地球有多大？这个问题看似简单。通常的估计是，我们的星球大约有 45 亿年的历史。但行星科学家研究得越深入，这个故事就越扑朔迷离。关于我们星球如何形成的一些细微之处可能会使地球的年龄上下浮动大约五亿年。
“年龄很容易说出口，但当你放大来看时，它会变得越来越复杂，”休斯顿大学地球与大气科学系主任、地质学教授托马斯·拉彭说。随着科学家们试图更精确地测量地球的年龄，他们不得不处理我们星球形成过程的具体细节。
“当你出生时，那是一个瞬间，”拉彭解释说。但行星的形成是一个需要漫长地质时期——数百万年的过程。要给地球一个年龄，天体物理学家、行星科学家和地质学家必须确定过程中的哪个点可以被认为是地球的诞生。
地球是什么时候“诞生”的？
大约在 46 亿年前，气体和尘埃在围绕新形成的太阳运行的轨道上旋转。在太阳系形成后的最初数百万年里，粒子碰撞并合并成小行星和行星的胚胎。这些太空岩石不断地相互碰撞，有些越长越大，塑造了我们今天看到的太阳系。
但行星不仅仅是巨大的岩石堆。随着它们聚集物质，这些天体也会分化成核心、地幔和地壳（至少对于地球和其他类地行星而言）。吸积和分化需要时间，可能需要数千万年。有些人可能会将地球形成阶段的某个点视为我们星球的诞生。但拉彭说，他认为那是地球的“受孕”，而诞生则发生在后来，当时一场灾难性事件也形成了月球。
根据广为接受的大碰撞理论，在我们太阳系早期混乱的时期，原地球与另一个大小与火星相当的小天体相撞。当两者猛烈碰撞时，碎片聚集形成了围绕地球运行的月球。
拉彭说，这次碰撞也被认为基本上“重置”了构成行星的物质。当时，可能有一层厚厚的岩浆海洋覆盖着原地球。在猛烈的碰撞后，两个天体的物质混合在一起，并凝聚成我们今天所知的行星和月球系统。拉彭解释说，这种“重置”的证据来自地球和月球岩石中含有相同的氧同位素。
拉彭说：“原地球很可能被摧毁或改变了组成。“在我看来，直到月球形成事件发生之前，地球都不是我们所知的地球。”
如果这个事件标志着我们星球的诞生，那么地球的年龄将在 44 亿到 45.2 亿年之间。但是，要确定我们星球更精确的年龄，就需要仔细研究古代证据。
为我们星球的年龄赋值
就像侦探寻找旧案的线索一样，行星科学家在拼凑我们星球早期历史时，必须查看今天仍然存在的证据。但在这个篇章中所有的动荡——翻腾的岩浆海洋和剧烈的地质变迁——证据可能很难找到。
拉彭解释说，确定地球年龄的一种方法是寻找地球上最古老的岩石，这些岩石是在岩浆海洋凝固成固体表面后形成的。为了确定这个日期，科学家们研究了在澳大利亚西部杰克山发现的锆石——这是地球上已知最古老的矿物。
为了确定这些晶体的年龄，一个科学家团队使用了一种称为放射性测年的技术，该技术测量了它们所含的铀。由于这种放射性元素以已知速率衰变成铅，科学家们可以根据样本中铀与铅的比例来计算矿物的年龄。这种方法显示这些锆石大约有 44 亿年的历史。
拉彭说，这些岩石表明，地球-月球系统一定形成于 44 亿年前的某个时间点之前，因为月球形成事件会“摧毁岩石记录”。所以，这颗行星的年龄不小于 44 亿年。但它还能有多大呢？拉彭说，为了回答这个问题，科学家们转向别处——包括月球。
地球的卫星——月球上的岩石保存得比地球上的好，因为月球不像地球那样经历地壳构造运动，这些运动会熔化和重组地球的板块。这些线索主要有两个来源：落到地球的月球陨石，以及 NASA 阿波罗计划直接从月球采集的样本。
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和原地球一样，年轻的月球也被岩浆海洋覆盖。从月球表面采集的最古老的岩石可以表明月球的月壳是什么时候形成的。科学家们对阿波罗 14 号任务中采集的锆石碎片进行了放射性测年，并校正了宇宙射线照射的计算，确定月球月壳在大约 45.1 亿年前硬化。
拉彭说，在碰撞发生以及天体凝聚、冷却和分化之间会有一段时间，所以这个日期也有一个大约 5000 万年的不确定性窗口。
他说：“精确测定事件的日期非常具有挑战性。”拉彭估计，地球-月球系统可能形成于 45.1 亿至 45.2 亿年前之间，但一些科学家认为计算结果可能会偏差多达 5000 万年。
另一种约束这个时间窗口的方法是考察原地球形成时期存在的岩石。当行星从年轻太阳周围的碎片中固化时，并非所有物质都聚集成我们今天看到的行星及其卫星。有些物质保存在小行星或彗星中。
有时，这些太阳系的时间胶囊以陨石的形式来到我们身边，坠落到地球表面。拉彭说，已知最古老的太空岩石是陨石 Erg Chech 002。它被认为是在早期太阳系中一个原始原行星的火成岩地壳的碎片。因此，对 Erg Chech 002 陨石进行测年，可以提供一个原地球可能处于类似“受孕”阶段的快照。
拉彭说：“如果‘地球的诞生’被定义为最终通过吸积形成当前地球的第一个原地球核心或原行星的形成时间，那么也许那已经是 [Erg Chech 002] 的年龄了。”科学家们计算出这块火成岩地壳大约在 45.65 亿年前结晶。
地球的年龄能否更精确？
对人类来说，地球-月球系统形成时间的不确定性达到 5000 万年似乎很大且不精确。但在行星尺度和地质时间尺度上，“这是一个很好的估计，”拉彭说，特别是对于发生在数十亿年前的事情而言。
他说：“我们回溯得越远，事情往往越不精确，因为记录中有空白。这是一个相对较短的时间段，发生了很多事情——有撞击，一切都需要凝聚、冷却，并分化成坚固的岩石体，拥有核心、地幔和地壳。”
然而，科学家们还没有完成。拉彭说，总有机会获得更精确、更准确的地球年龄测量结果，特别是随着研究人员从月球、陨石和小行星那里获得更多的样本。
例如，中国嫦娥五号任务采集的月球岩石仍在研究中。NASA 的阿尔忒弥斯计划也计划采集月球岩石。拉彭补充说，NASA 的样本库团队还提供了更多阿波罗计划的材料供研究，这为研究人员提供了用新技术研究古老月球岩石的机会。
他说，如果这些新的努力发现了比之前研究过的月球表面更早结晶的月球样本，那么就可以进一步缩小地球和月球诞生的时间范围。
这篇文章已更新。它最初发布于 2023 年 1 月 22 日。
