko tapahtunut esim. osittaista kuumentumista, mikä tekee iän laskennan epäluotettavaksi. Ei kuitenkaan pidä olettaa, että tiedemiehet suhtautuisivat näin keskeisiin asioihin huolimattomasti. Tässä artikkelissa käsiteltyjen menetelmien kuvauksissa sivuttiin joitain keinoja, joilla erikoistilanteet paljastuvat mittaustuloksista. Uraani-lyijy-menetelmän yhteydessä annettiin myös esimerkki matemaattisesta menetelmästä, jolla lyijyn 'vuotamisesta' huolimatta saadaan osoitettua, mitä ikää tulokset osoittavat.
Yksittäisissä mittauksissa voidaan saada vääriäkin tuloksia poikkeuksellisista olosuhteista johtuen tai jos sovelletaan tilanteeseen sopimatonta menetelmää, mutta kaikenkaikkiaan kymmenet radiometriset ajoitusmenetelmät kertovat vakuuttavasti ja keskenään yhteensopivasti maapallon ja elämän suuresta iästä. Ja ne ovat vain osa vielä laajempaa todistusaineistoa, joka puhuu samaa kieltä.
Sisältö:
- Yleistä
- Kalium-argon-ajoitus
- Argon-argon-ajoitus
- Rubidium-strontium-ajoitus
- Uraani-lyijy-ajoitus
- Radiohiiliajoitus
- Epäilijöiden argumentteja
Yleistä
Radioaktiivisesta aineesta muuttuu hajoamistuotteeksi tietyssä ajassa aina tietty osuus sen määrästä. Tähän liittyy käsite puoliintumisaika. Se on aika, jossa puolet radioaktiivisesta isotoopista hajoaa. Kullakin radioaktiivisella isotoopilla on sille ominainen puoliintumisaikansa.
 |
Laskeva käyrä kuvaa radioaktiivisen isotoopin vähenemistä, nouseva käyrä hajoamistuotteen lisääntymistä kuluneena aikana.
|
Eri alkuaineisiin ja isotooppeihin perustuvat menetelmät eroavat sen suhteen, minkälaisiin aikaväleihin ja materiaaleihin niitä voidaan soveltaa. Usein tutkitaan jotain magmakivilajia, josta voidaan saada selville ajankohta, jolloin se on jähmettynyt ja kiteytynyt sulasta tilasta - eli sen ikä tässä mielessä. Eloperäisistä aineksista voidaan niihin sopivalla menetelmällä saada selville kauanko on kulunut sen eliön kuolemasta, josta ne ovat lähtöisin.
Hajoamisnopeudesta johdettujen matemaattisten peruskaavojen käyttäminen edellyttää, että tutkittavasta aineesta ei ole muodostumisen jälkeen poistunut ulkopuolelle tai siihen ei ole tullut ulkoa lisää tutkittavaa radioaktiivista ainetta eikä hajoamistuotetta. Tällaisia seikkoja ja muita mahdollisia häiriötekijöitä joudutaan ottamaan huomioon. Esim. hajoamistuotteen 'vuotamisen' ei tarvitse kuitenkaan aina tehdä iän laskentaa mahdottomaksi, on olemassa astetta kehittyneempiä matemaattisia apuneuvoja näihinkin tilanteisiin.
Kalium-argon-ajoitus
Kalium-argon-menetelmä (K-Ar-, engl. Potassium-Argon-) perustuu kalium-40 -isotoopin radioaktiivisuuteen. Se hajoaa kahdeksi tytärisotoopiksi: 89.1 % kalsium-40:ksi ja 10.9 % argon-40:ksi puoliintumisajan ollessa noin 1.25 mrd vuotta. Menetelmää voidaan käyttää materiaaliin, joka on muodostunut vähintään 100 000 vuotta sitten. Lyhyemmällä aikavälillä argonin kertymä on liian pieni hyväksyttävien tulosten saamiseksi.
Kalium-kalsium-menetelmäkin olisi mahdollinen, mutta sitä ei yleensä käytetä, koska kalsium on niin yleinen aine ja sen alkuperäinen määrä on vaikea arvioida. Argon sensijaan on kaasu. Se ei pysy sulassa kiviaineksessa ja vasta kun magma tai laava jähmettyy ja jäähtyy, siihen alkaa kertyä argonia radioaktiivisen hajoamisen seurauksena. Ihannetilanteessa iän laskenta perustuu siis pelkästään argon-40:n ja kalium-40:n suhteelliseen määrään näytteessä. Ikä (t) saadaan seuraavanlaisesta kaavasta (Kaavassa kerroin 0.109 tulee siitä mainitusta seikasta, että argon-40:ksi hajoaa 10.9 %):
 |
tK on kaliumin puoliintumisaika,
Kf mitattu kaliumpitoisuus ja
Arf mitattu argonpitoisuus
|
Aivan tarkkaan argon ei kuitenkaan lähtötilanteessa välttämättä poistu. Magmassa tai laavassa voi olla pieniä ilmakuplia ilmakehästä, jossa on noin 1% argonia. Tämä on huomioitava, jos tutkittava näyte on suhteellisen nuori tai siinä ei ole alkujaankaan ollut paljon kaliumia. Siihen auttaa seuraavanlainen päättely: Ilmakehässä esiintyy muitakin argonin isotooppeja, joista yleisin on argon-36. Koska argon-40:n ja ja argon-36:n suhde ilmakehässä tunnetaan, ilmakehästä peräisin olevan argon 40:n määrä näytteessä voidaan päätellä mukana olevasta argon 36:n määrästä.
Joissain melko harvoin esiintyvissä tapauksissa näytteessä olevissa kaasukuplissa voi olla myös ylimääräistä maan sisuksissa magmasta erkaantunutta ja 'vangiksi jäänyttä' argon-40:ä jolloin kalium-argon-menetelmä antaa liian suuren iän. Tämä tilanne paljastuu kuitenkin uudemmassa argon-argon-menetelmässä.
Argon-argon-ajoitus
Argon-argon-menetelmä perustuu kalium-40:een ja argon-40:een aivan kuten kalium-argon-menetelmäkin ja sitä voidaan soveltaa samoihin kohteisiin. Siinä käytetään kuitenkin erilaista prosessia, jossa ei mitata suoraan kaliumia ja joka mahdollistaa myös näytteessä olevan ylimääräisen kaasukupliin vangiksi jääneen argon-40:n paljastumisen.
Kalium esiintyy luontaisesti kolmena isotooppina: K-39 (93.3 %), K-40 (0.0117 %) ja K-41 (6.7 %). Menetelmässä muunnetaan ensin osa kaliumin vakaasta isotoopista K-39 säteilyttämällä argon-39-kaasuksi. Se edustaa mittauksissa kalium-40:tä.
Toisessa vaiheessa näytettä kuumennetaan asteittain eri lämpötiloihin ja mitataan kussakin lämpötilassa vapautuneen argon-40:n ja argon-39:n suhde. Jos suhde on kaikissa mittauksissa vakio, ylimääräistä argon-40:tä ei ole mukana ja tästä suhteesta saadaan laskettua näytteen tarkka ikä, kun huomioidaan lisäksi säteilytyksen voimakkuus.
Voi kuitenkin käydä niin, että em. suhde on useimmissa tapauksissa lähes sama, mutta muutamissa lämpötiloissa tulee esiin suhteellisesti enemmän argon-40:tä. Tämä johtuu siitä, että eri kerroilla vapautuvat eri kohdassa näytettä olleet kaasut ja joillain kerroilla satutaan em. kaasukuplien kohdalle. Tällöin voidaan hylätä selvästi poikkeavat arvot ja käyttää iän laskennassa keskiarvoa noista riittävän yhtäpitävistä suhteista.
Kertoimen J määrittely vaatii sitä, että säteilytetään myös toista näytettä, jonka ikä tunnetaan. Se on täytynyt ajoittaa jollain muulla tavalla. Yleisin toinen menetelmä on kalium-argon-ajoitus.
Kuumennusvaiheen mittauksissa voi käydä joskus myös niin, että argon-40:n ja argon-39:n suhteet asettuvat esim. kahteen ryhmään, niin että ei voida varmuudella sanoa kumpi suhde on 'poikkeama'. Tällöin ikää ei saada. Voi olla kyseessä esim. tilanne, jossa kyseinen kivinäyte on sulanut ja jähmettynyt useammin kuin kerran, mutta vain osittain, eikä sillä tavallaan ole tiettyä 'oikeaa' muodostumisikää.
___
Kalium-argon ja argon-argon ajoituksessa tutkimuskohteena ovat usein tulivuorenpurkauksista peräisin olevat ainekset. Menetelmää voidaan soveltaa myös vanhojen fossiilien iänmääritykseen esim. tilanteessa, jossa fossiili sijaitsee tietyn vulkaanisen kerroksen alapuolella tai kahden vulkaanisen kerrostuman välissä. Silloin saadaan kerrostumien iänmäärityksellä fossiilin iälle alaraja (vähintään niin ja niin vanha) tai sekä ala- että yläraja.
Rubidium-strontium-ajoitus
Rubidium-strontium-ajoitus perustuu rubidiumin isotoopin Rb-87 hajoamiseen strontiumin isotoopiksi Sr-87. Puoliintumisaika on hyvin pitkä, noin 49.2 miljardia vuotta. Menetelmää on käytetty mm. vanhojen magma- ja metaformisten kivilajien ajoittamiseen sekä myös kuukiviin ja meteoriitteihin. 3 miljardin vuoden ikäisessä näytteessä virhemarginaali on luokkaa 30-50 miljoonaa vuotta.
Kivilajin ikää ei voida kuitenkaan suoraan laskea Sr-87.n ja Rb-87:n suhteesta, koska Sr-87:ä on jo valmiiksi mukana tuntematon määrä. Pohjaksi muutamia seikkoja, joita voidaan hyödyntää tämän ongelman ratkaisemisessa:
Strontiumilla on Sr-87:n lisäksi muitakin vakaita isotooppeja, esimerkiksi Sr-86. Kun kiviaines on sulassa tilassa, kaikki nämä strontiumin isotoopit jakautuvat tasaisesti magmaan. Niinpä lähtötilanteessa, kun kivi jäähtyy ja jähmettyy, strontium-87:n ja strontium-86:n suhde on kauttaaltaan sama. Ajan kuluessa strontium-87 kuitenkin lisääntyy rubidium-87:n hajoamisen johdosta ja tuo suhde muuttuu.
Toinen hyödyllinen seikka on se, että rubidium ei sovi yhtä hyvin kaikkien kiviaineksesta löytyvien mineraalien kiderakenteeseen ja jakaantuu sen takia epätasaisesti.
 |
| (Kuva Wikimedia) |
Voidaan päätellä, että lähtötilanteessa, magman juuri jäähdyttyä, A-D olisivat samalla vaakasuoralla viivalla (himmeällä piirretty osa), koska pystyakselilla kuvattu suhde Sr-87/Sr-86 on sama. Eli siis strontiumin isotoopit ovat tasaisesti jakautuneet määränsä mukaisessa suhteessa. A-D ovat kuitenkin vaaka-akselilla eri kohdassa, koska suhde Rb-87/Sr-86 vaihtelee rubidiumin epätasaisen jakautumisen takia.
Kalteva suora kuvaa nykytilannetta ja siitä tehtyjä mittauksia. Hajoamistuotteen Sr-87 suhteellinen määrä on lisääntynyt sitä enemmän, mitä enemmän rubidiumia on ollut - D on 'ylempänä' kuin A. Huomataan lisäksi, että A, B, C ja D asettuvat samalle suoralle (poikkeuksista myöhemmin). Suoraa voidaan kuvitteellisesti jatkaa (kuvassa A:sta vasemmalle) pisteeseen joka vastaa materiaalissa rubidiumin pitoisuutta 0. Sen pisteen y-arvo kertoo alkuperäisen Sr-87/Sr-86 suhteen ja siis alkuperäisen Sr-87:n osuuden. Mutta yllättävää kyllä, tieto ei ole edes välttämätön.
Myös kuvassa olevan suoran kulmakerroin ('jyrkkyys') kertoo näytteen iän, kulmakerroin kasvaa ajasta ja puoliintumisajasta riippuvalla tavalla. Käyttämällä hieman matematiikkaa saadaan aika (näytteen ikä) ratkaistua tätäkin kautta, koska kulmakerroin ja puoliintumisaika tunnetaan. Kaava on seuraavanlainen (t= aika, tR = rubidiumin puoliintumisaika, k = kulmakerroin):
Tuo kulmakerroin on käytännön tilanteissa hyvin pieni ja kuvan suora olisi hyvin 'loiva', koska rubidiumin puoliintumisaika on niin pitkä. Esim. kulmakerroin 0.0516 antaisi tulokseksi noin 3.57 mrd. vuotta.
Tällaista laskentatapaa voidaan käyttää useiden muidenkin ajoitusmenetelmien yhteydessä. Käytetään termiä isokroniajoitus. Isokronista eli vakiokoostumussuorasta voidaan puhua silloin, kun tulokset asettuvat samalle viivalle riittävän tarkasti.
Ongelmia voi tulla esim. silloin, kun magmaan on tullut mukaan eri-ikäisiä, sulamattomia mineraaleja ympäristöstä tai jos kiviaines on sulanut uudelleen, mutta vain osittain. Silloin eri mineraaleista otetut mittaukset (kuvassa A-D) eivät sijoitukaan samalle suoralle, eikä tulosta saada. Tilanne siis kuitenkin huomataan!
Joissain hyvin harvoissa tapauksissa voi käydä niin, että tulokset ovat samalla suoralla, mutta ikä on silti väärä. Näin voi käydä, jos esim. magma ei ole hyvin sekoittunutta ja siinä on kahdenlaista koostumusta, joissa on erilaiset rubidiumin ja strontiumin suhteet. Näiden erilasten suhteiden pitää vielä olla tietynlaiset, että kävisi kuvatulla tavalla. Jos tällaista tapausta epäillään, on käytettävä toisia ajoitusmenetelmiä, joilla erikoistilanne saadaan osoitettua.
Uraani-lyijy-ajoitus
 |
| Epäpuhdas, raaka zirkonikide (Kuva Wikimedia) |
Ajoituksessa käytetään tavallisimmin zirkonia (zirkoniumsilikaatti), mutta menetelmä sopii myös muutamille muille mineraaleille. Zirkonia esiintyy lähes kaikkialla maailmassa, esimerkiksi Suomessa voi löytää erittäin pieniä zirkoneita satunnaisesti vaikka tavallisesta graniitista.
Zirkoni ottaa muodostuessaan uraania ja toriumia osaksi kiderakennettaan, mutta hylkii voimakkaasti lyijyä. Näinollen voidaan olettaa, että kaikki zirkonista löytyvä lyijy on syntynyt myöhemmin radioaktiivisesta hajoamisesta.
Luonnonuraani koostuu pääasiassa kahdesta isotoopista: U-235 ja U-238. U-235 hajoaa lyijyn isotoopiksi Pb-207 puoliintumisajalla 710 miljoonaa vuotta ja U-238 isotoopiksi Pb-206 puoliintumisajalla 4.47 miljardia vuotta. Lisäksi torium-232 tuottaa hajotessaan lyijyn isotooppia Pb-208. Uraanin hajoaminen lyijyksi tapahtuu itse asiassa useiden radioaktiivisten välivaiheiden kautta, mutta nämä ovat niin lyhytikäisiä, että eivät juuri vaikuta laskentamenetelmiin. Mainitut kolme hajoamisrettiä antavat mahdollisuuden kolmeen eri toisistaan riippumattomaan ajanmääritykseen.
Vaikeutta laskentaan tuo se, että uraani ja lyijy eivät kuitenkaan välttämättä säily täydellisesti mineraaleissa. Ratkaisuksi on kuitenkin kehitetty matemaattisia menetelmiä. Erästä usein käytettyä kuvataan seuraavassa.
Oheisen kuvaajan akselit vastaavat uraanin kahden isotoopin hajoamisreittejä. Pystyakselilla on lyijy-206/uraani-238 -suhde, vaaka-akselilla lyijy-207/uraani-235 -suhde.
Kaarevasta viivasta käytetään nimitystä konkordia-käyrä. Se on teoreettisesti laskettu optimaalisesta tilanteesta, jossa mitään vuotoja ei tapahdu. Se kuvaa sitä, miten nämä kaksi eri suhdetta tällöin muuttuisivat ajassa. Kuvan käyrällä olevat Ga-merkinnät tarkoittava miljardeja vuosia.
Käytännön mittauksissa otetaan sitten esim. zirkoninäytteitä useasta kohdasta ja sijoitetaan mittausten tulokset koordinaatistoon oikeaan kohtaan. Jos mitään lyijyn karkaamista ei olisi tapahtunut, tulokset sijoittuisivat yhteen ja samaan kohtaan kaarevalla viivalla. Vuodoista johtuen käy kuitenkin niin, että ne sijoittuvat eri kohtiin käyrän alapuolelle samalle suoralle (merkitty neliöillä kuvassa). Tämän linjan ja kaarevan viivan oikeanpuoleinen leikkauspiste kertoo silloin näytteen iän (paljastaen sen kohdan johon tulokset sijoittuisivat ilman vuotoja).
Esimerkki sopii tilanteeseen, jossa merkittävät vuodot ovat aiheutuneet yhdestä tapahtumasta, esim. kuumenemisesta. Useiden tällaisten tapahtumien tai jatkuvan vuodon suhteen matematiikka on monimutkaisempaa. Tästä nähdään kuitenkin, että kohteen ei tarvitse aina olla 'suljettu järjestelmä'.
Lyijy-lyijy-menetelmässä taas laskenta suoritetaan käyttäen pelkästään lyijyn isotooppien välisiä suhteita, jotka muuttuvat ajan kuluessa. Karanneen lyijyn isotooppien suhteen voidaan olettaa olevan lähes sama kuin jäljellejääneiden ja siksi laskenta näytteessä olevien lyijyn isotooppien suhteiden perusteella on käyttökelpoinen mahdollisuus. Vaikka uraani-lyijy-menetelmä on yleisemmin käytetty, niin joissakin tapauksissa, kuten meteoriittien ja maapallon iän laskemisessa, lyijy-lyijy-menetelmä on tärkeämpi. Maapallon iäksi arvioitiinkin jo vuonna 1956 sitä käyttäen 4.55 +/- 0.07 mrd. vuotta, mikä on hyvin lähellä nykyistä käsitystä 4.54 ± 0.05 mrd vuotta.
Seuraavien esimerkkien valossa saa hyvän käsityksen menetelmien yhtäpitävyydestä. Mittaukset on tehty tietystä Länsi-Grönlannin vanhasta muodostumasta, ns. Amitsoqin gneissistä.
Uraani-lyijy: 3.60 ± 0.05 mrd. v.
Lyijy-lyijy: 3.56 ± 0.10, 3.74 ± 0.12, 3.62 ± 0.13 mrd. v.
Rubidium-Strontium: 3.56 ± 0.14, 3.61 ± 0.22, 3.67 ± 0.09 mrd. v.
Vaikeutta laskentaan tuo se, että uraani ja lyijy eivät kuitenkaan välttämättä säily täydellisesti mineraaleissa. Ratkaisuksi on kuitenkin kehitetty matemaattisia menetelmiä. Erästä usein käytettyä kuvataan seuraavassa.
 |
| (Kuva Wikimedia) |
Kaarevasta viivasta käytetään nimitystä konkordia-käyrä. Se on teoreettisesti laskettu optimaalisesta tilanteesta, jossa mitään vuotoja ei tapahdu. Se kuvaa sitä, miten nämä kaksi eri suhdetta tällöin muuttuisivat ajassa. Kuvan käyrällä olevat Ga-merkinnät tarkoittava miljardeja vuosia.
Käytännön mittauksissa otetaan sitten esim. zirkoninäytteitä useasta kohdasta ja sijoitetaan mittausten tulokset koordinaatistoon oikeaan kohtaan. Jos mitään lyijyn karkaamista ei olisi tapahtunut, tulokset sijoittuisivat yhteen ja samaan kohtaan kaarevalla viivalla. Vuodoista johtuen käy kuitenkin niin, että ne sijoittuvat eri kohtiin käyrän alapuolelle samalle suoralle (merkitty neliöillä kuvassa). Tämän linjan ja kaarevan viivan oikeanpuoleinen leikkauspiste kertoo silloin näytteen iän (paljastaen sen kohdan johon tulokset sijoittuisivat ilman vuotoja).
Esimerkki sopii tilanteeseen, jossa merkittävät vuodot ovat aiheutuneet yhdestä tapahtumasta, esim. kuumenemisesta. Useiden tällaisten tapahtumien tai jatkuvan vuodon suhteen matematiikka on monimutkaisempaa. Tästä nähdään kuitenkin, että kohteen ei tarvitse aina olla 'suljettu järjestelmä'.
Lyijy-lyijy-menetelmässä taas laskenta suoritetaan käyttäen pelkästään lyijyn isotooppien välisiä suhteita, jotka muuttuvat ajan kuluessa. Karanneen lyijyn isotooppien suhteen voidaan olettaa olevan lähes sama kuin jäljellejääneiden ja siksi laskenta näytteessä olevien lyijyn isotooppien suhteiden perusteella on käyttökelpoinen mahdollisuus. Vaikka uraani-lyijy-menetelmä on yleisemmin käytetty, niin joissakin tapauksissa, kuten meteoriittien ja maapallon iän laskemisessa, lyijy-lyijy-menetelmä on tärkeämpi. Maapallon iäksi arvioitiinkin jo vuonna 1956 sitä käyttäen 4.55 +/- 0.07 mrd. vuotta, mikä on hyvin lähellä nykyistä käsitystä 4.54 ± 0.05 mrd vuotta.
___
Seuraavien esimerkkien valossa saa hyvän käsityksen menetelmien yhtäpitävyydestä. Mittaukset on tehty tietystä Länsi-Grönlannin vanhasta muodostumasta, ns. Amitsoqin gneissistä.
Lyijy-lyijy: 3.56 ± 0.10, 3.74 ± 0.12, 3.62 ± 0.13 mrd. v.
Rubidium-Strontium: 3.56 ± 0.14, 3.61 ± 0.22, 3.67 ± 0.09 mrd. v.
Radiohiiliajoitus
Radiohiiliajoitusta käytetään esimerkiksi luiden, puun, vaatteiden ym. kuolleista eläimistä ja kasveista peräisin olevan aineksen ajoittamiseen. Ajallinen ulottuvuus on paljon pienempi kuin edellä kuvatuissa menetelmissä.
Hiilellä on kaksi pysyvää isotooppia, hiili-12 (C-12, n. 99 %) ja hiili-13 (C-13, n. 1 %). Lisäksi on olemassa epävakaa isotooppi hiili-14 (C-14), jota muodostuu pieniä määriä ilmakehässä kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Ilmakehästä C-14 ja muu hiili päätyy kasveihin ja niistä eläimiin ympäristön määräämässä suhteessa. Eliön kuollessa radiohiilen saanti ilmakehästä loppuu, mutta eliössä ollut C-14 jatkaa hajoamista vakionopeudella typpi-14:ksi.
C-14:n puoliintumisaika on noin 5730 vuotta. Kymmenen puoliintumisajan jälkeen, noin 60 000 vuoden kohdalla, radiohiiltä on niin vähän jäljellä, että iänmääritys ei enää onnistu. Käytännössä yläraja on yleensä n. 50 000 vuoden paikkeilla.
Hiili-14:n ja hiili-12:n suhde ilmakehässä ei kuitenkaan ole ollut eri aikoina aivan vakio ja siksi hiili-14 ei myöskään aina ole samalla tavalla kertynyt eliöihin niiden eläessä. Siksi on kehitetty kalibrointikäyriä käyttämällä vertailuaineistoa, esim. puiden vuosirenkaita tutkimalla. Myös muita näytteen ympäristössä vallinneita olosuhteita voidaan joutua ottamaan huomioon.
Epäilijöiden argumentteja
Joskus kuulee esitettävän erilaisia pinnallisesti katsoen ehkä uskottaviakin, mutta todellisuudessa heikosti perusteltuja epäilyksiä radiometristen ajoitusmenetelmien yleistä luotettavuutta kohtaan.
Saatetaan väittää, että radiometriset ajoitusmenetelmät pohjautuvat johtofossiileihin, joiden ikä oli lyöty lukkoon paljon ennen radioaktiivisuuden keksimistä. Tässä ei ole mitään perää, vaikka niin väitetäänkin usein maapallon lyhyttä ikää kannattavien kirjallisuudessa. Radiometriset ajoitusmenetelmät perustuvat radioaktiivisten isotooppien puoliintumisaikoihin. Niitä on mitattu jo todella pitkään. Menetelmiä ei kalibroida fossiilien perusteella.
Eräs toinen väite kuuluu, että puoliintumisaikoja ei voida luotettavasti mitata silloin kun ne ovat hyvin pitkiä. Tämä ei ole kuitenkaan totta. Näitä mittauksia on tehty jo hyvin kauan ja virhemarginaalit ovat pieniä. Esim. kivilajien ajoittamiseen käytettyjen isotooppien puoliintumisajat tunnetaan useimmissa tapauksissa jo vähintään 2% tarkkuudella. Myöskään ei ole totta, että pieni virhe puoliintumisajassa aiheuttaisi suuren virheen iänmääritykseen, vaan virhe on prosenteissa samansuuruinen.
On myös esitetty väite, että puoliintumisajat ovat voineet muuttua. Mitään sellaisia muutoksia ei ole havaittu, jotka vaikuttaisivat merkittävästi 'isoon kuvaan', vaikka joitain harvoja esimerkkejä tällaisesta onkin. Tähtitieteen puolelta on saatu mielenkiintoista lisätietoa. Kaukaisten supernovien valo välittää tietoa radioaktiivisesta hajoamisesta menneisyydessä. Noiden tietojen perusteella lasketut puoliintumisajat ovat yhtäpitäviä tavalliseen tapaan tehtyjen mittausten kanssa.
Saatetaan väittää myös esim. että iänmääritystä varten pitäisi aina tietää radioaktiivisen isotoopin ja hajoamistuotteen alkuperäinen suhde, eikä se olisi mahdollista. Kyllä se on on useimmiten mahdollista selvittää tai tiedetään etukäteen. Menetelmät lähtevät niiden määristä tutkimushetkellä ja eri menetelmissä iän laskemiseen riittävät muut lähtökohdat ovat erilaiset:
- tiedetään, että hajoamistuotteen alkuperäinen määrä on nolla (esim. uraani-lyijy-ajoitus)
- hajoamistuotetta voi esiintyä alkuperäisenä satunnaisesti pieninä määrinä eri kohdissa näytettä, mutta niiden vaikutus voidaan eliminoida (kuten kaasukuplat argon-argon-menetelmässä)
- hajoamistuotteen alkuperäinen määrä on tuntematon, mutta iän laskenta onnistuu jos voidaan käyttää ns. isokronimenetelmää (kuten rubidium-strontium-ajoituksessa)
- saatetaan tietää radioaktiivisen isotoopin ja hajoamistuotteen alkuperäinen suhde riittävän tarkasti (radiohiilimenetelmä)
Painavimpia argumentteja ovat ehkä sentyyppiset väitteet, että ei voitaisi tietää, onko tutkittavia isotooppeja 'karannut' tai tullut lisää ulkoa tai onko tapahtunut esim. osittaista kuumentumista, mikä tekee iän laskennan epäluotettavaksi. Ei kuitenkaan pidä olettaa, että tiedemiehet suhtautuisivat näin keskeisiin asioihin huolimattomasti. Tässä artikkelissa käsiteltyjen menetelmien kuvauksissa sivuttiin joitain keinoja, joilla erikoistilanteet paljastuvat mittaustuloksista. Uraani-lyijy-menetelmän yhteydessä annettiin myös esimerkki matemaattisesta menetelmästä, jolla lyijyn 'vuotamisesta' huolimatta saadaan osoitettua, mitä ikää tulokset osoittavat.
Yksittäisissä mittauksissa voidaan saada vääriäkin tuloksia poikkeuksellisista olosuhteista johtuen tai jos sovelletaan tilanteeseen sopimatonta menetelmää, mutta kaikenkaikkiaan kymmenet radiometriset ajoitusmenetelmät kertovat vakuuttavasti ja keskenään yhteensopivasti maapallon ja elämän suuresta iästä. Ja ne ovat vain osa vielä laajempaa todistusaineistoa, joka puhuu samaa kieltä.
Lähteitä:
Roger C. Wiens, Radiometric Dating, a Christian Perspective. Myös PDF-versio löytyy ASA:n (American Scientific Affiliation) sivuilta.
Davis A. Young, How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods (Part Two)
Davis A. Young, How Old Is It? How Do We Know? A Review of Dating Methods (Part Two)
Wikipedia, Radiometric dating, Geologic time scale, Age of the Earth ym.
Space Daily, New Accurate Uranium/Lead Dating Technique For Earth's Largest Extinction
Encyclopædia Britannica, Nonradiometric Dating
Space Daily, New Accurate Uranium/Lead Dating Technique For Earth's Largest Extinction
Encyclopædia Britannica, Nonradiometric Dating
Tämä on mielenkiintoinen tiivistetty esitys radiometrisistä ajoitusmenetelmistä. Teet, Hannu, arvokasta valistustyötä. Puolustat totuutta.
VastaaPoistaKiitos Erkki! En tällaista olisi varmaankaan saanut aikaan ilman tri Roger C. Wiensin hienoa lähteissä mainittua artikkelia. Linkki tuohon artikkeliin on ollut minulla tallessa pitkään, ensimmäinen versio on kirjoitettu jo 1990-luvulla, päivitetty 2000-luvun alussa. Siinä kristitty tiedemies nimenomaan puolustaa totuutta ja yrittää myös selittää asiat ymmärrettävästi, ei liian tieteellisesti. Olen kaivannut jotain samantapaista suomeksi, koska englanninkieli alan termeineen voi osalla tehdä lukemisen turhan raskaaksi. Sain sitten lopulta tällaisen puuskan, että kokosin ko. artikkelista ja monista muista lähteistä tällaisen tietopaketin. Yritin käyttää ajantasaista tietoa, puoliintumisaikoihin yms. on tullut pieniä tarkennuksia kuten aina tieteessä tapahtuu - ei mitään radikaalia kuitenkaan. Toivottavasti en saanut sotkettua virheitä mukaan, näissä oli aika tavalla pähkäilemistä.
VastaaPoista