Chapter 4

1. C007 自然科學概論　第六版 Chapter 4 地 球 環 境 編著：杜平泉、方　慧、杜鳳棋、吳鎰州 　　　唐幼華、柴御清、蔡忠賢

2. 4-1 地球的起源 4-2 地球的形狀與大小 4-3 地球的公轉與自轉 4-4 地球的構造 4-5 板塊運動 4-6 地　震 章　 節　 簡　 介 4-7 海　嘯 4-8 火　山 4-9 颱　風 4-10 地質年代 4-11 大氣層 學習摘要

3. 4-1地球的起源 據大霹靂理論(big bang theory)，宇宙是在大約140億年前的一次大爆炸後誕生的。在未爆炸以前，它是處於一極高密度與極高溫度 ( 約攝氏度 ) 的狀況下；爆炸後，由於宇宙不斷的擴張使得溫度不斷的冷卻下來。 由於萬有引力的關係，冷卻下來的各類物質慢慢的聚集在一起，形成了星球、行星以及星團。擁有大約2000億星球的銀河系，亦是經過這過程而誕生。

4. 4-1地球的起源 太陽系一共有九大行星 ( 如圖4-1)。 地球是其中之一，以幾乎是圓形的軌道繞著太陽公轉。它是僅次於水星 ( mercury )、金星(venus)，而為第三個最接近太陽的行星；它的重量以及直徑是行星中的第五大，但是密度卻是太陽系中最大的行星。

6. 4-2地球的形狀與大小 地球赤道和極直徑，分別為12,756及12,714公里，地球赤道周長為40,075公里。它和一般的行星一樣，是一個略扁而非正圓的球體。南、北兩極略為扁平，而在赤道部分稍微往外突出；如同將一個灌滿水的圓形塑膠汽球，置於桌面上時所呈現的略扁圓球形狀。 地球的形狀又並非是一個相當對稱的扁圓球體；它的北極比南極凸，赤道部分也不是正圓型，其位於太平洋的部分稍微突出；而印度洋卻下凹的類似西洋梨的形狀。但其高出以及凹下的部分皆小於85公尺 ( 如圖4-2)，因此和整個地球來比較的話，地球的形狀還是可以稱為是扁圓球體 ( 如圖4-3)。

9. 4-3地球的公轉與自轉 地球以平均108,000公里 / 小時的速度，以近乎橢圓形的軌道繞太陽運轉，稱為公轉，依據物理學的原理：當一月時的地球離太陽最近，它運行的速度也最快；七月初時的地球離太陽最遠，運行的速度變得最慢。 地球的軸心與運行的軌道面成的傾斜角度，它依軸心自轉，自轉的速度隨著緯度的增加略為減慢，其在赤道的速度大約為1609公里 / 小時。由於地球的自轉、公轉以及它的傾斜軸心，使得地球具有幾項特性：(1) 產生四季的變化；(2) 晝、夜則隨著四季的變化有長短現象；(3) 地球各地的氣溫隨著緯度而改變。

10. 4-3地球的公轉與自轉 如圖 4-4 所示，當每年的3月20或21日，北極開始朝向太陽；至6月21或22日，北極正對太陽；至9月22或23日後，便開始遠離太陽。在這段期間內，我們位處的北半球日照時間最長。而北極在6月21或22日當天，24小時都是白天，此時南極因為正好處於地球的陰影地帶，因此一天24小時都是黑夜。 到了12月22或23日，北極則為24小時都是黑夜，而南極一天有24小時的日照。從9月22或23日到隔年的3月20或21日，北半球日照時間逐漸縮短。

12. 4-4地球的構造 地球大約在46億年前形成。剛形成初期，由於受到大量隕石的撞擊，表面溫度持續的增加並到達熔點的溫度，使得地球表面熔解成岩漿狀 (molten lava)。因此當撞擊的情況緩和終止後，地球表面的溫度冷卻並產生大量的火成岩結晶。 接著因為地球內部之放射性物質如鈾、釷等的放射衰變，所累積的高溫再將內部熔化成熔融狀態。密度大的金屬如鐵、鎳等金屬則沈入地球內部，而密度較輕的物質如岩石則浮到地球表面上來。

13. 4-4地球的構造 地質學家利用震波的反射和折射的原理，可以探測出地層的構造。當震波通過不同的岩石層時，由於岩石密度、彈性以及其他物理性質的不同，震波的速度跟著而變。岩石的密度和硬度越大，震波穿透的速度越快。 因此當密度改變，震波將產生折射現象；若碰到不同物理性質的岩石界面層時，部分震波將被反射回到地球表面 ( 如圖4-5)。根據震波反射和折射的數據，地質學家推斷地球的內部是屬於層狀結構，每層的性質以及密度各不相同。依照性質與密度的分類，地球的構造可區分為：地殼、地函和地核等三層 ( 如圖4-6)。

16. 4-4-1地 殼 地殼(crust) 是地球結構最外一層，又分為海洋和陸地兩部分。覆蓋在海洋底下和構成陸地的地殼的物理性質各不相同(如表4-1)。由於組成岩石種類的不同，海洋底下的地殼比一般的陸地地殼薄，但是其密度卻比陸地型的地殼密度大(如圖4-7)，因此震波通過海洋底下地殼的速度，則比通過陸地地殼快。 陸地地殼的岩石以矽與鋁為主要的組成元素，稱為矽鋁層(sial)，如花崗岩、頁岩、麻岩等；海洋地殼則以矽與鎂為主要的組成元素，稱矽鎂層 (sima)，如玄武岩。陸地地殼的厚度範圍從10公里到屬於山脈底下的地殼厚度約70公里以上；而在海底下面的地殼則比較薄，約5至8公里的厚度。

19. 4-4-2地 函 位於地殼與地核之間，寬度約2870公里的部分稱為地函 ( mantle)。地函約佔地球總體積的80%，佔地球總重量的2/3倍。它的組成都為矽酸鹽類，以鐵鎂矽酸鹽為主，如橄欖岩 (olivine)。 通常700公里深度以上的地帶稱為上部地函 (upper mantle)，以下地帶稱為下部地函 (lower mantle)。

20. 4-4-3地 核 從地球表面下2900公里，到地球中心處6370公里的地帶稱為地核 (core)。它的半徑約為3470公里，壓力高達3.5百萬大氣壓力，溫度與太陽表面的溫度略同，大約為。地核大約為地球總體積的15%，重量幾乎為地球總重量的1/3倍。由震波資料顯示，地核分為兩部分，外層地核及內層地核；地心部分為固體，半徑約1200公里，外層地核為液體。 撞擊地球的隕石主要有兩類：(1) 矽酸鹽類隕石，與 (2)鐵或鎳鐵合金隕石。地殼與地函主要組成為矽酸鹽類，因此推斷地核的組成應為鐵或鎳鐵合金。由於鐵為電的良導體，因此地球有很強的磁力場。 　

21. 4-5板塊運動 仔細觀察世界地圖，我們不難發現北美洲、南美洲的東海岸與歐洲、非洲的西海岸似乎可以吻合在一起 ( 如圖4-8)。又由各大洲相互間的形狀來觀察，它們似乎曾經是由一大塊的陸地，後來彼此分裂移開而形成。 公元1855年史奈德 (Antonio Snider) 首先提出，南美洲與非洲原來是一塊陸地的理論。

23. 4-5-1大陸漂移論 德國科學家魏格納 (Alfred Lothar Wegener, 1880-1930)，根據從大西洋兩岸發現類似的動植物化石，於1915年創立了大陸漂移論 (continental drift)。 他指出現今的各大洲在距今約2.5億年前( 約古生代石炭紀的末期 ) 是連在一起的，形成一整塊的大陸稱「盤古大陸」(pangaea)，後來才分裂開並向四周移動，而形成目前的各大洲陸塊。

24. 4-5-2海底擴張論 海洋的地殼就如陸地的地殼一樣，有平坦的地形、深谷，也有高聳的大山，稱中洋脊 ( oceanic ridg-es)。中洋脊的頂部通常有一狹長的裂縫 (rift)，地心裡高熱的岩漿從裂縫流出(如圖4-9)，順著中洋脊背兩側流下，冷卻後產生新的岩石層，擠迫中洋脊兩側的海底地殼，使得中洋脊兩側的海底地殼不斷的朝外擴張，此現象稱為海底擴張 ( sea-floor spr-eading)。 公元1962年美國地質學家海斯 ( H. H. Hess, 1906-1969)發表海底擴張論，由海底沈積物的厚度，隨著海底地殼與中洋脊間距離成正比的現象得證。

26. 4-5-3板塊構造論 公元1968年麥肯錫 ( D. P. Mckenzie )、帕克爾 ( R. L. Parker ) 和摩根 ( J.W. Morgan) 等人綜合大陸漂移、海底擴張理論等提出板塊構造理論 ( Plate tectonics ) ( 如圖4-10 )。 此理論認為地球是由許多剛硬且厚度不大的板塊所構成。地球是由大約二十幾塊大小不等的板塊所組成，其中較大的有七塊：歐亞板塊、印度－澳洲板塊、太平洋板塊、北美洲板塊、南美洲板塊、南極洲板塊與非洲板塊。

28. 4-5-3板塊構造論 其他較小的有菲律賓板塊(Philippine Plate)、寇克斯板塊(Cocos Plate)、拿札卡板塊(Na-zca Plate)、加勒比板塊(Caribbean Plate)、阿拉伯板塊 (Arabian Plate)等。由於海底擴張的影響，板塊不斷的在移動，因此產生相互碰撞現象。 兩塊相鄰的板塊都是海底地殼，其中的一塊板塊在擴張的過程中將被擠到另一塊板塊的下面，使得兩塊板塊接觸的地方產生巨大的海溝。如果產生的岩漿多到昇至海面上，將形成連串的火山群，如日本和菲律賓島嶼。

29. 4-5-3板塊構造論 若海底地殼和屬於陸地的地殼相碰撞，厚度較薄、密度較高的海底地殼，將被擠壓到厚度較厚、密度較輕的陸地地殼的下面，結果使得靠近海岸線的陸地形成連串的火山群，如南美洲的安底斯山 (Andes Mountains)。 由於同屬於陸地地殼的板塊相碰撞的現象較少，比較明顯的例子如屬於印度的板塊，２億年來一直不斷的朝北向屬於歐亞板塊的西藏擠壓，使得碰撞的地區形成現今世界最高的地方－喜馬拉雅山。

30. 4-6地 震 地震是板塊運動 ( 或地殼變動 ) 的直接證據之一，它可分為自然地震與人為地震 ( 如核子爆炸 )，一般所稱之地震為自然地震，其發生原因大致為：(1) 板塊運動；(2) 火山活動；(3) 衝擊性地震 ( 如隕石撞擊 )。 科學家認為造成地震的原因是：板塊間互相運動、擠壓而在邊界造成的一種天然現象。

31. 4-6地 震 當兩板塊撞擊時，往往會造成岩層斷裂、錯動，當岩層受到擠壓超過它變形能力時，即會斷裂、滑動，同時也將長期累積的應力，放出大量的能 (量)，在瞬間以各種震波釋放出來。這即是我們平常所感覺到的地震。美國大峽谷即是地球早期因板塊碰撞而產生的一個例子 ( 如圖4-11)。 斷層現象產生時，常伴隨著大地震。如公元1999年發生於我國台灣的集集921大地震(如圖4-12)，是車籠埔斷層發生斷層現象。

34. 4-6地 震 地球每個地區都可能發生地震，經過統計，世界地震帶主要分為： 1 環太平洋地震帶，包括沿著太平洋周圍的島弧、深海溝以及山脈，約有68% 地震發生於此帶內； 2 歐亞地震帶，北大西洋向東經地中海沿岸至我國青康藏邊境轉緬甸、印尼群島，約佔21%地震發生； 3 中洋脊地震帶，主要有三支含大西洋、印度洋、太平洋海底山脊，約佔11% 地震發生。

35. 4-6地 震 台灣島的地理位置恰好在地震頻繁的環太平洋地震帶，又可分為： 1.西部地震帶，自台北市經新竹、台中、嘉義至台南，寬約八十公里，大致與島軸平行，地震發生頻率較低均屬淺層地震，往往會造成地面劇烈錯動，因之地震災害較大且餘震較多，例公元1999年9月21日南投集集規模7.3的大地震，造成數千人傷亡的重大災情，餘震就有一萬多次；

36. 4-6地 震 2.東部地震帶，北起宜蘭東北海底延伸經花蓮、新港至台東，並可一直延伸至菲律賓呂宋島，此帶近似弧形朝向太平洋與台灣島相平行，寬130公里，特徵為地震次數多，通常震源比西部者為深； 3.琉台地震帶，此帶自琉球群島向西南延伸，經花蓮、宜蘭至蘭陽溪上游附近，震源深度從淺層到三百公里深。

37. 4-6地 震 台灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海洋板塊接合處，兩塊板塊的接合處即是花東縱谷，因板塊運動所引發的碰撞和擠壓而導致地震特多，據統計平均每年發生有感地震約有235次，無感地震約有 1067 次，因此我們對於地震的基本防範知識以及災難應變能力上要隨時加強，以維護生命財產安全。 地震強度我國中央氣象局則採用7級制分法，依次分為無感、微震、輕震、弱震、中震、強震、烈震 ( 如表4-2)。

39. 4-7海 嘯 常因地震而引起的海嘯 (tsunani)，最令人畏懼，由於部分的海底地區沿著斷層突然下降，其震波若撲向沿海陸地便造成海嘯。它可以高達700公里的速度推進，而其海嘯的高度可達到13公尺高 ( 如圖4-13)。當此種猛浪如沖擊到陸地時，拱起的浪潮有如破壞性洪水向陸地推進。 公元2004年12月26日印尼蘇門答臘外海發生芮氏9.03的強烈地震，引起大海嘯造成南亞和東南亞八個國家嚴重災難，死亡人數超過27萬3千人，超過200萬人無家可歸。

41. 4-8火 山 火山和地震均為地球內營力作用所產生，地球內部充滿著高溫的融熔流體，稱之為岩漿 (如圖4-9)，它是自然生成而熾熱的液體，存在於地下岩漿庫中，有不同的化學成分，但是最主要的是矽酸鹽類，並且含有高壓下的揮發氣體，以水蒸氣和二氧化碳為主。 火山的分布主要集中在環太平洋帶和地中海帶，自地中海經亞洲與印尼群島和環太平洋帶相連接。地球上火山帶的分布和地震帶重合，顯示太平洋帶和地中海帶為地殼上的弱線的所在地，故有火山和地震的頻繁發生。

42. 4-8火 山 火山口 (crater) 噴發的物質有固體：火山碎屑 (pyr-oclastic debris) 如火山塵、火山灰、火山塊、火山彈等；液體：岩漿 ( magma )，酸性含量最高；氣體： 50% ~ 70% 為水蒸氣和二氧化碳及其他氣體等。 　根據地質時代測定結果顯示，仍有一些特殊的景象如噴泉、溫泉、噴氣孔等。唯一活火山在龜山島，最近一次火山爆發在七千年前，其海底至今仍有旺盛的熱水活動。台灣西南部一帶出現「泥火山」，與一般火山不同，泥火山噴的是「泥漿」及一些天然氣，有時會產生「出火」的奇景如台南關仔嶺的「水火同源」，而高雄燕巢則噴出熱泥漿。

44. 4-9颱 風 4-9-1認識颱風 火山台灣地區在５、６月份梅雨季之後，影響人民生活最顯著的天然災害，就是颱風，它大部分發生在夏、秋季節 (７、８、９三個月的次數最多 )。侵襲台灣地區的路徑由東向西者最多，由南向北移動者較少。登陸地點通常在東部，西部登陸的比較少。 　颱風帶給台灣的災害主要有狂 ( 暴 ) 風、豪雨、暴潮及海水倒灌。

45. 4-9-2颱風眼的結構 發展成熟的颱風，大都具有「颱風眼」。 它的直徑一般在數十公里，由人造衛星與雷達可觀測到在颱風中心近似無雲的圓形區域，此即「颱風眼」，在颱風眼外圍對流最旺盛風速最強，也是氣壓最低的地方，而颱風眼區則急速減小至幾乎無風狀態 ( 如圖4-15)。

46. 4-9-3颱風的形成 颱風是熱帶海洋氣團內的一個劇烈擾動，起因是空氣潮濕且高溫，使得不穩定且對流旺盛的低氣壓得以發展。 當對流發生時，水氣凝結釋出大量熱能，是提供低氣壓發展的能量。劇烈擾動的氣團，產生積雲對流，而積雲對流凝結釋放出來的熱能又加熱大氣使低氣壓增強，兩者互相合作，終使擾動發展成颱風。

47. 4-9-3颱風的形成 　侵襲台灣的颱風，大部分發源於熱帶西太平洋上，颱風移動路徑主要受到副熱帶太平洋高壓所控制，沿著高壓外圍氣流方向移動。 因為颱風通常發生在高壓南緣，使颱風發生後的移動方向大都向西( 順時針方向)，因此由西太平洋向西移動是侵襲台灣地區最常走的路徑。

49. 4-10地質年代 　公元1815年英國測量員史密斯 (William Smith) 發現，岩石的性質隨著年代的不同而不同，越往下的岩石，其年代越久遠，且存在於每一層岩石層內的化石也不一樣 ( 如圖4-16)：如三葉蟲化石 (trilobite) 只存在於最底層的岩石層；鸚鵡螺化石 (ammonite) 只有在中間部分的岩石層中被發現。 　地質學家根據地層的變化，以及化石遺跡的演變，將地球的地質年代由現代往前推，共區分為二個元 ( 如表4-3 )：其一為顯生元，區分為新生代、中生代、古生代，另外為隱生元，區分為原生代和始生代。