地球年龄是45.5亿岁,这是谁测出来的?测量方法是什么?

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想要知道地球的年龄,最简单直接的方法就是,乘坐时间机器回到地球诞生时的那一刻就可以了,遗憾的是,就目前来看,我们还没有能力制造出能够回到过去的时间机器,因此这种方法暂时还不可行。

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不过对于这个问题,科学界早已给出了明确的答案,即地球年龄是45.5亿岁,相信大家一定会比较好奇,既然没有时间机器,那科学家怎么会知道地球年龄是45.5亿岁呢?下面我们就来一起了解一下到底这是谁测出来的,以及测量方法是什么。

在几百年前,人们对地球年龄的讨论众说纷纭,莫衷一是,从几千年到几十万年的说法都有。直到进入了19世纪后,随着地质学和生物学的兴起,科学家们才逐渐意识到,地球的历史可能长得难以想象,因为不管是从地质活动还是生物演化的角度来看,地球以及地球上的生命能够演化成现在这个样子,都需要很长很长的时间。

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因为缺乏科学的测量方法,所以在接下来的很长一段时间里,人们对地球年龄的认知就停滞在这一层面,甚至还有人认为地球的历史是无穷的。

值得一提的是,在这段时间里,开尔文勋爵(就是被誉为“热力学之父”的那个人)曾经根据地温梯度(地球越深的地方,温度就越高)推导出一个地球散热模型,并据此计算出地球年龄在9800万年至4亿年之间,但这个计算结果在当时并没有得到地质学家和生物学家的认同,他们认为这个时间还是太短了。

在“曼哈顿计划”之后,科学家们对铀这种元素有了很深的认识,他们发现铀235和铀238都会按照固定的概率发生一系列的衰变,并最终生成铅,因此只需要测出样本的铅和铀的含量,再想办法获取样本形成时的初始值,就可以准确地计算出样本的年龄了。

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这种方法被称为“铀铅测年法”,我们可以看到,如果要利用这种测量方法来计算地球年龄,就面临着两个问题,首先就是怎么去找到地球形成时样本,这是因为地球在形成之初是一颗具有高温的熔融星球,经过长时间的物质循环之后,地球最初的元素痕迹早已无迹可寻;第二个难题则是,在获取了样本之后,又应该怎么样去确定样本在形成时的初始数据。

对此,美国地质学家、地球化学家克莱尔.卡梅伦.帕特森(Clair Cameron Patterson)认为,地球和太阳系内的小行星都是同时形成(关于这一点,可参考“星云假说”),而因为小行星体积很小,在形成之后的热能会迅速散发,其内部的物质不能循环,所以在亿万年之后,它们还是保持最初的样子,而地球上的陨石就是小行星被地球捕获后留下的残骸,因此它们就是最好的样本。

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那么第二个难题又怎么解决呢?其实还是有办法的,因为绝大部分的陨石在形成的时候都普遍含有铅元素,而不同类型的陨石,其铀元素含量却存在着很大的差距,正如前面我们所提到的,铀元素会以固定的概率衰变成铅,也就是说,一个样本中的铀元素含量越低,其铀元素的衰变对该样本的铅含量影响就越小,因此如果能找到铀元素含量极低的陨石,就可以将其视作初始样本。

大约5万年前,一颗直径约40米、重约30万吨的小行星撞击了地球,并在美国亚利桑那州代亚布罗峡谷附近留下了一个直径约1240米、平均深度约174米的陨石坑。该陨石坑于1891年被发现,后来被命名为“巴林杰陨石坑”,而帕特森理想中的样本,就来源于这里。

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根据测量,帕特森发现样本中的铀238与铅204(注:铅204是铅的一种非常稳定的同位素)的比值仅为0.025,这就意味着,该样本中铀元素的衰变对初始铅含量的影响微乎其微,完全可以将其数据当作所有陨石在形成时的初始值。

1953年,帕特森将该样本的铅同位素比值作为初始值,再把地球现在的平均铅同位素比值作为最终值,通过计算后,得出了地球年龄在41亿至46亿年之间。

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很显然,如果一颗陨石中的铀元素含量越高,那么在这颗陨石中就会含有更多的由铀元素衰变而来的铅元素,因此只需要找来不同类型的陨石样本,再将其测量结果进行对比和分析,就可以准确地计算出地球年龄了。事实上,帕特森就是这样做的,在对多种类型的陨石样本进行研究后,在1956年,他公布了自己的研究成果,即地球年龄是45.5±0.7亿岁。

虽然没有时间机器,但是帕特森还是通过科学的方法准确地测出了地球的年龄,在接下来的日子里,他的测量结果经受住了时间的考验,科学家们通过不同的测量方法,得到的结果都与之相差无几。需要指出的是,这个过程看上去似乎并不复杂,实际上却充满艰辛,比如说为了解决“如何精确地测量出样本中铅和铀的含量”这个难题,帕特森就花了整整5年的时间。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见`

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