Altersbestimmung der Erde

In der Mitte des 17. Jahrhunderts kam der irische Erzbischof James Ussher (1581-1656) nach ausführlichen Studien biblischer Texte zu dem Schluss, dass die Erde genau am 23. Oktober 4004 v. Chr. um 9 Uhr vormittags entstanden sei. Bis weit in das 19. Jahrhundert hinein waren alle Versuche, über direkte oder indirekte Methoden das Alter der Erde zu ermitteln, erfolglos. 1897 versuchte der englische Physiker William Thomas Kelvin (1824-1907) über die Abkühlungsdauer der einst schmelzflüssigen und langsam erstarrten äußeren Erdhülle zum Erfolg zu gelangen, doch seine Schätzung von 20 – 40 Millionen Jahren erwies sich als viel zu niedrig. Da seinerzeit das Phänomen der Radioaktivität noch unbekannt war, hatte Kelvin es auch nicht in seine Berechnungen mit einbezogen. Bekanntlich stammt ein großer Teil der Wärmeenergie der Erde von radioaktiven Elementen in ihrer Kruste und im Mantel. Das »Gesetz der Überlagerung«
Obwohl eine absolute Altersbestimmung der Erde vorerst nicht gelang, entwickelte man eine relative Zeitskala schon vergleichsweise früh. Grundlage dieser Methode ist, die Reihenfolge der abgelagerten Gesteine zu ermitteln, ohne dabei über die genaue Zeit der Ablagerung Bescheid wissen zu müssen. Die gesamte Serie aller Gesteine seit der Entstehung der Erde ist als Schichtfolge bekannt. William Smith (1769-1839) war einer der ersten Geologen, der das »Gesetz der Überlagerung« postulierte und der richtigen Annahme folgte, dass in einer Serie ungestörter Sedimentgesteine jeweils die jüngeren auf den älteren Schiechten liegen. Der Weg zu dieser Erkenntnis war dennoch schwierig, weil ja nirgends ein komplettes Profil aller geologischen Serien zu finden ist und so durch mühsame Vergleiche verschiedener Gesteinsfolgen die sinnvolle Einordnung in stratigraphische Profile versucht werden musste. Voraussetzung dafür waren die genaue Kenntnis der Gesteine, das Auftreten charakteristischer Fossilien (Leitfossilien) und bestimmte, oft in weit voneinander entfernten Gegenden vorkommende gleichartige Gesteinshorizonte. Das gesamte Profil wurde in einzelne Abschnitte unterteilt, dies geschah nicht willkürlich, sondern aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Gesteine, welche die Ablagerungsbedingungen, die sogenannten Fazies, widerspiegeln. Absolute Altersbestimmung
Der Durchbruch bei den Versuchen, eine absolute Zeitskala der Erde aufzustellen, erfolgte mit der Entdeckung, dass radioaktiver Zerfall in bestimmbaren Zeiten abläuft. So konnten radioaktive Mineralien als Zeitmesser herangezogen werden. Dabei wird die Menge der Zerfallsprodukte in Bezug zum Ausgangsprodukt gesetzt, ältere Gesteine haben eine größere Menge an Zerfallsprodukten. Bei der absoluten Altersbestimmung durch die Beobachtung radioaktiver Elemente spielt insbesondere die sogenannte Halbwertszeit eine wichtige Rolle: Sie umfasst denjenigen Zeitraum, in dem ein radioaktives Element zur Hälfte abgebaut wird. Die Halbwertszeit des am häufigsten vorkommenden Uranisotops U238 beträgt beispielsweise 4,51 Milliarden Jahre. Nach dieser Zeit ist nur noch die Hälfte der ursprünglichen Uranmenge vorhanden, die andere Hälfte wurde in mehreren Schritten in verschiedene radioaktive Isotope umgewandelt – das Endprodukt ist Blei. Die Halbwertszeit der Elemente ist sehr unterschiedlich: Bei Thorium (Th) 232 beträgt sie über 14 Milliarden Jahre, bei Kohlenstoff (C) 14 hingegen lediglich 5570 Jahre. Das Alter von Gesteinen wird also dadurch ermittelt, dass das Verhältnis der neu entstandenen Elemente zu dem Rest der radioaktiven Ausgangselemente berechnet wird. Voraussetzung genauer Berechnungen sind – neben Kenntnis der Halbwertszeiten der Verschiedenen Elemente – exakte Mengenbestimmungen der radioaktiven Isotope. Dies ist erst möglich, seitdem es hochempfindliche Messinstrumente, die Massenspektrometer, gibt. Mit ihrer Hilfe können selbst kleinste Mengen (einige Millionstel Gramm) von Isotopen eines einzigen Elementes gemessen werden. Absolute Altersbestimmungen von Gesteinen erfolgen allerdings unter einer wesentlichen Einschränkung: Sie legen nur das Alter der Mineralkristallisation fest, nicht das Alter der Elemente selbst – erst mit der Kristallisation aus dem schmelzflüssigen Magma wurde ja die chemische Zusammensetzung eines Minerals (und damit auch seine Radioaktivität) fixiert. Die Menge der Zerfallsprodukte radioaktiver Elemente innerhalb bestimmter Mineralien ist daher ein Zeitmesser, der über die zeitlichen Dimensionen vor der Erstarrung des Erdmagmas nichts aussagen kann. Das Alter der Erde
Nicht nur Uran und das chemisch mit ihm verwandte Thorium sind für Altersdatierungen geeignet. Auch Kalium 40, das eine Halbwertszeit von 1,3 Milliarden- Jahren hat, kommt innerhalb der Erdkruste in nachweisbaren Konzentrationen vor, es zerfällt in Argon 40, ein Edelgas der Atmosphäre. Durch die Bestimmung des Verhältnisses dieser beiden Elemente in der Erdkruste und in der Luft errechnete man für die Erde ein Alter von 4,6 Milliarden Jahren. Die ältesten Gesteine der großen präkambrischen Schilde in Nordamerika, Grönland, Afrika und Australien sind jedoch »nur« 3,5 Milliarden Jahre alt. Der Unterschied zwischen beiden Angaben rührt unter anderem daher, dass die Erde sehr langsam abkühlte und bis zur Erstarrung größerer Gesteinssysteme zu einer Kruste ein längerer Zeitraum angenommen werden muss.