Az idõ relativitása

A modern idõ felfogás alapján,  Einstein azaz a múlt század 20-as évei óta az idõ és tér elválaszthatatlan, téridõ rendszert alkot, azaz a "hol ?" kérdés értelmetlen a "mikor" kérdés nélkül.

Az állítást illusztrálja az alábbi ábra. Feltételezzük, hogy a megfigyelõ csillagász egy galaxist lát, amely 1 milliárd fényév távolságban van. Észlelését valamilyen jelhez, például a fény beérkezéséhez kell kapcsolnia. Viszont a beérkezõ 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 idõpontban mérhetõ távolság, hanem a Föld jelenlegi poziciója és a Galaxis valamikori poziciója közötti távolság, tehát a távolság és az idõ valamilyen kombinációja.

Az idõ mérésének feltétele valamilyen (periodikus) változás felismerése. Megismerése, felismerése valószinûleg a napszakok periódicitásának felismerésével kezdõdött. Periódusos változást periódusos változással összehasonlítva lehet mérni. Ilyen periódusos változást produkáló eszközök a mindennapi életben a különféle órák. A legõsibb megoldások a nap és az árnyék mozgását használták. A fejlettebbek az ingamozgást, illetve acélrugók keltette rugóerõ okozta periodikus kitéréseket használják az idõ mérésére. A ma elterjedt szerkezetek a kvarc piezoelektromos tulajdonsága alapján mérik az idõt, a kvarc kristályban állandó elektromos feszültség által keltett állandó frekvenciájú rezgés mérésével.

Az idõ legpontosabb definicióját ma a radioaktív bomlás sebességéhez való hasonlítás adja, a Cs¹³³ izotópjának bomlási sebessége jelenti az idõ legpontosabb mérési eszközét.

A relativitás elmélet azon alapul, hogy a fény sebessége független a fényforrás és a megfigyelõ egymáshoz viszonyított helyzetétõl. Ebbõl 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 lévõ óra által mért idõintervallum hosszabb, mint a "nyugalomban" lévõ objektumon lévõ órán mért idõ. Mozgó órák  - még a radioaktív órák is  - lassabban mozognak, mint az "állók".

Szerencsére a földtani folyamatok sebessége annyira elenyészõ a fénysebességhez képest, hogy a fentiek miatt korrekciót nem kell tennünk. Az is bizonyított, hogy a földtani idõ határain belül a radioaktív bomlás sebessége sem változott jelentõsen. Így feltéelezhetjük azt, hogy a földtörténeti múltban az idõ mérése szempontjából a maival azonos fizikai törvények uralkodtak. Ennek a feltételezésnek néhány fejlõdési modell ellentmond, pl. a gravitációs állandó idõbeli változását tételezik fel. Ez a változás a Föld élettartama alatt nem lehet több, mint néhány százalék.

A földtan idõtávlatai a mindennapi élet idõhatárait messze meghaladják. Az Univerzum jelenlegi ismereteink szerint 16 milliárd éve keletkezett (Ezt az értéket  a mai rádiócsillagászat észlelési határai mellett még megfigyelhetõ legnagyobb távolságban elhelyezkedõ objektumok alapján tételezünk fel, az innen ma beérkezõ fény az univerzum kezdeti állapotában indult el útjára). A Föld becsült kora 4,6 milliárd év.Mivel a földtan a földkéreg változásait vizsgálja, az idõ, mint a változás sebességének mértéke, a legfontosabb földtani mérõszám.

Az idõ fizikai egysége

A nap hosszát a megfigyelõ obszervatórium meridiánján a Nap két áthaladása között eltelt idõként mérhetjük - ez 86 400 sec. A valóságban az ugyanazon pozicióba kerülés idõtartama (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 jelentkezõ konvekciós mozgás intenzitásában bekövetkezõ változások miatt.

Az idõ irreverzibilitása

Az idõ csak egy irányban, az entrópia növekedése irányába halad, irreverzibilis változásként. Egy izolált rendszer spontán halad az egyensúly, azaz a változatlanság felé. A termodinamika elsõ és második fõtétele szerint ebben az állapotban lenne  maximális a rendszer entrópiája, a rendszer állapot jellemzõit, azaz a térfogatát és belsõ energiáját tekintve. Az elsõ fõtétel szerint
                                                    dU = T dS - PdV

ahol U = belsõ energia, T = hõmérséklet, S = entrópia, P = nyomás, V = térfogat).

Ha tehát U és V állandó, akkor dU és dV = 0, ezért dS = 0, tehát az entrópia szélsõ értéke érvényesül. Az entrópia csak maximum lehet, mert a 2. fõtétel szerint olyan rendszerben, amely se nem vesz fel se nem ad le hõt, az entrópia pozitiv elõjelû. Nullával egyenlõ 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 fejlõdési, történési folyamat részese. Így a földtan gyakorlatilag történeti tudomány, és a földtörténet speciális, unikális történéseivel foglalkozik.

A földtani idõ
A jelenlegi elõadás  a földtan fizikai alapjaival foglalkozik, s csak érintõlegesen foglalkozik a történeti földtan néven ismert szakággal, mely nagy földtani egységek fejlõdéstörténetét vizsgálja. Természetesen a szétválasztás önkényes, hiszen az "általános" értelemben vett földtani folyamatok is idõben zajlanak le, s róluk ismereteinket a történeti vizsgálatokból szereztük. Ilyen például a kontinens vándorlás, amelyre a kontinensek korábbi idõszakbeli összetartozásából, s a földtörténeti idõben való mozgásukból következtetünk.

A földtani idõmérés alapjai

A földtani képzõdményekben az idõ múlása akkor érzékelhetõ a legjobban, ha valamiféle anyagi bizonyitéka van a megtörtént folyamatoknak, például rétegzett üledékes kõzetek léte. Ismernünk kell a folyamatok menetét és irányát, hogy tudjuk melyik része történt elõbb, és melyik késõbb. Az idõ hatását el kell különitenünk más hatásoktól, pl. a térbeli helyzettõl. Ezért pl egy-egy helyen felállitható relatív idõsorrend nagyobb biztonságú, mint több helyrõl gyüjtött adatok alapján felállitott relatív idõsorrend.

A helyi megfigyelések mindegyikében kell legyen valami közös bélyeg az összehasonlítás érdekében, un. litológiai vagy sztratigráfiai vezérszint, egy bizonyos õsmaradvány együttes, vulkáni hamuszórás szintje, stb. Itt megint szembetalálkozunk az idõ-tér problémájával: azonos dolgok egyidõben történtek-e a különbözõ helyeken?

Abszolut idõérték megadásához ismernünk kell valamilyen foyamatsebességet, amely a földtani képzõdményekben otthagyta a nyomát - ilyen lehet pl. üledékvastagság, fa évgyûrûk, paleomágnesség pólus váltása, radioaktiv bomlás

Sztratigráfiai idõ

A földkéreg felszíni része jelentõs részben üledékekbõl és üledékes kõezetekbõl áll. A benne lévõ õsmaradványok sokszor ezek tengeri eredetét bizonyitották. A gravitáció jellegébõl fakad, hogy az üledékes sorozatok függõleges irányú polaritást mutatnak. Nicolas Steno (1669) vezette be az arculat (fácies) fogalmat. Õ mutatott rá arra, hogy vízi keletkezésû üledékek helyzete a keletkezés idõpontjában a vízszinteshez közeli volt, s a rétegsorokban  felfelé haladva a képzõdmények fiatalodnak.  Ma is ez a sztratigráfia, és általánosságban a földtani idõmérés alapelve.

A földtani folyamatok természete
Egy egy réteg litológiáját számos jelleg együttese határozza meg. Ezek, s a kõzet faunaelemei is statisztikailag értékelhetõk. Egy egy litológiai jelleg mögött számos földtani következtetés húzódik meg - például homokkõ-konglomerátum jelenlétekor a lepusztulás területére, a szállitás módjára, az osztályozásra is következtetünk. A geokronológiában néhány jelleg alapvetõ:
- vertikális litológiai változások a képzõdés helyén változó képzõdési körülményekre utalnak.
    Például, ha felfelé haladva konglomerátum, homokkõ, aleurit, agyag rétegsort találunk, a vízmélység növekedésére, a szállítási energia csökkenésére következtethetünk.
- más esetekben a litológia az üledékképzõdés forrásánál történt változásra utal.
    A homokkõ - agyag átmenet jelezhet - az elõzõeken túl - kiemelkedési sebességben bekövetkezett változást, illetve klimatikus változást. Vulkáni törmelék megjelenése akár távoli vulkanizmus folyamatát jelzi.
- a sztratigráfiai sorban jelentkezõ szakadás az idõbeli kronológiában is szakadást jelez. Ilyent okozhat kiemelkedés, gyûrödés, 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 idõszakban.
- faunaelemek fokozatos változása ugyanazon ökológiai tipusban a feltehetõen biológiai evolúció eredménye.

Formációk
A kronológiai sorrend kiépitése és összehasonlithatósága érdekében a gyakorlati geológia a sztratigráfiai alapon összetartozónak vélt, és térképezhetõ, azaz litológiai, paleontológiai megkülönböztetõ jellegekkel biró rétegcsoportokat formáció néven különítette el. Több formáció nagyobb egységet, formáció csoportot alkot. A formáción belül kisebb, helyi jelentõségû egységek a tagozatok.

Biosztratigráfiai és litosztratigráfiai egységekbõl épül fel a formáció, s a kétféle alapon történõ korbecslés eredménye nem mindig egyezõ. Különbözõ lehet a különféle faunaelemek alapján végzett kormeghatározások eredménye is. A különféle területekre önálló, regionális érvényû idõskálák épültek ki, amelyek több-kevesebb átfedést, és illesztési hibát mutatnak, amennyiben más régiók idõskálájával hasonlítjuk õket össze.

A földtani idõskála

Az alábbi ábrán az egyesített és abszolút koradatokkal kiegészített sztratigráfiai idõskála vázát mutatjuk be. Amint látható, az idõskála jelentõs része - Prekambrium - csak nagy vonalakban ismert és tagolt. A földi kõzetegyütteseknek csak azon részérõl áll rendelkezésre finomított beosztás, ahol a fauna-flóraegyüttesek jelentõs gyakoriságban  megjelentek, azaz a Paleozoikum kezdetétõl. Az innentõl a jelenkorig terjedõ idõ 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 idõszakok határát nagy földtani események jelölik ki - ma egyre több bizonyitékkal rendelkezünk arra vonatkozóan, hogy a korhatárt jelzõ nagy események kozmikus katasztrófákhoz kapcsolhatók Az üledékekben gyakran elõfordulnak kozmikus eredetünek tulajdonított törmelékek, tektitek. Hasonló de kevésbé jelentõs, és nem Föld-méretû 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 idõskálát. A földtani – sztratigráfiai korokat itt angol néven olvashatod. A táblázatok bal oszlopában a nagy idõegységeket látod:

Prekambrium – A Föld történetének 85 %-át felölelõ idõ, 4,6-0,6 milliárd év intervallum között. Korábban arról kapta nevét, hogy a palozoikum legidõsebb idõszakának képzõdményeinek e kõzetek alkották a fekvõjét. A korábbi vizsgálati módszerekkel az ebbe az idõszakba tartozó képzõdményekben  õsmaradványt nem találtak, s azt tételezték fel, hogy a prekambrium-paleozoikum határa ki. jelenti a földi élet megjelenésének idõhatárát. Ma már számos õsmaradvány ismert a prekambrium különbözõ képzõdményeibõl.

A földtani korok határát egyúttal jelentõs hegységképzõdési idõszakok intenzitás szerinti csúcspontjai is jelzik (maga a hegységképzõdés idõben hosszan elnyúló folyamat).

A legidõsebb földi kõzetek kora mintegy 3.6 milliárd év. A Föld 4,6 és 3,6 miliárd év közötti idõszakában szilárd kéreg valószinûleg még nem alakult, így kõzeteket sem találunk ebbõl az idõszakból. A 3,6 – 2,5 milliárd év közötti idõszakot archaikumnak, a 2,5-0,6 milliárd év közötti intervallumot proterozoikumnak nevezzük.

Paleozoikum – Ősállati idõ – 570 és 245 millió év közötti idõ. A következõ idõszakokra tagoljuk:

Kambrium                                            Tengeri többsejtû szervezetek megjelenése
Ordovicium                                         
Szilur                                                    Kaledoniai hegységképzõdés
Devon                                                  Gerincesek megjelenése
Karbon                                                            Szárazföldi növényzet megjelenése
Perm                                                    Hercyni hegységképzõdés

A paleozoikum és mezozoikum közötti határon a földi fajok 90 %-a kipusztul. A két idõ közötti határt a szárazulati és óceáni területeken egyaránt az üledékképzõdés jellegének drasztikus megváltozása is jelzi. A változást kiváltó katasztrofikus esemény nem ismert.

Mezozoikum – Középállati idõ – 245 – 66 millió év

Triász                                       Szárazföldi gerincesek megjelenése – Thethys kinyílása  
Jura                                          A mai Atlanti Óceán kinyílásának kezdete
Kréta                                       Thethys Óceán bezárulása, Alpi hegységképzõdés kezdete

A mezozoikum - kainozoikum határán, 66 millió évvel ezelõtt szintén az egész Földre kiható fauna változások, éghajlat változások és jelentõs szeizmikus események következtek be. Ennek eredetét a mai Mexikó Yucatán félszigetével szomszédos Karib tenger  akkori területére becsapodó több tiz kilométer átmérõjû meteoritnak tulajdonítják. A korszak határhoz kapcsolódik az addig domináns szárazföldi hûllõk kihalása, s az emlõsök térhódítása.

Kainozoikum – újállati idõ - 66 millió év – jelenlegi korunkig
A kréta határtól szárazföldi faunában az emlõsök megjelenése és fokozódó dominanciája a jellemzõ. Két nagy idõszakra, a két idõszakot több korszakra osztjuk:

            Harmadkor
                        Paleocén         
                        Eocén              
                        Oligocén                      
                        Miocén            
                        Pliocén            

            Negyedkor
                        Pleisztocén
                        Holocén

A Föld egyes szárazulati területeinek korviszonyai változóak. A kontinensek legidõsebb részei az un. pajzsterületek -kratonok, amelyek prekambriumi képzõdményekbõl állnak. Ennek szegélyén alakultak ki a kaledoniai illetve hercyni hegységképzõdési övek, amelyek a paleozoikum során kratonizálódtak. Az igy megnövekedett kratoni területekhez "tapadnak" az alpi hegységképzõdés során deformálódott képzõdmények. Ezek a Föld ma ismert legnagyobb gyûrt hegységrendszereit alkotják. Végül, az alpi fiatal kéregövekhez illleszkedve  találjuk a harmad- és negyedkorban létrejövõ fiatal kéregrészeket.  

Magyarország mai felszínének 90 százalékát fiatal harmad- és negyedkori képzõdmények alkotják, ezért az ebben a korokban való jó tájékozódásnak nálunk nagy jelentõsége van.

Radiometrikus kronológia

A radioaktivitás és az atomi bomlás közötti kapcsolat felismerésével Rutherford (1905) volt az, aki elõször megteremtette a földtani kronométerek létrehozásának lehetõségét. Már 1910 elõtt meghatározták a durva földtani idõskálához tartozó abszolút korhatárokat Pb/U arányok alapján. Ehhez kapcsolódva sikerült rámutatni a jelentéktelennek tûnõ üledékházag idõszakok valóságos idõtartamára. A ma is használt módszerek alapjai az izotóp geokémia fejlõdésével párhuzamosan az 1920-1950 közötti idõszakban fejlõdtek ki. Mára a radioaktiv kronológia általánosan elfogadottá vált.

A módszer elvi alapjai
Az instabil atommagok protonjai és neutronjai különbözõ spontán változásokon mennek keresztül. Az instabil izotóp gyakorisága csökken, s a létrejövõ leány-izotópok gyakorisága ezzel párhuzamosan nõ. A bomlás melléktermékeként a részecskék (hélium magok), béta részecskék (elektonok) és gamma sugárzás formájában energia szabadul fel. A bomlás sebessége függ az adott pillanatban jelenlévõ atomok számától. Azt mondhatjuk, hogy a l bomlási állandó minden atommagra egyedileg jellemzö. Az idöegység alatt elbomló atomok számát megadja az alábbi összefüggés: