Oh, Tierra, ¡qué vieja eres! 4.560 y pico millones de años

Si tuviésemos que comprar velas para el cumpleaños de la Tierra necesitaríamos miles de millones.

Dataciones en la historia: ¿Quién da más?

A lo largo de la historia muchas personas han intentado averiguar, por multitud de formas, la edad de la Tierra.

En el siglo XVII algunos como el arzobispo James Ussher y el eclesiástico John Lightfoot intentaron datar la Creación usando el Antiguo Testamento. Ussher llegó a la conclusión de que fue el 22 de octubre, un sábado a media noche del 4004 a.C. Y Lightfoot llegó a algo parecido, el 23 de septiembre a las 9 a.m. del 3928 a.C. (1). Aunque pretendieron ser observaciones muy precisas a partir de los datos bíblicos, en realidad sus conclusiones son tremendamente inexactas.

James Hutton, uno de los padres de la geología, en el siglo XVIII, reconoce el ritmo gradual de los procesos geológicos, y su carácter cíclico, dando a entender que la historia, a partir de datos y observaciones medibles, no es tan simple como entendían muchos a partir de la narración bíblica (2).

A finales del siglo XIX, Lord Kelvin propuso un modelo térmico (3) para calcular la edad de la Tierra a partir de su enfriamiento desde el momento de su formación, resultando una edad comprendida entre 20 y 400 Ma (millones de años). Lo que aún no sabía Kelvin es que los elementos radiactivos producen calor al desintegrarse, hecho que uno de sus detractores, T.C. Chamberlin, señaló, destacando así la importancia de los átomos y el desconocimiento que había de su estructura y de los procesos subatómicos, para el caso de la geocronología (4).

Portada del libro de A. Holmes de 1913.

Arthur Holmes al aplicar la radioactividad a la cuantificación del tiempo geológico, y Frederick Soddy, con sus investigaciones sobre los fundamentos de la radioactividad y el descubrimiento de los isótopos (5), establecieron los principios de la geocronología isotópica en el año 1913 (véase la figura). Más tarde, en 1927, Holmes propuso una edad de 1.600 a 3.000 Ma para la Tierra (6).

Tuvimos que esperar hasta la década de 1950 para tener una mejor datación gracias, sobre todo, a las mejoras en los instrumentos de medición, en especial, los espectrómetros de masas, mucho más exactos. En 1953, el geoquímico Clair Patterson dató la edad del planeta que habitamos en 4.550 Ma, midiendo la cantidad de isótopos de plomo presentes en distintas muestras de rocas terrestres y meteoritos (7). Estos datos se ajustan bastante bien a las estimaciones hechas en los últimos años (8).

¿Y cómo funcionan estos “relojes”?

Las rocas están formadas por cristales (minerales), que a su vez están constituidos por átomos de diferentes elementos (por ejemplo, silicio, carbono, potasio, oxígeno, hierro, etc.). Algunos elementos inestables pueden quedar atrapados en los cristales, como el uranio (U), el torio (Th), el argón (Ar) o el carbono (C). La inestabilidad de sus núcleos les hace radiar distintas partículas, un proceso que conocemos como radiactividad o decaimiento radiactivo, que es el proceso por el cual un núcleo inestable (padre) se transforma en uno más estable (hijo) de forma espontánea, emitiendo partículas. Algunos de estos elementos presentan varios isótopos, esto es, átomos con igual número de protones, pero distinto número de neutrones en su núcleo (1). Por ejemplo, el hidrógeno (H) tiene tres isótopos, el hidrógeno (un protón), el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones).

Es imposible predecir cuándo un átomo va a decaer, pues es un proceso estocástico. Sin embargo, la probabilidad de que un átomo se desintegre es constante en el tiempo. Llamamos constante de desintegración a dicha probabilidad, que es específica de cada isótopo radiactivo. Otra forma de verlo es con el periodo de semidesintegración o semivida, que es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra de isótopo radiactivo (1). Cada isótopo radiactivo tiene su propia semivida, que va desde fracciones de segundo a miles de millones de años.

Por lo tanto, si medimos la proporción entre el isótopo hijo y el isótopo padre (D/P), y conocemos la constante de desintegración del isótopo padre, podremos datar nuestra roca (9).

¿Y esto cómo ocurre? Cuando transcurre un periodo de semidesintegración desde el momento en el que se forma la muestra, que es un tiempo determinado y conocido para cada isótopo, la mitad, 1/2, de los núcleos radiactivos iniciales (padres) de una sustancia se desintegran en otros (hijos). Cuando vuelve a pasar ese mismo tiempo, la mitad de los padres que quedan se desintegran, o sea, 1/4 de los originales. Durante el siguiente periodo de semidesintegración decaerán la mitad de los núcleos originales que restan, es decir 1/8 de los originales, y así sucesivamente. Cuando hayan transcurrido 10 intervalos (semividas), quedará menos de la milésima parte de los átomos radiactivos originales. Estamos ante una ecuación de tipo exponencial, que describe el fraccionamiento de los átomos padres en un sistema (10).

¿Cuántos años me echas?

Ahora necesitamos un planeta, la Tierra nos vale, y buscar una roca que sea antigua. Es importante esto, ya que para poder dar una interpretación más exacta de una datación, una edad, es importante entender el contexto geológico y cómo han evolucionado esos sistemas. Cada isótopo nos puede dar información sobre procesos muy variados, y existen varias docenas de métodos radiométricos (10). En este caso, usaremos el uranio/plomo (U/Pb), ya que su periodo de semidesintegración cubre el intervalo de tiempo que necesitamos: de 100 Ma a 100 Ga, con una precisión de decenas de miles de años (1).

Si medimos la relación entre la cantidad de U y de Pb de una roca terrestre obtendremos la datación del momento en que ese elemento se separó del manto terrestre y quedó atrapado en el mineral. Los datos proporcionan una edad de 4.350 Ma (11). 

¿Dónde encontramos las rocas más antiguas? En el espacio. Los meteoritos (o meteoroides) han permanecido aislados, y mantienen sus proporciones isotópicas originales desde la formación del Sistema Solar. Por lo que, midiendo la proporción U/Pb en meteoritos caídos en la Tierra podremos saber cuándo comenzó a formarse ésta. Y todas las medidas actuales apuntan a una edad de aproximadamente 4.567 Ma para los objetos más antiguos del Sistema Solar (8).

El problema de ser preciso

En los procesos que medimos y observamos hay ciertas incertidumbres que nos impiden ser exactos. Aun así, podemos ser bastante precisos.

No siempre el mineral queda aislado y puede variar su proporción isotópica D/P, dando dataciones imprecisas (9). Puede sufrir procesos en los que pierda isótopos hijo, o contenerlos previamente. En ambos casos esa muestra de mineral no serviría para datar. Sin embargo, hay un modo de asegurarse de que no pasa esto, y es estudiar la misma muestra de mineral con otros métodos de datación y comparar los resultados. Esto nos dará una idea de la precisión y certidumbre de la datación (10).

Para la extinción del Pérmico-Triásico hubo problemas a la hora de correlacionar edades obtenidas por dos métodos distintos, U/Pb dio 251 Ma y argón 40/ argón 39 (⁴⁰Ar/³⁹Ar) dio 249, para un mismo evento (12). Esto resultó en la búsqueda de un ajuste de los métodos utilizados, y a la consecuente mejora en la precisión de los resultados obtenidos, incluyendo incertidumbres que antes no se tuvieron en cuenta. Actualmente, es muy común el uso de varios métodos geocronológicos para las dataciones (siempre que se puede).

Hay otros “relojes” del pasado

Muchos de los procesos naturales son cíclicos, como las variaciones de la órbita terrestre, los llamados ciclos de Milankovitch, debidos a cambios en la excentricidad de la órbita terrestre (cada 100.000 y 413.000 años), cambios de la inclinación del eje de la Tierra (40.000 años) y en la precesión del eje de rotación (19.000 y 23.000 años), que dan lugar a ciclos climáticos, que quedan registrados en los sedimentos y nos permiten hacer dataciones de hasta 30 Ma en el pasado (13).

Con los anillos de los árboles, que varían según los cambios climáticos locales, se pueden observar patrones con los que se pueden medir cronologías hasta 8400 a.C. (13).

En los casquetes polares se puede medir el tiempo a partir de las capas de hielo superpuestas año tras año, llegando a edades de 200.000 años en Groenlandia y 740.000 años en la Antártida (13).

La polaridad magnética también da una idea del registro de cambios cíclicos terrestres, ya que el campo magnético de la Tierra invierte su polaridad de 2 a 3 veces cada millón de años. Esto puede ayudar a datar sucesos de hasta 170 Ma (13).

La combinación de todos estos métodos, la geocronología isotópica, los astronómicos, paleontológicos, estratigráficos y biológicos, entre otros, nos dan una idea de la edad, los procesos, la evolución biológica y la historia del planeta en el que nacimos.

Cerrando

Como dice John Valley acerca de la edad de la Tierra: “las implicaciones científicas y filosóficas son inmensas” (2).

Que la Tierra tenga casi 4.600 millones de años no genera controversia entre los científicos, al igual que pasa con la evolución biológica.

La geocronología está basada en datos observables, y sus hipótesis son comprobables. Y es aceptada por científicos de todas las culturas y religiones.

Pero si estamos de acuerdo en esto, ¿por qué sigue habiendo el murmullo de los que defienden la pseudociencia sin evidencia científica?

Como dijo Galileo (14):

 “La intención del Espíritu Santo era enseñarnos cómo se va al cielo, y no cómo va el cielo”.

Bibliografía

1. Ellam, Rob (2016). Isotopes: a very short introduction. Oxford University Press.

2. Valley, John (2013). The age of the earth (editorial). Elements 9: 3-4.

3. Kelvin, W.T. (1895). On the age of the earth. Nature 51: 438-440.

4. Chamberlin, T.C. (1899) Lord Kelkin’s address on the age of the earth as an abode fitted for life. Science 9: 889-901; 10: 11-18.

5. Condon, D. J. (2013). One hundred years of isotope geochronology, and counting. Elements 9: 15-17.

6. Holmes, A. (1927). The Age of the Earth. Ernest Benn Ltd., London.

7. Patterson, C. (1956). Age of meteorites and the earth. Geochimica et Cosmochimica. Acta 10: 230-237.

8. Amelin, Y., Ireland, T.R. (2013). Dating the oldest rocks and minerals in the solar system. Elements 9: 39-44.

9. Schoene, B., Condon, D.J. (2013). Precision and accuracy in geochronology. Elements 9: 19-24.

10. Wiens, R.C. (2002) Radiometric Dating: A Christian Perspective. American Affiliation.

11. Holden P, et al. (2009). Mass-spectrometric mining of Hadean zircons by automated SHRIMP multi-collector and single-collector U/Pb zircon age dating: The first 10,000 grains. Int. J. Mass Spectrom. 286(2):53–63.

12. Renne P.R., Karner D.B., Ludwig K.R. (1998) Absolute ages aren’t exactly. Science 282:1840-1841.

13. White, R.S. (2007). La edad de la Tierra. Documentos Faraday nº 8. Traducción de 2012.

14. Galilei, Galileo. Carta a Cristina de Lorena (1615). Citado en Galileo Galilei. Carta a Cristina de Lorena y otros textos sobre ciencia y religión, traducido por Moisés González, Alianza Ed., Madrid, 1987, p. 73.