地球年龄到底有多老?这一问题曾长期困扰着人类。
中国古人认为天地起源于盘古开天辟地时,而“天地开辟,至鲁哀公获麟之岁(公元前年),凡三百二十六万七千年”,不知道多年前的古人是如何得出这一数字的,但是能上升到百万年的级别着实让人有些惊讶。
太空地球卫星图文艺复兴后的欧洲人对地球年龄测定更是充满热忱。
17世纪,英国乌舍尔主教按《圣经》记载推算后认为地球是上帝于公元前年创建的,距今约年。
同时期,著名物理学家牛顿对地球年龄也进行了研究,当时已有研究认为地球初期是个炙热的大铁球,于是牛顿找人制作了一个直径约2.54厘米(1英寸)的小铁球,发现这个小铁球从红热状态冷却到室温要至少一个小时,他把这个数据换算成地球的大小后得出的结论是5万年。
地球形成初期想象图18世纪中叶英国著名科学家开尔文通过自己对温度的研究,认为可通过从地球内核传导到表层的方式来测定地球年龄,最终他得出的结论是约万年。后来一位美国科学家指出,地球内部压力非常大,散热效率会不同,他修正后的结果是万年。开尔文知道自己之前的计算误差非常大,所以对此也没有反对。
地球结构年,德国科学家赫尔姆霍茨根据对太阳能量的估算,认为地球年龄不会超过万年,同时期的英国物理学家汤姆生也认为地球从早期炽热状态要冷却到现在的状态需要万至万年。
来自爱尔兰的地理学家约翰·乔利提出通过测量海水含盐量的方法来测量地球年龄,他假定地球诞生时海水都是淡水,随后河流不断把盐分带进海里,日积月累海水变成了盐水。他估算了全球所有河流的输盐量,然后再与现在海洋中的总盐量进行了对比,最后得出地球年龄是约万年。
河流入海口19世纪后半叶,乔治·达尔文(著名生物学家查理·达尔文的儿子)试图通过地月自转速度变化来估算地球年龄,他假定月球是地球形成初期自转速度非常快的时候被甩出去的,此后两者的引力相互作用导致自转减速,最终达到了现在这个相对较慢的自转速度,根据这个理论他计算出来的地球年龄是万—万年。
上述早期探索得出的这些地球年龄数据五花八门,大小不一,它们要么缺少科学依据,要么虽然有一定的科学依据却经不起严谨的科学推敲。地球年龄到底有多古老?依然没有人可以给出一个科学的确切答案。
三氧化铀粉末时间来到19世纪末期的年,有一天法国物理学家贝克勒尔正在用铀矿粉做实验,他无意间将一部分铀粉末放在避光包装的胶片旁,结果他惊讶地发现这些胶片全被曝光了,他断定应该是铀粉末放射出一种穿透力很强的射线,这些射线使胶片感光。在接下来的研究中他证明了铀元素可以发生自然衰变。这一发现揭开了人类放射性元素研究的历史,为接下来地球年龄的科学测定打开了大门。
古人常用铀的化合物为瓷器着色,但铀元素一直到年才由克拉普罗特发现。
自然界中铀元素存在三种同位素:铀-(含量99.28%)、铀-(含量0.71%)、铀-(含量0.%),其中铀-是自然界中至今唯一能够发生可控裂变的同位素,主要用做核反应中的核燃料或用于制造核武器。
显微镜下的含铀矿物铀元素可以发生自然衰变,其过程分为两套独立体系,一套体系从铀-开始经过14次连续衰变成为能稳定存在的铅-,铀-就是铀-衰变过程中的一个过渡产物;另一套体系从铀-开始经过11次连续衰变成为能稳定存在的铅-。
铀-的半衰期为44.7亿年,1克铀-每隔44.7亿年就会有0.5克衰变成铅-,再过44.7亿年剩下的0.5克又会有一半衰变成铅-。铀-的半衰期为7.04亿年,原理类似。铀-是铀-衰变链条中的一环,它的半衰期为24.5万年。这种衰变过程是时刻持续进行的,衰变速率恒定。
铀-衰变示意图由于自然界岩石中的铅-及铅-只能由放射性成因产生,因此理论上只要选出一块含铀的岩石,测出其中对应的铀和铅的含量比例,就可以通过计算得出该岩石或矿物形成的年龄。
可能一些小伙伴会问这样测出的年龄精度有多高?事实上科学家们为了提高测年精度做了很多工作。
首先在测年对象上选择了锆石,这种矿物外形类似钻石,广泛存在于自然界各类岩石中,结构稳定,硬度大,封闭温度高达℃,不宜被后期破坏,铀等放射性元素含量高,非放射性成因的铅含量极低,是测年的理想选择。
锆石其次对铀-和铀-两套衰变体系均进行年龄测定,最后两套年龄组合形成一条谐和线以检测年龄的可靠性。目前铀-铅测年法是准确度最高的一种测年方式,可测定距今万到45亿年前的物体,固定精确度大约是测定范围的0.1%-1%。
铀-铅测年法提出后,一些科学家对部分岩石样品进行了测年尝试,测出了从几百万年至数亿年不等的年龄数据,证明这种方法是可行的。
锆石但在着手测定地球年龄时却出现了一个新问题,测定地球年龄需要极其古老的岩石,其古老程度要几乎与地球一样,可是由于后期地质活动的破坏,真正古老的岩石物质分布极少,很难找到,偌大的地球去哪儿寻找它们呢?这一问题再次给地球测年工作带来了困扰。
年,芝加哥大学的科学家哈里森·布朗发明了一种统计火成岩里铅同位素的新方法,然后把它交给克莱尔·彼得森作为毕业论文项目,并告诉他用这种新方法去测量地球年龄将会很容易。接下来的日子里这位年轻人每天都在实验室埋头苦干,仔细选择那些被认为是古老岩石的样品年龄,但依然受困于岩石样品问题。
宇宙碎块坠入地球想象图直到有一天他突然灵光一闪,直接绕开了地球岩石,把注意力放到了外来的陨石上面了。许多陨石都是太阳系形成初期保留下来的,因此多少都保留着原始的内部化学结构,只要测定了这些陨石的年代,也就基本测定了地球的年龄。后来证明他的这一设想是正确的。
早期的实验过程中,他发现测量岩石中的铅元素含量时总是受到空气里铅的污染,于是他又建立了世界上第一个无菌实验室,并对布朗提供的测量方法进行了部分改进。万事俱备,接下来便开始搜集可用于测试的陨石样品,但这同样是一件艰难的工作。
陨石年的春天,克莱尔·彼得森终于搜集到了可用于最后测试的陨石样品,并将其送到伊利诺伊州的阿冈尼国家实验室,用新型的仪器对样品进行了测试。他的辛勤付出得到了回报,不久之后在威斯康星州的一次会议上,彼得森正式宣布地球的确切年龄为45.5±0.7亿年,这一数值沿用至今。此时距离他接手这项工作已经过去了整整7年。
有意思的是在实验过程中他还发现了空气中严重的铅污染问题并对其进行研究,这一发现最后直接促使各国政府建立了对汽车工业污染控制的标准,这已是后话。
月球目前最新的科学研究表明,太阳系中的行星体大体上是在同一时间形成的,陨石多是小行星破裂的碎块,地球化学的研究进一步证明所有陨石与地球是大体同一时间形成的。不同方法对各类陨石的测定显示,其年龄值主要落在45.4亿-45.7亿年之间。月球表面上最古老的岩石年龄测定为45.2亿-46.0亿年,粉尘的年龄也达46亿年,因此45.5亿年成为了科学界公认的地球年龄。
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