Chapter 12

1. Chapter 12 地球古今談

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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12-3 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12-2 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12-4 宣夜說：日月眾星，自然浮生虛空之中。

6. 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。

7. 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

8. 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。

9. 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。。

10. 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。

11. 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 。

12. 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： ，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。 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。 a b

13. 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。

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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。

18. 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。

19. 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。

20. 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。

21. 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。

22. 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。

23. 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。

24. 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。

25. 圖12-17 球粒隕石剖面，可看見許多「球粒」的結構。

26. 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。

27. 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 。

28. 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。

29. 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

30. 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。