7.3: تأريخ أسطح الكواكب

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197322

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف يمكن لعلماء الفلك معرفة ما إذا كان سطح الكوكب صغيرًا أو قديمًا من الناحية الجيولوجية
وصف الطرق المختلفة لتأريخ الكواكب

كيف نعرف عمر الأسطح التي نراها على الكواكب والأقمار؟ إذا كان العالم يحتوي على سطح (على عكس كونه في الغالب غازًا وسائلًا)، فقد طور علماء الفلك بعض التقنيات لتقدير المدة التي قضاها هذا السطح في التصلب. لاحظ أن عمر هذه الأسطح ليس بالضرورة عمر الكوكب ككل. على الأجسام النشطة جيولوجيًا (بما في ذلك الأرض)، أدت التدفقات الهائلة من الصخور المنصهرة أو التأثيرات التآكلية للماء والجليد، والتي نسميها التجوية على الكوكب، إلى محو أدلة العصور السابقة ولم تقدم لنا سوى سطح صغير نسبيًا للبحث.

عد الفوهات

تتمثل إحدى طرق تقدير عمر السطح في حساب عدد فوهات الصدم. تعمل هذه التقنية لأن معدل حدوث التأثيرات في النظام الشمسي كان ثابتًا تقريبًا لعدة مليارات من السنين. وبالتالي، في حالة عدم وجود قوى للقضاء على الحفر، فإن عدد الحفر يتناسب ببساطة مع طول الفترة الزمنية التي تعرض فيها السطح. تم تطبيق هذه التقنية بنجاح على العديد من الكواكب والأقمار الصلبة (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

بديل — اكتشف\(\PageIndex{1}\) قمرنا المحفور. أُخذت هذه الصورة المركبة لسطح القمر من العديد من الصور الأصغر التي تم التقاطها بين نوفمبر 2009 وفبراير 2011 بواسطة مسبار الاستطلاع القمري (LRO) وتُظهر فوهات بأحجام مختلفة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل NASA/GSFC/جامعة ولاية أريزونا)

ضع في اعتبارك أن عدد الفوهات يمكن أن يخبرنا فقط بالوقت منذ أن شهد السطح تغييرًا كبيرًا يمكن أن يعدل أو يمحو الحفر الموجودة مسبقًا. إن تقدير الأعمار من عدد الفوهات يشبه إلى حد ما المشي على طول الرصيف في عاصفة ثلجية بعد سقوط الثلج بشكل مطرد لمدة يوم أو أكثر. قد تلاحظ أن الثلج عميق أمام أحد المنازل، بينما قد يكون الرصيف المجاور واضحًا تقريبًا. هل تستنتج أن الثلوج المتساقطة أمام منزل السيدة جونز أقل من تلك التي تساقطت أمام منزل السيد سميث؟ على الأرجح، تستنتج أن جونز قد اكتسح الطريق مؤخرًا ولم يفعل سميث ذلك. وبالمثل، تشير أعداد الحفر إلى المدة التي مرت منذ آخر مرة تم فيها «تنظيف» سطح الكوكب بسبب تدفقات الحمم البركانية المستمرة أو المواد المنصهرة التي تم إخراجها عندما حدث تأثير كبير في مكان قريب.

ومع ذلك، يمكن لعلماء الفلك استخدام أعداد الحفر في أجزاء مختلفة من نفس العالم لتقديم أدلة مهمة حول كيفية تطور المناطق في هذا العالم. على كوكب أو قمر معين، ستكون التضاريس الأكثر كثافة عمومًا أقدم (أي أنه سيكون قد انقضى المزيد من الوقت هناك منذ أن قام شيء ما بتنظيف المنطقة).

صخور مشعة

هناك طريقة أخرى لتتبع تاريخ العالم الصلب وهي قياس عمر الصخور الفردية. بعد إعادة عينات من القمر بواسطة رواد فضاء أبولو، تم تطبيق التقنيات التي تم تطويرها لتأريخ الصخور على الأرض على عينات الصخور من القمر لإنشاء تسلسل زمني جيولوجي للقمر. علاوة على ذلك، سقطت بضع عينات من المواد من القمر والمريخ والكويكب الكبير Vesta على الأرض كنيازك ويمكن فحصها مباشرة (انظر الفصل الخاص بالعينات الكونية وأصل النظام الشمسي).

يقيس العلماء عمر الصخور باستخدام خصائص النشاط الإشعاعي الطبيعي. في بداية القرن العشرين، بدأ الفيزيائيون يفهمون أن بعض النوى الذرية ليست مستقرة ولكنها يمكن أن تنقسم (تتحلل) تلقائيًا إلى نوى أصغر. تتضمن عملية التحلل الإشعاعي انبعاث جزيئات مثل الإلكترونات، أو الإشعاع في شكل أشعة جاما (انظر الفصل الخاص بالإشعاع والطياف).

بالنسبة لأي نواة مشعة، لا يمكن التنبؤ بموعد حدوث عملية التحلل. هذا الاضمحلال عشوائي بطبيعته، مثل رمي النرد: كما وجد المقامرون كثيرًا، من المستحيل تحديد متى سيظهر النرد 7 أو 11. ولكن بالنسبة لعدد كبير جدًا من رميات النرد، يمكننا حساب احتمالات ظهور 7 أو 11. وبالمثل، إذا كان لدينا عدد كبير جدًا من الذرات المشعة من نوع واحد (على سبيل المثال، اليورانيوم)، فهناك فترة زمنية محددة، تسمى نصف عمرها، حيث تكون فرص حدوث التحلل في أي من النوى خمسين.

قد تستمر نواة معينة لفترة أقصر أو أطول من نصف عمرها، ولكن في عينة كبيرة، سيتحلل نصف النوى تقريبًا بعد وقت يساوي نصف عمر واحد. سوف تتحلل نصف النوى المتبقية بعد مرور نصفي عمر، مما يترك نصف النصف فقط - أو ربع - العينة الأصلية (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

إذا كان لديك 1 جرام من النوى المشعة النقية بعمر نصف يبلغ 100 عام، فبعد 100 عام سيكون لديك

1/2 جرام؛ بعد 200 عام، 1/4 جرام؛ بعد 300 عام، فقط 1/8 جرام؛ وهكذا دواليك. ومع ذلك، لا تختفي المادة. بدلاً من ذلك، يتم استبدال الذرات المشعة بمنتجات الاضمحلال. في بعض الأحيان تسمى الذرات المشعة بالوالدين وتسمى منتجات الاضمحلال بعناصر الابنة.

بهذه الطريقة، يمكن للعناصر المشعة ذات فترات نصف العمر التي حددناها أن توفر ساعات نووية دقيقة. من خلال مقارنة مقدار العنصر الأصلي المشع المتبقي في الصخر بكمية المنتجات الوليدة التي تراكمت، يمكننا معرفة المدة التي استغرقتها عملية التحلل وبالتالي منذ متى تشكلت الصخرة. \(\PageIndex{1}\)يلخص الجدول تفاعلات الاضمحلال المستخدمة غالبًا لتأريخ الصخور القمرية والأرضية.

الجدول\(\PageIndex{1}\): تفاعل الاضمحلال الإشعاعي المستخدم لتأريخ الصخور ¹
ولي الأمر	ابنة	نصف الحياة (مليارات السنين)
ساماريوم-147	نيوديميوم-143	106
روبيديوم-87	سترونتيوم 87	48.8
ثوريوم-232	الرصاص - 208	14.0
يورانيوم-238	الرصاص 206	4.47
البوتاسيوم 40	أرغون-40	1.31

تقدم PBS مقتطفًا من سلسلة التطور يشرح كيفية استخدامنا للعناصر المشعة لتحديد تاريخ الأرض.

يعرض مقطع الفيديو هذا على قناة العلوم بيل ناي رجل العلوم الذي يوضح كيف استخدم العلماء التأريخ الإشعاعي لتحديد عمر الأرض.

عندما طار رواد الفضاء لأول مرة إلى القمر، كانت إحدى أهم مهامهم هي إعادة الصخور القمرية للتأريخ الإشعاعي. حتى ذلك الحين، لم يكن لدى علماء الفلك والجيولوجيين طريقة موثوقة لقياس عمر سطح القمر. أتاح لنا حساب الفوهات حساب الأعمار النسبية (على سبيل المثال، كانت المرتفعات القمرية ذات الحفر الكثيف أقدم من سهول الحمم البركانية المظلمة)، لكن العلماء لم يتمكنوا من قياس العمر الفعلي بالسنوات. اعتقد البعض أن العصور كانت صغيرة مثل تلك الموجودة على سطح الأرض، والتي عادت إلى الظهور بسبب العديد من الأحداث الجيولوجية. لكي يكون سطح القمر صغيرًا جدًا، فهذا يعني وجود جيولوجيا نشطة على القمر الصناعي الخاص بنا. فقط في عام 1969، عندما تم تأريخ عينات أبولو الأولى، علمنا أن القمر هو عالم قديم ميت جيولوجيًا. باستخدام تقنيات التأريخ هذه، تمكنا من تحديد أعمار كل من الأرض والقمر: تم تشكيل كل منهما منذ حوالي 4.5 مليار سنة (على الرغم من أن الأرض، كما سنرى، ربما تشكلت في وقت سابق).

يجب أن نلاحظ أيضًا أن تحلل النوى المشعة يطلق الطاقة بشكل عام في شكل حرارة. على الرغم من أن الطاقة من نواة واحدة ليست كبيرة جدًا (من الناحية البشرية)، إلا أن الأعداد الهائلة من النوى المشعة في كوكب أو قمر (خاصة في وقت مبكر من وجودها) يمكن أن تكون مصدرًا مهمًا للطاقة الداخلية لهذا العالم. يقدر الجيولوجيون أن حوالي نصف ميزانية الحرارة الداخلية الحالية للأرض تأتي من تحلل النظائر المشعة في داخلها.

المفاهيم الأساسية والملخص

يمكن تقدير أعمار أسطح الأجسام في النظام الشمسي من خلال حساب الحفر: في عالم معين، ستكون المنطقة ذات الحفر الكثيفة عمومًا أقدم من تلك الأقل حفرًا. يمكننا أيضًا استخدام عينات من الصخور التي تحتوي على عناصر مشعة للحصول على الوقت منذ آخر مرة تصلب فيها الطبقة التي تشكلت فيها الصخور. نصف عمر العنصر المشع هو الوقت الذي يستغرقه تحلل نصف العينة; نحدد عدد فترات نصف العمر التي مرت بمقدار العينة المتبقية العنصر المشع وكم أصبح منتج الاضمحلال. بهذه الطريقة، قدرنا عمر القمر والأرض بحوالي 4.5 مليار سنة.

الحواشي

¹ الرقم الذي يلي كل عنصر هو وزنه الذري، أي ما يعادل عدد البروتونات والنيوترونات في نواته. يحدد هذا نظير العنصر؛ تختلف النظائر المختلفة لنفس العنصر في عدد النيوترونات.

مسرد المصطلحات

نصف الحياة: الوقت المطلوب لتفكك نصف الذرات المشعة في العينة

النشاط الإشعاعي: عملية تتحلل من خلالها أنواع معينة من النوى الذرية بشكل طبيعي، مع الانبعاث التلقائي للجسيمات دون الذرية وأشعة جاما