AWAL MULA TATA SURYA DAN PARAMETER ISOTOP UNTUK MENENTUKAN UMUR

Gagasan bahwa bumi dan matahari memiliki asal usul yang sama memiliki sejarah panjang, jauh sebelum adanya ide – ide modern tentang Umur Bumi dan Matahari. Hal Ini mendasari paradoks yang melumpuhkan pemikiran geologi di akhir 1800-an: dari jejak sedimentasi tidak menunjukan andanya energi yang dapat memanaskan bumi dalam wkatu yang lama. Penemuan radioaktivitas oleh H. Becquerel pada tahun 1896 dianggap dapat melepaskan pemikiran geologi tentang kesulitan konseptual usia yang sangat terbatas untuk Bumi, meskipunpada saat itu pendapat ini susah untuk diterima sampai fusi termonuklir diakui di tahun 1930-an. Setelah penemuan radioaktivitas, terdapat dua penelitian mengenai umur sistem tata surya yang diakui saat itu yaitu, Pengukuran panas radiogenik di batuan beku, terutama oleh Strutt (1906), dan ide-ide awal tentang dating, diprakarsai oleh Rutherford, menegaskan maknanya. Bab ini mempertimbangkan sistem global dan Surya pertanyaan yang diterangi oleh studi isotop; bukti evolusi bumi dianggap dalam bab berikut dan panas radiogenik dalam Bab 2.1.

Meteorit sangat penting untuk pemahaman kita tentang awal Tata Surya. Berbeda dengan planet, mereka telah mengalami sedikit modifikasi karena asal bersama mereka, 4,5710⁹ tahun yang lalu. Studi isotop pada meteorit tanggal Solar System (Bagian 4.3); usia independen yang tepat untuk bumi tidak dapat diperoleh dari batuan terestrial, yang telah berevolusi dalam banyak hal dari campuran nebula asli. Yang terbaik yang dapat diklaim adalah bahwa komposisi isotop rata-rata timah kerak sangat dekat dengan isochron meteorit, tapi ini meningalkan asumsi tentang jumlah timah dalam kerak bumi sebagai rata-rata untuk Bumi secara keseluruhan.

Bahwa banyak meteorit memberikan kecocokan untuk kadar timah isochron umum adalah bukti bahwatidak hanya mereka terbentuk pada saat yang sama, tapi itu Timah dan uranium berdua isotopically homogen, setidaknya di wilayah nebula surya. ini adalah tidak sepenuhnya benar untuk unsur-unsur ringan. Karena butiran halus dari chondrites karbon memiliki rasio isotop mencerminkan peristiwa nukleosida-sintetis yang berbeda (Bagian 4.5). Mereka jelas terbentuk di atmosfer bintang sebelumnya dan mempertahankan integritas mereka ketika mereka dimasukkan sebagai debu di nebula surya. Ada juga variasi skala luas dalam rasio isotop oksigen dalam Tata Surya. Ini bisa memiliki efek Poynting-Robertson (Bagian 1.9), atau dengan pemisahan selektif gas molekul (Bagian 4.5) setelah Matahari mulai memancarkan.

 Masalah Umur Tata Surya pada Masa Pra- Nuklir

Dibagi atas validitas perhitungan pada pendinginan Bumi yang digunakansebagai batas usia (Burchfield, 1975). Kelvin (1863) telah menunjukkan bahwa jika Bumi mengalami pendinginan oleh difusi panas melalui kerak maka kerak semakin menebal akan memiliki gradien suhu menurun, mencapai keadaan sekarang setelah sekitar 20 juta tahun. Kesulitannya adalah bahwa diketahui lapisan sedimen memerlukan waktu ratusan juta tahun untuk terkompaksidengan mempertimbangkan dalam kondisi terisolasi, argumen Kelvin sangat lemah. Fluks panas ini dari Bumi (4,42 10¹³W -,Pollack et al, 1993 -. Hal ini tidak diperhatiakn oleh Kelvi dalam penentuan umur) dapat dipertahankan untuk usia saat mengerti, 4,5 x 10⁹ tahun, dengan total rata-rata pendinginan kurang dari 1000 K (Soal 21.3). diketahui bahwa suhu internal bumi berkisar ribuan derajat, kondisi ini tidak memadai untuk proses pendiginan tetapi cukup untuk proses difusi pada tubuh bumi. Hipotesis konveksi dan konduksi termal ditingkatkan yang dikemukakan pada masa Kelvin terlihat tidak relevan. Masalah sebenarnya adalah bukan panas bumi tetapi energi dari Erosi Matahari  dan sedimentasi akibat pergerakan udara bisa terjadi hanya selama permukaan bumi dihangatkan oleh Matahari Sebelum penemuan reaksi nuklir, tidak ada mekanisme yang dikenal untuk mempertahankan output Matahari untuk periode ditunjukkan oleh catatan sedimen. Dalam retrospeksi mudah untuk melihat bahwa beberapa ilmu fisika baru diperlukan untuk menyelesaikan kesulitan ini.

Satu-satunya sumber penting dari energi surya dikenal fisikawan pra-radioaktivitas adalah Gravitasi Collaps. Seperti yang kita ketahui, ini diperlukan untuk menaikkan suhu inti Matahari sebesar 10 juta derajat yang dibutuhkan untuk 'memicu' reaksi fusi nuklir. Energi yang dilepaskan oleh runtuhan Matahari (M massa) untuk radius sekarang, R, dan struktur kepadatan internal

dimana k = 1.74 adalah koefisien numerik ditentukan oleh distribusi kerapatan (ditabulasikan dalam Soal 1.3a, Lampiran J) dan G adalah konstanta gravitasi. Untuk lingkup seragam, k= 3 / 5 (Soal 1.3b) dan, jika ini diasumsikan, seperti dalam perhitungan asli oleh Helmholtz (1856) dan Kelvin (1862), energi akan 2.3x 1041 J.  Persamaan (4.1) dapat dibandingkan dengan tingkat sekarang  kehilangan energi oleh radiasi dari Matahari:

di mana r_E adalah jari-jari orbit bumi dan S = 1370Wm^-2 adalah konstan Matahari, intensitas radiasi pada jarak r_E. Membagi Persamaan. (4.1) oleh Persamaan. (4.2), kita menemukan bahwa, pada tingkat sekarang radiasi, total energi gravitasi akan bertahan 1,7 x 10¹⁵ s = 54 juta tahun. Jika kita asumsikan hanya energi runtuh ke bola yang seragam, seperti dalam perhitungan asli, kita akan mendapatkan 19 juta tahun. Menurut Kelvin Perhitunganpendinginan Bumi berasal kekuatannya dari kesamaan hasil dengan nilai ini. Semua perkiraan ini mengabaikan energi panas yang tersimpan di Matahari, yang merupakan sebagian besar dari energi gravitasi yang ditemukan dan memungkinkan perkiraan usiayang lebih muda.

Pada akhir abad kesembilan belas itu telah menjadi jelas bagi banyak ahli geologi bahwa pengendapan lapisan sedimen bumi diperlukan waktu lebih dari perkiraan ini diperbolehkan. Namun demikian, forcefulness dari argumentswas fisik yang cukup untuk membujuk beberapa ahli geologi yang berpengaruh memihak Kelvin. Mereka termasuk C.King, maka direktur US Geological Survey yang dalam kesimpulan sebuah artikel tentangusia Bumi, diterbitkan tiga tahun sebelum penemuan radioaktivitas, menulis '. . . konkordansi hasil antara usia matahari dan bumi tentu memperkuat kasus fisik dan melemparkan beban pembuktian kepada mereka yang berpegang pada usia yang berasal dari kondisi geologi yaitu pada batuan sedimen. '(Raja, 1893).

Dalam meninjau bukti yang tersedia untuk fisikawan preradioactivity, Stacey (2000) menyimpulkan bahwa Kelvin paradok usia bumi tak terelakkan. Tidak ada model yang sesuaiuntuk Matahari dapat memberikan energi yang cukup untuk menjelaskan catatan sedimen. Bahkan penemuan radioaktivitas tida dapat langsung memecahkan masalah, meskipun menyarankan bahwa solusi itu mungkin. Jika Matahari yang terdiri dari 100% uranium, panas radiogenik yang hanya setengah dari output matahari diamati dan, dalam hal apapun, spektrum matahari sangat tidak sesuai dengan model ekstrim. Resolusi nyata dari paradoks muncul hanya dalam 62 Isotop dan tahun 1930 dengan pengakuan reaksi termonuklir, tetapi penemuan tersebut secara efektif diantisipasi oleh penolakan umum batas usia Helmholtz-Kelvin. Rutherford dan Soddy (1903) menulis: 'penggunaan energi surya, misalnya, tidak menimbulkan kesulitan mendasar jika energi internal dari unsur-unsur komponen dianggap tersedia, yaitu jika perubahan yang terjadi adalahproses sub-atom . '

Meskipun penolakan tampak jelas, perhitungan pendinginan Bumi difusi Kelvin memiliki pengaruh yang jauh lebih lama pada pemikiran geologi dan geofisika. Strutt (1906) menunjukkan bahwa lapisan 10 atau 20km dari granit akan menyediakan panas radiogenik cukup untuk menjelaskan fluks panas dari bumi, tanpa melibatkan Bumi mendalam sekali, dan menyarankan bahwa radioaktivitas terbatas pada tipis, kimia yang berbeda kerak. The Adegan ditetapkan untuk tampilan fixist Bumi, pendinginan hanya dengan difusi termal, yang berlaku selama 60 tahun. Model termal Bumi tidak lebih dari modifikasi secara rinci model Kelvin sampai tahun 1960-an, meskipun permohonan peninjauan kembali sesekali konveksi. Munculnya akhir, pada tahun 1960 dan 1970-an dari lempeng tektonik dan sejarah termal berdasarkan pendinginan konvektif adalah tahap kedua dalam meninggalkan ide Kelvin. Tapi itu adalah menarik untuk dicatat bahwa kami menggunakan kerak kata dikembangkan dari ide Kelvin dari lapisan dipadatkan atasnya batuan cair.

Ishocron Metoerit dan Umur Bumi

       Gambar 4.1 adalah plot dari meteorit memimpin rasio isotop pada timah -isochron timah

       

    Dengan konstanta peluruhan dalam Lampiran H, dan menggunakan 238U / 235U =137.88, ini memberikan usia (4,54  0,03) x 10⁹ tahun untuk saat isotopically timah homogen diisolasi di berbagai tubuh meteorit dengan rasio U / Pb yang berbeda. Meteorit besi hampir tidak memiliki uranium atau thorium dan timah paling banyak memiliki panas radiogenik ditemukan adalah dari troilite (sulfida besi) di meteorit besi Canyon Diablo. Hal ini biasanya dianggap sebagai titik paling aman pada isochron meteorit. Hal ini diidentifikasi sebagai lead primordial, yaitu, timah dalam nebula matahari, pada Tabel 4.1 dan digunakan sebagai acuan dalam menghitung rasio timah radiogenik.

Sebuah isochron dengan fit tepat, seperti dalam Persamaan. (4.3) dan Gambar. 4.1, adalah bukti yang mengarah dan uranium masing-masing isotopically homogen dalam nebula mataharisebelum pemisahan dan ak

Variabilitas kecil dalam meteorit usia dan ketidakpastian yang tersisa dan perbedaan adalah rincian menarik yang menawarkan petunjuk untuk proses akresi dan sejarah awal Tata Surya, tetapi tidak dapat meragukan kesimpulan penting bahwa meteorit terbentuk froma awan umum materi tentang 4,57 x 10⁹ tahun lalu. Kesimpulan lebih lanjut bahwa Bumi dan planet-planet lain terbentuk pada saat yang sama sulit untuk Bumi telah memiliki sejarah yang lebih rumit. Tetapi bahkan tanpa meteorit usia bumi akan dibatasi untuk nilai antara sampel tertua geologi, sekitar 4,4 x 10⁹ tahun, dan usia elemen berat (Bagian 4.4), yang mungkin bisa diperpanjang sampai  6 x 10⁹ tahun jika ada bukti meteorit diizinkan.