Güneş sisteminin yaşını anlamak için kaç adım gerekir?
Bir ailenin kaç yıldır var olduğunu anlamak istiyorsanız, bunu üç adımda yapabilirsiniz. İlk adım ailenin en yaşlı üyesini bulmak, ikinci adım bu üyenin doğum tarihini belirlemek; üçüncü adım, um ... ilk iki adımın doğru yapılıp yapılmadığını kontrol edin. Bu üç adımın doğru olduğu onaylanırsa, o zaman bu üyenin doğum günü bu ailenin doğum tarihine en yakın olmalıdır.
Aslında, güneş sisteminin yaşını öğrenmek istiyorsanız, aynı şey doğrudur: önce güneş sistemindeki en eski gök cismi veya en eski madde parçasını, birçok gök cismi içeren büyük bir aileyi bulun ve sonra yaşını almanın bir yolunu bulun. Bunu söylemesi kolay ama yapması kolay değil. Sadece bu değil, bu süreç aynı zamanda çevrenin korunmasına dair bir hikaye de ortaya çıkardı!
(Resim kaynağı: P. CARRIL / ESA)
Yazar | Zhang Xiaojia
Editör | Han Yueyang
Güneş sistemindeki en eski gök cisminin kim olduğunu bilmek istiyorsanız, önce güneş sisteminin nasıl oluştuğunu anlamalısınız, sonra kimin önce geldiğini ve sonra kimin geldiğini anlayabilirsiniz.Albomların bu süreci anlamaları uzun zaman aldı.
Mevcut güneş sistemi oluşumu teorisi, yoğun bir moleküler bulutun çekirdek alanının yaklaşık 4,6 milyar yıl önce çöktüğüne inanmaktadır (kesin olarak konuşursak, 4.567 veya 4.568 milyar ve içeriğin geri kalanı bu sayının nasıl türetildiği ile ilgilidir). İlk yıldız oluştu, erken güneş.
O zamanlar, güneşin etrafında hiçbir gezegen yoktu, ancak onun etrafında dönen, aynı zamanda bir ön-gezegen diski olarak da adlandırılan düz bir toplama diski vardı. Öngezegensel disk, büyük miktarda gaz ve az miktarda toz içerir.Bu toz parçacıkları, birkaç mikrometreden, birkaç yüz metreden birkaç kilometreye kadar olan gezegen küçüklerine kadar yavaş yavaş yoğunlaşır ve daha sonra bu gezegenler, kayalık gezegenlerde toplanır.
(Resim kaynağı: Bill Saxton, NSF / AUI / NRAO)
Gaz diski dağıldıktan sonra, kayalık gezegenler bir dizi evrim geçirecek ve sonunda Dünya da dahil olmak üzere bugün gördüğümüz gezegenler haline gelecektir. Bu şekilde diskte en erken meydana gelen gezegenlere dünyanın "yaşlıları" denilebilir. Aslında, daha sonraki uzun milyarlarca yılla karşılaştırıldığında, birkaç milyon yıllık gaz diskinin ömrü çok kısadır. Bu aynı zamanda, dünyanın yaşını bulabilirsek, güneş sisteminin yaşının çok da uzakta olmayacağını da gösterir.
Toprak-uranyum-kurşun tarihleme yönteminin yaşı
İnsanoğlu uzun zaman önce başladı Dikkat Dünya çağı konusu uzun bir hikâye Karakterler arasında ünlü Lord Kelvin bile var O zamanlar dünyanın soğuma hızına göre dünyanın yaşının 20 milyon ile 400 milyon yıl arasında olduğu sonucuna vardı. Bugün yanlış görünüyor. Ancak bu onu suçlamak değil, çünkü o zamanlar herkes radyoaktif elementlerin ne olduğunu bilmiyordu ve dünyanın iç yapısının katmanlı olduğunu da bilmiyorlardı.
Daha sonra, Curie radyoaktif elementleri çıkardı ve radyasyon işleminin ısıyı serbest bırakacağını keşfetti. Ardından Kelvin'in sonraki yıllarındaki en gururlu öğrencisi - yani nükleer fiziğin babası - Ernest Rutherford, yeryüzünün içindeki radyoaktif elementlerin ürettiği ısının soğuma hızı üzerindeki etkisinin dikkate alınması gerektiğine işaret etti. Bu sadece Kelvin'in dünyanın yaşına ilişkin tahminini tersine çevirmekle kalmadı, aynı zamanda gelecek nesiller için yeni bir fikir sağladı: Dünyanın yaşını tahmin etmek için radyoaktif elementlerin bozulmasını kullanın, böylece uranyum elementi ortaya çıktı.
Uranyum söz konusu olduğunda, birçok insanın aklına ilk gelen şey atom bombasıdır, çünkü bu tür nükleer fisyon silahlarının teknik zorluğu uranyum 235'i uranyum 238'den nasıl ayıracağında yatmaktadır. Kimyager Harrison Brown (Harrison Brown), jeolojik yaşı belirlemek için uranyum izotoplarının ultra uzun yarı ömrünün nasıl kullanılacağıyla ilgileniyor. Bununla birlikte, dünyanın yaşını ölçmek için bu yöntemin ilk kullanımı ve bir anda ünlü oldu, ancak Harrison Brown'ın yüksek lisans öğrencisi Amerikalı jeokimyacı Claire Patterson'du.
1922 doğumlu Patterson, çocukluğundan beri kimyayla yakından ilgileniyor ve 2. Dünya Savaşı sırasında Manhattan Projesi'ne katıldı. Savaştan sonra, kimya alanında doktora eğitimi almak için Chicago Üniversitesi'ne gitmeye karar verdi. Akıl hocası Profesör Brown, dünyanın yaşını nasıl ölçeceğine dair bir ön fikri vardı, ancak deney yapmak için spektroskopiyi anlayan bir kişiden yoksundu. Bir zamanlar yüksek lisans derecesi sırasında spektroskopide uzmanlaşan Paterson En iyi seçim oldu.
Patterson, 1957'de California Institute of Technology'nin laboratuvarındaydı. (Fotoğraf kaynağı: Caltech ES Magazine)
Uranyum-kurşunun yaş tayini ilkesi karmaşık değildir. Uranyum 235 ve uranyum 238, kurşuna 207 ve kurşuna 206 dönüştüğü için, bir taşta ne kadar uranyum ve kurşunun bulunduğunu doğru bir şekilde ölçebilirsek ve bu kurşunun ne kadarının uranyum çürümesinden kaynaklandığını bilmenin bir yolu varsa, Çürüme oranı teorik olarak bu taşın kaç yıl önce oluştuğunu hesaplayabilir.
Genel olarak, uranyum-kurşun tarihleme yönteminde uranyumun iki bozunma zincirini aynı anda dikkate alır, yani yarı ömrü 4.47 milyar yıl olan uranyum 238'in kurşuna 206 ve yarı ömrü 704 milyon yıl olan uranyum 235'in kurşuna 207 bozunması süreci aynı anda ele alınır. Her bozunma zincirinde kurşunun uranyuma oranına göre numunenin yaşı izokron tarihleme yöntemi ile tahmin edilir. Veya sadece yapabilirsiniz Dikkat İki bozunma zincirindeki kurşun oranı, Patterson tarafından kullanılan kurşun-kurşun tarih yöntemi olan yaşı tahmin etmek için kullanılır. Bu yöntemin, daha sonra tartışacağımız kendine özgü avantajları vardır.
Uranyum-kurşun yönteminin zorluğu, içinde ne kadar kurşunun bir numune elde edildikten sonra uranyum bozunmasından türetildiğinin belirlenmesidir. Bu amaçla, birkaç soruyu yanıtlamamız gerekiyor: Bu örnek oluşumun erken aşamalarında ne kadar ipucu içeriyor? Dışarıdan kurşunla kirlenmiş miydi? Çürümenin ürettiği kurşun kayboldu mu?
İlk soruyu cevaplamak çok zor, ancak bu sorunu aşmanın bir yolu var, yani oluşumun erken aşamalarında neredeyse hiç kurşun içermeyen bir örnek bulmak. Şu anda zirkonun (ZrSiO4) ortaya çıkma sırasıdır. Zirkon çok sert ve ayrışan bir mineraldir ve ısı veya basınç altında bozulması kolay değildir. Kristal yapısı uranyumu dışlamaz ancak kurşun içeremez, bu nedenle temelde zirkondaki kurşunun çürüme yoluyla üretildiği düşünülebilir ve hala jeologlar tarafından tarihlendirme için yaygın olarak kullanılan bir örnektir.
Batı Avustralya'da bir taştan çıkarılan minyatür zirkon kristalleri 4,4 milyar yaşında ve yer kabuğunun en eski kısımlarından biri. (Fotoğraf John Valley / news.wisc.edu'nun izniyle yayınlanmıştır)
Zirkon kulağa çok iyi geliyor, ancak bir zirkonun yaşını doğru bir şekilde ölçebilsek bile, eğer dünya ile aynı zamanda oluşmamışsa, ancak ondan bir süre sonra yine de dünyayı temsil edemez. Yaş. Bu yüzden dünyanın yaşını belirleyecek kadar yaşlı bir taş bulmamız gerekiyor.
Güneş sistemi göktaşı zaman kapsülü
Göktaşları, gezegen oluşmadaki başarısızlıktan kalan "tuğlalar" gibidir. Erken güneş sistemi oluşumunun çevresinden geçtiler, ancak şiddetli çarpışmaların neden olduğu erime sürecini ve yeryüzündeki madde gibi karmaşık jeolojik değişiklikler ve kimyasal ayırma süreçlerini yaşamamışlar ve erken güneş sisteminin kimyasal bileşimini bir dereceye kadar koruyorlar. İnsanlar yeryüzünde on binlerce göktaşı buldular ve bunları incelemek, güneş sisteminin oluşumunun başlangıcındaki görünümünü görmemize yardımcı olacak.
Kimyasal bileşimlerine ve morfolojilerine göre, meteorlar kabaca taşlı meteorlara, taşlı demir meteorlara ve demir meteorlara bölünebilir. Demir göktaşlarının özellikleri zirkonlarınkine zıttır, yüksek bir kurşun içeriğine ve çok düşük uranyum içeriğine sahiptir, yani bozunan uranyumun kurşun içeriği son derece düşüktür ve göz ardı edilebilir. Başka bir deyişle, bu demir göktaşındaki kurşun izotopu, bilmek istediğimiz başlangıç değerine çok yakındır.
1953'te Claire Patterson, Canyon Diablo göktaşı örneğini aldı ve 238U / 204Pb oranının yalnızca 0,025 olduğunu ölçerek, bu göktaşının uranyum içeriğinin son derece küçük olduğunu ve uranyum elementinin bozunduğunu gösterdi. Orijinal kurşun izotop oranını büyük ölçüde etkilemeyecektir. Patterson, göktaşının ilk kurşun izotop oranı olarak bu oranı kullandı ve dünyanın ve göktaşının kurşun izotop oranlarının aynı evrim yörüngesine sahip olduğunu varsaydı ve buna dayanarak, bugün hala çok iyi olan bir dünya çağı çizdi: 41-46 Milyar.
Diabro Kanyonu'ndaki göktaşı parçaları (Kaynak: Geoffrey Notkin)
Ancak Patterson, mükemmellik için çabalayan bir kişidir ve sonucun hala yeterince doğru olmadığını hissettiğinden, büyük miktarda uranyum ve az miktarda kurşun içeren taş göktaşlarında kurşun izotop oranını belirledi. Birleştirmek Birkaç örneğin sayısal değerlerinden 45,5 (± 0,7) milyar yıllık daha doğru bir dünya yaşı elde etmek için izokron yöntemini kullanma.
Patterson tarafından referansta çizilen izokron diyagramı (kaynak: referans)
Güneş sisteminin yaşını, yani yığılma diski dağılmadan önce oluşmuş olan dünyadan daha eski olan maddelerin nasıl bulunacağını bulmaktan hâlâ küçük bir adım var.
Bilim adamları gerçekten bu tür bir şey buldular. Bunlar, güneş sistemindeki karbonlu kondritlerle (bir tür taşlı göktaşı) sarılmış en eski malzeme türüdür, bir tür kalsiyum alüminyum kapanımları (kalsiyum-alüminyum- CAl) kristalleri olarak adlandırılan zengin kapanımlar. Bu kapanımlarda yüksek sıcaklıkta refrakter elementlerin varlığından dolayı Dünya'dan daha yaşlı olduklarına inanılıyor, bu da erken protoplanet disklerin yüksek sıcaklık ortamında oluştuklarını gösteriyor.
Orijinal gaz diskinin başlangıç sıcaklığı çok yüksektir ve sonra yavaş yavaş soğur.Sıcaklık düştükçe, kalsiyum alüminyum kapanımlarının ana bileşenleri olan korindon, perovskit, sarı feldispat, spinel vb. Dahil olmak üzere bazı elementler gazdan katıya dönmeye başlar. Bu aynı zamanda güneş sisteminin erken oluşumundan itibaren yüksek sıcaklık bölgesini temsil ettiklerinin kanıtlarından biridir. Bu nedenle, bu tür bir göktaşının yaşı, istediğimiz cevaba daha yakındır.
Öte yandan, kalsiyum-alüminyum kapanımlarında kısa yarı ömürleri olan bazı maddeler görülüyor (örneğin, alüminyum 26'nın yarı ömrü sadece 0,7 milyon yıldır), bu da eski zamanlarda kehribarla sarılmış kısa ömürlü böcekleri görmek gibi. Bu nedenle kondrit oluşumu ile aralarındaki zaman aralığı çok uzun olmayacak, aksi takdirde izotop bozunma hızına göre tükenmiş olacaktır. Dolayısıyla bu malzemeler, güneş sisteminin yaşını biraz daha ileriye taşımamıza yardımcı olabilecek yüksek hassasiyetli zamanlayıcılar gibidir. Kuzeybatı Afrika'da bulunan CV3 karbonlu kondrit (NWA2364) ile ölçülen en yaşlı yaş 4568.22 ± 0.17 milyon yıldır.
NAU NWA-2364 karbonlu kondritin, ASU ekibinin en eski izotop yaşını (14 mm boyutunda) çıkardığı kalsiyum-alüminyum açısından zengin inklüzyonlar (CAI) gibi malzemeler içeren kesilmiş yüzey görüntüsü (ok, (Kaynak: cefns.nau.edu)
İzotop bozunma teorisi, kütle spektrometreleri ve göktaşlarının yardımıyla bilim adamları, uzun bir çabadan sonra yavaş yavaş güneş sisteminin oluşum tarihini ortaya çıkardılar.Birçok ayrıntıda hala tartışmalar olsa da, büyüklük açısından zaten temel bir cevabımız var. Güneş sistemi deneyimi Bugünkü haline gelmek 4 milyar yıldan fazla sürdü (Dünyadaki en erken yaşam 40-3.8 milyar yıl önce oluştu, bu bundan çok daha kötü değil, kısa ömürlü değil) Böylesine uzun bir gezegen inşasından sonra, çevre nihayet gebe kaldı. Akıllı yaşamın ve insan uygarlığının ortaya çıkışı gerçekten değer vermeye değer. Patterson da aynı şeyi yaptı: Katkısı yalnızca dünyanın yaşını ölçmekle kalmadı, aynı zamanda kurşun kirliliğine karşı çıkarak insan sağlığının korunmasına yaptığı katkı oldu.
Patterson, dünyanın yaşıyla ilgili dönüm noktası niteliğindeki bu makaleyi yayınladıktan sonra, aniden kurşunun doğadaki dağılımını incelemeye başladı. Okyanus sularında, deniz dibindeki çökeltilerde, Antarktika'daki buz çekirdeklerinde ve hatta Mısır mumyalarındaki kurşun içeriğini ölçtü ve elde edilen değerler gülünç derecede yüksekti. Bu kurşun, benzine yaygın olarak eklenen, egzoz emisyonları ile atmosfere giren ve insan yaşamının tüm yönlerini etkileyen bir vuruntu önleyici madde olan tetraetil kurşundan gelir. O zamanlar insan vücudundaki kurşun içeriği kadim insanlardan yüzlerce ila bin kat daha yüksekti ve güvenli dozu aşmıştı.İnsan sağlığı için Patterson ve tüm petrol endüstrisi uzun süreli bir mücadele başlattı ve sonunda kazandı. Bundan sonra kurşunlu benzin açıkça yasaklandı.
yazar hakkında
Zhang Xiaojia, Hong Kong Üniversitesi, Yer Bilimleri Bölümü'nde doktora sonrası araştırmacıdır. 2006 yılında Pekin Üniversitesi'nden mezun oldu, 2013 Pekin Üniversitesi'nden Astrofizik alanında doktora derecesi aldı Araştırma alanı gezegen bilimidir ve ana araştırma yönü, erken gezegen oluşumu ve yörünge evriminin sayısal simülasyonudur.
Referans
https: // www. Jianshu .com / p / 173a22886c52
http : // www. iptv.org/iowapathways/mypath/clair-patterson%e2%80%9420th-century-geologist
https://scienceaid.net/Zircon_Dating
Roddy, D. J .; ve E. M. Shoemaker. Meteor Crater (Barringer Meteorite Crater), Arizona: çarpma koşullarının özeti. Meteoritics. 1995, 30 (5): 567
Patterson, C.C. (1956). Göktaşlarının yaşı ve Dünya. Geochim. Cosmochim. Açta 10, 2 30 -7
http : //blog.sina .com .cn /s/blog_8232ed670102uzkv.html
Bouvier, Audrey; Wadhwa, Meenakshi (2010). "Güneş Sisteminin çağı, göktaşlarının dahil olduğu en eski Pb-Pb yaşı tarafından yeniden tanımlandı." Nature Geoscience. 3 (9): 637 641 .
Dünyanın yaşı nasıl elde edilir? HaoX, https: //daily.zhihu .com / hikaye / 9532151
Kaynak: Bay Sai
Yayıncı: GUOmazing
