地球的演化與結構 - ncuxocwocw.ncu.edu.tw/ocwdata/62005/01-globe.pdf · 銀河系 - 1011...
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宇宙 (universe) - 109 銀河系 (galaxies) – 1011 恆星 (stars)
要解釋大霹靂先得回答一個問題
為什麼晚上的天空是黑色的?
銀河系 - 1011 恆星 (stars)
宇宙 - 1020 恆星 (stars)
每個恆星都有行星嗎
它們都是和我們一樣的嗎
讓我們從地質方面探討
首先來談談宇宙學 (cosmology) -
150億年前宇宙發生的大事
大霹靂(Big Bang) - 宇宙起源於一個溫度無限高, 密度無限大的奇異點
宇宙的起源
為什麼晚上的天空是黑色的?
1. 宇宙有限
2.宇宙間存在暗物質 (dark matter)
為什麼晚上的天空是黑色的? 1826年德國天文學家奧伯斯問
因為宇宙是宇宙蛋爆炸形成的! 1927比利時天文學家勒梅特說
當時沒有人相信
兩年後哈伯先生用他的望遠鏡提出了重要的證據
都卜勒效應 (Doppler effect) – 任何波動假如波源與觀測者之間有相對運動, 則觀測者測得的頻率與波長便會起變化. 若波源與觀測者互相接近, 則頻率觀測值會升高, 波長觀測值會降低; 反之則頻率觀測值會降低, 波長觀測值會升高.
大霹靂的背景知識:
1. 都卜勒效應
2. 原子吸收光譜
大霹靂發生的時間
1. 星系退行速率
紅移
2. 星系與地球之間的距離 (很難測)
基線視差法 利用地球公轉軌道作基線 / 離我們最近的恆星
3*1013 cm / 4*1018 cm 1 cm / 10 km
利用太陽繞行銀河系之基線
光度與閃爍頻率法 (燈塔法) 星球光度相同則閃爍頻率相同
外觀判斷法
元素行程的過程 地球 - 石質行星
主要以鐵, 鎂, 矽, 氧 所組成
恆星 – 主要以氫和氩組成
整個宇宙中氫和氩比其他元素多的多, 佔了全部的99%.
氫和氩是在大霹靂時生成, 而其他元素是如何生成呢?
資料來源:wikipedia
(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E7%B4%A0%E9%80%B1%E6%9C%9F%E8%A1%A8)
原子核 中子和質子組成
很小 10-13cm 幾乎佔原子所有重量
電子 原子核外面軌道上繞有電子, 佔大部分的體積 (10-8cm), 卻幾乎不佔重量
共用電子 形成新的化合物 只有電子軌道改變 不會太難達到
改變原子核 (點石成金)
這可不容易
因為所謂 “核火焰” 溫度高達五千萬度以上
只有大恆星的內部達到如此高溫
核子學 (Nucleonics)
主題一: 大霹靂時產生的元素 主題二: 恆星演化史 主題三: 超新星爆炸與中子捕獲法 主題四: 元素源自恆星的證據
主題一: 大霹靂時產生的元素
大霹靂 中子釋放出來 中子 質子 12分鐘半衰期
12分鐘時的宇宙 中子質子各半
氫核與中子不斷碰撞 結合 產生氩 (原子量4)
比氩重的元素
(原子量大於4的元素)
很難在大霹靂時形成
為什麼?
因為質量數5和8的元素不存在
所以比氩重的元素很難形成
但 為什麼……………..
主題二: 恆星演化史
1. 宇宙雲氣塌縮時 位能會轉成熱能 提供核聚變所需的能量
2. 核聚變後 因為質量變小 質能互換產生能量 造成熱膨脹
3. 熱膨脹會抵消重利造成的塌縮
使恆星體積維持不變
4. 恆星從氫開始燒
一直燒到鐵為止
然後爆炸
5. 紅巨星, 超新星, 與白矮星
主題三:超新星爆炸與中子捕獲法
西元1045年 中國宋朝的天文學家目睹了一科超新星的誕生 – 蟹狀星雲
超新星爆炸時的核反應 創造出比鐵重的元素 - 中子捕獲
鐵 (原子量56) 鈾 (原子量238)
慢作用 (slow process) 的中子捕獲 (後續)
主題四: 元素源自恆星的證據
恆星燒出九十種元素 然後大爆炸 射出他們並產生更重的元素
證據何在?
1. 恆星會發光
2. 大恆星爆炸出現過
3. 鎝元素存在於大恆星爆炸的餘燼裡
4. 模擬相對豐度與實際值的比較
1959/06 1972/05
太陽還可以燃燒很久
太陽系在很多紅巨星爆炸後才出現
元素產生了 接下來如何在地球 (或其他石質行星) 富集?
行星誕生的過程
太陽系 – 氣塵塌縮凝聚而成
主要以氫和氩所組成 (佔99%) (整個宇宙中氫和氩比其他元素多的多, 佔了全部物質的99%)
石質行星 – 如何形成?
主要以鐵 鎂 矽 氧 所組成 (佔90%以上)
它們是如何分開 如何形成行星?
了解太陽系行星系統如何形成
有三個重要線索
線索一: 每個行星的軌道 體積 和質量
線索二: 隕石的化學測量資料
線索三: 行星的化學成分估算
了解太陽系行星系統如何形成
有三個重要線索
線索一: 每個行星的軌道 體積 和質量
線索二: 隕石的化學測量資料
線索三: 行星的化學成分估算
隕石 – 流星 – 天上掉下來的禮物
隕石 (Meteorite)
隕石可以代表太陽系之平均化學成分
- 落隕 (fall)
- 覓隕 (find)
1. 石質隕石 (與地球上之超基性岩岩性相似)
- 含球粒隕石 (chondrite meteorite)
- 不含球粒隕石 (achondrite meteorite)
Olivine, enstatite, bronzite, hypersthene, pigeonite, serpentine,
diopside, plagioclase, etc..
2. 半鐵質隕石 (hemiiron meteorite)
3. 鐵質隕石 (iron meteorite)
鐵 鎳 佔 98%
隕石中之副礦物
Gold, cooper, sulphur, diamond, graphite, pyrite, zincblend, magnetite,
Ilmenite, chromite, spinel, quartz, tridymite, cristobalite, apatite, gypsum,
siderite, calcite, dolomite, etc..
了解太陽系行星系統如何形成
有三個重要線索
線索一: 每個行星的軌道 體積 和質量
線索二: 隕石的化學測量資料
線索三: 行星的化學成分估算
離太陽越近的星球似乎越重
我們可以用岩石和金屬的比率來解釋
也就是說
離太陽越近的星球金屬鐵較多
(如水星)
離太陽越遠的星球岩石較多
(如火星)
為什麼會有成份的變化?
是受太陽距離影響的嗎?
太陽系行星系統如何形成: 大規模的氣固分離作用
容易以氣體形式存在的元素,被太陽吹出來的離子撞擊,吹離了太陽星雲。存在塵埃及冰粒裡的元素,則留下來構成行星。
太陽吹出來的離子,就像強風吹過沙漠 (原始星雲),帶走了細砂與塵土
(輕元素,或是孤僻的元素),留下礫石 (重元素,或是親和性元素),形成礫漠 (石質行星)。
氣質行星的成因
站的比較遠 太陽風較弱
站的比較遠 比較冷 (冷到連甲烷 氨 水 硫化氫 都結冰)
個子夠大 重力夠強 像太陽一樣 足以吸住這些氣體
地球的內部 - 地核 地幔 與地殼
我們如何知道地球內部的情形 1.隕石
2.地震波
3.重力探測
4.磁力探測
5.熱流測定
6.地球整體的化學成分
地動儀,張衡 (A.D. 78 ~ 139)
地震儀
利用地震波探測
何謂 P-波 S-波 與 L-波?
(一)根據化學成份
(1)地殼(Crust)-分為大陸地殼的花崗
岩和海洋地殼的玄武岩。
(2)地函(Mantle)-佔有整個地球82%的
體積和68%的質量。
(3)地核(Core)-佔有整個地球16%的體
積和32%的質量,平均密度為10.78。
地球的主要構造單元
(二)根據物理性質
(1)岩石圈(Lithosphere)-包含地殼
和上部地函,相當於整個板塊的厚
度,約一百公里。
(2)軟流圈(Asthenosphere)-厚度約
兩百公里,可能由軟而局部熔融的
物質組成,為地函中的低速帶。
(3)中層圈(Mesosphere)-包含地函的
中、下部,位於軟流圈下方。
問題一 地核如何形成?
問題二 地核何時形成?
問題三 地殼如何形成?
問題四 地殼何時形成?
(1) 大都呈現近乎三角型的外圍。
(2) 集中於北半球。
(3) 由三個單元所組成:(a)地盾
(Shields)、(b)穩定地台(Stable
Platforms)、(c)褶曲山脈(Folded
Mountain Belts)。
大陸的主要特性
(4) 組成岩石質量較海洋輕。
(5) 組成岩石較海洋古老,有些將近38
億年老。
(6) 大陸氣候型態左右著大陸地形的型
態和發展。
(1)海洋地殼大部分由較重的玄武岩所
組成,其主要的地形特徵與海底火
山活動有密切關係。
(2)海盤組成岩石較年輕,大都少於1億
5千萬年。
(3)相對於大陸岩層而言,海洋岩層未
受地殼壓縮而變形。
海洋地殼的主要特性
(4) 海洋的組成單元可分為:
(a)海脊(The Oceanic Ridge)、
(b)深海海盤(The Abyssal Floor)、 (c)海底山(Seamounts)、 (d)海溝(Trenches)、 (e)大陸邊緣(Continental Margins), 包含大陸棚(Continental Shelf)和 大陸斜坡(Continental Slope)。
問題四 地殼何時形成?
海洋地殼很年輕
而大陸地殼呢
玄武岩含鉀量0.1%
大陸地殼含鉀量1%
大陸地殼應該是海洋地殼體積的4.5倍
與實際體積相比較
大陸地殼厚度 30 km
海洋地殼厚度 5 km
大陸地殼面積 : 海洋地殼面積
1 : 2
大陸地殼是海洋地殼體積的3倍
地殼簡史
在地球46億年歷史的一開始 (2%) 就產生了地核和大氣
海洋地殼是岩漿分異冷卻造成 一億年就可以更新一次
大陸地殼在今天還在慢慢累積
侵蝕作用也在地殼平衡中扮演重要的角色