第八章 宇宙觀、天文學與地球科學

1. 第八章宇宙觀、天文學與地球科學

2. 8.1 人類宇宙觀之進展 • 古代中國人認為：天圓地方，而天地則是由盤古開天闢地所產生 • 古代西方人認為：地球是宇宙的中心，其餘天體如太陽、月亮、星星等均繞地球旋轉

3. 8.1.1 哥白尼與太陽中心學說 • 哥白尼（Copernicus）70歲時發表鉅著《天體運行論》，此書中記載日蝕、月蝕、火星衝日、木星衝日、土星衝日等27項實際天文觀測之數據，推論出地球繞太陽公轉之事實

4. 8.1.2 克卜勒與行星三大運動定律 • 德國科學家克卜勒（Kepler）一生觀察了719顆恆星，並記錄了當時已知的太陽系中6大行星之運動狀況，而歸納出行星運動三大定律

5. 橢圓軌道定律 • 行星運轉之軌道為橢圓，而被繞行之天體位在橢圓軌道之某一焦點上

6. 等面積定律 • 在相等的時間內，行星掃過相等的面積 • 每年冬至時，地球剛好位於橢圓軌道之近日點上，因此公轉速度最快，但是到了夏至時，地球剛好位於橢圓軌道之遠日點上，因此公轉速度最慢

7. 調和定律 • 繞行相同天體的任何顆行星，其公轉週期（P）的平方與其軌道之半長軸（r）之立方成正比

8. 8.1.3 伽利略與太陽中心理論的確立 • 伽利略（Galileo）在1609年發明並改良望遠鏡，使得觀察天體更加方便。他用望遠鏡發現月球的表面凹凸不平，而銀河是由無數恆星所組成等。由於他支持哥白尼的太陽中心之論點，而遭教會迫害，其一生最後9年均在牢獄中度過。因為伽利略等科學家的犧牲，西方人的宇宙觀才逐漸脫離基督教會的控制，建立正確的看法

9. 8.2 天文學與太空科學上的重要成就 • 中國東漢時代的天文學家張衡，他發明了渾天儀，可以用來解說許多天文現象，如日、月、星辰升起落下時間的變化等 • 1682年，人類便用望遠鏡觀察到土星的光環，並將其描繪出來，後來人類又用望遠鏡找到太陽系中的天王星、海王星等行星

10. 8.2.1 雙（子）星、星團與銀河系的觀察 • 雙聯星：兩顆距離很近的星體，彼此繞著它們的共同質量中心旋轉。例如天狼星與其一顆較黑暗的伴星形成一組雙聯星，因此在地球上看天狼星，其亮度會有週期性變化 • 光學雙星：它是指兩顆星只是從地球上觀察非常接近，但兩者之間真實的距離卻非常遙遠

11. 雙聯星(上)與光學雙星(下)

12. 銀河系與太陽系 • 銀河系是由2000億顆以上的恆星所構成的巨大扁平螺旋狀星雲，銀河系的中央最厚處約1.6萬光年 ，而太陽系為其中的一員。宇宙中像銀河系的巨大星雲還有仙女座大星雲、麥哲倫星雲等 • 太陽系位處在銀河系的一條螺旋臂上，它距離核心約3萬光年遠

13. 8.2.2 太陽與恆星之光譜的觀測與分析 • 20世紀初，美國哈佛大學天文臺對50萬顆恆星進行了光譜研究，他們根據恆星不同的光譜線進行了分類，定義藍色為O型、藍白色為B型、白色為A型、黃白色為F型、黃色為G型、橙色為K型、紅色為M型 • O型恆星的溫度高於25000K，它的多數原子都呈現游離狀態，例如氮失去兩個電子，矽失去三個電子 • B型恆星的溫度則是在11000至25000K之間，其光譜線顯示B型恆星上的矽失去1或2個電子，氧和鎂原子則各失去1個電子。至於其他型態的光譜也有其不同的意義

14. 星球的亮度 • 視星等是指星球的目視亮度，1等星要比6等星亮100倍，根據這個關係，星等被量化，每級之間亮度則相差2.512倍 。根據視星等，牛郎星為0.77等，織女星為0.03等，天狼星為－1.45等，太陽為－26.7等。現在地面上最大的望遠鏡可看到24等星，而哈伯望遠鏡則可以看到30等星 • 絕對星等是指從距離星球10個秒差距的位置觀察此星球的目視亮度，它代表恆星本身的發光強度。根據絕對星等，牛郎星為2.19等，織女星為0.5等，天狼星為1.43等，太陽為4.8等

15. 8.2.3 恆星演化與大爆炸理論 • 核融合所造成的熱膨脹與恆星物質彼此間之萬有引力所產生收縮會互相平衡，使得恆星之體積能保持固定 • 當恆星中的氫完全融合成氨(NH3)的時候，會將三個氮的原子核融合成碳的原子核，此時恆星的體積會變大，變成紅巨星 • 當恆星內部所有的可形成核融合的物質消耗完畢的時候，這時恆星便不再發熱，因此熱膨脹的動力消失，這時候恆星中的物質彼此間之萬有引力會使得星體開始收縮

16. Chandrasekhar之極限理論 • 恆星死亡時的質量小於太陽1.44倍者，最後會收縮變成白矮星 • 恆星死亡時的質量大於太陽1.44倍而小於太陽3倍者會收縮變成中子星 • 恆星死亡時的質量大於太陽3倍者，則會收縮成黑洞

17. 黑洞吸收物質示意圖

18. 黑洞之觀測與確認 • 第一個經間接觀測所確認的黑洞是天鵝座之X1，其質量約為太陽5.5倍 • 1990年4月27日哈伯太空望遠鏡正式啟用，在仙女座大星系M31附近的M32發現了一個質量大於太陽300萬倍的黑洞

19. 大爆炸（Big Bang） • 都卜勒效應（Doppler Effect）：當波源與接收點彼此遠離時，量測到的波長會增加（即頻率減小），而當波源與接收點靠近時，量測到的波長會變短（即頻率增加）。而紅位移（Red Shift）則是一種天文上的都卜勒效應，當恆星遠離地球時，在地球上所觀察到的恆星之光波長會越來越長 • 由於現在所有星球都出現了紅位移現象，因而可推論出宇宙正在逐漸變大中，這便是大爆炸理論最主要的證據

20. 大爆炸的理論 • 宇宙大約在100多億年前，由一個極小、溫度極高的不知名的東西所爆炸而成，隨著宇宙爆炸之後所產生的膨脹，宇宙的溫度也逐漸降低 • 大爆炸之後約4分鐘左右，宇宙溫度已降低到9億度左右，此時可以形成氫與氦的原子核 • 大爆炸之後約75分鐘左右，原子核間的距離已隨著宇宙膨脹而加大，彼此間便無法碰撞進行核反應，所以元素合成到氦便已終止，這便是目前宇宙所擁有的氫與氦之由來

21. 大爆炸70萬年後，宇宙的溫度已降低到可使得原子核能捕獲到電子而形成穩定的原子。至此，宇宙間自由電子的數量便急劇減少，而使得電磁波輻射因而能夠通行無阻的往外傳播。從此以後，物質與輻射便分道揚鑣，而物質逐漸形成星系與恆星 • 大爆炸10億年後，大致已形成目前所見到的宇宙

22. 8.2.4 人造衛星、登陸月球、太空站與太空梭 • 世界第一顆人造衛星於1957年由蘇聯發射，隨後引起美蘇之太空競賽 • 美國於1969年登陸月球成功，並於1981年試飛太空梭成功 • 蘇聯於1971年發射第一個太空站（太空實驗室） • 1999年我國自行研發的中華一號低軌道衛星在美國發射升空，開啟了台灣進入太空時代之序幕

23. 人造衛星、太空站與太空梭

24. 1969年7月21日，美國太空船阿波羅號降落在月球表面寧靜海地區，此時太空人阿姆斯壯（Armstrong）踏出人類的第一步，正式登上月球表面，完成登陸月球之壯舉，整個任務圓滿成功。自1969年後至1972年之間，美國陸續又有12位太空人登陸月球

25. 太空梭是一種太空交通工具，普通的飛機只能在大氣層中飛行，但是太空梭卻可穿越大氣層和太空的界線（高度100公里的卡門線）；一般的火箭太空船只能使用一次，但是太空梭卻可重複使用太空梭是一種太空交通工具，普通的飛機只能在大氣層中飛行，但是太空梭卻可穿越大氣層和太空的界線（高度100公里的卡門線）；一般的火箭太空船只能使用一次，但是太空梭卻可重複使用

26. 太空中的生活 • 人類其實不宜在無重力之太空船中生活太久，例如在太空中無重力狀態下待太久的人，身高會變長，骨骼之耐力會變差。過去有許多前蘇聯之太空人自太空站回到地球後，往往需用擔架抬往醫院，修養數日後方可活動自如。而美國之太空人在太空梭上，每日需騎腳踏車鍛鍊腿力，並作其他運動 • 由於在無重力之太空船中，物體會漂浮，因此吃飯、喝水、洗澡、上廁所等方式，都與在地球上不同，所以太空人必須經過訓練，否則無法適應。其他如訓練太空人在無重力的太空船中睡覺，也是重要之課題，否則太空人無法得到適當的休息

27. 太空中生活的影片

28. 第一位上太空的女太空觀光客安薩里講述她的太空見聞第一位上太空的女太空觀光客安薩里講述她的太空見聞 • 在太空站中會到處漂浮，還因為不斷撞到太空艙，而在身上留下不少瘀青。不過最大的挑戰是洗頭髮，你要讓頭上有水泡，要很輕很小心的揉搓洗髮精，假如你搓得太快，這樣水泡就會到處都是，會弄得一團亂。 • 太空中要上廁所要使用小便蒐集器，否則尿液會到處漂浮。

29. 太空站中可進行之工程科技 • 因為太空為一超真空、超低溫及無菌之環境，因此可在太空站中製造藥品，可避免各種微生物、塵埃等污染。另外，許多生物工程科技也可在太空進行 • 因為太空為一超真空、微小重力、無雜質之環境，因此可在太空站中製造大塊的、無缺陷的、高純度之半導體

30. 因為太空為無重力的狀態，可利用熔融金屬之內聚力，使熔融金屬自動形成圓珠，製造高圓度之軸承因為太空為無重力的狀態，可利用熔融金屬之內聚力，使熔融金屬自動形成圓珠，製造高圓度之軸承

31. 幾個曾經在太空船中做的有趣實驗 • 種子發芽的觀察：在地球上種子發芽時，由於地心引力之故，根會向下而枝葉會向上，但在太空船中無重力的環境之下，是否根仍然向下而枝葉仍然向上，值得觀察

32. 蜘蛛結網的觀察：在地球上蜘蛛可以結出實用的網子以捕捉昆蟲，且不會被自己吐出的網絲給黏住，但在太空船中無重力的環境之下，大多數蜘蛛變得不會結網，或是結得亂七八糟

33. 火焰的觀察：在地球上火焰多呈紅色錐形，但在太空船中無重力、無空氣對流的環境之下，火焰呈藍色球形

34. 8.2.5 天文觀測與望遠鏡技術之突破 • 哈伯太空望遠鏡在1990年發射至距離地球表面575公里處的軌道，它可避開地球表面的光害，觀察遙遠的超新星，研究太陽系外的星體 • 目前世界最大的地面望遠鏡是在美國亞利桑那州海拔3190公尺的葛拉罕山上，此望遠鏡具有兩個直徑為8.4公尺的聚光鏡，名為Large Binocular Telescope（LBT），共占地約110平方公尺，用LBT可看到250萬公里外的蠟燭燃燒。自2005年10月16日開始算起，在10到15年內，LBT都將是全球最大的望遠鏡設備

35. 8.3 地球科學 • 地球是太陽系中的一顆行星，具有代表性，而且地球又是我們人類所生存的星球，所以地球科學是一門很重要的學科

36. 8.3.1 地球的內部結構 • 地球的內部由外而內分為三層： • 地殼主要由岩石組成，其密度最小，溫度最低，是三層之中最薄的一層。其平均厚度約為17公里，而陸地部分的平均厚度為33公里，海洋部分的厚度比較薄，約為6公里 • 地幔又分為上地幔（又名上地函）和下地幔（又名下地函）兩層。地幔的主要成分為矽酸鐵與矽酸鎂的鹽類。上地幔的頂部存在一軟性流體層，它可能是岩漿的發源地之一。上地幔的平均範圍從地下5公里到地下70公里，下地幔的平均範圍從地下70公里到地下2900公里，地幔的體積占地球總體積的82% • 地核又分為內核與外核，地下2900公里至地下5000公里深處為外核，地下5000公里以下至地心為內核。地核的溫度很高，壓力與密度都很大，其成分據推測為鐵與鎳，並含少量較輕元素。外核的物質應為液體，內核的物質則為固態

38. 8.3.2 岩石的分類與研究 • 岩石可分為三大類： • 火成岩為火山噴發之岩漿所凝結之岩石，包括玄武岩、花岡岩等 • 沉積岩為經過水流沉積所形成之岩石，包括砂岩、頁岩、石灰岩等 • 變質岩為岩石經自然現象所產生之化學或物理變化，所形成之另一種岩石，例如黏板岩、月麻岩、大理石等，其中大理石即為石灰岩之性質改變所形成的岩石

39. 岩石之合成 • 而我國的中央研究院劉玲根博士曾在1978年時，於美國實驗室人工合成出新的礦物，經過國際礦物協會正式審核通過，將之命名為「玲根石」 • 劉玲根運用雷射加溫高壓實驗法，透過儀器將常見礦物磨成粉狀，在高溫高壓下觀察其變化。他發現在超過20萬大氣壓力及攝氏1000度下，花岡岩成分之一的鈉長石，就會變成玲根石。而20萬大氣壓力相當於地表下500多公里環境 • 2000年時，科學家已在2、3種隕石中找到與玲根石相同物質

40. 8.3.3 地質年代的分類與測量 • 地質年代一般分為古生代、中生代及新生代，每一代又分若干紀，每一紀又可分若干世。例如侏儸紀為中生代之一紀，而現在為新生代之第四紀的全新世。現今測量地質年代的方法主要是用放射性同位素的測量法 • 地質年代表與地質紀錄的時間推算有關，首先要收集世界各地的沉積層紀錄，並依照重大事件將其連結，例如物種的生存與絕滅、古代地磁倒轉等，沉積層紀錄可藉此對應到地質年表上的相對位置，接下來則是計算地質紀錄的時間，並對應到地質年表上的絕對位置

41. 鸚鵡螺化石

42. 恐龍化石的發現 • 最早發現的恐龍化石是在1822年由一個英國醫生的妻子所發現的

43. 迅猛龍

44. 古代中國人是否曾經發現恐龍化石而不自知？ • 古書《說苑》中記載著一段春秋末期的故事：「吳伐越，隳會稽，得骨專車，使問孔子曰：『骨何者為大？』孔子曰：『禹致群臣會稽山，防風氏後至，禹殺而戮之，其骨節專車，此為大矣。』」這個故事是說吳王夫差戰勝越王勾踐時，曾在越國首都會稽挖出一塊巨大的骨頭化石，於是吳王夫差便派遣使者去請教當時最有學問的孔子，而孔子認為那是人類（夏朝大禹時代的諸侯防風氏）的一節骨頭。但人類的任何一節骨頭都不可能大到要用春秋時代的馬車才能載滿（得骨專車），所以較合理的解釋應該是：《說苑》中記載了春秋時代恐龍化石在會稽出土的記錄，但是孔子並不知道恐龍的存在，所以無法給予正確的回答

45. 近代中國發現恐龍化石的地方遍及浙江、雲南、四川、山東、內蒙、新疆、黑龍江等地區，而中國最早被科學家命名的恐龍化石是出土在黑龍江省的嘉蔭縣，目前黑龍江嘉蔭神州恐龍博物館展示當地所出土的恐龍化石 。嘉蔭縣不僅出土鴨嘴龍的化石，還發現了鳥龍化石等

46. 8.3.4 地殼變動的理論與地形地物之改變 • 地殼變動的原因一般是由於地殼的斷層所造成，如地震、大陸漂移等，不少陸地曾經是海洋，不少海洋曾經是陸地，經過漫長的地質變化，才形成今天這個狀態。比如海拔3000米的四川峨眉山就曾經3次沉入海底，3次隆起成為高山，在峨眉山上發現的眾多水下古生物化石就是很好的證據

47. 由於地殼的變動，加上火山爆發、水的沖刷、風力的侵蝕、地震、降雨量的改變等等，地表之山川、河流、海洋、湖泊等，均會隨時間產生變化，例如：由於地殼的變動，加上火山爆發、水的沖刷、風力的侵蝕、地震、降雨量的改變等等，地表之山川、河流、海洋、湖泊等，均會隨時間產生變化，例如： • 中國的黃河，歷史上便記載其曾經改道7次以上 • 中國大陸新疆的羅布泊，歷史上記載其有時候有水，有時候則乾涸，而目前自1965年之後即呈現無水狀態，已成為中共核子試爆區 • 中國古代的雲夢大澤，今日則面積縮小成為洞庭湖與鄱陽湖 • 台北盆地在古代是一個台北湖，後來因在淡水附近出現缺口，於是乾涸變成盆地

48. 羅布泊現況

49. 地震 • 目前全世界每年大約發生500萬次地震，平均每分鐘地震約10次，而人能夠感覺到的地震只占1%。全世界平均每年發生約18次能造成嚴重破壞的大地震，而特大地震平均每年只有一次

50. 8.3.5 遙測技術探測地球 • 遙測是利用電磁波（紅外線、微波或雷射）探測遙遠目標的信息。例如： • 在地面上發射電磁波至雲層或電離層，再根據回波特性之改變來推測氣象變化或電離層中之離子分布 • 在地面上向地底發射電磁波，可根據回波來判斷地底所含礦物如石油、金屬之成分等訊息 • 自太空中之人造衛星、太空梭（船）或天空中之飛機向地表或地底進行遙測