地球の年齢

地球の年齢は45億4000万年±0.5億年（45億4000万年×10年±1％）と推定されている^。 [ 1 ^{] [2] [3] [4]この年齢は、}地球の集積、つまり核形成の年齢、あるいは地球を形成した物質の年齢を表している可能性がある。^{[2]この年代測定は、}隕石^[5]物質の放射年代測定の証拠に基づいており、最も古い既知の地球物質^[6]や月のサンプルの放射年代と一致している。^[7]

20世紀初頭の放射年代測定法の開発に続いて、ウランを豊富に含む鉱物中の鉛の測定により、いくつかの鉱物は10億年以上前のものであることが示された。^[8]現在までに分析されたそのような鉱物の中で最も古いものは、西オーストラリアのジャックヒルズ産のジルコンの小結晶であり、少なくとも44億400万年前のものである。^[6] [ ^{9] [10]}太陽系内で形成された隕石内の最も古い固体成分であるカルシウムとアルミニウムを豊富に含む包有物は45億6700万年前のものであり、^{[11] [12]}太陽系の年齢の下限を示している。

地球の集積は、カルシウムとアルミニウムを豊富に含む包有物と隕石の形成直後に始まったと仮説されています。この集積プロセスに要した時間はまだわかっておらず、さまざまな集積モデルによる予測は数百万年から最大約 1 億年までの範囲であるため、地球の年齢と最古の岩石の年齢の差を特定するのは困難です。また、表面に露出している地球最古の岩石の正確な年齢を特定することも困難です。なぜなら、それらはおそらく異なる年齢の鉱物の集合体だからです。

地層（岩石と土壌の層）の研究により、自然学者は地球がその存在の間に多くの変化を経験してきた可能性があることを認識しました。これらの地層には未知の生物の化石が含まれていることが多く、一部の人々は地層から地層へと生物の進化を解釈しました。^{[13] [14]}

17世紀のニコラス・ステノは、化石と地層のつながりを理解した最初の博物学者の一人でした。^[14]彼の観察は、重要な地層学の概念（すなわち、「重ね合わせの法則」と「元の水平性の原理」）を定式化することにつながった。^[15] 1790年代、ウィリアム・スミスは、大きく異なる場所にある2つの岩石層に同様の化石が含まれている場合、その層は同じ年代である可能性が高いという仮説を立てました。 [16]スミスの甥で弟子のジョン・フィリップスは、後にそのような方法を用いて、地球の年齢は約9600万年であると計算しました。 [ ^{17 ]}

18世紀半ば、博物学者ミハイル・ロモノーソフは、地球は宇宙の他の部分とは別に、数十万年前に創造されたと提唱した。^[要出典]ロモノーソフの考えは主に推測に基づくものだった。^[要出典] 1779年、ビュフォン伯爵は実験によって地球の年齢を求めようとした。彼は地球に似た組成の小さな球体を作り、その冷却速度を測定した。これにより、彼は地球の年齢が約75,000歳であると推定した。^[18]

他の博物学者たちはこれらの仮説を使って地球の歴史を構築したが、地層の形成にどれくらいの時間がかかったかがわからなかったため、彼らのタイムラインは不正確だった。^[15] 1830年、地質学者チャールズ・ライエルは、ジェームズ・ハットンの著作に見られるアイデアを発展させ、地球の特徴は絶え間なく変化し、継続的に浸食と再形成を繰り返しており、この変化の速度はほぼ一定であるという概念を普及させた。これは、地球の歴史は断続的な大災害によって支配されていると見なす従来の見解に対する挑戦であった。多くの博物学者はライエルの影響を受けて「斉一論者」となり、変化は一定かつ均一であると信じるようになった。^[要出典]

1862年、物理学者ウィリアム・トムソン（初代ケルビン男爵）は、地球の年齢を2000万年から4億年とする計算結果を発表しました。^{[19] [20]彼は地球が完全に溶融した物体として形成されたと仮定し、地表近くの}温度勾配が現在の値まで低下するのにかかる時間を決定しました。彼の計算では、放射性崩壊（当時は未知のプロセス）によって生成される熱や、より重要な地球内部の対流が考慮されていませんでした。対流により、上部マントルの温度がより長く高いままになり、地殻の高い温度勾配がより長く維持されます。^[19]さらに制約が多かったのは、太陽の年齢に関するトムソンの推定値で、これは太陽の熱出力の推定値と、太陽が重力崩壊からエネルギーを得るという理論に基づいていました。トムソンは、太陽の年齢は約2000万年であると推定しました。^{[21] [22]}

ライエルのような地質学者は、地球の年齢がこれほど短いことを受け入れるのに苦労した。生物学者にとっては、1億年でさえもあまりにも短すぎて信じがたいものだった。チャールズ・ダーウィンの進化論では、累積的な選択を伴うランダムな遺伝的変異のプロセスには長い時間が必要であり、ダーウィンはトムソンの推定では時間が足りないと述べた。^[23]現代生物学によると、生命の始まりから今日までの進化の歴史全体は、地質学的年代測定によって示されたすべての生物の最後の普遍的な祖先から経過した時間である35億年から38億年前から起こっている。 ^[24]

1869年の講義で、ダーウィンの偉大な支持者トーマス・ヘンリー・ハクスリーはトムソンの計算を攻撃し、計算自体は正確であるように見えても誤った仮定に基づいていると主張した。物理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ（1856年）と天文学者サイモン・ニューカム（1892年）は、それぞれ2200万年と1800万年という独自の計算結果をこの論争に持ち込んだ。彼らは独立して、太陽が誕生の源であるガスと塵の星雲から現在の直径と明るさにまで凝縮するのにかかる時間を計算した。 ^{[25]彼らの値はトムソンの計算と一致していた。しかし、彼らは太陽が}重力収縮の熱でのみ輝いていると仮定していた。太陽の核融合プロセスはまだ科学に知られていなかった。

1892年、トムソンは多くの科学的業績を認められ、ケルビン卿に叙せられた。1895年、ジョン・ペリーは伝導率に関する仮定に基づいてケルビンの数字に異議を唱え、オリバー・ヘヴィサイドはそれを「彼の演算子法が驚くほど複雑な問題を解決する能力を示す手段」とみなして対話に参加した。 ^[26]他の科学者もケルビンの数字を支持した。ダーウィンの息子で天文学者のジョージ・H・ダーウィンは、地球と月は初期に両方とも溶融していたときに分裂したと提唱した。彼は、潮汐摩擦によって地球が現在の24時間の日になるのにかかった時間を計算した。彼が得た5600万年という値は、トムソンが正しい方向に進んでいることのさらなる証拠であった。^[25]ケルビンが1897年に出した最後の推定は、「2000万年以上4000万年未満で、おそらく4000万年よりも2000万年に近い」というものでした。^[27] 1899年と1900年に、ジョン・ジョリーは、海が浸食プロセスによって塩を蓄積する速度を計算し、海の年齢が約8000万年から1億年であると判断しました。^[25]

化学的性質上、岩石 鉱物には特定の元素が含まれ、他の元素は含まれない。しかし、放射性同位元素を含む岩石では、放射性崩壊のプロセスにより、時間の経過とともにエキゾチックな元素が生成される。崩壊の安定した最終生成物の濃度を測定し、崩壊元素の半減期と初期濃度の知識と組み合わせることで、岩石の年代を計算することができる。^[28]一般的な放射性最終生成物は、カリウム-40の崩壊によるアルゴンと、ウランとトリウムの崩壊による鉛である。^{[28]地球の}マントルのように岩石が溶融すると、このような非放射性最終生成物は通常、逃げるか再分配される。^[28]したがって、地球自体よりも長い間無傷であった岩石はないと仮定すると、最も古い地球の岩石の年齢は地球の年齢の最小値を与える。

放射能の発見により、計算に新たな要素が加わった。 1896年のアンリ・ベクレルの最初の発見の後、^{[29] [30] [31] [32]} マリーとピエール・キュリーは1898年に放射性元素ポロニウムとラジウムを発見した。 ^[33]そして1903年には、ピエール・キュリーとアルベール・ラボルドが、ラジウムは1時間未満で自身の重量の氷を溶かすほどの熱を発生すると発表した。^[34]地質学者は、これが地球の年齢の計算の根底にある仮定を覆すものであることにすぐに気付いた。これらの計算では、地球と太陽の元々の熱は宇宙に着実に散逸していたが、放射性崩壊によりこの熱は継続的に補充されていたと仮定していた。ジョージ・ダーウィンとジョン・ジョリーは1903年に初めてこれを指摘した。^[35]

放射能は古い計算を覆したが、放射年代測定という形で新たな計算の基礎を提供するというボーナスをもたらした。

アーネスト・ラザフォードとフレデリック・ソディは共同で放射性物質の研究を続け、放射能は原子元素の自然発生的な変化によって生じるという結論に至りました。放射性崩壊では、元素が別のより軽い元素に分解し、その過程でアルファ、ベータ、またはガンマ線を放出します。また、放射性元素の特定の同位体が別の元素に崩壊する速度は特異なことも突き止めました。この速度は「半減期」、つまり放射性物質の質量の半分が「崩壊生成物」に分解するのにかかる時間で表されます。

放射性物質には半減期が短いものもあれば、長いものもあります。ウランとトリウムは半減期が長いため地殻に残りますが、半減期が短い放射性元素は一般に消滅しています。これは、地質学的サンプル中の放射性物質の相対的な割合を決定することで地球の年齢を測定できる可能性があることを示唆しています。実際には、放射性元素は必ずしも非放射性（「安定した」）元素に直接崩壊するわけではなく、代わりに、独自の半減期を持つ他の放射性元素に崩壊し、安定した元素に達するまで続きます。ウラン-ラジウム系列やトリウム系列などのこれらの「崩壊系列」は、放射能の発見から数年以内に知られ、放射年代測定の技術を構築する基礎を提供しました。

放射能の先駆者は化学者のバートラム・B・ボルトウッドと物理学者のラザフォードでした。ボルトウッドはコンサルタントとして放射性物質の研究を行っており、ラザフォードが1904年にイェール大学で講義をしたとき、^[36]ボルトウッドはさまざまな崩壊系列の元素間の関係を説明することを思いつきました。1904年後半、ラザフォードは放射性崩壊によって放出されたアルファ粒子がヘリウム原子として岩石物質に閉じ込められる可能性があることを示唆し、放射年代測定への第一歩を踏み出しました。当時、ラザフォードはアルファ粒子とヘリウム原子の関係について推測しているだけでしたが、4年後にその関係を証明することになります。

ソディとウィリアム・ラムゼー卿はラジウムがアルファ粒子を生成する割合をちょうど決定したばかりで、ラザフォードはヘリウムの濃度を測定することで岩石サンプルの年代を決定できると提案した。彼はこの技術で、所有していた岩石の年代を 4,000 万年と測定した。ラザフォードは1904 年に 王立研究所の会議で演説した際のことを次のように書いている。

薄暗い部屋に入って、聴衆の中にケルビン卿がいるのに気づき、地球の年齢に関するスピーチの最後の部分で、自分の意見が彼の意見と食い違っているのに気付いた。ほっとしたことに、ケルビン卿はぐっすり眠ってしまったが、重要な点に差し掛かったとき、老鳥が起き上がり、目を開けて、私に不吉な視線を向けた！そのとき突然ひらめきがやってきて、私は言った。「ケルビン卿は、新しい源が発見されない限り、地球の年齢を制限していた。その予言的な発言は、今夜私たちが検討しているラジウムについて言及している！」見よ！老鳥は私に微笑みかけた。^[37]

ラザフォードは、ラムゼーとソディによって測定されたラジウムの崩壊率は正確であり、ヘリウムは時間の経過とともにサンプルから逃げないだろうと仮定した。ラザフォードの計画は不正確だったが、有用な第一歩だった。ボルトウッドは崩壊系列の最終生成物に注目した。1905年、彼は鉛がラジウムの崩壊の最終的な安定生成物であると示唆した。ラジウムがウランの崩壊の中間生成物であることはすでに知られていた。ラザフォードもこれに加わり、ラジウムが5つのアルファ粒子を放出してさまざまな中間生成物を経て最終的に鉛になる崩壊プロセスを概説し、ラジウム-鉛崩壊系列を使用して岩石サンプルの年代を測定できると推測した。ボルトウッドは地道な調査を行い、1905年末までに26の個別の岩石サンプルの年代を、9200万年から5億7000万年までの範囲で提供した。彼はこれらの結果を公表しなかったが、それは測定誤差とラジウムの半減期の不適切な推定によって欠陥があったため幸運だった。ボルトウッドは研究を改良し、最終的に1907年にその結果を発表しました。^[8]

ボルトウッドの論文は、同程度の地層から採取したサンプルは鉛とウランの比率が似ており、古い地層のサンプルは鉛の割合が高いが、サンプルから鉛が浸出した証拠がある場所を除くと、鉛が高かったことを指摘した。彼の研究は、トリウムの崩壊系列が理解されていなかったため、ウランとトリウムの両方を含むサンプルで誤った結果が出たという欠点があった。しかし、彼の計算は、それまでに行われたどの計算よりもはるかに正確だった。この技術の改良により、ボルトウッドの26のサンプルの年代は、後に4億1000万年から22億年と算出された。^[8]

ボルトウッドは著名な地質学雑誌に論文を発表したが、地質学界は放射能にほとんど関心を示さなかった。^[要出典]ボルトウッドは放射年代測定の研究を断念し、他の崩壊系列の研究に移った。ラザフォードは地球の年齢の問題に多少の興味を持ち続けたが、それについてはほとんど研究しなかった。

ロバート・ストラットは1910年までラザフォードのヘリウム法に手を加え、その後やめました。しかし、ストラットの弟子アーサー・ホームズは放射年代測定に興味を持ち、他の皆が諦めた後も研究を続けました。ホームズはヘリウム法は見込みがないと考え、鉛による年代測定に焦点を合わせました。彼は岩石サンプルの測定を行い、1911年に最も古いもの（セイロン島のサンプル）が約16億年前のものであるという結論を出しました。^[38]これらの計算は特に信頼できるものではありませんでした。例えば、彼はサンプルが形成された時にウランのみを含み鉛は含まれていないと仮定していました。

さらに重要な研究が 1913 年に発表されました。この研究では、元素は一般に質量の異なる複数の変種、つまり「同位体」として存在することがわかりました。1930 年代には、同位体は「中性子」と呼ばれる中性粒子の数が異なる核を持つことが示されました。同じ年に、放射性崩壊の規則を確立する他の研究が発表され、崩壊系列をより正確に識別できるようになりました。

多くの地質学者は、これらの新しい発見によって放射年代測定法が複雑になり、役に立たなくなったと感じていた。^[要出典]ホームズはこれらの発見によって技術を向上させる手段が得られたと考え、研究を着々と進め、第一次世界大戦の前後に出版を行った。彼の研究は 1920 年代まで一般に無視されていたが、1917 年にイェール大学の地質学教授ジョセフ・バレルが、当時理解されていた地質学史を、放射年代測定法におけるホームズの発見に沿うように書き換えた。バレルの研究により、地層はすべて同じ速度で形成されたわけではなく、したがって現在の地質学的変化の速度では地球の歴史の正確な年表を作成することはできないことが判明した。^[要出典]

ホームズの粘り強さがようやく実を結び始めたのは1921年、英国科学振興協会の年次総会の講演者たちが、地球の年齢は数十億年で、放射年代測定は信頼できるというおおよその合意に達したときだった。ホームズは1927年に『地球の年齢、地質学的概念への入門』を出版し、その中で16億年から30億年の範囲を提示した。しかし、放射年代測定を採用しようという大きな動きはなく、地質学界の頑固者たちは頑固に抵抗した。彼らは物理学者が自分たちの領域に踏み込もうとする試みを気にしたことはなく、これまでそれを無視することに成功していた。^[39]証拠が積み重なってついに均衡が崩れたのは1931年、米国科学アカデミーの国立研究会議が地球年齢の問題を解決するために調査委員会を設置することを決定したときだった。

ホームズは放射年代測定法の訓練を受けた数少ない人物の一人であり、委員会のメンバーであり、実際に最終報告書の大部分を執筆した。^{[40]したがって、ホームズの報告書は、放射年代測定法が}地質年代尺度を確定する唯一の信頼できる手段であると結論付けた。偏りの疑いは、報告書の非常に詳細な記述によって回避された。使用された方法、測定が行われた際の注意、およびその誤差範囲と限界が説明された。^[要出典]

放射年代測定は、科学者が地質年代を測る主な方法であり続けています。放射年代測定の技術は、1960 年代から継続的にテストされ、微調整されてきました。これまでに 40 種類ほどの異なる年代測定技術が使用され、さまざまな材料が対象となっています。これらの異なる技術を使用して同じサンプルを測定した結果は、その材料の年代と非常によく一致しています。^{[引用が必要]}汚染の問題は確かに存在しますが、それらは研究され、慎重な調査によって対処されており、サンプルの準備手順は最小限に抑えられ、汚染の可能性が制限されています。^{[引用が必要]}

クレア・キャメロン・パターソンは、キャニオン・ディアブロ隕石を含むいくつかの隕石のウラン鉛同位体年代測定（具体的には鉛鉛年代測定）により、今日受け入れられている年齢に非常に近い45億5000万±0.7億年という年齢を決定し、 1956年に発表しました。^[41]ここで引用されている地球の年齢は、いくつかの重要な理由により、部分的にキャニオン・ディアブロ隕石から導き出されたものであり、数十年にわたる研究で築き上げられた宇宙化学の現代的な理解に基づいています。

地球から採取された地質学的サンプルのほとんどは、太陽系星雲から地球が形成された直接的な年代を示すことができません。なぜなら、地球は核、マントル、地殻への分化を経ており、その後、プレートテクトニクス、風化、熱水循環によってこれらのサンプル貯留層の混合と分離の長い歴史を経てきたからです。

これらすべてのプロセスは、同位体年代測定のメカニズムに悪影響を及ぼす可能性があります。なぜなら、サンプルが常に閉鎖系のままであると想定できるわけではないためです。閉鎖系とは、親核種または娘核種（原子に含まれる中性子と陽子の数によって特徴付けられる原子の種類）または中間娘核種がサンプルから部分的に除去されている可能性があり、その結果得られる同位体年代が歪むことを意味します。この影響を軽減するために、通常は同じサンプル内の複数の鉱物の年代を測定してアイソクロンを作成します。または、サンプルに対して複数の年代測定システムを使用して、日付を確認する場合があります。

さらに、いくつかの隕石は、太陽系が集積して形成された原始的な物質を表していると考えられています。^[42]いくつかは、太陽系と惑星が形成された直後に閉鎖系（一部の同位体システム）として振る舞いました。^[要出典]現在までに、これらの仮定は多くの科学的観察と繰り返し行われた同位体年代測定によって裏付けられており、地球の岩石が元の組成を保持していると仮定する仮説よりも確かにより強固な仮説です。

それにもかかわらず、太古の始生代鉛鉱石である方鉛鉱は、地球上で最も古い鉛のみの鉱物であり、地球上で最も古い均質な鉛-鉛同位体システムを記録しているため、地球の形成の年代測定に使用されてきた。これらの鉱石は、誤差がわずか1%と​​いう精度で、45億4千万年前の年代を算出した。^[43]

等時年代測定を受けたいくつかの隕石の統計は次の通りである: ^[44]

キャニオンディアブロ隕石が使用されたのは、それが大きく、硫化鉱物 (特にトロイライト、FeS)、金属ニッケル-鉄合金、およびケイ酸塩鉱物を含む特に珍しいタイプの隕石の代表であるためです。これは、3 つの鉱物相が存在することで、親核種と娘核種の濃度が大きく異なるサンプルを使用して同位体年代を調査できるため重要です。これは、ウランと鉛の場合に特に当てはまります。鉛は強い親銅性があり、ウランと比較してケイ酸塩よりも硫化物中にはるかに高い濃度で存在します。隕石の形成中に親核種と娘核種が分離したため、太陽の円盤、ひいては惑星の形成のより正確な日付を、かつてないほど特定できるようになりました。

キャニオンディアブロ隕石から測定された年代は、陸上のサンプルと他の隕石の両方から測定された何百もの年代によって確認されている。^[45]しかし、隕石サンプルは45億3千万年前から45億8千万年前までの範囲を示している。これは、太陽系星雲の形成とそれが太陽系円盤に崩壊して太陽と惑星が形成されるまでの期間と解釈されている。この5千万年の期間は、元々の太陽の塵と隕石から惑星が集積する期間である。

月は、プレートテクトニクスを経験しておらず、大気も持たないもう一つの地球外天体ですが、アポロ計画から持ち帰られたサンプルから非常に正確な年代データが得られます。月から持ち帰られた岩石は、最大で45億1千万年前のものと測定されています。地球に落下した火星隕石も、鉛鉛年代測定によって約45億年前のものと測定されています。月のサンプルは、風化、プレートテクトニクス、または生物によって移動した物質の影響を受けていないため、宇宙線の飛跡を電子顕微鏡で直接調べることで年代測定を行うこともできます。高エネルギー宇宙線粒子の衝突によって生成された転位の蓄積によって、同位体年代の別の確認が得られます。宇宙線年代測定は、溶融していない物質にのみ有効です。溶融により物質の結晶構造が消去され、粒子が残した飛跡が拭い去られるためです。

全体として、最も古い地球上の鉛貯留層と、現在までに発見された太陽系内の他のすべての貯留層の年代の一致は、地球と太陽系の残りの部分が約 45.3 億年から 45.8 億年前に形成されたという事実を裏付けるために使用されています。^{[引用が必要]}

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• クリス・スタッセン著『地球の年齢』（TalkOrigins.org）
• USGSによる地球の年齢に関する序文
• 火星隕石の年代に関するNASAの解説
• BBCの「In Our Time」で地球の老化について語る
• 1900 年以前の地球の年齢に関する非宗教的な推定