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Chapter 12 地球古今談 12-1地球的形狀 • 美麗的水藍色行星點綴在黑色的 太空中 圖12-1 ，這樣的地球圖 像深植在你我的腦海中，「地球 近似圓球狀」更是現代人們視為 理所當然的常識。在人造衛星與 太空船等現代科技的協助下，我 們不但可從太空直接欣賞人類居 住的地球，也測量出地球的直徑 約1萬3000公里。遠在2300年前， 既無法離開地表也沒有現代科技 的希臘人，早已經測量出地球的 圓周長度，而且很接近現今所測 得的數值。 圖12-1 太空中的地球，有如鑲嵌在 黑色絨布上一顆圓形的藍色珠子。 在現代，有了太空科技的幫助，我 們才得以直接看到地球的外形。 12-1地球的形狀 • 地球是平的還是圓的？ • 地平說：中國古代有「天圓地方」之說，認為天 空是圓的，而地表就如同棋盤一樣是方形的，周 髀算經便提到：「天圓如張蓋，地方如棋局」， 此即所謂「蓋天說」 圖12-2 ；後來此觀念逐漸修 正，認為地表不是平面，而是圓弧形曲面，就像 倒扣的盤子一般。 • 地圓說：東漢時張衡則提出「渾天說」 圖12-3 ， 主張天是圓的有如蛋殼，日月星辰鑲嵌其上，而 地有如蛋黃，漂浮其中。較晚發展出的「宣夜說」 圖12-4 則認為天空沒有任何形狀和範圍，除地球 外的其他天體都浮在其中。 12-1地球的形狀 • 地球是平的還是圓的？ • 地平說：中國古代有「天圓地方」之說，認為天 空是圓的，而地表就如同棋盤一樣是方形的，周 髀算經便提到：「天圓如張蓋，地方如棋局」， 此即所謂「蓋天說」 圖12-2 ；後來此觀念逐漸修 正，認為地表不是平面，而是圓弧形曲面，就像 倒扣的盤子一般。 • 地圓說：東漢時張衡則提出「渾天說」 圖12-3 ， 主張天是圓的有如蛋殼，日月星辰鑲嵌其上，而 地有如蛋黃，漂浮其中。較晚發展出的「宣夜說」 圖12-4 則認為天空沒有任何形狀和範圍，除地球 外的其他天體都浮在其中。 周髀算經 周髀算經是中國古代的數 學書籍，其中以簡單的方法闡 述日月星辰的運行規律以及天 文曆法。 圖12-2 蓋天說：古人認為 地表是方的，而天則是半 圓形的球，蓋住了大地。 圖12-3 渾天說認為天和地的形狀都是圓的， 天有如蛋殼，地有如蛋中的蛋黃；張衡根據 渾天說製作渾天儀（又稱渾象），用以模擬 天體運行 圖12-4 宣夜說：日月眾星，自 然浮生虛空之中。 12-1地球的形狀 • 地球是平的還是圓的？ • 西元前六世紀，希臘哲學家畢達哥拉斯（Pythagoras, 580~500 B.C.） 圖12-5a 發現，在岸邊觀察由遠方海面駛 來的船，總是會先看見船桅頂端、再看見帆，最後才能見 到完整的船身，因而推論地球的形狀不是平的 圖12-5b、 c。 • 另一位希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle, 384~322 B.C.） 圖12-6a 則發現愈往北走，北極星的仰角愈大 圖12-6b、 c ，同時他也發現月食時，地球投射在月球表面上的影子 呈圓弧形 圖12-6d ，據此推測地球應為球形。 • 直到1522年，麥哲倫（Ferdinand Magellan, 1480~1521） 的船隊橫跨大西洋、太平洋，由西向東環繞世界一周，才 終於證實地球確實是圓的。 圖12-5 (A)畢達哥拉斯是著名數學家，他首先發現直角三 角形的邊長關係，後人將此關係稱為畢氏定理；(B)如果 地球的形狀是平的，觀察海面上由遠方駛來的船時，應可 同時見到完整的船身；(C)事實上，觀察遠方駛來的船， 會先只看到船桅頂端，因此地球的形狀應該不是平的。 A B C A D B C 圖12-6(A) 亞里斯多德是希臘著名的哲學家，也喜愛觀察動植物以及自然 景象；(B)如果地球的形狀是平的，在各地看到北極星的角度皆會相同；但 實際上不然，(C)在不同緯度，看到北極星的仰角不同，可見地球並非平面； (D)月食發生時，地球投射在月球上的影子呈圓弧形，可見地球的外形不是 平的。 12-1地球的形狀 • 地球的大小 • 埃拉托斯特尼不但是數學、歷史、地理、天文學家，也是詩人，地表 的經緯度系統是他所設計的。 • 西元前三世紀，古希臘學家埃拉托斯特尼(Eratosthenes, 276~194 B.C.) 圖12-7 利用簡單的竿影計算出地球的圓周大小。當時的人們知 道夏至當天的正午時分，陽光會直射入賽伊尼城（今埃及 亞斯文）的 一口深井，但埃拉托斯特尼發現他居住的亞歷山大城，陽光和立竿之 間有著7.2°的夾角，再由往返兩地所需時間，得出賽伊尼城與亞歷山 大城之間相距約800公里，藉此計算出地球的周長約為4萬公里，與事 隔2千多年後的現代所測得的數值差距不到100公里，誤差小於0.2％。 後來有科學家也運用埃拉托斯特尼的方法進行測量，以遠處的恆星代 替太陽，測量出的地球直徑更接近實際值。。 計算地球的周長 埃拉托斯特尼夏至時在亞歷 山大城測得陽光與立竿的夾角為 7.2°，而兩地距離為800公里，占 全圓周的，因此＝，圓周長為4 萬公里。 12-1地球的形狀 • 地球真的是「球」？ • • • 隨著科技進步，人們開始懷疑地球是否真的是完美的圓球形。1672年，法國 科學家李希爾（Jean Richer, 1630~1696）發現，在巴黎校正得非常準確的 鐘擺時鐘，帶到圭亞那時卻變慢了，他推測鐘擺之所以變慢是因為該處重力 較小，可能圭亞那離地球中心較遠。巴黎位在北緯48度，而圭亞那約位在南 緯5度左右，因此李希爾據此推測地球是個赤道較寬、兩極間較窄的橢球體。 後來經由儀器測量，證實了赤道地區的重力值確實比兩極的重力值小。 17世紀末，英國的牛頓（Isaac Newton, 1643~1727）和荷蘭的惠更斯 （Christiaan Huygens, 1629~1695）都從力學的觀點來探討地球形狀，認為 地球在自轉的作用下，因為赤道地區自轉速度最快，受到的離心力較強，也 就是向外甩的力量較大，所以赤道向外突出。牛頓利用這樣的原理，計算出 赤道半徑比兩極半徑多了20公里（目前測得是21公里），可知地球是兩極間 比赤道略扁的橢球體。後來法國科學院派遣測量隊在南美洲祕魯和北歐 拉普 蘭地區進行地表弧度測量，證明牛頓的說法正確。 現代則藉由地面無線電波觀測、衛星定位測量以及地面重力測量，對於 地球的外形有了更精確的認識。例如利用衛星繞行地球的軌跡變化，來測量 地球重力場的分布，藉此建構地球的重力模型。因為重力與質量有關，因此 我們可以利用地球重力模型來推算地球的質量分布情形，進而描繪出地球的 外形 圖12-8 。 重力與單擺的週期 單擺擺動的快慢（週期T） 與擺長（l）和重力加速 度（g）有關： T 2π l g ，在圭亞那的鐘擺擺動變 慢（即週期變長）。在擺 長不變的情況下，可知是 由於重力加速度g變小了， 亦即該區的重力較小。 a b 圖12-8 (a)與正 圓（紅色圖示） 相較之下，地球 的形狀較接近梨 形（藍色圖示）； (b)藉由衛星測 得重力分布圖， 深藍色是重力較 弱的區域，深紅 色是重力較強的 區域，可看出重 力分布極不均勻， 可見地球的質量 分布不均。 12-2 追溯地球的起源 • 地心說與日心說 • 隨著對天體的觀察增加，人們開始猜想地球與日月星辰的 關係，進而推測地球的起源。最初因為觀察到天體的東升 西落，因此認為日月星辰繞著地球運行，地球是宇宙的中 心。其中以西元二世紀托勒密（Claudius Ptolemy, 約 100~170）的「地心說」（天動說） 圖12-9 為代表，但 地心說無法以簡單方式解釋行星的逆行現象。 • 1543年波蘭天文學家哥白尼（Nicolaus Copernicus, 1473~1543）提出「日心說」（地動說） 圖12-10 ，首度 推翻以人為中心的宇宙觀，認為太陽是宇宙中心，地球與 其他行星皆繞太陽運行。 行星的逆行現象 因為各行星公轉速度不同，因此從地球看去，行星在天空中 會有往反方向運動的情形。但若所有行星繞地球轉，便不會有這 樣的現象。 圖12-9 以地球為中心 的地心說，太陽與其 他行星都繞地球運轉。 圖12-10 哥白尼；以太陽為中心的日心說，地球也是 行星之一，各行星繞太陽運行。 12-2 追溯地球的起源 • 太陽系和行星軌道 • • • • • • 隨著觀測技術的進步以及克卜勒（Johannes Kepler, 1571~1630） 與牛頓等科學家的努力，我們對太陽系的了解愈來愈多。地球、太陽 和其他行星成一系統，因此要推論地球的起源，必須從太陽系的起源 著手。科學家發現太陽系行星軌道的特色如下： 1. 共向性：由天球北極向下看，太陽系所有行星都以逆時鐘方向繞太 陽公轉，而太陽和大部分行星（金星與天王星除外）的自轉也是逆時 鐘。 2. 共面性：行星軌道幾乎都在同一平面，且和太陽自轉的赤道面夾 角皆小於6度。 3. 近圓性：除了水星之外，行星的軌道形狀都很接近圓形。 除此之外，還發現太陽的質量約占太陽系總質量99.86％，但自 轉的速度與行星相較之下卻很慢，自轉週期在赤道地區約25天，在兩 極地區約36天。 12-2 追溯地球的起源 • 太陽系起源的早期學說 • • • • 太陽系起源的早期學說可分成三大類，分別是災變說、星雲說以及俘獲 說。災變說主張行星物質來自某個偶發事件，兩個或三個恆星突然碰撞或近 距離拉扯所造成；星雲說認為太陽與行星是由雲氣的旋轉收縮而形成；俘獲 說則是認為太陽在經過其他星雲時，吸附周遭物質而形成。 1644年笛卡爾（Ren Descartes, 1596~1650）在哲學原理書中提到，宇宙物 質以漩渦般的方式運動，不同大小的渦流分別形成了太陽、行星和衛星，可 說是星雲說的起源。 1745年布封（G.L.L. Comte de Buffon 1707~1788） 圖12-11a 指出，某個大 型外來物體（例如彗星）撞擊太陽表面，導致部分太陽物質飛散到太空中， 因而形成了行星和衛星 圖12-11b ，此想法則是災變說的開端。 1755年德國的哲學家康德（Immanuel Kant, 1724~180）提出，宇宙中瀰漫 著由氣體和塵埃組成的星雲，密度較大的微粒逐漸吸引周遭微粒，因而質量 增加，微粒也就聚集得更快，便形成了太陽。周遭的微粒受太陽吸引而繼續 聚集，但在聚集過程中與其他微粒碰撞，產生旋轉的圓周運動，這些繞著太 陽旋轉的微粒逐漸形成數個引力中心，於是聚集成行星圖12-12b。 12-2 追溯地球的起源 • 太陽系起源的早期學說 • • 1796年法國數學家兼天文學家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace, 1749~1827） 主張，原始太陽系是來自一團旋轉的高溫氣體，在旋轉的同時因萬有引力而 不斷向內收縮，於是旋轉速度愈來愈快，赤道上的旋轉速度最快，上下兩側 的物質向赤道集中，使星雲呈現扁盤狀，向外拋出物質，形成類似土星環的 結構，這些環在繞日運轉時逐漸聚集成行星，而行星也以同樣的方式形成衛 星 圖12-13b 。 康德以哲學角度提出星雲說，而拉普拉斯則是以數學和力學的觀點使其更充 實，後來稱為康德 一 拉普拉斯星雲說。星雲說是最早的天體演化學說，解釋 了行星軌道的共向性、共面性與近圓性。在19世紀的天文學中居於主導地位。 圖12-13 拉普拉斯；拉普拉斯以數學與力學的觀點充實星雲說。 (1)原本是旋轉的高溫氣體；(2)在收縮的過程中，使轉速增加； (3)在赤道上轉速最快，成為扁盤狀；(4)陸續向外拋出一個個的 環，每個環逐漸聚集形成行星；(5)形成了在固定軌道上運行的 行星系統。 12-2 追溯地球的起源 • 太陽系起源的早期學說 • 但是星雲說無法解釋的一點，是太陽自轉速度太慢，並不足以拋出這 些環。 • 19世紀末，開始出現新的假說，具代表性的有俘獲說和潮汐說。 • 俘獲說認為太陽在接近別的星雲時，吸引其中的物質形成行星 圖12-14 俘獲說認為太陽接近其 他星雲時，將部分物質吸引而拉 出，這些物質後來便形成行星。 12-2 追溯地球的起源 • 太陽系起源的早期學說 • • 1900年美國地質學家張伯倫（Thomas Chrowder Chamberlain,1843~1928） 和美國天文學家摩爾頓（Forest Ray Moulton,1872~1952）提出了微行星學 說。認為有顆恆星以相當近的距離經過太陽，就像月球引起地球海水的潮汐 一般，使太陽物質在面向恆星與背對恆星的一面都向外鼓起，進而脫離太陽 表面，這些物質慢慢聚集，形成許多微行星，微行星又聚集形成行星與衛星， 這個學說稱為張伯倫 一 摩爾頓潮汐說 。 1916年金斯（James Hopwood Jeans,1877~1946）及1918年傑弗里斯 （Harold Jeffereys,1891~1989）提出的潮汐說，則是認為有個恆星近距離 經過或與太陽擦撞，由太陽表面吸引出一股物質條帶 圖12-16 。這些物質因 為被向外拉扯而速度增加，所以外圍行星的自轉速度才會比太陽自轉速度快。 恆星由遠處逐漸靠近時，引力漸增，而後逐漸遠離時，引力又漸減，因此物 質條帶呈現出兩端細，中間較寬的現象，所以太陽系內外兩側行星較小、中 間行星較大。先拉出來的物質來自太陽最表面，然後逐漸向內，因為是來自 太陽不同深度的物質，所以內側的類地行星和外側的類木行星成分有所差異。 • 但宇宙中恆星距離遙遠，不易有恆星碰撞，而且被拉出的物質溫度應 該很高，高溫氣體不易收縮，也是問題。 圖12-15 張伯倫 一 摩爾頓潮汐說。(a) 有個恆星經過太陽附近；(b)潮汐力使 面對恆星與背對恆星的太陽物質向外 鼓起；(c)鼓起的太陽物質脫離表面， 形成微行星；(d)微行星聚集形成行星。 圖12-16 金斯和傑弗里斯的潮汐說。(a)恆 星近距離通過太陽附近；(b)吸引出兩端 細、中間粗的物質條帶；(c)條帶上的物 質因重力收縮形成行星，兩端的行星較小 中間的行星較大。 12-2 追溯地球的起源 • 從地球本身找證據 • 在地球本身也可以找到許多關於太陽系起源的線索，例如 利用地震波，我們了解地球內部的構造由內向外主要分成 地核、地函和地殼三層，其密度亦由內向外漸減，據此推 測，地球剛形成時雖然應是低溫狀態，但是因為隕石撞擊 與內部放射性物質衰變而熔融，於是密度大的物質下沉至 內部，輕的物質上浮。 • 此外，地球上的球粒隕石 也是重要線索。球粒隕石含有 許多稱為「球粒」的小球形結構，因熔化會摧毀其中的球 粒，故可知它們在其母小行星形成之後就未曾熔化，所以 球粒隕石保留了早期太陽系的線索，藉由分析其化學成分， 可以對太陽系的形成有更多的認識。 圖12-17 球粒隕石剖面，可看見許多「球粒」的結構。 12-2 追溯地球的起源 • 直接目擊恆星的形成 • 雖然我們無法親眼看到太陽系的形成，但是利用太空望遠鏡，我們仍 可觀測到銀河系中許多正在形成恆星的區域 。對這些區域詳加觀測 與分析，也能對太陽系的形成有進一步的了解。另外，在太陽系以外 的其他恆星周遭，我們也發現了行星系統的存在，目前發現的系外行 星已有數百顆之多，並且陸續增加中，研究這些系外行星，可以幫助 我們更加了解太陽系行星的形成過程。 圖12-18 哈柏太空望遠鏡拍攝的恆星形成區，可以看出在瀰漫星雲中耀眼的恆星。 12-2 追溯地球的起源 • 現代的說法 • • • • • 多數科學家相信宇宙來自約137億年前的大霹靂，物質向外膨脹，某些密度 較大的雲氣逐漸收縮，形成了億萬個旋轉星系，也形成了其內的恆星和行星。 我們的太陽系形成自一團稀薄的低溫雲氣，雲氣內包含了氣體和灰塵，主要 成分是氫和氦。雲氣緩慢的旋轉形成質量集中的核心，也在周遭形成複雜的 渦流。重力使巨大的雲氣收縮並且形成旋轉的盤面，中央的氣體愈來愈多且 愈來愈熱 ，點燃了中心的核反應，形成太陽。 盤面中的微粒逐漸聚集形成愈來愈大的顆粒，成為微行星，大小相當於小行 星。當微行星在太陽周遭運行時，較大的天體會吸引較小的天體而逐漸增大， 掃除軌道上其他較小的物體 。 在靠近太陽的區域溫度較高，只有矽、鋁和鐵等物質可以結晶成固體並形成 類地行星，包括水星、金星、地球和火星。往外隨著距離增加，溫度下降， 於是沸點較低的物質如水、甲烷等可以成為固體（冰）。 在最外圍的區域，除了氫、氦和氖等氣體外，其他物質都可以成為固體並形 成行星和衛星。大量氣體因為引力而圍繞在冰核周遭，形成了體積較大且密 度小的類木行星，包括以氣態為主的木星、土星及以冰體為主的天王星與海 王星，這些行星持續在盤面上以同方向繞行太陽 。 12-2 追溯地球的起源 • 現代的說法 • 行星帶著衛星繞太陽運行，並逐步清除軌道上的碎屑，這個過程可以 藉由月球、水星與火星上保留的許多隕石坑而得知。 • 行星接下來的歷史，就和其質量大小、內部熱能以及距離太陽遠近有 關，這許多因素造成了行星間的個別差異。 • • • 以地球為例，因為與太陽距離適中，接收到適量的太陽輻射。太陽系早期微 行星碰撞時，使天體溫度上升，導致內部熔化。水星、月球等較小天體因散 熱快而急遽冷卻；地球內部另有放射性物質衰變，且因為體積較大散熱慢， 可以將熱能保留較久，因而有較長久的內部地質活動，例如火山和板塊運動。 地球早期受到大量彗星撞擊，帶來大量的水，因地球逐漸冷卻，大氣中的水 氣凝結成海洋，促成生命形成 。原始大氣中的大量二氧化碳溶入水中，並與 水中鈣離子結合形成碳酸鈣沉澱。植物在海洋中生成，吸收二氧化碳並釋出 氧氣，之後開始有動物出現。高層氧氣受紫外線照射產生臭氧，得以隔絕陽 光中的紫外線，於是部分生物登上陸地生活，漸漸形成現在的環境。 地球的質量恰能保有適量大氣，得以維持適宜的溫度並減少小天體與宇宙射 線對地表的攻擊。因此，距離太陽遠近與質量大小，都是形成目前地球環境 的主要因素。 雲氣收縮，且溫度愈來愈高，並形成旋轉盤面 近太陽處溫度較高，結合成以 金屬和岩石成分為主的微行星。 雲氣外圍較低溫，除岩石和金屬 外，冰也可存在。 盤面微粒聚集，形成微行星 形成以金屬和岩石為主的類 地行星。 外圍微行星吸引氫、氦和氖等氣體，形成體積較大、 密度較小的類木行星。 相鄰微行星彼此碰撞、結合而增大 太陽風吹離剩餘物質，太陽系形成 圖12-20 地球演變的不同時期：a. 大量隕石撞擊；b.地表成熔融狀 態；c.到處岩漿噴發產生大量氣 體；d.大氣的阻隔減少了隕石撞 擊；e.地表冷卻形成海洋且有了 生物；f.高層氧氣受紫外線照射 形成臭氧層，生物登上陸地生活。