8. Földi idő
Az idő relativitása
A modern idő felfogás alapján, Einstein azaz a múlt század 20-as évei óta az idő és tér elválaszthatatlan, téridő rendszert alkot, azaz a "hol ?" kérdés értelmetlen a "mikor" kérdés nélkül.
Az állítást illusztrálja az alábbi ábra. Feltételezzük, hogy a megfigyelő csillagász egy galaxist lát, amely 1 milliárd fényév távolságban van. Észlelését valamilyen jelhez, például a fény beérkezéséhez kell kapcsolnia. Viszont a beérkező fényjel 1 milliárd éve indult el, amikor a föld egy más, E' pozicióban volt. Most viszont a galaxis van ismeretlen, G' helyen. Így a mért távolság valójában nem a galaxis és a Föld között egy időpontban mérhető távolság, hanem a Föld jelenlegi poziciója és a Galaxis valamikori poziciója közötti távolság, tehát a távolság és az idő valamilyen kombinációja.
Az idő mérésének feltétele valamilyen (periodikus) változás felismerése. Megismerése, felismerése valószinűleg a napszakok periódicitásának felismerésével kezdődött. Periódusos változást periódusos változással összehasonlítva lehet mérni. Ilyen periódusos változást produkáló eszközök a mindennapi életben a különféle órák. A legősibb megoldások a nap és az árnyék mozgását használták. A fejlettebbek az ingamozgást, illetve acélrugók keltette rugóerő okozta periodikus kitéréseket használják az idő mérésére. A ma elterjedt szerkezetek a kvarc piezoelektromos tulajdonsága alapján mérik az időt, a kvarc kristályban állandó elektromos feszültség által keltett állandó frekvenciájú rezgés mérésével.
Az idő legpontosabb definicióját ma a radioaktív bomlás sebességéhez való hasonlítás adja, a Cs133 izotópjának bomlási sebessége jelenti az idő legpontosabb mérési eszközét.
A relativitás elmélet azon alapul, hogy a fény sebessége független a fényforrás és a megfigyelő egymáshoz viszonyított helyzetétől. Ebből az is következik, hogy egy tárgy mért hossza attól is függ, hogy a koordináta rendszer a mért tárgyhoz képest milyen sebességgel mozog. Hasonló módon, egy "mozgó" objektumon lévő óra által mért időintervallum hosszabb, mint a "nyugalomban" lévő objektumon lévő órán mért idő. Mozgó órák - még a radioaktív órák is - lassabban mozognak, mint az "állók".
Szerencsére a földtani folyamatok sebessége annyira elenyésző a fénysebességhez képest, hogy a fentiek miatt korrekciót nem kell tennünk. Az is bizonyított, hogy a földtani idő határain belül a radioaktív bomlás sebessége sem változott jelentősen. Így feltéelezhetjük azt, hogy a földtörténeti múltban az idő mérése szempontjából a maival azonos fizikai törvények uralkodtak. Ennek a feltételezésnek néhány fejlődési modell ellentmond, pl. a gravitációs állandó időbeli változását tételezik fel. Ez a változás a Föld élettartama alatt nem lehet több, mint néhány százalék.
A földtan időtávlatai a mindennapi élet időhatárait messze meghaladják. Az Univerzum jelenlegi ismereteink szerint 16 milliárd éve keletkezett (Ezt az értéket a mai rádiócsillagászat észlelési határai mellett még megfigyelhető legnagyobb távolságban elhelyezkedő objektumok alapján tételezünk fel, az innen ma beérkező fény az univerzum kezdeti állapotában indult el útjára). A Föld becsült kora 4,6 milliárd év.Mivel a földtan a földkéreg változásait vizsgálja, az idő, mint a változás sebességének mértéke, a legfontosabb földtani mérőszám.
Az idő fizikai egysége
A nap hosszát a megfigyelő obszervatórium meridiánján a Nap két áthaladása között eltelt időként mérhetjük - ez 86 400 sec. A valóságban az ugyanazon pozicióba kerülés időtartama (sziderikus naphossz) rövidebb, de ehhez Föld az orbitális pályán való keringés okozta késés adódik (szoláris naphossz), A szoláris naphossz sem állandó, rendszertelen milliszekundumos változásokat mutat, egyes vélemények szerint a Földmag belsejében jelentkező konvekciós mozgás intenzitásában bekövetkező változások miatt.
Az idő irreverzibilitása
Az idő csak egy irányban, az entrópia növekedése irányába halad, irreverzibilis
változásként. Egy izolált rendszer spontán halad az egyensúly, azaz a változatlanság
felé. A termodinamika első és második főtétele szerint ebben az állapotban lenne
maximális a rendszer entrópiája, a rendszer állapot jellemzőit, azaz a térfogatát
és belső energiáját tekintve. Az első főtétel szerint
dU = T dS - PdV
ahol U = belső energia, T = hőmérséklet, S = entrópia, P = nyomás, V = térfogat).
Ha tehát U és V állandó, akkor dU és dV = 0, ezért dS = 0, tehát az entrópia szélső értéke érvényesül. Az entrópia csak maximum lehet, mert a 2. főtétel szerint olyan rendszerben, amely se nem vesz fel se nem ad le hőt, az entrópia pozitiv előjelű. Nullával egyenlő entrópia változás csak reverzibilis folyamatok esetében lehetséges. Reverzibilis folyamatok csak egyensúlyihoz igen közeli helyzetben lehetségesek (pl víz-jég reverzibilitás).
Az irreverzibilitás a Föld esetében azt jelenti, hogy a Föld egyirányú fejlődési, történési folyamat részese. Így a földtan gyakorlatilag történeti tudomány, és a földtörténet speciális, unikális történéseivel foglalkozik.
A földtani idő
A jelenlegi előadás a földtan fizikai alapjaival foglalkozik, s csak
érintőlegesen foglalkozik a történeti földtan néven ismert szakággal, mely
nagy földtani egységek fejlődéstörténetét vizsgálja. Természetesen a szétválasztás
önkényes, hiszen az "általános" értelemben vett földtani folyamatok
is időben zajlanak le, s róluk ismereteinket a történeti vizsgálatokból szereztük.
Ilyen például a kontinens vándorlás, amelyre a kontinensek korábbi időszakbeli
összetartozásából, s a földtörténeti időben való mozgásukból következtetünk.
A földtani időmérés alapjai
A földtani képződményekben az idő múlása akkor érzékelhető a legjobban, ha valamiféle anyagi bizonyitéka van a megtörtént folyamatoknak, például rétegzett üledékes kőzetek léte. Ismernünk kell a folyamatok menetét és irányát, hogy tudjuk melyik része történt előbb, és melyik később. Az idő hatását el kell különitenünk más hatásoktól, pl. a térbeli helyzettől. Ezért pl egy-egy helyen felállitható relatív idősorrend nagyobb biztonságú, mint több helyről gyüjtött adatok alapján felállitott relatív idősorrend.
A helyi megfigyelések mindegyikében kell legyen valami közös bélyeg az összehasonlítás érdekében, un. litológiai vagy sztratigráfiai vezérszint, egy bizonyos ősmaradvány együttes, vulkáni hamuszórás szintje, stb. Itt megint szembetalálkozunk az idő-tér problémájával: azonos dolgok egyidőben történtek-e a különböző helyeken?
Abszolut időérték megadásához ismernünk kell valamilyen foyamatsebességet, amely a földtani képződményekben otthagyta a nyomát - ilyen lehet pl. üledékvastagság, fa évgyűrűk, paleomágnesség pólus váltása, radioaktiv bomlás
Sztratigráfiai idő
A földkéreg felszíni része jelentős részben üledékekből és üledékes kőezetekből áll. A benne lévő ősmaradványok sokszor ezek tengeri eredetét bizonyitották. A gravitáció jellegéből fakad, hogy az üledékes sorozatok függőleges irányú polaritást mutatnak. Nicolas Steno (1669) vezette be az arculat (fácies) fogalmat. Ő mutatott rá arra, hogy vízi keletkezésű üledékek helyzete a keletkezés időpontjában a vízszinteshez közeli volt, s a rétegsorokban felfelé haladva a képződmények fiatalodnak. Ma is ez a sztratigráfia, és általánosságban a földtani időmérés alapelve.
A földtani folyamatok természete
Egy egy réteg litológiáját számos jelleg együttese határozza meg. Ezek, s a
kőzet faunaelemei is statisztikailag értékelhetők. Egy egy litológiai jelleg
mögött számos földtani következtetés húzódik meg - például homokkő-konglomerátum
jelenlétekor a lepusztulás területére, a szállitás módjára, az osztályozásra
is következtetünk. A geokronológiában néhány jelleg alapvető:
- vertikális litológiai változások a képződés helyén változó képződési körülményekre
utalnak.
Például, ha felfelé haladva konglomerátum, homokkő, aleurit,
agyag rétegsort találunk, a vízmélység növekedésére, a szállítási energia csökkenésére
következtethetünk.
- más esetekben a litológia az üledékképződés forrásánál történt változásra
utal.
A homokkő - agyag átmenet jelezhet - az előzőeken túl - kiemelkedési
sebességben bekövetkezett változást, illetve klimatikus változást. Vulkáni törmelék
megjelenése akár távoli vulkanizmus folyamatát jelzi.
- a sztratigráfiai sorban jelentkező szakadás az időbeli kronológiában is szakadást
jelez. Ilyent okozhat kiemelkedés, gyűrödés, erózió, stb.
- a faunatársulás radikális megváltozása az ökológiai viszonyok radikális megváltozásának
következménye, ami viszont a fizikai viszonyok változásából fakad. Az iharkúti
tengeri triász feletti kréta bauxit és agyag szárazulati faunája a kiemelkedést,
lepusztulást jelzi.
- új faunaelem fokozatos megjelenése új migrációs útvonal megnyílására enged
következtetni. Ilyen például a harmadkorban gyakori dél-amerikai óriás
lajhárok megjelenése az észak-amerikai kontinensen a panamai földhíd létrjöttével
a pliocén időszakban.
- faunaelemek fokozatos változása ugyanazon ökológiai tipusban a feltehetően
biológiai evolúció eredménye.
Formációk
A kronológiai sorrend kiépitése és összehasonlithatósága érdekében a gyakorlati
geológia a sztratigráfiai alapon összetartozónak vélt, és térképezhető, azaz
litológiai, paleontológiai megkülönböztető jellegekkel biró rétegcsoportokat
formáció néven különítette el. Több formáció nagyobb egységet, formáció csoportot
alkot. A formáción belül kisebb, helyi jelentőségű egységek a tagozatok.
Biosztratigráfiai és litosztratigráfiai egységekből épül fel a formáció, s a kétféle alapon történő korbecslés eredménye nem mindig egyező. Különböző lehet a különféle faunaelemek alapján végzett kormeghatározások eredménye is. A különféle területekre önálló, regionális érvényű időskálák épültek ki, amelyek több-kevesebb átfedést, és illesztési hibát mutatnak, amennyiben más régiók időskálájával hasonlítjuk őket össze.
A földtani időskála
Az alábbi ábrán az egyesített és abszolút koradatokkal kiegészített sztratigráfiai időskála vázát mutatjuk be. Amint látható, az időskála jelentős része - Prekambrium - csak nagy vonalakban ismert és tagolt. A földi kőzetegyütteseknek csak azon részéről áll rendelkezésre finomított beosztás, ahol a fauna-flóraegyüttesek jelentős gyakoriságban megjelentek, azaz a Paleozoikum kezdetétől. Az innentől a jelenkorig terjedő idő a 4,6 milliárd éves Föld történetének utolsó 15 %-át, 570 millió éves szakaszát fedi le. Minél jobban közelitünk a jelenkorhoz, a korskála annál tagoltabb és finomabb felbontású, s annál pontosabban ismerjük a bio- litosztratigráfiai egységek kapcsolódásait.
Az időszakok határát nagy földtani események jelölik ki - ma egyre több bizonyitékkal rendelkezünk arra vonatkozóan, hogy a korhatárt jelző nagy események kozmikus katasztrófákhoz kapcsolhatók Az üledékekben gyakran előfordulnak kozmikus eredetünek tulajdonított törmelékek, tektitek. Hasonló de kevésbé jelentős, és nem Föld-méretű földtani történések határolják le az egyes korszakokon belüli földtani korokat is.A sztratigráfiai kronológia számos egyéb részletével a Földtörténet tárgy keretében fogtok találkozni.
Figyeld meg az alábbi táblázatot és a hozzá tartozó időskálát. A földtani – sztratigráfiai korokat itt angol néven olvashatod. A táblázatok bal oszlopában a nagy időegységeket látod:
Prekambrium – A Föld történetének 85 %-át felölelő idő, 4,6-0,6 milliárd év intervallum között. Korábban arról kapta nevét, hogy a palozoikum legidősebb időszakának képződményeinek e kőzetek alkották a fekvőjét. A korábbi vizsgálati módszerekkel az ebbe az időszakba tartozó képződményekben ősmaradványt nem találtak, s azt tételezték fel, hogy a prekambrium-paleozoikum határa ki. jelenti a földi élet megjelenésének időhatárát. Ma már számos ősmaradvány ismert a prekambrium különböző képződményeiből.
A földtani korok határát egyúttal jelentős hegységképződési időszakok intenzitás szerinti csúcspontjai is jelzik (maga a hegységképződés időben hosszan elnyúló folyamat).
A legidősebb földi kőzetek kora mintegy 3.6 milliárd év. A Föld 4,6 és 3,6 miliárd év közötti időszakában szilárd kéreg valószinűleg még nem alakult, így kőzeteket sem találunk ebből az időszakból. A 3,6 – 2,5 milliárd év közötti időszakot archaikumnak, a 2,5-0,6 milliárd év közötti intervallumot proterozoikumnak nevezzük.
Paleozoikum – Ősállati idő – 570 és 245 millió év közötti idő. A következő időszakokra tagoljuk:
Kambrium
Tengeri többsejtű szervezetek megjelenése
Ordovicium
Szilur
Kaledoniai hegységképződés
Devon
Gerincesek megjelenése
Karbon
Szárazföldi növényzet megjelenése
Perm
Hercyni hegységképződés
A paleozoikum és mezozoikum közötti határon a földi fajok 90 %-a kipusztul. A két idő közötti határt a szárazulati és óceáni területeken egyaránt az üledékképződés jellegének drasztikus megváltozása is jelzi. A változást kiváltó katasztrofikus esemény nem ismert.
Mezozoikum – Középállati idő – 245 – 66 millió év
Triász
Szárazföldi gerincesek megjelenése – Thethys kinyílása
Jura
A mai Atlanti Óceán kinyílásának kezdete
Kréta
Thethys Óceán bezárulása, Alpi hegységképződés kezdete
A mezozoikum - kainozoikum határán, 66 millió évvel ezelőtt szintén az egész Földre kiható fauna változások, éghajlat változások és jelentős szeizmikus események következtek be. Ennek eredetét a mai Mexikó Yucatán félszigetével szomszédos Karib tenger akkori területére becsapodó több tiz kilométer átmérőjű meteoritnak tulajdonítják. A korszak határhoz kapcsolódik az addig domináns szárazföldi hűllők kihalása, s az emlősök térhódítása.
Kainozoikum – újállati idő - 66 millió év – jelenlegi
korunkig
A kréta határtól szárazföldi faunában az emlősök megjelenése és fokozódó
dominanciája a jellemző. Két nagy időszakra, a két időszakot
több korszakra osztjuk:
Harmadkor
Paleocén
Eocén
Oligocén
Miocén
Pliocén
Negyedkor
Pleisztocén
Holocén
A Föld egyes szárazulati területeinek korviszonyai változóak. A kontinensek legidősebb részei az un. pajzsterületek -kratonok, amelyek prekambriumi képződményekből állnak. Ennek szegélyén alakultak ki a kaledoniai illetve hercyni hegységképződési övek, amelyek a paleozoikum során kratonizálódtak. Az igy megnövekedett kratoni területekhez "tapadnak" az alpi hegységképződés során deformálódott képződmények. Ezek a Föld ma ismert legnagyobb gyűrt hegységrendszereit alkotják. Végül, az alpi fiatal kéregövekhez illleszkedve találjuk a harmad- és negyedkorban létrejövő fiatal kéregrészeket.
Magyarország mai felszínének 90 százalékát fiatal harmad- és negyedkori képződmények alkotják, ezért az ebben a korokban való jó tájékozódásnak nálunk nagy jelentősége van.
Radiometrikus kronológia
A radioaktivitás és az atomi bomlás közötti kapcsolat felismerésével Rutherford (1905) volt az, aki először megteremtette a földtani kronométerek létrehozásának lehetőségét. Már 1910 előtt meghatározták a durva földtani időskálához tartozó abszolút korhatárokat Pb/U arányok alapján. Ehhez kapcsolódva sikerült rámutatni a jelentéktelennek tűnő üledékházag időszakok valóságos időtartamára. A ma is használt módszerek alapjai az izotóp geokémia fejlődésével párhuzamosan az 1920-1950 közötti időszakban fejlődtek ki. Mára a radioaktiv kronológia általánosan elfogadottá vált.
A módszer elvi alapjai
Az instabil atommagok protonjai és neutronjai különböző spontán változásokon
mennek keresztül. Az instabil izotóp gyakorisága csökken, s a létrejövő leány-izotópok
gyakorisága ezzel párhuzamosan nő. A bomlás melléktermékeként a részecskék
(hélium magok), béta részecskék (elektonok) és gamma sugárzás formájában energia
szabadul fel. A bomlás sebessége függ az adott pillanatban jelenlévő atomok
számától. Azt mondhatjuk, hogy a l
bomlási állandó minden atommagra egyedileg jellemzö. Az
idöegység alatt elbomló atomok számát megadja az alábbi összefüggés:
Kérdések:
1. Az Univerzum ismert élettartamának melyik szakaszában jött létre?
2. Mi a különbség a sziderikus és a szinodikus nap hossza között, s ez mit takar?
3. Mi a paleozoikum és triász határának kora?
4. Mikor jelennek meg az első emlősök?
5. Mennyi időre volt szükség a Föld szilárd kérgének kialakulásához?
6. Mik a kratonok?
7. Melyek az idősebbek – a harmadkori vagy a negyedkori képződmények?
8. Ha permi korú tengeri üledékekre közvetlenül eocén korú tengeri üledékek
települnek, mit tételezhetünk fel a terület fejlődéséről a mezozoikum
során?
9. Mi okozhatta a dinoszauruszok kihalását a kréta időszak végén?
10. Milyen izotóp órákkal mérhetünk radioaktiv korokat?
Irodalom, ha többet akarsz tudni:
Feynman R.P., Leighton R.B., Sands, M. (1970): Mai fizika. 1-9 v. Műszaki Könyvkiadó, Budapest
Steiner F (1969): A Föld fizikája. Tankönyvkiadó, Budapest. 247 p.
Verhoogen, J., Turner, F.J., Weiss L.E., Wahrhaftig C., Fyfe W.S.(1970): The Earth. An Introduction to Physical Geology. Holt, Rinehart and Winston, Inc. New York. 748 p.