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认识我们所生存的环境

第二課：

　認識我們所生存的環境

1.前言:

第二、三章不是本書的主題，卻是以後各章的理論基礎。

第二章題目是認識我們生存的環境，使讀者認識我們所存在的時間與空間，第三章題目是板塊構造學說，說明許多自然災害如何與一個動態的地球有關。

這兩章的內容，雖然在地質學、海洋學與天文學裏可能各有專論，但這裡我們是以自然災害的角度來討論這些內容。

第二章內容涵蓋宇宙的起緣、銀河的演化，星球的誕生與演化、太陽系的形成，地球的形成、地球的內部結構、大氣的結構與來源、地球上的生命、地球上的岩石等項目。

從太空中遙望，地球實在是一個美麗的行星（圖2.1），我們希望藉著本章知識，我們更能珍賞我們所生存的環境。

2.宇宙的起緣

（1）.擴張中的宇宙（TheexpandingUniverse）:

宇宙含有2000億個銀河，每個銀河含有2000億個恒星。

由天文望遠鏡所觀測（圖2.2），假設宇宙的邊緣是距離地球最遠的星球，它們距離地球約為130億光年（即光行130億年距離），故從而估計宇宙的年齡為130億光年，並且宇宙是在不斷的擴張中，但如何得知宇宙在擴張中呢?

（a）宇宙擴張（膨脹）的證據:

紅位移是宇宙擴張的證據，由哈伯（EdwinHubble）於1929年題出。

（b）都不勒效應（DoppleEffect）:

　紅位移，即星球光譜有移向低頻（紅光在低頻端，紫、藍光在高頻端）趨勢（圖2.3），是一種物理現像，這一種現像，可用物理學中的都不勒效應解釋。

都不勒效應是說，當一個物體接近觀測者，它所發出的任何頻率對觀測者而言，會感覺比真實的頻率高。

例如火車接近車站，在車站候車的乘客會覺得火車的鳴笛聲很尖銳，反之當火車遠離車站，會覺得鳴笛聲很低沉。

因此紅位移現像，即星球發出頻率移向低頻，說明星球在遠離地球，並且星球遠離地球的速率與星球與地球的距離呈正比。

宇宙的擴張可由下述三種學說來解釋（圖2.4）:

（A）穩定狀態說:

由劍橋學者提出，說明宇宙以恆定速率擴張，並且新的物質不斷的添入以維持宇宙固定的密度。

這些新添入的物質，主要是以氫原子型式出現。

但這個學理在天文觀測中並未發現證據支持。

（B）大爆炸說:

由GeorgeGamow提出，說明宇宙起源於大爆炸，並且所產生之眾多銀河均在不斷擴張中。

（C）宇宙脈動說（pulsatinguniverse）:

說明宇宙物質現今在擴張中，但至終擴張速率會減慢並因重力作用又逐漸收縮回到原初狀態，如此周而復始。

此三種學說中以大爆炸說最為普遍接受。

但宇宙是開放或封閉，是無限擴張或脈動說，取決於現今宇宙平均密度是否大於理論中的臨界密度（ρc定義如下式），雖然現今我們所觀察的宇宙密度值遠比臨界密度小，似乎支持一個宇宙無限擴張理論；但一些物理學家認為宇宙中應存在著密度極大的”黑暗物質”，若然則計算的宇宙平均密度將大於臨界密度，一旦擴張到宇宙平均密度小於臨界密度，宇宙又會收縮。

因此關於宇宙創始的學說何者正確，目前仍無定論。

ρc=3H02/8πG=5*10-30g/cm3，H0為宇宙擴張速率

三.銀河的演化:

（i）每個銀河是由許多旋轉並聚集一起的星球、碎屑、灰塵、氣體構成，每個銀河含有2000億個恒星，我們所在的銀河稱為本銀河（OurGalaxy）或牛奶路（MilkWay），在晴天的夏夜裡，觀察頭頂中天密密麻麻發出暗淡光輝如煙雲狀者，即本銀河，因我們位在本銀河內我們當然看不到本銀河全貌，圖2.5是天文望遠鏡觀測到的一個類似的銀河，與太陽系在其間所在的大致位置。

（ii）星球或銀河間彼此的作用力是萬有引力。

（iii）銀河的形狀與分類有:

橢圓狀（Ellipticals）、螺旋狀（spirals）、棒狀（BarredSpirals）與不規則狀（irregulars）（圖2.6）。

（iv）橢圓狀銀河以較老的紅色星球居多；螺旋狀銀河混合有較老的紅色星球與較年輕的藍色星球；不規則狀銀河主要都是由較年輕的藍色星球構成。

這似乎含示一個演化的過程，由較年輕的不規則狀銀河進化到較老的橢圓狀銀河。

有些天文學家卻以為銀河的大小、密度與氣體旋轉之速度決定銀河的形狀。

四.星球的誕生與演化:

（1）星球之形成是由於萬有引力（重力）的作用。

星雲（nebulae）由氣體與灰塵構成，因重力作用收縮；當其被壓縮至直徑為10,000天文單位（astronomicalunits；指地球公轉規道距離）時，準星球（protostar；指據有星球雛形）即出現（圖2.7）。

此準星球再因重力作用繼續收縮，此時位能轉換為熱能，當中心溫度達107oC時，核能反應（氫轉換為氦）發生，產生熱能足以抵抗重力，星球體積便固定，於是一個星球正式誕生。

因角動量守恆緣故，星球均保留起初自轉特性。

（2）星球的演化:

（i）赫羅圖表（HRDiagram）:

由Hertzsprung與Russel於1919年提出，解釋星球的演化，大部分星球均位於此圖表上。

此圖表之橫座標為星球之溫度，縱座標為星球之亮度，每個星球均由圖表中之一點表示。

觀察赫羅主序列發現，所有星球幾乎全分布於赫羅圖表中的四個區域（圖2.8）。

大多數星球位於主序列（mainsequence）上，有不少落於圖中巨星區（giants），由發亮的黃色到紅色星球構成。

另有少部分落於發亮的超巨星（supergiants）與暗淡的白矮星區（whitedwarfs）

赫羅圖表中縱軸代表亮度，它與星等（1到6等）有關。

縱軸為星球表面溫度，此溫度可由觀察到的波譜求得，根據維恩定理（ｗien’sLaw）:

黑體輻射最大波長（μm）=2900/物體之溫度　（oK）

例如太陽表面溫度5000oK，故最大波長越等於0.5μm（可見光範圍為　0.4-0.7μm）。

（ii）演化的途徑:

（如同人的生老病死）

　赫羅主序列說明星球演化的途徑，稱為星球的演化軌跡（evolutiontrack）。

（a）主序列（mainsequence）:

為正常的星球所在。

當星球內部有足夠的燃料以提供核反應，使星球能以穩定的速率輻射（發光）。

　（b）紅巨星（RedGiants）:

當中心之氫燃料消耗淨盡，中心附近因重力塌陷，此時其燃燒更劇烈並延及其外圍物質，星球體積因此膨脹，它們位於赫羅圖表之右上方角落巨星或超巨星處，通常被稱為紅巨星或紅巨人。

（c）白矮星（Whitedwarf）（佔3%）:

　當星球內部與外部的燃料幾乎都完全耗淨，不能產生足夠熱能以抵抗重力，星球即開始塌陷（collapses）。

在塌陷過程中星球可能經過數次爆炸（稱為超新星）拋掉許多物質，直到它們內部熱能及殘餘物質的燃燒能繼續抵抗重力，使體積再次穩定並發出微弱光芒，故被稱之為白矮星。

（d）黑洞（BlackHole）:

很稀有的情況下，假若星球之質量極大，當重力崩潰時，龐大的重力使其超越其它一切作用力並塌陷至體積幾乎為零，密度無限大（在數學上稱此為奇點），星球之引力大到將吸收一切所經過的光線，故被稱為黑洞。

（e）超新星（Supernova）:

質量極大星球在其演化的晚期（塌陷），將因極高溫高壓爆炸。

在爆炸瞬間產生許多重於鐵之元素，這些氣體物質被拋棄於太空中，是星球重金屬之主要來緣（圖2.9）。

註:

宇宙中有四種基本力---萬有引力、電磁力、強作用力、弱作用力；各種力的適用範圍各有不同。

天體間之作用力為萬有引力。

五.太陽系的形成:

（i）約五十億年前太陽系前身之星雲為呈碟狀物質，含75%氫、23%氦、及2%其餘來自超新星之氣體物質與碎屑，約經五千萬年至七千萬年之久，形成了太陽系。

外圈的物質構成了太陽系的行星，內圈的物質構成了中心的太陽（圖2.10）。

各行星均因角動量守恆而保留了自轉特性。

（ii）天文學家以為行星的形成是由於合併作用（accretion）。

即小的物質逐漸附合為大的物質。

六.太陽系簡介:

太陽系包括:

水星（Mercury）、金星（Venus）、地球、火星（Mar）、小行星（Asteroid）、木星（Jupiter）、土星（Saturn）、天王星（Uranus）、海王星（Neptune）、冥王星（Pluto）等（圖2.11）。

前四者稱為內行星，多為石質固體，後四者稱為外行星，多為氣體（圖2.12）。

冥王星（Pluto）因體積甚小且公轉軌道傾斜，2006年8月已被國際天文聯合會除名，不再具有行星資格。

水星:

平均密度5.44g/cm3（Earth5.5），大部分由鐵構成，沒有大氣層存在。

金星:

有火山活動與地殼構造，如同地球之板塊活動，可能如地球有核心構造（鐵），有大氣層存在並全為二氧化碳氣體（CO2），但晝夜溫差相差攝氏幾XX。

火星密度3.94g/cm3，含許多鐵及重金屬，核心為鐵鎳及硫，有很小之大氣層，約為地球之百分之二，可能有水。

小行星（Minorplanets）:

由三萬多個1到800公里直徑之碎屑及石質構成，彗星與小行星為隕石之主要來源，有關小行星的細節請見第十二章。

木星及土星:

含氫、氦及一些較重物質如岩石、鐵、冰等。

有很厚之大氣層由氫、氦、甲烷（CH4）及阿摩尼亞（NH3）構成。

彗星:

是太陽系外圍行星形成後所剩餘的物質。

由冰凍的氣體，冰塊和塵埃所組成。

集中於太陽系的邊緣，但有時因太陽的引力而以橢圓形的軌道在太陽系裏漫遊。

最有名的是哈雷彗星，1986年曾接近地球，其週期為76年。

七.地球的形成:

（1）約46億年前，地球由裏到外成分均為一致。

然而由於隕石的撞擊、重力擠壓、附合作用及地球內部放射線產生熱能，使內部部分融解。

較重物質如鐵、鎳因重力下沉構成核心。

較輕物質如矽（Si）、鎂（Mg）、鋁（Al）及氧的化合物（如SiO2）移至表面。

（2）產生地球成層的構造:

地殼、地函及核心（如同蘋果）（圖2.13）。

八.地球的內部結構:

1.因密度分層:

地球密度隨深度而增加可分為-地殼、地函及核心（圖2.14）。

（a）地殼:

位於地球表面約10-65公里厚，佔地球0.4%質量及1%體積。

多為矽酸鹽礦物，海洋地殼較重（2.9g/cm3），大多為玄武岩由矽、鎂、鐵及氧構成。

大陸地殼較輕（2.7g/cm3），大多為花崗岩由矽、鋁及氧構成。

地殼與地函之間介面稱為莫荷不連續面（Mohodiscontinuity）。

（b）地函:

在地殼下方，佔地球68.1%質量及83%體積，主要由矽、氧、鎂、鐵構成，約2900公里厚，密度為4.5g/cm3。

（c）核心:

核心在地球最內層，佔地球31.5%質量及16%體積，主要由鐵（90%）及鎳、矽、硫與其它重元素構成，密度達13g/cm3。

核心又分內核與外核，外核在地函下至5300公里深，含流體性質，為地球具磁場原因，內核為固體。

2.因物理性質而分層:

岩石圈（lithosphere）為較冷與硬之外部，約100-200km厚，軟流圈（asthenosphere）在岩石圈下方，當受壓時緩慢流動，深至350-650公里，軟流圈的對流帶動岩石圈（相當於板塊），產生所有地球表面的活動及地質現象。

2.地球內部分層的證據

（1）由密度之分布:

由地球半徑及質量可計算出平均密度為5.52g/cm3，但地殼之密度為2.7g/cm3，這表示地球內部由較重物質構成（表2.1）。

（2）由地震學證據:

（a）地震波分為由表面傳播之表面波（surfacewaves）與穿越物體之實體波（bodywave），表面波有雷利波（Rayleighwaves）與拉夫波（Lovewaves），實體波有P波與S波。

（b）P波又稱縱波，因分子震動方向與波進行方向一致，例如彈簧波。

S波又稱橫波，因分子震動方向與波進行方向垂直，例如繩波。

P波較S波傳播速度快，先傳至地表（圖2.15）。

（c）地震波穿越不同介面時，因速度改變而產生折射。

（d）因S波不能穿越液體，Oldham（1906）推研地球內部內部有較密之流體構造（即外核），以致造成S波被吸收，他又預測S波之陰影帶（ShadowZone），後也被證實。

（e）P波可穿越地球，並可據以推導出地函與外核之介面，在約在深2,900公里處。

此外此5,100公里處，有密實的內核構造（圖2.16）。

九.地球的大氣:

1.地球大氣的由來:

（a）地球初期的大氣，大多由H2、He及少量之CO2、CH4、NH3構成，但這些氣體後均因地球初期之高熱而逃逸（escaped）。

（b）今日地球的大氣，主要由氧、氮、及一些CO2、CH4及水汽構成。

這些氣體來自火山噴發的大量氣體，經長時間儲積而成（圖2.17）。

氧來自植物及浮游生物之光合作用。

水汽以各種型式儲藏於海洋、冰河、湖泊、河川與大氣。

2.地球大氣的結構:

氣象學家習慣根據大氣層內溫度的變化將其分為四層（圖2.18）:

（1）對流層（troposphere）:

這是從地表起到大約10至16公里高度，溫度隨高度而下降（在濕空氣中大約每公里高度下降6oC），因著其間空氣對流的特性，所有天氣的變化都在對流層內發生，對流層的頂端稱為對流層頂（tropopause）。

（2）平流層（stratosphere）:

從對流層頂到大約50公里高度，溫度隨高度而增加，稱為平流層。

溫度上升的原因是因其上部臭氧分子吸收陽光的能量，臭氧層吸收了大部分的紫外線，使人體不至受害，因此臭氧層的存在對人類生存是很重要的。

因為平流層內氣流穩定，故一般噴射客機都會先爬升到這個高度再飛往目的地，平流層的頂端稱為平流層頂（stratopause）。

（3）中氣層（mesosphere）:

從平流層頂到大約85公里高度，溫度隨高度而下降，稱為中氣層，中氣層的頂端稱為中氣層頂（mesopause）。

（3）增溫層（thermosphere）:

從中氣層頂到大約120公里高度，溫度隨高度而增加，稱為增溫層，密度極低，其外即外太空。

十.地球上的生命發展史:

地球上的生命最早發現於海洋，並以藍綠藻型式出現（如同細菌之有機體）。

約在五億七千萬年前之前寒武紀時（Precambrian,570ma）,生命以許多不同型式爆發（例如:

三葉虫trilobite500ma，貝cephalopods370ma）。

恐龍（Dinosaurs）活躍於侏羅紀（Jurassic,160ma）至白悪紀（Cretaceous,65ma），然後突然全體消失，人類之存在僅是近萬年來的事（圖2.19）。

第二章問題

1.請解釋大爆炸說。

2.何謂紅位移？

如何由紅位移證明宇宙在擴張中？

3.請說明星球的演化。

4.太陽系如何形成？

5.太陽系內有那些內行星？

有那些外行星？

其特徵有何不同？

6.請說明地球的內部結構。

7.如何由地震波證明地球內部有分層構造？

8.請說明地球大氣的由來。

9.請說明地球大氣的結構。

10.岩石的種類有那些？

其形成環境各有何不同？

11.請各列舉二個常見的火成岩、沉積岩、變質岩？

附錄:

地球上的岩石:

因以下各章中多處談到岩石，本章中我們須建立一點對岩石的基本認識。

1.岩石的種類:

岩石是什麼?

岩石是由一種或多種礦物組成的集合體。

自然界有三種不同種類岩石:

火成岩、沉積岩、變質岩，各由不同作用構成（見表2.2）。

2.火成岩

（i）形成:

岩漿接近地表，因溫度壓力降低，礦物逐漸接近熔點而先後結晶，構成岩石稱為火成岩（圖2.20）。

岩漿中各種礦物結晶有一定順序，熔點高者先結晶，熔點低者後結晶，稱為鮑氏（Bowen）反應系列。

（ii）特徵:

火成岩特徵是由許多大小不一的礦物結晶粒組成，並且質地嚴密堅實（圖2.21）。

（iii）分類:

按生成時岩漿是否流出地表分為噴出岩及侵入岩兩大類；再按所含結晶礦物成分的不同，細分為各種火成岩，見表2.3及圖2.22。

註：

玻璃質岩石：

黑曜岩、浮石

3.沉積岩

（i）形成:

沉積岩是岩石及生物遺骸，經過下列地質作用，而造成沉積岩。

這些作用包括:

1.風化作用（物理風化、化學風化）（圖2.23-24）

2.侵蝕作用（圖2.25）

3.搬運作用（圖2.26-27）

4.沉積作用（沉降、沉澱）:

（a）沉積物:

（岩石、礦

物碎屑）沉積（b）生物遺骸碎片:

溶解在水中的

物質沉澱

5.成岩作用（壓密、膠結、再結晶）

（ii）特徵:

沉積岩具有下列特徵

（1）層理：

沉積岩的主要特徵，依礦物顆粒大小、成份差異、結構生成環境之不同，具有成層的構造（圖2.28）。

（2）粒級層：

層理的一種，組成礦物的顆粒俞下俞粗，俞上俞細

（3）交錯層

（4）波痕：

水流動造成

（5）生痕：

生物活動造成，化石的一種

（6）可能含有化石（圖2.29）

（iii）分類:

沉積岩可下述原則細分如下，常見的沉積岩見圖2.30。

（一）碎屑沉積岩

（1）主要由岩石、礦物碎屑組成。

（2）最常見的沉積岩。

（3）依顆粒大小分為：

礫岩、砂岩、泥（頁）岩。

（二）生物沉積岩

（1）主要由生物遺骸組成。

（2）例：

生物石灰岩、煤。

（三）化學沉積岩

（1）溶解在水中的物質經化學沉澱而成，例：

化學石灰岩。

（2）古鹹水湖中的溶解物質蒸發而成，

例：

蒸發岩-岩鹽（主要礦物：

鹽岩、石膏）。

4.變質岩

（i）形成:

變質岩是岩石經變質作用而造成。

所謂變質作用是岩石因高溫高壓造成原有礦物發生化學反應，在固體狀態下，生成新礦物或改變顆粒大小、形狀、排列方式的作用。

（圖2.31）

（ii）特徵:

變質岩或受高壓而產生機械變形作用，或因高溫產生化學再結晶作用。

所以變質岩的特徵或者有葉理，即岩石一片片彼此平行排列，或者無葉理但由一些細粒的結晶礦物組成。

（iii）分類:

變質岩的分類即按有無葉理來分，見表2.4。

常見的變質岩見圖2.32。

5.台灣常見的各種岩石及其分布:

台灣因其特殊的地質及構造環境，具有多種不同岩性的岩石，它們的分布見圖2.33。