『地球科學』講義

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1 地球科學概論 講義 授課教師 : 李建興 國立屏東教育大學應用物理系

2 2011 年 9 月

3 地球科學概論 講義 目 錄 第一章緒論 頁第二章礦物 : 岩石的砌塊 8 頁第三章岩石 : 固體地球的材料 25 頁第四章地震與地球內部 51 頁第五章板塊構造學說 79 頁第六章現代天文學的起源 109 頁第七章太陽系之旅 頁第八章光 天文觀察以及太陽..159 頁第九章太陽系之外的宇宙.183 頁

4 第一章緒論 要了解地球並非易事, 因為地球不是一個靜態且不會變動的星球, 它反而是一個具有動力的星體, 擁有許多交互作用的部分以及一段漫長而複雜的歷史 何謂地球科學? 地球科學 (earth science) 是試圖去了解地球及其周圍環境的所有科學 它包括地質學 (geology) 海洋學 (oceanography) 氣象學 (meteorology) 和天文學 (astronomy) 傳統上我們將地質學分成兩大領域 自然地質學與歷史地質學 自然地質學 (physical geology) 是檢視組成地球的物質以及企圖了解地表上下方許多地質運作的過程 地球是個動力體而且是會變動的星體, 其內部的力量可產生地震 造山運動以及火山構造 在地表上, 外營力過程可以將岩石分裂開來, 並且雕刻出一系列的地形 水 風和冰的侵蝕作用造成了各式各樣的地質景觀 因為地球的內營與外營過程會反應在所形成的岩石與礦物之上, 所以解釋岩礦中所含的信息是了解我們地球的基礎 相對於自然地質學, 歷史地質學 (historical geology) 的目標是去了解地球的起源以及 45 億年以來地球的演化 依據過去地質歷史中所發生的許多自然與生物之變化, 努力去建立一套其年代先後的排列次序 因為在我們企圖去解開過去地球之前, 首先必須了解地球是如何運作的, 因此自然地質學之研究在邏輯上應優先於地球歷史之研究 海洋學並非是一門獨立的科學, 它是牽涉到應用所有的科學來廣泛地進行各方面的海洋研究, 以及探討它們之間的關聯性 海洋學整合了化學 物理 地質學以及生物學, 其內容包括海水的組成與運動 海岸地質過程 海底地形以及海洋生物之研究 氣象學是研究大氣以及形成天氣與氣候的過程 就如海洋學一 1

5 樣, 氣象學也牽涉到整合與應用其它科學來研究圍繞地球的薄層空氣 大氣受地球運動以及太陽能量的聯合作用, 使得沒有形狀與不可見的大氣產生了各式各樣的天氣, 並進一步地創造出全球氣候的基本模式 天文學是研究宇宙的科學, 在探索我們環境的起源上是很有用的 因為我們對所居住的地球是非常地熟悉, 以致於很容易忘記地球在龐大宇宙之中只是一個微小的天體而已 事實上, 地球受到一些物理定律所操控, 而這些定律也同樣操控著廣大宇宙中的許多天體 因此, 為了能解釋地球的起源, 先去獲悉太陽系成員之事物是頗有幫助的 再者, 我們把太陽系看成是組成整個銀河系眾多恆星的一部分, 進而將銀河系視為眾多星系的一部分 眺望地球 從月表上或太空來觀看地球, 地球是如此的美麗與孤獨 這樣的影像也提醒著我們, 我們的家畢竟只是一個行星 小 自給自足 在某方面甚至是脆弱的 當我們從太空更接近去觀看我們的地球, 就可以明顯地知道地球有著更多的岩石與土壤 事實上, 此時地球顯著的特徵並非是陸地, 而是懸浮在廣大全球海洋表面這些漩渦狀的雲, 這些特徵強調了水對我們星球的重要性 從太空中更接近去觀看地球, 有助於去領會為何地球的自然環境在傳統上會被畫分成三個主圈 : 地球水體部分之水圈 (hydrosphere); 地球氣殼層之氣圈 (atmosphere); 以及固體地球圈 這裏要強調的是我們的環境是高度整合的, 並非單獨由岩石 水或空氣來主宰的 它的特點則是來自於持續的交互作用 : 空氣與岩石接觸, 岩石與水體接觸, 而水體又與空氣接觸 此外, 地球上的所有生命型態, 我們稱之為生物圈 (biosphere), 它深入上述三個自然領域之中, 所以它也是星球整體的一部分 因此, 地球可以被視為是由這四圈所組成的 : 水圈 氣圈 固體地球圈及生物圈 在地球環境中各領域之間存在著無數的交互作用, 例如 : 海岸 2

6 線是岩石 水體與空氣的交會點, 在這個景象中, 橫越水體而移動的空氣會產生海浪, 並在岩岸處形成碎浪, 水的力量是強而有力的, 可以對岩石海岸進行很大的侵蝕作用 水圈 地球有時被稱為是藍色的行星, 就是水體使地球成為獨一無二的星球 水圈是持續運動的液體, 從海洋蒸發到大氣中, 然後再降水到陸地上來, 最後又流回到海洋中 全球的海洋當然是水圈中最顯著的部分, 它涵蓋地球表面的 71%, 平均深度約為 3800 公尺, 而它大約佔地球水體的 97%; 然而, 水圈也包括河流 湖泊 冰川以及地底下的水體 雖然這些後者的水源只佔全體水源的一小部分, 但實際上卻是非常地重要 它們除了提供乾淨的水給陸上生命以外, 河流 冰川與地下水也負責雕塑與創造出許多的地表地形 氣圈 地球表面包裹著一層賦予生命的氣體層, 我們稱之為大氣層 與固體地球做比較, 大氣層的厚度很薄且空氣也很稀薄 一半的大氣是位於高度 5.6 公里以下,90% 的大氣則位於地表 16 公里之內, 相較之下, 地球的半徑則高達約 6400 公里 僅管厚度較薄, 這個薄層的空氣也是地球整體的一部分 它不僅供應我們呼吸所需的空氣, 也保護著我們免受太陽高熱與危險輻射之傷害 持續發生在大氣與地表之 3

7 間以及大氣與太空之間的能量交換就形成了天氣與氣候的效應 假如地球像月球一樣沒有大氣的話, 我們星球將不只是沒有生命, 而且地表變動的過程與交互作用也將不再進行 若沒有風化與侵蝕作用, 地表將會更像月球的表面, 而這 30 億年以來月表幾乎是沒有發生變化 生物圈 生物圈是涵蓋地球上的所有生命 生物圈集中在接近地表的區域, 亦即從海底向上延伸數公里進入大氣之中的這個區域 植物與動物則仰賴自然的環境, 因為環境是生命的基礎 然而, 生物不只是對自然環境有所反應, 經由無數的交互作用, 生命型態也有助於維持以及改變其自然環境 假如沒有了生命, 固體地球圈 水圈以及大氣圈的組成與本質將會有明顯的不同 固體地球圈 位於大氣與海洋之下的是固體地球 因為此圈並不太均勻, 所以被細分成不同的區域或單元 基於成分的差異, 有三種主要區域被確認 : 一個有著緻密內圈的地核 (core); 較不太緻密的地函 (mantle); 較輕且很薄的地球外層之地殼 (crust) 地殼並不是厚度均勻的一層, 它在海洋之下是最薄的, 而在大陸存在之處是最厚的 雖然與其它固體地球中很厚的殼層相比, 地殼似乎是個不顯著的區域, 但地殼剛形成的地質過程與形成今日地球構造的過程是相同的 因此, 了解我們星球的歷史與本質, 地殼是有重要性的 4

8 地球表面的兩個主要分界是大陸與海洋盆地 這兩個部分最明顯的差異就是它們的相對高度 大陸的平均高度是在海平面以上的 840 公尺, 而海洋的平均深度則大約是 3800 公尺 因此, 就平均而言, 大陸是位於海底平面 4640 公尺的高度上 地球科學 人類與環境 環境是指圍繞以及影響某生物的每一個事物 有些事物是屬於生物性和社會性的, 但有些則是無生命的 自然環境包括水 空氣 土壤和岩石 以及溫度 溼度與陽光等條件 地球科學所研究的現象與過程是認識我們自然環境的基本, 就這個意義來說, 大多數的地球科學被視為是環境科學 然而, 當有關環境這個名詞被用在今日的地球科學時, 它通常是指著重在人類與自然環境的關係這些方面上 5

9 我們可以戲劇化地影響自然過程, 例如 : 河流氾濫是自然的現象, 但氾濫的大小與頻率可以因為人類的活動而有明顯地改變, 譬如森林消失 都市建設以及建造水壩 很不幸地, 自然系統通常不會自行改變以適應人為所參與的變化 因此, 想造福社會所做的環境變更也許會有反效果 資源 資源是地球科學的一個重要焦點, 因為它對人類具有很大的價值 它們包括水和土壤 各式各樣的金屬和非金屬礦物以及能源, 它們是構成現代文明的基礎 地球科學不只是處理這些重要資源的形成, 也處理如何維持供應以及開採使用時所造成的環境衝擊 居住在高度工業化國家的人很少能知道要維持他們現代生活水準需要花掉多少資源 例如 : 美國每個人之金屬與非金屬礦物資源的年平均消耗量約為一萬公斤, 這是工業界提供現代社會大量產品時, 按照每個人比例分配時所需的物質數量 資源通常被分成兩大類 有些被分類為再生 (renewable) 資源, 意思是在短時間之內可以再補充的資源 常見的例子是做為食物的植物與動物 做為衣物的天然纖維 當木材與紙張的樹木 來自水流 風與太陽等能量也被視為再生的資源 相對地, 很多其它的基本資源被分類為非再生 (non-renewable) 資源 像鐵 鋁 銅這些重要的金屬是屬於這一類 我們最重要的燃料也是一樣 : 石油 天然氣以及煤炭 雖然這些資源仍繼續地形成, 但其形成過程太過緩慢以致於有意義的礦床需要花數百萬年才能完成聚集 本質上, 地球上各種資源都有一定的數量 雖然有些不可再生的資源 ( 例如鋁 ) 可以重覆地被回收利用, 但其它的資源 ( 例如石油 ) 卻無法再回收利用 人口 我們地球的人口正快速地成長 雖然直到 19 世紀初人口才增加到 10 億, 但過了 130 年之後人口卻加倍到 20 億 1930 年到 1975 年之間, 這個數字又加倍到 40 億 到了 2010 年左右, 會有 70 億人居住在這個行星上 很明顯地, 當人口成長時, 對資源之也需求也隨之 6

10 增加 然而, 礦物與能源資源之使用比全體人口成長的爬升速率還快, 這個事實是由於生活水準增加所致 以美國為例, 美國人口只佔全球的 6% 左右, 但卻用掉礦物與能源資源年生產量的 30% 剩餘的基本資源還可以持續供應多久呢? 我們維持今日工業化國家持續上升的生活水準以及開發中地區逐漸成長之需求還能有多久呢? 在追求基本的資源中, 我們願意承受多大的環境惡化呢? 可以找到變通的方法嗎? 假如我們要應付逐漸上升的每人平均需求量以及成長的全球人口, 針對我們目前與潛在的資源有所了解是頗為重要的 環境的問題 除了尋找適當的礦物與能源資源之外, 地球科學也必需處理一大堆其它的環境問題 有些是局部性的, 有些是區域性, 然而其它則是全球性的問題, 已開發和開發中國家同樣要面對嚴苛的考驗 都市空氣污染 酸雨 臭氧層破洞以及全球暖化只是一些對我們有明顯威脅的事件, 其它的問題包括 : 肥沃土壤的流失 有毒廢棄物的處置 以及水資源的污染與枯竭, 有問題的項目持續在增加之中 除了人類所引發以及加重的問題之外, 人類也必須應付自然環境所引起的許多天然災害 地震 山崩 洪水以及颶風只不過是許多危險中的四種 其它如旱災, 雖然並不是如此嚴重, 但也是同等重要的環境事件 環境的災害當然只是一種自然的過程, 但當人們試圖居住在這些自然過程所發生的地方就會有危險 在許多案例當中, 天然災害之威脅因人口增加而惡化, 因此將會有更多人擠進一個濱臨災害的危險地方 我們可以清楚地知道, 當全球人口持續快速成長, 環境的壓力也將會增加 因此, 認知地球不僅對基本資源之位置與獲取, 而且在處理人類對環境之衝擊以及儘量減少天然災害之影響上都是必要的 為了我們的生存和福祉, 我們必需認識地球以及它是如何運作的 地球是我們唯一適合的棲息地, 它的資源是有限的 7

11 第二章礦物 : 岩石的砌塊 地質學之研究適合以研究岩石 (rock) 和礦物 (mineral) 為開端, 因為對組成地球物質之認知可說是了解很多其它地質現象的基礎 在本章節中, 我們將檢視原子與元素 礦物的構造單元, 然後再研究主要的礦物群, 經由探究以試圖回答下列一些重要的問題 : 如何辨識礦物? 岩石與礦物之間有何相異之處? 哪些是造岩礦物? 礦物資源的定義為何? 地殼是很多種礦物的源頭, 其中許多礦物很有用處而且是人類所需的 事實上, 每一種製品實際上是含有來自礦物的物質 大多數人都對基本金屬的一般用途頗為熟悉, 這包括飲料罐的鋁 電線中的銅 寶石類的金以及電腦晶片中的矽 但很少人知道鉛筆是不含金屬鉛, 它則是由軟而黑的石墨 (graphite) 所製成的 嬰兒爽身粉是用滑石 (talc) 的研磨粉再摻入香料所製成的 牙醫鑽穿牙齒琺瑯質所使用的鑽頭上面被覆了一些鑽石粉 常見的石英礦物是普通玻璃和矽晶片的主要原料 當現代社會對材料之需求日益增加時, 要找尋額外供應的有用礦物也需隨之增加, 而當容易開採的資源變枯竭之後, 這種需求則將變成更具挑戰性了 岩石與礦物除了具有經濟用途之外, 地質學家所研究的每一個地質過程當中, 在某程度上都取決於這些基本地球物質的特性 像火山噴發 造山運動 風化與侵蝕以及甚至是地震等事件都涉及到岩石和礦物 因此, 要了解很多地球科學現象就必需對地球物質有著基本的認知 礦物 : 岩石的構造單元 我們以礦物學概要來討論地球的物質, 因為礦物是岩石的構造單元 地質學家將礦物定義為具有規律的內部構造以及明確化學組成之自然產出的無機固體 因此, 任何地球物質要被認為是礦物的話, 它必須符合下列的各種特徵 : 8

12 1. 它必須是天然產生的 2. 它必須是無機的 ( 從來都不具生命的 ) 3. 它必須是個固體 4. 它必須具有規律的內部構造 亦即它的組成原子必須以明確的型態進行排列 5. 它必須具有明確的化學組成, 但可容許在一定的範圍之內出現成分上的變動 當地質學家使用礦物這個名詞, 只有符合上述這些規範的物質才會被視為礦物 因此, 由化學家所合成的鑽石以及其它各式各樣的有用材料都不被認為是礦物 再者, 蛋白石 (opal) 寶石被歸類為似礦物 (mineraloid), 而並非是礦物, 因為它缺乏有規律的內部構造 另一方面, 岩石的定義則較為寬鬆, 岩石簡單來說是任何地球天然產生的礦物及似礦物的固體物質 有些岩石幾乎完全是由單一種礦物所組成的, 有一個常見的例子就是沈積岩中的石灰岩 (limestone), 它是由不純的方解石所組成的 然而, 大多數的岩石就像花崗岩一樣, 它們是以多種礦物的集合體出現 在這裏, 集合體 (aggregate) 這個名詞意味著礦物是被連結在一起, 如此每個礦物仍保留著其特性 有些岩石是由非礦物之物質所組成的, 這些包括黑曜岩 (obsidian) 與浮石 (pumice)( 兩種火山岩是非晶質的玻璃物質 ) 以及煤 ( 由固態有機碎屑所組成 ) 雖然本章主要是討論礦物的本質, 但記住岩石大多數是礦物的集合體 因為岩石的特性大部分是由化學組成以及構成岩石之礦物的內部構造來決定的, 我們首先將考慮這些地球物質, 下一章我們再來細察主要的岩石種類 礦物的組成與構造 地球上有接近 4000 種的礦物, 而每一種礦物在化學組成和內部構造上都是獨一無二的物質 某一種特有礦物是由什麼元素所組成? 9

13 它裏面的元素是如何鍵結在一起的? 這又使礦物具有哪些重要的特性? 關於這一點, 讓我們簡要地溫習礦物的基本構造單元 化學元素 目前已知有 117 種元素, 其中只有 94 種元素在自然界是存在的 像金與硫這些礦物完全是由單一元素所組成的, 但大部分的元素是不穩定的, 因此大多數礦物至少是兩種元素之結合, 並且形成一種化學穩定的化合物 為了瞭解元素如何結合以形成礦物, 我們首先必須細察原子 原子是維持元素基本特性的最小粒子, 就是這些極微小的粒子扮演著化合的角色 原子是如何構成的 每個原子有一個中心區域稱為原子核, 它含有非常緻密的質子 ( 具正電荷的粒子 ) 與同樣緻密的中子 ( 具中性電荷之粒子 ) 為了方便起見, 我們常常會劃出原子圖並顯現出環繞原子核的電子, 這就很像行星有規律地繞行太陽 然而, 電子的移動非常快速, 以致於在原子核周圍就形成了一個球形分布的負電區域 因此, 藉由想像有一個圍繞原子核之帶負電的電子雲存在, 我們可以得到一個更加逼真的電子位置 我們也知道每個電子是位在離原子核中的某些特定距離之上, 我們稱之為能階或電子殼層 (shell), 有三個這種電子層顯示如右圖 如我們所見, 一個與電子層有關的重要事實就是每一層上都只能有一些特定數量的電子存在 10

14 原子核內的質子數目決定了原子序 (atomic number) 以及元素的名稱 例如 : 具有 6 個質子的所有原子稱為碳原子, 而具有 8 個質子則是氧原子, 以此類推 自由 原子 ( 未與其它原子結合的這些原子 ) 中的電子與質子的數目是相同的, 所以原子序也等於圍繞原子核的電子數目 因此, 碳有 6 個電子來匹配它的 6 個質子, 而氧有 8 個電子來配 8 個質子 中子不具電荷, 所以質子的正電恰好可以被帶負電的電子所平衡 因此, 未結合的原子是電中性的, 不具有任何的電荷, 元素因而是帶電中性之原子的大集合體, 其中所有的原子具有相同的原子序 原子是如何鍵結的? 元素彼此結合可形成各式各樣很複雜的化合物 化合物是兩種或多種元素以明確的比例鍵結在一起 當元素被分離, 亦即鍵結被打斷, 則化合物將不再存在 科學家經由實驗得知, 將原子鍵結在一起的是電力 此外, 我們也知道化學鍵會使所鍵結原子的電子層中的電子排列發生變化 當某個原子發生了化學結合, 它可以失去 獲得或與另一個原子共用電子 獲得電子的原子將會帶負電, 因為這時的電子會比質子的數目還要多 ; 失去電子之原子則將會帶正電 原子因為獲得或失去電子而帶電荷, 我們稱之為離子 簡單來說, 帶相反電荷的離子會彼此吸引而產生一個電中性的化合物 一個化學鍵結的例子是牽涉到鈉原子和氯原子結合產生氯化鈉, 它就是我們一般的食鹽 當鈉原子失去了一個電子而變成帶正電的離子, 氯離子則獲得了一個電子而變為帶負電的離子 這兩種相反電荷充當是電膠將兩種原子鍵結在一起 化合物的性質明顯會與組成元素不同, 例如 : 氯是綠色有毒的氣體, 在第一次世界大戰中被當作化學武器 鈉是個銀色的柔軟金屬, 它容易和水發生激烈反應, 若將之握在手中也會嚴重灼傷 然而, 這兩種原子結合在一起可形成氯化鈉之化合物, 它是乾淨的結晶質固體, 也是人體的必需品 這個例子也顯示出岩石與礦物之間的重要差異 當元素結合而形成礦物之後, 其組成的元素將失去它們的物理性質 另一方面, 岩 11

15 石則是礦物的混合物, 但其中每一種礦物仍將保留著自身的物理性質 同位素 (isotope) 與放射性衰變 (radioactive decay): 次原子粒子是非常地小, 因此我們發展出一種特別的單位以表示它們的質量 質子或中子的質量稍為比一個原子質量單位大, 然而電子則大約只有原子質量單位的 2 千分之一 因此, 雖然電子在化學反應中扮演著活躍的角色, 但它們對原子的質量則無明顯的貢獻 原子的質量數 (mass number) 是原子內核之中的中子與質子之總合, 相同的原子總是有著相同的質子數目, 但常具有不同數量的中子 這意味著一種元素會有一種以上的質量數, 這些同一元素的變種我們稱為該元素的同位素 例如 : 碳有兩種著名的同位素, 一個同位素的質量數是 12( 碳 -12), 另一個的質量數則是 14( 碳 -14) 同一元素的所有原子都具有相同數目的質子, 所以碳的質子數一直是 6( 原子序 =6) 因此, 碳 -12 必定含有 6 個質子以及 6 個中子, 其質量數則是 12; 然而, 碳 -14 也必含有 6 個質子以及 8 個中子, 使質量數等於 14 任意取來的之碳標本之平均原子質量是很接近 12( 非 14), 這是因為碳 -12 是較常見的同位素 同一個元素的所有同位素們幾乎有著相同的化學行為, 為了區分這些同位素, 可試著利用它們之間稍許差異的原子量來辨認 因為同一個元素的同位素有著相同的化學反應性, 所以不同的同位素皆可成為同一礦物中的一部分 例如 : 當鈣 碳和氧形成了方解石, 其中一些碳是碳 -12, 而另一些碳則是碳 -14 雖然大多數的原子核是穩定的, 但有許多元素之同位素具有不穩定的原子核 不穩定 意味著此種同位素經由所謂放射性衰變的過程而瓦解, 如此稱謂是因為此種衰變的原子會活躍地輻射出能量與粒子 當原子核的結合力不大而不足於使原子核保持在一起時, 就會發生放射性衰變 不穩定核之衰變速率是固定不變的而且是可量測的, 這使得這種同位素在地球歷史事件之定年上成為有用的 時鐘 12

16 礦物的性質 礦物以迷人的顏色 外形以及光澤出現, 它們有著不同的硬度, 甚至具有獨特的味覺或氣味 我們現在將檢視這些性質, 它們有助於礦物之辨識 晶形 (crystal form) 晶形是礦物內部原子有規則排列而反映在晶體外形之表示 當礦物在不受空間限制之下形成時, 通常會發育出具有良好晶面的各別晶體 下方左圖顯示具有晶面的黃鐵礦 (pyrite), 它是含有鐵和硫的立方形礦物晶體 下方右圖也顯示若空間與時間充許的話, 石英會形成獨特的六方形晶體 然而, 晶體成長時大多會嚴重地受抑制 因為晶體在有限的空間中相互地競爭, 最後造成小而擁擠的晶體相嵌在一起, 因而無法出現明確的晶形, 這就是花岡岩中礦物的情況 因此, 大多數無機固態物體雖然是由晶體所組成的, 但我們無法以肉眼來觀察 ( 晶體太小了 ) 光澤 (luster) 光澤是由礦物表面所反射出光的外觀或品質 不管礦物的顏色, 凡是具有金屬外觀之礦物都被認是具有金屬光澤, 如上方左圖中的黃鐵礦晶體 具有非金屬光澤的礦物則是以不同的形容詞來描述 13

17 它, 這些形容詞包括玻璃 ( 如上方右圖中的石英晶體 ) 珍珠 絲綢 樹脂以及土狀等光澤 有些礦物出現一些金屬光澤, 我們稱之為具有次金屬光澤 顏色 雖然顏色是礦物的明顯特徵, 但它常是一種不可靠的辨識性質 少量的雜質在石英中可以使它呈現不同的顏色, 例如有粉紅色 紫色 乳白色和黑色 條痕 (streak) 條痕是礦物粉末的顏色, 它們的顏色很可靠 將礦物在一片硬而無上釉的陶瓷 ( 稱為條痕板 ) 上磨擦就可以得到該礦物的條痕 礦物晶體的顏色各有不同, 但其條痕經常是不變的, 因此它是較為一致的性質 條痕有助於區別金屬與非金屬光澤之礦物 金屬光澤礦物通常具有較緻密而暗色之條痕, 然而非金屬光澤的礦物則不會出現此種條痕 硬度 (hardness) 最有用的辨識性質之一是硬度, 它是礦物抵抗外力磨損或刮損的能力 藉由未知和已知硬度礦物之間相互摩擦可以決定出此性質 除非兩者有相同的硬度, 否則其中一種礦物必可以刮傷另一種礦物 地質學家使用了一個標準硬度等級, 我們稱為摩氏硬度表 (Mohs scale), 它是 10 種礦物依照硬度次序由 10( 最硬 ) 到 1( 最軟 ) 所組成的, 如下所示 任何未知硬度之礦物可以摩擦這十礦物以決定其硬度 在野外, 手上的礦物標本可利用此類似方法來操作 例如 : 你指甲的硬度為 2.5, 銅板是 3.5, 玻璃則是 5.5 硬度為 2 的石膏礦物可以輕易地被指甲所刮損, 但外表相似的方解石之硬度是 3, 它則不會被指甲所刮傷 方解石不能刮傷玻璃, 因為玻璃的硬度高達 5.5 最硬的常見礦物是石英 ( 硬度 7 是 ), 它可以刮傷玻璃板 最硬的鑽石則能刮傷任何的東西 藉由未知礦物來摩擦已知硬度的礦物, 你可以很快地縮小其硬度的範圍 14

18 解理 (cleavage) 在一些礦物的結晶構造中, 有些鍵結會比其它鍵結來得脆弱 當此礦物受到外力作用時, 它會沿著較脆弱的鍵結方向發生破裂 解理就是礦物沿著脆弱鍵結的方向破裂或劈開的趨勢 並非所有礦物皆具有明確的脆弱鍵結平面, 但具有解理的礦物可以從這些特殊的平滑面辨識出來, 因為這些礦物破裂時可產生平滑面 最簡單的解理型式是出現在雲母 (mica) 中 ( 右圖 ), 因為雲母在某方向上有脆弱的鍵結, 它們可以被劈開成薄而平坦的片狀 有 15

19 些礦物破裂時可以形成多種平滑的解理面, 然而有些礦物卻完全不具有解理面 當礦物在不同方向上發生多種平滑破裂時, 我們將以所出現的平滑面數目以及它們彼此之間的夾角來描述其解理 斷口 (fracture) 礦物破裂後未顯現解理者 ( 如石英 ), 我們說它具有斷口 即使是斷口也有多種的外觀 : 礦物破裂成平滑的曲面者 ( 如破裂的玻璃 ), 稱它具有貝狀斷口 (conchlidal fracture) 其它有些礦物則裂成碎片或纖維狀 ( 如石棉 ), 但大多數則是呈現不規則的破裂方式 比重 (specific gravity) 比重就是礦物與同體種的水兩者重量的比值 例如 : 若有一個立方形礦物的重量是一立方水體的三倍, 則其比重是 3 實際上, 利用手來舉起並掂礦物重量的方式可以估計礦物的比重 例如 : 假如你覺得某礦物與常見的礦物的重量大約是相同的, 那麼此礦物的比重可能是介於 2.5~3 之間 一些金屬礦物的比重明顯比常見之造岩礦物來得大 方鉛礦 (galena) 是含鉛的礦物, 其比重大約是 7.5, 而 24K 金的黃金其比重則高達 20 其它礦物的性質 此外, 有些礦物可以利用其它的特殊性質來辨識 例如 : 岩鹽 (halite) 是一般的食鹽, 所以用你的舌頭可以很快地鑑定出來 薄的雲母片可以彎曲以及急速彈回 金則具有延展性, 亦即可以輕易地被敲打或成形 滑石和石墨都具有特殊觸感, 滑石摸起來像肥皂, 而石墨則有滑溜感 ( 它是乾性潤滑劑中的主要原料 ) 有些礦物 ( 例如磁鐵礦 ) 含鐵量很高, 可以被磁鐵所吸引 一些磁鐵礦的變種 ( 磁石 ) 是天然的磁鐵, 可以吸附小型含鐵物體, 例如大頭針和迴紋針 有些礦物展現特別的光學性質, 例如 : 將一個透明的方解石放在印刷品上面時, 會出現雙層的文字, 這種光學性質稱為雙折射 (double refraction) 再者, 許多含硫礦物的條痕聞起來就像發臭的雞蛋 一種非常簡單的化學測試是從滴管中將一滴稀鹽酸滴在新鮮的 16

20 破裂礦物表面 某種礦物 ( 亦即是碳酸鹽類 ) 會與鹽酸起反應而冒泡, 此種測試在鑑定方解石礦物時是很有用的, 它是常見的碳酸鹽礦物 摘言之, 很多特別的物理和化學性質在辨認某些礦物方面是頗為有用的, 這些性質包括 : 味覺 嗅覺 彈性 延展性 觸覺 磁性 雙折射以及對鹽酸有化學反應性 要記得每種性質都取決於礦物的組成 ( 元素 ) 和它的結構 ( 原子如何排列 ) 礦物群 目前大約有 4000 種礦物已被命名, 而且每年還都會有多種新的礦物被辨識出來 對於剛開始研究礦物的學生而言, 所幸只有數十種礦物的數量較為豐富 總體而言, 這些少數的礦物組成大部分的地殼岩石, 我們稱之為造岩礦物 (rock-forming minerals) 我們也注意到只有八種元素組成這些造岩礦物, 它們佔了大陸地殼的 98% 以上 ( 如下表 ) 依照數量, 這些元素依序是氧 矽 鋁 鐵 鈣 鈉 鉀和鎂 兩種最豐富的元素是矽和氧, 它們佔大陸地殼 3/4 左右 矽與氧結合形成最常見的礦物群 ( 矽酸鹽類 ) 之架構 次多的礦物群或許是碳酸鹽類, 其中方解石是最著名的一個成員 其它常見的造岩礦物包括石膏和岩鹽 我們首先將討論最常見的矽酸鹽礦物群, 然後再檢視其它著名的礦物群 17

21 造岩矽酸鹽礦物 每一種矽酸鹽礦物都含有氧與矽原子 除了一些矽酸鹽礦物 ( 例如石英 ) 之外, 大多數的矽酸鹽礦物在其結晶構造中也含有至少一種其它的元素 這些元素形成了各式各樣的矽酸鹽礦物以及不同的性質 所有矽酸鹽類具有相同的基本構造單元, 那就是矽氧四面體 它的結構是由四個氧原子環繞在一個較小的矽氧子所組成的, 如上圖所示 因此, 一個典型如手掌大小的矽酸鹽礦物標本含有數百萬個這種矽氧四面體, 它們是以不同的方式連結在一起 18

22 在有些礦物之中, 四面體以共用氧原子的方式相互連結成鍊狀 片狀或三度空間的網狀結構 ( 如上表 ), 這些較大型的矽酸鹽結構之間又被其它元素所連結, 而這些連結矽酸鹽結構的主要元素是鐵 鎂 鉀 鈉以及鈣 矽酸鹽的主群以及其常見的礦物也列於上表中 長石 (feldspars) 是最多的一群, 佔地殼 50% 以上 地殼中次多的礦物是石英, 它是唯一完全由矽與氧所組成的常見礦物 注意上圖中的每個礦物群具有其特殊的矽酸鹽結構 礦物的內部結構與其解理之間存在著關聯性 因為矽氧鍵很強, 矽酸鹽礦物傾向於在矽氧結構之間裂開, 而不是直接打斷矽氧鍵 例如 : 雲母具有片狀結構, 因此較容易裂開成平坦的板狀 石英在各方向上都有相同強度的矽氧鍵, 所以沒有解理存在, 而只出現斷口 矽酸鹽礦物是如何形成的? 大多數是因為熔岩冷卻而結晶出來的, 這種冷卻作用可發生在地表附近 ( 低溫低壓 ) 或地底深處 ( 高溫高壓 ) 結晶過程中的環境以及熔岩的化學組成大致決定了何種礦物將會形成 例如 : 在高溫 ( 約 1200 ) 下會結晶出橄欖石 (olivine) 之矽酸鹽礦物, 而在較低溫時 ( 約 700 ) 則會有石英結晶出來 除此之外, 一些矽酸鹽礦物是地表其它矽酸鹽的風化產物, 粘土 (clay) 礦物就是一個例子 然而, 其它矽酸鹽礦物則是與造山運動有關之極高壓環境下所形成的 因此, 每種矽酸鹽擁有特殊的結構與化學組成, 可以指出其形成的環境條件 所以藉由細心地檢視岩石中的礦物, 地質學家常可以決定出此種岩石形成的環境 重要的非矽酸鹽礦物 非矽酸鹽礦物只佔大陸地殼的 1/4, 所以相對於矽酸鹽礦物而言, 它們可被認為是稀有的礦物 然而, 它們有許多是具有重要的經濟價值 下表列出具有經濟價值的非矽酸鹽礦物 : 氧化物 硫化物 硫酸鹽 鹵化物和純元素狀態 一種遍及世界各地的造岩礦物群是碳酸鹽類, 它包括方解石礦物, 此種礦物是兩種著名岩石的主要組成 : 石灰岩 (limestone) 與大理岩 (marble) 石灰岩在商業上是被用來當做鋪道路 建石以及水泥中的主要原料, 大理岩則被當作裝飾之用的石材 19

23 有兩種其它非矽酸鹽礦物在沈積岩中常被發現 : 岩鹽與石膏 兩種礦物常以厚層礦床出現, 它們是前代古海洋長期受蒸發所遺留下的鹽類 類似前述的石灰岩, 岩鹽和石膏都是重要的非金屬資源 岩鹽是一般食鹽的礦物名稱, 而石膏則是熟石膏以及其它建築材料中會被使用到的礦物 除此之外, 許多其它礦物也具有經濟價值 ( 如上表 ) 金屬礦石包括有赤鐵礦 (hematite)( 含鐵 ) 閃鋅礦 (sphalerite)( 含鋅 ) 以及方鉛礦 ( 含鉛 ) 純元素狀態的有金 銀 銅和碳 ( 鑽石與石墨 ) 其它重要的礦物有螢石 (fluorite) 剛玉 (corundum) 和鉀鹽 (sylvite) 礦物資源 礦物資源是地球上可被開採及使用之有用礦物的寶庫 這些資源包括已被確認的礦床 ( 礦物可以有利地從中開採出來, 我們稱之為儲藏量 ), 以及在經濟和技術條件下尚未能開採的已知礦床 被推斷存在但尚未被發現的礦床也被視為礦物資源 礦石 (ore) 意思是指可以有利地被開採的有用金屬礦物, 礦石這個名詞一般也是指一些非金屬礦物, 例如螢石 (fluorite) 和硫 (sulfur) 然而, 應用在建築用石 鋪路 研磨劑 陶瓷和肥料等用途的材料通 20

24 常不稱為是礦石, 它們則是被歸類為工業岩石與礦物 記得超過 98% 的地殼僅是由 8 種元素所組成的, 除了氧與矽之外, 其它元素只是構成常見地殼岩石中一個較小的部分而已 ( 大約是 1/4) 事實上, 很多元素的自然富集濃度是相當低的 只含有地殼平均濃度的貴重元素礦床是沒有價值的, 因為提煉的經費遠超過材料取得後的價值 若考慮到價值, 元素必須富集超過其平均地殼濃度 例如 : 銅在地殼中佔了 %, 然而對於可成為銅礦的物質而言, 它必須至少含有這個數量的一百倍濃度 相對地, 鋁佔地殼的 8.13%, 要能有利地被開採之前, 鋁必須富集到 4 倍左右的平均地殼濃度 值得注意的事, 經濟變動可以使某礦床變得有利於開採或失去其開採的價值 假如某金屬的需求增加以及價格明顯提升, 則先前不利於開採的礦床將發生變化, 它可能變成一個值得開採的礦石了 假如技術提升而允許以較低的經費來開採礦石的話, 那麼原先不利於開採的礦床也將發生變化 相反地, 經濟因素發生了變化也可使曾經有利於開採的礦石礦床轉變成無利可圖的礦床, 此時不再稱之為礦石 此種情況我們以猶他州賓漢峽谷 (Bingham Canyon) 的銅礦場做為例子來說明, 它是地球上最大的露天開採礦場之一 ( 如下圖 ) 21

25 這個礦場在 1985 年時停止開採, 因為過時的設備使得開採銅礦的經費超過當時的售價 礦主以輸送帶和導管取代過時的鐵軌來搬運礦石與廢土 這些設備使開採經費減少了約 30%, 因此使得開採又回復到獲利的狀態 Box 1 寶石 (gemstones) 珍貴的石頭自從古代就受到人們的重視, 而此種傳統仍保留至今 寶石不只是富人的所珍惜的物品, 而且也被中產階級的人士所擁有 有關寶石的本質以及其所組成的礦物則存在著許多的誤傳, 部分的誤傳是來自於古人以顏色 ( 並非以組成 ) 將寶石加以分類 例如 : 很常見的紅色尖晶石 (spinel) 常被當成珍貴的紅寶石而交給王室 即使到了今天, 現代礦物鑑定技術雖然頗為普遍, 但黃色的水晶仍常當做黃玉 (topaz) 來販售 寶石的命名 很多寶石的名稱不同於原礦物的名稱, 這使得疑惑更為增加 例如 : 鑽石是由相同礦物名稱所組成的 ; 然而, 藍寶石則是剛玉的一種, 它是一種氧化鋁的礦物 雖然純氧化鋁是無色的, 但微量的外來元素可以產生顏色鮮明的寶石 因此, 會有各種顏色的藍寶石存在, 而這完全是由雜質來決定它們的顏色 同時含有微量鈦和鐵的氧化鋁可以形成最珍貴的藍色藍寶石 當剛玉含足夠數量的鉻就可出現亮紅色, 我們稱之為紅寶石 大顆寶石級的紅寶石會比鑽石還稀有, 因此價位非常高 摘言之, 當寶石級的剛玉標本展現出紅色時, 我們稱之為紅寶石 (ruby), 若出現任何其它顏色, 此種氧化鋁寶石就稱為藍寶石 (sapphire) 樣本若不適合當作寶石, 我們只能稱它為剛玉 (corundum) 雖然普通的剛玉並非是寶石, 但仍可做為研磨材料 上述兩種寶石是由剛玉礦物所組成, 而石英則是 10 種寶石以上的原礦物 怎樣才能構成寶石? 本質上, 某些礦物標本經過切割與拋光之後就會擁有美麗的外觀, 這樣就可以博得好價錢, 也可使寶石生產有利可圖 寶石可以分 22

26 成兩類 : 寶石與半寶石 寶石具有美麗 耐用 較大尺寸和稀有等特性 然而, 半寶石通常只具有上述一或二種特性 傳統最受人喜愛的寶石有鑽石 紅寶石 藍寶石 祖母綠以及一些不同的蛋白石 (opal) 其它的寶石被歸納為半寶石 然而值得一提的事, 大型且高品質的所謂半寶石樣品仍可取得很高的價位 明顯地, 美麗是寶石最需具備的重要特性 我們今日較喜好帶有均勻色彩的透明石頭, 而最喜愛的顏色似乎是紅色 藍色 綠色 紫色 玫瑰色和黃色 最珍貴的石頭則是鴿血紅的紅寶石 藍色藍寶石 草綠色的祖母綠以及淡黃色的鑽石 除了展現亮光 (brilliance) 的鑽石之外, 其它無色的寶石一般較不值錢 注意寶石的原石外觀是灰暗的, 大多數的外行人會將它們忽略而視為是另一種岩石罷了 寶石在展現它們真正的美麗之前必需經由有經驗的工匠將之切割與拋光 寶石的耐用度取決於它的硬度 亦即, 它可以抵抗日常生活中其它物體的磨損, 具耐用度的寶石之硬度應該比石英 ( 摩氏硬度為 7) 還要硬 一個較著名的例外就是蛋白石, 它比較脆且軟 ( 相對硬度 5~6.5) 蛋白石的貴重是來自於它的火度, 它可以展現出各種燦爛的顏色, 包括綠色 藍色和紅色 將稀有的東西當成寶藏似乎是人類的本性 對寶石而言, 大尺寸且高品質的樣品比小顆的石頭更為稀有 因此, 大顆的紅寶石 鑽石和祖母綠除了稀有之外, 再加上它們的美麗和耐用, 所以可以取得最高的價位 23

27 本章摘要 礦物是天然產出之無機固體, 具有明確的化學結構, 也有其獨特的物理性質 大多數的岩石是兩種或兩種以上礦物的集合體 礦物最基本的構造單元是元素 原子是仍保有元素特性的最小粒子 原子核內包含中子與質子, 電子則繞行於原子核的周圍 原子核中質子的數量決定了它的原子序以及元素的名稱 原子之間藉由共用電子而產生鍵結, 並形成化合物 同位素都屬於同一種的化學元素, 它們的原子都具有相同數目的電子和質子, 但卻有不同數量的中子 ( 質量數也不同 ) 某些不穩定的同位素會經由放射性衰變的過程而自然蛻變 礦物的特性包含晶型 光澤 顏色 條痕 硬度 解理 斷口和比重 此外, 還有許多特殊的物理與化學性質 ( 味覺 嗅覺 彈性 延展性 觸覺 磁性 雙折射 對鹽酸的化學反應 ), 在鑑定某些礦物上也是很有幫助的 每一種礦物本身都具有一組可做為鑑定身份的獨特性質 目前礦物接近有 4000 種, 地殼中大多數的岩石卻只由數十種礦物所構成, 它們被稱為造岩礦物 絕大多數礦物是由大陸地殼中最豐富的八種元素 ( 氧 矽 鋁 鐵 鈣 鈉 鉀與鎂 ) 所組成 最常見的礦物群是矽酸鹽礦物, 矽氧四面體是它們最基本的構造單元 在某些矽酸鹽礦物中, 四面體相連結成鏈狀 ; 有些則排列成片狀或三度空間的網狀 每一種矽酸鹽礦物皆具有其獨特的結構與化學組成, 可指出其形成的地質條件與環境 非矽酸鹽礦物群包括氧化物 ( 例如提煉鐵的磁鐵礦 ) 硫化物 ( 例如提煉鋅的閃鋅礦 ) 硫酸鹽 ( 例如使用於熟石膏的石膏 ) 鹵化物 ( 例如可做為食鹽的岩鹽 ) 碳酸鹽 ( 例如做為水泥的方解石, 它是石灰岩與大理石兩種著名岩石的主要組成 ) 礦石 (Ore) 這個名詞是用來表示有用的金屬礦物, 例如因商業利潤而開採的赤鐵礦 ( 提煉鐵 ) 與方鉛礦 ( 提煉鉛 ); 也可代表一些非金屬礦物, 例如含有用物質的螢石與硫等礦物 24

28 第三章岩石 : 固體地球的材料 我們為何要研究岩石? 我們大略知道岩石與礦物具有經濟價值 此外, 地質作用的過程有時也受制於這些基本材料的特性, 例如火山活動 造山運動 風化 侵蝕 地震等地質事件都與岩石礦物有關 因此, 為了瞭解地球上的現象, 我們對這些地球的材料必需有基本的認識 每一顆岩石都存在有它形成時的環境跡證 例如 : 一些岩石全部都是由小的貝殼碎屑所組成, 這就已告訴了科學家, 組成岩石的顆粒是來自淺海的環境 ; 其它岩石也可能含有火山噴發或地底深處的線索 因此, 岩石隱含著地球長久歷史中許多地質事件發生的寶貴訊息 我們根據岩石的起源將它們分成三大類 : 火成岩 沈積岩和變質岩 在檢視這三種岩石群之前, 我們先要了解岩石循環 (rock cycle), 這個循環可說明這三種岩石群之間的相互關係 地球是一個系統 : 岩石循環 地球是一個系統, 這意味著我們的行星是由很多交互作用的部分所組成的, 這些交互作用的部分形成了一個複雜的地球系統 當我們在檢視岩石循環時, 下圖最能圖解說明這個觀念 岩石循環使我們可以觀察到地球系統中不同部分之間的相互關係, 這有助於我們去了解三類岩石的起源, 並且可以看到不同種類的岩石之間是經由作用在地球中的地質過程而相互連結的關係 基本循環 我們從岩石循環圖的底部做為循環的開頭 岩漿是在地球內部所形成的熔融物質, 它們最後會冷卻和固化, 此過程我們稱之為結晶作用 (Crystallization), 可以發生地表之下或地上 ( 火山噴發之後 ) 在上述的任一種情況下所形成的岩石稱為火成岩 (igneous rocks) 25

29 假如火成岩曝露在地面, 它們將會進行風化作用, 日復一日受大氣之影響而逐漸使岩石崩解與分解 這些受風化後的物質受重力作用而常往低窪處移動, 之後再被許多的侵蝕營力 ( 例如 : 水流 冰川 風或波浪 ) 所撿起與搬運, 這些稱為沈積物的顆粒或溶解物質最後會沈澱下來 雖然大多數的沈積物最終會停留在海底, 但仍可在其它位 26

30 置沈積下來, 例如 : 河流氾濫平原 沙漠盆地 沼澤和沙丘 沈積物接下來是進行岩化作用 (lithification), 此名詞意思是 轉變成岩石 沈積物因受到上層沈積物之重量而被壓密或被帶有礦物的地下水將沈積物的孔隙填滿, 這樣會使它們固化成沈積岩 假如沈積岩深埋在地底深處, 並且受到造山運動的動力影響或受岩漿體之侵入, 因此將會承受到很大的壓力和溫度, 此時沈積岩將會因環境的改變起反應而轉變成第三類岩石 : 變質岩 假如變質岩受到更高的溫度時, 它將會熔融和形成岩漿, 最後因結晶作用而形成火成岩, 而又回到岩石循環的開端 雖然岩石似乎是不變的物質, 但這個岩石循環指出事實並非如此, 只是岩石變化的過程需要花很長的時間 再者, 各階段的岩石循環正在世界各地發生著, 在夏威夷群島下方正產生新的岩漿 ; 而落磯山脈正受到風化與侵蝕作用而逐漸被夷平, 一些風化的碎屑最後被帶到墨西哥灣, 並在此堆積 變通的路徑 岩石基本循環中的路徑並非是唯一可能的途徑 相反地, 在上述的路經之後可能會有其它變通的路徑可供選擇, 這些變通的路徑顯示在循環圖之中 火成岩可以不曝露到地表 ( 不受風化和侵蝕 ) 而持續被深埋著, 最後因受到造山運動的強力擠壓和高溫而直接轉變成變質岩 變質岩 沈積岩和沈積物並非常常被深埋著, 其上層的岩層可以被侵蝕掉而使這些物質再度曝露至地表, 如此將會受到風化過程之影響而轉變為形成沈積岩所需的新物質 驅動岩石循環的能量來自何處呢? 簡言之, 來自地球內部的熱能所推動的地質過程是形成火成岩與變質岩的原因 而來自太陽的能量所驅使的風化和侵蝕之外營力過程則是產生了沈積物與沈積岩 火成岩 : 由火所形成的岩石 27

31 在討論岩石循環時, 我們指出火成岩是由岩漿冷卻結晶而成的 但岩漿是什麼? 它來自何處呢? 岩漿是地函 ( 或少量在地殼底部 ) 中的岩石發生部份熔融的岩石熔體 這種熔體主要是由矽酸鹽礦物中的元素所組成的, 矽與氧是岩漿中的主要組成成份, 還含有少量的鋁 鐵 鈣 鈉 鉀 鎂等元素 岩漿也含有一些氣體, 尤其是水蒸氣, 因受到岩石的覆蓋而陷入在岩漿體之中 岩漿的密度較周圍岩石來得低, 岩漿體一旦形成, 因浮力而上升並侵入地殼, 熔體有時會流出地表, 我們稱之熔岩 (lava) 有時岩漿受到逸出的氣體所擠壓而會如噴泉一般的向天空噴發出來 ; 另一方面, 熔體有時也會由火山口形成猛烈的爆發, 就像 1980 年美國聖海倫斯火山爆發一般 然而, 大多數的噴發是較溫和的, 常常是安靜地流出熔岩來 熔體流出地表後固化而形成的火成岩被分類為火山岩 (volcanic rock) 或噴出岩 (extrusive rock) 噴出岩在美洲西岸是非常豐富的, 像夏威夷群島等這類的海洋火山島也幾乎都是由火山岩所組成的 但大多數的岩漿在抵達地表之前就已失去流動性, 最後在地底結晶下來, 如此在地底深處所形成的火成岩稱為深成岩 (plutonic rock) 或侵入岩 (intrusive rock) 若這些深成岩未抬升隆起且上面所覆蓋的岩石未被侵蝕掉, 那麼我們將看不到這些深層的岩石, 例如 : 美國加州的優聖美地國家公園, 有暴露出地表的深成岩 岩漿結晶形成火成岩 岩漿基本上是一種非常高溫而黏稠的流體, 但它也含有固體與氣體, 而固體就是礦物晶體 岩漿體的液體部分我們稱之為熔體 (melt), 它是由可自由移動的離子所組成的 然而, 當岩漿冷卻時, 可隨意移動的離子就會慢了下來, 離子開始會排列形成有規律的形態, 這個過程稱之為結晶作用 所有的熔融物質通常不會同時固化, 冷卻時反而是有許多的小晶體先發育出來, 離子會有系統地附著在這些小晶體的表面 ( 成長的中心 ) 當這些晶體成長太大以致於邊緣碰在一起時, 此時會因為空間不足而停止成長, 但結晶作用仍會在其它地方繼續成長 最後, 所有的液體將會轉變成晶體相嵌的固體 冷卻速率強烈地影響晶體的大小 假如岩漿冷卻速率非常地緩 28

32 慢, 則只發育出少量的晶體成長中心, 而緩慢冷卻也允許離子進行長距離的遷移 因此, 緩慢冷卻會造成大晶體之形成 相反地, 若冷卻速率非常地快, 離子將失去動力而很快地結合在一起, 這將產生大量的微小晶體, 並且會相互爭搶可用的離子 因此, 快速冷卻的結果是形成小晶體相嵌的固體 因此, 假如地質學家發現岩石中含有大小如指頭之晶體時, 這意味著此岩石的冷卻速率很慢, 若岩石中的晶體須要使用顯微鏡才能看得到的話, 地質學家就可知道此岩漿的冷卻頗為快速 假如熔融的物質幾乎是在瞬間被急冷下來, 則離子將沒有足夠的時間可以排列而形成晶體 因此, 經由此方式所形成的固體是由隨意分布的離子所組成的, 此種岩石稱為玻璃, 這跟我們一般的人造玻璃是很類似的 在猛烈的火山噴發期間可發生瞬間冷卻, 並且形成微小的玻璃碎屑, 我們稱之為火山灰 除了冷卻速率之外, 岩漿的組成和氣體的溶解量也會影響結晶作用 因為岩漿在這些方面各有所不同, 所以火成岩的外觀與礦物組成會有廣泛性的差異 僅管如此, 根據火成岩的組織 (texture) 與礦物組成, 我們仍可以將火成岩加以分類, 我們現在將要檢視這兩種特徵 火成組織 組織是根據相嵌的晶體大小 形狀和排列來描述火成岩的所有外觀 組織是一個非常重要的特徵, 因為它隱含著許多有關岩石形成環境的訊息 你已認識到快速冷卻會產生小晶體而緩慢冷卻則可形成更大的晶體, 正如你所期待, 在地底深處的岩漿庫其冷卻速率非常地緩慢 ; 然而, 噴出地表的薄層熔岩可在數小時之內冷卻成岩石 在猛烈噴發期間, 拋射至空氣中的小熔融塊幾乎可以在瞬間固化 在地表快速的形成或在地殼上半部中的小型熔體所形成的火成岩都具有微晶組織 (fine-grained texture), 因為其中的晶體太小了以致於無法用肉眼觀察得到 屬於微晶組織的火成岩之中常含有氣孔, 稱之為氣泡 (vesicles), 是由熔岩固化後所留下的孔洞 位在地底深處的大量岩漿體固化時, 它們將形成具有粒狀組織 (coarse-grained texture) 的火成岩 這些粒狀組織的岩石具有大量相嵌晶體之外觀, 其晶體大小大約相同, 而且其大小光靠肉眼就可鑑別出 29

33 個別的礦物, 花崗岩就是一個典型的例子 位於地底的大量岩漿也許需要數萬年才能固化, 但因為岩漿內的所有物質在冷卻時不會同時或以同一速率結晶, 所以在其它晶體剛要結晶之前, 有些晶體則已成長為大晶體了 假如含有一些大晶體的岩漿突然噴出到地表, 熔岩中殘留的熔融部分將會快速地冷卻, 如此所形成的岩石將出現大晶體埋在小晶體的基質之中, 此種岩石被認為是具有斑狀組織 (porphyritic texture) 一些火山在噴發期間, 熔融的岩石會被拋射進入大氣中, 並在大氣中很快速的冷卻下來, 這種快速冷卻可產生具有玻璃 (glassy texture) 的岩石 當離子沒有足夠的時間結合成具有規則排列的結晶構造時將會形成玻璃 黑曜岩 (obsidian) 就是一個常見的天然玻璃, 它的外觀與人造的暗色玻璃很相似 另外一種具有玻璃組織的火山岩則是浮石 (pumice) 當大量的氣體從熔體中逸出後會形成灰色泡沫般的物體, 亦即形成了浮石, 它經常和黑曜岩共生在一起 在一些樣本之中, 氣孔是相當顯而易見的, 而在其它樣本中, 浮石則很類似相互纏繞在一起的玻璃細碎片 因為含有大量的氣泡, 所以很多浮石樣本會浮在水上 火成岩的組成 火成岩主要是由矽酸鹽礦物所組成的 ; 此外, 特定火成岩中的礦物組成最終還是決定於母岩漿的化學成份, 而岩漿中主要含有組成矽酸鹽礦物的八種元素 化學分析顯示, 矽與氧是火成岩中最豐富的成份, 這兩種元素再加上鋁 鈣 鈉 鉀 鎂與鐵離子在一般的岩漿中大約佔了 98wt% 當岩漿冷卻固化後, 這些元素會化合而形成兩種矽酸鹽的礦物群 暗色的矽酸鹽富含鐵 鎂, 但 SiO 2 的含量相對較低, 而橄欖石 (olivine) 輝石 (pyroxene) 角閃石 (amphibole) 與黑雲母 (biotite) 是地殼中常見的暗色矽酸鹽礦物 相對地, 淡色的矽酸鹽礦物中鉀 鈣 鈉的含量較鐵 鎂多,SiO 2 的含量也相對較高 淡色矽酸鹽礦物包括 : 白雲母 (muscovite) 石英 (quartz) 與最豐富的長石 (feldspars) 礦物 長石在一般的火成岩中至少佔有 40%, 其餘就是上述的暗色與淡色矽酸鹽礦物 30

34 火成岩的分類 火成岩是根據其組織和礦物組成來分類 不同的火成組織是由各種的冷卻歷程所造成, 而礦物組成則決定於母岩漿的化學組成和結晶作用的環境 僅管成分具有多樣性, 火成岩根據淡色與暗色礦物的比例, 可以大致分成幾大類, 而根據組織與礦物組成的一般分類之架構則列於下表之中 花崗岩質 ( 長英質 ) 的火成岩 : 幾乎完全由淡色的矽酸鹽礦物 ( 石英和長石 ) 所組成的岩石大致位於反應系列的一端, 以這些礦物為主的火成岩具有花岡岩質的成分 地質學家也把花崗岩質的岩石視為是長英質 (felsic) 的, 此名詞是來自長石和石英 除了石英和長石之外, 大多數花崗岩質的岩石大約含有 10% 的暗色矽酸鹽礦物, 這些暗色礦物經常是黑雲白 (biotite) 與角閃石 花崗岩質的岩石富含二氧化矽 ( 約有 70%), 它是大陸地殼的主要組成 花崗岩是粒狀組織的火成岩, 是位在地底深處之大量岩漿緩慢 31

35 固化而成的 在造山運動的事件當中, 花崗岩和相關的結晶岩石可以被抬升, 而風化與侵蝕的過程再將它們上方的地層移除, 在落磯山脈的 Pike Peak 和內華達州的優勝美地 (Yosemite) 國家公園等等地區就有大量的花崗岩曝露至地表 花崗岩或許是最為人們所熟知的火成岩, 部分是因為它的自然美 ( 拋光之後會更加美麗 ), 另一部分是因為它的產量豐富 拋光後的花崗岩板通常被使用做為墓碑 紀念碑或建材 流紋岩 (rhyolite) 是等同於花崗岩的噴出岩, 也是主要是由淡色矽酸鹽礦物所組成的, 這個事實說明了為何它的顏色是暗黃 粉紅或淡灰色的 流紋岩具有微晶組織, 而且經常含有玻璃碎屑和氣孔, 這指出它是在地表環境中快速冷卻而成的 相對於花崗岩是以深成岩體廣泛地分布, 流紋岩層則較不常見而且通常體積也較小, 但著名的黃石公園則是一個例外, 流紋岩質的熔岩流和相似成分的厚層火山灰在這裏大規模地存在著 玄武岩質 ( 鐵鎂質 ) 的火成岩 : 含有大量暗色的矽酸鹽礦物和富鈣的斜長石之岩石是具有玄武岩質的成分 因為玄武岩質的岩石含有高百分比的暗色矽酸鹽礦物, 地質學家把它們視為鐵鎂質的 (mafic), 這個名詞是來自鎂與拉丁文中的鐵 因為它們含鐵量高, 所以典型玄武岩質之岩石是暗色的, 其比重也較花崗岩質來得高 玄武岩 (basalt) 是暗綠色至黑色之微晶組織的火山岩 ( 噴出岩 ), 主要是由輝石和斜長石所組成的 玄武岩是最常見的噴出岩, 很多火山島 ( 如夏威夷群島與冰島 ) 主要是由玄武岩所組成 再者, 海洋地殼的上層也是由玄武岩所組成的 在美國, 奧勒岡州中部與華盛頓州是大規模玄武岩質流出的地點 與玄武岩相似的粗粒深成岩稱之為輝長岩 (gabbro), 雖然輝長岩較少暴露到地表上, 但它是海洋地殼中的主要岩石 安山岩質 ( 中間成份 ) 的火成岩 : 成分介於花崗岩質與玄武岩質之間是屬於安山岩質 (andesitic) 或中間成分的岩石 在安山岩質的岩石中, 除含有斜長石主要礦物之外, 也含有暗色矽酸鹽礦物 ( 主要是角閃石與輝石 ) 與淡色矽酸鹽礦物 這類重要的火成岩與典型侷限在大陸邊緣的火山活動相關 當這種成份的岩漿在深處結晶後, 所形成粗粒的火成岩稱為閃長岩 (diorite) 32

36 超基性 ( 超鐵鎂質 ) 的火成岩 : 另外一種重要的火成岩是橄欖岩 (peridotite), 它主要是含有橄欖石與輝石, 因此相對於花崗岩質的成分, 此種岩石是落在成分譜中的另一端 因為橄欖岩幾乎完全是由暗色矽酸鹽礦物所組成的, 因此它的化學組成被認為是超鐵鎂質的 (ultramafic) 雖然超鐵鎂質的岩石在地表是罕見的, 但它被認為是上部地函中的主要組成物質 不同的火成岩是如何形成的? 因為有很多種的火成岩存在, 或許我們可以假設必須也有等量多種的岩漿存在 然而, 同一座火山在不同噴發時期會噴出不同礦物組成的熔岩, 尤其是兩次火山噴發的時間相隔較長的時候 這樣的證據引導地質學家們去檢視這個可能性 : 單一岩漿可產生不同礦物含量的岩石 包溫 (Bowen) 在 1920 年代對上述的觀念最先進行研究, 針對岩漿的結晶作用進行一系列的實驗 包溫的反應系列 : 包溫在實驗室的環境裏證明, 岩漿不會如純物質 ( 如水 ) 一樣只會在一定的溫度下固化, 它因具有多樣化的組成, 結晶溫度的範圍至少有 200 因此, 當岩漿冷卻時, 某些礦物會在高溫下先結晶, 而逐漸降溫過程中其它礦物也會結晶出來, 其結晶次序如下表所示, 這就是著名的包溫反應系列 (Bowen s reaction series) 33

37 包溫發現最先從岩漿中結晶出來的礦物是橄欖石, 再度冷卻之後會形成輝石與斜長石礦物 在中等溫度之下, 角閃石與黑雲母礦物會開始結晶 結晶作用的最後階段裏, 大多數岩漿已經固化了, 此時白雲母與鉀長石等礦物也可以形成, 而石英最後從殘留的液體中結晶出來 因此, 在一火成岩之中, 橄欖石經常不會與石英共存, 因為石英的結晶溫度明顯比橄欖石低 這個高度理想化之結晶模式頗為接近自然界火成岩的分析結果 尤其是, 我們發現包溫反應系列中結晶溫度相近的礦物經常一起出現在同一個火成岩裏 例如, 鉀長石 白雲母與石英的結晶溫度相近, 而它們都是花崗岩中的主要組成礦物 岩漿分異作用 (magmatic differentiation): 包溫證實不同的礦物會在不同的溫度下結晶 包溫反應系列要如何來說明這麼多樣化的火成岩呢? 在結晶作用的過程當中, 早期結晶的礦物將逐漸用掉一些元素, 使得熔體的成份持續變化著, 這個過程在加上多次的結晶作用, 岩漿的固體和液體部分發生了分離, 這就出現所謂的結晶沈澱 (crystal setting) 假如早期形成的礦物之密度較液體為高時, 它們會沈積到岩漿的底部, 因此就會出現結晶沈澱的過程 假如剩餘的岩漿在原地或移到圍岩的裂隙之中固化時, 它將會形成火成岩, 但其化學組成將會與母岩漿頗為不同 因此, 由單一岩漿產生多種次生的岩漿, 我們稱為岩漿分異作用 在岩漿演化的各個階段當中, 固液體可以分離成兩種不同的化學成份體 此外, 次生熔體的岩漿分異作用可再產生不同的化學成份體 因此, 在不同的結晶作用時期, 岩漿分異作用與固液相分離可產生很多不同成份的岩漿, 以及最後形成各式各樣的火成岩體 同化作用 (assimilation) 與岩漿混合 (magma mixing): 有證據強烈暗示, 除了岩漿分異作用之外, 還有其它的過程可以使岩漿的化學組成發生變化 例如 : 當岩漿在地殼中往上移棲時, 周圍的一些母岩可以併入岩漿之中, 此過程稱為同化作用 另一種稱為岩漿混合的方法也可以改變岩漿的成份, 此過程發生在一岩漿體入侵到另一岩漿體時 兩種岩漿體一旦合倂, 對流可攪拌這兩種岩漿並形成具有不同化學成份的流體 34

38 摘言之, 包溫已成功證明, 經由岩漿分異作用, 單一母岩漿可以形成很多種礦物組合的火成岩 這個過程再加上岩漿的混合與地殼之掺染, 大致可以說明為何會存在有那麼多種不同的岩漿體與火成岩 沈積岩 (Sedimentary rocks) 岩石循環圖中顯示出沈積岩的來源, 風化是沈積岩形成過程的源頭, 接下來重力和侵蝕營力 ( 水流 風 波浪與冰川 ) 將風化的產物移走, 並把它們攜帶到新的地方去, 最後在這些地方沈積下來 在搬運的過程當中, 這些顆粒會再度瓦解, 而在沈積之後, 沈積物可以固化或轉變成岩石, 其中壓密作用 (compaction) 與膠結作用 (cementation) 通常會將沈積物轉變為沈積岩 沈積的 (sedimentary) 這個字指出了這些岩石的本質, 意味著固體物質從流體中沈澱出來 大多數的沈積物是以此種方式被沈積下來, 受風化的碎屑物持續不斷地從基岩中移除, 並且被水 冰或風所帶走, 這些材料最後會沈積在湖泊 河谷 海洋和其它地方 沙漠砂丘中的顆粒 河床上的鵝卵石 沼澤中的底泥以及家中的灰塵都是這永不休止過程所產生沈積物之例子 基岩風化以及風化產物之搬運與沈積是個連續的過程, 當成堆的沈積物堆積時, 接近底部的物質被其上方地層之重量所壓密, 經過漫長時間之後, 這些沈積物顆粒間的孔隙會由水中所沈積的礦物質所填滿, 因此會將這沈積物膠結在一起, 最後形成了固態沈積岩 地質學家估計地殼最上面的 16 公里之內, 沈積岩約只佔 5% 的體積 雖然數量較少, 然而這一類的岩石有其重要性 假如你對露出地表的岩石進行採樣, 你將會發現它們大部分都是沈積岩 事實上, 大陸上所露出的岩石中約有 75% 是沈積岩 因此, 我們可以把沈積岩視為地殼最上層部分的一個相當薄且有點不連續的一層 這是可以理解的, 因為沈積物是在地表上堆積的 地質學家經由沈積岩的觀察可以重建地球歷史中的許多細節部分, 因為沈積物在地表上從各式各樣的地質背景中沈積下來, 最後所形成的岩石就會保存著過去地表環境中的許多線索 沈積岩也展現一些特徵使地質學家可以辨讀出沈積物搬運的方式與距離之訊息 再 35

39 者, 沈積岩含有化石, 這是我們研究過去地質的一項重要證據 最後, 很多沈積岩具有非常重要的經濟價值 例如 : 煤是一種沈積岩, 目前在美國有超過半數的發電廠使用它來發電 其它重要的能量資源 ( 石油和天然氣 ) 也存在於沈積岩的孔隙當中 一些沈積岩也是鐵 鋁 錳 肥料以及許多建築工業材料的主要來源 沈積岩的分類 沈積物有兩種主要的來源 首先, 沈積物可來自受風化岩石所產生的固體粒子, 例如火成岩 這些粒子我們稱為碎屑, 而其所形成之沈積岩稱之為碎屑性 (detrital) 沈積岩 第二種沈積物來源大多是由化學風化所產生的可溶性物質, 當這些溶解的物質又沈積成固體, 我們稱之為化學性沈積物, 它們形成了化學性 (chemical) 沈積岩 我們現在將要檢視這兩種沈積岩 碎屑性沈積岩 : 雖然在碎屑性沈積岩中可發現各式各樣的礦物與岩屑, 但其中是以粘土礦物和石英為主 粘土礦物是矽酸鹽礦物 ( 尤其是長石 ) 受化學風化之後最豐富的產物 相對地, 石英數量也很多, 這是因為石英相當耐磨損而且非常抗化學風化 因此, 像花崗石這種火成岩受風化之後, 就可以釋放出石英顆粒 地質學家利用顆粒大小將碎屑性沈積岩再加以分類, 組成碎屑性沈積岩的顆粒大小可分為四種 當鵝卵石大小的顆粒為最多時, 而且顆粒表面較為圓滑, 此種岩石稱為礫岩 (conglomerate); 若顆粒是呈現多角狀者則稱為角礫岩 (breccia) 多角狀的碎屑透露出這些顆粒在沈積之前未被搬運到遠處, 因此它們的稜角與稜邊並未被磨掉 其中, 若砂粒大小的顆粒為數最多時, 此種岩石稱為砂岩 (sandstone) 最常見的沈積岩是頁岩 (shale), 是由微細顆粒的沈積物所組成的 粉砂岩 (siltstone) 是另一種顆粒較細的岩石, 它有時難與頁岩做區別 顆粒大小不僅是提供細分碎屑性沈積岩的一種方便方法, 而且也可以提供有關沈積環境之有用訊息 水流或氣流會依顆粒大小來進行篩選, 流動力愈強, 它們所攜帶的顆粒就愈大 例如 : 鵝卵石可以被快速流動的河流 山崩以及冰川所搬動 搬運砂粒所需的能量會較少, 因此我們常可見到風吹沙丘 河流沈積層以及沙灘 因為粉砂與粘土之沈澱是非常地緩慢, 這些物質之堆積通常與安靜的水體有關, 36

40 例如 : 湖泊 潟湖 沼澤或海洋環境 雖然碎屑性沈積岩依顆粒大小來分類, 但在某些例子當中, 礦物組成也是岩石命名的一部分 例如 : 若砂岩中大部分是由石英所組成的, 常可稱為石英砂岩 此外, 由碎屑性沈積物所形成的岩石幾乎不會只由單一顆粒大小的粒子所組成, 因此同時含有許多砂與粉砂之岩石可被正確命名為砂質粉砂岩或粉砂質砂岩, 這要看哪種顆粒大小佔有優勢 化學性沈積岩 : 相對於碎屑性岩石是由受風化的固體產物所形成的, 化學性沈積物則是來自被帶入湖水和海水中並且溶解之物質 這些物質不會無限期地溶解在水中, 當環境適當時, 它們會沈積而形成化學性沈積物 這種沈澱可以直接因物理過程, 或者間接透過水中生物的生命過程而產生 後者所形成的沈積物是屬於生化源的 (biochemical origin) 由物理過程所形成的沈積層之例子是鹹水體蒸後所留下之鹽巴 相對地, 很多水中的動植物會萃取溶解的礦物質以形成外殼與其它硬體部分, 生物死亡之後, 它們的骸骨可以堆積在湖底或海底 石灰岩 (limestone) 是最豐富的化學性沈積岩, 它主要是由方解石 (CaCO 3 ) 所組成的 90% 的石灰岩是屬於生化源沈積物, 其餘是從水中直接沈澱出來的 有一種很容易辨認的生化源石灰岩就是殼灰岩 (coquina), 它是由膠結較差的貝殼和殼屑所組成的粗糙岩石 另一種較不顯著但為人熟 37

41 知的是白堊土 (chalk), 它幾乎完全是由微小生物硬體所組成之柔軟且多孔的岩石 當化學變化或水溫較高時會增加水中碳酸鈣的濃度, 直到碳酸鈣發生沈積就形成了無機石灰岩 裝飾在石灰岩洞的石灰華 (travertine) 就是其中的一個例子 地下水是沈積在岩洞中之石灰華的源頭, 當小水滴來到洞穴的空氣中, 一些溶解在水中的二氧化碳會逸出並且造成碳酸鈣的沈澱 溶解的二氧化矽 (SiO 2 ) 發生沈澱會形成各種的微晶質石英 (microcrystalline quartz), 這包括淡色燧石 (chert) 深色打火石(flint) 碧玉 (jasper) 和瑪瑙 (agate) 這些化學性沈積岩可以是無機或生化源的, 但經常是很難去分辨的 蒸發經常會使礦物從水中沈澱出來, 這些礦物包括岩鹽 (halite) 和石膏 (gypsum), 這兩種礦物有重要的經濟價值 岩鹽可當作烹調使用的食鹽, 當然還有許多其它的用途, 它被認為是很重要的物質, 以致於人類歷史中常為了它而進行找尋 買賣和爭戰 石膏是熟石膏的基本原料, 這種材料被廣泛地使用在建築工業上 在過去的地質歷史中, 目前為乾燥陸地的許多地質區, 以前曾 38

42 是淺海伸入地區, 它原本與外海有相通 在這些環境之下, 海水持續地移入海灣以補充因蒸發所失去的水, 最後這些海灣中的水體會飽和而開始沈積殘留下來 目前這些海灣已消失不見了, 但所遺留下來的沈積物我們稱之為蒸發岩 (evaporites) 就較小的規模而言, 蒸發岩礦床可以在美國加州的死谷 (Death Valley) 這種地方看得到 在這裏, 隨著山脈中的雨水或融雪所形成的水流從死谷周圍的山脈中流入這個封閉的盆地中 當水分蒸發時, 溶解的物質會被留下來, 在地面上形成白色的硬外殼, 稱之為鹽灘 (salt flat) 煤與其它化學性沈積岩有著相當大的差異, 它不像其它種類的化學性沈積岩 ( 是富碳酸鈣或富二氧化矽的 ), 煤大多是由有機物質所組成的 在顯微鏡或放大鏡下仔細觀察一塊煤礦, 常可以看到植物的組織, 例如 : 葉子 樹皮和木頭, 這些雖然都已發生了化學變化, 但仍然可以被辨認出來 這個事實支持我們的推論 : 煤是大量植物長期被深埋後的最終產物 煤礦形成的初期是大量植物的遺骸之堆積 然而, 此種堆積需要特殊的環境來配合, 因為死去的植物曝露在大氣中通常會分解掉 允許植物材料集結的理想環境是沼澤地, 因為停滯的沼澤水體是缺氧的, 植物材料在此不可能會完全分解 ( 氧化 ) 掉 在地球歷史中的不同年代裏, 這種環境一直是頗為常見的 煤礦接連進行各種的形成階段, 在依序的階段之中, 高溫與高壓可以將雜質和揮發物移去 褐煤 (lignite) 與煙煤 (bituminous) 都是沈積岩, 但無煙煤 (anthracite) 則是變質岩 當沈積層受到與造山運動有關的褶曲和變形後會形成無煙煤 摘言之, 我們將沈積岩分成兩大類 : 碎屑性與化學性 碎屑性沈積岩分類的主要是依據顆粒大小, 然而化學性沈積岩則是依據礦物組成來區分 這裏所提出的分類方式較為死板, 因為大多數的碎屑性沈積岩並非是單一顆粒大小的混合體 此外, 很多被分類為化學性沈積岩也至少含有少量的碎屑性沈積物, 而且所有的碎屑性沈積岩實際上是被溶解在水中的物質所膠結在一起的 沈積物的岩化作用 39

43 岩化作用涉及沈積物轉變成固體沈積岩之過程 最常見的過程之一是壓密作用 當沈積物隨著時間之堆積, 在上方的物質重量會擠壓較深層的沈積物 當顆粒被壓得愈來愈緊密時, 其中的孔隙就會大大地減少 例如 : 當粘土被深埋在數千公尺厚的物質下方, 粘土的體積可減少 40% 在細粒沈積岩 ( 例如頁岩 ) 之中, 壓密作用是最重要的, 因為砂和其它的粗大的沈積物很難被壓縮 膠結作用是沈積物轉變成沈積岩的另一種重要方式 帶有膠結物質的水在顆粒間的孔隙當中滲透, 一段時間之後, 膠結物會沈澱在沈積物的顆粒上, 並逐漸填滿孔隙, 最後會將顆粒結合在一起 方解石 二氧化矽和氧化鐵是最常見的膠結物, 我們可以輕易地辨認出膠結物質 方解石膠結物遇到稀鹽酸會冒泡 ; 二氧化矽是最硬的膠結物, 因此可形成最硬的沈積岩 ; 當沈積岩呈現橘色或紅色時, 這經常意味著有氧化鐵膠結物之存在 沈積岩的特徵 沈積岩在地球漫長歷史中是個非常重要的證據 這些岩石在地表上形成, 沈積物層層堆積各記錄著沈積物沈積當時的環境本質, 這些層理稱之為層 (strata), 它是沈積岩中最獨特的特徵 地層厚度的範圍從非常薄到十公尺厚都有, 分隔這些地層的是層面, 它是平坦的表面, 岩石沿此面易於分離或破裂 一般而言, 每個層面指出某次沈積作用的結束以及另一次沈積作用之開始 沈積岩提供地質學家們辨識過去環境的證據 例如 : 礫岩指出有一個高能量的環境 ( 比如像急流 ), 在這種地方只有粗大的材料才可以沈積下來 相對地, 黑色頁岩和煤之存在則與低能量 富含有機物的環境有關, 例如沼澤或潟湖 在一些沈積岩中所發現的其它特徵也可以提供過去環境的線索 化石是指史前生命的遺骸或痕跡, 它可能是某種沈積岩中最重要的內含物 認知存在於某一期間生命型態的本質將有助於解答很多有關環境的問題, 它是陸地或是海洋呢? 是湖泊或是沼澤呢? 氣候是溫暖或寒冷呢? 是多雨或乾燥? 是淺海或深海? 水體是混濁或是乾淨的? 此外, 化石是重要的時間指示物, 在比對相隔兩地同一年代的岩層中它是扮演著關鍵的角色 在解釋過去的地質時, 化石是個重要 40

44 的工具 變質岩 (Metamorphic rocks) 回憶岩石循環那個章節, 變質作用 (metamorphism) 是由一種岩石轉變成另一種岩石 變質岩是由原先存在的火成岩 沈積岩或是其它變質岩所形成的 因此, 每一種變質岩皆有其母岩 ( 岩石之形成是由此母岩而來的 ) 變質作用是一個很適切的名稱來說明這種轉變的過程, 因為照字面它的意思是 改變物質形式 先前所存在的岩石受到不同於它剛形成時之溫度與壓力時, 變質作用就會發生 為了適應這些新的環境條件, 岩石會逐漸地改變, 直到與新的環境達成平衡的狀態 大多數的變質是發生在較高的溫度和壓力處, 這種環境是從位在地表下數公里一直延伸進入上部地函的這個區域中 變質作用常會由輕微變化 ( 低度變質作用 ) 到高度的變化 ( 高度變質作用 ) 漸增地進行著 例如 : 在低度變質作用之下, 常見的頁岩之沈積岩會變成更加緻密的變質岩 板岩 (slate), 但這種兩種岩石標本有時很難區分, 這個事實顯示從沈積岩過渡到變質岩常常是漸進且變化緩慢的 在更極端的環境之下, 變質作用會造成岩石發生全然地轉變, 以致於無法判斷出其母岩 在高度變作用中, 像原先存在於母岩之中的層面 化石 孔洞等特徵會被塗消掉 再者, 當岩石位於地底深處 ( 溫度較高 ) 受到指向壓 (directed pressure) 時, 岩石會緩慢地變形而產生各式各樣的組織以及大規模的構造, 例如褶皺 在非常極端的變質環境之下, 溫度會高到近乎岩石熔融的溫度 然而, 在變質作用期間, 岩石必然仍維持固態, 若發生完全熔化就已進入火成活動的範圍了 大多數的變質作用發生在兩種地質背景中 : 1. 當岩石被岩漿體侵入, 接觸 (contact) 或熱 (thermal) 變質作用將會發生 在此情況之下, 圍繞在熔融岩漿體周圍的岩石由於溫度上升而發生變化 41

45 2. 在造山運動期間, 大量的岩石承受與大規模變形有關的指向在壓和高溫, 此情況稱區域 (regional) 變質作用 廣大的變質岩地區曝露在每一個大陸上 變質岩是很多山脈地帶的重要構成要素, 在這些地帶中, 變質岩是構成山脈大部分的結晶核心 甚至是在穩定的大陸內部, 雖然表面通常會被沈積岩所覆蓋, 但其底部是變質岩 在所有這些地質背景中, 變質岩經常是高度變形的, 而且也被火成岩體所侵入 事實上, 大陸地殼有顯著的部分是由變質岩以及相關的火成岩所組成的 變質作用的營力 (agents) 變質作用的營力包括熱 壓力 ( 應力 ) 和化學反應性流體 在變質作用期間, 岩石經常同時會受到這三種變質營力之影響 然而, 不同環境之下變質作用的程度以及每一種營力貢獻度之差異甚大 以熱為變質營力 : 變質作用中最重要的營力是熱, 因為它提供能量以驅動化學反應, 並導致原礦物發生了再結晶或變成新的礦物, 使岩石產生變化的熱能主要有兩種來源 首先, 當岩石被地底上升的岩漿所侵入時, 岩石會經歷到溫度之上升, 這就是所謂的接觸變質作用 在這些地方, 鄰近的岩石會被侵入的岩漿所 烘烤 其次, 在地表形成的岩石被移到深處時, 溫度會有逐漸上升的現象 在地殼的上層, 每深入地底 1 公里, 溫度平均會增加 20~30, 當被深埋至 8 公里左右時溫度就會增高到 150~200, 此時粘土礦物將開始變成不穩定並且再結晶成為綠泥石 (chlorite) 和白雲母等礦物, 因為它們在這個環境下是穩定的 ( 綠泥石是類似雲母的礦物, 由富含鐵和鎂的矽酸鹽礦物因變質作用而形成 ) 然而, 很多矽酸鹽礦物 ( 尤其是在結晶火成岩中所見的礦物, 例如石英 ) 在這個溫度之下仍可穩定存在 因此, 這些礦物要在更高溫時才會發生變質 以壓力或應力為變質營力 : 壓力就像溫度一樣也會隨著上層岩石厚度 ( 或深度 ) 之增加而遞增 被深埋的岩石將受到圍壓 (confining pressure), 它與水壓頗為類似, 因為各方向的作用力均等 沈入海中愈深則靜水壓就會愈大, 岩石被掩埋時也有相同的趨勢 圍壓會使礦物顆粒之間的空隙閉合, 因而產生一個更為緻密且密度更高的岩石 ; 再者, 在地底深處的圍壓可以使礦物發生再結晶而形成更加緻密之結 42

46 晶型式的新礦物 在造山運動事件的期間, 廣大岩石體變為高度起伏與變質 形成山脈的力量在各方向上是不均等的, 此種力量稱為差異應力 (differential pressure) 不像圍壓在各方向上是以相同的力量擠壓著岩石, 差異應力則主要是沿著平面施加應力 岩石受到差異力作用時沿著施力的方向會變短, 而垂直於此作用力的方向上則會被拉長 由差異力所造成的變形在變質岩組織之發育上扮演著主要的角色 溫度較低的地表環境中岩石會較脆 (brittle), 當受到差異力時較容易破裂 持續變形會將礦物研磨成粉末或小碎屑 相對的, 在高溫環境中的岩石呈現柔性 (ductile) 或延展性的 當岩石呈現柔性行為時, 岩石中的礦物受到差異力之作用較容易被壓平和拉長, 這個事實可以解釋岩石為何能流動變形 ( 而不是破裂 ) 而形成複雜的褶皺 化學反應性的流體 : 流體主要是由水和其它揮發物 ( 在地表環境下, 很容易變成氣體的物質, 例如 : 二氧化碳 ) 所組成的, 在一些變質作用中, 流體被認為是扮演著重要的角色 圍繞在礦物顆粒周圍的流體可當作觸媒, 它可以增加離子的移動性並且促進礦物發生再結晶 此外, 在逐漸高溫的環境中, 這些富含離子的流體也相對地變得更具活性 例如 : 當兩個礦物顆粒被擠壓在一起時, 它們接觸之處的結晶構造部分所受到的應力是最大的, 在這些位置上的離子很容易被熱流體所溶解, 並沿著顆粒的表面移動到兩顆粒未接觸的地方 因為受到高應力而溶解的物質會在低應力區域沈澱, 藉著這些熱流體有助於礦物顆粒之再結晶 結果, 垂直於壓應力方向的礦物較容易再結晶並且長得更長 在熱流體可自由流通的岩石之中, 兩個鄰近的岩層之間可以發生離子交換, 或者在離子最後沈澱之前, 它們可進行較遠距離的移動 其中, 入侵的岩漿在結晶作用的期間, 逃逸的熱流體使得後者的情況頗為常見 假如周圍岩石的成份明顯與流體不相同, 流體與母岩之間則可發生實質的離子交換, 當發生了離子交換, 將導致圍岩的所有組成發生變化 變質岩的組織 變質作用的程度是反映在岩石的組織和礦物學上 ( 記得組織這 43

47 個名詞是用來描述岩石中顆粒的大小 形狀和排列 ) 當岩石受到低度變質作用時, 它們會變得更加緻密和高密度 例如 : 當頁岩所承受的溫度和壓力僅比沈積物岩石受壓密作用之溫壓稍高時, 就可以形成板岩 在這個例子中, 差異應力使頁岩中微小的粘土礦物重新排列成為較緻密的板岩 在更加極端的環境之下, 應力會造成某些特定礦物發生再結晶 一般而言, 再結晶會使較大的晶體更加成長 因此, 很多變質岩是由肉眼可見的晶體所組成的, 其組織很類似於粒狀組織的火成岩 有些礦物晶體會順著某個方向再結晶, 此方向本質上是垂直於壓縮力量的方向 如此所形成的礦物排列經常會使岩石呈現層狀或帶狀之外觀, 我們稱之為葉理狀組織 (foliated texture) 簡單來說, 只要能使岩石中的礦物平行排列就可形成葉理 (foliation) 並非所有的變質岩都具有葉理狀組織, 我們稱此種岩石是出現非葉理狀組織 只由單一種而且是等粒狀的礦物所組成之變質岩原則上是看不到葉理的 例如 : 純石灰岩只是由單一方解石礦物所組成的, 當細粒的石灰岩出現變質, 小的方解石晶體會相互結合而形成較大而鑲嵌在一起的晶體, 所造成的岩石將類似於火成岩, 此種等粒狀的變質石灰岩稱為大理岩 (marble) 44

48 常見的變質岩 變質過程將導致原岩發生多種變化, 包括密度增加 較大晶體之成長 形成葉理以及低溫礦物相轉變成高溫礦物 此外, 由於其它離子之進入而形成新的礦物, 它們有些還頗具經濟價值 在此我們將簡短地檢視由變質過程所產生的常見岩石 葉理狀 (foliated) 變質岩 : 板岩是微晶的葉理狀變質岩, 主要是由微小的雲母片所組成 板岩最值得注意的特徵就是有良好的岩石劈理 (cleavage), 這意味著板岩很容易被劈開成平板狀, 這種特性使板岩成為很有用的岩石, 可以做成屋頂 地板瓷磚 黑板 撞球桌 板岩最常是由頁岩受到低度變質作用而形成, 但偶爾是火山灰經變質作用而來的 板岩可以呈現出任何顏色, 這需由其礦物之組成來決定 黑色板岩是含有機物質 ; 紅色板岩是因為含有氧化鐵 ; 綠色板岩經常是由類似雲母礦物的綠泥石所組成的 片岩 (schist) 是具強烈葉理之岩石, 它是由區域變質作用所形成的 片岩是薄板狀的, 可輕易地將它分裂成小薄片或板狀 像板岩一樣, 板岩的原母岩可以是來自頁岩, 但片岩中的變質作用較為強烈 片岩這個名詞是描述岩石的組織, 卻不論其組成為何 例如 : 主要是由白雲母和黑雲母所組成的片岩, 我們稱之為雲母片岩 片麻岩 (gneiss) 這個名詞是用來描述帶狀的變質岩, 其變質度相對最高 此種岩石大多含有瘦長和粒狀的礦物 ( 並非板狀 ) 片麻岩中最常見的礦物是石英與長石, 以及少量的白雲母 黑雲母和角閃石 片麻岩中黑白矽酸鹽礦物呈現明顯分離的現象, 因而呈現出帶狀的組織 當它們處於塑性狀態時, 這些帶狀片麻岩可以變形成複雜的褶皺 非葉理狀 (nonfoliated) 變質岩 : 大理岩是一種粗粒結晶的岩石, 其母岩是石灰岩 大理岩是由相互鑲嵌的大顆粒方解石所組成的, 是由母岩中較小的顆粒再結晶所形成 因為它的顏色和軟度 ( 莫氏硬度只有 3), 大理岩是個受歡迎的建材 白色大理岩因可以雕刻成紀念碑和雕像 ( 例如米開朗基羅著名的大衛雕像 ) 而頗受重視 由於形成大理岩的原石灰岩中常含有雜質而使大理岩呈現各種的顏色, 大理岩可以是粉紅色 灰色 綠色或甚至是黑色的 45

49 石英岩 (quartzite) 是個很堅硬的變質岩, 最常由石英砂岩所形成 在中度至高度變質作用之下, 砂岩中的石英顆粒會熔接在一起 純石英砂岩是白色的, 但是含有氧化鐵時可以產生紅色或粉紅色的色斑, 而暗色礦物則使它呈現灰色 來自岩石與礦物的資源 地球的外層稱為地殼, 其厚度頗類似桃子的果皮一樣, 然而這一層對我們而言是非常重要的, 有我們所仰賴的化石燃料以及各式各樣的礦物資源, 例如 : 可當嬰兒爽身粉的滑石 可做為食物調味的鹽巴 世界貿易所使用的黃金 事實上, 某些地球物質會因偶爾缺乏或被取得而改變了歷史的軌跡 當現代社會對物質之需求增加時, 為了額外供應這些有用礦物, 探礦之需求也會隨著增長, 但也會變得更具挑戰性 金屬礦物資源 一些很重要的金屬富集, 例如金 銀 銅 汞 鉛 白金和鎳, 46

50 是經由火成與變質過程而形成的 礦物資源經由這些過程而富集一些物質使之在經濟上適合被萃取之程度 一些形成金屬礦物的火成過程是相當直接的 例如 : 當大型的岩漿體冷卻時, 早期結晶的重礦物容易沈積到岩漿庫的下方, 這種岩漿分離的作用在大型的玄武岩質岩漿是特別活躍的, 在這些岩漿中偶而會產生鉻鐵礦 (chromite) 磁鐵礦(magnetite) 和白金 鉻鐵礦和其它重礦物之互層礦床在南非的 Bushveld Complex 被開採著, 此礦床含有全球白金儲存量的 70% 以上 火成過程也可產生其它種類的礦物礦床, 例如 : 當花崗岩質的岩漿冷卻結晶時, 剩餘熔體中的稀有元素與重金屬 ( 包括金與銀 ) 將會更加富集 此外, 因為水份以及其它揮發性的物質不會隨著整個岩漿體結晶, 在固化的最後階段這些流體在熔體中佔有較高的比例, 在富有流體得環境之下結晶時, 增強離子的移動, 形成數公分甚至數公尺長的大晶體, 此種稱為偉晶岩 (pegmatite) 之岩石就是由這些異常大的晶體所組成 大多數偉晶岩的組成是花崗岩質的, 是由異常大的石英 長石 白雲母等晶體所組成 陶瓷生產需要長石, 電的絕緣體則需要雲母礦物 除了常見的矽酸鹽礦物之外, 一些偉晶岩中出現有半寶石的礦物, 例如 : 綠柱石 (beryl) 黃玉(topaz) 電氣石(tourmaline) 再者, 含有鋰 銫 鈾與稀土元素之礦物有時也可在偉晶岩中被發現 大多數的偉晶岩存在於大型的火成岩體之中, 或以岩脈的型式切穿圍繞於岩漿庫周圍的母岩 最重要且最為人們所知道的礦床是由熱水 (hydrothermal solution) 所形成的 這一類礦床包括 : 南達科塔州 Homestake 礦場之金礦 ; 愛達華州 Coeur d Alene 附近的鉛 鋅和銀礦 ; 內華達州 Comstoke Lode 的銀礦床 ; 密西根州 Keweenaw 半島的銅礦 熱水礦床被認為是來自與冷卻岩漿體有關的熱而富含金屬之流體 在固化的期間, 液體和不同的金屬離子將堆積在岩漿體的上方附近 因為這些熱流體的移動性很高, 它們在最後沈澱之前可以經過周圍岩石並移動至遠處 在些流體可沿著破裂面或層面移動, 並在這些地方沈澱出金屬離子, 因而產生脈狀礦床 (vein deposit) 許多最具生產力的金 銀和汞礦常是屬於熱水脈狀礦床 另外一種由熱水活動所造成的富集, 稱之為浸染礦床 (disseminated deposit) 它並不是聚集在狹窄的礦脈或岩脈之中, 這些 47

51 礦則是以較低的濃度分散在整個大片的岩石之中 世界上的銅礦很多是從浸染礦床採掘而來的, 這包括猶它州賓漢峽谷 (Bingham Canyon) 的銅礦場 因為這裏的銅富集濃度只有 0.4~0.8%, 所以每獲取一噸的金屬必需開採 125~250 噸的礦石來提煉 然而, 大型的開挖會對環境造成明顯的衝擊, 這包括廢土的處置 非金屬礦物的資源 不被當作燃料或不被處理加工成金屬之礦物資源稱為非金屬礦物資源 為了利用它們所含的非金屬元素或所擁有的物理和化學性質, 這些物質被採掘和加工 非金屬礦物資源通常被分成兩大類 : 建築材料和工業礦物 因為有些物質具有多種不同的用途, 所以可同時存在於這兩大類之中, 石灰岩就是個最好的例子, 它或許是最多用途和最廣泛被使用的岩石 做為建築材料方面, 石灰岩不僅可以當碎石和建築石塊, 而且也可以做成水泥來使用 再者, 當作為工業礦物時, 它是煉鋼的原料, 在農業上也可做為中和酸性土壤之用 除了當混凝土所使用的碎石 ( 砂 鵝卵石和碎石 ) 和切石之外, 另外一些重要的建築材料包括 : 當牆板和熟石膏之石膏 做成瓷磚與磚塊之粘土 以及製成水泥之石灰岩與頁岩 水泥與碎石混合可製成混凝土, 它是所有建設之中所必需的材料 很多不同的非金屬資源被分類為工業礦物 人們常常不知道工業礦物的重要性, 因為他們只看到由這些物質所製作的成品 ( 並非是礦物本身 ) 這也就是說, 很多非金屬在製成其它產品的過程當中將會被用掉, 例如螢石 (fluorite) 和石灰岩, 它們是煉鋼過程中所使用的物質之一 ; 剛玉 (corundum) 和石榴子石 (garnet) 則做為研磨劑以製作機械零件 ; 鉀鹽 (sylvite) 在肥料生產當中被用來增加農作物之收成 48

52 本章摘要 由岩漿冷卻與結晶固化而形成火成岩 ; 因沉積物的岩化作用而形成沉積岩 ; 岩石在高壓與受熱下進行變質作用而形成變質岩 岩漿的冷卻速率明顯影響火成岩中礦物晶體的大小 有四種基本的火成岩組織 : 微晶 粒狀 斑晶及玻璃組織 火成岩依據其組織與礦物組成來進行分類 火成岩根據它們所含的暗色與淡色矽酸鹽礦物之比例而分成數個成分群 長英質火成岩 ( 例如花崗岩與流紋岩 ) 大多是由淡色的矽酸鹽礦物所組成 中性成分的火成岩 ( 例如安山岩與閃長岩 ) 含有角閃石與斜長石 鐵鎂質的火成岩 ( 例如玄武岩與輝長岩 ) 含有大量的橄欖石 輝石與鈣長石 火成岩的礦物組成決定於其原先岩漿的化學組成 包溫 (Bowen) 的實驗發現岩漿逐漸冷卻時, 礦物晶體的形成有其先後次序 岩漿分異作用改變了岩漿的成分, 因此一種母岩漿可以形成多種的火成岩 碎屑性沉積物來自於風化而來的固體顆粒 ; 化學沉積物主要是化學風化所形成的可溶物質, 經由無機或有機的過程沉澱而成 根據顆粒大小進行分類的碎屑性沉積岩含有許多種的礦物與岩屑, 其中石英與黏土礦物是最主要的組成 化學性沉積岩常含有生化過程的產物, 例如 : 貝殼屑或水蒸發而沉澱的礦物 由沉積物轉變成沉積岩的過程稱為岩化作用 常見的碎屑性沉積岩包括頁岩 ( 最常見的沉積岩 ) 砂岩與礫岩 石灰岩是最豐富的化學性沉積岩, 主要是由方解石礦物所組成 石膏岩與岩鹽是因水蒸發引起化學沉澱所形成的化學性沉積岩 一些沉積岩的構造特徵常用來解釋地球的歷史與過去的環境, 包括層理 ( 沉積岩的第一大特徵 ) 化石 波痕與泥裂紋等 有兩種變質作用 : 區域變質作用與接觸 ( 熱 ) 變質作用 變質作用的營力包括熱 壓力 ( 應力 ) 以及化學反應性的流體 其中熱或許是最重要的營力, 因為它提供能量以推動礦物的再結晶作用 變質作用使岩石發生變化, 包括密度增加 礦物晶體成長 礦物顆粒重新排列 ( 形成具有層狀或帶狀之外觀, 稱為葉理 ) 以及形成新 49

53 礦物 具有葉理狀組織的常見變質岩包括板岩 片岩與片麻岩 ; 非葉理狀組織的變質岩包括有大理岩與石英岩 一些很重要的金屬礦物資源之礦床是經由火成與變質過程所形成的 脈狀礦床 ( 沉澱於碎裂面或層面中的礦床 ) 和浸染礦床 ( 分佈於整個岩體中的礦床 ) 是由熱液所形成的, 這些富含金屬的熱液與冷卻的岩漿體有關 非金屬礦物資源因其具有特殊的物理與化學性質而被開採的非金屬物質 非金屬礦物資源分成兩類 : 建築材料 ( 例如石灰岩與石膏 ) 與工業岩礦 ( 例如螢石與剛玉 ) 50

54 第四章地震與地球內部 1989 年 10 月 17 日下午 5 點左右, 在全球數百萬的電視觀眾正觀賞著美國職棒比賽時, 因地震侵襲了舊金山的 Candlestick 公園, 使得電視螢幕突然斷訊 雖然震央是位於南方 100 公里遠處的 Santa Cruz 山脈, 但主要的災害則發生在舊金山 Marina 地區 猛烈搖晃所造成最悲慘的災難是 880 州際公路 ( 亦即著名的尼米茲高速公路 ) 的一些雙層路段塌陷 地表震動引起上層公路搖晃, 而沿此公路有一哩長路段的混泥土支撐柱子發生粉碎, 上層隨後塌陷掉落到下層的公路上, 下層的汽車則有如鋁罐般地被壓扁 本次地震是以震央的地名命名為 Loma Prieta 地震, 而這次地震共造成 67 人死亡 在 Loma Prieta 地震蹂躪了舊金山部分海灣地區之後的 5 年,1994 年的 1 月中又有一個大的地震侵襲了洛杉磯的北嶺 (Northridge) 地區, 雖然並非預測中的強烈地震, 但此中等地震 ( 規模 6.7) 也造成了 57 人死亡, 超過 5 千人受傷, 以及數萬戶斷水斷電 這次地震所造成的損失超過 400 億美金, 而此次破壞則歸因於一條前所未知的斷層通過北嶺地區, 它造成地面長達有 18 公里之破裂 北嶺地震在清晨 4 點半的時候發生, 並大約持續了 40 秒 在此瞬間之震動搖晃, 使洛杉磯整個地區受到驚嚇 在北嶺的一棟三層公寓中, 有 16 人因上層樓板塌陷至一樓而死亡 約有 3 百所學校受到重創, 有 12 條大的公路彎曲變形, 其中包括兩條加州的主要幹道 : 金色州際高速公路 (5 號州際公路 ) 有高架橋塌陷而堵住了公路, 另一條則是 Santa Monica 高速公路, 所幸這些公路在清晨時幾乎沒有車輛在通行 在 Granada 高地附近, 破裂的瓦斯管引起火災, 但街道上卻因大水管斷裂而導致淹水 在 Sylmar 地區有 70 戶人家被掩埋 有一列 64 節的火車脫軌, 其中還載有危險的貨品 但整體而言, 此次地震破壞並不大 毫無疑問, 建築結構之提升符合了頻震區建築物規範之所需, 因此有助於將災害減到最少 51

55 何謂地震? 地震是能量快速釋放所引起的地表震動 大多數的地震常是沿著地殼上的斷層滑動所引發的, 而所釋放出來的能量則由源頭 ( 稱為震源 ) 往各方向以波的方式傳播出去, 這種波很類似石頭丟入平靜的池塘中所產生之波動 就如同石頭使水體產生波動一樣, 地震會形成穿透地球內部的震波 即使離震源較遠處, 能量會快速地消散掉, 但分佈在全球各地的靈敏儀器仍能記錄到這些地震的事件 全球每年有超過 3 萬個有感地震, 所幸大多數是小型地震且傷害甚低 一般而言, 每年約有 75 個強烈地震發生且大多發生在人煙稀少的地區 然而, 在接近人口稠密的中心偶而會有強烈的地震發生, 在此種情況下, 地震將是地球上最具破壞性的天然力量 地表的晃動再加上一些土壤的液化作用將造成建築結構的大破壞 除此之外, 當地震發生在人口稠密處, 電力及瓦斯管線常會被弄斷而引起多處火災 在 1906 年著名的舊金山大地震中, 火災導致大規模的毀壞, 因為水管破裂使得消防隊員無水可滅火而很快地造成無法控制火勢的局面 地震與斷層 核子試爆或火山爆發所產生之巨大能量釋放也可以造成地震, 但這些事件相對較弱而且也較少發生 到底是何種機制產生了具破壞力的地震呢? 大量資料顯示地球並非是一個安靜的行星 我們知道地殼常常被抬升, 因為我們已找到很多古代的波蝕海岸台地, 這些台地目前位在海水高潮線上方約數公尺處, 而其它地區則顯示出廣泛的地層下陷 除了上述這些垂直方向的位移之外, 籬笆 道路或其他建築物之錯開則指出地表的水平移動是頗為常見的 這些移動經常與地殼的大型破裂 ( 即所謂的斷層 ) 相關 地震一般會沿著先前已存在的斷層上發生 有些斷層很長且能夠造成大地震, 聖安得里斯斷層就是一個例子, 它是分開兩個板塊 ( 北美洲與太平洋 ) 的一個轉形斷層邊界 其它斷層的規模較小, 通常只會出現小的地震 大多數的斷層並不會呈現完美直線或連續的型態, 反而是出現許 52

56 多分支以及斷斷續續的小斷層 事實上, 聖安得里斯斷層是由許多大斷層與無數小斷層所組成的系統 除了一些隨著地震而發生移動的斷層之外, 我們清楚知道大多數斷層是被鎖住不動的 它們會被鎖住的主要理由是上方地殼施加了巨大的圍壓, 因此地殼的破裂面就被擠住而關閉 然而, 即使數千年來不曾活動的斷層, 假如作用在這個區域的應力大大增加的話, 就可能會再度發生破裂 發現地震的成因 直到美國約翰霍普金斯大學的 Reid 教授進行了一項有關 1906 年舊金山大地震的研究之後, 地質學說才清楚知道地震發生的真實機制 聖安得里斯斷層的北段部分在此次地震發生後伴隨有數公尺的水平移位 聖安得里斯斷層呈南北向橫越南加州達 1300 公里長, 這個大型破裂帶將地殼分開成兩個大區段 : 北美洲板塊及太平洋板塊 1906 年大地震之後的野外調查確認此單一事件使得斷層太平洋板塊相對於鄰近的北美洲板塊突然向北移動了 4.7 公尺 Reid 跟據上述的數據所推論的地震發生機制顯示於下圖中, 圖中的 A 圖顯示一個已存在的斷層, 而在 B 圖中, 構造力作用使斷層兩側的地殼岩石很緩慢地變形 在這些情況下, 岩石持續地彎曲且儲存彈性能, 頗類似木棒之彎曲 最後, 外力超越了岩石之間的摩擦阻力, 就在岩石的最脆弱點 ( 即震源 ) 發生了滑移, 而此種位移也會立即施加應力於此斷層的沿線上, 因此會發生更多的滑移, 直到所累積的應變大部分被釋放出來, 而此種滑移可使變形的岩石回跳 當岩石要彈性地回到原來的形狀時, 震動 ( 地震 ) 因而發生 此種岩石的回跳,Reid 稱之為彈性反彈 ( 回跳 )(elastic rebound), 這是因為岩石具有彈性的行為, 與一個拉長的橡皮圈被釋放的情形非常地類似 斷層沿線上的位移大多數可以用板塊運動學說來做滿意的解釋, 這個學說認為大片的地殼持續地移動著 這些移動性的板塊之間會有交互作用, 使其邊緣地區的岩石承受著應力及變形 事實上, 大多數的地震皆發生在與板塊邊界有相關的斷層沿線上 再者, 地震是會重複發生的, 當地震發生過後, 板塊仍是持續地運動著, 會使岩石再累增應變直到岩石又發生破裂, 如此重複循環著 53

57 摘言之, 大多數地震之形成是由於岩石一直受到應力而儲存了彈性能, 此能量一旦被快速地釋放出來就造成了地震 當岩石的強度被超越, 它會突然地破裂, 並導致地震的震動 一旦外力超越了斷層面之間的摩擦力, 就經常在斷層的沿線上發生地震 前震 (foreshock) 與餘震 (aftershock) 1906 年舊金山大地震強烈震動持續了 40 秒, 沿著斷層上的大多數位移就發生在這個瞬間, 但沿著這個斷層以及附近的斷層上, 在主震發生之後數天卻仍持續發生額外的位移 在主震之後的地殼調整常 54

58 會產生較小的地震, 稱之為餘震 雖然這些餘震通常比主震還小, 但它們有時會使嚴重受損的結構再度遭受毀壞 例如 :1988 年亞美尼亞的地震, 一個較大規模 (M L =5.8) 的餘震使被主震受創的許多結構發生了塌陷 除此之外, 小地震 ( 我們稱之為前震 ) 常在主震發生之前數天, 有時在數年之前發生 這些餘震之監測常做為預測大地震即將到來的方法 我們將在後面章節中討論地震預測的主題 聖安得里斯斷層 : 一個活斷層帶 聖安得里斯斷層 (San Andreas fault) 無疑是全世界研究最多的斷層系統 多年來的研究顯示沿此斷層每 100~200 公里長之個別區段裡皆有位移的發生 再者, 每個斷層區段中各有不同的位移行為模式 此斷層的一些部分呈現出緩慢的位移, 我們稱之為斷層潛移 (fault creep), 它們的移動相當平滑, 因此幾乎沒有明顯的地震活動發生 另外有一些區段則出現經常性的滑移, 因而造成小規模的地震 然而, 有一些區段呈現持續閉鎖的狀態, 並能儲存彈性能達數百年之久, 直到大地震發生為止 此種過程被描述為黏滑 (stick-slip) 運動, 因為這些斷層區段是交替性地出現閉鎖以及突然滑動之時期 據估計, 在此大斷層的這些區段上每隔 50~200 年將會發生一次大地震 沿著聖安得里斯斷層的構造力是導致 1906 年舊金山大地震的主因, 而此構造力仍活躍著 目前是使用雷射光束來測量此斷層兩側的相對移動, 而此種測量透露出每年有 2~5 公分之位移, 雖然位移看似緩慢, 但數百萬年後卻可產生明顯的移動 舉例說明, 以此種位移速率累積 3 千萬年之後, 會使加州西邊向北滑移, 在太平洋板塊上的洛杉磯將會與北美洲板塊上的舊金山相鄰 更重要的是在短期內每年雖只有 2 公分的位移, 但在 100 年之後將會有 2 公尺的錯動 而像 1906 年舊金山的大地震至少每隔 200 年可產生 4 公尺的瞬間位移將會在沿此區段上發生 此事實也關係著加州的耐震建築是否能通過無法可避免的大地震之考驗 55

59 地震學 (seismology): 地震波的研究 地震波之研究 ( 地震學 ) 可追溯近 2 千年前的中國人企圖去決定每個地震的震央方位 現代的地震儀是記錄地震波的儀器, 它們的設計原理頗為簡單 : 一個重物被自由地懸掛在附著於堅固基岩的地震儀器主體中, 當震波到達此儀器時, 地表和主體會發生震動, 然而此重物因慣性運動而維持不動 相對於靜止的慣性體之地球震動被記錄在轉動的記錄鼓上 現代地震儀會放大並紀錄地表的震動, 因而產生震波曲線 這些 56

60 稱為地震波曲線 (seismograms) 顯示震波是屬於彈性能, 這個能量由震源往四面八方傳播出去, 能量的傳遞可比擬為突然之震動使碗中膠體發生搖晃 地震波曲線透露岩石滑移時會產生兩類主要的震波 有些會沿著地球的外層移動, 稱為表面波 (surface wave); 其它會穿透地球內部而傳遞, 我們稱之為實體波 (body wave); 實體波又可再細分為初波 (P 波 ) 和次波 (S 波 ) 實體波根據穿透物質時之行進方式被細分成 P 波與 S 波 P 波是推拉 (push-pull) 波, 這種波會推擠 ( 壓縮 ) 或拉伸 ( 膨脹 ) 其行進方向之岩石 假如抓住某人的雙肩並將此人搖晃, 此種推拉運動就是 P 波穿透地球的運動方式, 此方式類似人類聲帶所產生的波, 它會在空氣中運動而且形成聲音 固體 液體和氣體受壓縮時都會抵抗以阻止體積被改變, 但外力消失時它們會彈性地恢復原形 因此, 屬於壓縮波之 P 波可穿透任何物質 相對地,S 波會垂直其行進方向上搖動粒子, 例如繫緊繩子的一端, 並搖動繩的另一端 它與 P 波不同, 因為 P 波只會暫時改變介質的體積 ( 體積會交替地出現壓縮與膨脹 ), 而 S 波會使它所通過的物質暫時發生形狀的變化 因為流體 ( 氣體與液體 ) 在形狀變化時並未能出現彈性反應, 使得流體無法傳遞 S 波 表面波的運動方式較為複雜 當表面波沿著地面行進時, 將會使地面以及其上的任何物體發生移動, 頗類似船隻在海浪上搖動 除了做上下運動之外, 表面波也會進行側向的來回運動, 此方式與水平面方位之 S 波很相似, 第二種的運動方式特別會對建築結構的地基造 57

61 成傷害 根據典型地震記錄之觀察, 你將看出這些震波的主要差異性 :P 波首先會抵達各地震測量站, 然後依序是 S 波以及表面波, 這是因為它們速度不同所致 舉例來說, 震波穿透地殼中的花崗岩時,P 波的速度每秒約為 6 公里, 同樣的情況下,S 波的行進速度約是每秒 3.5 公里 岩石的密度和彈性強烈影響這些震波的行進速度 一般而言, 在任何固體中,P 波比 S 波的行進速度約快了 1.7 倍, 表面波的行進速度被認為是 S 波速度的 90% 如我們所了解, 震波讓我們可決定地震的位置和規模 再者, 震波提供了偵測地球內部的一項工具 找出地震的位置 記得震源 (focus) 是地球內部地震波的源頭, 而震央 (epicenter) 則是震源正上方的地表處 P 波與 S 波速度上的差異提供我們找尋震央的方法, 此原理類似兩輛汽車之競賽, 其中一輛的速度較快 P 波比 S 波更早抵達各測站, 因此 P 波經常在競賽中獲勝 然而, 競賽的車道愈長, 它們兩者抵達終點 ( 地震測站 ) 的時間差距就會愈大 因此, 在地震波曲線中第一個 P 波與 S 波抵達的時間間隔愈大, 則代表這個測站離震源應愈遠 58

62 利用地震波曲線發展出找尋地震震央的系統, 從這些地震波曲線可建立震波的走時曲線 經由核子試爆得到其地震波曲線, 再加上得知其引爆的精確位置與時間, 因此我們獲得第一張更為精確的走時曲線圖 利用地震波曲線以及走時曲線, 我們由下列的兩個步驟可決定出地震測站與震央之間距 :(1) 決定出第 1 個 P 波與 S 波的時間間隔 ;(2) 在走時曲線圖中找出同等時間間隔的 P 波與 S 波曲線位置 我們由這個資訊可以決定出這個地震的震央是距離我們記錄儀器達 3800 公里遠的地方 我們現在得知距離之後, 然而尚未能得知是在那個方位上? 這個震央可以是位在此地震測站的任何方向上 當至少 3 個不同地震測站的各別間距被決定出來之後, 震央的精確位置即可被找出 我們可以在每個測量站的周圍畫圓, 每個圓的半徑代表各個測量站與震央之間距, 三個圓交叉的那一點就是震央的位置, 此種方法稱為三角交叉檢測法 (triangulation) 地震的能量釋放大約有 95% 都是來自一些相當狹窄的區域, 最大的能量釋放是沿著太平洋的外緣地區, 我們稱之為環太平洋地震帶, 最強的地震活動也在這個區域上, 例如, 日本 菲律賓 智利, 以及許多的火山列島 ( 如阿拉斯加的阿留申群島 ) 另一綿延在各大洋中達數千公里長的連續地帶, 這個地區與中洋脊系統一致, 此區經常發生小型的地震活動 與板塊邊界分布圖做比較之後, 你將會發現震央的位置和板塊邊界有著非常緊密的相關性 59

63 測量地震的大小 地震學家使用很多方法以獲得兩種描述地震大小的測量值 - 地震強度與地震規模 地震強度最先被使用, 它是根據受損的情況來訂定地震搖晃的程度 隨著地震儀之發展, 根據震波記錄 ( 並非依賴不確定的人為估計 ) 已明顯可以對地震進行定量上的測量 地震規模之量測是依據震波記錄 ( 以及其它技術 ) 所提供的資料進行計算以便估計出震源處所釋放出的總能量 地震強度階 (intensity scales) 在一世紀之前, 歷史的記錄中僅提供有關地震搖晃和破壞的嚴重性之敘述, 但因為並未能建立任何的標準, 所以很難利用這些描述來對地震大小進行精確的對比 為使地震嚴重性之研究能達到標準化, 一些學者依據建築物的損壞 地震事件的個別描述或地震的次效應 ( 山崩和地表破裂的程度 ) 發展出各種的強度階 1902 年, 麥卡里 (Mercalli) 發展出一套可靠的強度階, 經修改後的強度階直至今日仍被使用著 下表中的修正版麥卡里強度階是使用加州的建築做為標準規範所發展出來的, 但仍可適用於美國以及加拿大的大部分地區以估計地震的強度 例如, 若某地區一些良好的木造結構和大多數的磚造建築物被某次地震所破壞, 則此地區的麥卡里震度為 10 級 ( 如下表 ) 60

64 此種震度階提供給地震學家一種比較地震嚴重性之工具, 尤其是未能設置地震儀的地區 僅管如此, 強度階有很大的缺點, 地震強度階是根據地震所產生的效應 ( 大多是指破壞的程度 ), 這些效應不僅決定於地表搖晃的嚴重程度, 也決定於其它因素, 例如人口密度 建築物的設計 地質的特性 地震規模 (magnitude scales) 為了對全世界的地震進行比較, 我們需要一種不依賴各地變異性較大的參數 ( 例如建築設計 ) 之測量方法 結果發展出很多種的地震規模數值 芮氏 (Richter) 規模 : 1935 年, 加州理工學院的芮氏, 利用地震記錄首先發展出地震規模以估計地震之相對大小 芮氏規模是依據震波曲線圖中所記錄的最大震幅 (P S 或表面波 ) 當震源與地震測站之間距增加時震幅會減弱, 因此芮氏發展了一套方法將上述震幅大小會隨間距而變化之因素加以修正 因此, 只要使用相同或同等的偵測儀器, 每次有地震時, 在不同地方的監測站理論上將會出現相同的芮氏規模數值 芮氏選擇伍德安德森 (Wood-Anderson) 地震儀做為標準的記錄儀器 雖然芮氏規模沒有上限, 在伍德安德森地震儀所記錄到的最大規模是 8.9, 它釋放出大約有 耳格的能量, 這相當於 10 億噸 TNT 炸藥所產生的能量 相反地, 比芮氏規模 2.0 還小的地震則是屬於無感地震 隨著更為靈敏儀器之發展, 小於規模 -2 之震動仍可被記錄到 61

65 地震的強度差異甚大, 強烈地震所產生的震幅大小是輕微地震的數千倍, 為了調節這種廣大範圍的變化量, 芮氏使用一種對數階來表示規模 如此, 規模每增加 1 則代表震幅將增為 10 倍 因此, 規模 5 的地震所造成之地表震動量是芮氏規模 4 的 10 倍 此外, 每增加一個單位之芮氏規模約增加 32 倍的能量 因此, 地震規模 6.5 的地震所釋放出的能量是 5.5 地震的 32 倍 一個規模 8.5 的地震所釋放的能量是最輕微有感地震的數百萬倍 其它的地震規模 : 芮氏的原始目標是企圖將南加州的淺源地震分類為大 中和小規模的地震 因此, 芮氏規模是設計來研究附近 ( 或局部 ) 的地震, 並以 M L 的代號來表示, 這裏 M 代表規模, 而 L 則代表局部之意 由震波曲線圖能快速地計算出某個數字, 並以此來描述地震的大小, 此種方便性使芮氏規模成為一個有力的工具 再者, 不像強度階只能應用在全球有人煙的地區, 芮氏規模可偵測到人煙罕至或海洋盆地的地震事件 結果, 由芮氏所設計的方法經過改良後可適合於全球各地不同的地震儀上 而地震學家也修改了芮氏的方法並發展出一些新的規模 僅管此種規模頗為有用, 但所有類似芮氏規模者皆不適合來描述很強烈的地震 例如 :1906 年舊金山大地震和 1964 年阿拉斯加大地震都是芮氏規模 8.3 的地震 然而, 根據斷層帶之大小以及所觀察到的位移量, 阿拉斯加大地震比舊金山大地震釋放出更多的能量 因此對於大地震而言, 芮氏規模以及其它相似之規模可說是呈現 飽合 的, 因為它們無法區分這些事件之間的地震大小 地震矩規模 (moment magnitude): 近年來地震學家正在發展一套更精確的測量, 我們稱之為矩規模 (Mw), 它是根據沿著斷層帶所發生的位移量所推導而來, 並非是利用地表震動來測得的 矩規模是利用一些綜合的因素計算而得, 這些因素包括 : 斷層沿線的平均位移量 地表斷裂之面積 斷裂岩石的剪力強度 ( 此因素是量測岩石突然滑移和釋放能量之前, 某岩石可儲存多少的應變能 ) 利用地震曲線圖中的長周期震波可以輕易地計算出矩規模, 所獲得的數值經過校正使輕度和中度的地震矩規模約與芮氏規模相同 然而, 在描述很強烈的地震時, 矩規模較為適合 例如,1906 年舊金 62

66 山大地震利用表面波震幅得知芮氏規模為 8.3, 但根據矩規模則降為 7.9; 然而, 芮氏規模 8.3 之 1964 年阿拉斯加大地震則增為 9.2 有記錄以來最強的地震 (1960 年智利的大地震 ) 之矩規模是 9.5 矩規模已廣泛地獲得地震學家與工程學家們的接受, 這是因為 : (1) 它是唯一可適切地估計出強烈地震大小的規模值 ;(2) 此種量測是根據斷裂面大小以及位移量, 因此較能反映出地震時所釋放出的總能量 ;(3) 它可用兩種獨立的方法來驗證 ( 野外調查以量測斷層之位移和利用地震儀中的長周期震波 ) 來自地震的破壞 20 世紀北美洲最強烈的地震為 1964 年耶穌受難日的阿拉斯加大地震 (The Good Friday Alaskan Earthquake), 本次地震的矩規模是 9.2, 並持續了 3~4 分鐘, 幾乎整個阿拉斯加州都可感覺到此次的地震 此次造成 131 人死亡, 數千人無家可歸 由於地震發生在大城市與海港的附近, 因此整個州的經濟嚴重受創 假如在這個假日當天學校和商店是開著的話, 那傷亡人數將會更高 主震發生之後的 24 小時內, 記錄到 28 次的餘震, 其中有 10 次超過芮氏規模 6 的餘震 63

67 來自地震振動之破壞 1964 年阿拉斯加大地震提供了地質學家檢視地表搖晃所具有的破壞力 記得地震對建築結構之破壞取決於下列數個因素 : 地震強度 震動持續的時間 建築結構所在之地質以及結構的設計 在安克拉治市的多層結構都被震動所損壞, 然而較具彈性之木造建築物卻能安然度過 建築差異是會影響地震破壞程度的, 鋼骨架構的建築物禁得起震動, 然而劣質設計建築物卻嚴重受損 工程師已認識到未強化之磚造建築物在地震中將承受最嚴重的安全威脅 在安克拉治市區大部分的大型結構, 即使符合了耐震建築規範但仍受損, 或許一些破壞是歸因於不尋常的地震持續時間 大多數的地震其搖晃不會持續超過一分鐘 例如 :1994 年加州北嶺地震持續了 40 秒, 而 1989 年 Loma Prieta 的地震則持續不到 15 秒 但是, 阿拉斯加大地震卻持續了 3~4 分鐘之久 震波放大 : 距震央約為 20 到 50 公里範圍內的地區, 雖然地表搖晃的程度大致相同, 但破壞卻明顯不同, 此種差異性主要可歸因於建築物所在的地表本質 譬如, 在柔軟沉積物通常會比固實的基岩更能將振動加大 安克拉治的建築物因位於鬆軟而未固化的沉積物之上, 因此出現嚴重的結構損害 相對地, 位於堅固花崗岩上的 Whittier 雖然較靠近震央, 但受損的程度明顯較小很多 然而,Whittier 市則主要是受到地震海波 ( 海嘯 ) 之侵襲而受損 1985 年墨西哥大地震活生生地再提醒了地震學家與工程師們, 他們從 1964 年阿拉斯加大地震中學到了什麼 墨西哥海岸為此次大地震震央之所在, 但地面卻只出現溫和的晃動 如預期地, 震波離震央愈遠而逐漸減弱 ; 然而, 離震央約 400 公里遠的墨西哥市中心比其外圍地區多經歷了 5 倍強度的振動, 而這地表振動放大主要可歸因於此城市某些地區是建築在鬆軟的古湖床沉積物之上 土壤液化現象 (liquefaction): 在未固實物質且含水飽合的地區, 地震發生時可造成土壤液化作用 (liquefaction) 之現象 在這種情況下, 穩定的土壤會轉變成液態, 而不再能支撐建築物或其它的結構 結果, 地底下的物體 ( 如水槽或污水管線 ) 可浮出液化的地面上, 但建築物或其它結構可能會下沉或塌陷 Loma Prieta 地震發生時, 在舊金山 Marina 地區之地基變得脆弱, 泥砂質噴泉由地面噴出, 這說明了 64

68 已發生土壤的液化作用 海嘯 (Tsunami) 在 1964 年阿拉斯加大地震中的罹難者大多與地震海波或海嘯有關 tsunami 原是日本字, 意思是港波或津波, 這是因為日本海港已多次遭受海嘯之侵襲 這些具破壞性之波浪常被媒體稱為潮汐波, 然而這樣的稱呼是不恰當的, 因為它們最經常是由地震所引發的, 少部分則是由海底山崩 火山爆發或隕石撞擊所造成的, 它們並非是受日月引潮力而產生的 由地震所引發的海嘯是海洋地殼的地塊沿著某斷層處發生垂直之位移時所產生的, 或發生在地震振動所引起的水底山崩之處 海嘯剛形成時就類似石塊丟入水塘中所產生之波紋 相對於波紋, 海嘯以每小時 500~950 公里的速度橫越海洋前進, 然而它在寬闊海洋中行進時很難被偵測到, 因為它的波長達 100~700 公里, 但波的高度卻經常小於 1 公尺 但是一旦進入較淺的海邊水域時, 這些破壞性的海波會減速, 而水體會堆高, 有時會堆高至 30 公尺以上 當海嘯的波峰接近海岸時, 海水面會快速地上升, 海水面會變得不穩定和混亂 海嘯接近時的第一個警訊經常是海邊的水體會快速地消退, 海岸的居民會注意此種警訊並撤遷到高地, 因為 5~30 分鐘之後, 隨著海水消退後而來的是能伸入內陸數百公尺遠的大浪, 每個大浪會以此種方式隨著海水快速消退接踵而至 這些波浪彼此間有著 10~60 分鐘的間隔, 它們在能量消退前可橫越數千公里寬的海洋 65

69 2004 年印尼大地震的海嘯侵襲 : 2004 年 12 月 26 日鄰近蘇門達臘的海底發生了矩規模 9.0 的大地震, 波浪被快速地推進並橫越印度洋與孟加灣, 這個海嘯成為近代最具致命的天然災害之一, 據統計共有 23 萬人罹難 海水橫掃進入內陸達數公里遠, 其所到之處, 汽車如浴缸中的玩具般地任意被拋擲, 漁船也被沖到房屋之上 在某些地區, 海水回流時將屍體以及大量的碎屑推到海裡去 此種破壞是任意性地, 這包括豪華的渡假勝地以及貧窮的小漁村 沿著斯里蘭卡的東南海岸 印尼的亞齊省 印度的 Tamil Nadu 省以及泰國渡假勝地普吉島是幾個受海最嚴重的地區 根據報導, 離震央往西達 4100 公里遠的非洲索馬利亞海岸也同樣受害 這具殺傷力的海嘯是由大地震所引起的, 並使海浪高達十公尺, 並在 3 小時之內橫掃許多來不及準備的地區 雖然太平洋盆地設置有深海浮標系統與潮汐壓力計, 它可以標定出海嘯是否發生, 但印度洋並沒有設置這樣的系統 ( 深海浮標系統上有壓力感測器可偵測地震能量穿越海洋時的壓力變化, 而潮位計則可以量測海水面的升降 ) 印度洋中少有海嘯發生, 因此一直缺乏這樣的偵測系統, 目前印度洋的海嘯警報系統正在建構當中 海嘯警報系統 : 1946 年, 在沒有預警之下, 一個大海嘯侵襲了夏威夷群島, 高於 15 公尺的海嘯使許多沿岸的村莊受損 此次災害促使美國海岸及測量署在太平洋沿岸地區建立了一套海嘯警報系統 由全球的地震觀測網將大地震的資料傳報給檀香山的海嘯 66

70 警報中心, 在此中心的科學家利用潮汐壓力計以斷定海嘯是否會發生, 並在一小時之內發佈海嘯警報 雖然海嘯行進的速度非常快, 但除非是很接近震央, 否則都會有足夠的時間來進行疏散 例如, 在阿留申群島附近所形成的海嘯需花 5 小時才能抵達夏威夷, 而在智利海岸附近形成的海嘯則需花 15 小時才能抵達 所幸大多數的地震並不會產生海嘯 平均而言, 全世界每年約有 1.5 個具破壞力的海嘯發生, 其中大約每 10 年才會產生一個具災難性之海嘯 山崩與地層下陷 在 1964 年的阿拉斯加大地震中, 對建築結構最大的傷害是來自地震振動所引發的山崩和地陷下陷 在 Valdez 和 Seward 兩城市裏, 猛烈的搖晃引起河流三角洲的地質經歷了土壤液化現象, 而隨後發生了崩移使海濱移位 因為此種災害有可能會再發生, 因此 Valdez 整個城市已搬遷至 7 公里遠的它處, 那裡有著更加穩固的地面 在 Valdez 這裡, 因為碼頭滑入海中而造成 31 個人死亡 安克拉治的大多數損害歸因於山崩 當一層粘土失去了它的強度, 造成超過 200 英畝的陸地滑進海水, 並造成 Turnagain 高地上的許多房舍毀壞 一部分的山崩被原地保留下來以當作此震災事件紀念之用, 此位址被命為地震公園 安克拉治的市中心也發生地層破裂, 使得主要商業區的部分區段下陷至 3 公尺深 火災 1906 年舊金山大地震提醒了我們火災的嚴重威脅, 市中心大多是大型老舊之木造與磚造的建築結構, 由火災所造成的最大災害最先是由瓦斯管線與電線嚴重受損做為開端, 猛烈且失控的火勢持續了三天並使至少 500 個區段受到摧毀, 而地面搖晃最初導致市區的水管線斷裂成數百段, 這使得火災問題更加嚴重 當沿著寬廣的大道上引爆炸藥而形成了一道防火牆之後, 火勢最後才受到控制, 而在撲滅森林火災時我們也使用這種相同的策略 雖然此次地震中只有少數人因火災而死亡, 但經常並非如此 1923 年 67

71 日本關東大地震 (1995 年日本阪神大地震之前最嚴重的一次地震 ) 引發約有 250 處的火災, 這使橫濱市受到重創, 也使東京半數以上的房屋毀損, 加上不尋常的強風助燃, 使得至少有十萬人在火災中喪生 地震可以預測嗎? 1994 年加州北嶺的地震導致 57 人死亡, 並造成 400 億美金的損失, 而這只是由中度地震 (Mw=6.7) 短暫 ( 約 40 秒 ) 的搖晃所造成 地震學家發出警告, 認為沿著聖安德里斯斷層將會再度發生相同或更大的地震, 而這個 1300 公里長斷層切過了加州, 一個明顯的問題就是地震可以被預測嗎? 短期預測 短期的地震預測目標是在短時間內提供大地震即將發生的位置和地震規模之警報, 受地震威脅的日本 美國 大陸和俄羅斯正大力朝此目標進行 而此研究則集中在偵測可能的地震前兆, 也就是地震發生之前的現象, 以便在地震來臨之前可提供警告 例如, 在加州有一些地震學家在活斷層附近量測地面隆起 下陷以及岩石的應變, 而有些日本的科學家則正研究地震發生之前的異常行為 1975 年 2 月 4 日, 大陸遼寧省的海城縣發生地震, 中國的地震學家宣稱此次短期地震預測是成功的 根據報導, 雖然震央附近約有一百萬人居住, 但死亡人數甚少, 這是因為地震被預測出來並且進行了疏散的結果 最近有一些西方的地震學家對此次所謂成功的預測表示懷疑, 因為在主震發生之前的 24 小時內有大量的前震發生, 使得很多人自動地進行疏散 再者, 中國官方在 10 年後的報告中卻提到此次震災中有 1328 人死亡, 有 人受傷 而在遼寧地震之後, 隔年的唐山大地震中至少有 24 萬人死亡, 但這次卻沒有被預測出來 大陸也發佈過錯誤的警告, 廣東省有一些人離開家園達一個月之久, 但期間並未發生地震 明顯地, 中國所使用的任何短期預測地震的方法是不可靠的 為了保證短期預測方案能被普遍接受, 它必需是準確且可靠的 68

72 即使如此, 在地震發生的時間和位置上必會有小範圍的不確定性, 而且必定會有少許的失敗或假警報產生 但你能想像要下命令去疏散美國的一座大城市, 例如洛杉磯或舊金山 要疏散數百萬人 安排他們的生活作息以及沒有工作和薪水之供應等等的代價將會是很龐大的 長期預報 短期預測的目標是在數小時或最多數天之前預測出地震 ; 相對地, 長期預報是針對 30~100 年或甚至更長的時間內發佈會發生某種地震規模的機率 換句話說, 針對某地區在某時間內會發生多大的地表震動提出一個統計上的預計值 雖然或許你不太喜歡長期預報的情報, 但這些資料在更新通用建築規範 (UBC) 上是很重要的, 這規範之中包括耐震結構的國家設計標準 長期預報是根據地震會重覆發生的這個前提, 就像天氣一樣 換句話說, 當地震發生過後, 板塊仍持續移動而又開始在岩石中產生應變, 直到再一次地發生破裂 此種現象引導地震學家去研究地震的歷史記錄, 觀察是否存在有任何可供辨識的模式, 如此可以確定地震再度發生之機率 一項由美國地質測量署所執行的研究, 就是在聖安德里斯斷層的不同區段上發佈 30 年之內 (1988~2018 年 ) 發生地震之機率 根據此項調查,Santa Cruz 山脈地區在這段時間內發生規模 6.5 的地震之機率是 30% 事實上, 規模 7.1 的 Loma Prieta 地震已在 1989 年發生了 聖安德里斯斷層的沿線地區在此段時間內發生地震之機率最高 (90%) 的是 Parkfield 地區 自從 1857 年的記錄開始, 此地的地震活動很有規律性, 因此這個地區被稱為 老忠實 地震帶 ( 雖然這個區段平均每 22 年會發生一次地震, 但上次地震是發生在 1966 年, 因此下一次地震似乎已經過期了至少 16 年 ) 介於 Parkfield 與 Santa Cruz 山脈之間的區域發生地震的機率甚低, 此區域在歷史中甚少有地震活動, 此區段是呈現了緩慢而持續之移動, 我們稱之為斷層潛移 (fault creep), 此種運動方式有利於防止岩石中儲存太多的應變能 摘言之, 在進行有用的地震預測上, 其前景主要是能在數年之中預報地震的規模和位置 因為這些資料可用來發展通用建築規範 (UBC) 以及協助土地之規劃, 因此這些預報將是很重要的資料 69

73 地球的層狀結構 地球內部位在我們的底下, 但我們只能很有限度地接近地球的內部 目前最深的砧井只能深入到地殼的 12 公里處, 這還不到地球半徑的 0.2% 因此, 我們星球內部之認知大多數是來自地震波的研究, 地震波可穿透地球並在地表的某處造成震動 假如地球是個完美的均勻球體, 那震波將會以直線而等速的方式傳播出去 然而, 事實並非如此, 我們有時會發現抵達較遠的地震測站之震波行進速度比接近震央處的測站時還要快 波速一般會隨深度而漸增, 這是因為壓力逐漸增加的結果, 壓力增加會使深埋岩石的彈性增強, 因此穿越地球內部的震波之行進路徑會出現折射 隨著更靈敏地震儀之發展, 我們明顯地發現到, 除了震波速度有逐漸變化的趨勢之外, 在某些深度處震波速度也出現突然的變化, 因為在世界各地都可偵測到這些變化, 地震學家推論地球內部必定是由明顯不同的組成或機械性質的球殼層所組成的 根據組成所定義的分層 70

74 因隕石撞擊和放射性元素之衰變會使地球溫度穩定性地增高, 這造成早期的地球出現了成分分層的現象 地球最後變得太熱, 因此發生了部分熔融的情況 在此期間, 重的元素 ( 主要是鐵和鎳 ) 下沉了而輕的岩石質成分卻住上浮起 此種物質分凝作用 (segregation) 仍持續地進行著, 只是目前進行的速率變得很緩慢 因為這種化學的分異作用, 使地球內部變得不均勻, 它主要是由三種不同化學成份的部分所組成的 : 地殼 地函和地核 地殼 (crust): 地殼是地球相當薄層的岩石外層, 一般分為海洋與大陸地殼 海洋地殼約有 7 公里厚, 由暗色的火成岩 ( 玄武岩 ) 所組成的 相對地, 大陸地殼平均是 35~40 公里厚, 在某些山脈地區之厚度可超過 70 公里厚 海洋地殼的化學組成相當均勻, 但大陸地殼的上半部之平均組成屬於花崗岩質的岩石, 我們稱之為花崗閃長岩 (granodiorite) 然而, 大陸地殼的下半部之組成更像是玄武岩 大陸上的岩石之平均密度約是 2.7g/cm 3, 有些岩石的年齡估計約有 40 億年之久 ; 海洋地殼的岩石較為年輕 ( 約是 1.8 億年 ), 其密度 (~3.0 g/cm 3 ) 較大陸岩石為高 地函 (mantle): 地函佔地球體積的 82%, 它是屬於固態岩石區, 深度可達 2900 公里深 地殼與地函的邊界代表著化學組成的突然變化 上部地函的主要岩石種類是橄欖岩 (peridotite), 它的密度是 g/cm, 在更深處的橄欖岩可能會變成更為緻密的結晶構造, 因此密度會更高 地核 (core): 地核是半徑為 3486 公里的球體, 由鐵鎳合金所組成的 在地核中的壓力甚高, 富鐵物質的平均密度約 11g/ cm 3, 而在地心處的密度則接 71

75 近純水密度的 14 倍 根據物理性質所定義的分層 地球內部具有隨著深度其溫度 壓力以及密度會隨之增加的特性 100 公里深處的溫度估計有 1200, 然而地心之溫度可達 6700 儘管熱能持續地流至地表並散失到太空中, 但地球內部明顯保留著地球剛形成時所獲取的能量 隨著深度而增加的溫度與壓力影響了地球內部物質的物理特性與其機械性質 當物質受熱時, 其化學鍵會變弱而且機械強度 ( 抵抗變形 ) 也會降低 假如溫度超過地球物質的熔點, 物質中的化學鍵結將被打斷並產生熔融 假如溫度是決定物質是否會熔融的唯一影響因素的話, 那麼地球將會是由一個薄層的固體所覆蓋的熔融球體 然而, 根據溫度與壓力之物理環境, 某些地球物質的行為會類似脆性的固體, 而有些則類似油灰之變形, 或甚至會熔融而變成液體 根據物理與機械性質, 地球內部有五個主要分層 : 岩石圈 軟流圈 中層圈 ( 下部地函 ) 外核和內核 岩石圈 (lithosphere) 與軟流圈 (asthenosphere): 根據物理特性, 地球的最外層是由地殼和地函最上層所組成的, 它形成一個相對較冷而堅硬的殼層 雖然此圈是由明顯不同的化學組成物質所組成, 但可自成一個堅硬的個體, 因為它們的性質主要都是相對較冷而堅固的 這層稱為岩石圈的平均厚度約是 100 公里, 但在年老的大陸地殼下之厚度有時可達 250 公里厚 在海洋盆地中, 沿中洋脊之岩石圈厚度只有數公里, 但在老而冷的海洋地殼處, 岩石圈的厚度或許可達 100 公里 在岩石圈之下的上部地函 ( 深度可達 660 公里 ) 存在著一層柔軟而相對脆弱的一圈, 我們稱之為軟流圈 軟流圈的最上部之溫度與壓力使得少量的岩石出現熔融的現象, 在這個相當脆弱的地帶裡, 上面的岩石圈可與此層呈現機械性地分離, 此結果使得岩石圈在軟體圈之上可以獨立地移動 地球物質的強度會因組成與溫壓環境而有所不同, 因此不要以為整個岩石圈的行為會像地表岩石一樣的脆, 岩石圈的岩石反而會隨著深度而有逐漸變熱及變脆弱 ( 故容易變形 ) 的趨勢 在軟流圈最上部的 72

76 地方, 岩石幾乎達到熔點或甚至已熔融, 使得岩石呈現相當容易變形的狀態 因此, 由於岩石接近熔點, 軟流圈的最上層是較為脆弱的, 此情況就好像熱臘會比冷臘來得脆弱一樣 中層圈 / 下部地函 (lower mantle): 在軟流圈脆弱的最上層以下的地帶, 漸增之壓力與高溫這兩因素之間有著相反的效應, 岩石會隨著深度而逐漸強化 介於 660 與 2900 公里之間, 我們發現有一層較為堅硬的地帶, 稱之為下部地函 僅管此圈有較高的強度, 它們的岩石仍是相當高溫而且呈現很緩慢地流動 73

77 外核 (outer core) 與內核 (inner core): 大多由鐵鎳合金所組成的地核可分成兩個明顯不同機械強度之地帶 外核是液態層, 厚度有 2270 公里, 就是這個具對流的金屬鐵地帶內產生了地球的磁場 內核是一個半徑 1216 公里的球體, 僅管它是很高溫的, 但內核的物質仍比外核有較高的強度 ( 因為相當高壓 ), 其行為就像是個固體 發現地球的主要分層 地震學家是如何發現地核與分層的, 這些故事是頗為有趣的 1909 年, 開路先鋒的南斯拉夫地震學家莫氏 (Mohorovicic) 首先提出令人信服的証據, 証明地球內部有層狀的構造 經由震波記錄之研究, 莫氏發現震波在 50 公里以下的深處其速度會突然增快 分隔地殼與其下方地函的邊界我們稱之為莫氏不連續面 (Mohorovicic discontinuity), 而此邊界很快地被簡稱為 Moho 數年之後, 另一個邊界被德國地震學家古氏 (Gutenberg) 所發現 一般而言, 即使是小地震所產生的震波也足於傳播到世界各地, 這就 74

78 是為何在加州或義大利的地震儀也可偵測到南極的地震事件 然而, 古氏觀察到全球離震央約 105 的各個地方之 P 波會減弱, 最後竟然消失 而 140 以上的地方雖可收到 P 波 ; 然而根據其行進的距離,P 波比預期抵達的時間晚了兩分鐘左右 P 波消失的地帶有 35 寛, 稱之為 P 波陰影帶 (shadow zone), 下圖顯示這些震波是如何運行的 古氏認為地球內部若含有一層異於地函物質的地核, 這就可以解釋陰影帶之存在 類似於光線被不透光的物質所阻擋之後而形成陰影一樣, 地核必也以某種方式阻礙了 P 波之穿透 然而, 這裡並非是擋住 P 波之行進, 而是被陰影帶改變了行進的方向 我們也知道 S 波無法在地核中行進, 因此地質學家推論地核至少有一部分是液態的 1936 年, 地球內部最後一個主要分層是被丹麥地震學家雷曼 (Lehmann) 所預測出來, 因為他發現在地核內部有新的震波反射區域出現 因此地球的地核中又有核的存在 ( 內核 ) 直至 1960 年代, 在內華達州進行了地下核子試爆之後, 我們才能準確地計算出內核的大小 因為我們已經知道引爆的精確地點與時間, 由內核反彈回來的震波使我們能夠準確地決定出內核的大小 過去數十年以來, 地震學方面的進展已讓我們能夠更精細地決定出地球內部的構造 其中, 最重要的是發現有岩石圈與軟流圈之存在 發現地球的組成 我們已檢視過地球的結構, 因此讓我們現在來查明每一層的組成 從組成可以告訴我們很多有關於 45 億年來地球如何地發育 地殼厚度變化較大, 在一些山區之厚度超過 70 公里, 而在一些海洋地區的厚度則小於 3 公里 早期的震波資料認為, 主要是由密度較低的花崗岩所組成的大陸地殼與緻密的海洋地殼的成分有著明顯的不同 直到 1960 年後期之前, 科學家只能用震波資料來判斷海洋地殼的成分, 因為這些地殼岩石是位在平均 3 公里深的海水以及數百公尺厚的沉積物之下 隨著深海鑽探技術之發展, 我們已可取得海底的標本, 它們的成分是屬於玄武岩質, 這與大陸地殼的成份有著明顯的差異 75

79 我們對地函與地核岩石之認知可說是靠推測而來的, 然而我們還是擁有一些線索的 到達地表的熔岩之源頭是來自地函裏面部分熔融的軟流圈 在實驗室中, 經由實驗顯示, 橄欖岩部分熔融時會形成玄武岩質的岩漿, 此成分與海島上火山活動所冒出的熔岩成分相類似 因此, 像橄欖岩這種密度較高的岩石被認為是地函的組成物質, 並且供應火山島噴發活動所需的熔岩 令人驚訝的是, 撞擊地球的隕石 (meteorite) 可提供地球內部組成之訊息 因為隕石也是太陽系的一部分, 它們被認為是具代表性的岩石樣本, 而其成分範圍從鐵鎳所組成的鐵隕石到類似緻密橄欖岩的石隕石 因為地殼含鐵的百分比明顯比隕石少很多, 地質學家相信在行星形成之初期, 緻密的鐵以及其它重元素都往地心下沈了, 較輕的物質則浮近地表, 因而形成密度較低的地殼 因此, 我們認為地核主要是由緻密的鐵鎳所組成的, 這種組成與鐵隕石相類似 然而, 其周圍的地函則是由類似石隕石的岩石所組成的 地球磁場的存在可用來支持熔融鐵質外核的想法, 我們地球就像個大磁鐵, 而解釋地球為何有磁場存在並且廣為接受的機制是地核由導電物質所組成的 ( 例如鐵 ), 而且這些物質可以移動以造成對流 這些情況和根據震波資料所建立的地核模型相符合 鐵質地核不僅可以說明地磁的存在, 也可以解釋地球內部的高密度 ( 地心密度約是水的 14 倍 ) 在地核的高壓環境之下, 平均密度為 2.8 的地殼無法達到地心的密度 然而, 鐵的密度是地殼岩石的 3 倍以上, 在高壓之下可達到地核所需的密度 摘言之, 雖然地震頗具破壞力, 但有關地球內部的許多知識則是源自地震現象之研究 若對地震與其成因之認知有所提升的話, 我們將可以知道更多有關地球內部的運作過程, 這或許也能讓我們知道如何減少地震的災害 76

80 本章摘要 地震是岩層中能量之快速釋放所引起的地表震動 因為岩層持續受到應力並超過其極限時會導致破裂以及能量之釋放, 這能量是以波的形式由地震的源頭 ( 稱為震源 ) 往各方向輻射出去 地震所造成的岩層移動大都是沿著大破裂 ( 斷層 ) 面上發生的, 它們經常與板塊的邊界有關 地震所產生的震波可分成兩大類 : 表面波 ( 沿著地球的表層傳播 ) 與實體波 ( 可在地球內部傳播 ) 實體波可再細分成首波 ( 或 P 波 )( 經過岩層時會發生壓縮與伸張 ) 與次波 ( 或 S 波 )( 垂直其傳播方向搖晃岩層中的粒子 ) P 波可在固體 液體與氣體中傳播,S 波則不能在流體 ( 氣體與液體 ) 中傳播 在任何固體材料中,P 波的傳播速率是 S 波的 1.7 倍 震源正上方地表的位置稱為震央 利用 P 波與 S 波的速度差可以決定震央的位置與距離 全球震央的分佈與板塊邊界有著非常密切的相關性 主要的震央帶是沿著太平洋邊緣的環太平洋地震帶以及沿著各大洋的中洋脊地震帶 地震學家目前使用兩種不同的方法來描述地震的大小 : 強度與規模 地震強度是根據破壞的情況來判斷某地點之地表的震動程度 新修正的麥卡里強度階是利用局部地震所造成建築物之破壞來估計地表搖晃的強度 地震規模是利用地震儀所記錄到的震波來估計震源所釋放的總能量 芮氏地震規模是利用震波曲線圖中最大的震幅來估算, 其中採用對數來表示規模 ( 地表搖晃每增加 10 倍其規模值將增加 1) 目前地震矩規模常被用來估計中度與強烈地震的大小, 它是根據斷層的平均位移 斷層面的面積以及岩石破裂的剪力強度來計算地震矩規模之大小 地震所造成的破壞程度最重要之決定因素是地震規模與離人口密集地區之遠近 地震震動對建築結構的破壞程度決定於下列數個因素 : 地震強度 持續搖晃的時間 結構所在的地表特性 結構的設計 地震的副效應包括 : 海嘯 山崩 地層下陷與火災 日本 美國 中國 俄羅斯等地震高危害的國家目前都在進行地 77

81 震預測之研究, 但尚未有短期預測地震的可靠方法 根據地震會重複發生這個假設前提下, 我們就可以進行地震的長期預報 地震學家研究某地的地震的歷史並進行數據分析, 可以用來預測其地震的發生機率 根據化學組成與物性之變化, 地球內部可分成數層 依據成分之差異, 地球內部可分成薄層的地殼 固體岩石質的地函以及緻密的地核 若依據物理性質來細分, 地球可分成岩石圈 ( 冷而硬的最外層, 平均厚度約 100 km) 軟流圈 ( 地函中的軟弱層 ) 下部地函 ( 熱且可緩慢流動之岩石層 ) 外核 ( 產生地球磁場的流體層 ) 以及固體內核 大陸地殼的平均組成類似於花崗岩, 稱為花崗閃長岩 海洋地殼則是屬於玄武岩質 地函的岩石組成類似於橄欖岩 地核則主要是由鐵和鎳所組成的 鐵核可說明地球內部的高密度以及地磁之存在 78

82 第五章板塊構造學說 20 世紀初, 大多數地質學家認為海洋 " 盆地 " 與大陸的地理位置是恆常不變的 然而, 隨著數十年來大量研究資料之累積, 我們對地球的本質與運作之認知出現了重大的變化 地球科學家現在已經知道大陸會逐漸地漂移到全球各地, 而當陸地分離之後, 兩陸地之間可創造出新的海洋盆地 同時, 老舊的海床會在深海溝地區被帶進地函之中 因為會移動, 陸塊最後會相互碰撞, 地球上的大山脈也因而形成 簡而言之, 一個革命性 嶄新的地球構造運動模式於焉誕生 與之前的科學認知完全相反時, 常稱為科學革命 如同其它的科學革命, 從觀念導入到觀念被普遍接受需要一段很漫長的時間 此項革命早在 20 世紀之初就以大陸漂移學說為開端, 但是經過多年的激烈爭辯之後, 大陸漂移學說被絕大多數地球科學家所排斥 然而, 在 1950 與 1960 年代期間, 新的證據又點燃這個學說的希望之火 到了 1968 年, 一個比大陸漂移學說涵蓋更為廣泛的理論 ( 板塊構造學說 ) 於是被開展 大陸漂移學說 (Continental Drift) 地圖中的南美洲與非洲可以如拼圖般被合併在一起, 但起初並不知其中之含意 直到 1915 年, 德國氣象學家與地物學家韋格納 (Wegener) 出版了 陸地與海洋的起源 的著作, 它在書中提出了激進的大陸漂移學說 韋格納認為有一個超級大陸曾經存在, 它被稱為盤古大陸 (Pangaea), 暗示此大陸約在 2 億年前開始分裂並形成較小的陸塊, 然後再漂移到目前的位置 79

83 韋格納與其他人收集了大量的證據來支持這個學說 南美洲與非洲的銜接 化石的地理分布 岩體構造以及古氣候等證據似乎可用來支持目前的陸塊曾經是聚在一起的觀念 以下讓我們來檢驗他們的證據 大陸邊緣吻合銜接的證據 韋格納與前人都注意到, 南大西洋的兩陸緣大致可以彼此銜接合拼, 他使用新的海岸線地圖來進行大陸的合併, 但馬上面對其他地球科學家的挑戰 這些反對者認為海岸線經過海水侵蝕的過程之後, 海岸線應該會一直變動著, 故不太可能有良好的銜接性, 而韋格納自己也知道這項證據似乎較為粗糙 科學家已確定大陸的真實邊界大概是在海 80

84 平面以下數百公尺深處的大陸棚上 1960 年代早期, 為了讓大西洋兩岸可以拼湊在一起, 科學家編製了以 900 公尺深處為大陸棚邊界的地圖, 於是發現大西洋兩岸之銜接性大大地提升, 雖然其中仍出現一些大陸的重疊區, 但這些地區可能是河流堆積了大量沉積物, 導致大陸棚明顯擴大所致 至此, 大西洋兩岸整體之銜接吻合程度甚至可平息研究者的質疑 橫越大洋的化石相匹配之證據 雖然韋格納的學說最初是來自於大西洋兩岸的邊緣有著良好的銜接性, 但他仍認為地殼是不可能會移動的 直到知道南美洲與非洲兩邊的岩層中存在有相同的生物化石之後, 他才開始嚴肅地探討地殼可以移動的問題 韋格納在研讀文獻之後, 發現大多數的古生物家們有著一致的觀念 : 被大海隔開的兩陸塊若要出現有相同的中生代生物化石, 則兩陸塊必需存在有某種型態的通道 中龍 (mesosaurus): 為了強化曾有超級大陸存在的可信度, 韋格納引用許多生物化石文獻的例子, 僅管這些生物不可能橫越過目前已知陸地之間的大海, 但這些生物化石分別在不同的陸塊上被發現 中龍是一個典型的例子, 它是水生捕魚的爬蟲類, 這種化石只存在於南美洲東部與非洲的二疊紀 ( 約 2 億 6 千萬年前 ) 黑色頁岩之中 假如中龍能夠橫越寬廣的南大西洋, 那麼它的化石分布應該會更加寬廣, 但事實並非如此, 因此韋格納認為當時這兩個陸塊必定是相連的 在韋格納那個時代, 科學家如何解釋被大海相隔數千公里的不同陸地上, 為何會出現相同的化石生物? 生物若要移棲, 最被廣泛接受的說法就是存在有橫越大洋的陸橋 譬如在冰河時期, 因為海平面下降可讓動物橫越亞洲與北美洲之間的白令海峽 然而, 非洲與南美洲之間是否曾有陸橋相通, 後來下沉到海平面之下嗎? 根據現代的地圖, 可以證實這種大規模的陸橋不曾出現在南大西洋 假如這個陸橋曾經存在過, 那麼現在它應該還會殘留在海平面之下 81

85 現代生物 : 在最新版本的著作裏, 韋格納也引用現代生物的分布當作支持大陸漂移學說的證據 例如, 有著相似祖先的現代生物, 它們在過去數千萬年來必定會各自獨立演化 其中, 以澳洲有袋類動物 ( 如袋鼠 ) 最為明顯, 它們與美洲所發現的有袋類負鼠具有化石之間的直接連結性 盤古大陸分裂之後, 澳洲與美洲的有袋類生物開始出現不同的演化路徑 岩石種類與地質構造相匹配之證據 我們拼圖的時候, 除了邊緣需銜接良好之外, 內部圖案亦需有其連續性 同樣地, 若兩陸塊原本是相連的, 則鄰近大陸上的岩石種類與造山帶也需能相匹配與銜接 假如陸塊曾經相連, 則一陸塊上某特定地區中的岩層和年代應該會與曾經相毗鄰的另一陸塊甚為匹配 韋格納找到 2.2 億年前巴西與非洲兩地的火成岩證據, 因為兩者極為相似 類似的證據也存在於造山帶中, 因為山脈在一陸塊的海岸突然中止, 但在另一陸塊上又再度出現 例如 : 北美洲的阿帕拉契山脈 (Appalachian Mts.) 向東北延伸到加拿大的紐芬蘭 (Newfoundland) 時突然中止, 但相匹配的年代與構造卻在格陵島 英格蘭島以及斯堪地那維亞半島 (Scandinavia) 上被發現, 當這些陸塊被併在一起之後, 山脈幾乎可形成一個連續的造山帶 82

86 韋格納說道 : 就如同靠著邊緣形狀以及檢視內部的印刷線條, 可將撕碎的報紙拼湊回來一樣, 假如真的可以良好銜接拼湊起來, 那就只能斷定這些片斷原本就是合而為一的 古氣候之證據 因為韋格納是個古氣候學家, 他很有興趣收集古氣候的數據以做為支持大陸漂移學說的證據 他的努力終於獲得回報, 因為他找到古代全球氣候大變遷的證據 特別是, 他從古代冰河沈積物得知, 古生代末期 ( 約 3 億年前 ) 有冰層覆蓋在南半球與印度大陸的廣大地區, 而相同年代的冰河搬運之沈積物也出現在非洲南部 南美洲 印度以及澳洲, 但這些陸地目前有許多卻位於南北緯 30 度之內的熱帶或亞熱帶氣候區 當時的地球是否曾經歷一段嚴寒時期, 產生廣大之大陸冰層並延伸至目前的熱帶地區? 韋格納駁斥這樣的說法, 因為在古生代末期, 有大片熱帶沼澤出現在北半球, 這些沼澤中的植物形成美國東部 歐洲與西伯利亞的大煤層 從煤礦場的植物化石中發現, 形成此煤層的羊齒植物具有大型葉狀體, 這可說明是屬於熱帶環境 此外, 與寒冷氣候下的植物不同的是, 這些樹不具有明顯的年輪, 此特徵可指出當時這些地區氣溫變化是很小的 韋格納認為盤古大陸的存在可解釋這些古生代末期冰河物的分布 將南方各大陸合併並放置於南極附近後, 這就能說明為何南半球會出現廣大的冰河的情況 同時, 北方陸塊的地理位置應該是位於目前赤道的附近, 如此便能合理解釋為何會有大片煤礦的存在 韋格納相信這樣的解釋是正確的, 並寫道 : 這個證據是太具說服力了, 因此前面所提出來的證據只能算是一些佐證而已 熱而乾燥的澳洲中部怎麼會有冰川存在呢? 陸生動物如何越過寬大的海洋而進行遷移呢? 雖然他的證據是如此具有說服力, 但過了 50 年之後, 他的大陸漂移學說以及邏輯推論 83

87 才被大多數的科學所接受 大陸漂移學說之爭辯 大陸漂移學說剛提出之後並未引起廣大的評論, 直到 1924 年被翻譯成英文版之後, 此學說遭遇到很多惡意的批評甚至在他過世之後, 還依然如此 其中主要反對意見之一就是它無法提出漂移的大陸在全球移動之機制 他曾認為月球的引潮力足可使陸地往西移動, 但被著名物理學家 Jeffrep 所駁斥, 因為這種力量若能使陸地移動, 則可能在數年內使地球停止轉動 此外, 他也提出堅硬而巨大的陸塊穿過海洋地殼, 就類似破冰船切穿厚冰一樣, 但無證據可證實海床有如此之脆弱 假如允許陸塊通過或移動, 陸地在此過程中應該會會明顯變形才對 雖然當時大多數人反對他的觀點, 甚至嘲笑他 ; 但仍有一些人認為他的觀點值得關注, 並繼續找尋新的證據, 大陸會移動的觀念引起他們的興趣 另外一些人則認為先前所無法解釋的觀察現象, 此學說可以提供解答 板塊構造學說 (Plate Tectonics) 第二次世界大戰之後, 配備全新的海洋儀器以及來自美國海軍研究單位大手筆贊助的海洋學家們, 開啟前所未有的海洋探勘時期 二十年之後, 較優質的海底繪圖逐漸成形, 類似棒球縫合線之全球海底中洋脊也因此被發現 在海洋的其它部份也有新的發現, 西太平洋的地震研究證實構造運動正在深海海溝的下方深處發生著 海底鑽探得 84

88 到一個重要的事實, 那就是海洋地殼的年齡不會老於 1 億 8 千萬年 再者, 我們發現深海盆地上沈積物的厚度很薄, 並非如之前所預測會有數千公尺厚 到了 1968 年, 這些發展終於開啟了一個比大陸漂移學說涵蓋更為廣泛的理論 - 板塊構造學說 板塊構造學說涵蓋甚廣, 其架構可以說明今日大多數的地質過程 地球上的大型板塊 根據此學說模型, 地函的最上部至其上方的地殼具剛硬之行為, 這一層稱為岩石圈 (lithosphere), 它分裂成數塊 ( 板塊 ) 海洋地區的岩石圈最薄, 厚度從數公里 ( 中洋脊 ) 到 100 公里 ( 深海盆地 ) 相對地, 大陸岩石圈一般是 100~150 公里厚, 在老地塊下方可達到 250 公里厚 岩石圈下方有個軟弱的地函, 稱為軟流圈 (asthenosphere) 軟流圈上半部的溫度接近岩石的熔點, 因而形成了軟弱區, 這可使岩石圈有效地與下方的軟流圈分離 因此, 軟流圈上半部內的軟弱岩石能讓地球的堅硬外層發生移動 目前有七大板塊被確認, 分別是 : 北美洲 南美洲 太平洋 非洲 歐亞 - 澳洲 印度與南極洲等七大板塊, 其中最大的是太平洋板塊, 它涵蓋大部份的太平洋盆地 大多數的大型板塊包含有一個完整的陸塊以及大面積的海床 板塊構造學說與大陸漂移學說最大的差異處, 就是大陸漂移學說認為陸塊單獨移動並穿透海洋, 而並不是與海洋一起移動的 值得注意的是, 沒有任何板塊完全是以大陸邊緣做為邊界的 中型板塊有加勒比 納茲卡 菲律賓 阿拉伯 寇克斯 斯科加以及胡安德富卡 (Juan de Fuca) 等 此外, 尚有十幾個小板塊已被認定 板塊構造學說主要內容之一是整個板塊相對於其它板塊進行移動 當板塊移動時, 同一板塊內兩個地點 ( 紐約與丹佛 ) 之間的距離幾乎維持不變 ; 然而, 兩個不同板塊上的地點 ( 紐 85

89 約與倫敦 ), 其間的距離則會逐漸改變 岩石圈 ( 板塊 ) 相互之間緩慢持續的移動著 ( 平均移動速率為 5cm/y), 此種運動乃是地球內部熱量分布不均所造成的 熱物質由地函深處緩慢的往上移動, 形成了地球內部對流系統的一部份, 同時冷而緻密的海洋岩石圈沈入地函中, 可以推動堅硬的地球外殼 最後, 板塊之間巨大的摩擦運動導致地震 火山, 並使岩層變形而形成山脈 板塊邊界 岩石圈板塊自成一個獨立單位, 相對於其他板塊進行相對移動, 雖然板塊內部仍可變形, 但在各別的板塊中, 所有主要的交互作用都發生在板塊邊界上 事實上, 板塊邊界最初是靠繪製地震的位置而定出來的 此外, 板塊被三種不同的邊界所包圍 ( 這三種邊界的移動方式各不同 ), 三種板塊邊界的描述如下 : 1. 分離板塊邊界 ( 建設型邊界 ): 兩板塊在此處相互分離, 造成地函物體湧出而形成新的海床 86

90 2. 聚合板塊邊界 ( 破壞型邊界 ): 兩板塊在此處聚集在一起, 造成海洋岩石圈隱沒到另一板塊之下, 最後消耗於地函之中, 或者是兩大陸板塊之聚合造成一個山脈系統 3. 轉型斷層邊界 ( 保守型邊界 ): 兩鄰近板塊在此處相互摩擦滑過, 並無岩石圈消滅或產生之現象 每個板塊皆由這三種邊界所包圍, 例如 Juan de Fuca 板塊的西側有分離板塊邊界, 但其東側則為聚合板塊邊界, 而且還有轉形斷層將中洋脊錯開成好幾段 87

91 分離板塊邊界 大多數的分離板塊邊界是沿著中洋脊的脊峰處, 可以視為建設型的板塊邊界, 因為新的海洋岩石圈在此產生 板塊移離海洋山脊的軸線之後, 破裂出現的地方馬上由下方熱的地函所冒出之熔岩所填補, 之後緩慢冷卻而形成新的海洋片段, 兩鄰近板塊之間如此連續地發生擴張以及形成新的海床 其後我們將會了解, 分離板塊邊界並不限定在海底, 在大陸上也有此種邊界 中洋脊與海床擴張 沿著已發育之分離板塊邊界, 海底隆起並形成中洋脊 而相互連結的中洋脊系統總長度超過 7 萬公里, 可說是地表上最長的地形特徵 它佔地表面積的 20%, 整個中洋脊的形態頗類似於棒球的縫合線 其山脊比鄰近的洋底盆地高出 2~3 公里, 其寬度達到 1000~ 4000 公里, 因此若稱它們為山脊可能會受誤導 此外, 沿著一些中洋脊的軸線是屬於深深下滑的斷層構造, 稱為裂谷 (rift valley), 沿中洋脊系統形成新的海洋地殼之運作機制稱為海底擴張 其擴張速率平均為 5cm/y, 與人類指甲的生長速率大致相同 大西洋中洋脊的擴張速率約只有 2cm/y, 但沿東太平洋中洋脊地區之擴張速率卻超過 15cm/y 雖然以人類眼光來看, 岩石圈的形成速率是非常緩慢, 但在這兩億年的期間, 已足以形成所有的海洋盆地了 事實上, 所有的海底之形成年代皆不超過 1.8 億年 中洋脊隆起的主要原因是新形成之海洋地殼是溫熱且體積較大 ( 密度相對比冷岩石還低 ) 當新的岩石圈沿著中洋脊形成後, 它將緩慢而持續地移離軸線的上湧區, 然後開始冷卻 收縮以及增加密度 這樣的收縮可說明為何遠離中洋脊後海水會變深 要經過 8 千萬年, 冷卻與收縮才會完全中止 原位於中 88

92 洋脊隆起處的岩石到時候會移位到深海盆地, 並被大量沈積物所掩埋 此外, 冷卻可強化海洋地殼下方的地函岩石, 使板塊的厚度增加 換句話說, 海洋岩石圈的厚度與其年代成正比, 愈老 ( 冷 ) 則厚度會愈厚 大陸裂谷 (rift valley) 分離板塊邊界也可在大陸上發育, 使陸塊分裂成許多小片段, 這類似韋格納所提出的盤古大陸之分裂 我們認為大陸分裂是從延伸型之下陷窪地 ( 稱為大陸裂谷 ) 開始的 一個大陸裂谷的現代例子就是東非大裂谷, 此裂谷是否會發育成擴張中心, 最後將非洲分裂開來, 這是一個值得觀察的事情 東非大裂谷可代表大陸分裂的初期, 在這裏張力持續將大陸地殼拉伸及薄化, 造成熔岩從軟流圈上升而引發地表的火山活動 吉力馬札羅山與肯亞山等大型的火山就是伴隨大陸分裂形成火山活動的例子 研究者認為, 假如張力仍持續作用的話, 裂谷將會變長及變深, 最後擴展到大陸邊緣並將陸地一分為二, 此時裂谷將有出口通到大海, 形成如紅海一般的狹長海洋 當阿拉伯半島在 2 千萬年前與非洲分裂開來, 紅海因而形成 假如它持續擴張的話, 紅海將會變寬並發育出類似於大西洋的中洋脊 89

93 並非所有的裂谷會發育成為擴張中心, 例如沿著美國中部, 由蘇必略湖一直延伸到肯薩斯州的中部, 曾存在有一個裂谷,10 億年前裂谷中開始充滿著火成岩, 但它為何中斷而未能成為海洋擴張中心, 其原因仍不明 聚合板塊邊界 : 雖然中洋脊一直都有新的海洋岩石圈形成, 但地球並沒有變大 - 總表面積保持不變, 為了與新增的岩石圈維持平衡, 故必有老的海洋岩石圈會沿著聚合板塊邊界回到地函之中 因為岩石圈在聚合板塊邊界處會被破壞與消滅, 因此它們又稱為破壞型板塊邊界 當兩板塊聚合時, 一板塊會滑至另一板塊之下來調適這樣的運動, 也形成聚合板塊邊界 當兩板塊緩慢聚合時, 一板塊前緣將向下彎曲, 並滑至另一板塊之下, 此種板塊下沉所形成的表面地形是一個深海海溝, 例如秘魯 - 智利海溝 這些海溝可達數千公里長,8~12 公里深, 約 50~100 公里寬 聚合板塊邊界又稱為隱沒帶 (subduction zone), 因為岩石圈是在這裏下沉進入軟流圈的 下沉之岩石圈的密度比軟流圈大, 因而發生了隱沒 一般而言, 海洋岩石圈比下方的軟流圈更加緻密, 而大陸岩石圈則較不緻密, 因此它不容易發生隱沒 因此在聚合邊界, 上方是海洋地殼的岩石圈總是出現下沈 下沉的海洋岩石圈隱沒進入軟流圈時, 隱沒角度可從數度至約 90 度, 平均約呈 45 度角 海洋岩石圈隱沒至軟流圈的角度大小則視浮力而定, 例如擴張中心附近若有隱沒帶, 則其岩石圈會較年輕 溫度高與浮力大, 此種隱沒角度會較小, 例如祕魯 - 智利海溝 傾斜角度小經常導致上下兩板塊有較大的交互作用, 因而這些地區常有較大的地震發生 當海洋岩石圈較老 ( 離擴張中心較遠 ), 將逐漸變冷而使 90

94 其厚度與密度增加 海洋岩石圈一旦超過 1 千 5 百萬年, 會變得比下方的軟流圈更加緻密, 若有機會就可發生隱沒 在太平洋西側, 一些海洋岩石圈的年齡超過 1 億 8 千萬年, 在今天的海洋之中, 它們是最厚且最緻密的, 這些地區板塊的隱沒角度接近 90 度 與東加 馬里亞納 千島群島 (Kurile) 等海溝有關的隱沒帶都可以找到這樣的例子 雖然所有的隱沒帶具有相同的基本特性, 但它們仍出現一些變化較大的特徵 因為每一處都受到該地區的地殼材質以及構造環境所控制, 聚合板塊邊界可以在兩個海洋板塊之間 海洋與大陸板塊之間 兩大陸板塊之間出現, 共有這三種的聚合型態 海洋 - 大陸之聚合 前緣上方分別為大陸地殼與海洋地殼的兩種板塊聚合時, 有浮力的大陸板塊仍維持漂浮的狀態, 但密度較大之海洋板塊則沉入地函中 當板塊下沉至約 100 公里深處時, 隱沒板塊上方的楔形溫暖地函會開始熔融, 但冷的海洋板塊隱沒是如何引起地函岩石發生熔融的呢? 答案就在於揮發性物質 ( 主要是水 ) 就好像鹽巴可以讓冰融解一樣, 在高壓環境中," 潮濕 " 的岩石會比成分相同的 乾 岩石在更低溫下熔融 沉積物與海洋地殼含有大量的水分, 它們隨著隱沒的板塊被帶入地底深處 當板塊往下隱沒時, 水分會因為圍壓增加而從孔隙中被擠出來, 在地底更深處, 壓力與溫度也會使含水礦物脫水, 例如角閃石 介於地底約 100km 深處以及冷而下沉的海洋板塊上方數公里之間, 溫度很高的地函因加入水分而出現部分熔融, 約會有 10% 的熔體產生, 並與未熔融的地函岩石相互混合 因為熔體的密度較周圍的岩石低, 呈現水滴形的熱岩漿逐漸往地表上升 隨著地質環境的不同, 有些地函岩漿往上竄升至地表而造成火山活動, 但有些熔體並無法抵達地表, 就在地底固化並使地殼變厚 地函岩石部份熔融形成了岩漿, 其成分與夏威夷群島相 91

95 類似, 都是屬於玄武岩質的 然而在大陸環境中, 上升的玄武岩質岩漿會熔掉以及同化其所經過的一些岩石, 這會形成含 SiO 2 比較高的安山岩質岩漿 當安山岩質的岩漿抵達地表時, 常常會發生爆炸性的噴發, 並產生大型火山灰與氣體的噴發柱 1980 年聖海倫斯火山 (Mount St. Helens) 的噴發就是一個典型的例子 高聳的安地斯山是 Nazca 板塊沒入南美洲板塊之下的岩漿產物 像安地斯山等山脈, 一部份是與海洋板塊隱沒所造成的火山活動有關, 我們稱為大陸火山弧 (continental volcanic Arc) 另一個活躍的大陸火山弧是位於美國西部, 跨越華盛頓州 奧勒岡 與加州等三州之喀斯開 (Cascade) 山脈, 是由一些著名的火山所組成, 包括聖海倫斯山 Rainier 山 Shasta 山 這個活躍的火山弧也延伸至加拿大境內 因聖海倫斯火山仍持續活動, 這可證明 Cascade 山脈仍活動著 海洋 - 海洋之聚合 : 兩海洋的聚合邊界與海洋 - 大陸的聚合邊界有許多共同的特性, 其間的差異主要歸因於上板塊的地殼本質 在兩個海洋板塊聚合的地方, 其中一板塊下沉到另一板塊的下方, 引發火山活動, 其運作機制相同於海洋 - 大陸的板塊邊界 從海洋岩石圈板塊所擠出的水份造成其上方的楔形地函岩塊出現部份熔融 在這樣的環境下, 火山由海底成長, 並非出現在大陸平台上 當隱沒持續, 最後將建造出一系列的火山構造, 並冒出海平面形成島嶼, 島嶼是位於數百公里寬海底火山物質所建構的山脊上, 各島之間距約為 80km 此種由弧鏈狀的小火山島所組成之新陸地, 稱為火山島弧 (volcanic island arc) 或簡稱為島弧 阿留申群島 馬里亞納群島與東加群島是火山島弧的例子, 這些島弧一般離附近的海溝約有 100~300km 遠 大多數的火山島弧位於太平洋的西側, 在這些地方所隱沒的太平洋板塊既老又緻密, 因此很容易下沉到地函之中, 92

96 這也可解釋這些地區通常有很大的隱沒角度 ( 常接近 90 度 ) 再者, 這些隱沒帶很少有如秘魯 - 智利海溝所出現的大地震 只有兩個火山島弧是位於大西洋中, 那就是鄰近加勒比海的小安地列斯 (Lesser Antilles) 島弧與南大西洋的 Sandwich 群島 小安地列斯島弧為大西洋板塊隱沒進入加勒比板塊之下的產物, 馬提尼克 (Martinique) 島就位於這個島弧之中, 島上有 Pelée 火山, 它在 1902 噴發並摧毀了 St. Pierre 城, 約有 人死去 另外, 在蒙特瑟拉特 (Montserrat) 島上, 最近的火山活動也很頻繁 較年輕的島弧具簡單的構造, 一般是位於 <20km 厚變形的海洋地殼之上, 例如東加 阿留申 小安地列斯等島弧 相對地, 較老的島弧之構造則較為複雜, 通常是位在厚 20~35km 的地殼之上, 例如日本與印尼島弧, 它們是位於早期隱沒事件的物質上方, 或有時是建構在小塊大陸地殼之上 大陸 - 大陸之聚合 如之前所描述, 當海洋板塊隱沒於大陸岩石圈之下時, 沿此大陸之邊緣將發育出安地斯山型的火山弧, 但假若此隱沒板塊也具有大陸岩石圈時, 則持續之隱沒最後會使兩大陸碰在一起 因為海洋岩石圈相對較緻密而會沈入軟流圈之中 ; 大陸岩石圈因 93

97 為密度低且具有浮力, 可防止其隱沒至較深處, 此乃兩大陸之間相互碰撞所出現的結果 例如印度次大陸擠至亞洲陸塊而形成地球上最壯觀的喜馬拉雅山, 碰撞期間造成大陸地殼之皺起 破裂 變短與變厚, 其他如阿爾卑斯山 阿帕拉契山 烏拉山也都是如此形成的 兩陸塊在碰撞之前, 有海洋盆地介於這兩個陸塊之間 當大陸塊聚合時, 中間的海床隱沒入另一板塊之下, 此隱沒引發其上方的地函岩石出現部分熔融, 進而造成火山弧之發育 受隱沒帶位置的影響, 火山弧可形成於其中之一的聚合陸塊上 ; 假如隱沒帶離海岸有數百公里遠, 火山島弧將會形成 最後, 當介入的海床被消耗掉後, 兩大陸體將會發生碰撞, 並使大陸邊緣的堆積物與沈積岩發生褶皺與變形 ( 似虎口鉗 ), 此結果將逐漸形成一個新的山脈 ( 由變形與變質的沉積岩 火山弧碎塊與數片海洋地殼所組成的 ) 轉型斷層 (transform fault) 邊界 第三種板塊邊界是轉型斷層邊界, 兩板塊在這裏相互水平滑動, 其中並無岩石圈的產生與消滅 ( 保守型板塊邊界 ) 轉型斷層邊界最初被確定是因為它將某處中洋脊錯開成數個片段 一開始我們認為中洋脊是一個長條而連續的鏈, 後來一些大型斷層的水平位移將中央脊錯開 然而, 我們發現若要錯開中洋脊, 沿斷層兩邊的位移方向應該要相反 1965 年, 加拿大多倫多大學 Wilson 教授確立了轉型斷層的本質, 他指出這些大斷層連接全球的活動帶 ( 即三種邊界 ) 成為一個連續的網路, 並將地球外殼分成許多堅硬的板塊, 是首位認為地表是由個別板塊所組合而成的學者, 觀察板塊之間的相對運動也成為可能 大多數的轉型斷層連結兩個中洋脊之片段, 此處的海洋 94

98 地殼出現明顯的線性破裂, 稱為破裂帶 (fracture zone), 破裂帶包括活動帶與延伸進入板塊內部的非活動帶 (inactive zone), 中洋脊地區的這些破裂帶之間距約為 100 公里 轉型斷層的活動帶只位在兩錯開的中洋脊之間, 在這裏兩相鄰中洋脊的新生海床是以相反的方向移動 因此, 在兩中洋脊片段之間, 相毗鄰的海洋地殼沿著斷層相互摩擦著 而超過中洋脊之外側則屬於不活動區, 呈現出線條狀的疤痕地形, 這些破裂帶的延伸方向大致平行於板塊移動之方向 因此, 利用這些構造可以繪製板塊過往的運動方向 轉型斷層的另一個角色是提供一個途徑, 讓中洋脊所形成的海洋地殼搬運到被毀壞的地方去 ( 深海溝 ) 例如 :Juan de Fuca 板塊往東南方向移動, 最後隱沒到美國西岸之下, 此板塊的南邊則以 Mendocino 轉型斷層為邊界, 這個轉型斷層邊界將 Juan de Fuca 中洋脊與 Cascade 隱沒帶相連結, 因此有助於將中洋脊所形成的地殼帶往北美洲大陸板塊之下 雖然大多數的轉型斷層位於深海盆地之中, 但有一些是切穿大陸地殼的, 易發生地震的加州聖安德里斯斷層與紐西蘭阿爾卑斯 (Alpine) 斷層是兩個這樣的例子 聖安德里斯斷層切穿大陸地殼, 連結加利福尼亞海灣中的擴張中心到美國西北部的 Cascade 隱沒帶以及 Mendocino 轉型斷層 沿著聖安德里斯斷層, 大平洋板塊相對於北美洲板塊, 約呈西北向移動, 若持續移動, 則位於此斷層西側的加州陸地以及巴哈 (Baja) 半島將變成海島並逐漸離開美國的西海岸, 最後將會移到阿拉斯加, 而沿此斷層的移動過程中也需關注所引發的地震活動 板塊構造學說之驗證 隨著板塊構造學說的發展, 很多地球科學的研究者開始驗證此學說以及地球的運作過程 有些之前用於支持大陸漂移學說與海底擴張學說的證據再被提出 ; 此外, 一些有助於 95

99 強化這個新學說的證據也陸續出現 值得注意的是, 許多證據並不是新的, 但舊有的數據可以有新的詮釋, 甚至能成為我們的主流觀點 古地磁 (paleomagnetism) 的證據 任何使用過羅盤找尋方位的人都知道地球磁場具有南北極 目前這兩個磁極很接近地理的南北極 ( 地理極或真實的南北極是地球的自轉軸與地表相交的地方 ) 地球的磁場與磁棒所產生的磁場相類似, 因此看不見的磁力線會通過星球, 並由一個磁極通到另一個磁極 指南針本身就是一塊小磁鐵, 它繞著軸可以自由地旋轉, 而磁針最終會平行於磁力線並指出磁極的方向 我們無法感覺到有磁場, 這與重力場有引力是有所不同的, 但由羅盤指針出現偏轉就可以透露磁場的存在 同樣地, 某些岩石含有可充當羅盤的礦物, 這些富含鐵的礦物 ( 例如磁鐵礦 ) 在玄武岩質熔岩流中是相當豐富的 當這些礦物在居禮 (Curie) 溫度 (~580 ) 以上時, 磁性礦物將失去磁性 ; 然而, 當這些礦物冷卻至此溫度以下時, 將平行於磁力線的方向而逐漸被磁化 礦物冷卻固化之後, 其磁性將在原地點被凍結與保存下來 因此, 它們的行為就像磁針一樣, 會指向形成時的磁極方位 數千或數百萬年前所形成的岩石, 若含有形成時磁極方向的記錄, 我們說它就擁有化石磁或古地磁 磁極的視移動 (apparent polar wandering) : 1950 年代, 歐洲 96

100 針對岩石的磁性進行研究, 其中有一項有趣的發現, 屬於不同年代熔岩流中的富含鐵礦物, 出現許多相異的磁極方向 將歐洲各磁北極的視位置進行繪圖, 發現過去 5 億年間, 磁極逐漸的移動, 從接近夏威夷島向北越過東西伯利亞, 最後移至現在的位置 這個強而有力的證據代表地球磁極會隨時間而移動 ( 稱為磁極移動 ), 或代表歐洲大陸相對於磁極是一直在漂移 雖然地球的磁極以怪異的路徑繞著地理極, 但許多地點的古地磁研究結果顯示, 數千年來的平均磁極位置很接近目前的地理極 因此, 假如磁極維持不動的話, 這種視移動應該是大陸漂移所造成的 藉由比較化石磁所定出的歐洲緯度與古氣候研究所獲得的證據, 也可以支持大陸漂移的說法 記住在 3 億年之前, 歐洲大部份是被形成煤炭的沼澤所覆蓋著 ; 同一時期, 古地磁證據把歐洲的位置移放到赤道的附近, 這個結果與這些煤炭所代表的熱帶環境相符合 大陸漂移的另一項證據是來自數年後所繪製的北美洲磁極路徑圖 北美洲與歐洲的路徑圖具有相似的形狀, 但兩者卻呈現經度 30 度之分隔 這些岩石在結晶的時候, 難道會有兩個磁北極同時存在, 而且彼此之間還平行移動嗎? 但調查結果發現, 並無證據可以支持這樣的說法 假如我們將兩個目前已分開的大陸合併 ( 如同大西洋分裂之前 ), 這兩條不同移動路徑圖會趨於一致 從 4 億年到 1 億 6 千萬年之前, 這兩條視移動路徑幾乎是一致的, 這個證據說明, 這一段期間內北美洲與歐洲在是合併在一起的, 而且相對於磁極同步進行移動 磁極倒轉 (Magnetic Polarity Reversal) 與海底擴張 : 來自地球物理家的另一項發現則是地磁的磁極有週期性之倒轉現象, 磁北極變成磁南極, 磁南極也會變成磁北極 岩石在磁場倒轉的期間冷卻固化, 將會被與目前相反的磁場所磁化 ; 假如岩石所出現的磁性與今日磁場相同, 我們稱它具有正常磁性 (normal polarity); 若岩石出現相反的磁性, 則稱為倒轉 97

101 磁性 (reverse polarity) 當調查者測量全世界不同年代的熔岩與沈積物之後, 獲得了磁場倒轉的證據 他們發現一地點某年代的正常和倒轉磁化的岩石都可以與其它地點且相同年代的岩石之磁性相匹配, 這是地球磁場倒轉令人信服的證據 磁場倒轉的觀念被確立之後, 研究者開始建立磁場倒轉的時間表, 此項工作包括量測數百個熔岩流的磁性以及使用放射性定年的技術來建立其年代 磁性年代表中以世為主要單位, 大概有一百萬年之久 當進行更多的量測後, 研究者發現, 一個磁性世中存在有許多的短期 ( 少於 20 萬年 ) 倒轉 同時, 海洋學家開始進行海底磁性的量測, 努力建構出詳細的海底地形圖 海底磁性的量測是利用研究船隻拖曳著靈敏的磁力儀來完成 這些地物量測的目標就是繪製出地球磁場的變化, 而磁場變化則是來自於海底下地殼岩石磁性的差異 首先, 在北美洲太平洋海岸外進行這樣的研究, 並且獲得意外的結果, 因為研究者發現有高低強度磁性的交替條帶 高低磁性強度的交替線條一直無法被合理解釋, 直至 1963 年, 才由 Fred Vine 與 Matthews 證明這些高低磁性條帶是海底擴張所造成的 他們認為磁性條帶較強的區域是海洋地殼中具有正常磁場的古地磁區域, 可使地磁強度增強 相反地, 在強度低的區域, 海洋地殼被反向磁場所磁化, 因而使磁場減弱 至於被正反向磁化的岩石如何會橫越海床並且呈平行分布呢? 他們推斷沿中洋脊狹窄裂谷所固化的岩漿, 會順著當時地磁的方向而被磁化, 隨著海底擴張, 被磁化的地殼條帶持續變寬 當地磁倒轉後, 具有倒轉磁性之新生海床會位於舊條帶的中央處, 而兩側的舊條帶會以相反方向逐漸被帶離中洋脊 而後重複發生交互倒轉, 並形成一系列正常與倒轉條帶的圖案 因為新形成的岩石會以近等量方式加入兩擴張海床的後緣, 這可說明為何中洋脊一側的條帶圖案 ( 寬度與極性 ) 98

102 會與另一側呈現鏡面對稱 數年後, 在冰島南邊的大西洋中洋脊兩邊進行量測, 其結果顯示, 相對於中洋脊, 兩側的磁性條帶圖案出現高度對稱性 因為我們已建立近 2 億年來磁性倒轉的年代, 因此可精確決定出各中洋脊的擴張速率 例如 : 針對同一時間的磁性條帶, 太平洋的條帶明顯會比大西洋寬, 因此我們可以推論, 相對於大西洋而言, 太平洋擴張中心有較快的擴張速率 當我們對磁性事件進行數值定年, 會發現北大西洋中洋脊的擴張速率只有 2cm/y, 稍為比南大西洋快一些, 而東太平洋中洋脊的速率一般為 6~12cm/y, 其極大值則約為 20cm/y 因此我們擁有記錄地球磁場變化的磁性錄音機, 它能讓我們判定海底擴張的速率 99

103 地震分布圖 1968 年 發 表 板 塊 構 造 學 說 之 同 年 三 位 研 究 人 員 發 表 其 研究文章 顯示板塊構造模型可成功地說明全球的地震分 布 並能解釋深源地震與海溝的緊密關係 另外 也可說明 為何沿中洋脊地區並無深源地震發生 吾人若比較震源分 布 板 塊 邊 界 與 海 溝 位 置 將 發 現 期 間 存 在 著 緊 密 的 相 關 性 舉日本海溝為例子 大多數的淺源地震位在鄰近海溝處發 生 但 中 深 源 地 震 則 在 接 近 大 陸 處 發 生 而 Nazca 板 塊 隱 沒到南美洲板塊的情形亦類似 依據板塊構造的理論 深海 溝是冷而緻密的海洋岩石圈擠入地函中時所產生的 其中淺 源地震乃下沉板塊與上方板塊之岩石圈交互作用而產生的 至於較深源的地震之發生乃下沉板塊沉至軟流圈所致 因地 100

104 震多發生於堅硬的下沉板塊內而非塑性的地函中, 由此可提供方法來找尋板塊下沉的軌跡, 直至沒入約 700km 深時, 剛性的板塊因一直被加熱而失去其剛性 板塊理論模型也可解釋為何深源地震會集中在鄰近海溝或隱沒帶, 而淺源地震則沿分離板塊邊線及轉型斷層界線處發生 太平洋盆地邊緣為大多數深洋海溝的位置, 研究指出隱沒時壓力之增加可使某些礦物進行結構相變, 可能會引發地震, 而隱沒帶是地殼岩石唯一被擠入較深處的位置, 亦即是發生深源地震的位置, 而其餘兩處則因缺乏深源地震也可用來支持此學說 深海鑽探的證據 確認板塊構造學說最具說服力的一些證據應是來自於直接進行海底之鑽探 深海鑽探計劃 (Deep Sea Drilling Project), 是由一些主要海洋研究機構以及美國國家科學基金會所組成的國際性計畫, 從 1968 年到 1983 年的重要數據大多數是來自於這個計畫 本計畫主要的目標就是收集第一手的海底盆地年代以及其形成過程的資訊, 為了完成這個任務, 建造了一艘嶄新的海洋鑽探船, 稱為 Glomar Challenger 這艘船從 1968 年就開始在南大西洋運作, 有許多地點的鑽井深入到整個海底沉積物以及下方的玄武岩 有一個重要的目的就是要收集火成岩地殼上方最底層的沉積物, 利用它們可定出每個地點的海床年代 因為海洋地殼一形成之後, 沈積作用就立即開始, 而分析每個地點最古老沉積物中的微生物遺骸, 就可測知此位置的海底年代 將每個鑽井地點的最古老沉積物與離開中洋脊的距離進行繪圖之後, 這些數據顯示沈積物的年代隨著距離愈遠而愈老, 這樣的個發現可支持海底擴張學說, 因為此學說曾預測, 最年輕的海洋地殼將出現在中洋脊, 最老的海洋地殼會位於大陸邊緣 深海鑽探計劃的數據也強化如下的概念 : 海洋盆地在地 101

105 質上算是年輕的, 因為我們並未發現有超過 1 億 8 千萬年以上之沉積物 ; 相對地, 定年確定大陸地殼上的岩石已經超過 40 億年了 海底沈積物的厚度也證實了海底擴張 根據 Glomar Challenger 所鑽取的岩芯顯示, 中洋脊脊峰處幾乎沒有沈積物存在 ; 但離中洋脊愈遠, 沈積物則變厚, 這是因為脊峰處的年代較遠離處來得年輕 因此, 假如海底擴張學說是正確的話, 就應該會出現如此的沈積物分布 海洋鑽探計劃 (Ocean Drilling Program) 是繼承之前的研究計劃, 也是一個大型的國際計劃 技術更先進的海洋鑽探船 JOIDES Resolution, 它延續著 Glomar Challenger 的鑽探工作, 此海洋探測船可鑽至水面下 8200 公尺深, 船上還有實驗室, 配有大型精密的海上科學研究設備 2003 年 10 月,JOIDES Resolution 已變成國際整合海洋鑽探計畫 (IODP) 的一部份, 此計劃將不再仰賴單一艘鑽探船, 而是應用多艘船隻來進行探測, 其中加入一艘長 210 公尺的巨大鑽探船地球號, 它於 2006 年開始運作 熱點 (hot spots) 的證據 將太平洋的海底山進行繪圖, 發現許多具火山構造而呈線狀排列的火山鏈 其中, 最常被研究的火山鏈是由夏威夷群島到中途島, 並持續往向北到阿留申海溝附近, 這個近乎連續且呈線狀排列的火山島與海底山, 我們稱為夏威夷 - 帝皇島列 (Hawaii Island-Emperor Seamount Chain) 將這些結構進行放射性定年, 發現離夏威夷島越遠, 火山的年代越老 夏威夷島是這個島列中最為年輕的, 在不超過 100 萬年之前冒出來的, 中途島有 2700 萬年, 接近阿留申海溝的 Suiko 海底火山之年代則有 6500 萬年 更仔細的觀察夏威夷群島, 從火山活動較為活躍的夏威夷 ( 此群島的最東南邊 ) 到由死火山所組成的 Kauai 島 ( 此群島的最西北邊 ), 同樣可以發現其年代也是愈來愈老 102

106 研究者一致認為有一上升的地函物質柱, 位於夏威夷島的下方 當地函熱柱 (hot plume) 上升至岩石圈底部的低壓環境時, 於是發生熔融, 這樣的活動顯露在於地表時則是出現熱點 (hot spot) 熱點是火山活動 高熱流以及地殼隆起的地區, 約有數百公里寬 當太平洋板塊移動並經過這個熱點, 於是形成了一系列的火山構造, 而每座火山的年代就是當時它們位於相對不動之地函熱柱的時間 Kauai 為夏威夷群島中最老之大島,5 百萬年前應位於熱點上, 且是當時本群島中唯一存在的島嶼, 目前它已被侵蝕成踞齒狀之山峰與大峽谷, 而已不具火山之外形, 這就能看出它的相對年代了 相對地, 目前在 Hawaii 島上有兩座活躍之火山 (Mauna Loa 與 Kilauea) 常冒出新鮮的熔岩流 另外, 還有兩個島列平行於夏威夷 - 帝皇島列 (Hawaii Island-Emperor Seamount Chain), 一個稱為土木土與萊恩群島 (Tuamotu and Line Islands), 而另一個是 Austral Gilbert 與 Marshall 群島 同樣地, 最近之火山活動也都發生在這兩個島列的東南端, 而且越往西北方, 島嶼的年代就越老 因此, 就如夏威夷 - 帝皇島列一樣, 這些火山構造是由同一個太平洋板塊相對於地函熱柱移動所形成的 這項證據不僅可以支持板塊相對於地球內部確實是在移動, 而且其熱點軌跡也可獲知此板塊的移動方向 例如, 根據大西洋海底所發現的熱點, 可強化我們對盤古大陸分裂之後各陸塊移動的認知 103

107 研究者認為, 至少有一些地函熱柱是源自於地函深處, 或許在地函與地核的邊界上, 但有些也可以來自淺處 目前已經發現有 40 個左右的熱點, 其中至少有 10 個是位於擴張中心附近 例如, 位於冰島下方的地函熱柱, 它產生大量的火成岩並堆積在大西洋中洋脊的北方區段上 我們已證明有熱柱與共生熱點的存在了 大多數地函熱柱的壽命都很長, 而且在地函中的位置是相對維持固定的 然而, 最近的證據顯示, 有一些熱點是會緩慢移動的 假如真是如此, 那相對於固定不動的熱點所定出的板塊移動模式將需要重新進行檢視 盤古大陸之前身與未來 1970 年 Dietz & Holden 列出各大陸在過去五億年來大略移動的路徑, 以此重組盤古大陸 可將板塊運動的時間回溯, 例如利用在移動板塊上所留下的火山構造方位 轉型斷層的分布與移動 古地磁之資料, 再加上利用放射性定年來建立盤古大陸形成與分離的時間架構, 並利用與不動之熱點的相對位置來定出各大陸的位置與時間的關係 盤古大陸形成之前 (5~2.25 億年前 ) 盤古大陸形成之前, 陸塊可能已經過數次分裂與聚合的循環事件, 期間 (5~2.25 億年前 ) 開始聚集這些分裂的古陸塊並形成盤古大陸 證據顯示烏拉山與北美東岸的阿帕拉契山為前一期因大陸相互碰撞而形成的, 因山脈特徵與此次循環事件相似 證據顯示約 5 億年前, 勞亞北陸塊主要是裂成三個陸塊, 即北美 北歐 ( 南歐為非洲之一部分 ) 西伯利亞, 期間為大海洋所分離 南方的剛德瓦納古陸可能原封不動且位處於南極附近 第一次碰撞發生於北美與北歐之聚合, 並將古北大西洋關閉而形成阿帕拉契山, 其中部分的海床在今天 Nova 104

108 Scotia( 加拿大東部的一個半島 ) 的高海拔位置上仍可被發現 當北美與歐洲合併之時, 西伯利亞正關閉歐洲與西伯利亞之間的海峽, 並約在 3~3.5 億年前閉合而形成了烏拉山時, 也形成完整的北方勞亞 (Laurasia) 古陸 又經過 5 千萬年, 南北古陸聚合而形成完整的盤古大陸 105

109 盤古大陸之分離兩個主要裂谷開啟了此古大陸之分離, 北美洲與非洲在 2~1.65 億年前流出大量侏儸紀時代的玄武岩流, 並形成了北美東部沿岸陸地, 這是北大西洋的誕生時期 而南方古陸中, 岡德瓦納 (Gondwanaland) 陸塊出現了ㄚ形破裂, 並使印度向北移動, 同時造成南美洲 非洲與澳洲 南極洲之分離 1.35 億年前, 非洲與南美洲開始分離並形成南大西洋, 此時北大西洋已變寬 6 千 5 百萬年前 ( 白堊紀 ), 馬達加斯加與非洲分離了, 而印度古陸則經過一熱點, 並在西印度地區產生大量的玄武岩質熔岩流, 形成印度的德干高原, 而南大西洋則成為成熟的海洋 直至目前, 印度與亞洲陸地接觸 ; 而在 4 千 5 百萬年前, 格陵蘭則與歐亞大陸分離, 至於北美洲的 Baja 半島與加洲灣則是在 1 千萬年前形成的 未來板塊移動狀態 若移動速率維持不變,5 千萬年後 Baja 半島將滑離北美板塊開始擠入阿留申海溝之下, 南北美洲也開始分裂 東非有新海洋的產生, 而非洲將移近歐洲, 並將開啟另一次大型的造山運動 另外, 阿拉伯半島會與非洲分離, 使紅海變寬, 並迫使波斯灣發生閉合 此外, 澳洲將跨越赤道, 它與新幾內亞將與亞洲陸地幾乎發生碰撞 再者, 印度洋與大西洋將繼續擴大, 但在地表面積不變之前提下, 太平洋將因而變小 106

110 本章摘要 二十世紀初, 德國韋格納提出大陸漂移學說 其內容提到曾有超級大陸 ( 盤古大陸 ) 之存在, 約在兩億年前開始分離成數個小陸塊, 並逐漸漂移至目前的位置 為了支持目前已分離的各大陸曾經是合而為一的觀點, 韋格納等學者提出四項證據 : 南美洲與非洲兩大陸邊緣的吻合 古氣候的分佈 化石證據以及岩石結構 反對大陸漂移學說的理由之一, 是無法提出可接受的機制來說明大陸是如何移動的 比大陸漂移學說涵蓋更為廣泛的板塊構造學說於 1968 年被提出, 此學說指出地球堅固的外殼 ( 稱為岩石圈 ) 是由七個大型以及許多較小型的板塊所組成, 彼此之間出現相對的運動 大多數的地震活動 火山活動以及造山運動發生在板塊邊緣附近 板塊構造學說與大陸漂移學說最大差異處是在於大型板塊常包含有大陸與海洋地殼, 並且整體一起移動 相對地, 韋格納的大陸漂移學說認為堅硬的大陸穿過海洋地殼而漂移, 類以破冰船切穿冰層一般 板塊邊界有三大類, 分離型板塊邊界發生於兩板塊分離處, 地函物質因上湧而形成新的海洋地殼 大多數的分離板塊發生在中洋脊系統的軸處, 並與海底擴張有關, 其擴張速率每年約 2~15 公分 分離型板塊邊界可出現在大陸內 ( 例如東非大裂谷 ), 並使陸塊分裂以及發育出一個新的海洋盆地 聚合型板塊邊界發生在兩板塊碰撞處, 導致海板塊沿著海溝隱没進入地函 海洋與大陸岩塊之間的聚合會導致海洋岩塊隱没, 並形成大陸火山弧, 例如南美洲的安地斯山脈 海洋與海洋之聚合則形成弧形的火山島鏈, 稱為火山島弧 當大陸與大陸板塊聚合時, 由於兩個板塊都易漂浮而難以隱没, 此種碰撞將導致高大山脈之形成, 例如喜馬拉雅山 轉型斷層邊界發生在兩板塊相互錯開處, 其中並未有岩石 107

111 圈之形成或消滅 大多數的轉型斷層連結了中洋脊的兩個區塊, 有些則是連結擴張中心至隱没帶, 如此有利於將中洋脊所形成的海洋地殼搬運至被消滅的地點 - 海溝 然而, 有些轉型斷層 ( 如聖安得里斯斷層 ) 則貫穿大陸地殼 支持板塊構造學說的證據 : (1) 古地磁, 是地球先前磁性的方位與強度 ;(2) 全球地震的分佈與板塊邊界的緊密關聯性 ;(3) 洋底盆地上的沈積物年代 ; (4) 熱點所形成的島鏈及其所指示的板塊運動軌跡 台灣本島與附近島嶼之形成與下列四個板塊之間的相互運動有關 : 古太平洋板塊 歐亞大陸板塊 菲律賓海板塊 南中國海板塊 108

112 第六章現代天文學的起源 地球是環繞太陽的八大行星一, 太陽則是組成銀河系約一千億顆恆星的成員之一, 而在不可思議的巨大宇宙中, 銀河系也只不過是數十億個星系中的一個 地球在宇宙中的地位, 比較今日與數百年前兩者所持的觀點有著很明顯的不同, 當時人們認為地球是位於宇宙的中心 本章將說明一些事件以引導大家進入現代天文學 此外, 也將檢視時間與空間中的地球 大約從 5 千年前開始, 人類已經知道地球上的事件與天體 ( 尤其是太陽 ) 的位置之間存在著關係 人們注意到, 當天體 ( 包括太陽 月亮 行星和恆星 ) 抵達天空中的特定位置時, 就會發生季節的變化和大河的氾濫 ( 例如尼羅河 ) 早期仰賴天氣的農業文明相信 : 假如天體能支配季節的話, 那麼必定也會明顯影響所有地球上的事件 因為這個原因, 早期的文明開始持續地紀錄天體的位置, 尤其是中國 埃及 以及巴比倫最為人所熟知 天體緩慢地在恆星背景之前移動著, 而這些文明就紀錄著太陽 月亮以及肉眼可看見的 5 顆行星之位置 此外, 中國人也保存著彗星以及 客星 的詳細紀錄 我們現在已經知道 客星 原是一顆恆星, 通常其亮度很低以至於肉眼看不到, 但是當恆星從它的表面爆炸性地噴出氣體時 ( 此現象我們稱之為新星 ), 這恆星的亮度就會大增 研究中國的歷史檔案, 顯示中國人已紀錄到著名哈雷彗星每一次的景象, 這時間有超過 10 世紀之久 然而, 這顆彗星每 76 年才到訪一次, 他們並未能將這數次的出現結合在一起, 因此並不知道每次所看到的是屬於同一顆彗星 就如同大多數的古代人, 中國人認為彗星是神秘的星體, 他被視為是凶星, 會帶來各種災難 戰爭或瘟疫 古代天文學 早期天文學的黃金時代 (600B.C.~A.D.150) 以古希臘為中心 因為 109

113 利用哲學辯論來解釋自然現象, 所以被後人所批判 然而, 他們也仰賴觀察的數據 古希臘人發展出幾何學與三角幾何學, 以這些為基礎測量了肉眼所見到的最大的天體 ( 太陽和月亮 ) 之大小與距離 早期希臘人 很多天文的發現一直歸功於希臘 早期的希臘人持不正確的地心 (geocentric) 觀點, 相信地球是宇宙中心的一個不動之球體, 月球 太陽以及其它的行星 ( 水星 金星 火星 木星和土星 ) 環繞著我們的地球, 而在行星之外的恆星則位於透明的空心球上 ( 天球 ), 每天繞著地球旋轉 雖然早期的一些希臘人認為簡單的地球自轉就可以說明恆星的運動, 然而希臘人並不接受此觀點, 因為他們沒有感覺地球有在運動, 而且地球似乎很大以至於無法移動 事實上, 直到 1851 年之前我們一直無法證明地球會自轉 (Box 1) Box 1 佛科擺實驗 地球每天自轉一圈時會產生白天與黑夜的週期 然而, 日夜循環與恆星的視運動同樣也可以用太陽和天球繞著靜止不動的地球來說明 哥白尼認為一個自轉的地球可大大地簡化原本的宇宙模型, 並且強力提倡這個觀念 然而, 他無法證明地球會自轉 在他死後的 300 年, 才由法國物理學家佛科 (Foucault) 真正地證明出地球是在自轉 1851 年, 佛科使用了一個可自由擺動的擺錘來證明地球真的在自轉 為了描述佛科的實驗, 想像有一個大擺錘在北極上空擺動 記住當擺錘開始擺動時, 除非受某種外力之作用, 否則它將會在同一個平面上持續地擺動著 假設有一隻尖筆附著在擺錘的底端, 當它在來回振盪時會在白雪上畫出記號 我們觀察由筆尖所畫出的記號, 注意 110

114 擺錘正緩慢而持續地在改變位置 24 小時之後, 擺錘又回到了起始的位置上 因為並無外力作用使它改變位置, 我們所觀察到的情形必然是因為地球在擺錘的下方進行自轉的運動 對希臘人而言, 除了七顆天體之外, 其餘的星體之間的相對位置似乎維持不變 這七顆行星或天體包括太陽 月球 水星 金星 火星 木星和土星 每一個行星被認為是以圓形的軌道繞行地球 雖然這個系統並不正確, 但希臘人將此系統加以改良使它能說明所有天體的視運動 早在西元前五世紀時, 古希臘人已了解月相的成因,Anaxagoras 推斷月球是因為反射太陽光而發光的, 而且它是一個球體, 所以同一時間只有半球是亮的 當月球繞行地球時, 地球上所能見到的月球發亮部分也就會不斷的地變化著, 亦即出現月相的變化 Anaxagoras 也推斷, 當月球移動進入地球背面的陰影區時會發生月食現象 著名的希臘哲學家亞里士多德 (384~322B.C.) 認為地球是球形的, 因為當發生月食的時候, 球形的地球常會在月面上投射出彎曲的地影 雖然亞氏的教義被流傳下來並且被很多人認為具有絕對的正確性, 但是在中古時代時, 人們背棄了球形地球的觀念 首先提倡日心 (heliocentric) 宇宙觀點的希臘人是 Aristarchus (312 ~230B.C.), 他利用簡單的幾何關係來計算太陽和月亮到地球上的相對距離, 他後來也使用這些數據去計算太陽和月亮的大小 由於它無法掌控觀測上的誤差, 因此這些測量值明顯偏低 然而, 他確實獲知太陽的距離是月球的好幾倍, 而且太陽也比地球大了許多倍, 這個事實也許就促使他提出了日心說的宇宙觀 然而受到亞里士多德的強力影響之下, 地心觀點仍主宰西方的思想將近有二千年之久 首次成功決定出地球大小是要歸功於 Eratothenes (276~194 B.C.) 它觀察到兩個呈南北分布的埃及城市 - 就是 Syene( 或今天的亞斯文 ) 和亞歷山卓, 兩城市在某日正午時的太陽高度角出現了 7 度的差異 ( 或圓弧的 1/50), 他因此推斷地球的周長必定是兩城市之間距離的 50 倍 已知兩城市的距離是 5000 個 stadia, 因此得出周長是 stadia 很多歷史學家認為一個 stadia 是 公尺, 所以他算出的地球周長是 公里, 這個測量值非常接近現代的 公里 111

115 最偉大的早期希臘天文學家或許是 Hipparchus( 西元前二世紀 ), 他因為製作星體目錄而著名 他訂出 850 顆左右的恆星位置, 並依照它們的亮度將這些恆星分為六個星等 他測量出一年的長度, 此數據與目前的數值相差約數分鐘 他也發展出一套方法可預測月食發生的時間, 其誤差則是在數小時之內 雖然許多古希臘的發現到了中古時代時就被遺忘了, 但地心觀點卻在歐洲被確立下來了 托勒密 (Ptolemy) 非常精巧地呈現地心系統的模型, 我們稱之為托勒密系統 托勒密系統 有關希臘天文學之認識大多是來自托勒密在西元 141 年所編輯的 13 冊著作 - 天文學大全, 並感謝阿拉伯學者將之保存而留傳下來 在這個鉅著之中, 托勒密發展出一套可說明行星運動的宇宙模型 他的模型能夠精確的預測行星視運動, 這可由將近 1300 年以來 112

116 模型皆未受到挑戰就可以證實 ( 假如我們忽略細節的話 ) 在希臘的傳統思想中, 托勒密模型中的行星是以圓形軌道環繞著不動的地球 ( 希臘人認為圓形是單純和完美的形狀 ) 然而, 在恆星背景前方的行星之運動方式並非如何的簡單 假如我們夜夜做觀察的話, 會發現每個行星在恆星的前方緩慢地向東移動 每個行星似乎會週期性地出現停留, 然後反方向 ( 向西 ) 運行一段時間, 最後又重新向東運行 此種向西的視運動我們稱之為逆行運動 (retrograde motion) 這種很奇特的視運動是由於地球和其它行星共同環繞太陽運行時所造成的 地球繞行的速度比火星還要快, 所以會追上它相鄰的行星 當追過火星時, 火星似乎會往後移動 ( 逆行運動 ) 此種情況類似一輛快車的駕駛往窗外看著被他超越的慢車 即使兩個行星移動的方向是相同的, 但是像慢車的較慢行星似乎正往後移動著 使用不正確的地心模型是很難準確地呈現出行星的逆行運動, 但是托勒密卻做得到 他並未使用簡單的圓形行星的軌道, 他的模型顯示行星在許多個小圓軌道 ( 本輪 ) 上, 並且同時沿著大圓 ( 均輪 ) 做公轉 利用嘗試錯誤的方法, 他找到大小圓的正確組合方式, 產生了我們肉眼所見各行星之逆行量 由於托勒密的聰明才智, 他使用了不正確的模型卻能夠說明行星 113

117 的運動 有人認為他的模型不能代表真實的情況, 而只能被用來計算天體的位置 我們可能都不會知道托勒密的意圖 ; 然而, 主宰歐洲思想達數個世紀的羅馬教會卻接受了他的理論成為正確的宇宙觀, 但這也為發現錯誤的人製造了很多的麻煩 現代天文學的誕生 現代天文學並非一天造成的, 它的發展牽涉到從打破深根蒂固的哲學與宗教觀點, 到由一個受定律支配的新而較大宇宙之發現 在這段轉變的過程當中, 讓我們留意 5 位著名科學家的努力 : 哥白尼 第谷 克卜勒 伽利略和牛頓 哥白尼 (Copernicus) 在托勒密之後將近 13 個世紀當中, 歐洲天文學上之進展甚少 在中世紀之後, 首位浮現的偉大科學家就是來自波蘭的哥白尼 (1473~1543 年 ) 在看過 Aristarchus 的著作之後, 哥白尼被說服並且相信地球只是一顆行星, 就像其它當時已知的 5 顆行星一樣, 他認為地球的自轉更容易能解釋天體每天的運行現象 在推斷地球是個行星之後, 哥白尼重新建構了一個日心模型, 以太陽為中心, 水星 金星 地球 火星 木星和土星等行星則繞行太陽 這是自從古代地球被認為是所有天體之運動中心以來的一個明顯的轉變 然而, 哥白尼仍保留著過去所使用的圓形來代表行星的軌道 因為哥白尼無法準確預測行星未來的位置, 哥白尼發現有必要加入類似托勒密所使用的本輪 事實上要等到另一個世紀之後, 經過克卜勒之洞察才發現行星具有橢圓的軌道 就像他的前輩一樣, 哥白尼也使用哲學上的判斷來支持他的觀點 哥白尼在他的重要著作 天體運行論 中提出這些受爭議的日心觀點, 並在即將過世時被出版, 因此他自己並未遭受到指責, 但是許多後來的追隨者卻遭受嚴厲的刑罰 哥白尼系統對現代天文學最大的貢獻是對於地球在宇宙中深根蒂固的地位首度勇於挑戰 114

118 第谷 (Tycho Brahe) 在哥白尼去世三年之後, 第谷 (1546~1601 年 ) 出生於貴族階層 根據傳聞, 當他觀看天文學家所預測的日食現象時, 就開始對天文感到興趣 他說服當時丹麥國王腓特列二世在哥本哈根附近建造一座觀天堡 他設計及建造了指示器, 並且有系統地使用它們來進行測量天體的位置達 20 年之久, 並且用來反駁哥白尼的理論 這些觀測 ( 尤其是火星 ) 比前人更加精確, 可說是天文學上的遺產 第谷並不相信哥白尼的日心系統, 因為他並未觀測到地球繞行太陽所形成恆星位置的視偏移, 他的論點如下 : 假如地球沿著軌道繞行太陽, 在地球繞行六個月之後再進行觀測, 鄰近恆星的位置相對於更遙遠的恆星應該會出現偏移 他的觀點是正確的, 但是他的量測並非精確到可以看出位移, 而此種恆星的視偏移稱之為恆星視差, 今日已被使用去量測較鄰近恆星的距離 視差的原理是可以容易想像的 : 若閉上一隻眼睛, 將你的食指垂直, 並將另一隻眼睛 食指以及遠物排成一直線 現在, 無需移動你的手指, 再換另一隻眼睛來觀看, 注意物體在位置上的變化 當手指擺的愈遠, 物體的位置似乎移動愈少 第谷的觀點在此出現了瑕疵, 雖然視差法是正確的, 但是與地球公轉軌道的寬度相比較, 即使是最鄰近的恆星, 其距離也相對都是非常遙遠的 因此, 恆星的偏移量實在是太小了, 即使是使用早期的望遠鏡也無法觀察得到, 何況是用肉眼觀察 隨著丹麥國王 ( 他的贊助者 ) 的去世, 第谷被迫離開他的觀天堡 可能是因為他傲慢奢侈的個性而與國王繼承者起衝突, 所以後來遷移到捷克的布拉格 他在過世的前一年中, 在此地得到一個有能力的助手克卜勒 克卜勒保留著第谷所做的大部分觀測資料, 並好好地運用了這些資料 諷刺的是, 第谷所收集的數據駁斥了哥白尼的觀點, 但後來卻被克卜勒拿來支持哥白尼 克卜勒 (Kepler) 假如哥白尼把我們帶出古天文學, 那麼克卜勒 (1571~1630 年 ) 則是引進新的天文學 他擁有第谷的數據 很好的數學頭腦以及強烈信任第谷觀測數據的準確性, 克卜勒推導出三個基本的行星運動定律 115

119 由於第谷的火星觀測數據與圓行軌道不符, 因此得到了前兩個定律 他相信軌道此種不相符並非是觀測上的誤差, 克卜勒轉而去尋找另一種解答 而此種努力引導他發現火星的軌道並非是完美的圓形而是稍呈橢圓形的 大約再同一時候, 他發現火星的軌道速度會發生可預測性的變化, 當火星接近太陽時會加速, 而當它離開太陽時則會減速 在 1609 年, 克卜勒經過十年的努力之後首先提出前兩個行星的運動定律 : 1. 繞行太陽的每一顆行星之路徑都是橢圓形的 ( 雖然很接近圓形 ), 而太陽則位於其中的一個焦點上 另一個焦點則對稱性的位在橢圓的另一端 2. 每一個公轉的行星與太陽的假想連線在相同的時間間隔內會掃過相同的面積 這個等面積定律是以幾何方式說明行星軌道速率之變化 留意行星要再相同的時間內依序掃過相同的面積, 因此當行星接近太陽時, 它必須較快速地運行 ; 當它遠離時則運行會較慢 克卜勒是個很虔誠的教徒, 他相信造物者創造了一個有規律的宇宙 因為他企圖找到行星的均一性而使他再摸索了將近十年的時間 直到 1619 年, 克卜勒在他的著作 宇宙的和諧 中發表了他的第三定律 3. 行星的軌道週期與行星到太陽的距離成正比 公轉的軌道週期簡單以地球年為單位, 行星到太陽的距離則是使用地球到太陽的平均距離 ( 我們稱之為天文單位 -AU) 來表示, 一個天文學單位 (astronomical unit) 大約是一億五千萬公里 利用這些單位, 克卜勒的第三定律述說行星軌道週期的平方等於太陽平均距離的三次方 (p 2 =d 3 ) 因此, 當知道行星的公轉週期之後, 行星到太陽的距離就可以計算出來 例如 : 火星的軌道週期是 1.88 年, 其平方是 的立方根是 1.52,1.52AU 就是火星到太陽的平均距離 克卜勒的定律認為行星對太陽進行公轉, 因此他支持哥白尼的理論 然而, 克卜勒並不知道是何種力量可以產生如他所描述的行星運動, 而此項任務則留給了伽利略和牛頓 116

120 伽利略 (Galilei) 伽利略 (1564~1642 年 ) 是文藝復興時代義大利最偉大的科學家 他與克卜勒是同時代的人而且也強力支持哥白尼以太陽為中心的理論 伽利略對科學最偉大貢獻是描述移動物體的行為 他利用實驗方法來決定自然的定律, 而這種方法自從早期的希臘時代開始就一直是欠缺的 在伽利略時代之前, 所有天文學之發現都沒有使用到望遠鏡 1609 年, 伽利略聽說荷蘭製造透鏡的工人發明了可將物體放大的透鏡系統 很明顯地, 他沒看過望遠鏡, 於是自行製造, 其結果可將遙遠的物體放大成肉眼所見的三倍大小 他馬上又重新製造望遠鏡, 最大倍率約可到達 30 倍 因為有了望遠鏡, 伽利略以這種新方法來察看宇宙, 他獲得了很多重要的發現, 這一些發現可以用來支持哥白尼的宇宙觀點, 例如 : 1. 發現有四顆衛星繞行木星 伽利略準確地測定出它們的公轉週期, 週期的時間範圍為 2~17 天 這個新的發現駁斥了地球是宇宙唯一運動中心的舊觀念, 因為這裡有另一個清楚可見的運動中心 - 木星 這也駁斥下列的推論 ( 此種推論以前常被用來反對日心系統 ): 假如地球真的繞著太陽做公轉的話, 月球將會被地球所遺棄 2. 經由望遠鏡的觀察, 他發現行星是圓盤狀的, 而並非前人所言只是個光點而已, 而這個發現指出行星必定是類似地球的 3. 發現金星像月球一樣有相位的變化, 這證明了金星是環繞著其光源 - 太陽 伽利略發現, 金星滿月時外形最小, 因此這時離地球 117

121 會最遠 在托勒密的系統當中, 金星的軌道位在地球與太陽之間, 這意味著在地球上我們只能看到金星的弦月相而已 4. 發現月球表面並非如古人所猜想和教會所宣告是個光滑的玻璃球 伽利略反而看到山脈 圓坑和平原, 頗類似地球 他認為平原可能是水體 5. 發現太陽黑子的存在 ( 觀察太陽可能使他的眼睛受損以及後來瞎掉 ) 他追蹤黑子們的移動, 並且估計太陽的自轉週期接近 30 天 因此, 他發現這一個天體是同時具有汙點 ( 黑子 ) 和自轉運動 這些觀察將會侵蝕掉當時所盛行的宇宙觀之基石 在 1616 年, 教會指責哥白尼的理論是違反聖經的, 因為這未能以造物者為中心, 並且未能將人類放在正確的地位上, 因此伽利略被告知要拋棄此種理論 因為不願意接受這個意見, 伽利略開始編寫他最有名的著作 兩大世界體系的對話 雖然身體狀況不佳, 他仍然完成了寫作, 並在 1630 年來到羅馬, 尋求當時的教皇 Urban 八世能同意他發行此著作 因為這一本書是以對話的方式詳細說明托勒密與哥白尼的系統, 因此這出版的要求終被教會所允許 然而, 伽利略的仇敵很快地了解到他是以犧牲托勒密系統來鼓吹哥白尼的觀點 因此, 書本很快地被停止販售並且被宗教法庭所傳喚 他受到審問以及因違反宗教教義而被判定有罪, 最後被判終身監禁, 並以此渡過他最後的十年生命 儘管經歷了行動受到限制 年紀太老以及大女兒過世之悲痛, 伽利略仍繼續工作 1637 年他變成全盲, 然而經過數年後終於完成了他最好的科學著作, 這是一本討論運動學方面的書籍, 其中他敘述 : 一個移動中的物體會保持移動的自然狀態 伽利略於 1642 年過世, 當時托斯卡尼省 (Tuscany) 大公原本想為他立紀念碑, 但這可能會觸怒教會而作罷 直到支持哥白尼的科學證據被發現之後, 羅馬天主教教廷才同意伽利略的著作被出版 牛頓 (Newton) 牛頓 (1642~1727 年 ) 是在伽利略過世的那一年誕生的, 他在數學上和物理上的很多成就致使後人認為他是最偉大的天才 雖然克卜勒及其後人都企圖解釋行星運動的力源, 但所做的解釋 118

122 皆不令人滿意 克卜勒相信有某種力量是沿著軌道推動著行星 ; 然而, 伽利略正確地認為無需外力讓物體保持運動 伽利略認為在不受外力作用之下, 運動的物體具有沿著直線做等速度的自然趨勢 這種慣性觀念後來被牛頓公式化成為他的第一運動定律 上述的問題並不是要來解釋維持行星運動的力量, 而是要去決定防止行星直線離開而進入太空的力量, 牛頓最後將這個重力概念化 在 23 歲時, 牛頓想像有一種力量從地球延伸至太空, 使月球能在軌道上繞行地球 雖然其他人已推論出有此種力量之存在, 但他是測試萬有引力且將之公式化的第一個人 其中, 萬有引力隨著距離而減弱, 因此兩個相隔 3 公里遠之物體間的引力只有 1 公里遠的 1/9 萬有引力定律也說明質量愈大的物體萬有引力就會愈大 例如, 大質量的月球有一股強大的力量足以引起地球的潮汐現象 然而, 質量很小的通訊衛星對地球之影響是可以忽略的 物體的質量是它所含有的物質總量之測量, 但是質量之測量更常是使用慣性大小來測量的, 也就是要改變任何物體的運動狀態時, 物體所反應出來的阻力大小 我們常常會將質量與重量的概念混淆在一起 重量是作用在某物體上的重力 因此, 當萬有引力改變時重量也會變化 因為月球比地球小而輕, 物體在月球上的重量會比在地球時輕 然而, 跟重量不同, 物體質量是不會改變的 例如 : 一個地球上重 120 磅上的人, 在月球上只剩 20 磅 (1/6), 但此人的質量則維持不變 牛頓利用運動定律證明, 重力並配合物體的直線運動之慣性是造成克卜勒所發現的行星橢圓軌道 例如 : 地球以每秒 30 公里的速度在其軌道上前進, 同時重力每秒將地球往太陽移進 0.5 公分 因此如牛頓所推論, 地球的往前運動與其 掉落 運動之結合可解釋行星的軌道 假如重力被消除的話, 地球將沿著直線進入太空 ; 相反地, 假如地球往前運動突然停止的話, 重力將直接把地球拉往太陽 到這裡我們討論到地球運動似乎只涉及到與太陽之間的重力關係, 然而在太陽系中的所有天體彼此之間都受重力的影響 因此, 地球的軌道並非如克卜勒所說是個完美的橢圓形 在軌道上的天體與所預測的路徑有所不一致或出現變動時, 我們稱之為擾動 (perturbation) 例如 : 木星對土星的引力使土星的軌道週期比預測值 119

123 ( 若木星不存在時 ) 少了七天左右 應用此種觀念發現了海王星, 當天文學家將牛頓定律應用在天王星的軌道時, 推斷應該還有一個未知的大行星 ( 海王星 ) 的引力影響了天王星的軌道, 利用擾動的觀念使我們發現了海王星的存在 牛頓應用萬有引力定律對克卜勒第三定律再加以說明, 第三定律敘述了行星的軌道週期與行星到太陽的距離之間的關係 牛頓在克卜勒的第三定律中將物體的質量列入考慮, 因此當我們清楚了某顆衛星的軌道之後, 就都可以用來決定天體的質量了 假如某星體明顯影響鄰近的星體或人造衛星的軌道時, 即使這星體沒有衛星之存在, 其質量仍可被決定出來 星體在天空中的方位 假如在遠離都市光害的地方注視著晴朗的夜空, 你就會浮現出一個清楚的印象, 那就是恆星似乎在地球周圍上形成了一個圍繞的球殼 此種印象似乎是很真實, 以致於我們可以理解為何很多早期希臘人會把恆星看成是固定在水晶般的天球上 雖然我們知道這個天球根本不存在, 但使用這個概念可以很方便地將恆星或其它定位 這裡將描述兩種使用天球的地圖系統 :(1) 是將天球畫分成各種星座的區域 ;(2) 是將地球的經緯度線擴展沿伸進入太空 ( 即赤道座標系統 ) 星座 (Constellations) 早在 5 千年前人們就被星空強烈的吸引著, 並且開始對所見到星星圖案加以命名, 這些稱之為星座的外觀是以神話的人物或偉大的英雄 ( 如獵戶座 ) 來命名 我們需要用很大的想像力來解釋這些預期中的圖案, 因為大部分的星座剛看起來與圖案並不太相似 雖然我們繼承了來自希臘神話中的星座, 但相信希臘天文學家大部分也是從巴比倫 埃及和美索不達米亞那邊學來的 雖然構成星座中的所有恆星似乎與地球等距離, 但事實卻不然 有一些星座中的恆星比其它更為遙遠, 因此在某一星座中的恆星彼此之間在物理上是不相關的 此外, 不同的文化族群 ( 包括美國原住民 ) 常在星座中加入自己的名稱 圖案和故事 例如 : 獵戶座在中國天文學家則稱為白虎 120

124 今天有 88 個星座被正式承認, 我們利用這些星座將天空劃分成 88 個單元, 就像美國是以州界來劃分 在天空中的每一顆恆星都位在這些星座的範圍之中, 但並不一定是這個星座圖的一部分 因此, 星座使天文學家能大致確認所觀察的天空區域 對學生而言, 星座是讓學生熟悉星空的一個好方法 一些最亮的恆星被賦予專名, 例如天狼星 大角星和參宿星 此外, 在星座中的最亮星也依照其亮度在其星座後面加入希臘字母來依序命名 -α β 例如 : 天狼星是大犬座中的最亮星, 我們稱之為大犬座 α 星 (Canis Majoris) Box 2 占星學 (astrology)- 天文學的先驅 很多人被占星學與天文學所混淆, 以為這兩個名詞的意義是相同的 天文學是一種學術性的宇宙探索, 以便推演出天體的特性和宇宙運作的定律 另一方面, 占星學是基於古代的迷信, 認為個人的行為和個性要根據現在與出生之時行星和恆星的方位而定 科學家不接受占星學, 把它視為偽科學 希望大多數的人閱讀占星術或天宮圖時只把當作是一種消遣, 不要讓它們影響了你每天的生活 占星學的起源很明顯地至少是在 3 千年前 當行星在 固定 的恆星背景之前有規律地遷移時, 它們的位置被畫出來 因為太陽系是 平坦 的, 就像是一個旋轉的飛盤, 行星幾乎沿著相同的平面繞行太陽 因此, 行星 太陽和月亮似乎全都沿著天空的一個帶在移動, 此帶稱之為黃道帶 (zodiac) 因為月球每年大約有 12 次的月相變化, 所以巴比倫人將黃道帶劃分成 12 個星座 因此, 我們可以看到, 每一次滿月都會位在另一個星座範圍內 黃道帶上的 12 個星座 ( 因為有一些星座是以動物做為代表, 所以此帶又被稱為 動物帶 ) 是 : 白羊座 金牛座 雙子座 巨蟹座 獅子座 處女座 天平座 天蠍座 射手座 魔羯座 寶瓶座和雙魚座 當 12 宮剛被確立之初, 當時春分點的太陽是位於白羊座的範圍內 然而, 在接下來的每一個春分點, 太陽在恆星背景之前的位置出現了很緩慢地移動 經過了兩千年之後的現在, 春分點時的太陽是位在雙魚座之內 再過數年之後, 春分點將會出現在寶瓶座的範圍之內 ( 因此, 寶瓶座的年代即將到來 ) 雖然占星學並不是科學, 事實上它也是沒有任何根據的, 但它真的對天文學有所貢獻 一個人誕生時, 月亮 太陽與行星的方位被認 121

125 為是對人的一生有重大的影響 即使是偉大的科學家克卜勒, 他部分的職務則是被要求去製造天宮圖 為了製造未來的天宮圖, 占星學家企圖去預測天體的未來方位 因此, 為了能更準確地預測出天文事件 ( 例如日月食, 在一個人的生命當中, 這些現象被認為是非常重要的 ), 因此天文儀器進行了一些改良 史前人類甚至也建造了觀測台, 英格蘭的巨石柱群結構毫無疑問的是企圖要預測太陽 在北半球的仲夏 (6 月 21 或 22 日, 亦即夏至 ), 日出的太陽直接從石柱群中之 高跟鞋 石 (heel stone) 的頂端冒出來 除了可以維持曆法之外, 石柱群也可提供一種確定日月食的方法 早期天文觀測台的其它遺跡也 出現在美洲 歐洲 亞洲和非洲等地 赤道座標系統 有一種定位的方法稱之為赤道座標系統 (equatorial system), 它將天球劃分成一個座標系統 它非常類似地表定位所使用的緯度 - 經度系統 因為天球似乎是繞著由地軸所延伸的假想線做旋轉, 天北極和 122

126 天南極與地球上的南北極排成一直線 天北極剛好很接近一顆亮星, 此亮星雖有不同的名稱但可以反映出它的位置 - 北極星 (Polaris) 對北半球的觀察者而言, 恆星似乎環繞著小熊星座的 α 星 - 北極星, 因為它像是地理北極一樣, 是位在運動的中心 我們可利用大熊星座中兩顆亮星 ( 指極星 ) 的距離延伸五倍長度來找尋北極星 現在假想有一個經由地球赤道的平面向外延伸並與天球相交, 這個平面與天球相交的圓稱為天赤道 (celestial equator) 在赤道座標中, 我們使用了赤緯與赤經, 赤緯 (declination) 這個名詞類似於地球的緯度, 而赤經 (right ascension) 則類似經度 像緯度的赤緯是由天球赤道往南或往北的角距離, 而赤經則是從春分點 (vernal equinox) 沿著天赤道往東所測量到的角距離 ( 春分是太陽在天空中橫越天赤道的一個點, 也就是春天的開始 ) 赤緯的單位是以度數來表示, 而赤經則經常以小時為單位, 在這裡每一小時相當於 15 為了瞭解天球上角距離的大小, 請記住月球和太陽約有一個 0.5 的寬度, 這對你應該是會有幫助的 地球的運動 地球的兩種主要運動是自轉與公轉 自轉是物體繞著自己的軸做旋轉, 而公轉則是行星或衛星環繞太空中的某一點並沿著路徑進行運動 例如 : 地球繞著太陽公轉, 而月亮則是繞著地球做公轉 地球也有一種很緩慢的運動, 我們稱之為進動 (precession), 它是地軸的緩慢運動, 其週期約為 年 123

127 自轉 (rotation) 地球自轉的結果就是形成日夜的變化, 地球自轉已成為測量時間的一種標準方式, 因為它非常可靠並且容易使用 自轉一次約等於 24 小時 你或許會很驚訝地發現有兩種方式可以量測地球的自轉, 這就形成了兩種所謂的一天 平均太陽日 (mean solar day) 是最為人所熟悉的, 它是從一天的正午到隔天的正午之間隔, 此時間間隔平均約為 24 小時 其中, 正午是指太陽抵達空中最高點的時候 另一方面, 恆星日 (sidereal day) 是指地球對於恆星 ( 非太陽 ) 而言, 進行 360 的自轉所花的時間 恆星之測量是指昨日的恆星又在天空的同一位置上出現時所需的時間 恆星日的週期是 23 小時 56 分 4 秒 ( 根據太陽日的時間 ), 比太陽日幾乎短了 4 分鐘 這個差異的成因是地球沿著公轉軌道緩慢地運行時, 它相對於遙遠恆星的方向幾乎沒有改變, 然而相對於太陽的方向則是每一天幾乎變動了一度 為什麼會使用平均太陽日而不是採用恆星日做為我們一天的量測, 這一個差異似乎是不明顯的, 但是讓我們想一想下列這個事實 : 在恆星日中, 每一天的正午都提早了四分鐘發生, 因此六個月之後, 它的正午將在半夜時分發生 因為每 24 個恆星日小時, 恆星會在相同的天空位置上出現, 所以天文學家使用恆星日 當春分點的位置是直接落在頭頂上方之時, 也就是位在天文台所在的子午線 ( 經線 ) 之上, 天文台經常就以此做為太陽日起始的時間 ( 零時 ) 因此, 當天文台的恆星日時鐘與恆星的赤經值是一樣的話, 各顆恆星將會在你的頭頂上或最大的高度角上 例如 : 夜空中最亮的恆星是天狼星, 它的赤經是 6 小時 42 分 56 秒, 當天文台的太陽日時鐘指到這一個時間, 那麼天狼星的位置將會高高在上 公轉 (revolution) 地球在橢圓軌道上以每小時 公里的速度繞著太陽公轉 地球到太陽的平均距離是 1 億 5 千萬公里, 但因為它的軌道是橢圓形的, 所以這個距離會變化 在近日點 (perihelion) 時, 此距離是 1 億 4 千 7 百萬公里, 大約發生在每年的 1 月 3 日 在遠日點 (aphelion)( 發生在 7 月 4 日 ), 距離是 1 億 5 千 2 百萬公里 因為地球每一年繞著太陽做運動, 太陽每一天在星座之前似乎移 124

128 位了一些距離, 這個距離大約相等於太陽的兩倍寬或 1 度 太陽在天球背景之前的每年視運動之路徑稱為黃道 (ecliptic) 一般而言, 行星和月球運行的平面與地球運行的平面大致是相同的 因此, 它們在天球上的路徑是很接近黃道的 離黃道最遠的就是水星, 它的軌道相對於地球的軌道面也只不過是 7 的傾斜 地球軌道與天球連接的假想平面稱為黃道面, 由這個參考平面來看, 地球的自轉軸約傾斜了 23.5 因為地球傾斜, 太陽的視路徑 ( 黃道 ) 與天球赤道以 23.5 相交, 這個角度對地球上的住民而言是非常重要的 由於地軸對黃道面的傾斜, 地球每年出現了季節性的循環 當一年之中的太陽視位置被畫在天球上時, 它的路徑會與天球赤道相交於兩點 從北半球的觀點來看, 這兩個相交點稱為春分 (3 月 20~21 日 ) 和秋分 (autumnal equinox)(9 月 22~23 日 ) 6 月 21 或 22 日是夏至 (summer solstice) 的日期, 太陽出現在天赤道北方 23.5 的位置上 六個月之後,12 月 21 或 22 日是冬至 (winter solstice) 的日期, 太陽出現在天赤道南方 23.5 的位置上 進動 (Precession) 地球的第三種運動稱為進動 雖然地軸大致維持相同的傾斜角度, 但地軸所指的方向會持續在改變, 結果地軸在天空中描繪出一個圓, 此種運動很像旋轉陀螺的運動方式 目前這個軸指向著北極星 在西元 年時, 此軸將指向明亮的織女星, 它將變成那時候的北極星 進動的週期約為 年, 到了西元 年, 現在的北極星將再一次成為我們的北極星 進動對季節的影響甚小, 因為傾斜角度只有輕微的變化 然而, 卻會造成季節的位置 ( 分點和至點 ) 每年在星座中稍微地移動著 除了自身的運動之外, 地球也隨著太陽做很多的運動 太陽與整個太陽系以每秒 20 公里速度往織女星方向急速行進 太陽也和鄰近恆星一樣繞著銀河系公轉, 即使是以每秒將近 250 公里的速度也需要 2 億 3 千萬年才能公轉一圈 此外, 銀河系本身也在運動, 它目前正在接近我們最鄰近的星系鄰居之一 - 仙女座大星系 摘言之, 地球有多種的運動而且頗為複雜, 它在太空中的運轉速度是非常快速的 125

129 地月系統的運動 地球有一個天然的衛星 - 月球 除了每年伴隨著地球環繞著太陽, 月球也繞著地球, 公轉週期少於一個月 當從北極上方觀看時, 月球的公轉方向是逆時針的 ( 往東 ) 因為月球的軌道是橢圓的, 所以它到地球的距離有著 6% 的變化量, 平均值是 公里 地月系統的運動不斷地使月球 地球和太陽之間的相對位置發生變化, 這也造成了一些最顯著的天文現象 : 月相變化以及偶而出現的日月食 月相變化 第一個要了解的天文現象就是有規律的月相循環 以一個月為基礎, 我們所看到的月相是月球被照亮的部分出現有系統的變化 我們 126

130 將月相循環中的新月位置當做起點, 新月之後的第二天, 就在日落之後的西方低空處, 出現一個細薄的銀色月相 ( 娥眉月 ) 再接下來的一個星期內, 地球上可見到的月球亮面漸漸增加到半個圓月 ( 上弦月 ), 從中午到半夜皆可看到這個月相 再過了一個星期, 東方可見到滿月升起並在西方落下 在接下來的兩個星期期間內, 我們可見到月球亮面部分穩定地出現減少, 直到月亮完全看不見 ( 新月 ) 隨著娥眉月又重新出現, 月相循環很快地又重新開始 月相是月球運動以及其表面反射陽光所造成的 月球總是有一半是被照亮的, 但是對於地面的觀察者而言, 可見此亮面的百分比取決於月球相對於太陽和地球的位置 當月球位於太陽與地球之間時, 月球亮面沒有面對著地球, 所以我們將會看見新月相 ( 無月 ) 相反地, 當地球位在月球與太陽之間, 所有亮面皆面對著地球, 因此我們將會看到滿月 上述兩個極端之間的其它位置上, 在地球上可看到中間不同比率的亮面部分 月球運動 一個完整的月相循環需要 29.5 天, 這段時間稱為朔望月 (synodic month) 此種週期是羅馬最早的日曆基礎 然而, 這是月球繞行地球進行公轉的視週期, 但卻不是真正的週期, 真正的週期為 27 又 1/3 天, 我們稱之為恆星月 (sidereal month), 每一次的循環幾乎有兩天的差異 注意當月球繞行地球之時, 地月系統也在太陽周圍的軌道上移 127

131 動著 因此, 即使月球已經完全了一次繞行地球之公轉, 但仍未抵達它的起始點, 此點是直接位於地球與太陽之間 ( 新月 ) 為了的抵達這個起始點, 月球需額外再多花兩天的時間來進行移動 關於月球運動, 一個有趣的事實就是月球自轉和繞地球公轉之週期是相同的 ( 都是 27 又 1/3 天 ) 因此, 同一個月半球總是面對著地球, 而所有載人的阿波羅登月任務都侷限在面對著地球的那一側, 只有軌道衛星和太空人看過月亮的背面 因為月球的自轉週期是 27 又 1/3 天, 在月表上的任何位置皆經歷了兩個星期的白天或黑夜 除了缺少了大氣之外, 漫長日夜也可說明為何月球白天的表面溫度可高達 127, 在夜裡的表面溫度可至 -173 日月食 (eclipses) 除了了解月相變化之外, 早期的希臘人也知道食的現象只不過是一種影子效應 當月球直接移動到與地球和太陽形成一直線的方位時 ( 只有在新月期間會發生 ), 月球會投射出一個黑影到地面上來, 產生了日食現象 相反地, 當月球移入地球的影子裡, 此時會產生月食, 在滿月時這種現象才可以發生 為何並非在每一個新月或滿月時都會出現日食或月食呢? 假如月球的軌道真的位於地球的軌道面 ( 黃道面 ) 時, 那麼日月食在每個月都將會發生 然而, 月球的軌道與包含有地球和太陽的平面之間呈現有 5 度的傾斜 因此, 多數的朔月裏, 月球的影子並未能投射到地球上 ( 影子會在地球之上方或下方 ) 在大多數的滿月期間, 地球的影子也未能投射到月面上 只有當朔月或滿月發生在月球軌道橫越黃道面之時, 這時才有可能發生日月食 因為上述的條件在一年之中通常只會遇到兩次, 所以一年之中的日月食現象常會有 4 次, 亦即相隔半年分別有一組的日月食發生 三個星體的排列在一個月相循環中偶而會有擠入 3 個日月食, 亦即 1 個月食的兩側有兩個日食 再者, 第一組的日月食偶而會發生在年初, 而第三組的日月食又在年末時出現, 則這一年就會出現 6 個日月食 更少見的是, 假如這三組中有一組是屬於 3 個日月食現象, 那麼在這一年中出現的日月食總數可達 7 個 ( 這是極大值 ) 128

132 在月全食的過程當中, 可看見地球的圓形陰影慢慢地移過滿月的圓盤, 直到月全食發生時, 月球將完全進入地球的陰影當中, 但此時仍可見到月亮, 只是此時整個圓盤是呈現紅銅色的, 這是因為地球上的大氣將陽光中的一些長波折射並傳送到陰影區所造成的 月全食的過程可維持 4 小時, 而且面對著月球的任何人都可看見此現象 在日全食的期間, 月球投射的圓形陰影直徑皆小於 275 公里寬, 大約是南卡羅萊納州的大小 在這區域的任何人將會看見月球慢慢地遮蔽到太陽, 天空也會變暗 接近全食之時, 會感覺到氣溫突然下降了數度 太陽圓盤完全被遮蔽的時間最多只有七分鐘 ( 這是因為月球影子太小了 ), 然後太陽的邊緣又會再現 在日全食之時, 可看見黑色的月球完全覆蓋住太陽的圓盤, 只能見到太陽光亮的白色外氣層 ( 日冕 ) 只有位在月球陰影下黑暗地區 ( 本影區, umbra) 的人們才能看見日全食, 然而在半影區 (penumbra) 的人們可見到日偏食 在極區常可見到日偏食, 因為當月球的本影剛好未能投射到地球時, 但此時半 129

133 影卻可覆蓋到南極或北極地面的區域 對地球上的任何地區而言, 日全食都算是一件罕見的現象, 下一次要在美國本土看到日全食的日期是 2017 年 8 月 21 日 130

134 本章摘要 古希臘人相信地心說的宇宙觀, 認為地球是位於宇宙中心的不動星球 有七顆星球繞著地球運轉, 包括月球 太陽 水星 金星 火星 木星與土星 對古希臘人而言, 每天繞行地球運轉的恆星是位於透明的中空天球上 西元 141 年, 托勒密設計出更加精巧的地心說宇宙模型, 稱為托勒密系統 在這個模型中, 行星以圓形軌道繞行不動的地球 在托勒密的系統中, 為了解釋行星的逆行運動 ( 當地球運行並超過某行星時, 該行星有一段時間似乎會往西或往相反的方向運轉 ), 行星除了在小圓軌道 ( 本輪 ) 上繞行, 也同時在大圓 ( 均輪 ) 上進行公轉 西元前第五世紀, 希臘人 Anaxagoras 推論月球是反射太陽光而發亮的, 也由於月球是個球體, 因此總是會有半個球面是亮著的 亞里士多德 (384~322 B.C.) 則確認地球是球形的 首位宣揚日心說宇宙觀的古希臘人是 Aristarchus(321~230 B.C.) Eratosthenes (276~194 B.C.) 是第一位成功算出地球大小的古代天文學家 希巴谷 ( 西元前二世紀 ) 則是古希臘最偉大的天文學家, 他因編撰恆星的目錄而聞名於世 現在天文學的演進是來自於 世紀期間許多人的奉獻 哥白尼 (1473~1543) 倡導以太陽為中心的日心體系, 但錯誤地仍繼續沿用圓形的行星軌道 第谷 (1546~1601) 的天文貢獻則是在於他的天文觀察比前人更為精確 克卜勒 (1571~1630) 推導出行星的三大運動定律, 確認行星的軌道為橢圓形 伽利略 (1564~1642) 則以自製的望遠鏡發現了許多重要的天文現象, 這些發現可支持哥白尼的日心說 牛頓 (1642~1727) 是首位將萬有引力公式化, 提出了三大運動定律, 並證明重力結合慣性 ( 物體有沿著直線運動的傾向 ) 可解釋克卜勒所發現的行星橢圓軌道 早在 5000 年前, 人們就將一些恆星在天空中的排列 ( 星座 ) 以當時神話中的人物或英雄加以命名 如今, 已被確認的 88 個星座劃定出全天空的 88 個區域, 正如將美國本土劃分出數十個州 赤道座標系統是標定恆星位置的方法之ㄧ, 將天球畫分成一種座標系統, 就如同以經緯度系統標定地表的位置 類似緯度的赤緯是由天赤道往南或往北量測的角距離 赤經是由春分點往東量測 131

135 所得的角距離 ( 春分點是太陽在春天橫越天赤道時的那個點 ) 地球有兩種主要的運動 : 自轉 ( 繞自身的軸線旋轉 ) 與公轉 ( 沿著天空中某路徑進行運轉 ) 另外還有一個很緩慢的地球運動是進動 ( 是地球軸線的緩慢運動, 並在天空中劃出一個圓錐, 其周期為 年 ) 可利用兩種方式來量測地球的自轉, 並得到兩種 日 平均太陽日是連續兩個正午之間的時間間隔, 平均約為 24 小時 相對地, 恆星日是地球相對於遙遠恆星自轉一圈所花的時間, 其周期為 23 小時 56 分 4 秒 地球以橢圓軌道繞行太陽, 平均的日地距離為 1 億 5 千萬公里 近日點出現在一月, 離太陽 1 億 4 千 7 百萬公里 遠日點出現在七月, 離太陽 1 億 5 千 2 百萬公里 地球繞行太陽的假想軌道平面稱為黃道面 最想了解的天文現象之ㄧ是月球有規律的月相循環, 月相循環的周期是 29.5 天, 稱為朔望月 然而, 月球真正繞行地球進行公轉一圈是 27 又 1/3 天, 稱為恆星月 兩者相差約有兩天, 這是因月球不僅要繞行地球, 而且地月系統也要同時繞著太陽進行運轉 除了瞭解月相循環之外, 古希臘人也知道月食只不過是陰影效應所造成 當新月時, 月球若運行至日地之間並且形成一直線, 則月球的陰影便會投射在地表上而形成了日食 望月時, 當月球運轉至地球後方的陰影內, 便會發生月食 因為月球運行的軌道面 ( 白道面 ) 與黃道面斜交 ( 約有 5 度的夾角 ), 因此大多數的新月與望月並不會發生日月食 在新月與望月這兩天期間, 若月球剛好橫越了黃道面, 就可以發生日全食與月全食, 每年的日月食通常共會有 4 次 132

136 第七章太陽系之旅 當人們剛開始認識到行星比恆星更類似地球時, 感到非常的興奮 高智慧的生物可存在其他行星上或在宇宙的其他地方嗎? 太空探測已再次點燃這個主題 到目前為止, 在我們的太陽系內並無證據可指出有宇宙生命之存在 雖然如此, 我們研究其它行星是有助於了解有關地球的形成或早期的歷史 近年來的太空探測也以此為想法而組織起來 至今, 靠著探測器我們已經探察了所有的行星了 行星概述 太陽是八大行星及其衛星 矮行星 無數的小行星 彗星和流星體的巨大旋轉系統之中心 據估計太陽的質量佔整個太陽系的 99.85% 其它行星加起來的質量只佔剩餘質量的 0.15% 行星繞著太陽運轉, 由內而外依序是 : 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 在太陽的萬有引力控制下, 每個行星被束縛在橢圓軌道上, 而且他們全部繞行著同一個方向 最靠近太陽的行星 - 水星 - 有最快的軌道速率每秒 48 公里 ; 它繞太陽的公轉週期是最短的, 只有八十八個地球日 想像把一個行星的運行軌道畫在一張平坦的紙上, 這張紙表示出行星的軌道平面 其中共有七個行星的軌道平面與太陽赤道平面呈 3 度以內的交角 ; 離太陽最近的水星則傾斜了 7 度 行星如何形成的? 太陽與行星同時是由所謂的太陽星雲這麼一個巨大旋轉的雲氣所形成的 當太陽星雲收縮時, 巨大的物質聚集於中心處並形成了原太陽 (protosun), 其餘物質則形成一個扁平旋轉之盤狀物 在盤狀物中, 物質逐漸地成塊, 並且經由彼此碰撞聚合在一起而成長為如小行星般大小的天體, 我們稱之為微行星 (planetesimals) 這些微行星的組成主要是決定於它們與原太陽之間的距離, 越接近原太陽的, 溫度越 133

137 高 ; 而在盤狀物之外圍, 溫度則越低 這點非常最重要, 因為只有在某些特定的位置上才能凝結成塊狀之固體或液體物質, 也才能形成微行星 接近目前的水星軌道處, 因為溫度太高, 所以只有金屬顆粒能夠凝結出來, 其它物質則無法存在 再往外接近地球軌道附近, 金屬與岩石都可以凝結, 而超過火星軌道之外, 水冰 二氧化碳 氨和甲烷已可以凝結出來 由這些不同的塊狀物質所形成的微行星則重複地彼此碰撞與合併增積, 最後形成了八顆原行星 (protoplanets) 及其衛星 當原行星形成之後, 約過了十億年才因其重力清掉了太陽系中的行星際碎屑 這是一段密集撞擊星體表面的時期, 這可以從月球表面以及太陽系的其它地方來推論 只有少量的行星際物質脫離了行星及其衛星的重力, 最後變成了小行星 彗星或流星體 類地 (terrestrial) 與類木 (Jovian) 行星 根據下表的資料分析得知, 行星可被分為兩群 : 類地行星 ( 水星 金星 地球和火星 ) 與類木行星 ( 木星 土星 天王星和海王星 ) 134

138 類地行星和類木行星最大的不同點在於他們的大小 最大的類地行星 ( 地球和金星 ) 之直徑大約是最小的類木行星 ( 海王星 ) 直徑的 1/4; 此外, 他們的質量只有海王星的 1/17 因此, 類木行星通常又稱作巨星 因為它們的相對位置, 四顆類木行星又被稱為外行星而類地行星則被稱為內行星 如我們所見, 這些行星的位置和行星的大小似乎有著相關性 這兩群的不同點還包括密度 化學組成和轉動速率 類地行星的平均密度約為水密度的 5 倍, 然而類木行星的平均密度只有水密度的 1.5 倍 外行星中的土星密度是水的 0.7 倍, 這代表若土星被放置在有足夠大的貯水槽中時, 土星將會在水中浮起來 化學組成的差別是造成密度不同的主要原因 行星的組成 構成行星的物質依熔點可分為三類 : 氣體 岩石和冰 1. 氣體 ( 氫和氦 ) 的熔點接近絕對零度 (-273 或 0 K) 2. 岩石 ( 矽酸鹽礦物和金屬鐵為主 ) 的熔點超過 冰 ( 包含氨 甲烷 二氧化碳和水 ) 的熔點則介於上面兩種物質之間 ( 例如水的熔點為 0 ) 類地行星的密度較大, 大部分是由岩石和金屬物質所組成, 另外還包含了較少量的氣體和冰 另一方面, 類木行星含有大量的氣體 ( 氫氣和氦氣 ) 和冰 ( 大多是冰 氨和甲烷 ), 也因此密度會較小 外行星也含有大量的岩石和金屬物質, 但都集中在核心處 行星的大氣 類木行星有一層很厚的氣圈, 其氣圈包含氫 氦 甲烷和氨 ; 相對地, 類地行星包括地球, 只有一層很薄的氣圈 那是因為行星保有氣圈的能力需由它們的質量和溫度來決定 簡單的說, 當氣體分子達到某一速度時, 它們可從行星上蒸發, 而此速度也就是我們熟知的脫離速度 以地球為例, 脫離速度是每秒 11 公里, 任何物質包括火箭都須達到此速度才能擺脫地球引力而進入到太空之中 類木行星因其巨大的表面引力, 所以其脫離速度每秒 21~60 公 135

139 里, 比類地行星大很多 ; 因此, 在類木行星的氣體分子更難以蒸發 因為氣體分子運動也和溫度有關, 而類木行星有較低的溫度, 即使是最輕的氣體分子仍不可能獲得所需的脫離速度 相較之下, 表面引力較小且比較溫暖的星球, 例如月球, 就不可能擁有較重的氣體, 如二氧化碳和氡氣, 因此月球缺乏大氣 比較大的地球 金星和火星等類地行星可保有較重的氣體如二氧化碳, 但即使如此, 大氣也只佔這些行星總質量的極小部份而已 在這章的其餘部分, 我們將簡要認識一下行星以及太陽系中較小的成員 但在一開始, 我們先來拜訪地球的夥伴 - 月亮 地球的衛星 - 月球 地球現在有數以百計的人造衛星, 但只有一個天然的衛星 - 月球, 他伴隨著我們每一年環繞著太陽做運行 雖然其它行星也有衛星, 但我們的行星 - 衛星系統在太陽系中卻是獨一無二的, 這是因為月球與母行星間的比值是相當大的 月球的直徑是 3475 公里, 大約是地球的四分之一 ( 地球的直徑是 公里 ) 從計算月球的質量得知, 它的密度是水的 3.3 倍 月球密度約為地球的地函密度, 但遠小於地球的平均密度 ( 地球平均密度是水的 5.5 倍 ) 地質學家推測這種差異是因為月球的鐵質核心較小 在月球表面的重力是地球表面的 1/6, 因為這個差異性, 讓太空人能不費力的攜帶笨重的維生系統 如果沒有背這些裝備, 太空人跳躍的高度是在地球上的六倍 月球表面 當伽利略首先用望遠鏡望看著月球時, 他看到月球上有兩種不同的地形 在地球上看到月球的明亮區域稱為月球高地 相對地, 黑暗的區域則稱為月海 (maria), 它們是平坦的低地區域, 因為這區域的地形和地球上的海洋相似, 因此被稱作月海, 它是由巨量的玄武岩漿溢流所形成的 ; 相對地, 淺色明亮的區域類似地球上的陸地, 這些區域通常稱為月球高地, 因為比月海高出數公里 月球高地與月海形成了我們所看到的月球表面 136

140 撞擊圓坑 (Craters): 月球表面最明顯的特色就是圓坑或環形山, 坑洞的數量很多以至於坑洞中又有坑洞是常有的事 其中, 最大的一個圓坑之直徑大約有 295 公里, 大概是美國印第安納州的寬度 大部分的圓坑都是因為被快速移動的流星體所撞擊而成的, 這個現象在太陽系初期是很常見的 相較之下, 地球大概只有約 12 個較容易辨識的撞擊坑洞, 這個差異的原因是因為地球的大氣 侵蝕以及構造運動 小碎片在到達地面之前就因為和空氣摩擦而燒完了, 而較大的流星體則是在抵達地面之前將會變小 另外, 一些曾經出現在地球上的隕石坑也會被侵蝕作用或構造運動的過程中被塗銷抹滅掉 圓坑的形成過程如下 : 當發生撞擊時, 那些高速的流星體會壓縮被撞的物體, 然後被撞的物體會瞬間反彈, 連帶著圓坑中的一些物質會被拋射出去 這個過程就和把石頭丟進水中會濺出水花一樣, 而且中央處經常會形成較突出的水柱 大多數噴出的物質會降落在圓坑的附近, 並在坑洞旁形成環框 撞擊產生的熱量足以融化一些受到撞擊的岩石 太空人已經帶回一些由此過程所形成的玻璃珠和岩石, 經由這種撞擊所產生的熱也使角礫狀碎塊和灰塵結合在一起而形成岩石 一個直徑只有 3 公尺的流星體就可以轟出一個 150 公尺寬的圓坑 有一些大型的圓坑, 像克卜勒 (Kepler) 和哥白尼 (Copernicus) 圓坑, 是因為被直徑 1 公里或更大的流星體所撞擊而成的 這兩個圓坑因為有長達好幾百公里的輻射亮紋, 所以被認為是相當年輕的圓坑 高地 (Highlands) 與 海 : 布滿坑洞的高地構成大部分的月球表面 事實上, 月球背面就是以這種地形為主 ( 只有太空人看過月球背面, 因為月球自轉一周時也剛好繞地球一圈, 所以月亮總是以同一側面向著地球 ) 許多隕石坑是相互重疊的, 數量龐大的撞擊坑洞其實可以證明月球初期是經歷過一段頻繁撞擊的時期, 這些撞擊的活動重複撞碎與混合數公里深的月殼物質, 使得月球高地呈現崎嶇不平的地貌 月表地貌大約只有 16% 是由暗而平坦的月海所組成的, 而這些月海主要是位在面對地球的這一側 當大型的隕石將月表鑿出巨大的隕石坑, 並造成月殼嚴重破裂而並使地底下的岩漿溢出來 這些隕石坑很明顯地被一層又一層的玄武岩質熔岩流所溢滿 ( 類似美國西北部的哥倫比亞高原之熔岩地層 ), 撞擊之後這些熔岩大多仍會持續地流 137

141 出 一般認為之所以會發生火山活動, 是撞擊使得這些地區的月殼較薄且碎裂, 而並非是撞擊熱所致 風化與侵蝕 : 月球表面並無大氣與水流, 因此持續雕塑地球表面的風化和侵蝕作用在月球上幾乎不會發生 此外, 板塊運動在月球上是不活躍的, 所以地震和火山運動都不再發生 然而, 因為月球沒有受到大氣的保護, 所以在此出現不同了侵蝕方式 : 太空中的小微粒持續地撞擊月球表面, 並且漸漸地使月球表面變得光滑 月海與高地都覆蓋著一層灰色而未固結的岩屑, 這物質是因為幾十億年來流星體轟擊而成的 這層很像土壤的的東西, 其實叫做月球表土或月壤 (lunar regolith), 是由火成岩 角礫岩 玻璃珠以及一些月球細塵所構成的 阿波羅號的太空人曾經探險過的月海, 其表面月壤的厚度約有 3 公尺 月球的歷史 雖然月球是離我們最近的星球而且太空人也已從月球表面上取樣, 但對於它的起源我們大多仍不清楚 月球的起源最廣為接受的說法是發生在太陽系形成的時期, 一個火星大小的物體撞擊地球, 這次撞擊使地球表面液化且拋射出早期地球的地殼和地函岩石 一部份拋出的碎屑進入到繞地球的軌道上, 並在軌道上結合而形成月球 這個巨大撞擊的假說與目前對月球所知的許多事實相符 這些拋射出的物質大多是含鐵量較少的地殼和地函, 剛好說明了月球內部缺少相當大的鐵質核心 此外, 此次撞擊使得會使拋射出的物質揮發, 使得揮發性的物質 ( 如 : 水 ) 失去, 這可以說明月球為何缺水 行星的地質學家已獲知月球近代史的一些基本細節 他們所使用的定年方法之一就是觀察各地貌上的圓坑密度 ( 每單位區域的數量 ), 坑洞的密度越大, 此地形特徵存在就會越久 根據這項證據, 科學家推論月球表面的演化包含四種階段 :(1) 原始月殼 (2) 月球高地 (3) 月海盆地與 (4) 輻射紋圓坑 在月球剛形成的增積末期, 其上部地函呈現部份或完全熔融的狀態, 形成岩漿海 大約在 44 億年前, 此岩漿海開始冷卻並且進行岩漿分異作用, 大多數緻密的礦物 ( 例如橄欖石與輝石 ) 會先下沉, 較不緻密的礦物 ( 例如斜長石 ) 會上浮而形成月殼 ( 年齡約有 44 億 ) 月殼一 138

142 形成之後, 因為以其重力將附近的太空碎屑吸引清除, 而造成月球表面持續受到碎屑的撞擊 約在 39 億年前, 月球或可能是整個太陽系受到隕石撞擊的頻率突然大減 ( 因為此後受撞擊的頻率大致已維持定值 ) 原始的月殼轉變成布滿圓坑的高地, 其年代約為 38~44 億年前 月球演化上的下一件大事就是大型月海盆地之形成 根據太空任務所取得的樣品做放射性定年, 將它們形成的年代定在 32~38 億年前, 明顯比月殼還要年輕 熔岩流覆蓋於高地之上也可證明月海層的年齡確實是比較年輕, 甚至有證據顯示 10 億年前有些月海仍出現噴發 然而, 目前已經不再有火山活動了, 這可能是月球冷卻使得月殼增厚, 因此岩漿無法穿透所致 最後一個顯著的特徵就是輻射紋圓坑的形成, 以 90 公里寬的 Copernicus 圓坑為例, 由這些較年輕的低地拋射出來的物質覆蓋了月海的表面和許多較古老無輻射紋的坑洞 但即使像 Copernicus 這種比較年輕的圓坑也約有 10 億年的歷史了 若它是在地球形成的話, 長久的侵蝕力量早就會把它塗抹掉了 如果能夠拍攝到數百張這幾百萬年前的月球照片, 就可顯示出月球在這些年間幾乎是沒有改變的 根據許多的測量, 月球在地殼構造上來說, 是一個沒有活動跡象的一個天體 行星 : 簡要的導覽 水星 : 最內側的行星 水星, 是八大行星中最內側並且也是最小的行星, 幾乎如月球之大小, 更較小於太陽系中的其它三個衛星 水星像我們的月球一樣會吸取大多數照射的陽光, 只反射了百分六進入太空中 這是沒有大氣層的類地行星之特性 ( 地球反射了百分三十的光, 大部分是被雲反射出去 ) 水星就像月球一樣有圓坑高地, 而且有巨大的平滑地形, 很類似月海 然而, 不像月球的是, 水星是一個密度很高的星球, 這意味著它包含著一個很大的鐵質核心 水星上有很長的斷崖, 切過圓坑及平原, 這些斷崖可能是因為行星冷卻和收縮時而導致地殼的縮短 139

143 水星的公轉運行很快, 但自轉卻很緩慢 一個完整的日夜循環在地球是 24 小時, 但是在水星則需要 179 個地球日 因此, 水星的夜晚大約持續了三個月, 接著是三個月的白晝 水星夜晚的溫度降到 -173, 正午溫度則超過 427, 它的熱度足以熔化錫和鉛 水星有任何行星中最極端的現象, 因此我們知道在水星上是沒有生命存在的 金星 : 帶有面紗的行星 除了月亮以外, 金星是夜空中第二亮星, 是唯一逆行自轉的行星 它以一個幾近完美的圓形軌道環繞著太陽, 每 255 個地球日公轉一圈 金星在直徑 密度 質量以及在太陽系中的位置, 都跟地球很類似, 因此被稱為是地球的雙胞胎, 因為這些相似點, 地質學家希望能利用金星詳細研究的資料以對地球的演化史有更進一步的瞭解 金星覆蓋了一層很厚的大氣, 使可見光無法貫穿通過 但是, 我們利用麥哲倫無人太空船的雷達技術以及地球上的儀器進行其表面繪圖, 已顯示出其多變的地形特色, 此種地形似乎介於地球與火星之間 簡單的說, 雷達的微波被送到金星的表面, 藉由計算微波返回的時間來測量高原和高山的高度 這些資料證實, 玄武岩質的火山作用和構造性變形是金星上的主要活動過程 此外, 因為金星上少有圓坑, 所以表示火山作用和構造性變形在過去是很活躍的 由火山熔岩流所覆蓋著的和緩平原約佔了金星表面的 80% 有些熔岩流道延伸了數百公里遠, 有一個熔岩流道在金星表面上綿延了 6800 公里遠 已經有數千個經過確認的火山構造, 其中大多數是小型的盾狀火山, 而有多達 1500 座的火山之寬度超過 20 公里 像其中的一座火山,Sapas Mons, 有 400 公里寬以及 1.5 公里高 很多的熔岩流都是從火山的側面噴出, 而不是從頂峰處噴出, 這很像夏威夷盾 140

144 形火山 金星表面只有百分之八是高地地形, 這相當於地球上的大陸地形 金星上的構造運動, 似乎是由內部物質的往上湧升或下沉作用所推動的 雖然地函的對流在金星上仍然在進行著, 但使堅硬岩石圈進行再循環的板塊運動過程, 對金星今日的地形沒有造成顯著的影響 在太空船抵達以前, 金星一直被認為可能是很適合人類居住的地方 ; 然而, 從太空偵測所得到的證據可知事實卻不然 金星表面的溫度可達攝氏 475, 而且大氣中有 97% 是二氧化碳, 而僅有很少量的水蒸氣及氮氣 金星的大氣包含了一層不透光的雲, 厚達 25 公里, 且其大氣壓是地球表面的 90 倍, 這種惡劣環境根本不適合生物生存 火星 : 紅色的行星 比起其他的行星, 火星引起很多科學家及非科學家的興趣 ( 見 Box 1) 當一個人想像其它的世界裏也有智慧的生命時, 一定聯想到矮小綠色的火星人 火星會引起大家的興趣主要是因為火星較易於觀察, 因為除了水星之外 ( 因最貼近太陽以致於觀察困難 ), 其它在望遠鏡可視範圍之內的行星表面都被雲層所掩蔽 透過望遠鏡, 可看到火星就像是一顆紅色的球, 但夾雜了一些永久性的深色區域, 那些區域在每一個火星年中會有強度上的變化 最顯著的火星特徵就是它具有相似於地球上亮白色的極地冰帽 火星的大氣層 : 火星大氣層的密度只有地球的 1%, 主要是由二氧化 141

145 碳和微量的水蒸氣所組成 從火星探測的資料證實了火星的極冠是由水冰所組成的, 再覆蓋上一層薄薄的乾冰 當冬天來臨時, 氣溫會降到零下 125, 半球的冰帽會往赤道方向擴展, 且會有額外的二氧化碳沉積下來 雖然火星的大氣非常薄, 但卻有廣泛的沙塵暴發生, 因此從望遠鏡觀看火星時的顏色就可能會改變 火星上的風暴每小時可達 270 公里, 甚至可以持續數星期之久 從維京 1 號及 2 號所傳回的影像看出, 火星上的景色很類似於地球上的礫漠, 並具有很多沙丘及一些半充滿沙塵的隕石坑存在 火星生動的表面 : 第一艘環繞其它行星的太空船 水手 9 號, 在 1971 年抵達火星時, 當時火星被沙塵暴所包圍著 當沙塵暴停止時, 火星的北半球出現了許多大型的火山 奧林帕斯山 (Mons Olympus) 是最大的一座山, 有美國的俄亥俄州這麼大, 其高度達 23 公里, 超過聖母峰的 2.5 倍 這些火山就類似於夏威夷的盾形火山 以地球的標準來看, 火星上有很多地表都很古老, 多坑洞的南半球, 其年齡可能與月球上的高地相當 (35 億到 45 億年之間 ), 甚至連北半球較年輕的火山也有超過 10 億年的年齡 由這個事實再加上維京號上的地震儀中並沒有記錄到火星的地震資料, 這指出了火星是一個缺乏構造運動的死寂行星 從水手 9 號的資料中有著另一個驚人的發現, 火星上存在一些大型峽谷 ; 相對之下, 即使地球上的科羅拉多河大峽谷也無法與之比擬 其中最大的是水手峽谷 (Valles Marineris), 它被認為是由一些地殼層中的物質沿著巨大斷層滑落所造成的, 以這方面來看, 可跟東非大裂谷做比較 火星上有水嗎? 液態水並不存在於今日火星的任何地方 然而, 緯度 30 度以上的地方發現有冰出現在地底下一米深的範圍內, 而在極區更形成了永久性的小型冰帽 此外, 大量的證據指出, 在火星初期的十億年間, 有液態水在表面流動, 創造出河谷以及相關的地形特徵 尤其是有一些地區出現河道分支的圖案, 這與地球上的河流有著相類似的圖案 此外, 維京號太空探測器所傳回的影像清楚地顯示出, 在一些乾掉的河床中存在有古代的島嶼 當這些類河道首次被發現後, 有一些觀察者就推測火星上曾經應該存在有一層很厚的含水大 142

146 氣, 而且產生了猛暴的豪雨 今天, 大多數的行星地質學家接受火星上至少有一些河谷是由水流所雕塑出來的 他們推斷地表下的冰融化, 其泉水從河谷山壁滲出來並緩慢地形成了溝渠 其它河道則出現河堤, 並具有許多淚珠形的島嶼, 這些河谷似乎是受到大洪水切蝕而成, 而洪水的流量速率甚至是密西西河的十倍以上 大多數的這種大型泛濫河道是從雜亂的地形區冒出來, 此種地形區是因地表塌陷所形成的 而泛濫河谷的水源最有可能是來自地下的融冰 假如融冰被上方厚層的永凍層所封閉, 其水壓將會上升, 直到有大量的水被釋出, 造成地層塌陷而形成雜亂的地形 但並非所有火星上的河谷是由地下融冰釋出的地下水所造成, 有一些河谷系統出現樹枝分叉狀的河道, 這種河道與地球上的河道系統頗為類似, 這樣的特徵明顯可以證明火星上曾經存在有與地球相當類似的水文循環 進一步的證據也支持這種觀點 :2004 年的火星探測車 機會號 發現有個地方出現含鹽的沉積物, 這種沉積物是一種與淺湖泊或海水蒸發有關的物質 因為水是生命存在的必需成份, 太空生物學家針對水流在火星地形發育上所伴演的角色也很有興趣 火星的衛星 : 火星的兩顆小衛星, 弗伯斯 (Phobos) 和戴莫斯 (Deimos), 它們的直徑分別只有 24 和 15 公里長, 所以直到 1977 年才被發現 弗伯斯是太陽系中最靠近母行星的衛星, 它距離火星大約只有 5900 公里, 公轉一周只要 7 小時 39 分 水手 9 號發現這兩顆衛星都呈不規則的形狀, 且表面存在有很多的隕石坑 一般認為他們可能是被捕獲來的小行星 一個在天文學與文學之間出現了有趣的巧合是, 這兩顆行星與 1726 年 Jonathan Swift 所著的 小人國遊記 (Gulliver's Travels) 中的兩顆虛構之衛星很相似, 而這本書卻早在這兩顆衛星被發現之前的 150 年就已印刷出版了 木星 : 天空上之貴族 木星是眾行星 ( 八大行星 ) 中最大的一顆, 其質量是其餘的行星 衛星和小行星之總合的 2.5 倍 事實上, 假使木星約變為 10 倍大時, 143

147 就會演變成一顆小恆星了 然而, 儘管它的尺寸大, 但這也只是太陽的 1/800 罷了 木星自轉的速度比其他行星更為快速, 在不到 10 個地球時 (hours) 便完成一個自轉, 這快速自轉之影響使得赤道地區膨脹而兩極之間則變得較為扁平 當透過望遠鏡或雙筒望遠鏡觀察時, 木星似乎被一些與赤道平行且顏色交互排列的雲帶所覆蓋著 最引人注目的特徵就是南半球的大紅斑 自從大紅斑在至少三個世紀以前首次被發現以來, 它一直是木星的顯著特徵 當在 1979 年航海家 2 號造訪木星時, 此時大紅斑的大小是兩個地球擺在一起的大小 有時候, 它也會變得更大 1974 年, 先鋒 11 號在離木星雲端 公里處通過時, 其影像顯示大紅斑是一個逆時針方向旋轉的風暴 ( 氣旋 ) 它位於兩個流動方向相反的高速氣流雲帶之間, 這個類似颶風的巨大風暴每 12 個地球日轉動一圈 雖然在木星大氣的其它地區也觀察到了幾個更小風暴, 但是沒有一個能存在超過幾天以上的 2003 年,NASA 土星探測船卡西尼號所拍攝木星之最新照片, 改變了長久以來人們對木星的認識, 木星表面最大的特徵就是由顏色較深的 " 帶 " 與較淺的 " 區 " 平行分佈構成的條紋 過去科學家根據地球大氣中的雲來自上昇氣流而推斷木星上深色的 " 帶 " 是下沈氣流, 而 " 區 " 中灰白色的雲系則是上昇氣流 卡西尼號拍攝了木星上 43 個不同風暴的高解析照片, 清楚地呈現出過去在地球上所無法觀測到的細節 卡西尼號的照片證實木星表面 " 帶 " 紋為上昇氣流構成, 而 " 區 " 則為下沈氣流, 與過去五十年來科學界的認知剛好相反 木星的結構 : 木星的大氣層 ( 氫氦 ) 中也含有少量的甲烷 氨 水和硫的化合物 風系產生了環繞在木星周圍的亮帶與暗帶 不同於由太陽能所驅使的地球風, 木星本身發散至太空的輻射量是它從太陽吸收來的兩倍 因此, 這木星內部的熱在大氣中可以產生巨大的熱對流 木星雲頂端的大氣壓力就相當於地球上海平面的壓力 由於木星巨大的重力, 壓力隨著接近其表面而迅速增加 在雲底下的 1000 公里處的壓力就大到足以將氫氣由氣態壓縮成液態 因此, 木星的表面被認為是一個液態氫的巨大海洋 在木星內部不到一半之處, 極大的 144

148 壓力導致液態氫又轉變成液態的金屬氫 我們也相信, 在木星的中央核心處可能含有更多的岩石和金屬材料, 而這是在類地行星上所能找到的材料 木星的衛星 : 到 2010 年為止, 木星的衛星系統是由已被發現的 65 顆衛星所組成的, 這類似一個小型的太陽系 由伽利略所發現的四大衛星幾乎是以圓形的軌道和以 2 到 17 個地球日的週期來環繞著母行星 其中最大的兩個伽利略衛星 木衛四 ( 卡利斯托 ) 和木衛三 ( 加尼美得 ) 比水星還大, 而另外兩個較小的是木衛二 ( 歐羅巴 ) 和木衛一 ( 艾奧 ), 大約和地球的衛星 ( 即月亮 ) 差不多大小 伽利略衛星用雙筒望遠鏡或小望遠鏡即可觀察得到 相較之下, 木星的四個最外側衛星就小多了 ( 直徑長 20 公里 ), 其公轉都是逆行的, 而且其軌道面和木星的赤道面間有著極大的傾斜, 這些衛星似乎是被木星的重力所捕獲住來的小行星 1979 年, 從航海家 1 2 號傳回的影像顯示, 幾乎使所有人為之驚訝的就是這四個伽利略衛星個都各自具有一個獨特的地質世界 伽利略衛星最內側的衛星是木衛一 ( 艾奧 ), 它是在我們太陽系中所發現的三個有活躍的火山活動的星體之一, 而另外兩個則是地球以及海王星的衛星 Triton 到目前為止, 已發現到許多活躍的含硫火山中心點 可以看到一些傘狀柱由木衛一 ( 艾奧 ) 表面上升到高度約 200 公里處 145

149 艾奧 (Io) 火山活動的熱源被認為是由木星與其它伽利略衛星間的引潮力不斷地拔河所產生的 因為艾奧被木星的重力拉住, 總是以相同的一側面對著這顆行星, 如同地球的月亮一樣 當艾奧在非圓形的軌道上運行時, 與木星間的距離會出現遠近之交替變化, 木星和其他附近的衛星的引力就會對其潮汐凸起處形成了拉力與推力 ( 引潮力 ) 艾奧受到重力之拉扯會轉換成熱能 ( 此情況與紙夾不斷地受來回的彎曲相類似 ), 並且導致艾奧有壯觀的硫火山噴發 明亮的衛星歐羅巴, 其表面約有 10km 厚之冰層, 而其下方可能存在著大片水域 ( 約 3km 深 ) 航海家 1 號最令人出乎意料之外的發現之一就是木星環系統 透過分析木星環是如何將光散射掉的, 研究者於是推論這個環是由黯淡且顆粒微小的粒子所組成的, 粒子大小與煙粒相似 更進一步來說, 環的微弱本質說明了這些微小的碎屑是廣泛地散佈著 這些粒子被認為是木星的兩顆小衛星 木衛十六 (Metis) 和木衛十五 (Adrastea) 的表面被隕石撞擊而炸出來的碎屑 土星 : 高雅的星球 土星需要 個地球年才完成一個公轉, 它和太陽的距離幾乎是木星的兩倍遠, 然而其大氣層 組成以及內部的結構和木星很類似 土星最顯著的特徵就是 1610 年被伽利略所發現的土星環系統 在原始望遠鏡之下, 此環似乎就像兩個靠近行星的小星體 50 年之後, 土星環的性質才由荷蘭天文學家 Christian Huygens 所確認出來 土星特寫 : 1980 和 1981 年, 具有核子動力的航海家 1 2 號太空船的飛行任務也來到了土星 100,000 公里內, 而數天之後更多的土星資訊也被取得 1. 土星大氣風速是最快速而有力的, 風速高達每小時 1500 公里 2. 發生在土星大氣層中的大型氣旋風暴雖然規模較小, 但與木星的大紅斑相類似 3. 目前共發現了有 63 顆衛星 4. 發現土星環的結構比預期更為複雜 近年來, 從地面的觀測望遠鏡和哈伯望遠鏡之觀察增加了我們對土星環系統的認識 2004 年 7 月, 卡西尼號太空船從 F 環與 G 環之間通過土星環, 以前認為這個區域是空無一物的 然而, 太空船卻發 146

150 現自身飛進了 10 萬多顆行星環的小顆粒空間中, 其顆粒大小有如煙粒 行星環的系統 : 直到最近發現木星 天王星和海王星都有環系統之前, 環系統被認為是土星的獨特現象 雖然這四個行星的環系統在細節上有所不同, 但它們都具有許多的屬性 : 都是由各式各樣寬度的缺口所分開之多重同心環所構成的 此外, 每個環是由個別的冰和岩石粒子 ( 小衛星 ) 所組成的, 他們經常性地彼此碰撞並環繞著母行星 根據粒子的密度, 大部分的環可分為兩種類型 土星主環 ( 如 A B 環 ) 和明亮的天王星環都緊密堆積, 且包含了大小範圍由幾公分到數公尺的 小衛星 當它們環繞著母體時, 這些粒子會時常互撞 儘管土星緻密的環延伸至幾百公里寬, 但它們卻是很薄, 也許從上到底部的厚度會少於 100 公尺 另一個極端類型就是最黯淡的環, 如木星的環系統與土星的最外環 (E 環 ) 是由廣為分散的微小粒子所組成的 除了有低密度的粒子之外, 這些環比土星的亮環還厚 最近研究顯示, 與環共存的衛星扮演著決定環系統結構存在的重要角色 尤其是, 這些衛星之重力藉由改變粒子的軌道, 有看管環系統粒子的傾向 這些狹窄的環帶似乎是位於側邊的衛星之作用而形成的, 它們可將企圖逃脫的粒子推回原位以管束住這個環 更重要的是, 環粒子被認為是從這些衛星所噴出的碎屑 根據這個觀點, 原料持續地在環和衛星之間循環著 衛星慢慢地掃光這些粒子, 但後來又因為與環中大塊的 小衛星 或與其它衛星作激烈碰撞之後, 粒子又會被拋出 ; 因此, 行星環並非是永久存在的特徵, 它們還是會不斷地更新的 行星環系統的起源仍是個爭議, 這些環真的是從環繞著母行星的扁平塵雲與氣體所形成的嗎? 若是此種情節的話, 環和行星應是同時形成的而且原料也相同 或者可能是衛星或大的小行星因離行星太近, 因被重力拉裂開來而形成的 然而, 另一假說則認為是外來的天體與母行星的衛星因碰撞而炸開來, 這被撞擊的碎屑會彼此推擠碰撞而形成平坦且薄的環 卡西尼號 (Cassini) 太空船在 2004 年 7 月開始針對土星及其衛星進行四年之探測, 並已獲得更清楚的土星光環影像 147

151 土星的衛星 : 土星的衛星系統是由 30 顆已命名的衛星所組成 ( 如果你去算組成土星環的 小衛星 的話, 將會發現有數百萬個衛星 ) 土星中最大的衛星是土衛六 ( 泰坦衛星 ), 它比水星大而且是太陽系中第二大的衛星 ( 僅次於木星的木衛三 -Ganymede) 土衛六和海王星的 Triton 衛星是太陽系中僅具有厚實大氣層的兩個衛星 因為被厚的氮氣所覆蓋, 所以土衛六表面的大氣壓力大約是地球表面的 1.5 倍 惠更斯號探測器於 1997 年 10 月 15 日連同卡西尼號由 Titan IVB 火箭發射升空 卡西尼號於 2004 年 7 月 1 日進入土星軌道, 其後於同年 12 月 25 日釋放惠更斯號, 惠更斯號經過 21 日的旅程後降落於泰坦衛星的表面 另一個衛星 Phoebe 是逆向運行的, 它和其它有逆行軌道的衛星一樣, 很有可能是被捕獲來的小行星, 或者是從行星形成的主要事件中所遺留下來的微行星 天王星和海王星 : 孿星 ( 雙胞胎 ) 地球和金星有類似的特性, 而天王星與海王星則像是孿星 它們的直徑大小只有百分之一的差異, 兩者都擁有帶藍色的外觀, 這是因為大氣中有甲烷的緣故 它們的結構和組成也被認為是相似的 然而海王星的溫度比較低, 因為它距離太陽是天王星距太陽的 1.5 倍遠 148

152 天王星 : 橫躺的行星天王星最獨特的一點就是它是斜向一邊自轉 天王星的自轉軸不像大部分行星的自轉軸都近似垂直於黃道面, 而是幾乎完全平行於黃道面的 因此, 它的自轉運動好像是在滾動, 而不是像其它行星有如陀螺那樣子的旋轉 因為天王星的自轉軸傾斜約 90 度, 所以每公轉一次, 太陽就幾乎先會在其中一個極地的上空照射, 而每公轉半圈之後, 太陽又會在另一極的上空照射 1977 年, 有個驚奇的發現透露出天王星有環系統的存在 這個發現是發生在天王星通過一個遙遠恆星的前方時, 擋住了恆星的視野, 這個過程稱之為掩星現象 (occult: 掩蔽 隱藏 ) 觀察者看到此顆恆星在掩星現象發生之前有五次的閃爍 ( 意即有五個環存在 ), 而掩星現象結束之後也是如此 其後的研究顯示, 天王星至少有 9 個明顯的環帶, 這些環帶中的碎屑在天王星赤道附近的上空環繞著 至 2010 年已發現有 27 顆衛星 從航海家 2 號對天王星的五大衛星所得之壯觀影像, 顯示它們具多變化的地形, 有些是長而深的峽谷和長條狀疤痕, 而其餘若不是具有佈滿隕石坑的表面, 就是擁有大而平滑的區域 美國太空總署噴射推進實驗室 (JPL) 描述五大衛星中最內側的 Miranda 衛星, 認為是太陽系中最富各式各樣地形的一個天體 海王星 : 風強的行星是太陽系最外圍的行星, 即使是用最強而有力的望遠鏡來觀測海王星, 它看起來還是像一個藍色朦朧的圓盤 一直到 1989 年航海家 2 號造訪之前, 天文學家對這顆行星所知甚少 然而, 航海家 2 號的 12 年近 30 億公里旅程, 提供了很多關於海王星與其衛星的新資料, 而這些資料還需要花數年的時間去進行分析 149

153 海王星如同木星和土星一樣均擁有強有力的大氣層 繞著此行星的風速每小時超過 1000 公里, 使成為太陽系中最多風的地方之一 1986 年由航海家太空船所傳回來的影像, 發現海王星有一個像地球大小的汙點, 稱之為大暗斑 (Great Dark Spot), 此與木星的大紅斑相似, 都被認為是一個大型的氣旋風暴 數年前, 當哈伯望遠鏡觀察海王星時, 這個大暗斑已消失, 但隨之由北半球的另一個暗斑所取代 或許最令人驚奇的是, 約在主要雲層上方的 50 公里處盤據著白色的似卷雲, 這可能是冰凍的甲烷 在航海家影像中又發現了六個新的衛星, 使得海王星的衛星數目增為八顆, 所有近期所發現的衛星都和兩顆最大衛星有著相反方向的公轉 從航海家的影像中透露出海王星附近也有環系統的存在 ( 即海王星環 ) 至 2010 年已發現有 13 顆衛星 海王星最大的衛星崔頓 (Triton) 是個極有趣的星體, 其直徑大小和地球的衛星很接近 崔頓是太陽系中唯一逆行運轉的大型衛星, 此顯示崔頓的形成和海王星無任何關係, 它也是被重力捕獲而來的 崔頓與其它類木行星之衛星出現了代表火山活動之一的冰噴發, 此種火山活動過程稱為冰火山作用 (cryovolcanism) 這與冰的部份溶融有關, 並非是矽酸鹽岩石所形成之岩漿 崔頓的冰質岩漿來自於水冰 甲烷與可能是氨的混合物, 當部分溶融時, 此種混合物的型態類似地球上溶融的岩石 事實上, 當它們到達表面時, 這些似岩漿體可以產生寧靜式的溢流或爆炸式的噴發 當揮發物瞬間被釋放出來時, 爆發的煙柱中充滿了冰, 就如同火山灰一般 1989 年, 水手二號太空船就拍攝到崔頓表面上活耀的火山煙柱, 其高度達 8 公里, 順著下風方向延伸約 100 公里長 太陽系中的小成員 小行星 (Asteroids) 小行星是大約已有 45 億年之小而老的岩塊 ( 微行星 ), 是太陽系形成之後所留下來的物質 大多數的小行星比我們預期的密度還要低, 這說明小行星是多孔的物質, 並非岩石質或金屬物體, 比較類似因重力而黏在一起的碎石堆 最大的一顆小行星是穀神星 (Ceres), 直徑約 940 公里, 而十萬顆已知的小行星之中大多數都很小 150

154 大多數的小行星是位於火星和木星的軌道之間, 我們稱之為小行星帶的區域 一些小行星有離心率較大的橢圓軌道, 會運行到太陽的附近 有少許小行星則會經常性地經過地球和月球附近 地球和月球上多數新的撞擊坑洞可能是起因於小行星的碰撞所造成 目前已知約有兩千顆穿越地球軌道的小行星, 而其中三分之一的直徑是超過 1 公里 無可避免地, 地球與小行星未來將再度發生碰撞 (Box 1) 因為很多小行星的外形都很不規則, 因此行星地質學家推測, 它們可能是曾經在火星和土星之間繞行但已碎裂的行星岩塊 這些小行星的質量總合加起來估計約只有地球質量的 1/1000, 因此它本身並不是一個大的行星, 那原始行星剩餘的其它部分又到哪裡去了呢? 然而, 但其他人則猜測, 很多大的天體曾經很接近地存在著, 但後來彼此間的碰撞就產生了為數眾多的較小個體, 有很多不同的小行星家族之存在可用以支持這樣的假說 在 2001 年二月, 一艘美國的太空船成為首位小行星的拜訪者, 雖然該艘太空船並非為登陸而設計的, 但是這艘名為 NEAR Shoemaker 的太空船仍成功地登陸, 並取得這個小行星的資訊, 但是這些資訊卻讓研究行星地質學家感到困惑和不解 這太空船以時速六公里接近一個名為愛神星 (Eros) 的小行星表面, 影像顯示了一個草木不生的岩石表面, 其表面組成份子大小之範圍從灰塵到直徑 8 公尺的卵石都有 研究員不經意的發現細的碎屑都集中在低漥處, 此處類似池塘中的平坦沈積層 在低漥處的周圍則是佈滿著大量的大型卵石 在眾多的假設中, 其中有一個假說的解釋是 : 這種佈滿卵石的地形是由震動所引起的, 震動會把卵石向上推移 這種情況類似在一個桶子裡混裝著不同大小的堅果, 並搖晃它, 於是當小的果子落到桶子底部時, 大的果子卻被抬升上來 從隕石所得到的間接證據指出, 小行星也許還保留著撞擊時所產生的熱, 甚至有些還可能完全融熔過, 並發生成份的分異作用, 形成緻密的鐵與鎳核心以及岩石質的函 (mantle) 2005 年 11 月, 一艘日本的探測器 Hayabusa( 隼 ) 登陸在一顆接近地球的小行星上 ( 編號 Itokawa), 並於 2010 年 6 月帶著樣本返回地球 彗星 (Comets): 髒雪球 彗星是太陽系中最有趣也最不可預測的星體, 它們被比喻為髒雪 151

155 球, 因為它們是由冷凍的氣體 ( 水 氨氣 甲烷 二氧化碳以及一氧化碳 ) 包裹著岩石和金屬成分的小碎塊所組成 很多彗星運行在拉長的橢圓軌道上, 使它們能位於冥王星軌道之外的遠處, 因此這些彗星可能需要花數十萬年的時間才能環繞太陽一週 但是也有些彗星是屬於短週期的彗星 (short-period comets)( 它們的軌道週期少於 200 年 ), 例如著名的哈雷彗星 (Hally s comet), 它會定期性地進入太陽系之內 當最初看到彗星時它們似乎是很小的, 但是當它接近太陽時, 太陽的能量開始蒸發它的冷凍氣體, 並會出現發出光芒的頭, 我們稱為彗髮 (coma), 不同彗星的彗髮大小差異很大, 極端稀有的彗星有時候它的彗髮大小會比太陽還大, 但是大部分彗星彗髮之大小差不多和木星一樣 在彗髮之中, 有一個直徑短短幾公里的核心, 有時候可以被看見 當彗星接近太陽時, 某一些彗星 ( 但不是全部 ) 會產生一個延伸幾百萬公里長的彗尾 雖然彗星的彗髮和彗尾都很大, 但它只是太陽系中的小成員 事實上, 彗星的尾巴以稍具彎曲的型態指離太陽的方向, 使早期的天文學家認為太陽具有一種排斥的力量, 把彗髮的組成粒子向外推出, 於是形成了彗尾 今天, 我們知道有兩種太陽的力量能促成彗尾的形成 第一種力量是輻射壓 (radiation pressure), 它把彗星的塵粒推離出彗髮 第二種力量是太陽風 (solar wind), 負責移動已被離子化的氣體, 特別是一氧化碳 有時候由離子化的氣體和灰塵所組成的單一彗尾也會出現, 但是通常是看到兩個尾巴 當彗星遠離太陽時, 形成彗髮的氣體會再度凝結, 尾巴會消失而彗星也回到冰冷的地區, 被吹離形成彗尾的物質也將從彗星中永遠失去了 因此, 大部分的彗星在經過數百次鄰近太陽的軌道之後就無法存在了 當所有的氣體都被排出, 剩下來的物質 ( 一群微小的金屬與岩石粒子 ) 將會繼續運行下去, 但不會再有彗髮與彗尾 彗星起源於太陽系外的兩個地帶 大部分短週期的彗星被認為是運行在海王星之外的一個叫做柯伊柏帶 (Kuiper belt) 的地方 ( 為了紀念 Gerald Kuiper, 他預測出它們的存在, 而在過去十年中, 已有數百個冰體被發現了 ) 就像在太陽系內部的小行星, 柯伊柏帶中的大部分彗星有著接近圓形的軌道, 軌道大致上與行星是屬於同一個平面 兩個彗星間偶然的碰撞或是受木星的引力影響下, 彗星也許會改變它們的軌道, 並足以送它們進入太陽系內或進入我們的視線 152

156 不像柯伊柏帶的彗星, 長週期的彗星軌道並不會被限制在太陽系的黃道面附近 這些彗星分布在太陽各個不同方向上, 在太陽系四周形成一個球型殼, 叫做歐特雲 (Oort cloud, 以荷蘭的天文學者 Jan Oort 命名 ) 數以百萬個彗星的軌道距離大於地球到太陽距離的 倍 在一個路過的恆星引力影響下, 偶而會使得歐特雲中的彗星進入高離心率之橢圓軌道並會接近太陽 然而, 只有極少部分的歐特雲彗星會有這樣的軌道 最知名的短週期彗星為哈雷彗星, 它的橢圓軌道週期為 76 年 自從它在西元前 240 年被發現後距今已出現了 29 次, 每一次都被中國的天文學者紀錄下來 這些紀錄可說是對天文觀察者的奉獻以及文化堅持之褒揚 當哈雷彗星在 1910 年出現時, 它有將近 公里長的彗尾, 而且就連白天也看得見 1986 年, 這次哈雷彗星的表現並不如之前那麼地壯觀, 頗令北半球的人們感到失望 然而, 經過這次的拜訪, 我們也已從哈雷彗星身上得知了許多新的資訊 因為我們發射了太空探測船並與哈雷彗星會合以收集資料 其中最有名的就是歐洲的探測船 Giotto( 喬托號 ), 它到達距離彗核 600 公里處, 而且得到了第一張彗核結構的影像 現在我們已知道哈雷彗星的彗核如馬鈴薯的形狀, 有 16 公里長以及 8 公里寬 其表面是不規則且充滿坑洞的 從彗核蒸發所形成的 153

157 彗髮與彗尾之氣體和灰塵, 有如明亮的氣流從其表面噴出 約只有 10% 的彗核表面在此次會合時產生噴射氣流, 剩下的表面則似乎被一層由有機質所組成的黑色層所覆蓋著 1997 年海爾波普 (Hale-Bopp) 彗星在地球上形成了壯觀的景象 當它離開時, 它的彗核異常地大, 直徑約有 40 公里 它的兩條尾巴延伸將近有 英哩長 帶青色的彗尾是由帶正電的離子所組成, 直直的指向離開太陽的方向 ; 淡黃色的尾巴則是由灰塵和一些岩屑所組成 因為岩石物質比游離氣體還要重, 所以較少受到太陽風的影響, 並且順著不同的拋物路線指離彗星 流星體 (Meteoroids): 拜訪地球者 幾乎每個人都看過流星, 一般都稱呼 ( 但不怎麼正確 ) 為 shooting star 其光跡持續的時間從一眨眼到幾秒鐘, 是當固體粒子從行星際進入地球大氣層時發生的 流星體和空氣之間的摩擦使得彼此變熱並產生我們看見的光 大部分的流星體之來源有以下三個 :(1) 未被行星的引力所掃除的行星際岩屑 ;(2) 持續偏離小行星帶中的物質 ;(3) 曾在地球附近運行的彗星固體殘骸 有些流星體被認為是月球或是火星被小行星撞擊而拋射出來的碎塊 如小行星般大小的流星體很稀少, 大部分只有如砂粒般大小且少於 1/100 克, 所以它們會在抵達地面之前就已蒸發了 有些微隕石是如此的小, 掉落的速度太慢以致於大氣層中不會就被完全燃燒掉, 所以他們就有如宇宙灰塵般地緩慢往下掉落 每一天進入地球大氣層的流星體有數千個 在晴朗夜晚中, 地球上的每個地方每小時約有半打或更多明亮的流星可以用肉眼看得見 有時候, 可目擊到流星戲劇化地增加到每小時 60 個或更多, 這種情形叫做流星雨 產生的原因是因為地球遇上一群有著相同方向以及與地球有相近速度的流星體 這群流星體和短週期彗星的軌道有著緊密的關係, 此強烈暗示它們是彗星所遺留下來的物質 有些流星體和已知的彗星軌道沒有關聯性, 這可能是消逝已久的彗星殘骸 有名的英仙座流星雨在每年的 8 月 12 日左右都會發生, 它被認為是 1862III 彗星 ( 週期為 110 年 ) 的殘骸 被認為是來自彗星殘留物的流星體, 它們通常都很小, 且只偶而 154

158 會到達地面上來 ; 而流星體大到足以在高溫墜落狀態下殘留下來的, 大部分被認為是來自小行星帶, 在此帶中偶然的碰撞會改變它們的軌道, 使它朝地球方向而來 而地球引力使他們後來掉落至地表 當流星體的殘骸在地球上被找到時, 我們稱之為隕石 有些巨大的流星體會在地面上炸出坑洞, 就像是月球的表面一樣 最有名的隕石坑是位在亞利桑那州, 這個巨大坑洞的直徑有 1.2 公里以及 170 公尺深, 而邊緣翻轉抬升了 50 公尺 雖然超過 30 噸的鐵塊在此地被找到, 但還是未能找到它的主體 根據地表的侵蝕速率, 此次撞擊事件可能是在 年前發生的 在月球探險者帶回月岩之前, 隕石是唯一可直接做檢視的地球以外物質 隕石可根據它的組成來分類 :(1) 鐵隕石 (irons)- 大部分是鐵, 並含有 5~20% 的鎳 ;(2) 石隕石 (stony)- 裡面包含有其他礦物的矽酸鹽礦物 ;(3) 石鐵隕石 (stony-irons)- 前兩者的混和物 雖然石質隕石可能比較多, 但大部分都是發現到鐵隕石 這是可以被理解的, 因為鐵隕石比較耐得住衝擊, 也比較經得起天候的侵蝕, 而且一般人也比較容易跟地球的岩石作區分 鐵隕石可能是較大型的小行星或較小的行星曾經熔融的內核之碎塊 一種較為稀有的隕石叫做碳質球粒隕石, 其中發現含有簡單的氨基酸和其它有機化合物, 這些都是生命型態中的基本構造單元 這項發現和觀測天文學上有著相似的結果, 後者指出在外太空的寒冷區域中存在著許多有機化合物 若隕石是代表類地行星的組成 ( 如某些行星地質學家所認為 ), 那麼地球整體含鐵的比例理應比地表岩石中還要多 這就是為什麼學者認為地核大部分是鐵和鎳的一個理由 除此之外, 隕石的定年指出我們太陽系的年齡必然已超過 45 億年了, 這樣的年齡也已從月球樣本的資料中獲得證實了 自從 1930 年發現了冥王星, 它一直是太陽系邊緣的一個謎 最初我們認為冥王星近似地球之大小, 但當取得較佳的影像之後, 其大小被估計不及地球直徑的一半 之後,1978 年天文學家發現冥王星有一顆卡倫衛星, 兩星體的合併亮度使得冥王星的看起來比原來還要亮 而根據哈伯望遠鏡所取得的最近影像確定冥王星的直徑為 2300km, 大約是地球直徑的四分之一, 也不及水星一半的大小, 被 155

159 認為是太陽系行星之中的矮個子 矮行星 (dwarf planets) 但自從 1992 年天文學家在海王星軌道之外找到了另一顆冰體之後, 更多人開始關注冥王星的行星地位 不久之後, 已有數百顆科伊伯帶 (Kuiper belt) 的星體陸續被發現, 它們類似火星與木星之間的小行星, 以帶狀型態分佈著 然而, 這些繞行的星體很像彗星, 是由塵土與冰所組成的 ; 但並不像是由金屬與岩石物質所組成的小行星 有許多類似行星的天體 ( 有些比冥王星還要大 ) 被認為存在於海王星軌道外的冰凍地帶之中 有權決定冥王星是否為行星的國際天文聯合會, 於 2006 年 8 月 24 日投票決定要新增另一類的星體 - 矮行星 (dwarf planet), 但只適用於太陽系 這一類的星體是繞行太陽且因本身的重力而大致維持球形, 但又不是該太空區域唯一之天體者 根據這樣的定義, 冥王星被視為是一顆標準的矮行星, 其它的矮行星還包括科伊伯帶編號為 2003 UB313 的天體 ( 鬩神星,Eris), 以及小行星中最大的穀神星 (Ceres) 至 2010 年已有五顆矮行星, 還包括鳥神星 (Makemake) 與岩神星 (Haumea) 這並非是行星首次被降級的例子 在十九世紀中期的天文教科書中, 列出太陽系中共有 11 顆行星, 其中包括有 Vesta Juno Ceres Pallas 等四顆小行星, 但不久之後天文學家又發現了數十顆其他的 行星, 這說明這些應該是與行星不太相同的另一類天體 因此, 行星的數目就被減少成為八顆 ( 冥王星直到 1930 年才被找到 ) 結果顯示冥王星在典型行星之中頗為獨特, 因為它明顯與四顆岩石質的內行星不同, 也異於四顆大型的氣體行星 有了矮行星這樣的天體類型之後, 天文學家相信未來還會有數百顆新的矮行 156

160 星被發現 第一艘探索外太陽系的太空船新地平線號 (New Horizon) 於 2001 年 1 月發射升空, 預計 2015 年 7 月將飛近冥王星, 並將持續探索這個科伊伯帶 Box 1 地球位於碰撞的路徑上嗎? 太陽系充滿流星體 小行星 活動的彗星和消逝的彗星 這些碎塊的移動速度很快, 若攻擊地球將會具有像核子彈一般的爆炸威力 在最近的幾十年, 彗星和小行星碰撞地球的頻率比以前我們所知的還要高, 其證據就是地表有巨大的碰撞構造之存在, 目前已超過 100 個這樣的構造被證實了, 其中有許多曾被誤認為是火山活動過程所造成的 雖然大部分的碰撞構造都很古老, 以至於看起來不太像撞擊的隕石坑, 但它們被強烈撞擊的證據仍保留著 然而, 也有一些例外, 像美國亞利桑那州的隕石坑, 也就是我們所知的流星 (Meteor) 隕石坑, 看起來還滿新的 有一證據顯示 : 大約在 6 千 5 百萬年前, 有個直徑約為 10 公里的大型小行星碰撞地球 這個碰撞也許是造成恐龍以及將近 50% 動植物的物類滅絕的原因 最近, 一個驚人的爆炸事件被歸因於彗星或小行星碰撞地球所致 1908 年, 西伯利亞一個偏僻地區, 有一個比太陽更明亮的火球出現並發生爆炸, 伴隨著巨大的衝擊力量, 這個衝擊波的力量使 1000 公里外都聽得見, 並使窗戶發出聲響 這次被稱為通古斯河 (Tunguska) 事件, 使離震央 30 公里範圍內的樹木燒焦 斷肢和平躺 但此地區經過考察後並沒有找到任何有關碰撞隕石坑, 也沒有任何含金屬碎塊的證據 明顯地, 此次爆炸能量至少相當於一顆 1 千萬噸級核子彈, 在地表上空數公里之處發生爆炸 這很有可能是一顆彗星或石質的小行星的死亡, 但碰撞地表之前為何就已爆炸, 至今仍不清楚其原因 與這些小而致命天體共存的危險性, 在 1989 年再度引起了大家的注意, 因為有一顆約 1 公里直徑的小行星和地球擦身而過 它若以每小時 公里的速度運行, 將在地表造成一個直徑 10 公里和深度 2 公里的隕石坑 根據觀測者所表示 : 它遲早又會回來的, 到那時候, 它將在地球運行抵達之前提早了 6 小時橫越過地球的運行軌道 根據統計顯示 : 每數億年應會發生一次巨大的碰撞, 而且也會對地球上的生命造成莫大的影響 157

161 本章摘要 月球表面出現許多的特徵 大多數的圓坑是因快速移動的行星際碎屑 ( 流星體 ) 撞擊所產生的 月表大多是由明亮而充滿圓坑的高地所組成的, 暗而較平坦的低地則稱為月海, 它們是被ㄧ層層容易流動的玄武質熔岩洪流充填而成的巨大撞擊坑 所有月表被ㄧ層類似土壤的灰色未固化岩屑所包覆著, 我們稱之為月壤, 它是數十億年來隕石撞擊所形成的 有關於月球的起源, 我們所知仍有限, 其中巨大撞擊假設認為是有ㄧ顆巨大的小行星撞擊早期的地球而形成了月球 科學家確認月球表面之演變可分成四個階段 : 原始地殼 月球高地 月海盆地 年輕放射狀圓坑 水星是小而緻密的行星, 表面無大氣且溫差大 金星是天空中最亮的行星, 有厚層的大氣 (97% 是二氧化碳 ), 其地表是以低地平原為主, 出現一些死火山, 大氣壓力約為地球的 90 倍, 地表溫度高達 475 火星是紅色的行星, 大氣 ( 主要是二氧化碳 ) 約只有地球的 1%, 地表上常發生大塵暴, 也存在有許多的死火山以及大峽谷 有些峽谷則出現與地球相類似的水道形貌, 它們的起源仍具有爭議性 木星是最大的行星, 自轉快速, 呈現有帶狀分布的外貌, 這是因木星本身內部熱能所引發的巨大熱對流所造成的 木星表面大紅斑的大小常有變化, 而其衛星至少有 63 顆 ( 其中的艾奧 (Io) 衛星可能是太陽系內火山活動最活耀的星體 ) 土星最為人所熟悉的是它具有行星環, 其表面風速可高達 930 英哩 / 小時, 並且有類似大紅斑的風暴氣漩 天王星與海王星常稱為攣星, 因為它們的結構與組成頗為類似 天王星的特徵是以橫躺方式進行自轉 海王星的雲層之上出現有白色的卷雲, 以及有如地球般大小之大暗斑, 是類似大紅斑的大型旋轉風暴 太陽系的小家族包括小行星 彗星 流星體 矮行星 大多數的小行星是位於火星與木星之間 小行星是原太陽系星雲未能在碰撞增積過程中成為行星而殘留下來的岩石與金屬碎屑 彗星是由冰凍的氣體 ( 水 氨水 甲烷 二氧化碳與ㄧ氧化碳 ) 以及小塊的岩石與金屬物質所組成的 它們有些具有長橢圓形的軌道, 並可運行至冥王星之外 流星體是小型的固體顆粒, 飄流於各行星之間, 當它們進入地球的大氣層, 便會發光氣化而形成流星 當地球遭遇ㄧ群流星體 ( 可能是彗星所留下來的 ) 便會發生流星雨 隕石是流星體掉落到地表上的殘留物 冥王星最近被降級歸屬在新的矮行星ㄧ族 158

162 第八章光 天文觀察以及太陽 天文學家是負責蒐集與研究有關 光 的工作 我們要知道地球以外的宇宙事物, 幾乎皆是藉由分析來自遙遠源頭的光 因此, 了解光的本質是現代天文學的基礎 這個章節主要是來討論光的研究, 以及天文學家為了探究宇宙而用來收集光的工具 此外, 我們也要檢視離我們最近的光源 -- 我們的太陽 藉由了解太陽運作的過程, 天文學家較能夠了解更遙遠天體的本質 光的研究 大部分有關宇宙的資訊皆是藉由研究各種天體所放射的光線來獲知的 雖然我們對可見光是那麼的熟悉, 但是他只是一系列電磁波輻射能量的一小部分而已 這其中包括有 γ- 射線 X- 光 紫外光 可見光 紅外線和無線電波 所有的輻射能是以每秒 公里的速度在真空中傳播的 過了一天 24 小時之後, 就等於走了驚人的 260 兆公里 光的本質 透過實驗的結果顯示, 光的性質可以從兩方面來描述 在一些例子中, 光的行為就像波 ; 另一方面, 他就像個別的粒子 在波浪的常識中, 光就類似海洋中波浪的高漲起伏 這樣的運動方式可用波長來描述, 波長是指從某一個波峰至下一個波峰之間的距離 波長的變化可從無線電波的數公里遠, 到少於十億分之一公分的 γ- 射線 光的大部分波長會因為太長或太短, 所以我們的肉眼無法觀察到 我們只能看見電磁輻射中之狹窄波帶, 有時稱為白光 然而, 白光是由一系不同的波長所組成的, 我們使用三稜鏡可以很容易證實這個事實 當白色光穿透三稜鏡時, 會有較短波長的顏色, 即紫光, 折射的程度更甚於藍光, 而藍光又甚於綠光等等 因此, 白光可被散開成波長各不相同的組成顏色, 就像是彩虹的顏色 159

163 然而, 波的理論不能解釋一些光的效應 在某些狀況下, 光就像是一束粒子, 類似從機關槍所射擊出之無限小的子彈 這些粒子, 被稱為光子, 可對物質產生壓力, 被稱為是輻射壓 來自太陽的光子是推離彗星物質的主因, 並產生了彗尾 每一個粒子都有特定的能量值, 這和它的波長有簡單的關連 : 較短的波長與較高能量的光子相對 應 因此, 藍色光較紅色光有較高能量之光子 光的理論 ---- 波動理論或是粒子理論 ---- 哪一個是正確的呢? 兩者皆是, 因為每一種理論都可用來預測光的某些特定現象 George Abell 是著名的天文學家, 他說明了以下有關的科學定律 :" 把它們 ( 定律 ) 被應用在超出其有效範圍的情況下才是錯誤的 " 牛頓使用三稜鏡將白光分散出它的組成色, 他不知道他開創了光譜學的領域, 它是研究與波長有關之光的性質 牛頓所形成的彩虹顏色被稱為連續光譜, 因為所有光的波長都包含在內 後來我們才知道還有其它兩種的光譜存在, 這三種是在不同環境下被形成的 就如同可見光可以形成光譜, 其它波段的電磁波也可以分散而產生光譜 連續光譜 : 它是由熾熱的固體 液體或氣體在高壓下所產生的 ( 熾熱意思是受熱時會發光 ) 它是由一段連續的顏色所組成的, 類似平常 100 瓦的燈泡所產生的光譜 另有兩個有關輻射體之事實是重要的 : 第一, 連續光譜能提供輻射體釋放的總能量之資訊 如果輻射體表面的溫度被升高時, 那麼其輻射能量的總值也會增加 增加的速率依據 Stefan-Boltzmann( 史特凡 160

164 - 波茲曼 ) 定律 : 一個物體的輻射能量與其絕對溫度的四次方成正比 舉例來說, 如果一個星體的溫度加倍, 所釋出的總輻射量將會增加到 16 倍 第二, 當物體的溫度增加時, 短波的輻射能量的比例會變大 要說明這個, 可想像有一根金屬棒被慢慢地加熱, 金屬棒首先會呈現隱隱約約的紅色 ( 較長的波長 ), 然後是帶點藍的白色 ( 較短的波長 ) 由此可知, 藍色的星體會較黃色的星體熱, 黃色星體也會比紅色星還要熱 暗線光譜 : 假如我們利用光譜儀 ( 類似三稜鏡的方式將不同的波長分散開來 ) 來收集恆星的連續光譜時, 會出現一系列的暗線光譜 當白光通過低壓而較冷的氣體時會產生暗線光譜或吸收光譜 此種光譜類似連續光譜, 但出現一系列的暗線 ( 或消失的波長 ) 這類的光譜除了包含出現在連續光譜中的所有資訊之外, 也包含有各種組成的定性與定量的資訊 當可見光通過裝有氫氣的玻璃瓶, 氫原子會吸收特定的波長, 形成一系列的獨特的暗線 每一組的光譜線就如同一組指紋一般, 可以用來鑑定其所含的成份 例如, 鐵在太陽裏是以氣體狀態存在, 我們利用它們的光譜已經被確認出來 使用這樣的技術, 我們已經在遙遠的星雲中找到有機分子 大部分的恆星光譜都是暗線的形式 想像在太陽內部所產生的光穿透它的大氣層, 而大氣層中的氣體比其內部來得冷, 因此會吸收部份的光線 ( 會往任意方向再釋放 ), 因此我們就看不到這部份的光線 因為這些線位於亮線光譜之中, 所以看起來似乎是黑色 暗線中光的相對強度包含著其組成之相對濃度的訊息 亮線光譜 : 亮線光譜或發射光譜是由一團高溫 ( 熾熱 ) 的物質在低壓下所產生的 它是一系列特殊波長之亮線 ( 是產生這些光譜的物質指紋 ), 這些亮線與同一種氣體所產生的暗線有著相同的光譜位置 這些光譜包含有氣體的溫度與其組成的資訊 亮線光譜或發射光譜是由氫和氦為主要組成的大型星雲, 因受很高溫的恆星之激發而產生的 因為由氫所產生的最亮之發射線是呈現紅色的, 因此這些星雲很容易出現紅色光輝 ( 受激發氫氣的特徵 ) 獵戶座星雲是有名的發射星雲, 其亮度足以肉眼觀看, 它就位於獵戶星座中獵人的劍鞘上 161

165 都卜勒效應 當光源相對於觀察者發生了相對運動, 則光譜中亮線與暗線的位置會發生偏移 你也許聽過汽車喇叭或救護車氣笛經過時音調的變化 當它接近時, 聲音似乎會高於正常的音調, 而它離去時則會聽到低於平常的音調 這個效應是發生在聲波或光波之中,1842 年 Chisitian Doppler( 都卜勒 ) 首先解釋了這樣的情況, 稱為都卜勒效應 音調的差異是因為波的發射需要時間 如果聲源正在遠離, 而一開始所發出的波比下一個波較靠近你, 則會把波長拉長, 那就是會有較長的波長 反之, 聲源逐漸靠近時波長會變短 就光而言, 當光源逐漸遠離時, 它的光線會比它實際上的還要來得紅 ( 亦即出現紅移現象 ), 因為它的波看起來像是被拉長了 物體接近時會使它的光波變成往藍色的波段移近 ( 波長變短, 亦即出現藍移 ) 因此, 如果有一個紅光源以非常高速 ( 接近光速 ) 接近你, 那它看起來將像是藍色光 如果你移動而光源不動, 則也會產生同樣的效果 因此, 應用都卜勒效應可告訴我們, 地球是正在接近還是正在遠離某恆星或另一個天體 另外, 波長的位移量可供我們計算相對移動 162

166 的速率 較大的都卜勒位移顯示較高的速率, 而較小的都卜勒位移則顯示較慢的速率 都卜勒位移通常是透過比較在實驗室中產生的標準光譜和實測恆星所產生的暗線光譜而得知 在天文學中有兩種重要的都普勒偏移 : 局部運動與宇宙膨脹所引起的偏移 局部運動所引起的都普勒偏移可以指出, 在雙星系統中, 一顆恆星以多快的速率繞行另一顆恆星, 以及一顆波霎星膨脹收縮的速率 而由宇宙膨脹 ( 星系之間的空間持續地被創造 ) 所引起的偏移可以告訴我們遙遠的星體離地球有多遠, 這樣的量測讓我們曉得光線在多久之前就已經離開了這些遙遠的星體, 若我們再往更遠處進行觀測, 便可以知道整個宇宙的年齡 光與過程 當宇宙中發生了激烈的天文事件, 將會釋放出大量的高能量輻射 例如, 當物質被黑洞所吞沒時, 其結果是釋放出高能的 X 射線 相對地, 若過程不太激烈時, 則只會釋放出少量的低能輻射 例如, 當震波經過氣體星雲時, 星雲會受熱並發射出紅外光 因此, 所釋放出來的光強度以及波段可以告訴我們許多正在發生的過程或天文事 163

167 件, 而這些資訊可用來支持或駁斥一些科學假說 例如, 理論研究早就預測會有黑洞的存在, 並會發射出特定波段的 X 射線, 而在被懷疑是黑洞的周圍, 我們確實偵測到這樣的波段, 因此可以強力支持黑洞存在的概念 光的收集與偵測 收集與分析遙遠光源所發射的光線可以決定其溫度 組成 相對運動與距離 對於鄰近的星體 ( 太陽系或銀河星系中的明亮星體 ), 只需使用到簡單的收集工具 ; 但對於昏暗或遙遠的光源, 則需盡可能地收集它們的光線, 並且也需要花更長的時間去收集, 因此要使用具有非常靈敏以及幾乎不受其他光源干擾的大型儀器了 歷史的發展 用來收集天體光源的最早工具是人的肉眼, 雖然如第谷 (Tycho) 這樣的早期天文學家成功地只以肉眼來觀測, 但對天文觀測者而言, 肉眼卻是屬於劣質的儀器 肉眼所收集的光線並不多, 對於昏暗的顏色也不靈敏, 而且只能收集可見光波段 早期的望遠鏡與光學底片已大有進步, 可以長時間收集大量的光線 然而, 地球上的大氣會明顯騷動, 使得暗光點變得更加昏暗, 而且光學底片也只能收集到大約 2% 的抵達光線 最大型的天文望遠鏡建造在遠離城市的山頂上, 可以盡可能地避開大氣的干擾以及降低其它光源的汙染, 但這只能解決部份的問題 最近在電子學上之發展有助於地面上的天文儀器解決這樣的困擾 然而, 這些儀器也只能收集可見光與無線電波等波段, 因為其它波段並無法穿透地球的大氣層 隨這太空時代的到來, 已經可以克服波段收集的限制了, 尤其是將天文觀測站放置在太空中, 就可以避開擾動的大氣, 並能收集各種波段的光源 因為起初透過視覺觀察發展出偵測輻射的基本原理, 因此我們將先檢視光學望遠鏡, 再依序介紹無線電波望遠鏡以及軌道觀測衛星 164

168 光學望遠鏡 光學望遠鏡收集可見光 ( 或近可見光 ) 的波段, 基本上可分為兩類 折射式與反射式望遠鏡 折射式望遠鏡 : 伽利略是第一個使用望遠鏡做天文觀測的人 藉由學習最近新發明的儀器, 伽利略建造了可以將物體放大 30 倍的望遠鏡 現代與早期的儀器原理都是相類似的, 都是利用透鏡將光彎曲或折射, 我們將這種儀器稱做折射式望遠鏡 在折射式望遠鏡裡最重要的透鏡為物鏡, 是將來自遠方物體的光線以彎曲的方式聚集在一個區域裡成像, 這個區域我們稱做焦點 像恆星這樣的物體, 它的影像似乎像個光點, 但如果是近物則會呈現與原物上下顛倒的影像 你可以很容易的做出底下的驗證 : 一手拿著一片透鏡, 另一手則拿一個白色卡片並放在透鏡的後面 現在, 改變透鏡和卡片之間的距離直到有影像出現在卡片上 則焦點 ( 影像出現的地方 ) 和透鏡之間的距離就是這透鏡的焦距 天文學家通常是靠拍攝以研究來自望遠鏡的影像 然而, 如果要在一個望遠鏡上來直接檢視影像時, 這時候就需要第二片透鏡, 我們稱做目鏡 目鏡藉由放大來自物鏡的影像, 就這方面來看, 它類似於放大鏡 因此, 物鏡會產生小而亮的物體影像, 而目鏡則會放大影像使我們能看到其細節 雖然折射式望遠鏡在十九世紀時被廣泛地使用, 但它存在著一個大的光學缺陷 當光通過任何一種透鏡時, 較短的光波會比較長的光波要來得彎曲 ( 回想前面三稜鏡分散光譜顏色的效果 ) 結果, 當折射式望遠鏡對準紅色光聚焦時, 藍色光和紫色光會失焦 這種麻煩的效應會造成影像變弱且在影像周圍產生一圈色暈, 我們把它稱做色差 (chroma = 色度,aberrare = 迷路 ) 當以藍色光對焦時, 就會出現淡紅色的光暈, 反之亦然 雖然這種現象無法被完全消除, 但它可藉由使用第二片透鏡 ( 由不同的玻璃所製造出來 ) 來減少這種現象 反射式望遠鏡 : 由於受到色差的干擾, 於是牛頓便製造並使用從光亮表面 ( 鏡面 ) 反射的光線 因為反射光不會色散成出它的組成色, 所 165

169 以可以避免色差的問題 反射式望遠鏡使用一個凹面鏡將光線聚集在物鏡 ( 鏡面 ) 前, 而不是在其背後 ( 像透鏡一樣 ) 鏡面通常用細磨過的圓形玻璃製作而成 以五米口徑的海爾 (Hale) 望遠鏡為例, 鏡片之研磨精確到百萬之一公分 它的表面被塗上一層高反射性的金屬, 通常是鋁的化合物 為了使進來的平行光線能聚光在某一點上, 鏡面會被研磨成特殊的曲面稱為拋物面, 這和汽車前照燈的反射鏡是相同的形狀 然而, 以汽車的車燈為例, 光源就在焦點上, 車光是以平行光方式照出去而非照進來的光 因為反射式望遠鏡的焦點是落在鏡面的前面, 觀看影像時為了使進來的光線不會被阻擋到, 需做一些工作 大多數的大型望遠鏡不只使用單一種排列方式 當使用一個很大的反射式望遠鏡時, 觀測者將會進入一個設置在焦點處的觀測室以進行觀測, 這個觀測室只會阻擋到大約所有照進來的光之 10%, 而這個可以靠使用大型物鏡來做補償 ( 因此可以忽略掉 ) 在以前, 天文學家可能需花費無數個長夜且住在戶外寒冷山上的觀測室中 但是攝影材料和電腦強化技術的進步已經可供人們在室內做觀測且縮短取得影像所需的時間 現在所製作的大型光學望遠鏡幾乎都是反射式的 其中的理由是製造折射式望遠鏡所需高品質 沒有氣泡的大型玻璃是非常費事的 因為光線不需通過鏡面, 反射式望遠鏡的玻璃沒有光學品質的問題, 也不會有色差的問題產生 此外, 由於透鏡只有邊緣受到支撐, 因此會產生下陷的現象 ( 因為玻離太重, 中心部份會出現下陷 ) 相對地, 反射鏡面的後面可以被完全地支撐著 約 4 公尺直徑的大型反射式望遠鏡分別是位在亞利桑那州的基特峰 (Kitt Peak) 夏威夷的茂納基 (Mauna Kea) 智利的美洲天文台 (Cerro Tololo) 以及澳洲的賽丁泉 (Siding Spring)( 見 Box 1) 相較之下, 世界上最大的折射式望遠鏡是在美國威斯康辛州威廉灣葉爾克斯 (Yerkes) 天文台, 其口徑只有 1 公尺 這個折射式望遠鏡建造於二十世紀之前 光學望遠鏡的性能 166

170 望遠鏡有三種性能有助於天文學家的研究與觀察 望遠鏡提供觀察者有以下三種的性質 : 聚光力 解析力及放大率的功能 聚光力 : 因為大部分天體的光源都非常地微弱, 所以天文學家便對於如何改善他們儀器的聚光力有極大的興趣 有著較大透鏡 ( 或鏡面 ) 的望遠鏡能收集更多來自遠方物體所發出來的光, 因而使得影像較為明亮 像非常遠的恆星看起來就會顯得黯淡模糊, 必需收集大量的光線才能使得影像有足夠的亮度而能看得見 因此, 物鏡大的望遠鏡能比物鏡小的望遠鏡在太空中 看 得更遠 解析力 : 大口徑物鏡的望遠鏡有另一個優點就是它們有較大的解析力, 可以讓影像更清晰 細節更精細 例如單獨只用眼睛來看銀河, 只會看到在夜空中呈現朦朧帶狀的光, 但是即使只是使用小型的望遠鏡也能解析出 ( 分離出 ) 各別的星體 即使如此, 地球的大氣環境大大的限制了望遠鏡在地球上的解析度 在星星閃爍的夜晚, 因為當時的空氣移動得很快速, 所以清晰度是很不好的 這使得影像四處晃動而模糊不清 相反地, 當星星很穩定地閃動時, 此時的清晰度較為良好 然而, 即使在理想的狀況下, 也是會發生一些模糊的現象, 其影像的細節方面因此就會被銷弱了 因此, 即使是最大的望遠鏡也無法拍攝出小於 0.5 公里大小之月球上的特徵 為了排除在地球上的觀測問題, 美國建造了哈伯太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope), 它在 1990 年的四月被放置在繞行地球的軌道上 這個口徑 2.4 公尺的太空望遠鏡, 它的聚光力是人類眼睛的 100 億倍 當這個儀器早期運轉上的技術問題被改善之後, 我們因此可接收到許多壯觀的影像 例如, 哈伯太空望遠鏡提供了可清楚解析出冥王星和它的衛星 ( 卡倫, Charon) 之間的影像 放大率 : 當你想到望遠鏡的功能時, 你大概會想到它的放大率, 就是將物體放大的能力 放大倍率是將物鏡的焦距除以目鏡的焦距之後可計算得知 因此, 望遠鏡的倍率可以藉由目鏡的更換而改變 無論如何, 增加放大倍率不一定能改善影像的清晰度 在望遠鏡中所見的影像皆受限於大氣的條件以及望遠鏡的解析力 在低倍率下的任何一部份影像若是模糊清楚, 即使在高倍率下也將只是一大片的模糊影像 換句話說, 增加倍率只會使光散開來和降低物體的亮度 因此, 天文學家描述望遠鏡不是依據它的倍率, 而是依據物鏡鏡面或是透鏡的直徑, 因為它是決定望遠鏡聚光力與解析力的因素 167

171 最新型的望遠鏡有著可以提昇影像的附加裝置, 一個簡單而且重要的例子就是應用可以長時間曝光的感光板, 如此可以從恆星收集足夠的光線以成像, 否則將無法辨識 最近的進展之一是利用高速電腦來部份移除受大氣影響所造成的影像扭曲, 這個過程大大地增強影像的清晰度 Box 1 了解地球 : 最大的光學望遠鏡 望遠鏡的主要功用是盡可能的收集光線 當望遠鏡的透鏡和鏡面越大, 就可以收集越多的光線, 這樣可以容許觀察模糊的物體 因為天文學的重點包括觀察非常遙遠而模糊的宇宙光源, 因此需要非常大的望遠鏡 直到最近, 最大的望遠鏡的鏡面被限制在直徑 5 公尺左右, 因為鑄造 冷卻和表面研磨這大型的鏡子達到非常小的誤差範圍是極大的浪費和昂貴 舉例來說, 在加州 Mount Palomar 上的 Hale 望遠鏡, 一面直徑 5 公尺的鏡子從 1934 年到 1948 年才建造完成 無論如何, 在最近的十幾年, 藉由高科技的製造技術, 許多大型望遠鏡已經被製造, 還有許多更在計劃建構中 最近, 一對 8.1 公尺直徑的望遠鏡開始運作了 Gemini North 坐落在北半球夏威夷島上的 Mauna Kea 山 坐落在海拔將近 4200 公尺的 Mauna Kea 天文台是世界最高的 他的雙胞胎 Gemini South 則是坐落於為在智利安地斯山的西坡上 Mauna Kea 也放置了日本的 8.3 公尺直徑之 Subaru 望遠鏡 一項創新設計被應用在最近所完成的一對 10 公尺之 Keck 望遠鏡上, 它們也是坐落在 Mauna Kea 山 這些儀器是被加州理工學院和加州大學所操控, 小心地用電腦將 36 個六邊形而直徑各是 1.8 公尺的鏡子鑲嵌在一起與定位, 以達到直徑 10 公尺鏡面的光學效果 到目前為止, 依據總聚光量來說, 最大的光學望遠鏡是坐落在智利 Cerro Paranal 的 European Southern 天文台之 Very Large 望遠鏡 (VLT) 它是由四個分開且可獨立作業或是互相連結的 8.2 公尺直徑之儀器所組成 當這四個望遠鏡一起作業時, 收集光線的容量會是口徑 5 公尺的海爾 (Hale) 望遠鏡的五倍, 因此可以看見宇宙中 10 倍暗的物體 168

172 光的偵測 望遠鏡只是用來收集光源, 早期的偵測器就是天文學家的肉眼, 他們透過望遠鏡畫出肉眼所見的星體影像 不同的肉眼所感受到的光強度與昏暗顏色往往是有差異的 ( 而且畫圖的天份也不同 ) 因此, 在相同的觀測條件之下, 同一星體仍會出現不太相似的圖像 此外, 個人的主觀偏差也常會參雜在其中 例如,20 世紀有名的天文學家 Lowell ( ) 認為火星表面上有運河, 因此將運河畫進他的火星圖像中, 但後來的研究並不支持 Lowell 的觀察 光學底片是一項革命性的進展, 他不受個人主觀偏差的影響, 可以合理精確地記錄光的相對強度, 以及能比肉眼更加精確地顯示昏暗星光的顏色 然而, 只有約 2% 的抵達光線會被感光與記錄在底片上, 亦即當我們記錄昏暗的星光時, 需要長時間的曝光 再者, 光學底片與肉眼都有著類似的問題, 就是偵測不同的波段會有相異的靈敏度, 甚至不同批次的底片之靈敏度也有差異, 這在進行定量比較時將會造成困擾 半導體技術發展出 CCD (charge coupled device), 它可以產生數位的影像, 並且可以有效地重複被使用 (CCD 被使用在數位相機上, 當作光源感應偵測的元件 ) 相較於光學底片,CCD 數位相機在偵測可見光與近可見光的波段上正大幅地提升, 它可以記錄 70% 以上的入射光, 而各波段的靈敏度變化也可以輕易地被校正 因此只要望遠鏡能被準確定操縱, 天文學家便可以使用 CCD 相機來收集遙遠星體的光線達數小時之久 再者, 也可以將數個晚上光點疊加在一起而成為單一的影像 太陽光不只包含有肉眼可見的可見光波段, 恆星與其它天體也發射出伽瑪射線 X 射線 紫外線 紅外線以及無線電波 對紫外線與紅外線敏感的 CCD 相機目前已被發展出來, 因此可以擴展我們的視野 然而, 大多數的輻射波段並無法穿透大氣層, 因此需要利用氣球 火箭以及衛星將相機帶到大氣層之上來記錄可見光以外的波段 無線電波望遠鏡 如我們所說, 太陽光不只是由我們肉眼看得見的輻射所組成, 伽瑪射線 X 射線 紫外線 紅外線和無線電波也可以由恆星所產生 169

173 其中很重要的是, 無線電波中的一個狹窄波段可以穿透大氣 一種特殊的 21 公分波長是由中性的氫原子所產生的 這種輻射線的測量能夠讓我們畫出銀河中氫 ( 組成恆星的物質 ) 的分布 偵測這無線電波是由大型碟狀物 ( 無線電波望遠鏡 ) 來完成 原則上, 這些碟型望遠鏡的運作方式和光學望遠鏡的鏡面一樣 它的形狀呈拋物線且聚集進來的無線電波於天線上, 天線會吸收和傳送這些波到放大器上, 這像其他的無線電波的天線一樣 因為無線電波的波長大概是可見光的十萬倍長, 因此反射碟的表面不需要和鏡面一樣的光滑 事實上, 除了最短的無線電波外, 電纜網是個很好的反射器 反過來說, 因為來自天體的無線電訊號非常微弱, 要想截取適當的訊號就需要大型的反射碟 最大的電波望遠鏡是懸吊在波多黎各的一個天然窪地所形成的碗狀物 它的直徑有 300 公尺, 且在某些方向上可彈性移動無線電天線 最大的移動式單一碟型無線電波望遠鏡之碟面大約有 100 公尺, 例如目前在美國維吉尼亞州西部的 Green Bank( 綠堤 ) 的美國國家電波天文台 無線電波望遠鏡有相當差的解析度, 因此難以標定無線電波源 我們用成對或成群的電波望遠鏡可以來減輕這個問題 當好多個電波望遠鏡被排列與連線在一起時, 此種網狀系統我們稱為電波干涉儀 與光學望遠鏡做比較, 無線電波望遠鏡存在一些優點, 它們比較少會受到大氣中的亂流 雲以及天氣的影響 不需要有保護的圓頂, 這可以減少建築的成本, 也可以 24 小時 " 觀看 " 更重要的是, 電波望遠鏡可以穿越星際中會遮蔽可見光波長的雲塵 從宇宙中遙遠距離傳來的電波訊號可不受阻撓地穿過塵雲, 提供我們一個不受干擾的 " 視線 " 此外, 電波望遠鏡可以偵測因為氣體太冷而不能發出可見光的雲氣 這些冷的氣體雲很重要, 因為它們是恆星形成的場所 然而, 無線電波望遠鏡卻會被人為電波所干擾 因此, 光學望遠鏡經常被安置在人跡罕至的山頂以減少城市光害的干擾, 而無線電波望遠鏡則是常被放置在山谷裡以阻擋人造電波的干擾 電波望遠鏡可透露出兩個星系之間相互碰撞的壯觀事件, 以及發現很有趣的似星體 ( 類似恆星的無線電波源 ) 這種令人困惑的天體是宇宙中目前所知最遙遠的事物, 這些將在下一章中做深入的探討 170

174 軌道運行的觀測站 軌道運行的觀測站避開了地球大氣所引起的所有問題, 並且是天文學新發現之先鋒, 例如 :NASA 一系列之 " 四大觀測站 " 哈伯 (Hubble) 望遠鏡 (HBT): 哈伯望遠鏡於 1990 年發射升空, 是繞行地球的一種反射式光學望遠鏡 它的觀測影像並不會備大氣所扭曲, 而且昏暗光源也不再被大氣所散射 此外, 它也可以收集紫外光波段, 紫外光會被地球的臭氧層所吸收, 因此地面上的望遠鏡並無法收集這個波段 哈伯望遠鏡在天文歷史中可被視為最重要的觀測儀器之一, 藉由它的觀測影像, 我們因此有許多新的天文發現 2.4 公尺的主鏡所產生的影像, 其敏感度與解析度足可與地面上直徑 10 公尺以上的望遠鏡相比擬 哈伯望遠鏡的觀測影像顯示, 盤狀塵氣常出現在年輕恆星的周圍, 這可以用來支持形成太陽系的星雲假說 它也提出具有決定性的證據, 指出具有巨大質量的黑洞常位於許多星系的中央處, 因為有塵雲在星系的內部運動著 HBT 也可以讓我們看得更遠, 到達宇宙的深處 康普頓 (Compton) 伽瑪射線觀測站 (CGRO): CGRO 於 1991 年發射升空, 被設計用來收集宇宙中一些最激烈的物理過程 它的靈敏度比之前任何的伽瑪射線儀器還高上 10 倍, 能夠收集很高能量的輻射, 由此 CGRO 所獲得的其中一項科學發現是伽瑪射線爆發的均勻分布, 此結果指出這是很多天體會出現的現象 伽瑪射線爆發似乎是來自宇宙中任何位置與時間上的伽瑪射線閃光, 這種閃光可能是宇宙大爆發以來所出現之最明亮且是能量最高的一些天文事件, 它很有可能是快速旋轉的大型恆星塌縮並形成黑洞時所釋放出來的 錢德勒 (Chandra)X 射線光測站 (CXO): CXO 於 1999 年發射升空, 被設計來觀測像黑洞 似星體以及高溫雲氣所釋出的 X 射線, 以便能更了解宇宙的構造與演化 它的解析度是任何其他的 X 射線觀測站儀器的 25 倍, 但它所使用的電源卻如一般的吹風機而已 錢德勒觀測站已觀測到一個黑洞正將物體拉了進去, 也觀察到兩個黑洞出現了合併 此外, 它能獨立量測出宇宙的年齡為 120~140 億年, 也可以顯示數十億年前的宇宙以及當時的星系外觀 171

175 史匹茲 (Spitzer) 太空望遠鏡 (SST): SST 於 2003 年發射升空, 設計來收集被地球大氣所阻擋的紅外能量, 此種儀器必須要冷卻至絕對零度附近, 如此之量測才能避免被鄰近的星體或人造衛星本身所干擾 這個望遠鏡繞行太陽, 如此可以避開地球的熱輻射, 而且也加裝了遮護罩板以避開太陽的輻射 像 SST 這種高敏感度的儀器可讓我們深入濃密的星雲所遮蓋的太空區域, 這是一般天文望遠鏡所無法觀測的區域 紅外光剛好可以通過這些星雲, 使我們可以觀察恆星誕生的區域 星系的中心以及剛誕生的行星系統 紅外光也提供有關冰冷星體的資訊, 例如無法以可見光波段觀察到的微弱小恆星 位於外太陽系的行星以及分子雲氣 太陽 太陽是組成銀河系 2000 億恆星中的其中一顆 整體而言, 雖然太陽在宇宙中沒有重要性, 但對地球而言卻是主要的能源來源 ( 見 Box 2) 從我們汽車和發電廠中燃燒使用的化石燃料到我們食物的每件事物, 究其根源都是來自太陽的能量 太陽對天文學家也很重要, 因為它是唯一離地球夠近而可供我們研究其表面的恆星 即使是最大的望遠鏡, 其它恆星在望遠鏡上看起來也只是如光點一般 Box 2 地球是一個系統 : 多變的太陽和氣候的改變 氣候改變最堅持的假說是基於下面的觀念 : 太陽是個變星而且太陽能量的輸出會隨著時間而變化 這個變化之影響似乎是直接且可輕易的被明白 : 太陽輸出能量之增加會導致大氣層變溫暖, 而輸出減少則將會變冷 這個想法是滿動人的, 因為它可以用來解釋任何長度或強度的氣候變化 但此主張至少有一個主要的缺點 : 大氣層之外, 尚無法測量太陽的總輻射強度是否有明顯的長期變化, 而直到應用了現代衛星科技才使測量變成可能 既然此種量測是可能的, 我們仍將需要花很多年的時間做紀錄, 如此我們才能察知太陽是如何多變 ( 或不變 ) 的 許多氣候變化的主張是基於與黑子循環有關連之可變太陽 太陽表面最明顯且最為人所知特徵是暗色的汙點, 被稱為黑子 雖然黑 172

176 子的起源還不確定, 但被認為是從太陽表面延伸至地球內部深處的巨大磁暴 而且, 這些黑子和太陽大量的粒子噴出物有關, 後者一接近地球的大氣層, 在此與氣體交互作用就形成了極光 伴隨太陽的其它活動, 太陽黑子的數量似乎以規律的方式增加或減少, 產生了約 11 年的循環週期 然而, 這個圖像並非總是那麼有規律的 當太陽黑子一直未出現或幾乎不存在時, 其週期會延長 再者, 這些事件與歐洲和北美洲的寒冷時期極為符合 相反地, 有大量黑子存在的週期則與這些地區的溫暖時期很有關連 參考這些相關聯的事件, 一些科學家認為如此相互的關係, 似乎代表太陽上的變化是造成氣候改變的重要原因 但是其他科學家則強烈質疑這個想法, 因為他們的調查發現, 從全世界氣候的記錄中並未發現太陽活動和氣候之間有明顯的相關性, 甚至並未存在有可測試之物理機制來解釋此效應 因為太陽的亮度和它的有害輻射, 因此直接觀察太陽是不安全的 然而, 小型的望遠鏡可將影像反射在目鏡後方的一塊紙板上, 如此就可以安全地觀測太陽 這種最基本的方法被世界上許多的天文望遠鏡所使用, 並持續地觀察太陽 其中最好的設備是位於美國亞利桑那州南部的基特峰國家天文台 (Kitt Peak National Observatory) 它是由 150 公尺長的傾斜包圍體所組成, 導引直射的陽光進入位於地面下的鏡面上 從這鏡子可以將 85 公分大的太陽影像投射在觀察室以供研究 跟其他較大 較小 較熱 較冷 較紅和較藍的宇宙恆星相比, 太陽是一顆 中等的恆星 然而, 在太陽系的尺度中, 它是非常巨大的星體, 其直徑 (1.35 百萬公尺 ) 相當於地球直徑的 109 倍, 而體積則是地球的 1 百 25 萬倍 此外, 因為太陽它的氣態本質, 所以它的密度只是固體地球的四分之一, 比較接近水的密度 太陽的結構 為了方便討論, 我們將地球分為四個部分 : 太陽的內部 ; 可見的表面或光球層 ; 還有兩層的大氣層 色球層和日冕 因為遍佈氣體, 173

177 在這幾層之間沒有明顯的界線 太陽的內部只由其微小一部份的質量所組成, 而且不像外面三層, 它無法被直接觀察 我們就先討論可看得見的那幾層 光球層 (photosphere): 光球層 (photos= 光,sphere= 球 ) 是最適切的名稱, 因為它放射出大部分的陽光, 使得此層像一個明亮的圓盤 雖然它被認為是太陽的 表面, 但它又不像我們所熟知的表面, 因為光球層是由一層小於 500 公里厚的炙熱氣體所組成的 ( 非固體陸地 ), 其氣壓比我們大氣層的 1/100 還小 此外, 光球層表面既不是如古代人所想像的那麼平滑, 也沒有均勻的亮光, 因為它出現無數的污點 ( 黑子 ) 當在理想狀況下使用望遠鏡觀察太陽時, 可以很容易看到光球層上的粒狀組織 這些因為無數相當小且亮的斑紋, 叫做米粒組織 (granum = 小穀粒 ), 分別被狹而暗的區域所包圍而成 每顆米粒組織如美國德州之大小, 他們的亮光歸因於從底下上升的熱氣體 當這熱氣體擴散開來之後, 因冷卻而變暗並沉回內部 每個米粒組織只存在 10 到 20 分鐘, 新的米粒組織取代舊的組織的過程中使得光球層呈現如沸騰般的外觀 這樣上上下下的氣體運動叫做對流 對流除了形成光球層的米粒組織之外, 對流也被認為是負責太陽內部最外圍能量之傳送 光球層的組成可由吸收光譜上的暗線而得知 當這些如 " 指紋 " 般的暗線和已知元素的光譜相比對時, 可發現在地球上的許多元素也同樣會出現在太陽上 分析吸收線的強度之後, 元素的相對豐度也就能過被決定出來 這些研究的結果顯示, 太陽表面的原子之中有 90% 是氫, 大約 10% 為氦, 以及極少數量的其它元素, 其它的恆星上也同樣顯示這兩種最輕元素呈現不均衡分配的百分比 ( 佔了絕大數量 ), 稍後將會有討論 色球層 : 位於光球層之上的是色球層 ( 有顏色的球面 ), 是一個熱而相當薄的氣體層, 其熾熱的氣體約有數千公里厚 色球層在出現日全蝕短短的時間中, 或者是利用特殊的儀器阻斷光球層的光線後, 就可以看見色球層 此時, 薄而紅色的光圍繞在太陽的邊緣 因為色球層是由高溫低壓的熾熱氣體所組成, 它會產生亮線光譜, 它幾乎就是光球層暗線光譜的相反 由氫氣所形成的其中一道亮線構成此層總亮光 174

178 的較大部分, 這可以說明此層為何呈現紅色 1868 年的一份色球層光譜之研究發現它有一個未知元素的存在, 它被命名為 氦, 此字來自赫利阿斯, 在希臘字中是太陽的意思 起初, 氦曾被認為只存在於恆星之中的元素, 但 27 年之後我們也在地球上的天然氣井中發現了氦元素 在色球層的頂部包含了許多的針狀體 (spica = 點 ), 似火焰般的結構, 向上延伸大約有 公里長並進入了日冕的較低層, 就像樹深入我們的大氣一般 針狀體是由米粒組織下的亂流運動所產生的 日冕 : 是太陽大氣的最外層部分, 日冕 (corona = 王冠 ) 是非常稀薄的, 和色球層一樣只有在光球層覆蓋住之後才看得到 離子化氣體的外圍從太陽擴展至數百萬公里之外, 其亮度約為滿月時的一半 在日冕的外緣, 離子化氣體有足夠的速度逃脫太陽重力的吸引 從日冕沸騰而出的質子和電子流造成太陽風 它們以非常快的速度 ( 每秒 250 到 800 公里 ) 向外移動, 經過了太陽系之後最終會消失在太空中 在這段旅行當中, 太陽風和太陽系中的其它天體交互作用, 它 175

179 們持續轟炸月球上的岩石且改變其外觀 雖然地球的磁場可以防止太陽風到達地球表面, 但太陽風仍會影響我們的大氣, 這些我們會在後面討論 研究發射自光球層的能量顯示出它的平均溫度約為 6000 K 由光球層往上, 溫度出乎意料的增加, 在日冕頂部溫度超過一百萬 K 值得注意的是, 雖然日冕的溫度超過光球溫度的好幾倍, 但因其密度較低, 故輻射出更少的能量 出人意外地, 日冕的高溫可能是因為光球上的對流運動產生的聲波所引起 就像沸騰的水會產生噪音, 由光球層產生帶有能量的聲波會被日冕中的氣體所吸收, 也因此提高了其溫度 活躍的太陽 太陽黑子 : 在太陽表面最顯而易見的是暗色的污點, 被稱為太陽黑子 雖然大型的太陽黑子在望遠鏡被發明之前偶爾看得到, 但它通常被誤認為是座落在太陽和地球間的不透明星體 直到 1610 年, 伽利略才推斷出它是存在於太陽表面上, 並且從它們的運動推論出太陽每個月大約會自轉一次 根據後來所做的觀察指出, 整個太陽並非以相同的速度進行旋轉 太陽的赤道處 25 天自轉一次 ; 從太陽赤道算起, 在 70 度上的位置, 不論是北或南, 一次的自轉需要花 33 天 如果我們地球也以類似脫節的方式進行自轉的話, 想像這後果吧! 太陽這種不一致的自轉方式驗證了它的氣態本質 太陽黑子在開始時像個直徑約 1600 公里的小暗色孔洞 雖然大部分的孔洞只存在了幾個鐘頭, 但有一些會成長成比地球大上幾倍並且持續幾個月或更久的污點 最大的黑子通常會被較小的黑子所包圍並成對地出現 一個獨立的黑子包含一個黑色的中心, 也就是本影 (umbra = 陰影 ); 在中央黑暗部分的邊緣是個較亮的區域, 這就是半影 (paene = 幾乎,umbra = 陰影 ) 太陽黑子只有在和光球明亮的部分對比下才出現暗色 以它們的溫度說明這事實, 它大約有 1500K, 是比太陽表面溫度還低 但如果這些黑子是在離開太陽的地方被觀察的話, 那它們就會呈現出比滿月時亮上好幾倍的亮度 176

180 在十九世紀早期的時候, 人們相信在水星和太陽之間存在有個微小行星, 被稱為祝融星 (Vulcan) 在找尋祝融星的過程中, 有關黑子的精確紀錄就被保存下來 雖然這行星從來沒被發現到, 但從黑子資料之蒐集發現, 太陽表面肉眼可見的黑子數量有著以十一年為周期的規律變化 首先, 當黑子的數目增加到極大值的時候, 此時可見的數目可能是一百或是更多個 接著, 再過五到七年的期間, 黑子的數目會下降到極小值, 此時僅能看到少量或甚至看不到任何一個黑子 在每一個循環的開始, 第一個黑子會從太陽赤道算起約 30 度角的地方出現, 但隨著循環的進行, 它們的數目將逐漸增加, 並將在更靠近太陽赤道的地方出現 在黑子數量的極大期, 大部份會在離太陽赤道 15 度的地方形成, 但黑子幾乎不會在離赤道 40 度以上或者是在 5 度以內出現的 天文學家喬治 海爾 (George Hale) 發現了黑子具有另一個有趣的特徵, 而著名的海爾望遠鏡就是以他的名字來命名 海爾認為大型的黑子已被強烈磁化, 當它們成對出現時, 它們會有相反的磁極 例如, 這兩個之中有一個是磁北極, 則另一個就是磁南極, 就如同地球磁場上的南 北磁極 同樣的, 座落在同一個半球體上的每一對都是以同樣方式被磁化 然而, 座落在另一個半球體上的每一對則是以相反的方向被磁化 在下一個黑子循環開始後, 其磁化狀況會顛倒, 這些黑子對的兩極會與之前的循環呈現出完全相反的磁化方向 造成極性變化的原因目前尚無法合理解釋 然而, 太陽表面其他的活動循環周期也與黑子的循環周期相同, 這表示它們應該具有相同的成因 177

181 日珥 : 在活躍的太陽中最壯觀的特徵就是日珥 (prominere 原意是突出 ) 這巨大的雲狀組織是由色球層濃聚的氣體所組成的, 當它們突出在太陽邊緣處時最容易被觀察到 在此處常以大型的拱狀延伸入日冕中 許多日珥有著精細織錦畫似的外觀, 並且每次持續幾天靜止似地懸掛在上空, 但從動畫中顯露出其中的物質會不停地落下, 像發光的雨 另一方面, 噴發性的日珥幾乎是爆發似地上升並遠離太陽, 這些活躍的日珥可達到每秒 1000 公里的速度, 並且可以完全地離開太陽 不論是噴發性的或靜止式的, 日珥是離子化的色球氣體被磁場所限制住, 這些磁場是由強烈的太陽活動區域所延伸出去的 太陽閃焰 : 這些是和黑子有關聯而最具爆發性的事件 太陽閃焰是一個短暫的爆發, 正常只持續約一個小時, 是在群聚的黑子上方突然出現之明亮地帶 它們存在之時, 其巨量的能源大部分是以紫外線輻射 無線電和 X 光輻射的形式被釋放出來 同時, 快速移動的粒子噴射出來, 導致太陽風明顯增強 一個大型的閃焰可能會危及到載人的太空飛行物, 但是這種閃焰是相當罕見的 在大噴發後約一天, 噴射出的粒子會到達地球並且擾亂電離層 ( 位於大氣層 80~400km 內的離子化氣體 ), 因此會影響長距離無線電波的通信 178

182 然而太陽閃焰最引人注目的影響是極光, 也被稱為是北極光和南極光 隨著強大的閃焰接近地球南北磁區的上方時, 會有好幾個夜晚持續發出彩光 極光是以多變的形式出現, 有時彩光的展現是由大量移動的垂直流光 (streamer) 所組成 時時候, 北極光則是呈現出一系列擴展的弧光或平靜像霧狀般之光芒 極光的展示就像太陽的其他活動般, 隨著太陽黑子 11 年的循環有著強度上的變化 太陽的內部 太陽的內部是不能直接被觀察到的 因為這個理由, 所有有關太陽內部的知識是根據它所輻射出的能量之資訊以及理論的研究 直到 1930 年代才發現太陽能量的來源是核融合 在其內部的深處, 核融合 ( 稱為質子 - 質子的連鎖反應 ) 將四個氫核 ( 質子 ) 轉換成為一個氦原子核 因為其中有些質量會被轉變成為能量, 所以在這個連鎖反應中釋放出了能量 這可以用四個氫原子的總合原子質量為 (4x1.008) 來加以說明, 一個氦原子的質量則是 4.003, 它是比四個氫的質量還少了 這質量上的微小差距則可根據愛因斯坦的質能互換公式 (E = m c 2,E 是能量,m 是質量, 而 c 是光速 ) 以能量方式釋放出來 因為光速非常的快, 所以即使是從一個小質量中釋放出能量, 其所釋出的能量會是很巨大的 只是如針頭般微量的氫轉換成氦就可產生比數千噸煤燃燒所釋出的能量還要多 大部分的能量以高能量光子的形式朝太陽表面前進, 但其中會經過多次地被吸收及再放射的過程, 直到它們到達光球層下方的不透光層為止 在這裡, 對流將這些能量搬運至太陽表面, 到了此處輻射便可穿透色球層和日冕 只有非常小的質量百分比 (0.7%) 的氫在質子連鎖反應過程中真的轉換成能量 不過, 據估計太陽每秒正消耗掉六億噸的氫, 其中大約只有四百萬噸的質量被轉換成能量 當氫被消耗時, 連鎖反應所產生的氦將形成太陽的核心並持續變大 以目前的速率來看, 太陽在所有燃料 ( 氫 ) 被用完之前還能產生多少的能量呢? 即使以巨大的消耗速率來看, 太陽還有足夠的燃料能輕易地再持續一千億年 然而, 來自其他星球的證據指出, 太陽會戲劇性地成長, 並在其氫燃料被用完之前會吞噬地球 有人認為一個像太 179

183 陽般大小的恆星能以目前平穩的狀態存在一百億年 因為太陽已經是五十億年了, 它已算是 中年 了 為了開始引燃質子間的連鎖反應, 太陽內部的溫度必須達到幾百萬度 此熱度的來源是什麼呢? 如前一章所述, 太陽系被認為是由巨大的雲塵和氣體 ( 大部份是氫 ) 因重力凝聚而成的 重力壓縮氣體的結果能增加其內部溫度 雖然太陽系中的所有物體被壓縮, 但因為直徑大小的緣故, 太陽是唯一能夠產生足夠的熱去引發質子間的連鎖反應 天文學家們現在估計它的內部溫度是一千五百萬度 K 木星基本上是一個富含氫氣的氣體星球 ; 如果它變成十倍大的規模時, 它就可能成為恆星 雖然一顆恆星繞著另一顆恆星運行的想法似乎很奇怪, 但最近的證據指出, 在宇宙中大約有 50% 的恆星可能是以成對 ( 雙星 ) 或多個相互存在 180

184 本章摘要 能量會以電磁波的方式輻射出去, 而可見光只是電磁波的ㄧ小部份波段而已 所以光是ㄧ種電磁輻射, 光有兩種性質 : 波動性與粒子性 ( 一束光子 ) 電磁波的波長範圍從數公里的無線電波到數十億分之ㄧ公分的伽瑪輻射 波長越短其光子所具有的能量相對也越高 光譜學是研究光的特性 當可見光被三稜鏡色散成各種組成波長時, 可能會出現三種光譜, 這三種光譜分別是 : 連續光譜 暗線光譜 ( 吸收 ) 亮線光譜 ( 發射 ), 恆星的光譜大部分是屬於暗線光譜 光譜可用來決定 :(1) 物體的狀態 ( 固體 液體 高壓氣體或低壓氣體 );(2) 氣體的組成 ;(3) 輻射體的溫度 可利用都卜勒效應來決定物體的運動方向 ( 接近或遠離 ) 與其速度, 是運用發光體與觀察者之間的相對運動所導致波長之視變化來計算 光學望遠鏡分成兩大類 :(1) 折射式望遠鏡, 利用透鏡將光折射並匯聚在焦點處 ;(2) 反射式望遠鏡, 使用凹透鏡來收集光束 望遠鏡有三種功能 :(1) 聚光能力, 其能力與物鏡的大小有關, 物鏡愈大可收集更多的光, 因此也可看的更遠 ;(2) 解析能力, 亦即影像的清晰度, 是望遠鏡將相近物體分開的能力, 例如冥王星與其鄰近的卡倫衛星 ;(3) 放大能力 現代的望遠鏡大多具有輔助設備來強化其影像 無線電波之偵測是利用外型如巨大碟型的無線電波望遠鏡來進行 拋物曲線的碟型天線常由網狀電纜線所做成的, 其運作功能很類似反射式望遠鏡中的凹透鏡 無線電波的重要優點是它能夠穿透地球的大氣, 此波段輻射是由氫原子所產生, 因此電波望遠鏡可讓我們繪製出星系中恆星形成物質的分布圖 太陽是銀河系中兩千億顆恆星中的ㄧ顆, 她的結構可分成四部份 :(1) 太陽內部 ;(2) 光球層 ( 肉眼所見的太陽表面 );(3) 色球層 ( 大氣底層 );(4) 日冕 ( 大氣上層 ) 肉眼所見的光大多是從光球層輻射出來, 它是由ㄧ層厚度小於 500 公里的熾熱氣體, 這一層表面由許多小而亮的米粒 ( 稱為米粒組織 ) 所組成 這一層的上方是色球層, 是ㄧ層數千公里厚的熾熱氣體層 太陽最上面的大氣層稱為日冕, 離子化氣體由此層脫離太陽的引力, 如奔流般高速地接近 181

185 地球, 形成了太陽風 在活耀的太陽表面出現許多的特徵 太陽黑子如暗斑, 其黑色中心稱為本影區, 其周圍較淺色的區域稱為半影區 太陽圓盤上所見到的黑子數量有著 11 年的循環變化周期 日珥是巨大的雲狀結構, 出現在太陽的邊緣時最容易被發現, 是色球層離子化氣體陷入磁場而形成的 與太陽黑子有關聯而最具爆發性的事件是太陽閃焰, 閃焰爆發會釋放出巨大能量, 並在黑子群的上方突然發光, 此時會出現輻射, 並拋射出快速移動的粒子 ( 原子 ), 使太陽風增強 當拋射粒子到達地球大氣層時, 會干擾電離層導致無線電通訊中斷, 並在南北極的上空形成極光 太陽能來自核融合反應 太陽內部深處的溫度可高達 1 千 5 百萬度 K, 因此能引發核融合反應, 稱為質子 - 質子連鎖反應鏈的核融合反應將四個氫原子核 ( 質子 ) 轉換成一個氦原子核 核融合反應期間, 一些質量將轉換成太陽的能量 如太陽般大小的恆星可穩定存在約ㄧ百億年, 因為太陽存在五十億年了, 所以它算是 中年 的恆星 182

186 第九章太陽系之外的宇宙 半人馬座比鄰星 (Proxima Centauri) 大約距離地球 4.3 光年之遙, 而此距離大概是地球到月球的十億倍 除了太陽以外, 比鄰星是最靠近我們地球的恆星, 這件事實暗示著我們宇宙應是無法想像的大 在我們太陽系之外, 浩瀚無垠宇宙的本質是甚麼? 星星是隨意散佈的, 或是有組織的叢聚在一起呢? 星星會移動嗎? 或者它們是長期固定的, 就像是外太空漆黑背景前一串串的燈光? 宇宙是否是往所有方向無限地延伸, 或則是有極限的呢? 為了仔細思考以上的問題, 本章節將藉由統計普查這夜空為數眾多的天體以檢視宇宙 星球的特性 太陽是我們唯一可以觀察其表面的恆星 到目前為止, 我們已頗為了解太陽系以外的宇宙 而這些知識是基於恆星或星際間之氣體會往各方向輻射能量進入太空之事實 因此, 了解宇宙的關鍵在於收集這些輻射以解開其中的祕密 天文學家已經設計出許多精巧的方法來著手進行 我們將從測量星體的距離和一些本質的特性開始著手, 這些特性包括顏色 亮度 質量 溫度和大小 測量星體的距離 測量一個星體的距離是非常困難的, 很明顯的, 我們無法旅行到這些星體 儘管如此, 天文學家已經發展出一些間接測量星體距離的方法, 最基本的測量方法稱之為 恆星視差法 恆星視差是因為地球在軌道上移動, 而使附近的恆星的位置出現了相當微小的來回偏移 恆星視差的原理是很容易想像的, 先閉上一隻眼睛, 伸出你的食指, 然後將眼睛 手指頭與物體連成一線 再來不要移動手指頭, 然後換另一隻眼睛看, 你會發現物體的位置變了 你的手指擺得愈遠, 物體的位置似乎偏離愈少 183

187 實際上, 可以遠處星體為背景, 拍攝鄰近星體來測量視差 六個月後, 當地球在軌道上運轉了半圈, 再拍下第二張照片 當你比較這兩張照片時, 相對於遠處背景的星體, 鄰近星體的位置似乎發生了偏移 最鄰近的星體會有最大的視差角度 ; 然而, 遙遠星體的偏移量實在是太微小以致於無法測量到 十六世紀的天文學家 Tycho Brahe( 第谷 ) 就是因為無法察覺到恆星的視差, 因此他不接受地繞日 ( 日心說 ) 的說法 必須強調的是恆星視差是非常的小, 最鄰近的星體 ( 比鄰星 ) 的視差角度是小於一角秒的弧度, 相當一度的 1/3600; 也就是完全身伸長你的手臂, 再伸出你的小指, 你的指頭大概是一度寬 試著對月光做這個實驗, 用手指遮住月亮, 月亮大約只有 1/2 度寬 現在假想只觀測到手指寬度 1/3600 的移動, 這就可以很明顯的知道, 為什麼 Tycho Brahe 在沒有望遠鏡的幫助下無法觀察到恆星的視差了 184

188 恆星間的距離是非常大的, 所以如果使用慣用的單位, 像是公里或是天文學單位 (AU.) 來表示的話會太過累贅 ; 一個比較恰當的單位可表示恆星的距離就是 - 光年, 亦即光在一年內所行進的距離, 這大約是 9.5 兆公里 原則上, 測量星體距離的方法是很基本的且在古希臘時就被使用了, 但實際上此種測量是非常複雜的, 因為角度很微小, 而且太陽和被測量的星體也是一直不停在太空中運行著 直到 1838 年才首次成功地精確測量出恆星的視差 大部分的星體的視差偏移都很小, 以至於難以被精確的測出, 幸好一些其它方法已被推導出來以估計星體的距離 此外, 哈伯太空望遠鏡因不會被大氣亂流所干擾, 我們期許它能精確地測量到更多遙遠星體的視差距離 恆星的亮度 從地球觀看恆星的亮度會受到三個因素所控制 : 星體的大小 星體的溫度 星體的距離 夜空中, 星體有各種不同的溫度 大小與距離, 所以恆星亮度的差異也就相當的大 視星等 : 星星自從西元前二世紀時,Hipparchus 就已將一千顆左右的星星依照它們的亮度分類成六個等級, 這種分類的等級被稱作星等 有些星星可能只因為較遠而看起來較暗, 因此, 此種星等只是星體在地球上看起來的亮度, 我們被稱之為視亮度 我們用數字來標示相對亮度時, 數字愈大恆星就愈亮 最亮的我們稱為一星等 ; 然而, 用肉眼所能觀察到的最暗星體稱之為六星等 而隨著望遠鏡的發明, 我們可以觀察到比六星等更微弱的星體了 在十八世紀中葉, 利用星等發展了一種比較星體視亮度的方法 就如我們可以比較 50 瓦特和 100 瓦特的燈泡間的亮度, 我們也能比較不同星等的恆星亮度 現在可以知道, 一等星比六等星亮 100 倍, 因此, 以這種比例計算, 兩顆星如果差了五個星等, 它們的亮度是 100:1, 所以一顆七等星比十二等星亮 100 倍 因此結果是, 兩顆差一星等的星體, 亮度大約差了 2.5 倍, 所以一等星比二等星亮 2.5 倍 185

189 因為有一些星體比一等星還亮, 就用 0 或負的星等來表示 黑夜中最亮的恆星是天狼星, 它的視星等是 -1.4, 大概是一等星的十倍亮度 根據比例來看, 太陽的視星等為 夜空最亮的星體金星其星等為 -4.3 而直徑 5 公尺的海爾 (Hale) 望遠鏡能觀察到 23 星等的星體, 它大概是比用肉眼可以看到的最暗星約暗了 10 億倍 天文學家也對真實的星體亮度感興趣, 稱之絕對亮度 有相同光度或亮度的星體, 通常不會有相同的視星等, 因為它們與地球的距離是不一樣的 為了去比較它們真實 本質的亮度, 我們將欲測量的恆星都固定放置在離我們 32.6 光年的地方, 那麼天文學家就可決定出它們的真實亮度了 例如, 太陽的視亮度是 -26.7, 若放置在距離我們 32.6 光年時的地方時, 它的絕對亮度大概是 5 因此, 絕對亮度大於 5( 較小的數值 ) 的恆星, 它們本質的亮度是大於太陽的, 但是因為距離 ( 較遠 ) 的關係, 它們反而會顯現的比較暗 恆星的顏色和溫度 下一次當你在一個晴朗的夜空下時, 好好的觀察星星並注意它們的顏色 你可以發現, 獵戶座裡的星星是相當色彩繽紛的, 獵戶座裡兩顆最亮的星, 參宿四 (Betelgeuse,αOrionis) 是大紅色, 而參宿七 (Rigel,βOrionis) 則呈現藍色 熾熱的恆星表面的溫度高於 30000K, 會放射出大量的短波能量, 因此呈現藍色 另一方面, 紅色恆星的溫度就比較低, 通常小於 3000K, 大部分的能量是以長波紅光放射出來 溫度介於 5000~6000K 的星體則呈現黃色, 像太陽就是 因為顏色主要是顯露出星體的溫 186

190 度, 所以這個特性提供天文學家一個很有用的資訊 雙星和星體的質量 夜空中最讓人熟悉的星座之一就是大熊星座, 它由七顆星星所組成的, 但眼力好的人可以看到北斗七星柄上的開陽星 (Miza) 旁邊還有另一顆星, 它們似乎是由兩個星所組成的 西元十八世紀的時候, 天文學家使用新的工具 - 望遠鏡, 去觀察很多成對的星星 通常雙星中的一顆會比另一顆還要暗, 因此常被認為是距離比較遠的關係 換句話說, 雙星常不被視為真正成對的星星, 而應該只是位於相同的視線上罷了 在十九世紀早期,William Herschel 對雙星做了仔細的調查發現, 很多的雙星真的會彼此相互環繞運行, 這兩顆星因受它們的重力而相互牽引 這些雙星的成員有些分開較遠而足以用望遠鏡觀察出來的, 我們稱之為可見雙星 一個星會繞另外一個星的概念似乎是很不尋常, 但由證據指出, 在太空中成對或兩個以上的恆星會超過 50% 雙星可用來估算恆星最難測量的特性 - 質量 只要有重力能吸引住另一顆星體, 則星體的質量就能被確定, 而這種相互吸引的情況是發生在所有雙星的系統中 雙星是以一個共同的點 ( 質量中心 ) 上做相互環繞 對相同質量的雙星而言, 質量中心剛好就在它們兩者的中間 ; 如果有一顆星比另一顆星還巨大, 則共同的質量中心會比較接近大的那一顆星 因此, 如果能偵測到它們的軌道大小, 那就能確定它們各別的質量了 你可以試著去平衡一個質量比較大的人, 可在蹺蹺板上來體驗一下這種關係 187

191 當一個星體的軌道大小是它的伴星的一半, 它就會有兩倍大的質量 如果它們的複合質量是太陽質量得三倍, 那麼較大質量者可能是太陽的兩倍, 而最小的也和太陽的質量差不多大 大部分恆星的質量範圍是介於太陽的 1/10 和 50 倍之間 赫羅圖 在二十世紀早期,Einar Hertzsprung 和 Henry Russell 各自研究星體的亮度 ( 絕對亮度 ) 和星體溫度之間的關係 從各自研究中發展出一個關係曲線圖, 我們稱之為赫羅圖 (H-R 圖 ), 它展現出這些星體本質的特性 藉由研究赫羅圖, 我們可以知道很多有關星體的大小 顏色和溫度 為了提出赫羅圖, 天文學家觀測一部分的天空, 根據星體的星等 ( 亮度 ) 和溫度決定出它們在圖中的位置 你可以發現恆星在圖中的分布很不均勻 ; 但是, 在赫羅圖中, 有百分之九十左右的恆星都分佈在這個由左上角到右下角的帶狀區域上 這些普通的星體我們稱之為 - 主序星, 最熱的主序星實際上是最亮的 主序星的的光度也和它的質量有關, 最熱的 ( 藍 ) 星體大約是太陽的 50 倍大 ; 然而, 最冷的 ( 紅 ) 星體只有它的 1/10 大小 因此, 在赫羅圖上, 主序星是從比較熱 質量大的藍色星往比較冷 質量小的紅色星逐漸降低的次序做排列 太陽是黃色的主序星, 絕對亮度大概是 5 因為大多數主序星的絕對亮度是介於 5~15 之間, 而因為太陽約位於這個範圍的中間, 所以太陽常被視為平均的星體 無論如何, 多數的主序星都比我們太陽的質量還要小和冷 就如大多數的人類不會落於正常大小的範圍內, 一些星體也不會位在主序星的範圍內 ; 主星序之右上方有一群非常亮的星體稱為 - 巨星, 若以顏色來稱呼則稱為紅巨星 藉由比較已知的大小和相同表面溫度的星體, 我們可以估計出它們的大小 我們知道擁有相同表面溫度的物體, 每單位面積會輻射出相同的能量 因此, 任何兩個擁有相同表面溫度的星體卻有不同的亮度, 則將歸因於他們的相對大小 ( 直徑大小各有不同 ) 188

192 舉個例子來說明, 拿太陽作比較, 假設其絕對亮度為 1, 而另一個黃色星體的絕對亮度是 100, 因為它們兩個有相同的表面溫度, 因此單位面積都會輻射出相同的能量 ; 因此, 比較亮的星體將比太陽亮了 100 倍, 而它也必定多了 100 倍的表面區域 因此, 我們能清楚知道為什麼赫羅圖右上方位置的星體會稱之為 - 巨星 有些星星非常的巨大, 我們稱之為超巨星 參宿四 (Betelgeuse) 是獵戶座星群中一顆亮紅色的超巨星, 其半徑約太陽的 800 倍大 若此星位於我們所處的太陽系的中央, 它的邊緣將遠超過目前火星的軌道, 而地球則會被包含在其中 其它在天空中容易被找到的超巨星是牧夫座星群中的大角星及天蠍座星群中的天蠍 α 星 在赫羅圖中間下方的部分則出現了相反的情況 ; 這些星比同溫度的主星序暗淡許多, 以前面相同的推理來看, 這些星一定比較小, 也許有些和地球差不多 這些星被稱為白矮星, 但並非全都是白色的 在赫羅圖問世後不久, 天文學家了解此圖在解釋恆星演化上的重要性 就如同其它生命般, 一顆星星會誕生 成熟老化 最後死亡 由於將近百分之九十的恆星是位於主序星, 我們更可確定星星一生中 189

193 大部份的時間是處在主序星階段 只有少數比例是巨星以及約百分之十是白矮星 在了解一些變星以及星際間的物質之後, 我們將轉回到星星演化的主題上 變星 亮度會變化的恆星稱之為變星, 有一些則稱之為脈動變星 ( 脈動星 ), 是因其大小會發生擴張與收縮而使亮度產生有規律的變化 脈動變星之中有一群稱為造父變星, 它們在決定恆星的距離上是非常重要的, 關於此點在 Box 1 中會加以討論 其它脈動性變星的週期則沒有規律性, 在這方面則無任何參考價值 Box 1 由星等決定恆星的距離 因為一個很遙遠的恆星無法用視差法來測量它, 但我們知道它的絕對亮度與視亮度可提供天文學家做為測量距離的工具 視星等是以附加在望遠鏡上的光度計做測量, 如果我們也知道此恆星的真實亮度, 就可以決定出該恆星有多遠, 因為離我們有多遠恆星就會有多少亮度 相同的原理, 當你在夜間開車時, 你可以用車頭燈的亮度來估計來車的距離 之所以可以這樣做是因為你知道車頭燈的真實亮度 但天文學家是如何判定恆星的本質亮度呢? 很幸運的, 有些恆星的特性提供了我們所需的資料 有一群很重要的恆星稱為造父變星, 它們是脈動變星, 其亮度會有周期性的變化, 有時較亮, 有時較暗 ; 脈動變星接連兩個最高度的間隔稱為它的光周期 大多數造父變星的脈動週期是介於 2~50 天之間 ; 舉例來說, 北極星以 4 天為一個週期, 其中約有 10% 的亮度變化 一般來說, 造父變星的光週期越長, 它的絕對亮度就越高 因此, 若決定出某造父變星的光週期, 它的絕對星等就可被計算出來 而當絕對星等與視星等作比較之後, 就可以較準確地估計出恆星的距離了 190

194 最壯觀的變星是屬於一群稱為爆發性變星, 與這些恆星有關的爆炸事件發生時, 將會如同一顆突然發出亮光的星, 此星我們稱之為新星 新星一詞是被古代人所使用, 因為恆星的亮度在突然大增之前根本不知道有這顆星的存在 在爆炸的期間, 這些星的外層以極快的速度噴出, 被噴出的物質雲偶而會被鏡頭捕捉下來 一顆新星通常在幾天之內就可達到最高亮度, 但只能持續幾週, 之後約一年的時間中會緩慢地變回其原來的亮度 ; 由於會變回其原來的亮度, 所以我們可假定在此事件後它只會損失一些質量 有些恆星不只會經歷一次這種事件, 事實上這種過程可能會不斷地重複發生 現代新星理論模型認為此過程是發生在由擴張中的紅巨星及炙熱的白矮星所組成的近雙星系統中 ( 兩星體非常接近 ) 從特大巨星上富氫的氣體, 會很接近而侵入到白矮星, 其表層大氣會被白矮星的重力所吸走 最後, 多量的富氫氣體會堆積到白矮星上, 而當溫度大過於氫核融合的溫度時 ; 這樣的熱核反應會快速地加熱並使高溫的白矮星外氣層膨脹, 進而發生新星事件 在相當短的時間內, 白矮星會回到新星前的狀態, 它將維持不活躍狀態直到又發生另一次的聚集 星際間的物質 星體與星體之間是真空的空間, 然而它還不算是全然的真空, 因為存在著許多塵埃及氣體的聚積物, 這些星際間的物質之聚集稱之為星雲 如果此星際間的物質是靠近很高溫或藍色的星體, 它將會發光, 我們稱之為亮星雲, 有兩種主要的亮星雲 : 發射星雲與反射星雲 發射星雲主要是由氫氣所構成的氣體物質, 它們吸收來自附近高溫恆星所放射出的紫外線輻射, 因為這些氣體在極低的壓力下, 會再輻射或反射出可見光範圍的能量 這種由紫外線轉換為可見光, 我們稱之為螢光 一個為人熟知的發射星雲, 可利用雙眼望遠鏡觀察的到, 那就是位在獵戶座獵人的劍上 反射星雲, 如同其名一般, 只是反射附近恆星的光而已 反射星雲被認為是由相當緻密且較大顆粒的雲 ( 稱為星際塵 ) 所組成的 因為 191

195 密度低的原子氣體無法反射出可足夠觀察的光芒, 這個事實可支持星際雲的觀點 當稠密的星際物質雲離某顆明亮的恆星不夠近時, 它便無法被照亮, 我們稱之為暗星雲 一個例子便是獵戶座的馬頭星雲, 暗星雲會明亮的背景中顯現出物體不透明的輪廓 當觀察銀河系時, 我們可輕易地在無星體的區域發現到暗星雲, 因為它們類似天空中的坑洞 雖然星雲看起來很稠密, 但實際上它們是由非常稀薄且散亂的物質所組成的, 但由於它們很廣大, 即使只是一些稀薄的分子或微粒, 但總質量可以是太陽的好幾倍 因為它是構成恆星與行星的主要原料, 所以天文學家對星際物質是很感興趣的 恆星的演化 如何描述一顆恆星的誕生 老化至死亡的觀念, 對很多存在超過數十億年的天體來說, 似乎是有一點冒昧 然而, 藉著研究不同年齡的恆星, 天文學家已經能夠拼湊出一個合理的恆星演化模型 創造此模型的方法就類似一個剛抵達地球的外星人, 它要如何決定出人類生命的發展階段呢? 可藉由檢視大量的人類, 這個陌生人將能觀察到人類的出生 小孩與成人時期的活動以及老者的逝去 從這個情報, 嘗試將人類的發展階段定出正確的次序, 根據人類在每一個發展階段的相對人數, 就有可能推斷出人類在成人期是比學步期要來得長 基於相同的方式, 天文學家便可以拼湊出恆星的歷史 簡單來說, 恆星之所以會存在是由於重力的關係, 稀疏雲氣中的粒子相互重力吸引, 可造成雲氣的塌陷 ; 當這些雲氣受到難以想像的壓力擠壓之下, 它的溫度會升高, 引燃核心的核融合反應, 一顆恆星便會誕生 恆星是一個非常高溫的氣體球, 而氣體承受著重力收縮及熱核膨脹這兩種相抗衡的力量 ; 最後, 恆星所有的核燃料將會耗盡, 此時重力會使恆星的殘餘物質發生塌縮, 形成一個小而緻密的天體 恆星的誕生 192

196 恆星誕生處是非常黑暗而冷的星雲, 它們富含塵埃及氣體 在銀河系附近, 雲氣是由 92% 的氫氣 7% 的氦氣和少於 1% 較重的元素所組成的 藉著尚未完全了解的機制, 這些薄薄的氣雲會因足夠聚集而引發重力收縮 有一種引發恆星之形成的假說是 : 因為一顆鄰近的恆星發生了毀滅性的爆炸 ( 超新星現象 ), 其傳來的衝擊波力量導致星雲物質發生聚集 ; 一旦發生聚集, 此時粒子間的彼此引力會擠壓星雲並將每個粒子都拉往中心處去 ; 當這些星雲收縮, 重力位能便轉換成運動能及熱能 起初的收縮大約要花 100 萬年, 隨著時間的過去, 氣態天體的溫度緩慢地上升, 最後達到足夠高溫而能從表面輻射出長波的紅光, 因為這巨大的紅色天體溫度還不夠高到可造成核融合, 所以它還不算是一顆恆星, 而稱之為原恆星 原恆星階段 在原恆星階段期間, 會持續發生重力收縮, 先是慢慢的, 接著會加速收縮的速度 這種塌縮的現象會造成正在發育中的恆星核心遠比它外層的熱度來得更高 當核心的溫度達到至少一千萬 K 時, 裡面的壓力就會非常的大, 會使四個氫核融合成一個氦核, 天文學家把這種核反應就叫做氫燃燒, 因為會有巨大的能量會被釋放出來 然而, 要明白的是這裡的熱核燃燒並不是我們普通化學觀念中的燃燒 來自氫的核融合反應所產生熱能, 造成星球氣體運動的增加 這轉而會導致氣體往外的壓力增加 在某點上, 這種往外的壓力會正好可以平衡往內的重力 當達到平衡時, 這個星體就會變成一個穩定的主序星 換句話說, 一個穩定的主序星是被兩種力量所平衡的 : 試著要將自己擠成一顆更小星球的重力, 和試著膨脹星球的氣體壓力 主序星階段 主序星的演化從此點開始直到死亡, 它內部的氣體壓力會奮力地去抵銷無情的重力 氫燃燒一般會持續幾十億年, 且會提供向外的壓力以支撐星體免於被重力所塌縮 不同的星體有不同的老化速率 熱而藍色的巨星輻射能量的速率 193

197 非常地快, 以致於只需幾百萬年就可消耗光它的氫燃料 相對地, 最小的 ( 紅色 ) 主序星卻可以持續穩定的存活好幾千億年之久 一個黃色的星體, 就像太陽, 也能持續帶在主序星階段達百億年之久 因太陽系只過了五十億年, 我們可以安心的知道太陽還可以穩定的存在到另一個五十億年 一個 " 平均 " 星球花 90% 的生命在主序星之氫燃燒 一旦在核心的氫燃料被消耗光, 它便會快速的演化及死亡 然而, 除了質量最小 ( 紅色 ) 的星體之外, 這恆星還能夠用其他的燃料來進行核融合反應並變成一顆巨星, 以此來延遲它的死亡時間 紅巨星階段 因為氫燃燒的區域會持續的往外遷移, 並留下惰性的氦內核, 此乃演化到了紅巨星的階段, 最後所有在恆星內核的氫都會被耗盡 當氫的核反應一直往星體的外層進行時, 內核卻無核反應發生 沒有了能量的來源, 內核將不再有足夠的膨脹壓力去支持它本身以對抗往內的重力, 結果導致內核開始收縮 雖然內核不能夠產生核能, 但它靠重力位能轉換成熱能而使內核會愈來愈熱 一些熱能會往外輻射, 使外層的氫融合反應開始變得更劇烈 這種能量轉而加熱並使這個星體的外層產生巨大的膨脹, 形成了一個比主序星還大上數百至數千倍之巨大星體 當這種星體膨脹時, 它的表面會冷卻, 這種現象說明了為何星體看起來是紅色的 最後, 星體的重力會終止向外之膨脹, 重力和氣體壓力這兩種相反的力量又會產生平衡, 此氣體星球也會變得穩定, 且變成更大的星體 有些紅巨星會超過這個平衡點, 但像過度伸長的彈簧一樣它會再回跳 這種星體的尺寸會繼續擺動不定, 成為變星 當紅巨星的外層膨脹時, 它的核心會繼續塌縮並加熱, 直到它到達一億 K 在這種難以置信的溫度下, 它有足夠的熱能來引發氦轉化成碳的核反應 如此, 一顆紅巨星會同時消耗氫和氦來產生能量 比太陽還巨大的星體中, 有其它的熱核反應可以發生, 且可產生元素週期表中前 26 個成員, 直到鐵為止 比鐵重的元素之核燃燒, 需要有附加的能量來源以維持此反應的進行 因此, 在普通的星體裡不會產生這些更重的元素 194

198 最後, 所有在這些巨星中有用的核燃料會被用光, 例如太陽, 最少會在紅巨星階段中待十億年, 而更巨大的星體甚至會更快速的走過這個階段 重力的力量會再次控制星體的命運, 把星體擠壓成最小且最緻密的可能物體 燒盡和死亡 大多數所討論的演化事件已被證明了, 但在紅巨星階段之後的恆星又會怎麼樣, 這就存在著很多的推測 我們知道一個星體無論它的大小, 最後一定會耗盡它所有有用的核燃料, 且最終會在巨大的重力下塌縮下來 要記住這點, 我們現在將以三種不同質量來考量恆星的最後階段 低質量恆星的死亡 : 質量比太陽一半還小的恆星, 消耗燃料的速率會比較慢 因此, 這些小而冷的紅色星體在主星序中可存在一千億年之久 因為質量小的星體內部絕對不會達到夠高的溫度和壓力來進行氦核反應, 能量的來源只有氫融合 因此, 低質量的星體從不會演化成為膨脹的紅巨星 它們能夠穩定地待在主星序中, 直到耗盡它們的氫燃料並塌縮成熱而緻密的白矮星 如我們所了解的, 白矮星是小而緻密的天體, 它是無法再進行核燃燒的天體 中等質量恆星 ( 像太陽 ) 的死亡 : 質量介於太陽一半到三倍大小的主序星, 其演化方式在本質上是相同的 在它們在巨星的期間, 像太陽的星體會加速核融合氫和氦燃料, 一旦燃料耗盡, 會像低質量的星體塌縮成像地球大小且緻密的星體 - 一顆白矮星 這種白矮星的密度非常高, 但仍不足以毀壞質子和電子 提供重力位能給一個正在塌縮的白矮星, 此能量反應在它的高表面溫度 然而, 沒有了核反應能量的來源, 當它再持續散發熱能量到太空時, 白矮星會變得更冷更暗, 從紅巨星塌縮成白矮星的期間, 中等質星的恆星被認為會拋射出它們膨脹的外層氣體, 形成了擴張的球狀雲氣 殘留的高溫白矮星會加熱此雲氣, 使它發光 這些通常會發光 漂亮的球狀雲, 我們稱它為行星狀星雲 最好的行星狀星雲的例子是在水瓶座的漩渦星雲 這個星雲看起來像是個戒環, 因為從我們的視線看到中間處是會比星雲的邊緣有較少的氣體物質, 不過它仍然是個球狀 195

199 巨大恆星的死亡 : 相對於和太陽一樣大的恆星體會優雅地死亡, 若星體超過太陽質量的三倍大時會有相當短的生命, 並以燦爛的爆炸 ( 稱為超新星 ) 來結束生命 在超新星的期間, 星體的亮度會比先前階段的亮度亮上好幾百萬倍 (Box 09.2) 如果一個最接近地球的恆星發生這樣的爆炸, 那它發出的光亮會勝過太陽 超新星現象是罕見的, 自從望遠鏡發明後, 還沒有人在我們的銀河裡觀察到過 雖然 Tycho Brahe 和 Galileo 在相隔 30 年中各自記錄到一次, 但一個更大的超新星在西元 1054 年被中國人記錄下來 今天, 這個大爆炸所剩下來的就是蟹狀星雲 一個超新星的事件中被認為是由巨大的星體耗盡大部分的核燃料所引發的 如果沒有熱能產生氣體壓力, 就無法平衡超新星的巨大重力, 因此它將會塌縮 這種大規模的向內爆縮, 導致了一個衝擊波從這個星體的內部往外移動 這個有能量的衝擊波會破壞這個星體, 且外層會被轟擊進入太空中, 產生超新星的現象 196

200 理論預測在一個超新星期間, 這個星體的內部會凝聚成一個非常熱的天體, 可能不會超過直徑 20 公里 (Box 09.3) 這些不可思議緻密的物質被命名為中子星 一些超新星事件被認為會形成更小且更令人匪夷所思的天體, 被命名為黑洞 我們會在後面再來考量中子星和黑洞的本質 赫羅圖和星體的演化 赫羅圖 (H-R diagram) 在有系統地闡述和測試星體演化的模型上是很有助益的 它們對解釋個別的星體在一生中所發生的變化也很有幫助 赫羅圖顯示約太陽大小的星體之演化 記住這個星體不是沿著這個路來移動的, 在赫羅圖上的位置是代表這演化的恆星在不同階段的顏色 ( 溫度 ) 和絕對星等 ( 亮度 ) 例如 : 在赫羅表上一個原恆星將會位在主序星的右上方 它被放在右邊是因為它表面溫度比較低 ( 紅色 ), 且更因為它比同顏色的主序星還亮 ( 因為直徑較大 ) 仔細的檢視赫羅圖, 應該會幫助你想像我們的太陽大小之恆星的演化經過 Box A 超新星 383 年來第一顆肉眼可觀察的超新星在 1987 年 2 月的南方天空被發現了 這個恆星的爆炸官方命名為 SN 1987A (SN 代表超新星, 而 1987A 表示它是在 1987 年第一顆被觀察到的超新星 ) 可用肉眼觀察的超新星是罕見的, 只有少數的超新星曾在歷史記載中出現 ; 阿拉伯的觀察家在 1006 年觀測到一顆超新星, 而 1054 年中國也在目前的蟹狀星雲的位置上記載著一顆超新星 此外, 天文學家 Tycho Brahe 在 1572 年觀測到一顆, 其後不久 Kepler 也在 1604 年觀察到另一顆超新星 在此超新星事件之前, 研究員只能藉由觀看遙遠星系中模糊的超新星來驗證他們的假說 因此, 當 SN 1987A 出現時, 天文學家很快地將每個可使用的望遠鏡聚焦在這南半球壯觀的現象 正如一位天文學家評論說 : 比起歷史上任何超新星, 這顆超新星已被仔細地研究 更重要的是 : 這個事件 (SN 1987A 的出現 ) 允許天文學家使用觀測的資料來檢測恆星演化的理論模型 197

201 1987A 超新星大約是在 光年遠的大麥哲倫星雲中發生的, 它是我們銀河系的衛星星系 正如預期, 這顆超新星迅速地增加亮度, 最亮時達到 2.4 星等, 其亮度強過大麥哲倫雲中所有其餘的星體 也正如預測, 在幾個星期內, 它的亮度開始變弱 然而,SN 1987A 真的帶給我們一些驚奇 藉由這個區域所拍攝的古老照片, 研究員確認這個爆炸的星體就是 Sanduleak 天文學家驚訝地發現此星是一顆約為太陽質量 15 倍的高溫藍色恆星 但記得只有冷的紅巨星被認為可以因超新星事件而死亡 此外, 哈伯天文望遠鏡有了另一個意外的發現 : 哈伯望遠鏡照片顯現一個非常巨大的殼狀氣體, 它是在這個超新星事件之前約 年形成的 現在天文學家認為 Sanduleak 曾經是一顆超紅巨星, 由於外層氣體被吹離, 而露出它高溫而深藍色的內核 出現在哈伯望遠鏡影像中的就是它那被吹離出來的外殼層 大約 年後, 這顆超紅巨星殘留高熱的內核開始塌縮, 於是產生 1987 年的這顆超新星 縱使這些意想不到的發展, 恆星演化的理論已建立的相當完善 理論預測 1987A 超新星事件中這擴張中的殘餘物將大到足以在 21 世紀出被觀察到 因此, 天文學家將持續監控 SN 1987A 以解開它的秘 密, 而且可證實或反駁他們對恆星演化的最終階段之看法 Box 3 從恆星塵到你 在一顆超新星爆縮的期間, 星體內部的溫度可能達到十億 K, 是一個被認為可產生很重元素如金 鈾等的環境 這些重元素加上新星的碎片與行星狀星雲, 又會不斷地回到星際太空中, 在這些地方提供了其它恆星形成時所需的物質 天文學家相信最早的恆星幾乎是由純氫所組成的 在恆星生存時的核融合與死亡時轉而產生的較重元素, 有一些元素會回到太空中 因為太陽含有一些重元素, 但它尚未達到可以產生重元素的演化階段, 所以它必定至少是第二代恆星 因此, 一般相信太陽和太陽系其餘的星體是由先前存在的星體之散佈碎片所形成的 倘若正如上述的說法, 那麼你體內的原子是由一顆幾十億年前的恆星內部所形成的, 198

202 而你珠寶上的黃金是由幾兆公里遠發生的超新星過程所形成的 沒有 這些演化事件的話, 地球上是不可能有生命的發展 恆星殘骸 最後, 所有星體耗盡自身的核燃料而塌縮成三種情形中的一種 : 白矮星 中子星或黑洞 雖然在某些方面會有不相同, 這些小而緻密的天體全是由密集得不可思議的物質所組成的且具有相當巨大的表面重力 白矮星 白矮星體積非常地小卻有著比地球上任何已知物質還要高的密度 一般相信白矮星曾經是小質量或中等質量的星體, 而其內部的高熱可以保持氣體的主體免於受自身重力作用下而塌縮 雖然有一些白矮星比地球還小, 但白矮星的質量可以達到等同於 1.4 倍太陽的質量 因此, 它們的密度可能是水的幾百萬倍 一湯匙的這類物質可重達幾噸 如此高的密度只有當電子從它們圍繞著原子核的規律軌道中向內側移位才有可能, 此允許原子佔據少於正常空間的量 在這樣的狀態下的物質被稱為簡併物質 在簡併物質中, 原子被緊密地擠壓以致於電子被移位而更接近原子核 簡併物質利用靜電排斥力而不是分子運動 ( 高溫下氣體快速運動所產生的向外膨脹的壓力 ) 來支持它自身免於被塌縮 雖然簡併物質中的原子粒子比地球的一般物質來的緊密, 但它們仍不是最緊密的 由更高密度的物質所組成的星體已被認為是存在的 當星體縮成白矮星時, 它的表面變得非常的熱, 有時超過了 25000K 既使如此, 若沒有能量的源頭, 它只會變得愈來愈冷而暗淡 雖然未曾觀察過, 白矮星的最終型態必定是小 寒冷而無光的星體, 故稱為黑矮星 中子星 199

203 一項白矮星的研究最初出現一個令人驚奇的結論 最小的白矮星卻是最重的, 最大的白矮星卻是最不重的 這種情況的解釋是 : 一個越重的恆星, 因為有著較大的重力, 比起一個較不重的星體, 更能擠壓自身成為一個小而密集堆積的物體 因此相對於大的白矮星, 最小的白矮星是由較重且大的恆星塌縮所形成的 這個結論導致我們預測出比白矮星更小且更重的星體是必定存在的 叫做中子星的這些物體被認為是超新星演化過程的殘餘 在白矮星中, 電子被擠壓而靠近原子核, 然而中子星的電子被迫與原子核中的質子結合而產生中子 ( 因此命名為中子星 ) 假如地球能塌縮成中子星的密度, 地球直徑將等於一個足球場的長度 而一個豌豆大小的這類物質樣本可重達一億頓 這幾乎是一個原子核的密度 ; 因此, 中子星可視為是一個大型的原子核 在超新星爆縮期間, 星體的外層是被拋出的, 然而核心卻塌縮成一顆非常熱且直徑大約 20 公里的中子星 雖然中子星表面溫度高, 但它們體積小而大大地限制其發光度 所以, 視覺上要找出一顆中子星是十分困難的 然而, 理論預測中子星有著相當強大的磁場 此外, 當星體塌縮時, 它將快速地旋轉, 就跟溜冰者收緊雙臂以便快速旋轉的道理是相同的 假如太陽塌縮成中子星般的大小, 它將加速自轉的速率從每 25 天自轉一次增快到每秒接近 1000 次 而由旋轉的星體所產生的無線電波是集中在兩個狹窄的區域並與星體的磁極排成一線 因此, 這些星體類似迅速旋轉的燈塔光源, 放出強烈的無線電波 假如地球碰巧位在這些燈塔投射的路徑上, 當電波掃過時, 星體看起來會像是在閃爍或律動 在 1970 年初期, 一個發出簡短脈動的無線電波段光源, 我們稱之為波霎星 ( 脈動電波源 ), 在蟹狀星雲中被發現 進行這電波來源的調查發現, 此光源是位在這星雲中間處的一個小星體 在蟹狀星雲中所發現的波霎無疑是西元 1054 那個超新星的殘骸 因此, 第一顆中子星已被發現了 黑洞 中子星由最緻密的可能物質所構成的嗎? 答案是否定的! 在超 200

204 新星事件中, 殘餘的星體若比三倍太陽的質量還大時, 似乎可塌縮成比中子星還小而且更加緻密度的星體 縱使這些物體溫度甚高, 但它表面的重力可大到連光線都難以從它的表面脫離 因此, 它們會在視線上消失 這些難以置信的星體適當地被命名為黑洞 任何太靠近黑洞的物體會被它無法抗拒的重力吸入並永遠被吞沒 天文學家如何找出重力場大到可以阻止所有物質和能源流出的物體呢? 一種策略是去找出證據以證明物質被迅速地掃入一個明顯不存在的區域範圍中 根據理論預測, 當物質被吸入黑洞時, 它在被吸入前會變得很高溫並釋放出大量的 X 射線 因為孤立的黑洞沒有物質來源可吸入, 所以天文學家首先注意到所謂的雙星系統 一個極可能是黑洞的候選星體是天鵝座 X-1 星, 它具有強大的 X 射線發射源 在這個個案中,X 射線發射源被觀察出是繞著超巨星運行著, 並有著 5.6 天的公轉週期 這顯示出從伴隨星體中的氣體被拉離, 並漩渦似地進入黑洞周圍的盤狀結構中, 這就產生了 X 射線光束 因為 X 射線不能有效地貫穿我們的大氣層, 所以直到最近才能證實黑洞的存在 最早的 X 射線發射源在 1971 年被人造衛星所偵測到 天鵝座 X-1 星就是這種發射源 銀河系 在一個遠離城市光害的晴朗而無月光的夜晚, 你可以看到一個的 201

205 確令人驚嘆的景象 : 我們的銀河系 伽利略藉由它的望遠鏡發現這細帶般的光源是由數不盡肉眼無法解析的獨立星體所構成的 今日我們明瞭太陽實際上是這個浩瀚恆星系統的星體之一, 共計有約千億顆星體 我們所屬銀河系的乳白色外貌是歸因於太陽系座落在這平坦的銀盤之內 因此, 從內部觀看銀河, 比起其它的方向, 星體較高度的集中出現在銀河盤面的方向 當天文學家開始利用望遠鏡調查位在沿著銀河系盤面的星體時, 將會發現等量的星體座落於每個方位上 地球是否真的位居銀河系的中央? 有人提出一個較好的解釋 想像龐大森林中的樹木代表銀河系中的星體, 在步入森林一小段距離之後, 看看四周, 你所看到的是每個方向似乎都佈滿著等量的樹木 你真的是位在森林的中央嗎? 這並不盡然 ; 除了在最邊緣處, 若站在森林的每個其它地方, 你似乎都覺得是位在森林的中央 銀河系的結構 大量位於我們視線上的星際物質阻礙了我們視野調查銀河系的企圖 雖然如此, 藉由電波望遠鏡的幫助, 整個銀河系的大致結構已被確定 銀河是一個寬約 光年, 而盤面核心約 光年厚的巨大漩渦狀星系 從地球看出去, 銀河中心是位在人馬座的方向上 電波望遠鏡發現銀河至少有三個明顯的旋臂存在, 有些呈現破裂狀 太陽位居在這三個旋臂之一, 大約離中央處三分之二的位置上, 離中心約 光年 在銀河旋臂上的星體環繞著銀盤的核心, 而最外圍的星體移動最慢, 以致於旋臂的末端出現尾跡 太陽和旋臂各自環繞著銀河核心每一圈約需要 2 億年 環繞在銀色盤子的是近球狀的光暈, 它是由非常稀薄的氣體和許多的球狀星團所組成的, 這些星團是沒有參與旋臂的旋轉運動, 而是它們有自己的軌道可以帶著它們穿越過銀盤, 雖然一些星團是非常密集的, 但是他們還是有相當大的空間可穿越這些星星的旋臂 星系 202

206 在十七世紀中, 德國哲學家康德 (Immanuel Kant) 認為, 在望遠鏡中所看到那分散在星星之間的模糊斑點, 其實就是像銀河的遙遠星系, 康德形容他們就像是宇宙島, 他相信每一個星系包含了數十億顆星星, 它本身就像是一個宇宙 然而, 這個見解的重要性也贊成它們是我們銀河系的灰塵和氣體雲 ( 星雲 ) 的假說 這個爭議的問題在 1920 年前仍未被解決, 直到美國天文學家艾德溫哈伯能夠在其中的一些模糊斑點中定出一些獨特而明亮的星星 因為這些非常明亮的星星在望遠鏡中的亮度卻是非常微弱, 因此哈伯相信他們必定是位在銀河系之外 這個位在大約一百萬光年之外的模糊斑點被命名為仙女座大星系, 哈伯擴展了宇宙範圍, 遠超過我們所能想像的界限, 裡面包含數千億個星系, 而星系裡面又包含數千億萬顆的星星 有人說, 在北斗七星杓杯範圍內的天空有百萬個星系 因此, 在天空中的星星數量是超過地球上所有海灘上的沙粒總數 星系的種類 從這些數以千億計的星系中, 依照其外觀可分為三大類 ( 基本型式 ): 漩渦狀星系 橢圓狀星系和不規則狀星系 漩渦狀星系 : 銀河系和仙女座大星系就是相當大的漩渦狀星系的例子, 仙女座是能夠肉眼看到的一個模糊的五星等天體 典型來說, 漩渦狀星系是圓盤狀的, 靠近中央處的恆星較為密集, 但是它還是有許多變化 從側面來看, 旋臂常從中央核心的地方延伸出來而且優美地掠過, 旋臂上在最外部的星星移動十分緩慢, 使星系的外表看起來像是煙火般的風車 然而有一種漩渦星系排列起來成棒狀, 旋轉起來就像是個堅固的系統, 這需要外圍的星星移動的比內圈的快, 這一點與運動定律似乎一致, 較不易被天文學家所了解 棒狀兩端再伸出彎曲的旋臂, 這些就是所謂的棒狀漩渦星系 漩渦狀星系一般來說是相當龐大的, 直徑大約有 到 光年, 大約有 10 %的星系被認為是棒狀漩渦星系, 而有 20 %是像銀河一般的漩渦狀星系 橢圓狀星系 : 最多的星系 ( 達到全部的 60%) 是橢圓狀星系, 他們通 203

207 常比漩渦狀星系小, 事實上有一些是非常的小, 術語上稱之為矮星系, 因為這些矮星系在遠距離之下是看不到的, 因此天空的相關調查透露, 似乎會有更多明顯的大型漩渦狀星系存在 雖然大多數橢圓狀星系都很小, 但是已知最大的星系 ( 直徑 光年 ) 是橢圓狀星系, 就如同其名字的涵義, 橢圓狀星系是一個橢圓狀至近球形的外型, 但它們卻缺少旋臂, 仙女座大星系的兩個伴隨的矮星系都是橢圓狀星系 不規則狀星系 : 在目前知道的星系中只有 10% 是缺乏對稱的, 這些被歸類為不規則狀星系, 最著名的就是在南半球用肉眼看得到的大小麥哲倫星雲, 以探險家麥哲倫來命名 當 1520 年環繞地球時, 麥哲倫觀察到它們, 而它們是離我們最近的星系鄰居 這些星系其中一個最主要的不同點, 就是星星的成員年齡, 不規則狀星系大部分是由相當年輕的星星所組成 ; 然而, 橢圓狀星系含有較多年老的星星, 銀河系和其它漩渦狀星系則同時包含有年輕的和老的星星, 而且較最年輕的恆星則是位在旋臂上 星系團 當天文學家發現星星常成群在一起, 他們就開始著手去確認星系是否也是有成群的或只是隨意地分布在宇宙之中, 結果發現星系就像星星一樣會成群地在一起而成為星系團 一些豐富的星系團包含上千個星系, 那屬於我們自己的本星系群就包含了至少 28 個星系, 在這之中有 3 個漩渦狀 11 個不規則狀和 14 個橢圓狀星系 星系團也可一大群地存在, 叫做超級星系團, 從肉眼觀察來說, 超級星團也許是宇宙中最大的實體 紅移 你也許有注意到當一輛汽車或是救護車經過時喇叭或警笛的音調變化, 當它接近時, 音量似乎比原來正常的音調要高 ; 當它遠離的時候, 音調則是比正常的還要低, 這個效應在 1842 年首次被都卜勒所發現, 被稱做都卜勒效應 此種效應是發生在所有波的運動, 包含聲波和光波 為什麼音調會不同的原因就是因為聲波需要時間去發 204

208 射, 假如波源正在遠離, 一開始被發射的波會比最後的波動更接近你, 所以有效地延長了波, 變成了較長的波長 相對的, 對接近的波源則會有相反的效果 ( 波長將變短 ) 以光的例子來說, 當一個光源正在離開時, 光會比原來紅, 因為波長似乎變長了 ; 而物體如果接近的話, 光波則會往藍色偏移 ( 波長變短 ) 因此, 都卜勒效應就可顯示出地球或其他天體之間是彼此正在接近或遠離 此外, 我們可以使用偏移量來計算出目前相對移動的速率 較大的都卜勒頻移指出較高的相對速率 ; 而較小的都卜勒頻移則顯示較低的相對速率 膨脹中的宇宙 1929 年艾德溫哈伯在現代天文學上有一個最重要的發現, 在他多年前所完成的觀察中透露 : 大多數星系都有都卜勒紅移的現象 回想紅移之發生, 那是因為光波的拉長, 這指出地球和光源之間是彼此逐漸相互遠離的, 哈伯開始去解釋這盛行的紅移現象 哈伯了解較黯淡的星系可能比明亮的星系更遠, 因此它試著去決定存在於星系距離和紅移之間的關係 他根據亮度和觀察到的都卜勒頻移作為預估距離基礎, 哈伯發現有最大紅移之星系有最遠的距離 宇宙紅移的一個結果是預測出大部分的星系 ( 除了一些較鄰近的之外 ) 是離我們遠去的 回想都卜勒紅移的程度是由每個天體遠離的速率來決定的, 紅移愈大指出有愈大的後退速度, 而因為較遠的星系有較大的紅移, 因此哈伯認定它們必快速地遠離著我們, 這個想法我們稱之為哈伯定律, 也說明了星系正遠離我們, 而遠離的速率與它們的距離成正比 哈伯對這個發現非常地驚訝, 因為這指出了距離我們最遠的星系比那些較靠近的星系是以好幾倍的速率遠離著我們, 而是什麼樣的宇宙理論能解釋這個事實呢? 宇宙擴張很快地被認為是能適當地解釋所觀察到的紅移現象 為了幫助想像宇宙擴張的本質, 我們使用普遍的類推法, 想像一條葡萄乾麵包麵團被放置數小時以進行烘烤膨脹, 當這麵團長到兩倍大的時候, 所有葡萄乾之間的距離也都是變成了兩倍 然而, 原本距 205

209 離比較遠的會比距離較近的葡萄乾在同一時間內移動較長的距離 因此, 我們對宇宙擴張做以下的結論 : 天體間相距較遠者, 彼此遠離的速率會較快 宇宙擴張的另一個特徵可以用葡萄乾麵包的理論證明, 不管你選哪一個葡萄乾, 它都會遠離其它所有的葡萄乾 ; 同樣地, 不管位在宇宙中的哪個位置上, 每一個其它星系 ( 除了那些位在同樣星系團的之外 ) 都正在後退 哈伯的確增進了我們對宇宙的瞭解, 而哈伯天文望遠鏡就是以他的名字來命名的 大爆炸 (Big bang) 宇宙有起點嗎? 它會有終點嗎? 宇宙論學家試著去回答這些問題 首先, 關於宇宙的起源之任何可成立的理論都必須能說明為何所有的星系 ( 除了非常近的之外 ) 都正在遠離著我們的這個事實, 因為所有星系似乎都在遠離地球, 所以我們是在宇宙的中心嗎? 或許不是, 因為我們不是在太陽系的中心, 而且我們太陽系也不是在銀河系的中央, 所以我們應該不可能位在宇宙的中心 有一個較為可能的解釋 : 想像一個汽球的上面貼著用打洞器所打出的許多紙片, 當汽球開始膨脹時, 每一個紙片與其它紙片會擴散開來 同樣地, 假如宇宙正在擴張, 每一個星系也正遠離其它的每一個星系 宇宙擴張的觀念使得大爆炸理論被廣泛地接受, 根據這個理論, 全宇宙在同一時間被侷限在一個緻密 熾熱和巨大質量的火球裡, 然後大約 150 億年前, 一個劇烈的爆炸發生, 物質向四面八方飛射開來 這個大爆炸標示著宇宙的開端, 所有物質和空間就在那一瞬間被創造了, 被噴出的大量氣體會變得寒冷而濃聚, 形成了組成星系的恆星, 而我們目前觀察到它們正在逃離自己的發祥地 假如宇宙開始於大爆炸, 那它會如何結束呢? 有一個觀點就是宇宙會永遠持續下去, 在這種情況下, 星星會慢慢地燃燒殆盡, 而被不可見的簡併物質和黑洞所取代, 它們會向外移動到無止境且又暗又冷的宇宙中 其它的可能性是往外飛行的星系會慢下來, 到最後會停 206

210 止, 接著重力收縮會導致星系碰撞, 並合併成高能量 高密度之宇宙最初的質體 宇宙燃燒死亡與大爆炸理論有著相反的運作方式, 我們稱之為大壓縮 (Big crunch) 不管宇宙是否會持續擴張下去或是到最後自行塌縮, 這由宇宙的平均密度來決定 假如宇宙的平均密度是大於臨界密度 ( 大約每立方公尺一個原子 ), 重力場足夠中止向外膨脹並導致宇宙的收縮 另一方面, 假如宇宙的平均密度是少於臨界值, 它將會持續擴張, 目前宇宙密度的估計值低於臨界密度, 所以可預見它是一個持續擴張或是開放式的宇宙 另外, 支持開放式宇宙的研究也指出, 宇宙目前擴張的速度是比過去還要快 ; 因此, 目前大部分宇宙學家支持的觀點是一個沒有終點的擴張宇宙 然而, 應該注意的是, 用來決定宇宙最終命運的方法是充滿著許多的不確定性, 先前未察覺的物質可能會大量存在於宇宙之中, 假如是這樣的話, 事實上星系雲會大壓縮中瓦解 207