Investigating the Earth 第6講 地球的奧秘 Investigating the Earth 國立臺灣大學地質系 宋聖榮教授 【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣3.0版授權釋出】

週數：1 上課內容：課程簡介 週數：2 上課內容：星球的誕生 週數：3 上課內容：固體地球的演化 週數：4 上課內容：地體構造與地殼變動 週數：5 上課內容：大氣的形成與演化 週數：6 上課內容：海洋環境與氣候 週數：7 上課內容：生物的起源和滅絕 週數：8 上課內容：火山活動 週數：9 上課內容：台灣的火山 週數：10 上課內容：期中考 週數：11 上課內容：地震與海嘯 週數：12 上課內容：台灣的地震 週數：13 上課內容：地表作用 週數：14 上課內容：地質資源 週數：15 上課內容：地質災害 週數：16 上課內容：環境變遷 週數：17 上課內容：端午節放假 週數：18 上課內容：期末考 LECTURE 6 海洋環境與氣候

水的循環 – 生命與氣候 20 85 6 15 5 80 數字代表大略的降雨的百分比 臺灣大學 宋聖榮

破壞水循環的後果 風 風 臺灣大學 宋聖榮

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形成海洋所需的條件? 大量的液態水 足夠的化學元素 液態水在地表狀態下之溫度和壓力是穩定的 地形上的凹地 足夠大的重力 -40 ℃ +50 ℃ -200 ℃ +100 ℃ H2O 固態 液態 汽態 NH3 CH4 地球 臺灣大學 宋聖榮

水與水蒸氣 地球上水和水蒸氣的來源 原始大氣的成分被太陽風吹散 現在地球上的氣體(包括水蒸氣)是由地球內部經由脫氣作用取代原始大氣所組成；此一作用一直持續到現在(由海洋中的He-3可得知) 大氣中的水蒸氣凝結成雲 數百萬年後，當地表溫度低於100℃後，雲冷卻凝結成水 熱水降下後又被加熱形成雲 最後，地表冷卻至降下的水能穩定的集中於盆地中

早期的海洋 – 來自氧同位素的證據 Hadean (4.5~4.0 Ga) 鋯石(zircons)具有比地函還重的氧同位素組成 (高正 δ18O值) 可能的成因為鋯石結晶之岩漿，含有相當比例富化的氧-18(18O)同位素。 此一岩漿成份可能是來自於40億年前地表風化富含氧-18黏土礦物、再經由熔融結晶所形成的地殼 故40億年前的地表存在相當量的水，為一活躍的水循環系統

早期的海洋 從含碳元素的殞石可知地球上的輕元素喜歡在地表形成矽酸岩礦物 0.5~3.6﹪C，0.01~0.28﹪ 早期的海洋含有溶解自大氣的HCO3-、C-和SO42-， CO2 + H2O <-> H2CO3 <-> H+ + HCO3- HCl + H2O <-> H3O+ + Cl- SO2 + H2O <-> H2SO4

早期的海洋 (續) 從原先酸性的海洋經由與地殼物質發生風化作用而中和，並導致大量的Na+、Mg2+和其他的陽離子等被釋放到海洋中 現存在大氣中的成分只保存1﹪來自於地殼的逸氣作用，大部分的其他成分都溶解於海水中或沉澱在海洋沉積物中

蘇打水的海洋 在太古代的蘇打水富含Na2CO3和NaHCO3 高pH和高含量的Fe2+ 低含量的溶解O2和SO42- CaCO3過飽和 100% Halite 10 Halite ocean Soda ocean pH 9 100% Soda 2 1 4 3 Age (Ga) 臺灣大學 宋聖榮 在太古代的蘇打水富含Na2CO3和NaHCO3 高pH和高含量的Fe2+ 低含量的溶解O2和SO42- CaCO3過飽和 在早古生代海洋中的SO42-達到現在的含量 大氣中的O2增加，導致海水中的Fe2+減少

海洋的事實 海洋覆蓋71%的地球表面(362.03 x 106 km2) 體積1,350 x 106 km3 平均的海水深度3729 m (海盆則是4500 m) 平均的鹽度34.72 permil (淡水的鹽度為0.2~0.4 permil)

海水垂直剖面 Marc E. Check Windows to the Universe® Windows to the Universe® Copyright and Licenses http://www.windows2universe.org/copyright.html&edu=high http://www.windows2universe.org/earth/Water/temp.html&edu=high http://www.windows2universe.org/earth/Water/salinity_depth.html&edu=high http://www.windows2universe.org/earth/Water/density.html&edu=high&0=l http://www.mos.org/oceans/life/index.html Marc E. Check Windows to the Universe®

水的流動 http://www.seafriends.org.nz/oceano/current2.htm Seafriends Floor Anthoni Seafriends Copyright http://www.seafriends.org.nz/rights.htm Seafriends Floor Anthoni http://www.seafriends.org.nz/oceano/current2.htm http://www.seafriends.org.nz/oceano/current2.htm

水的流動—冰期和間冰期 Climate Jigsaw WHOI Copyright statement http://www.whoi.edu/page.do?pid=21355 http://climate-jigsaw.wikispaces.com/The+oceans+and+climate+change Climate Jigsaw

湧升流和下降流 http://oceanmotion.org/html/background/upwelling-and-downwelling.htm

全球海水輸送帶 Seafriends Floor Anthoni Windows to the Universe®, http://www.seafriends.org.nz/oceano/current2.htm Windows to the Universe®,

主要洋流 http://oceanmotion.org/html/background/wind-driven-surface.htm

黑潮 http://www.fg.tp.edu.tw/~earth/learn/esf/magazine/010603.htm 本作品由『國立臺灣海洋大學陳明德教授』授權本課程：『地球的奧秘』使用，本資料庫無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。

海洋能應用 溫差發電 海洋表面在太陽照射下，和深海未受到光線照射的部份形成溫差，然後將儲存於表層海水中的太陽熱能轉換成電能的一種技術，海洋依照海水溫度對深度的變化可分為三層，分別為最上層的混合層，中間的斜溫層(溫躍層)及最下面的深水(海)層，在回歸線的附近，表層水溫約為23~28℃之間，至一千公尺已下降為4℃左右，即可造成19~24℃之間的溫差，而表面的混合層與深水層之間的溫差越大，其發電效率越高，且效率越大。一般而言，在赤道至南北緯30度之間的海域，也就是熱帶地區的海域，較適合執行海洋溫差發電。

洋流發電 墨西哥灣洋流，有一台名叫「可里奧利里1號」的發電機從事洋流發電，每秒2.3公尺的洋流，可輸出八萬三千瓦的電力。 台灣東部外海的黑潮，利用黑潮洋流發電，其經濟價值是相當可觀的。以每秒1公尺的流速，深度約海面下30公尺，且洋流情況非常穩定，初步估計的結果，光綠島附近的黑潮流就可達1至3GW的發電量。

潮汐發電 潮汐發電就是利用漲潮或退潮來發電，與水力發電相似，利用每天潮流漲落的位能差產生電力，當漲潮時海水自外流入，推動水輪機產生動力發電，退潮時海水退回，再一次推動它來發電，一天有2次的漲退潮，發電的頻率也不會嫌少是可好利用的能源，且各國潮汐發電技術比較成熟，只可惜興建潮汐發電站的費用相當龐大，因為需要建造大型水壩，加上須選擇地點須具有強大水流流動的海灣，所以興建的難度相當高。

波浪發電 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能與位能，波浪的能量與波高的平方，波浪的運動週期以及迎波面的寬度成正比，但是還是有些缺點存在的，因為波浪能是較不穩定的一種能源，有些地方波浪大，有些地方波浪小，所以地點選擇變的很重要。

鹽差發電 鹽差發電技術：當把兩種不同濃度的鹽溶液倒在同一容器中時，濃溶液中的鹽類離子就會發生擴散作用，直到濃度相等為止。所以鹽差能發電，是利用兩種鹽度不同的海水化學差能，轉換成有效電能。一般發現，只要有大量鹽度濃度不同的溶液混合，就可產生巨大的能量，而且能量還大於海洋中的潮汐能及波浪能，也是一項等待開發的能源。

海洋的鹽度 海水的溶解成份(atoms): 55.3 % Chlorine 30.8 % Sodium 3.7 % Magnesium 2.6 % Sulfur 1.2 % Calcium 1.1 % Potassium Wiki Plumbago

海水中的二氧化碳 二氧化碳在海水中的濃度受生物作用的影響，而溶解度則受溫度的影響。 生物作用控制海水中二氧化碳隨深度的變化，其呼吸作用把海水中大部分掉進的有機物質溶解成二氧化碳，只有少部分的有機物質被堆積埋藏在沉積物中。 浮游性生物如有孔蟲、螺類、鈣板藻等生物形成殼體導致海表面水的二氧化碳被消耗，降低海表水中的二氧化碳濃度。 臺灣大學 宋聖榮

酸鹼度和二氧化碳 海水的pH值相當穩定，平均約為8左右。但生物作用造成二氧化碳的溶解改變，會產生pH值約 ±0.3的變化。 CO2 + H2O H+ + HCO3- 呼吸作用；光合作用 Ca2+ + HCO3-  H+ + CaCO3 在低pH值時碳酸鈣容易溶解 所幾藉由呼吸作用和光合作用來平衡pH質的改變 臺灣大學 宋聖榮

碳酸鈣 大部分造碳酸鈣殼的生物(如浮游性生物、有孔蟲、鈣板藻等)產生方解石(calcite)礦物的沉澱。 異足類的螺類和大部分的珊瑚，產生霰石(aragonite)礦物(與方解石是同質異構物、高壓相)的沉澱，其在海水中是較不穩定的。 海水表面相對於方解石和霰石是過飽和的。 海水深部相對於方解石和霰石是不過飽和的，原因為： -- 增加深水中的PCO2造成較低的pH值。 -- 隨著水壓力的增加碳酸鈣的溶解度也增加。 -- 碳酸鈣的溶解度隨著溫度的改變而改變， 最大值約在12℃。

碳酸鈣補償深度 碳酸鈣開始溶解 CCD - 溶解度 = 累積量 碳酸鈣雪線 臺灣大學 宋聖榮

氧同位素在水循環中的分異作用 當溫度(T)降低，α值增加 卡通圖說明氧同位素隨著橫過不同緯度時，其蒸發和降水作用對於分異作用的影響 氧同位素的改變是受控於冷凝時間、濕氣去除量、是否冷凝為水或冰時的溫度影響。 δ18O=-62‰ δ18O=-35‰ δ18O=-20‰ δ18O=-14‰ 蒸發 δ18O=-41‰ δ18O=-21‰ δ18O=-9‰ 臺灣大學 宋聖榮 δ18O=-4‰

冰川效應在氧同位素的影響 海水中的氧-18(δ18O)同位素比值變化會隨著冰期和間冰期的改變而不同 δ18O 2 1 間冰期 間冰期 δ18O=0.0‰ 海水中的氧-18(δ18O)同位素比值變化會隨著冰期和間冰期的改變而不同 冰期 δ18O=1.5‰ 臺灣大學 宋聖榮

古溫度計 碳酸鈣中的氧同位素組成是受控於海水的溫度和成分。 如果知道海水的成分，就能從碳酸鈣殼體(主要是有孔蟲)中的氧同位素比率去計算當時的古溫度 T(℃)=17.0–4.52 x(δ18Oc -δ18Ow) +0.03 x(δ18Oc -δ18Ow)2 上述的溫度計公式有不同的校正，必須考慮生物效應的不同 校正主要來自於Globorothalla Sacculifer (Erez et al., 1993)。

IMAGES Cruise VII 臺灣大學 宋聖榮

活塞取芯Piston Core 臺灣大學 宋聖榮 臺灣大學 宋聖榮

海洋紀錄氣候變化 Wiki user: SeL media http://en.wikipedia.org/wiki/File:Phanerozoic_Climate_Change.png Wiki user: SeL media

過去1.6萬年來的氣候變化 NATURE |VOL 391 | 8 JANUARY 1998, p.141-146 Nature Publishing Group NATURE |VOL 391 | 8 JANUARY 1998, p.141-146

IODP 科學計畫: 地球系統成分、過程和現象 (Earth system compositions, processes and phenomena) http://www.iodp.org/ Integrated Ocean Drilling Program

Chikyu Wiki user: Gleam

Major Achievements of Scientific Ocean Drilling 科學鑽探的科學成就 Major Achievements of Scientific Ocean Drilling 1. 深層生物圈和洋底地質 Integrated Ocean Drilling Program http://www.iodp.org/ Integrated Ocean Drilling Program

臺灣大學 宋聖榮

臺灣大學 宋聖榮 臺灣大學 宋聖榮 臺灣大學 宋聖榮 臺灣大學 宋聖榮

2. 環境變遷、過程和效應 http://www.iodp.org/ Integrated Ocean Drilling Program

3. 固體地球的循環和動力 http://www.iodp.org/ Integrated Ocean Drilling Program

4. 地震帶 Integrated Ocean Drilling Program http://www.iodp.org/

黑煙囱-- Black Smoker http://en.wikipedia.org/wiki/File:Brothers_blacksmoker_hires.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg

黑煙囪形成模式 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Deep_sea_vent_chemistry_diagram.jpg

黑煙囪的生物作用

老的黑煙囪( Black Smoker) Wiki Eric Guinther

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作品 授權條件 來源/作者 臺灣大學 宋聖榮 Wiki NASA Harrison Schmitt or Ron Evans http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Earth_seen_from_Apollo_17.jpg 2011.11.05 visited Museum of Science Marc E. Check 本作品由Marc E. Check (mos.org)授權本課程：地球的奧秘使用，本資料庫無再授權他人使用之權利，您如需利用本作品，請另行向權利人取得授權。

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