如何确定地球的年龄

罗胜元 李培军 邓爱云

摘 要：与人类寿命相比，地球年龄十分古老，它的年龄证据保留在形成地壳的岩石中，这些岩石参与了地球的构造旋回，熔融的岩石具有放射性元素，同位素衰变可作为地球的计时原子钟。与地球同源的太阳系陨石、月球岩石与地球相仿的年龄。此外，太阳光球层的有规律的往复波动——日震，通过了解太阳内部结构和物质组成，也可推断出太阳、地球的年龄。

关键词：地球年龄;滴漏定年;岩石熔化温度;放射性定年;日震年龄;锆石;U-Pb

地球是非常古老的，根据最近的估计有45亿年甚至更多。古代地球的证据主要保留在形成地壳的岩石中，岩石层就像漫长而复杂历史的记录者，记录了过去地表的信息，并埋藏了大量生命的痕迹——这些植物和动物是从大约30亿年前存在的有机结构进化而来的。岩石中一旦熔融，就含有放射性元素，其同位素可作为地球提供了原子钟记时，通过确定元素衰变前后同位素的相对数量，可以计算这些岩石的年龄。

因此，对岩层（地层）和化石（古生物学）的研究结果，加上地球原子钟（地球年代学）测量的某些岩石的年龄，证明了地球是一个非常古老的星球！比起人类平均80年的寿命、类人物种400万年的总存活时间，地球的年龄大得令人难以想象，图1给出了在地球历史中发生的一些重要事件。打个比方，如果将地球年龄缩至始于1月1日00：01分的单历年，那么人类的首次出现是在12月31日16：40分，并且最年长者（大约120岁）的出生时间不会早于12月31日23时59分59秒。

地球的年龄究竟有多大？人们是如何测定的？这是一个世界性的难题吸引了无数科学家的注意，他们做了很多次尝试来计算地球的能量年纪大了，有的方法十分有趣。

1、早期地球年龄的探讨

19世纪中期，人们认识到地球的形成需要漫长地质过程，两种计算地球年龄的"滴漏"方法开始流行。

1.1 滴漏定年法

1、海水盐度法

科学家最先想到的是海水，1715年英国天文学家Sir Edmund Halley（发现彗星而闻名的哈雷爵士）首次提出利用海水盐度来估算地球年龄的设想。海洋是在这颗行星形成不久之后形成的，因此它只比固体地球稍微年轻一点。他推断，最初的海洋是纯水而不是咸水，现今的盐分来自亘古以来陆地上矿物质随水流溶解带到海里而成的。如果知道溶解在海洋中的盐的总量，以及陆地每年带进海水的盐分总量，就能算出海盐累积到今天的数量所需的时间，由海洋存在的年数大致知道地球的年龄。来自爱尔兰的地质学家John Joly利用这一方法计算出的结果是0.8-0.9亿年。在当时Joly的的计算支持了地质学家们的观点，他们认为地球的年龄远远超过几百万年，生物进化论的Darwin和其他生物学家也支持地球远古的假设，他们预计要数亿年才能完成化石记录中明显的有机进化。

我们现在知道，海水盐度法计算并不符合常理。Joly只是简单地假设：从地球形成时开始，由河流输送到海洋的盐分在海洋中累积的速率是不变的。他忽略了从海洋中移除盐分的各种过程，如以蒸发盐沉淀在地表的海盐沉积物、海洋微生物形成的钙质或硅质壳、海底喷发火山与海水的化学反应、海洋飞沫携带盐类等。即使运用现在对海洋体积和盐度的估计重复进行Joly的计算，可以得到如下结果：

海洋中盐的总量大概是5×1019 kg;

河流把盐分输送入海的速度是4×1012 kg/年;

所以地球的“年龄”是（5×1019 kg）/ （4×1012 kg/年）=13×106年;

拟合现今的参数计算的结果比Joly根据他对于世界河流径流量、化学组成、海洋体积和盐容量的知识估算的结果少一些。实际上，这种计算的“年龄”是盐分留存在海洋中的平均时间长度，被称为停留时间，与地球形成的时间相差甚远。

图2 现代海洋盐度的垂直分布圖（在深层海洋，盐度往往随着深度增加。然而，由于蒸发的作用，盐度的最大值出现在热带地区海洋表层。当水蒸发时，盐分就留在了海洋里。在蒸发量超过降水量的地方，在海洋表层有净的水量损失，剩余的水中含盐量就较高）

2、沉积速率法

第二种“滴漏”方法即为沉积速率法。同样是来自爱尔兰的地质学家Samuel Haughton提出了沉积速率法来计算地球年龄。地球曾经完全被水淹没，其证据就是在内陆高山上发现的海贝化石，沉积岩的结构是一层层的，下部的岩石年代较上部远，通过研究某层岩石的沉积速度，就能计算出形成该层岩石所花费的时间;再把各层岩石的形成时间都加起来，就可以估算出形成整个沉积岩地形所花费的时间。但由于不同地方的沉积速度不一样，用这种方法算出的地球年龄范围很宽——从300万年到24亿年都有。

同样，利用海底沉积物测定的方式尝试进行地球年龄计算也同样面临失败。一方面，计算时并没有考虑地层侵蚀时期的沉积速率——这一时期岩石并没有被沉积下来，相反还会遭受剥蚀。如果忽略岩层沉积后会遭受剥蚀，单纯的用计算出的地球的年龄乘以沉积速度，就会得出一个惊人的数字：海底应该存在一层大约20km厚的沉积物，这将导致现在海底远远高出海面。另一方面，一些非常古老的沉积物已经无法辨认，它们已经通过造山等构造作用转化为火成岩和变质岩。

1.2 化石与生物进化方法

Charles Lyell试图用化石来确定地球的绝对年龄。他比较了相继较年轻的新生代地层中海洋软体动物所表现出的变化量，与更新世冰期开始以来所发生的变化量。Charles估计，自新生代开始以来已经过去了8000万年。实际上他惊人地接近了正确的数字，现代证据表明是6600万。

然而，对于比新生代更古老的岩石，基于进化速率的时间估计就十分困难。主要是由于部分化石消失了，一些灭绝生物的进化速度也不知道。Charles计算的是生物产生的年龄，与地球的年龄相距甚远。

1.3 地球岩石的熔化温度法

当博物学家和地质学家们束手无策的时候，解答这个问题的重担落到了物理学家身上。19世纪50年代，由德国物理学家克劳修斯与英国物理学家Lord William Thomson Kelvin（开尔文勋爵）分别提出的热力学第二定律已经成为了学界的共识。根据热力学第二定律，地球、太阳乃至整个宇宙都处在一种热量耗散的过程中。

18世纪70年代，法国的Buffon在实验过程中先把球体加热到白炽的程度，然后在其冷却的过程中用触摸的办法来估计热的损耗率。根据这项实验，他推测地球的年龄在7.5-16.8万年之间。

1862年，Kelvin在爱丁堡皇家学会的一次会议上发表演讲，猛烈抨击采用“滴漏"方法估算地球年龄的地质学家，并提出了地球岩石的熔化温度法来测定地球年龄。开尔文发表了一篇名为《论地球的缓慢冷却》的文章，认为地球在诞生之初是一个熔岩球体，其温度随着时间不断降低，如果能知道地球岩石的熔化温度以及它们的冷却速度，或许就能算出地壳固化所花的时间。他将岩浆的温度设定为3870°C （实际上应该是700-1200℃），然后估算了导热系数与地温梯度的平均值。Kelvin最终计算结果是9800万年，考虑到估算带来的误差，他提出地球的年龄大致在2000万年到4亿年之间。但是物理学无法解释为什么像太阳这么个庞然大物可以连续燃烧几千万年以上，而又耗不尽其燃料。因此开尔文认为太阳及其行星必然相对年轻。通过不断精确参数，开尔文在之后的几十年中不断地修订自己的计算结果，在1897年，他最终确定地球的年龄应该是2400万年。按照当时已知的物理学理论，开尔文的计算方法是不可动摇的。不但地质学家们无法反驳开尔文的观点，就连像达尔文这样伟大的博物学家也一度怀疑自己提出的物种演化理论。但是，开尔文的计算方法是建立在两个基本假设之上的。第一，地球内部没有其他热量来源。第二，地球内部是一个均质的固体。只要这两个假设是成立的，那么开尔文的计算方法就是无懈可击的。

2、放射性年龄测量

2.1 放射性年龄测量法的诞生

科学史上很多伟大的发现都来自于意外。1896年，法国物理学家Henri Becquerel意外地发现铀盐能够让包在厚黑纸中的底片感光，证明铀能发射出一种有穿透性的射线，这是人类第一次观测到了放射性现象。

在两年之后，著名的Marie Curie和Pierre Curie（居里夫妇）从沥青铀矿进行冗长的处理、分离出两种新的放射性的元素钋和镭。而在1903年，居里夫妇进一步检测到了镭元素在放射过程中会不断产生热量。与此同时，进入20世纪之后，科学家们通过研究地震波折射现象发现了地球内部并非均质的固体，而是分成地壳、地慢和地心。至此，Kelvin计算地球年龄采用的地球岩石的熔化温度法两个假设前提全部被证伪。

1904年，Ernest Rutherford在会议上作了关于放射性增温对估算地球年龄影响的报告，认为很少量的放射性元素里就储备着巨大的能量，其所产生的热量能够平衡地球自身的冷却。此外，他还发现在放射性衰变过程中，一种元素变成了另一种元素——比如今天你手里有一个铀原子，明天它就成了一个铅原子。这一发现非同寻常的，如同炼金术一样震惊世界。Ernest Rutherford的研究从学理上推翻了开尔文的计算方法，他很快意识到，如果能通过测量岩石中的铀和氦的数量来确定铀产生的速率，那么只需相对简单的计算就能表明氦的累积所需的时间，由此也就能确定岩石的年龄。1905年Rutherford成为通过放射性衰变测定岩石年龄的第一人，他由此测定的地球年龄为4000万年。遗憾的是，他的测量方法有一个重要缺陷：铀衰变产生铅和氦，氦是一种气体，它会从岩石中逃逸，这意味着来自放射性衰变的氦中只有很小一部分会被测量到，由此获得的年龄测定值只可能是最小值。

在1907年，美国化学家博尔特伍德在检测了包含铀的岩石并注意到，与氦一起，还有大量铅存在。1910年冬季，霍姆斯檢测了17种矿物质的铀和铅的含量，检测结果结合博尔特伍德的认识让霍姆斯作出结论：铅的确是铀的最终衰变产物，这样就可能通过测量岩石中的铅而非氦的数量来获得岩石的年龄。自此，一种确定岩石年龄的可靠技术被找到，并一直被采用，这就是“铀-铅测定方法”。霍姆斯测定的地球最大年龄是16.4亿年，他还证明了地球年龄不可能低于这个数值。在同位素被发现之后，这种方法被科学家们进一步优化。在理论上，只要知道一块岩石中铅和铀的比例，就可以计算出岩石的年龄。

2.2 放射性同位素的衰变与定年理论

放射性同位素是具有放射性的核素，是一种原子核不稳定的原子，在释放出某种粒子和射线后变为稳定的无放射性的其他原子。例如铀元素（U）有三种天然同位素，234U、235U和238U，其中234U是稳定同位素，235U和238U则是放射性同位素，经过一系列的衰变，分别形成稳定的207Pb和206Pb。放射性同位素在相同的时间以固定的比例进行衰变，放射性元素235U它的半衰期约为7.04亿年，这意味着7.04亿年后，只有一半（50%）的原始235U将被保留下来。又过了7.04亿年，剩下的又会衰变一半，因此14.08亿年后岩石含有只有25%的235U和75%的207Pb。这就是著名的半衰期，半衰期不受外界的影响，已经被精确的测定，如238U衰变为206Pb的半衰期为45亿年，235U衰变为207Pb的半衰期为7.04亿年。第三种铅的同位素为204Pb，不是由放射性衰变生成的，可在测量中用作对比。

哈里森.布朗（Harrison Brown）推导出放射性同位素衰变的时间公式，以238U衰变为206Pb为例：

其中，λ是衰变速率常数，t是时间，206Pbi 和206Pbt分别代表206Pb元素在形成时的原始含量和经过t之后的含量，238Ut为238U元素经过t时间衰变之后剩余含量。传统的U-Pb定年理论上只需要测试出现今238Ut和206Pbt的含量，以及确定样品衰变前原始的206Pbi含量就可计算出该样品的年龄。

更准确的计算方法是Pb-Pb测年方法，由于不同岩石中U/Pb比率不同，甚至在同一岩石中，不同矿物的U/Pb比率也不同，因此很难确定最初的U/Pb比率。通过采用元素的多种同位素方法，能够避免这个问题。通过高精度的质谱仪测量现今样品中207Pb、206Pb和204Pb三种Pb同位素的丰度，然后在一个坐标轴上画出206Pb/204Pb的比率，在另一个坐标轴上画出207Pb/204Pb的比率，获得等时线图（图*）。Pb-Pb定年除了测定现今现今样品中207Pb、206Pb和204Pb三种Pb同位素的丰度之外，依然需要确定样品最初形成时的206Pbi同位素比值。

尽管早在1904年春，Rutherford就提出了利用放射性测定年代的设想，即现今的衰变计算法，也要等几十年以后我们才得出地球的真正年龄，科学已经走上正轨，但仍然任重而道远。

2.3 锆石中Pb含量测定

并不是任意岩石都可以次方法来定年，样品衰变前原始的206Pbi含量早就被长期而持续的衰变湮没在复杂的矿物转变之中。一个很不错的方案是寻找铅元素的初始含量为零的岩石/矿物，因为所有的铅元素都是由铀元素衰变而来。而这样的系统在地球上恰好存在，比如岩石中常见的副矿物锆石是理想的定年矿物。

锆石（英文名称zircon）是一种硅酸盐矿物，化学式是ZrSiO4，广泛存在于酸性火成岩，也产于变质岩和其他沉积物中。锆石是一种很坚硬的矿物，它的晶体结构对铅非常不友好，却不排斥铀。在岩浆冷却结晶形成锆石的时候，初始铅含量极低而富含铀元素，因此可以基本当做初始的铅含量为零。

Harrison Brown教授很早就意识到锆石用来定年的特殊性，然而寻找合适的锆石以期测试的Pb含量接近0，这一看似简单的任务依然耗费了Harrison Brown教授和他的学生Claire Patterson将近7年的光阴。Claire Patterson在测试过 Pb含量程中沮丧的发现，不管他多么小心，重复多少次实验，只要样品接触空气，测量到的铅含量总是出乎意料的多，这与锆石富铀贫铅的理论相互矛盾。直到后期他才知到，实验失败的主要原因是环境中无处不在的铅污染。

Claire Patterson自1953年起开始研究铅在自然界的分布，先后测量了大洋海水、海底沉积物、南极冰芯，甚至埃及的木乃伊。大气中有大量的铅，浅层海水的铅浓度是深层海水的几百倍，人类的血铅含量是古代的将近600多倍…铅的来源？为何会有如此大的差异？直到从格陵兰岛采集的古老的原始冰芯才解开了他的疑惑，不同深度的冰层在不同历史时期形成，其含有的铅含量则代表了当时大气中的Pb浓度。Patterson测量了古罗马时期、工业革命时期以及1920年时冰层中Pb含量，令他惊讶的发现，在1920年之后形成的冰心样本中铅的浓度骤然上升了近千倍。重金属元素Pb印证着人类历史进入工业文明，被后人称为“文明功臣，健康恶魔”。大气中铅90%来源于早期汽油里广泛添加的抗爆剂——四乙基铅，这些铅随着尾气排放到大气里。少部分则来源于采矿、冶炼和工业活动排出的含铅废水、废气和废渣。这些剧增的Pb含量存在于地球的每一个角落，成为二十世纪最大的环境危机之一，沙漠、冰川、甚至世界屋脊珠穆朗玛峰地区大气气溶胶样品中铅（Pb）浓度都存在超标。自然界铅含量剧增也深刻影响了人类社会，空气、水体、部分根茎食物中的Pb通过食物链循环，导致1923年（四乙基铅开始商业生产）人体血液中Pb含量可达到古代人体的625倍，面临严重的健康问题——铅会积累在骨头和血液里。直到1986年之后美国才全面禁止销售含铅汽油，其他国家陆续跟进，儿童的血铅含量才逐年下降。

锆石中Pb含量测定成功直接促使同位素超净实验室（Isotope Super clean laboratory）的诞生，实验操作人员通过穿戴专业无尘防护服，使用高精度的化学试剂，以及超净化学前处理工作间和样品制备室，等来避免自然界中的Pb污染。

2.4 寻找地球最古老的锆石

在建立超净金属同位素实验室过程中，科学家通过不断完善的、严格的净化措施已经基本上杜绝了自然环境中的Pb污染，随后通过不断寻找、挑选锆石矿物进行测试，直接确定地球年龄似乎指日可待，可接下来的问题依然让科学家举步维艰：如何找到极其古老的岩石，以便地球诞生之初的锆石？

地球在形成之初便聚集了大量的物质，因此积蓄了巨大的内部能量。这些能量驱动的板块构造运动以及太阳能驱动的地表作用，使得地球的不同圈层之间不停地进行着物质的循环。而这种物质循环极有可能将地球形成之初的元素痕迹能迁移到深层，或完全破坏掉。含锆石的矿物种类繁多，和所有矿物一样，也参与了地球物质循环，也就是说组成地球原始地壳的含锆石岩石和矿物并没有被保存下来！这种全球范围内的岩石寻找犹比大海寻針。在20世纪40年代末，人们对地球板块构造运动还知之甚少。

经过科学家坚持不懈的寻找与检测，科学家选找到了一些古老的岩石。迄今发现的地球上最古老的岩石是加拿大西北部的Acasta Gneisses岩石（40.3亿年），西格陵兰岛的Isua Supracrustal岩石（37-38亿年），以及北美明尼苏达河谷和密歇根州北部岩石（35-37亿年）和西澳大利亚州（34-36亿年）。这些发现的最古老岩石的共同特点是，它们不是来自任何"原始地壳"，而是熔岩流和沉积在浅水中的沉积物，这表明地球历史在这些岩石沉积之前就开始了。

1983年在澳大利亚西部Jack Hills 地区，科学家在砂岩中找到了几颗特殊的锆石矿物颗粒，这些锆石可能是由附近的花岗岩风化、侵蚀而成，并与石英和其他碎屑颗粒一起被河流沉积而成。采用标准年代测量手段可以追踪年代的最古老的矿物是约44亿年前的少量锆石，这已经是通过地球物质测定的最古老的地球年龄了。

2.5 天外来的锆石

由于地球上古老岩石难以寻觅，Claire Patterson突然意识到，他可以利用地球之外的岩石，从而绕开缺少地球古老岩石的问题。他把注意力转向陨石。

流星体进入地球大气，如果未燃烧殆尽，可能有剩余的固体物质掉落地面，即被称为陨石或陨星。近百年里，全世界收集到的目击陨石有1100多次，但是绝大部分掉进了海洋、森林、沙漠、冰川、湖泊等人迹罕至的地方，真正被发现并不多，但足以让科学家研究陨石的秘密。

天文科学家认为，包括太阳、地球，以及太阳系大量存在的陨石是由同一片星云冷却凝聚形成，形成于相同的时间，并具有相同的同位素组成。太阳系陨石具有其特殊性，一方面，陨石携带了太阳系形成时的物质，与地球同源。换言之，陨石以及太阳系其他天体的年龄也就基本等于地球的年龄。另一方面，陨石多是岩石和金属的碎片，在撞击地球之前已经在太阳系中漂浮了数十亿年。落入地表之后，由于体型相对行星小的多，形成后热能迅速散失，内部物质无法循环，与外部也没有物质和能量上的交换，可以看作一个孤立、封闭的系统，而陨石内初始的同位素，也就在这个封闭系统衰变至今。这些最原始的陨石被称为球粒陨石，球粒陨石的年代测定给地球年龄确定了上限，被认为是与整个太阳系同时形成的。

寻找落入地球的太阳系陨石，给地质学家测定地球年龄的打开了新的大门。太阳系陨石碎片在地球的各个角落都发现，尤以南极洲发现的最多。冰的缓慢流动、融化使陨石聚集在某些特定地区，从而使它们容易被发现。地球上已知的矿物有5000多种，岩石中常见的有二三十种。目前在陨石中发现的矿物只有200多种，绝大多数和地球矿物相同。陨石中最常见的是橄榄石、辉石、长石这三种硅酸盐矿物和铁纹石、镍纹石这两种金属矿物，其他矿物含量非常少。通过测定橄榄石、辉石、长石三者比例就能基本确定陨石类型了，也可以将陨石与地球岩石区分开。

1953年Claire Patterson采集了美国亚利桑那州“流星陨石坑”中的Canyon Diablo球粒陨石，这一陨石坑直径达1.2公里。这些球粒陨石被认为是太阳系内最原始的物质，是从太阳系胚胎星云汇总直接凝聚出来的产物，它们的平均化学成分就代表了太阳系的化学成分。利用放射性同位素的衰变规律，Claire Patterson测定陨硫铁中的238U/204Pb仅为0.025，说明这个陨石几乎不含任何铀，铀衰变产生的铅微乎其微，因而可以将该陨石的铅同位素比值作为陨石初始的铅同位素比值，将地球岩石中平均的铅铀比例设定为最终值，计算得出地球的年龄在41-46亿年之间。

1956年精益求精的Claire Patterson对自己的测量结果仍旧不满意，他又找来另一种和陨硫铁性质近乎相反的石质陨石，即初始含铅量极低，其中的铅都是由铀衰变而来。他将包括Canyon Diablo陨石在内的5个隕石的206Pb/204Pb和207Pb/204Pb投在坐标图上形成一条直线，根据直线的斜率计算出地球的年龄为45.49亿年。下图中的虚线展示了铅同位素的演化轨迹，三条直线称为等时线（Isochrone），顾名思义，每条线代表不同的年龄，而这条线上每个点则代表相同的年龄。

综合两个测定结果，帕特森在1956年最终得出地球的年龄为45.5±0.7亿年。他的研究结果“Age of meteorites and the earth”（陨石与地球的年龄）1956年发表于地球化学与宇宙化学学报上，这与目前公认的地球年龄十分接近。以深海沉积物为代表的地球铅同位素比值也正好落在这条45.49亿年的等时线上，充分证明了地球与陨石同源。

图7  Pb同位素等时线图，图中圆点显示的是球粒状陨石样本的铅同位素比率。所有数据点都位于一条直线上，表明这些陨石具有相同的年龄。根据直线的斜率，可知这些陨石的年龄为45.5亿年。

除了研究落入地球的陨石之外，十九世纪中叶开始的阿波罗登月计划成功获得了月球岩石，为间接测量地球年龄开辟了新的途径。1971年7月31日美国航天局NASA发射的阿波罗15号飞船在月球地表的一个断面“哈得利月溪”上，宇航员采集到了一块闪闪发光，有很多微小晶体的岩石，这些岩石标本被拿回地球以后，科学家们如获至宝，因为这块从月球上采集的岩石样本告诉了有关月球起源的信息。月球表面岩石可以直接用来定年，是因为月球上没有大气和水，也没有板块作用，这种岩石在月球上有极大几率保存下来。地球上就很难保存那么长的时间，因为地球的岩石圈其实也在缓慢的循环。利用Pb-Pb同位素定年法，这些岩石的年龄差别很大，在33-44.7亿年，反映了它们不同的形成年龄和随后的历史。其中最古老的月球岩石的年代44.7亿年，是在月球高地收集的，它们代表了月球的原始地壳。月球实际年龄可能比44.7亿年还老，因为科学家没有确切的证据保证找到的是最老的月球岩石。

3、日震年龄测量

太阳是由炽热的气体组成的巨大球体，自诞生以来，其内部就一直在进行着把氢聚合成氦的核聚变。日震年龄测定法起源于十九世纪60年代，天文学家发现太阳表面在有规律地振荡，即日震。日震波的传播与太阳的组成，特别是太阳中心的氦和氢的相对含量有关，通过日震测定太阳中心氦的含量，就可以计算出太阳的年龄。该认识的理论推断为：太阳系是由同一片星云冷却凝聚形成（凝聚方式未知），太阳系内其他天体的年龄也就基本等于地球的年龄。

3.1 元素吸收光谱研究太阳内部结构

当白光通过棱镜时，它会分裂成七种组成颜色（彩虹的七种颜色），这就是通常所说的光谱。德国验光师Joseph Von Fraunhofer（约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫）用一种叫做光谱仪的特殊仪器，在阳光下进行了类似的实验，他在光谱中发现了黑线。人们很快意识到这些黑线代表光谱中缺失的颜色（更具体地说，是波长），而这些缺失是因为太阳内部和周围的元素吸收了这些特定波长的光。每一种元素都吸收光谱中与它的原子中发生的电子传输相对应的特定波长。因此，这些黑线表示某些元素的存在，如氢、钙和钠，因为它们代表了这些特定元素吸收的波长。这是一项非常简单而有效的技术，为发展更先进的测量太阳成分的仪器奠定了基础。

基于特定元素的光谱吸收特点，结合地面望远镜和卫星等多方面获得的信息，科学家们通常将太阳分成六层：光球层是我们能直接观察到的最深的一层，颗粒和气泡气体覆盖了光球层的大部分。色球层是光球层的下一层，也是太阳耀斑的来源。再下一层是日冕，肉眼无法看到，但可以用日冕望远镜观察到。以上三层构成了人类肉眼可见的区域。最内层的核心是太阳最内部的区域，富含氢和氦，所有的能量都是通过核反应产生。核心之上为辐射区，充满了宇宙射线和充满能量的光子。辐射区之上为对流层，从大约20万公里的深处一直延伸到恒星的可见表面，光子是在对流层表面产生，也叫做光球层。

然而，元素吸收光谱有其局限性，只能测量太阳表面的成分，而不能测量太阳核心的成分。太阳核心的辐射主要由粒子组成，比如中微子，它们在太阳表面发出的光的背景下运动，因此不能用标准的光谱设备检测到。因此，新一代具备灵敏光传感器的天文仪器被研发出来，如日本Kamiokande Observatory（日本上冈天文台），用来识别这些粒子，这些粒子产生于太阳核心的核聚变反应，其特殊的震动反映了太阳的内部结构，被称之为“日震”。

3.2 日震学研究太阳内部结构

地震是我们地球上破坏力最大的自然灾害之一，每年约有500万次大大小小的地震。有趣的是，这种频繁的震动并非地球独有，而是大部分星体都存在的一种普遍现象。1970年，美国著名天文学家莱顿发现太阳上也有类似地震的震动现象，这是人类第一次发现“日震”现象。

科学家研究太阳内部的另一种方法是日震学（Helioseismology）。科学家们通过研究从内部发出的声波来聆听太阳的声音。NASA的太阳和日球观测台以不同的频率记录振动，并在斯坦福物理实验室使用合适的技术将振动转换成声音。这些声波在光球层内部的反射会使表面产生轻微的振动和移动;光球层的上升和下降可以用专门的技术来测量，以提供有关太阳内部物质密度和运动的信息。通过研究太阳表面运动性质来探索太阳内部结构的方法，它与地震学家根据地震时地壳的运动性质来了解地球内部结构相似。

1960年，加州理工学院的科学家们偶然，可以通过太阳表面的运动来探测太阳内部，他们本来打算研究太阳表面热气体的无规（或混沌）运动。但是，直到1980年代多普勒效应的测量技术的革新，这一研究才得以深入。

多普勒效应显示，太阳表面上离我们而去的小块发来的光产生微小的红移，也使太阳表面上向着我们而来的小块发来的光产生微小的蓝移。当太阳表面的某个小块在里外方向振动时，该小块发来的光的多普勒效应便发生有韵律和规则的变化。

加州理工学院的研究小组发现，多普勒效应显示，太阳表面小块的振动是断断续续的，它大致半小时内在里外方向振动五或六次然后停止，速度大约是500m/s，总位移约50km，这一运动距离相当于太阳直径的2%。起初，这些振动似乎是纯粹的局部现象，但在1970年代，几位天文学家独立提出，每一个這种短寿命的局部振动实际上可以更好地解释为数百万个较小振动合成的结果，这些小振动就是陷在太阳内部并使太阳表面像钟一样鸣响的声波。一连串的5分钟振荡实际上是数百个周期在大约3分钟到1小时的不同振动频率的叠加。

太阳就像沙暴中的一只钟，不断地被细小的沙粒撞击，不断地有新的振动产生和旧的振动消失。最终的混合声调（可能是起初的无规振动造成的）很像在大钢琴盖上乱敲一气时听到的声音——毫无规律的敲击使得钢琴的每根弦以其固有频率振动，发出一个单纯音符，所有弦的单纯音符合在一起，成为名副其实的和弦，这就是你听到的轻柔的钢琴声。

太阳内部的波确实是与教堂管风琴管道内部振动的声波一样的声波，它们合在一起有规则地对太阳表面进行扰动。由于声波在太阳内部的传播速率随深度而变，太阳的深层比表层更热，也比表层更密，因而声波在深层的传播速率较高。当声波从太阳表面折返向下传播时，声波的运动速度将增快，然后再太阳对流层向上弯曲并返回到表面。然而波不能从表面逃走，于是便像光线在镜子上反射那样，又从表面折返回太阳内部。随着这个过程的重复，波便绕着太阳往返、重复地潜入对流层然后折回表面。每个波下潜的深度，因而也就是每次往返翻越的表面距离，取决于振动的波长。在大多数情况下，绕着太阳反弹的波最终衰减、消失而不会对表面产生可察觉的影响。这一震荡的气体就像波浪一般，循环往复，使得太阳表面形成一片火海。

但有些情况下，每个波往返的距离正好是太阳周长的整数分之一。这时，尽管波绕太阳一周可能来往6个或12个或600个往返，但它总是在开始的地方结束，然后重复它的旅程。在波的整个存在期间，它总是在表面的同一些小块上反射，每经过一个小块就给它一次有韵律的推动。这种波叫做"驻波" ，它与拨动吉他弦或吹奏风琴管发出单纯音符的驻波完全相同。

通过分析风琴管的音符，经验丰富的乐器家就能算出管子的尺寸。同样，通过分析驻波绕太阳一周产生的表面“音符”，天体物理学家不用看太阳表面以下部分就能够算出太阳深层的条件。由于太阳是一个货真价实的三维物体，而不是风琴管那样的线性管子，所以太阳内部条件的计算要复杂些，但原理则完全一样。某个特定振动模式的总效果可想像一个用黑白相间六边形制成的足球来说明（真正的足球是用五边形和六边形混合制成的，但我们忽略这些细微区别）。每个黑六边形代表太阳上一个向内运动（离开我们而去）的小块，每个白六边形代表太阳上一个向外运动（向着我们而来）的小块。于是大约2.5分钟后，整个图像将反过来，即原来向外运动的区域变成了向内运动，反之亦然。由于声波的传送是基本稳定的，所以太阳的日震也具有了可观测的规律性，依据表面振动模式的详细观测资料和数学处理方法，就能够解释这一规律。

实际观测结果表明，每个单独的振动只能使太阳表面以几十厘米每秒的速率向内和向外运动几十米（太阳的直径超过100万公里）。正是这些数以百万计的小振动的联合影响，产生了1960年首次观测到的较大的短期的振动。声波通过对流层运动的方式依赖于对流层的温度和深度，也依赖于它的物质成分。日震学表明，太阳外区是由75%的氢和25%的氨组成的，这和天体物理学家预期的一致，但对流层却比天体物理学家以前得到的要略为深些，它从表面向下延伸约20万公里，大致占有从太阳表面到中心距离的30%。部分声波通过了太阳辐射区和很深的核心，能提供有关太阳中心区域正在发生着的太阳核聚变反应，也是太阳中微子的发源地的各种条件（特别是温度）的信息。

日震学已成为探测太阳的极其重要的手段，人们为了能持续监测太阳，在南极、人造卫星上建设了不受天气、昼夜影响的全球日震观测站网，具有重要的研究意义。

3.3 日震年龄测量

对于单一的恒星来说，很难根据其亮度与温度获取太多信息。因为这些性质在其生命90%的时间里基本保持不变，恒星年龄的唯一可行办法是研究星团，星团的优势很明显，即所有质量的恒星几乎都在同一时间形成，组成物质也一致。星团诞生后，当中会包含许多质量各异的恒星，在恒星生命中大约90%的时间里内部核心的核反应将氢转化成氦（恒星主序期），同时释放大量能量和辐射，这些能量从核心传到表面，最终以光的形式离开恒星。质量最大的恒星是“蓝热的”并且非常明亮，而质量最小的恒星是“红热的”并且相当微弱。一旦恒星形成，其质量（亮度和温度）在主序期不会发生太大变化。

通过观测星团，找出那些还未进入其生命末期，而且是最热，最蓝，质量最大的恒星，确定他们的质量、温度、氢氦相对丰度。正因为太阳的振荡（日震）遵循一定的模式，而这些模式取决于太阳内部的组成，尤其是核心的氢和氨的相对丰度。我们可以依据恒星质量得知恒星诞生时有多少燃料，而恒星的亮度会告诉我们其消耗燃料的速度有多快。再利用标准太阳模型演化模型进行拟合，即可推断出太阳的年龄（作为类比，如果我们知道点着汽车油箱里面有多少汽油，还知道汽油的消耗速度，那么当燃油耗尽时，我们就能推断出汽车行驶了多久）。因为星团中的所有恒星拥有相同的年龄，知道一颗恒星的年龄就相当于知道了整个星团的年龄。

在恒星核心中氢如何转化成氦，以及该过程产生了多少能量，这背后的基础物理还是相对简单和好理解的。在20世纪的大部分时间，限制我们了解恒星年龄的主要因素，是星团距离的测定——特别是那些相对来说更遥远的，最古老的球状星团的距离（我们知道恒星看上去有多亮，但要知道他实际上有多亮，你需要知道他有多远：是像1公里外的路灯还是10公里外的航空灯塔？大半夜的黑不溜秋，没有参考点，很难得出结论）。随着技术进步，例如在测量恒星距离和亮度时引进电荷耦合器件取代摄影感光技术，这使得我们的观测结果更为可靠。

距离测算方式进步后，距离不再是问题，我们需要其他细节才能确定星团的年龄——例如恒星将核能转化为可见光？从恒星核心产生的能量，究竟有多少最终到达了表面，并转化成我们看到的光线？对流作为一种传输能量方式的重要性如何，以及对流的效率如何？这些问题的答案对推测质量与表面温度的关系有一定影响。

运用日震学方法获得的太阳年龄大约为45.7亿年，与使用放射性同位素测年法得出的形成年代相吻合。总体上，由于观测以及理论物理中的一些不确定性，我们在估算球状星团的绝对年龄时，很可能会导致10%～20%的不确定度。

5、综合评述

从早期的海水盐度、沉积岩沉积速率等滴漏定年法，到19世纪末的热力学定年，再到现代U-Pb、Pb-Pb等放射性定年作为地球的原子钟，在经过近300年的努力之后，人类终于测出了地球的年龄为45.49亿年，这一年龄得到了天文学日震年龄测量的证实。

地球年龄的最终确定是地质学、物理学、天文学等综合研究成果，得益于科学理论的发展以及同位素质谱仪、太空望远镜、超级计算机、阿波罗登月计划等一系列先进仪器设备的研发。科学技术是第一生产力，在深刻改变人类生产生活方式的同时，也直接促进了人类对位置世界的认知。

参考文献

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基金项目：中国地质调查局项目“宜昌斜坡页岩气有利区战略调查”（编号：DD20179615）资助.

作者简介：罗胜元（1986-），男，湖北武汉人，工程师，博士.