7.3: 约会行星表面

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释天文学家如何分辨行星表面在地质上是年轻还是陈旧
描述行星测年的不同方法

我们如何知道我们在行星和卫星上看到的表面的年龄？如果一个世界有表面（而不是主要是气体和液体），那么天文学家已经开发出一些技术来估计这个表面凝固了多久以前。请注意，这些表面的年龄不一定是整个地球的年龄。在地质活跃的物体（包括地球）上，大量的熔融岩石涌出或水和冰的侵蚀作用（我们称之为行星风化）抹去了早期时代的证据，为我们提供了一个相对较年轻的表面可供研究。

数火山口

估计地表年龄的一种方法是计算撞击坑的数量。这种技术之所以奏效，是因为几十亿年来，太阳系中撞击的速度大致保持不变。因此，在没有消灭陨石坑的力量的情况下，陨石坑的数量与表面暴露的时间长短成正比。该技术已成功应用于许多固体行星和卫星（图\(\PageIndex{1}\)）。

alt — 弄清楚\(\PageIndex{1}\)我们的火山口月亮。这张月球表面的合成图像是由月球侦察轨道器（LRO）在 2009 年 11 月至 2011 年 2 月之间拍摄的许多较小的图像制成的，显示了许多不同大小的陨石坑。（来源：NASA/GSFC/亚利桑那州立大学对作品的修改）

请记住，火山口数量只能告诉我们自地表发生重大变化以来的时间，这种变化可能会改变或消灭先前存在的陨石坑。根据火山口数量估算年龄有点像在积雪稳定下降一天或更长时间之后在暴风雪中沿着人行道行走。你可能会注意到，在一所房子前面积雪很深，而隔壁的人行道可能几乎已经晴朗了。你得出结论，琼斯女士家门前的积雪比史密斯先生的降雪少吗？更有可能的是，你得出结论，琼斯最近已经把步行清理干净了，而史密斯却没有。同样，陨石坑的数量表明，自从行星表面最后一次被持续的熔岩流或附近发生大规模撞击时喷出的熔融物质 “清除” 以来，已经过去了多长时间。

尽管如此，天文学家仍然可以利用同一个世界不同地方的陨石坑数量来提供有关该世界各区域如何演变的重要线索。在给定的行星或月球上，火山口较严重的地形通常会更旧（也就是说，自从有东西席卷该区域以来，那里的时间会更长）。

放射性岩石

追溯固体世界历史的另一种方法是测量单个岩石的年龄。阿波罗宇航员将样品从月球带回后，迄今为止开发出的地球岩石测年技术被应用于来自月球的岩石样本，以建立月球的地质年代学。此外，一些来自月球、火星和大型小行星维斯塔的物质样本作为陨石坠落到地球，可以直接检查（参见关于宇宙样本和太阳系起源的章节）。

科学家利用自然放射性的特性来测量岩石的年龄. 大约在二十世纪初，物理学家开始明白，有些原子核不稳定，但可以自发分裂（衰变）成较小的原子核。放射性衰变过程涉及发射电子等粒子或伽马射线形式的辐射（参见 “辐射和光谱” 一章）。

对于任何一个放射性核，都无法预测衰变过程何时发生。这种衰减本质上是随机的，就像掷骰子一样：正如赌徒经常发现的那样，不可能说出骰子何时会出现 7 或 11。但是，对于大量掷骰子，我们可以计算出 7 或 11 出现的几率。同样，如果我们有大量一种类型的放射性原子（比如铀），则有一个特定的时间段，称为其半衰期，在此期间，任何原子核发生衰变的概率为五十五十。

特定原子核的持续时间可能比其半衰期更短或更长，但是在大型样本中，几乎有一半的原子核在等于一个半衰期的时间后会腐烂。剩余原子核的一半将在两个半衰期过后腐烂，只剩下原始样本的一半或四分之一（图\(\PageIndex{2}\)）。

alt — 图：\(\PageIndex{2}\)放射性衰变。这张图（粉红色）显示了几个半衰期过后剩余的放射性样品量。经过一个半衰期，剩下一半的样本；在两个半衰期之后，剩余半衰期的一半（或四分之一）留下；在三个半衰期之后，剩下其中一半（或八分之一）。请注意，实际上，岩石样品中放射性元素的衰变不会导致岩石外观发生任何明显变化；此处显示的色彩飞溅仅用于概念目的。

如果你有 1 克的纯放射性核，半衰期为 100 年，那么 100 年后你就会有

1/2 克；200 年后，1/4 克；300 年后，只有 1/8 克；依此类推。但是，材料不会消失。相反，放射性原子被其衰变产物所取代。有时放射性原子被称为母原子，而衰变产物被称为子元素。

通过这种方式，我们已经确定了半衰期的放射性元素可以提供精确的核钟。通过将岩石中剩余的放射性母体元素与其子产物积累了多少进行比较，我们可以了解到衰变过程持续了多长时间，从而了解岩石是在多久之前形成的。表\(\PageIndex{1}\)总结了测年月球和陆地岩石中最常用的衰变反应.

表\(\PageIndex{1}\):用于测年岩石的放射性衰变反应 ¹
家长	女儿	半衰期（数十亿年）
Samarium-147	neodymium-143	106
钌-87	锶-87	48.8
钍-232	Lead-208	14.0
铀-238	Lead-206	4.47
钾-40	Argon-40	1.31

PBS提供了进化系列摘录，解释了我们如何使用放射性元素对地球进行测年.

科学频道的这段视频以科学家比尔·奈为特色，展示了科学家如何使用放射性测年法来确定地球的年龄.

当宇航员第一次飞向月球时，他们最重要的任务之一就是带回月球岩石进行放射性老化。在此之前，天文学家和地质学家没有可靠的方法来测量月球表面的年龄。计算陨石坑可以让我们计算出相对年龄（例如，火山口密集的月球高地比黑暗的熔岩平原还要古老），但科学家无法以年为单位测量实际年龄。有人认为，地球表面的年龄与地球表面的年龄一样年轻，许多地质事件重新浮出水面。如果月球表面这么年轻，就意味着我们的卫星上有活跃的地质学。直到 1969 年，当第一批阿波罗样品的日期确定时，我们才知道月球是一个古老的、地质死亡的世界。使用这样的测年技术，我们已经能够确定地球和月球的年龄：两者都是在大约45亿年前形成的（尽管正如我们将看到的，地球可能是在更早形成的）。

我们还应注意，放射性核的衰变通常以热的形式释放能量。尽管来自单个原子核的能量不是很大（用人类的术语来说），但行星或月球中（尤其是在其存在的早期）中大量的放射性原子核可以成为该世界重要的内部能量来源。地质学家估计，地球当前内部热量预算中约有一半来自其内部放射性同位素的衰变。

关键概念和摘要

太阳系中物体表面的年龄可以通过计算陨石坑来估计：在给定的世界中，火山口较严重的区域通常比火山口较少的区域更旧。我们还可以使用含有放射性元素的岩石样本来获得自岩石形成的层上次凝固以来的时间。放射性元素的半衰期是指一半样品衰变所花费的时间；我们确定样品中有多少剩余放射性元素以及有多少样品已成为衰变产物，已经过去了多少半衰期。通过这种方式，我们估计月球和地球的年龄约为45亿年。

脚注

¹ 每个元素之后的数字是其原子量，等于其原子核中的质子数加上中子的数量。它指定了元素的同位素；同一元素的不同同位素的中子数量不同。

词汇表

半条命: 样品中一半的放射性原子分解所需的时间

放射性: 某些类型的原子核自然衰变过程，亚原子粒子和伽玛射线的自发发射