地球的年齡是如何測定的?還能存在多久?

2021-01-15 星球上的科學

人類儘管已經在地球上居住了數百萬年,人們對於地球的起源也是近幾個世紀才有所了解,但這不代表人類沒有為此付出過努力,人們始終相信,宇宙中的萬物都是有始有終的,地球當然也不例外,那麼地球到底是什麼時候誕生的呢?

這個放到現在,大家應該都知道了答案,地球誕生至今已經有大約45.5億年了,這個數據又是怎麼得到?下面我們來介紹關於地球年齡的探索歷程。

物理學家開爾文的估測。

19世紀初的時候,英國流行著詹姆斯·哈頓所提出的均變論,之後這個理論在查爾斯·萊爾的《地質學原理》中提到,大致說是的是地球上的山川和河流都是經過長時間的積累才產生的。之後達爾文看了這本書之後受到了啟發,於是寫下了巨著《物種起源》。

結合這兩本書,當時社會就出現了這樣一種觀點:地球大陸的形成以及生物的進化,都是一種極其緩慢的過程,甚至當時的地質學家和生物學家等把這個緩慢的過程假設成了無窮長。畢竟人的壽命最多也就100多年,相比之下,人類根本無法想像,數億年這樣一個天文數學般的時間尺度下,究竟是一種什麼樣的概念。

這個時候,物理學家開爾文(就是用名字命名了絕對溫標,並且提出了熱力學定律的物理學家)覺得地球的年齡不可能是無窮長的,一定存在一個準確的年齡。

他認為,既然地球內部存在高溫,那麼就可以通過熱傳導的方程構建出地球的冷卻模型,就可以計算出地球從早起的高溫一直冷卻到現在,到底經過了多長時間。

但由於地球的初始溫度、導熱係數、以及地溫梯度,並不能準確的測量,所以只能採取粗略測量的平均值,最後的答案在9800萬年左右,但最少不會低於2000萬年,最長不會超過4億年。

雖然這個結果說服了一部分人,但依然有人對這個結果不滿意。放到現在來看,很明顯距離地球真實的年齡還相差甚遠,那麼問題到底出現在哪?

首先最致命的原因就是,大概是人們還不知道地球內部的放射性物質衰變,也會帶來大量的能量。因為放射熱產能直到20世紀初才被人發現。同時,開爾文對與地球的內部結構也不了解,這才導致了他的錯誤答案。

帕特森:鋯石的U-Pb同位素定年。

19世紀末期,貝克勒爾發現鈾礦的放射性,之後居裡夫夫又發現了放射性元素:鐳和釙。隨著科學家對放射性元素的深入了解。

這時人們才意識到,地球內部的放射性熱量對於測定地球的年齡,是一個不可忽略的重要因素。科學家通過對鈾的衰變進行了研究。然後發現:放射性元素的原子核結構非常穩定,它的半衰期完全不受外界溫度和壓力的影響。

於是,理論上來講,通過測定地球上最古老的巖石裡的鈾和鉛的含量以及同位素的比值,那麼就可以得到這塊巖石的年齡。當時科學家用的是鋯石。

但是測定的過程並不順利,由於鉛汙染的問題,帕特森在多次測量中都會存在鉛含量測不準。最後無奈之下,帕特森一手搭建了自己的實驗室,在實驗裡面,人從頭到腳都要全部包裹著,就連購買的化學試劑純度都不相信,堅持親自再次蒸餾提純。

至於實驗的結果,當然還是不夠準確,因為鋯石還不是地球上最古老的巖石,但至少得出:地球的年齡在40億年以上。

隕石的發現:更精確的測量。

後來,帕特森把目光轉移到了隕石,眾所周知,地球上的隕石來自於太陽系中的小行星,而小行星幾乎是和太陽系同一時間形成的,所以隕石包含著太陽系早期的信息。

最後,帕特森得到了一顆來自5萬年前墜落到地球上的隕石樣品,並把它帶到了實驗室,把隕石的鉛同位素比值和地球鉛同位素比值,通過計算得到了地球的年齡大概在41-46億年左右。

1956年。帕特森再次改進了測年法,使用鉛鉛測年法,測量樣品中的鉛207和鉛206的含量,然後把所有的樣品畫在一個鉛207vs.鉛206的圖中,,這時,同時形成的樣品回落到直線上,這條線就是等時線,再計算斜率就可以得到樣品的年齡了。

經過重重困難,帕特森終於得到了地球的準確年齡:45.5億年(上下誤差不超過0.7億年)。

直到現在,科學家對地球最精確的估計為45.4億年,可見帕特森的結論無疑是正確的。

地球已經誕生了46億年,那麼地球還有多少壽命?

在太陽系中,對地球影響最大的就是太陽的,現在我們已經知道太陽的壽命為100億年左右,而現在已經過去了46億年,所以如果不出意外,地球還能再堅持50多億年。

而我們常說的,小行星撞地球,核武器爆炸,等大災難,最嚴重也只是讓地球上的生物全部滅絕。而對於地球來講,這些影響甚至可以忽略不計。除非是月亮那麼大的小行星和地球相撞,或許會是地球毀滅,但這種情況可能發生的概率基本為零。

當太陽的質量減少到不足以對抗內部核聚變所產生的壓力時,太陽就會開始膨脹成為一顆紅巨星,到時候太陽會慢慢把太陽系內的行星依此吞噬掉,屆時,地球的溫度會迅速升高,地球的命運也就到此結束了。

那如果地球如果不受到到太陽的影響,豈不是可以一直存在?理論上來講,地球不受外界影響的話,再存在個100多億年也完全沒有問題。但並不代表地球沒有消失的一天。地球內部也是由元素組成的,我們從微觀上來看,原子有壽命嗎?

其實還真有,科學家估計,組成原子核的質子壽命在1.67*10^34年,比宇宙的年齡還長,那不還是說,地球和宇宙的壽命同在嗎?所以,地球的壽命是無窮的,當然,地球大概率還是會被太陽吞噬。但這並不影響地球的「長壽」!

最後我們來總結一下。

利用放射性衰變的現象,結合地球上最古老的巖石,就可以精確計算地球的年齡。到今天為止,科學家對地球的年齡,最終確定為45.5億年左右。地球會在50多億年後被膨脹後的太陽吞噬,但如果不受外界因素影響,地球幾乎和宇宙壽命一樣長。

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