تطوير طرق التأريخ المشعة وتطبيقها لحساب عمر الأرض

محاولات مبكرة لحساب عمر الأرض:

إن المقياس الزمني الجيولوجي يعتمد على مجموعات الصخور الطبقية، تلك التي تحتوي على سجل أحفوري، وبالنسبة للجزء الأكبر، تسمح هذه الحفريات بأشكال مختلفة من المعلومات من تعاقب الصخور ليتم عرضها من حيث موقعها النسبي في التسلسل، ما يقرب من 87 في المائة من تاريخ الأرض حدث قبل التطور التطوري للكائنات الحاملة للصدفة، ونتيجة هذا التحكم المعدني في الحفاظ على البقايا العضوية في سجل الصخور، هو أن المقياس الزمني الجيولوجي (بشكل أساسي مقياس للتغيرات البيولوجية عبر الزمن) يأخذ 13 بالمائة فقط من تاريخ الأرض.

على الرغم من أن الفترة الزمنية التي سبقت العصر الكامبري (ما قبل الكامبري) كانت خالية تقريباً من بقايا الحفريات المميزة، وتتزامن مع بعض الصخور الأولية لبعض العمال الأوائل، إلا أنه يجب على الجيولوجي مع ذلك تقييمها في سياقها الزمني (الزمن الجيولوجي).

وتاريخياً تم إنجاز التقسيم الفرعي لتسلسل الصخور ما قبل الكامبري، (وبالتالي زمن ما قبل الكامبري) على أساس أسس هيكلية أو حجرية، ومع وجود مؤشرات طفيفة فقط على حدوث الأحافير (بشكل رئيسي في شكل ستروماتوليت الطحالب)، ولم تكن هناك طريقة فعالة لقياس هذا التسلسل الزمني الذي تم إنشاؤه بشكل فضفاض، حتى تمكن اكتشاف النشاط الإشعاعي من تطبيق إجراءات التأريخ مباشرة على الصخور الأرضية المعنية.

وقد ظل القياس الكمي للوقت الجيولوجي أمراً بعيد المنال بالنسبة لمعظم الاستقصائيات البشرية عن عمر الأرض وتاريخها الفيزيائي والبيولوجي المعقد، وعلى الرغم من أن التعاليم الهندوسية تقبل أصلاً قديماً جداً للأرض، إلا أن المفاهيم الغربية في العصور الوسطى لتاريخ الأرض، كانت تستند في معظمها إلى التفسير الحرفي لمراجع العهد القديم، علماء الكتاب المقدس في عصر النهضة في أوروبا واعتبروا الأبوة فيما بعد طريقة قابلة للتطبيق يمكن من خلالها تحديد عمر الأرض منذ إنشائها.

محاولات قديمة لتقدير عمر الأرض:

أدى عدد من المحاولات لاستخدام طريقة بيجات لتحديد أثر حدث ما، (بشكل أساسي العد إلى الوراء عبر الزمن عبر كل جيل بشري موثق) إلى حساب عمر الأرض بعدة آلاف من السنين، إحدى هذه المحاولات قام بها رئيس أساقفة أيرلندا جيمس أوشر، الذي قرر عام 1650 أن الخلق قد حدث في مساء يوم 22 أكتوبر، 4004 قبل الميلاد، ومن خلال تحليله لسلاسل الأنساب التوراتية لم يكن عمر الأرض حتى 6000 سنة مفهوم.

من وقت تنقيح هوتون للتوحيد، وجد المبدأ تطبيقاً واسعاً في محاولات مختلفة لحساب عمر الأرض، كما لوحظ سابقاً، كان الأساس في هذا المبدأ هو فرضية أن عمليات الأرض المختلفة في الماضي، تعمل بنفس الطريقة التي تعمل بها هذه العمليات اليوم، وكانت النتيجة الطبيعية لذلك هي أن معدلات العمليات القديمة المختلفة يمكن اعتبارها مماثلة لتلك الموجودة في الوقت الحاضر، لذلك يجب أن يكون من الممكن حساب عمر الأرض على أساس السجل المتراكم لبعض العمليات التي حدثت بهذا المعدل القابل للتحديد منذ الخلق.

تم اقتراح العديد من التقديرات المستقلة لعمر الأرض، كل منها تم باستخدام طريقة تحليل مختلفة، استندت بعض هذه التقديرات إلى افتراضات تتعلق بمعدل نقل الأملاح، أو الرواسب الذائبة عن طريق الأنهار وإمدادها بمحيطات العالم، والسماح لها بالتراكم بمرور الوقت، كانت هذه الحجج الكيميائية والفيزيائية (أو مزيج من الاثنين معاً) معيبة بدرجات متفاوتة بسبب الفهم غير الكامل للعمليات المعنية، اقترح عالم الفلك والرياضيات الإنجليزي إدموند هالي فكرة أن جميع الأملاح الذائبة في المحيطات كانت نتاجاً للرشح من الأرض في عام 1691، وأعاد ذكرها عالم الجيولوجيا الأيرلندي جون جولي في عام 1899.

وكان من المفترض أن المحيط كان نظام مغلق وأن ملوحة المحيطات كانت حالة دائمة التغير والتزايد، وبناءً على هذه الحسابات، اقترحت جولي أن الأرض قد توطدت وأن المحيطات قد تكونت منذ ما بين 80 إلى 90 مليون سنة، والاعتراف اللاحق بأن المحيط ليس مغلقاً، وأن الفقد المستمر للأملاح يحدث بسبب الترسيب في بيئات معينة أدى إلى تقييد هذا النهج الجديد بشدة.

كان الافتراض الجديد بنفس القدر، ولكن المعيب بالمثل هو أنه إذا تم تجميع مقياس تراكمي لجميع تتابع الصخور وأخذ المعدلات المعروفة لتراكم الرواسب في الاعتبار، فيمكن حساب مقدار الوقت المنقضي، وبينما يمثل نهجاً معقولاً للمشكلة، فإن هذا الإجراء لم يأخذ في الاعتبار أو لا يمكن أن يأخذ في الاعتبار معدلات التراكم المختلفة، المرتبطة بالبيئات المختلفة أو حقيقة وجود العديد من الفواصل في السجل الطبقي، حتى الملاحظات التي تم إجراؤها على الخلافة الحيوانية أثبتت وجود فجوات في السجل، ومن الواضح أن هناك تنوعاً كافياً في سجل طبقي معين، بحيث يكون من المستحيل فعلياً حتى الوصول إلى تقدير تقريبي لعمر الأرض بناءً على هذه التقنية، ومع ذلك تم إجراء العديد من المحاولات باستخدام هذا النهج.

طبق ويليام طومسون (لاحقاً اللورد كلفن) مبادئه الديناميكية الحرارية على مشاكل تدفق الحرارة، وكان لهذا آثار على التنبؤ بعمر الشمس الباردة والأرض الباردة، من تقدير أولي يبلغ 100 مليون سنة لتطوير قشرة صلبة حول قلب منصهر اقترح عام 1862، قام طومسون بعد ذلك بمراجعة تقديره لعمر الأرض إلى أسفل، وباستخدام نفس المعايير، خلص في عام 1899 إلى أن عمر الأرض يتراوح بين 20 إلى 40 مليون سنة.

استند حساب طومسون على افتراض أن مادة الأرض خاملة، وبالتالي غير قادرة على إنتاج حرارة جديدة، وأصبح تقديره موضع تساؤل بعد اكتشاف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل النشاط الإشعاعي الطبيعي في عام 1896، وما تلاه من اعتراف من زملائه ماري وبيير كوري بأن مركبات الراديوم (التي توجد في معادن اليورانيوم) تنتج الحرارة، نتيجة لهذه النتائج وغيرها، لا سيما تلك التي توصل إليها إرنست رذرفورد.

وقد أصبح من الواضح أن العناصر المشعة التي تحدث بشكل طبيعي في المعادن الشائعة في قشرة الأرض كافية، لتفسير كل تدفق الحرارة المرصود، وفي غضون وقت قصير خلص عالم فيزيائي بريطاني بارز آخر، وهو جون ويليام ستروت إلى أن إنتاج الحرارة في باطن الأرض كان عملية ديناميكية، حيث يتم توفير الحرارة باستمرار بواسطة مواد مثل اليورانيوم، في الواقع لم تكن الأرض باردة.

إطار عمري مطلق للمقياس الزمني الطبقي:

من المهم معرفة أنه في كتاب النشاط الإشعاعي لعام (1904)، أوضح رذرفورد أن النشاط الإشعاعي ينتج عن التفكك التلقائي لعنصر غير مستقر إلى عنصر أخف، والذي قد يتحلل أكثر حتى يتم إنشاء عنصر مستقر أخيراً، كما تتضمن عملية التحلل الإشعاعي هذه انبعاث جسيمات موجبة الشحنة، (وقد تم التعرف عليها لاحقاً على أنها نوى هيليوم) والجسيمات سالبة الشحنة (ألا وهي الإلكترونات)، وفي معظم الحالات أشعة جاما (شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي) أيضاً، وجاء هذا التفسير ما يسمى بنظرية التفكك لتوفير الأساس للتقدير العددي للوقت الجيولوجي.

لكن في عام 1905، نجح ستروت في تحليل محتوى الهيليوم لصخرة تحتوي على الراديوم وحدد عمرها بملياري سنة، وكان هذا أول تطبيق ناجح لتقنية القياس الإشعاعي لدراسة مواد الأرض، ومهد الطريق لتحليل أكثر اكتمالاً للوقت الجيولوجي، وعلى الرغم من مواجهة مشاكل فقدان الهيليوم وبالتالي لم تكن النتائج دقيقة تماماً، فقد تم تحقيق اختراق علمي كبير.

وفي عام 1905 أيضاً قام الكيميائي الأمريكي بيرترام ب. بولتوود بحساب الأعمار العددية لـ 43 معدناً، وهو يعمل بنظام اليورانيوم والرصاص الأكثر استقراراً، كانت نتائجه التي تتراوح بين 400 مليون وبين 2.2 مليار سنة، بترتيب أكبر من تلك الخاصة بالتقنيات الكمية الأخرى في اليوم التي استفادت من تدفق الحرارة أو معدلات الترسيب لتقدير الوقت.

وقد كان قبول هذه العصور الجديدة بطيئاً، أي أنه ربما كان لعلماء الأحافير الآن ما يريحهم كثيراً من الوقت الكافي لاستيعاب التغيير الحيواني، ومع ذلك ظل الباحثون في المجالات الأخرى متمسكين بشكل متحفظ بالأعمار في حدود عدة مئات من الملايين، لكنهم كانوا يراجعون معدلات الترسيب المفترضة للأسفل من أجل إفساح المجال لمفاهيم زمنية ممتدة.

وفي مساهمة رائعة في حل الجدل الدائر حول عمر الأرض، قام آرثر هولمز (طالب في مدينة شتروت)، بالعمل على مقارنة الأعمار الطبقية النسبية (المحددة بالحفريات) لعينات معينة، مع أعمارها العددية كما هو محدد في المختبر، وقدم تحليل عام 1911 لأول مرة العصور العددية للصخور من عدة فترات جيولوجية من حقب الحياة القديمة وكذلك من عصر ما قبل الكامبري.

كما تم تحديد المواد ذات العمر الكربوني بـ 340 مليون سنة، والمواد ذات العمر الديفوني 370 مليون سنة، والمواد (Ordovician) أو Silurian) 430) مليون سنة، وعينات ما قبل الكامبري من 1.025 إلى 1.64 مليار سنة، كما أنه نتيجة لهذا العمل، يمكن قياس المقياس الزمني الجيولوجي النسبي، الذي استغرق ما يقرب من 200 عام للتطور عددياً، ولم يعد له أهمية تراكبية فحسب، بل أصبح له الآن أهمية زمنية مطلقة أيضاً.