地球年龄如何测出为45亿年?

长久以来,人们相信地球有一个起源时间。但直到19世纪,随着地质学的发展,人类才对地球的年龄有了科学的估计。

开尔文的估算

在1862年,著名物理学家开尔文估算出了地球的年龄。开尔文假设地球是从一种完全熔融的状态开始的,通过估算地表温度的冷却时间,就能知道地球形成于何时。根据开尔文的计算,地球应该形成于2000万至4亿年前。

不过,开尔文大幅低估了地球的年龄。因为他没有考虑到地球内部的另一大热量来源——放射性热量。根据目前的估计,在地球内部的热量来源中,放射性热量和原始热量各站一半。另外,地球内部还存在热对流的现象,这也能够让地球温度的下降速度远低于开尔文的预估。

直到19世纪末20世纪初,居里夫妇发现了钋和镭两种放射性元素之后,地质学家意识到此前人们都低估了地球的年龄。如果考虑到放射性热量和热对流,地球年龄的估计在四十多亿年,这已经接近于现代测量结果。

放射性定年法

科学家进一步发现,放射性元素的半衰期非常稳定,不受外界的温度和压力的影响,因为这是由原子核自身结构所决定的。于是,利用放射性元素可以精确的测量地质年龄,这种方法被称为放射性定年法。

理论上,只要知道地球上最古老物体的年龄,就能知道地球的形成时间。在地球上,有一种矿物可以被用来测定地球的年龄,那就是含有铀、铅的锆石。铀可以衰变为铅,通过测量锆石中的铀铅同位素比值,就能知道锆石的年龄,这种方法被称为铀铅测年法。迄今为止,科学家发现的最古老锆石可以追溯到44亿年前,这意味着地球的年龄至少有44亿年。

不过,锆石并非地球上最古老的物体。因为地球形成时是熔融状态,锆石是在地球冷却一段时间之后才形成的,所以地球的实际年龄肯定会超过44亿年。

隐藏着早期太阳系信息的陨石

由于地球持续经历地质变迁,所以很难基于地球上的物质来精确测定它的年龄。但整个太阳系(包括行星、小行星)都是从同一团星云中形成的,小行星在形成之后迅速冷却,它们保留了早期太阳系的信息。如果这些小行星坠落到地球上,我们就能通过它们知道地球的形成时间。

由于陨石中主要包含铅元素,通过铅铅测年法,可以准备计算出地球的年龄。在上个世纪50年代,地质学家测量了5万年前坠落地球的一颗陨石的铅同位素比值,由此首次得出的地球年龄为45.5亿年,这与目前基于多种方法测出的地球年龄相一致。现如今,科学家对地球年龄的最精确估计为45.4亿年,不确定度不超过1%。