篇 名 : 地 球 與 火 星 生 命 演 化 差 別 之 原 因 作 者 : 詹 淙 宇 台 中 縣 國 立 清 水 高 中 高 一 3 班
壹 前 言 在 這 廣 大 浩 瀚 的 宇 宙 裡, 在 巧 合 之 下 造 成 了 地 球 46 億 年 來 的 演 化, 以 致 今 我 們 所 見 的 豐 富 物 種 地 球 的 鄰 居 - 火 星, 在 30 億 年 前 演 化 以 經 停 止, 地 表 嚴 寒 且 單 調 是 甚 麼 原 因 造 成 如 此 極 端 的 差 別? 今 天 地 球 資 源 將 被 用 盡, 為 了 解 決 糧 食 以 及 能 源 不 足 的 問 題, 人 類 正 在 研 究 移 民 到 其 他 星 球 生 活 的 太 空 開 發 計 畫, 使 火 星 成 為 人 類 居 住 的 基 地, 人 類 有 可 能 彌 補 相 差 36 億 年 演 化 的 原 因, 移 民 到 火 星 上, 打 造 另 一 地 球 嗎? 貳 正 文 一 地 球 與 火 星 的 成 因 50 億 年 前, 在 銀 河 系 一 個 旋 臂 上, 有 一 塊 星 際 氣 體 雲 坍 縮 了 這 次 宇 宙 中 毫 不 起 眼 的 坍 縮 事 件 最 終 創 造 了 宇 宙 亙 古 未 有 的 奇 跡 智 慧 生 命 這 塊 星 際 氣 體 雲 核 心 的 溫 度 很 快 上 升 到 1000 萬 K, 接 著 燃 燒 成 一 顆 黃 色 的 恒 星 這 就 是 我 們 的 太 陽 圍 繞 太 陽 旋 轉 的 大 量 宇 宙 塵 粒 依 靠 引 力 逐 漸 聚 集 成 團, 然 後 形 成 了 太 陽 系 的 九 大 行 星, 其 中 有 兩 個 相 互 靠 得 很 近 稟 性 相 同 的 兄 弟 地 球 與 火 星 ( 註 一 ) 二 地 球 與 火 星 的 特 徵 與 性 質 1 火 星 A 基 本 資 料 火 星 在 八 大 行 星 中 距 離 太 陽 第 四 近 的 行 星, 其 公 轉 軌 道 在 地 球 外 側 軌 道 半 徑 約 22800 萬 公 里 ( 約 是 地 球 到 太 陽 距 離 的 1.5 倍 ); 直 徑 為 6,800 公 里 ( 約 是 地 球 的 二 分 之 一 ); 質 量 是 6.4219x10 23 公 斤 ( 約 是 地 球 的 三 分 之 一 ) ( 註 二 ) B 溫 度 火 星 的 公 轉 軌 道 相 當 橢 圓, 這 使 得 火 星 正 對 太 陽 處 的 溫 度 在 一 年 之 間 有 很 大 的 變 化 : 在 近 日 點 與 遠 日 點 之 間 可 以 相 差 到 約 30, 這 是 影 響 火 星 氣 候 的 主 要 因 素 之 一 ( 註 三 ) 表 面 的 溫 度 可 以 從 赤 道 的 絕 對 溫 度 300K(27 ), 到 冬 天 極 1
區 的 絕 對 溫 度 135K(-138 ), 平 均 溫 度 大 約 是 絕 對 溫 度 230K(-40 ) C 表 面 火 星 表 面 沙 石 裡 含 有 氧 化 鐵, 所 以 火 星 看 上 去 是 紅 色 的 表 面 包 含 月 球 和 地 球 兩 種 形 式 的 地 形, 主 要 的 地 貌 有 圓 坑 熔 岩 平 原 巨 大, 火 山 廣 大 峽 谷 類 似 河 流 的 蜿 蜒 山 谷, 以 及 隨 季 節 擴 大 和 收 縮 的 極 冠 在 平 均 地 表 高 度 1 至 3 公 里 以 上, 滿 布 圓 坑 的 古 老 地 形 主 要 分 布 在 南 半 球, 其 中 包 含 了 數 個 大 型 的 圓 形 盆 地, 最 大 直 徑 約 2000 公 里 大 部 分 的 圓 坑 比 月 球 上 來 的 淺, 且 底 部 較 為 平 坦, 看 來 好 像 有 部 分 地 區 廣 布 著 被 風 吹 來 的 塵 埃, 似 乎 受 到 相 當 大 的 侵 蝕 作 用 北 半 球 主 要 由 平 坦 的 低 地 平 原 組 成, 有 些 比 較 平 坦 的 平 原 看 起 來 像 是 玄 武 岩 熔 流, 並 且 顯 示 出 類 似 於 月 球 上 雨 海 所 發 現 呈 皺 紋 狀 流 鋒 的 地 形 雖 然 目 前 在 火 星 表 面 上 沒 有 液 態 水 的 存 在, 但 是 人 有 充 足 的 證 據 認 為, 在 過 去 即 使 只 有 短 暫 的 時 期, 一 定 存 在 過 火 星 上 有 一 些 看 起 來 像 是 乾 涸 河 床, 以 及 環 繞 坑 洞 呈 淚 珠 狀 沉 積 物 的 地 形, 類 似 於 受 到 夾 帶 著 沉 積 物 的 巨 大 水 流 所 造 成 的 結 果 在 過 去 火 山 活 動 的 時 期, 可 能 發 生 過 短 暫 的 突 如 其 來 的 洪 水 氾 濫 火 山 爆 發 所 釋 放 出 的 水 蒸 氣 和 其 他 氣 體, 可 能 使 大 氣 層 的 水 蒸 氣 濃 度 增 加, 足 夠 造 成 雨 水 下 降 和 地 表 水 流 的 現 象 火 星 表 面 含 有 約 占 百 分 之 一 重 的 水 分, 並 且 在 恆 定 的 極 冠 地 區, 以 及 像 在 地 球 北 極 地 區 所 發 現 的 永 凍 土 的 地 下 層 中 可 能 也 有 水 的 存 在 由 水 和 冰 構 成 的 極 冠 厚 度 無 法 確 定, 但 是, 可 能 有 更 大 量 的 水 埋 藏 在 火 星 的 地 表 下 方 隨 季 節 推 移 而 改 變 的 極 冠 範 圍, 是 因 為 冰 上 方 的 一 層 薄 薄 的 二 氧 化 碳 之 溶 解 和 結 凍 所 造 成 的 ( 註 四 ) 圖 一 火 星 的 地 表 資 料 來 源 :w3.sljhs.ylc.edu.tw/kelly/class03-mars.htm 2
圖 二 火 星 的 外 表 資 料 來 源 :www.au.edu.tw/.../download/star/solar/index.htm D 內 部 構 造 火 星 很 可 能 有 一 個 半 徑 約 1,700 公 里 的 核 一 個 密 度 較 地 球 地 函 高 的 火 成 岩 函 及 一 個 薄 殼 火 星 比 其 它 類 地 行 星 的 密 度 都 來 得 低, 這 可 能 是 因 為 火 星 核 除 了 鐵 質 之 外, 還 含 有 較 多 的 硫 化 物 碎 片 所 致, 換 句 話 說, 火 星 核 可 能 是 由 鐵 及 硫 化 鐵 組 成 就 像 水 星 和 月 球 一 樣, 火 星 目 前 似 乎 沒 有 活 動 中 的 板 塊 構 造 運 動, 在 火 星 上 找 不 到 近 代 表 面 水 平 移 動 的 證 據, 如 地 球 上 常 見 的 褶 皺 山 脈 由 於 沒 有 橫 向 的 板 塊 移 動, 在 火 星 殼 以 下 的 熱 點 (hot-spots) 長 期 在 地 表 固 定 停 駐 在 一 處, 再 加 上 火 星 的 表 面 重 力 薄 弱, 這 或 許 就 是 形 成 火 星 表 面 巨 大 火 山 及 隆 起 的 原 因 雖 然 火 星 目 前 並 無 火 山 活 動 的 跡 象, 但 火 星 全 球 探 勘 者 號 發 現 的 一 些 新 證 據 指 出, 在 火 星 地 質 史 的 早 期 可 能 曾 有 構 造 運 動, 這 個 發 現 已 引 發 了 科 學 家 拿 來 與 地 球 比 較 的 高 度 與 趣 ( 註 五 ) E 大 氣 a 形 成 火 星 表 面 許 多 地 方 有 極 清 楚 的 侵 蝕 地 形, 包 括 大 規 模 的 洪 氾 痕 跡 及 一 些 小 河 系, 這 說 明 了 火 星 表 面 以 前 必 定 曾 一 度 有 流 水, 也 許 有 大 湖 甚 至 海 洋 但 這 樣 的 3
歲 月 似 乎 並 不 長 久 而 且 是 很 久 以 前 的 事 了, 據 推 估 差 不 多 是 40 億 年 前 火 星 過 去 曾 經 更 像 地 球, 它 的 二 氧 化 碳 多 被 固 定 在 碳 酸 鹽 岩 石 中, 然 而 由 於 沒 有 板 塊 構 造 運 動, 火 星 並 不 能 像 地 球 一 樣 將 這 些 二 氧 化 碳 釋 放 回 大 氣 中, 因 而 無 法 擁 有 足 夠 的 溫 室 效 應, 使 得 火 星 就 算 是 位 於 地 球 的 位 置, 氣 溫 還 是 遠 比 地 球 寒 冷 得 多 ( 註 六 ) b 結 構 火 星 有 一 層 很 薄 的 大 氣, 主 要 由 僅 餘 的 二 氧 化 碳 (95.3%) 加 上 一 點 氮 (2.7%) 氬 (1.6%) 微 量 的 氧 (0.15%) 及 水 氣 (0.03%) 所 組 成 表 面 平 均 大 氣 壓 大 約 只 有 7 百 帕, 還 不 到 地 球 的 百 分 之 一, 在 各 地 的 氣 壓 變 化 很 大, 從 最 深 的 盆 地 底 幾 乎 有 9 百 帕, 到 奧 林 帕 斯 山 頂 大 約 只 有 1 百 帕 不 等 雖 然 只 有 這 一 點 大 氣, 卻 已 經 足 以 產 生 非 常 劇 烈 的 強 風 及 塵 暴, 甚 至 常 常 籠 罩 整 顆 行 星 達 數 月 之 久! 火 星 大 氣 的 溫 室 效 應 僅 能 使 表 面 溫 度 提 高 5K, 遠 不 及 地 球 火 星 的 兩 極 有 永 凍 的 冰 冠, 冰 冠 主 要 是 由 乾 冰 ( 固 態 二 氧 化 碳 ) 組 成, 呈 現 出 由 暗 色 塵 沙 與 冰 層 交 替 的 層 狀 結 構 在 北 半 球 夏 季, 二 氧 化 碳 會 自 冰 層 全 部 昇 華 至 大 氣 中, 只 剩 下 水 冰 層 ; 但 是 南 極 冰 冠 有 沒 有 水 冰 層 就 沒 那 麼 清 楚 了, 因 為 南 極 冰 冠 的 乾 冰 從 未 全 部 消 失 過 火 星 冰 冠 層 狀 結 構 的 成 因 尚 無 定 論, 也 許 是 因 為 火 星 赤 道 面 與 公 轉 軌 道 面 交 角 的 長 期 變 化 所 致 此 外, 在 較 低 緯 區 的 表 面 之 下 說 不 定 也 有 水 冰 的 存 在 觀 測 數 據 顯 示, 火 星 冰 帽 大 小 的 季 節 性 變 化 使 得 大 氣 壓 力 變 化 幅 度 可 達 25% 之 高! ( 註 七 ) 圖 三 火 星 的 大 氣 層 資 料 來 源 : http://fd9000.150m.com/mars.htm F 衛 星 火 星 有 2 個 小 衛 星, 分 別 為 弗 伯 斯 和 迪 摩 斯, 體 積 叫 大 的 弗 伯 斯 直 徑 在 30 公 里 以 下, 由 於 隕 石 撞 擊, 表 面 變 的 凹 凸 不 平, 功 轉 週 期 為 7 小 時 39 分, 迪 摩 斯 則 4
是 30 小 時 18 分 ( 註 八 ) 2 地 球 A 基 本 資 料 地 球 是 太 陽 系 第 三 個 行 星, 地 球 距 日 約 1.5 億 公 里, 赤 道 直 徑 約 12,756 公 里, 質 量 為 5.9736x10 24 kg 地 球 自 轉 周 期 為 1 個 地 球 日, 而 公 轉 周 期 則 為 365.242 個 地 球 日 ( 註 九 ) B 溫 度 地 球 初 形 成 時 的 大 氣 很 可 能 大 部 分 都 是 二 氧 化 碳, 不 過 它 們 大 多 已 被 碳 酸 鹽 類 岩 石 給 結 合, 其 餘 的 則 是 溶 入 海 洋 及 被 綠 色 植 物 耗 盡 ; 如 今 板 塊 構 造 運 動 及 生 物 作 用 是 大 氣 中 二 氧 化 碳 消 長 的 持 續 主 控 者 大 氣 中 存 在 的 水 氣 及 微 量 二 氧 化 碳 所 造 成 的 溫 室 效 應 是 維 持 地 表 溫 度 極 重 要 的 作 用, 溫 室 效 應 使 地 表 溫 度 提 高 了 大 約 35, 否 則 地 表 的 平 均 溫 度 將 是 酷 寒 的 -21! 若 沒 有 水 氣 及 二 氧 化 碳, 海 水 會 凍 結, 而 我 們 已 知 的 生 命 型 式 將 無 從 開 展 此 外, 水 氣 更 是 地 球 水 循 環 及 天 氣 變 化 中 不 可 或 缺 的 要 角 ( 註 十 ) C 表 面 地 球 的 表 面 很 年 輕, 只 有 5 億 年 左 右, 以 天 文 的 角 度 來 看 確 實 很 短 侵 蝕 作 用 及 構 造 地 質 運 動 不 斷 地 破 壞 又 重 建 大 部 分 的 地 表, 因 而 幾 乎 完 全 消 滅 了 地 表 早 期 的 地 質 記 錄, 例 如 撞 擊 坑, 所 以 早 期 地 球 歷 史 大 部 分 都 已 不 見 蹤 跡 地 球 約 有 45 至 46 億 年 老, 然 而 目 前 已 知 最 老 的 岩 石 只 有 大 約 40 億 年 前, 而 且 老 於 30 億 年 的 岩 石 非 常 罕 見 最 老 的 生 物 化 石 不 老 於 39 億 年 前, 有 關 生 命 起 源 的 關 鍵 時 期 則 亳 無 記 錄 地 球 表 面 積 71% 為 水 所 覆 蓋, 地 球 是 太 陽 系 唯 一 在 表 面 可 以 擁 有 液 態 水 的 行 星 ( 土 衛 六 的 表 面 有 液 態 乙 烷 或 甲 烷, 而 藏 於 木 衛 二 的 表 面 之 下 則 可 能 有 液 態 水, 不 過 地 球 表 面 有 液 態 水 仍 是 獨 一 無 二 的 ) 液 態 水 是 我 們 已 知 的 生 命 型 式 所 不 可 或 缺 的 要 素 ; 而 緣 於 水 具 有 的 大 比 熱 性 質, 海 洋 的 熱 容 積 成 為 保 持 地 球 溫 度 恆 定 的 一 大 功 臣 ; 液 態 水 還 是 陸 地 上 侵 蝕 與 風 化 作 用 的 主 要 營 力, 這 是 太 陽 系 中 唯 一 有 此 作 用 的 地 方 ( 也 許 火 星 早 期 也 曾 有 過 這 些 作 用, 但 現 在 已 無 ) ( 註 十 一 ) 5
圖 四 地 球 的 外 表 資 料 來 源 :http://earth.fg.tp.edu.tw/learn/solar/earth.htm D 內 部 構 造 地 核 主 要 的 主 要 成 分 是 鐵 ( 或 鐵 鎳 質 ), 不 過 也 可 能 有 一 些 較 輕 的 物 質 存 在, 下 部 地 函 的 主 要 成 分 可 能 是 矽 鎂 氧, 再 加 上 一 些 鐵 鈣 及 鋁 ; 上 部 地 函 主 要 成 分 則 是 橄 欖 石 及 輝 石 ( 鐵 鎂 矽 酸 鹽 岩 石 ), 也 有 鈣 和 鋁 以 上 這 些 瞭 解 都 是 來 自 於 地 震 震 測 資 料, 雖 然 上 部 地 函 的 物 質 有 時 會 因 著 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 地 殼 的 成 分 則 主 要 是 石 英 ( 二 氧 化 矽 ) 及 矽 酸 鹽 類 如 長 石 整 體 估 算, 地 球 化 學 組 成 的 重 量 百 分 比 為 : 34.6% 鐵 29.5% 氧 15.2% 矽 12.7% 鎂 2.4% 鎳 1.9% 硫 0.05% 鈦 ( 註 十 二 ) 地 球 內 部 的 金 屬 核 相 當 灼 熱, 大 約 在 6000 比 太 陽 表 面 溫 度 還 來 得 高, 地 核 大 部 分 都 是 液 體, 但 是 有 證 據 顯 示 壓 得 很 緊 的 中 心 是 固 體 因 熱 倒 流 和 地 球 轉 動 的 影 響, 內 部 液 體 部 分 一 直 在 流 動 這 種 流 動 產 生 了 地 球 的 磁 場 稱 為 磁 罩, 可 讓 太 陽 風 的 電 子 群 和 質 子 群 無 法 到 地 球 表 面 E 大 氣 地 球 的 大 氣 組 成, 是 由 78% 的 氮 氣 和 21% 的 氧 氣 和 二 氧 化 碳 及 其 他 稀 有 氣 體 6
F 衛 星 月 球 是 地 球 唯 一 的 天 然 衛 星, 距 離 地 球 38400 公 里, 半 徑 1740 為 公 里, 質 量 是 7.35x10 22 公 斤 參 結 論 1 質 量 大 小 因 為 火 星 質 量 為 地 球 的 三 分 之 一, 所 以 引 力 不 夠, 無 法 保 留 住 足 夠 的 大 氣 2 運 行 軌 道 地 球 運 行 軌 道 較 接 近 圓 形, 但 火 星 軌 道 較 接 近 橢 圓, 以 致 四 季 溫 差 極 大 3 大 氣 結 構 地 球 大 氣 有 足 夠 的 厚 度 可 以 讓 大 部 分 的 隕 石 燃 燒 殆 盡, 不 會 撞 擊 地 球 火 星 因 質 量 不 足 而 無 法 形 成 足 夠 的 二 氧 化 碳 及 臭 氧, 導 致 日 溫 差 極 大, 且 紫 外 線 強 度 大 4 內 部 構 造 地 球 內 部 主 要 由 鐵 鎳 組 成 以 致 地 磁 反 轉 形 成 磁 罩, 可 以 避 免 地 球 受 到 太 陽 風 輻 射 線 所 帶 來 的 質 子 群 和 電 子 群 到 達 地 面 上 5 衛 星 影 響 早 期 月 球 離 地 球 近, 潮 汐 作 用 較 強, 以 致 加 速 生 命 演 化 6 未 來 之 可 能 人 類 將 執 行 綠 化 火 星 計 畫 ( 將 火 星 地 球 化 ), 將 火 星 上 被 結 凍 的 二 氧 化 碳, 經 由 太 陽 光 反 射 後 釋 放 出 來, 使 火 星 氣 溫 升 高, 如 果 綠 化 火 星 的 計 畫 成 功, 預 計 在 西 元 3000 年, 人 類 就 能 移 民 到 火 星, 實 現 夢 想 肆 引 註 資 料 註 一 中 國 評 論 新 聞 網 7
http://www.tourtw.com/crn-webapp/doc/docdetailcnml.jsp?coluid=61&kindid=1290&do cid=100220051 ( 檢 索 日 期 2008/10/5) 註 二 萬 小 申 人 類 有 可 能 移 民 到 其 他 星 球 嗎? 科 學 漫 畫 講 義 第 58 期 (2006 年 1 月 ) 頁 1-8 註 三 小 百 科 http://earth.fg.tp.edu.tw/learn/solar/mars.htm ( 檢 索 日 期 2008/10/6) 註 四 The Solar System 牛 頓 現 代 科 技 大 百 科 1 ( 台 北 市 : 牛 頓 出 版 股 份 有 限 公 司, 民 78) 頁 52 註 五 同 註 三 註 六 同 註 三 註 七 同 註 三 註 八 高 瀨 文 志 郎 牛 頓 科 學 研 習 百 科 ( 台 北 市 : 頓 出 版 股 份 有 限 公 司, 民 80) 頁 69 註 九 小 百 科 http://www.fg.tp.edu.tw/~earth/learn/solar/earth.htm ( 檢 索 日 期 2008/10/12) 註 十 同 註 九 註 十 一 同 註 九 註 十 二 同 註 九 8