地球 (Earth) 5-1 前言 地球 是距離 太陽 第三近的行星, 軌道半徑為 14,960 萬公里 (1.00 AU), 直徑為 12,756.3 公里, 在九大行星中大小排行是第五, 質量是 5.9736 10 24 公斤 地球 與 太陽 之間的平均距離為一億五千萬公里, 以此為一個 天文單位 (AU), 做為度量天體間距離的單位, 而從 太陽 發出的光線需經過 8.3 分鐘才能傳達到 地球 地球 繞 太陽 公轉的週期稱為一 年 (Year), 或稱一個 回歸年 (Tropical Year) 或 太陽年 (Solar Year), 其時間長度為 365.2422 天 (365 天 5 小時 48 分 46 秒 ), 自轉一周的時間稱為一 天 (Day), 又稱為一個 地球日 地球 是太陽系中唯一不是依據希臘神話, 或羅馬神話而命名的行星, 希臘神話中, 稱 地球 為 蓋亞 (Gaia) 而 地球 的名稱 Earth 是根據古英語及日爾曼語 ( 德語 ) 而來的, 整個 Earth 之字其來源可追溯至古撒克遜語 (Old Saxon) 中的 Ertha, 而其中的 Ert 在中古愛爾蘭語 (Middle Irish) 裡為 大地 (Ground) 之意 地球 在各民族古老的語言中, 換成現代的發音方式, 荷蘭語稱為 Aarde, 德語稱為 Erde, 阿拉伯語稱為 Aard,(أرض) 但所有的意義均為 土地 (Land) 之意 Gaia: 希臘神話中, 蓋亞 (Gaia) 是 地球 (Earth) 地球女神 (Earth Goddess) 或 地球之母 (Mother Earth), 為 土地 (Land) 之意, 即羅馬神話中的特拉斯 (Tellus) - 1 -
蓋亞 (Gaia) 特拉斯 (Tellus) 蓋亞是希臘神話中最早出現的神, 是由 混沌之神 卡奧斯 (Chaos) 所生 蓋亞自行生出了 天 空之神 烏拉諾斯 (Uranus) 山脈之神 奧瑞亞 (Ourea) 與 海洋之神 彭特斯 (Pontus), 而 混沌之神 卡奧斯即為第一代 天神 蓋亞又與其丈夫, 即自己的大兒子 天空之神 烏拉諾斯 (Uranus) 結合, 生了六男六女, 共十 二個 泰坦巨神 (Titans) 三個 獨眼巨神 (Cyclopes) 和三個 百臂巨神 (Hecatonchires), 因此 天空之神 烏拉諾斯成為第二代 天神 蓋亞唆使自己與烏拉諾斯所生的小兒子 農業之神 克羅諾斯 (Cronus) 割下了父親烏拉諾斯的 生殖器, 因為烏拉諾斯巨大的力量來自其 生殖器 克羅諾斯並將其丟入海中, 避免烏拉諾斯 找到他的 生殖器 再度恢復力量, 而 農業之神 克羅諾斯也正式成為第三代 天神 後來烏拉諾斯的 生殖器 在大海中化為一堆泡沫, 從其中特別大又晶亮的泡沫中, 誕生出 愛神 阿芙羅黛蒂 (Aphrodite), 即羅馬神話中的維納斯 (Venus) 第一代天神 : 混沌之神 卡奧斯(Chaos) 第二代天神 : 天空之神 烏拉諾斯(Uranus) 第三代天神 : 農業之神 克羅諾斯(Cronus) 第四代天神 : 眾神之神 宙斯(Zeus) 泰坦男巨神 : 歐西納斯 (Oceanus) 科伊奧斯(Coeus) 克里奧斯(Crius) 海佩利恩 (Hyperion) 艾佩特斯(Iapetus) 與克羅諾斯 (Cronus) 泰坦女巨神 : 泰亞 (Theia) 瑞亞(Rhea) 賽米斯(Themis) 門摩西妮 (Mnemosyne) 菲比(Phoebe) 與 提莉絲 (Tethys) 獨眼巨神 :Brontes(Thunderer) Steropes(Flasher) 與 Arges(Brightener) 百臂巨神 :Briareus Cottus 與 Gyges 2 地球的形狀 古代人相信我們生活的世界不但是平的, 而且還有邊緣 甚至在二十一世紀的今天, 生活在非洲的土著, 依然深信世界有盡頭 - 2 -
電影 上帝也瘋狂 (The Gods Must Be Crazy,1980) 就是描寫非洲土著尋找世界盡頭的故事, 主要是敘述一架小客機的駕駛, 將一罐喝完的 可口可樂 玻璃瓶, 從飛機上隨手扔到非洲土人歷蘇 (Nixau) 的部落, 土人不知道這是什麼東西, 研究半天因而引起爭執 歷蘇一氣之下把玻璃瓶扔掉, 卻剛好砸破了一個小朋友的頭, 於是土人認為這個玻璃瓶, 一定是 上帝 丟下來的 不祥之物 最後, 歷蘇經歷了漫長的旅程, 終於來到一個他自認為是世界盡頭的峭壁, 把 可口可樂 玻璃瓶用力的丟去還給 上帝, 找回了快樂 正方形 中國在周朝有所謂的 蓋天說, 認為世界像一個 方盤子, 中央突起, 天就像圓蓋一般, 覆蓋著大地, 即所謂 天圓地方 天圓地方 大戴禮記. 天圖 : 夫子曰 : 天道曰圓, 地道曰方 晉書. 天文志 : 古言天者有三家, 一曰蓋天, 二曰宣夜, 三曰渾天 晉書. 天文志 : 天圓如張蓋, 地方如棋盤 中國稱 四方上下 為 宇, 往古來今 為 宙 也就是說, 宇宙 包括了一切物體以及所有事情 - 3 -
長方形 古代埃及人認為世界是 長方形 的, 天空 被高高的山撐起, 星星 從天上垂下來, 太 陽 乘著一艘小船, 順著一條大河 ( 尼羅河 ) 流到各地, 而人們則居住在中央地帶 圓形 四千年前巴比倫時代, 人們在海邊望船駛離, 發現船總是先從底部開始逐漸消失 此外, 同樣一顆星星在不同的地點, 發現仰望它的角度卻不一樣 十六世紀, 葡萄牙探險家麥哲倫 (Ferdinand Magellan,1470-1521) 環繞世界一周後, 才證實我們所住的世界的確是一個圓形球體, 稱為 地球 扁圓形 地球 雖然是個圓球, 但並非一個標準的圓球 1672 年, 法國探險隊航行到法屬圭亞那 (French Guiana), 發現船上的掛鐘, 在巴黎 (Paris) 時很準確, 但到了圭亞那的開雲 (Cayenne) 卻每天慢 2.5 分鐘, 那時沒有人能解釋這個現象 事實上, 這是 地球 呈 扁平狀 的一個證據 掛鐘鐘擺的擺動速度和當地的 地心引力 大小有密切的關係, 當 地心引力 較小, 鐘擺的速度就較慢 掛鐘在開雲的速度較慢, 表示當地的 地心引力 較小 地心引力 較小, 也就表示當地距離 地心 較遠 因此可知, 赤道 附近的開雲, 它的 地球 半徑比巴黎的 地球 半徑要長 梨子形 1957 年, 繞 地球 運轉的人造衛星發射成功後, 觀察衛星繞 地球 運轉的軌道, 證實 赤道 部分的確略為膨脹 甚至更進一步發現, 地球 的形狀實際上是像一顆 梨子 - 4 -
地球 真正的形狀略像一個 梨子, 圖中紅線代表 地球 真正的形狀, 藍線則是標準的 圓球形狀 3 地球的探測 直到十六世紀的哥白尼 (Nicolaus Copernicus,1473-1543) 時代之後, 人類才瞭解到 地球 只不過是太陽系的另一顆行星而已 地球 當然不需太空探測船才可認識, 但是直到二十世紀我們才真正勾勒出整個 地球 的全貌, 自太空中取得的 地球 影像是相當重要的因素 地球 的太空影像對天氣預測, 尤其是 颱風 (Typhoon), 大西洋沿岸稱為 颶風 (Hurricane ) 的預報來說有很大的幫助, 而且從太空看到的 地球 真是非常美麗 颱風 (Typhoon) 颶風 (Hurricane) - 5 -
4 地球的公轉與自轉 地球 繞 太陽 公轉週期為 365.2422 天, 稱為一 年 或一個 太陽年 地球 目前的 自轉週期為 24 小時, 稱為一 天 或一個 地球日 地球 與 月球 之間的 潮汐力 會使 地球 的自轉週期每一世紀增加約 2 毫秒, 地球 的自轉會愈來愈慢 研究顯示,9 億年前, 地球 一天只有 18 小時, 而一年則有 481 天 1963 年, 美國人威爾斯 (J.W. Wells) 在 自然 雜誌提出 生物時鐘 的理論, 他利用珊瑚的 年成長值 與 日成長值 推算出 ; 地球 在 泥盆紀 時, 約 3.95~3.45 億年前, 一年有 400 天 地球 在 石炭紀 早期時, 約 3.45~2.8 億年前, 一年有 390 天 5 地球的構造 地球 由化學組成成分及地震震測特性來看, 地球 本體可以分為三層, 或稱 同心殼層 (Concentric Shell) 由外而內分別是 地殼 地函 與 地核 地殼 : 地球 範圍由地表下 0~40 公里, 稱為 地殼 (Crust) 地函 : 地球 範圍由地表下 40~2,890 公里, 為固態, 稱為 地函 (Matle) 地核 : 地球 範圍由地表下 2,890~6,378 公里, 稱為 地核 (Core) 地 球 殼 層 深度 ( 公里 ) 地 殼 Crust 0~40 莫氏不連續面 Mohorovicic Discontinuity 地 函 上地函 Upper Mantle 40~400 過渡帶 Transition Region 400~650-6 -
下地函 Lower Mantle 650~2,890 古氏不連續面 Wiechert-Gutenberg Discontinuity 外地核 Outer Core 2,890~5,150 地核內地核 Inner Core 5,150~6,378 地殼 (Crust) 地殼 為固態, 主要由 火成岩 組成, 密度約為 水 的 3 倍 地殼 的溫度隨深度成比例增加, 深度每增加 100 公尺, 溫度上升 3 地殼 底部達 1,000, 壓力大約是 9,000 大氣壓 (atm) 地殼 厚度變化頗大, 海洋地殼 與 大陸地殼 又不盡相同 海洋地殼 較薄, 平均厚 約 7 公里 而 大陸地殼 就較厚得多, 平均厚約 40 公里 地殼 本身又分為三層, 依序為 沉積岩層 花崗岩層 與 玄武岩層 沉積岩層 : 沉積岩層 (Sedimentary Layer) 分布在 地殼 最上面但並不是到處都有, 而是斷斷續續的, 厚度也不完全相同, 最厚的地方達 15 公里 花岡岩層 : 花岡岩層 (Granitic Layer) 位於 沉積岩層 的下面, 亦稱為 矽鋁層 (Sial), 厚度約 14~40 公里 玄武岩層 : 玄武岩層 (Basaltic Layer) 位於 花岡岩層 的下面, 亦稱為 矽鎂層 (Sima), 厚度約 30 公里 花岡岩層 一般集中在大陸下面和海洋不深的地方的基底上, 主要是由色淺質輕的岩石組成, 因為它的成分除了 氧 與 矽 之外, 含 鋁 比較多 玄武岩層 在大洋深處, 往往直接暴露在海底表面, 由深色較重的岩石組成, 因為它的成分除了 氧 與 矽 之外, 含 鎂 比較多 地函 (Mantle) 地函 緊接 地殼 下面, 厚約 2,900 公里, 約占地球總體積的 83%, 總質量的 68%, 確實的成分尚不明瞭 地函 因壓力造成的晶體結構變化使得 地函 可分為 上地函 下地函 與 過渡帶 三部分 上地函 : 上地函 與 地殼 相接觸, 自 地殼 底部向下延伸約 400 公里, 稱為 上地函 (Upper Mantle) - 7 -
過渡帶 : 上地函 與 下地函 之間, 自 地殼 下 400~700 公里處, 厚度約 300 公里, 稱為 過渡帶 (Transition Zone) 下地函 : 下地函 與 地核 相接觸, 自 地殼 下 700~2,890 公里處, 厚度約 2,100 公里, 稱為 下地函 (Lower Mantle) 層 上地函 主要有 矽 鐵 鎂 等成分的 橄欖岩 所組成, 因此又稱為 橄欖岩 下地函 很少有化學成分和岩相的變化, 而 過渡帶 底部為最深震源存在之處 地函 的物質密度比 地殼 大, 大約是 水 的 5 倍左右, 所以 地殼板塊 可以漂浮於 地函 之上 地函 的溫度大約是 1,200~2,000, 壓力達到 100 多萬個大氣壓 地核 (Core) 地核 又可分成兩部分, 外地核 與 內地核 外地核 : 外地核 深度範圍由地表下 2,890~5,150 公里, 為 液態, 稱為 外地核 (Outer Core ) 內地核 : 內地核 深度範圍由地表下 5,150~6,378 公里, 為 固態, 稱為 內地核 (Inner Core ) 6 不連續面 (Discontinuity) 地球 內部這些不同的 層圈 都是以 不連續面 為界, 最有名的就是在 地殼 與 地函 之間的 莫氏不連續面, 以及 地函 與 地核 之間的 古氏不連續面 莫氏不連續面 : 地殼 與 地函 之間的 界面, 稱為 莫氏不連續面 (Mohorovicic Discontinuity ) 古氏不連續面 : 地函 與 地核 之間的 界面, 稱為 古氏不連續面 (Wiechert-Gutenberg Discontinuity) 莫氏不連續面 (Mohorovicic Discontinuity) 1909 年, 南斯拉夫地震學家莫荷羅維奇 (Amdrija Mohorovicic,1857-1936) 在研究古伯河谷 ( Kulpa Valley) 所發生的地震, 發現當時在地震儀上收到的兩組 P 波 S 波 中, 晚到的一組 P 波 和 S 波 是直接由震源傳播過來的 而另一組先到的 P 波 和 S 波 是經過 不連續面 再折射到地面上來的 - 8 -
這個 不連續面 在地面下約 50 公里處, 其上下物質有相當大的差異, 因而使地震波的波速發 生變化, 表示其上下物質有化學成分或物理性質的變化 ) 為了紀念莫荷羅維奇的發現, 稱此 不連續面 為 莫氏不連續面 (Mohorovicic Discontinuity 莫氏不連續面 以上的部份叫做 地殼, 以下的部份叫做 地函 古氏不連續面 (Wiechert-Gutenberg Discontinuity) 此後, 在地表下 2,900 公里處又發現一個 不連續面 存在 地函 與 地核 交界處的震波 不連續面, 當 P 波 傳至該處, 波速會明顯降低, 而 S 波 會消失不見 1914 年, 德國地球物理學古騰堡 (Beno Gutenberg,1889-1960) 解釋此種現象, 認為在 2,900 公里深處之物質己和上部的物質不同, 並可能己 液化 才造成 S 波 消失 為了紀念古騰堡的發現, 稱此 不連續面 為 古氏不連續面 (Wiechert-Gutenberg Discontinuity ), 其中溫徹爾特 (Emil Wiechert,1861-1926) 是古騰堡的老師 古氏不連續面 分開其上的 地函 與其下的 地核 7 地球的成份 地球的質量分佈 地函 佔有 地球 的主要質量, 地核 反而位居其次, 至於我們生存的空間則只是整個 地球 質量極小的一部分 地 球 殼 層 質量 ( 10 24 公斤 ) 大氣層 Atmosphere 0.0000051 海 洋 Ocean 0.0014 地 殼 Crust 0.026 地 函 Mantle 4.043 外地核 Outer Core 1.835 內地核 Inner Core 0.09675 地球的組成成份 - 9 -
地殼 : 地殼 的主要成分是 石英 (SiO 2 ) 及 矽酸鹽類 如 長石 等 上地函 : 上地函 的主要成分是 橄欖石 及 輝石 氧, 再加上一些 鐵 鈣 及 鋁 地核 : 地核 的主要成份是 鐵 或 鐵鎳質, 不過也可能有一些較輕的物質存在 地心 的溫度約有 7,500, 比 太陽 表面的溫度還要高 這些瞭解都是來自於地震震測資料, 雖然 上地函 的物質有時會因火山噴出熔岩而被帶到地 表來, 但是我們仍無法到達固體 地球 的主要部分, 目前的海底鑽探行動連 地殼 都尚未挖穿 整體估算, 地球 化學組成的重量百分比為 ; 元 素 重量百分比 (%) 鐵 Fe 34.6 氧 O 29.5 矽 Si 15.2 鎂 Mg 12.7 鎳 Ni 2.4 硫 S 1.9 鈦 Ti 0.05 地球 是平均密度最大的主要星體 其它 類地行星 也都具有和 地球 類似的結構與組成, 但其中也有一些差異 火星 及 月球 的 函 相對較厚, 月球 和 水星 沒有明顯化學組成不同的 函 與 殼 之分 月球 的 核 所佔比例最小, 水星 的 核 所佔比例最大, 地球 可能是唯一可再分成 內核 與 內核 的 行星 - 10 -