12.007地質生物學 Julian Sachs 教授 Roger Summons教授 TR 11-12：30.

Presentation on theme: "12.007地質生物學 Julian Sachs 教授 Roger Summons教授 TR 11-12：30."— Presentation transcript:

1 12.007地質生物學 Julian Sachs 教授 Roger Summons教授 TR 11-12：30

2 時間誌 十 二 月 120-150億年 最後十分鐘 人類平均壽命=0.15秒 46億年 21億年 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月
大氣圈 有氧氣 億年 宇宙誕生 太陽系 誕生 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 銀河系誕生 地球上生命出現 有性生殖出現 35億年 大氣圈 出現氧氣 十 二 月 陸生植物出現 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 16.8×23.3 樹木及爬 蟲類出現 第一隻恐龍出現 恐龍滅絕，哺 乳類取而代之 靈長類出現 最後十分鐘 6千5百萬年 宇宙年曆─把宇宙從開始到現在的歷史壓縮成一年，所有有紀錄的歷史（人類文明）發生在最後的21秒中 尼安德塔人 早期智人 整個人頪歷史 41秒 人類平均壽命=0.15秒

3 大霹靂證據1：膨脹中的宇宙 星系的「紅位移」，證明我們從任何方向所觀察到的星系，都在遠離地球而去。
太陽 星系的「紅位移」，證明我們從任何方向所觀察到的星系，都在遠離地球而去。 我們觀察到的所有星星均離我們而去的現象，並不表示我們是宇宙中心。 在這膨脹中的宇宙裡，每顆星星都會發現其他星星正在遠離自己而去。 一團正在發酵的葡萄麵包是宇宙擴張一個最適當的具象模型：當麵包膨脹時，每一顆葡萄乾會發現其他葡萄乾都正在遠離自己而去。

4 大霹靂證據＃2： 宇宙輻射背景温度3K 從天空的任何方向觀察宇宙的微波波段，得知整個宇宙的背景幅射是均勻的。

5 宇宙微波背景輻射的精微細節：微波異向性探測衛星Microwave Anisotropy Probe (MAP)
2003年2月探測紀錄 宇宙的年齡：137+/-1.4 億年 請參閱Seife發表於 Science Vol.299(2003 ) ： 頁之圖片

6 大霹靂証據＃3：優勢元素氫與氦 氫(73％)與氦（ 25％ ）幾乎佔了宇宙中所有具原子的物質組成，其他元素所佔比例＜2 ％。
高比例的氦强而有力地證實了大霹靂的模型，因為其他模型認為氦所佔的比例都相當低。 就我們現在對這宇宙的瞭解，並未發現任何已知的歷程足以顯著改變氫/氦(H/He)的比例，故此在宇宙膨脹過程中，當氚逐漸穩定時，氫與氦便以這比例存在。

7 星系的形成（問題） 膨脹中宇宙的隨機非一致性並不足以提供星系形成的條件。
在宇宙快速的膨脹的前提下，由於引力很太弱，因此沒有任何適合的模型可以說明由膨脹本身所製造出的擾動足以讓星系形成。 「….宇宙如此龐大的結構到底是如何形成，一直以來都是宇宙科學中一個重要而難解的課題…為了解開星系如何形成這個謎題，我們得先了解第一毫秒前所發生的事」（Trefil p.43) 底背景大小為16.8×23.3

8 星系！ 一幅由哈伯太空望遠鏡所拍攝太空深處的出色照片。 每個看得見的光體都可能是一個星系(除了前景那一顆有光芒的的恆星之外)
照片已獲哈伯太空望遠鏡授權轉載

9 星系幾何形狀與銀河系 星系的幾何形狀極其繁多包括我們銀河系的螺旋狀星系 銀河系是由幾億顆星體所組成 太陽距銀河系中心約26光年

10 由 黑 暗 星 雲 形 成 原 恆 星 恆星的產生 時間= 0 黑暗星雲(Dark Nebulae)：由氣體及塵粒所組成不透光的氣團或雲塊，其外形極難界定（例如蛇狀），用肉眼觀察較大的黑暗星雲時，在銀河系較光亮的背景襯托下有如一黑色班點。 分子雲 / 黑暗星雲 重力 重力 星雲碎片 時間 = 10百萬年 原恆星

11 巨蛇座的黑暗星雲（m16, 老鷹星雲）形成之原恆星
照片已獲哈伯太空望遠鏡授權轉載

12 獵户座星雲中可能為原恆星的侯選星體 太陽系的大小 照 片 已 獲 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 授 權 轉 載

13 星 體 的 維 繫 向內的重力與向內的壓力相互平衡（流體靜力平衡） 所產生的能量向外輻射散出（熱力學平衡）

14 電 磁 波 光 譜 温度較低的星體輻射的波長（λ）較長，而温度較高的輻射的波長則較短。
電 磁 波 光 譜 相對來說太陽是一體積較小、温度較低的星體，其輻射的波長主要為電磁波光譜上可見光的部份。 温度較低的星體輻射的波長（λ）較長，而温度較高的輻射的波長則較短。

15 元 素 光 譜 每一種元素在可見光的彩虹光譜中都有其獨特的光譜線，即化學指紋。
元 素 光 譜 每一種元素在可見光的彩虹光譜中都有其獨特的光譜線，即化學指紋。 我們可以利用分光儀取得光譜，例如白光經分光儀解析後，可以得知是由不同顏色的單色光所組成的。

16 都卜勒效應 光源與觀察者有相對運動時產生 向觀察者接近：光被「壓縮」（波長變短）。λ愈短=愈偏向藍光，即「藍位移」
紅位移 向觀察者接近：光被「壓縮」（波長變短）。λ愈短=愈偏向藍光，即「藍位移」 光源遠離觀察者：波長變長，偏向紅光，即「紅位移」

17 紅 位 移 與 距 離 的 關 係 當一個距離很遠的光源移動時，其可見光中的光譜線會跟著偏移（參看範例）
所有已被發現的星系都有紅位移光諳，表示所有星系均在離我們而去。 遠距離星系的紅位移現象較近距離星系更明顯，符合膨脹中宇宙的現象。 哈伯定律：紅向位移（後退速度）與距離成正比。

18 視 差 法 測 距 A 角A 視線1 基 線 岩石 視線2 角B B 不用接近而測得目標物的距離：測量A-B距離及A、B的角度

19 天 文 學 的 測 距 基 線 視線1 角A 星星 角B 視線 2 基線=地球公轉軌跡的直徑（3×1013cm）
基 線 星星 角B 視線 2 基線=地球公轉軌跡的直徑（3×1013cm） 距離最近的星體=4×1018cm

20 恆 星 光 譜 分 類 光度與質量成正比 溫度與波長成反比（蒲朗克曲線） 光譜分類及顏色絕大部分是由表面溫度差異所造成（非化學成份） 類型
半徑 光度(太陽 = 1) O 60.0 50,000 15.0 1,400,000 B 18.0 28,000 7.0 20,000 A 3.2 10,000 2.5 80 F 1.7 7,400 1.3 6 G 1.1 6,000 1.2 K 0.8 4,900 0.9 0.4 M 0.3 3,000 0.04

21 恆 星 範 例 太陽 太陽：典型的G型星 HD93129A是一顆B等星，較大、較亮、溫度也較高。 HD93129A

22 太 陽 在 主 序 帶 的 演 化 太 陽未來遠離主 序 帶 後 的 演 化
太 陽 在 主 序 帶 的 演 化 整個演化過程約有一百億年（已過了四十六億年）直至所有氫氣耗盡為止 太 陽未來遠離主 序 帶 後 的 演 化 大約 再過五十億年太陽的氫將耗盡。 一連串的塌縮將導致溫度上昇，足以使原子核融合成重核。 溫度較低的太陽表面不斷向外擴張，而漸漸變成紅巨星。 在氦耗盡及核心融合成碳之後，便出現氦閃。 急速收縮而成為白矮星，最後演化成黑矮星。

23 太 陽 的 紅 巨 星 時 期 t 減 50 億 年……… 少於四個太陽質量的恆星，當其核心的氫燃燒淨盡後便開始膨脹而成為紅巨星

24 太陽的白矮星時期 當紅巨星的三α (triple-alpha )過程 (氦融合成鈹，然後成為碳)完成後，那些質量少於四個太陽質量的恆星再也沒有足夠的能量來啟動碳融合。 它們便會崩塌，朝主序帶左下方演化而成白矮星。 電子簡併（即當恆星收縮時電子被迫提升至較高能階）所產生的壓力，最後會使塌縮停止。 （一茶匙白矮星的質量等於5噸，相當於太陽質量的白矮星，其體積約與地球相當）

25 恆星生 命的盡頭 照片已獲哈伯太空望遠鏡授權轉載 在質量大量消失後，質量＜25MSUN的恆星便演變為白矮星。
由於受限於原子結構的極限，所有白矮星的質量都不會超過Chandrasekhar Limit（1.4Ms）。 若恆星的起始質量＞1.4MS，在行星狀星雲階段外殼被摧毀時 ，質量便會急遽減少，最終便會達致這個質量。 觀察貓眼星雲便可發現這個現象。 NGC 6543 HST · WFPC2 PA95-O1a．ST Scl．January 1995 P.Harrington （U.MD）, NASA 12/13/94 Zgl 照片已獲哈伯太空望遠鏡授權轉載

26 超 新 星 M51星系中的超新星1991T 其所釋放的能量極其巨大，可連續數日發出整個星系中最明亮的光芒。
在鄰近的星系中約每隔一百年會出現一顆超新星（若每年觀測一百個星系最少會發現一顆超新星）

27 中 子 星 中子星全是由簡併中子（質子與電子結合而成）所構成
當中子星的質量增加，其半徑便會減少（與白矮星類似），旋轉的速度也會變得更快（角動量不變）。 例如：一顆0.7太陽質量的中子星，半徑只有10公里。 雖然其表面温度可能只有50,000K，但在半徑如此小的體積產生的光芒卻是太陽的百萬倍以上。 中 子 星 中 子 星 內 部 結 構 鐵/電子外殼 液態中子層 密度 （kg/m3） 超導體質子及液態中子的核心 一 茶 匙 約 為 十 億 噸

28 中 子 星 與 黑 洞 質量巨大的恆星會演化為中子星及黑洞 由於黑洞內的輻射線無法向外射出，故肉眼所見的黑洞在太空中如一顆黑點。
中 子 星 與 黑 洞 質量巨大的恆星會演化為中子星及黑洞 由於黑洞內的輻射線無法向外射出，故肉眼所見的黑洞在太空中如一顆黑點。 可以藉由星光的偏移程度來估算其質量。 一個黑洞亦有其電荷及角動量。

29 核 合 成 圖 片 已 獲 Los Alamos 國 際 實 驗 室 化 學 部 授 權 轉 載

30 核合成Ι：恆 星中核融合反應 融合作用 反 應 作 用 氫 燃 燒 50-100 氦 燃 燒 200-300 碳 燃 燒
啟動溫度 (106 K) 氫 燃 燒 H He, Li, Be, B 50-100 氦 燃 燒 He C,O 碳 燃 燒 C O, Ne, Na, Mg 氧 燃 燒 Ne, O Mg, S 2000 矽 燃 燒 Si Fe 3000 在宇宙初期發生 3He=C, 4He=O 鐵是釋放能量的融合反應最終產物

31 由 氫 變 成 鐵 在正常情況下，恆星的核融合反應不可能產生週期表中原子序比鐵大的化學元素。
核融合反應因釋放能量而一直進行，直到鐵生成為止。 因「鐵族」的結合能（束縛能）是在結合能曲線（binding energy curve）的高峰，所以核融合要產生原子序比鐵大的元素時便需劇烈地吸收能量。

32 核 結 合 能(BE) 這個差異可以用來計算原子核融合時所需核結合能（nuclear binding energy）的量。
原子核是由質子與中子組成，與相同數量個別的質子與中子比較，原子核的質量比較輕。 這個差異可以用來計算原子核融合時所需核結合能（nuclear binding energy）的量。 能量在核融合時被釋放出來 質子 2× u 中子 2× u 質量相加 u α粒子質量＝ u 1 u ＝ × 1 0 － 27 kg ＝ MeV/c2 BE可由公式計算：BE＝Δmc2 α粒子之Δm＝0.0304u BE＝28.3MeV ＊＊比鐵原子核重的核種，其質量會比融合它的原子核更重＊＊

33 比 鐵 重 的 元 素 產生比鐵重的元素是需要極龐大的能量，一般認為只有超新 星的大爆炸才可能提供如此巨大的能量。
超新星的大爆炸會產生一異常巨大且活躍的中子流，原子核 被這些中子撞擊後，便一次一單位地增加其質量，進而合成重 核元素（中子捕獲）。 飽含重核元素的外層因大爆炸而崩塌，便會形成模糊狀氫氣 雲中重核元素的初生物，即為新恆星誕生之處。

34 中 子 捕 獲 與 輻 射 的 衰 變 這些原子核會一直進行輻射衰變，直至成為穩定的同位素為止。
超新星大爆炸時因中子捕獲而產生一些不穩定的原子核。 這些原子核會一直進行輻射衰變，直至成為穩定的同位素為止。

35

36 太 陽 系 及 地 球 的吸 積作 用 與 分 化 作 用

37 太陽系的起源：星雲假說 因旋轉而平坦 重力引起收縮 旋轉增加 物質被聚集到核心－原太陽 不斷的壓縮使溫度達到106 0C－啟動核融合 大爆炸
旋轉塵雲(星雲) 因旋轉而平坦 重力引起收縮 旋轉增加 物質被聚集到核心－原太陽 不斷的壓縮使溫度達到106 0C－啟動核融合 大爆炸 行星的起源 氣體濃縮 重力使其合併成微行星 微行星合併並收縮成行星 行星 類地行星或內行星 水星、金星、地球、火星 太陽風使揮發性物質（氫、氦、水）消失 岩石形成（氧、鎂、矽、鐵） 類木行星（外層五個行星中的四個） 木星、土星、海王星、天王星 大部分為揮發性物質（氫、氦） 冥王星 有點特別----岩石加上冰及冷凍甲烷(CH4) 太陽系的起源：星雲假說

38 行星的起源 來自太陽的星雲 氣體塵雲慢慢旋轉 重力引起收縮 高壓＝高溫（PV=nRT） 旋轉速度增加（角動量不變）
塵埃環上的物質被濃縮而成微行 星，然後成為行星（吸積作用）。 A B C D

39 類地行星快速吸積 （＜30百萬年） 碳質球粒隕石被認為是太陽系中最原始的物質
這可由已耗盡的同位素鉿(182Hf)衰變成大量子元素鎢(182W)來證明 同時亦可證明內行星的吸積作用是極其快速的

40 地 球 70%的表面積被水覆蓋 這是否為生命誕生的必要條件？ 這個藍色的星球到底有何獨特之處？

41 地球、大陸、海洋及大氣層的分化 地球的分化 結構均勻的微行星 地球溫度漸漸升高 吸積作用及壓縮作用（T～10000C）
鐵熔化--向核心移動 因鐵的遷移而摩擦生熱 輕的物質向上浮—地殼 不輕不重的物質保留--地函 大陸、海洋及大氣層的分化 大陸地殼是由原始地殼分化而成 海洋及大氣層 兩種假說 內部：從地球內部釋放出氣體（火山氣體） 外層：慧星的撞擊帶來水、二氧化碳及其他氣體 初始期的大氣層充滿了H2、H2O、CO2而缺少O2。

42 早期地球的歷史 太陽誕生及吸積盤的形成 （45.7億年前） 由分化產生的小行星（45.6 億年前）
在第一個一億年中地球因吸積作用而成形，核心形成及氣體逸散。大氣層可能又熱又濃密，岩石熔融成岩漿海，生命出現的機會渺茫 火星的吸積作用完成（45.4 億年前） 月球在地球吸積作用的中至 後期產生（45.1億年前） 表面漸漸冷卻，濃密的大氣層逐漸消失 地球初始期的大氣圈漸漸 消失（45億年前） 地球吸積作用，地核的形成 及氣體釋放大致完成（44.7 億年前） 最早的花岡岩地殼及液態水出現，也可能出現大陸陸塊及最原始的生命體。地球所受到的撞擊不斷破壞地表上的岩層並引發大規模的熔融，水圈中的水被蒸發。可能在多處孕育出生命 已知的最早鋯石碎片出現 （44億年前） 大部分已知的鋯石顆粒出現 之最老上界（43億年前） 目前所殘留最早的大陸地殼 （40億年前） 穩定的大陸與海洋被當作為暗示原始生 命出現的最早紀錄 劇烈撞擊時期結束（39億年 前）

43 月球誕生事件的數值模擬 一個質量如火星大小物體（10％的地球質量）撞擊地球 ～其核心被地球吞沒 ～被撞出的地函碎片殘骸混合形成月球
～這可說明地球自轉速率較快的原因 ～高溫高熱的衝擊把所有地殼熔融 ～形成第二次的岩漿海

44 月球上的隕石坑 隕石坑邊緣的岩石都是40-46億年老的岩石（極重大的撞擊） 木星的引力使地球與月球所遭受的撞擊減少了1000倍以上！
對生命體來說是嚴苛的（穩定傾斜） 隕石坑邊緣的岩石都是40-46億年老的岩石（極重大的撞擊） 木星的引力使地球與月球所遭受的撞擊減少了1000倍以上！

45 適居帶 Habitable Zone

46 太陽系中的適居帶 連續適居帶範圍 金星 太陽 火星 水星 46億年

47 其它影響適居帶的考量 （例如：金星位於0.72天文單位處，在適居帶內，但其表面溫度因溫 室效應卻高達741K！）
忠告：在探討生命的課題時，我們只會以人類所熟識的生命形式及與地球類似的自然條件來作為評估的依據，這將會使我們偏離事實。 溫室效應：會增加表面溫度 （例如：金星位於0.72天文單位處，在適居帶內，但其表面溫度因溫 室效應卻高達741K！） 恆星的壽命：質量愈大，壽命愈短 （恆星壽命要夠長才有足夠時間讓生命體完成演化） 紫外線輻射：質量愈大，紫外線輻射線愈強 （就如我們所知道的……對生命是一種危害） 適居帶隨著時間而往外移 (恆星的亮度會隨年齡的增加而增加)

48 Drake 方程式 問：在任一埸所生命存在的機率是多少？ 答：N= Ng fp ne fl fi fc fL～1,000
fc＝生命體演化至有能力作長距離通訊聯絡的機率flfifc～1/300 （C.Sagan 猜測！朱註：Carl Sagan對此作的常數假設） fL＝該行星發展出高科技文明的生命週期比例～1×10-4（很低） ＊此方程式是用以評估終有一天能夠與我們建立電磁波通訊的高智慧文明在本銀河系中存在的數量

49 地 球 大 氣 層 及 海 洋 的 形 成

50 地球大氣層及海洋的形成 撞擊作用釋放氣體 充滿水蒸氣的大氣層？ 富含揮發性物質（H2O、N2、CH3、NH4） 的微行星撞擊地球
揮發性物質堆積在大氣層中 衝擊的力量+溫室效應=表面溫度昇高 （撞擊物體＞450公里會使海洋蒸發） 充滿水蒸氣的大氣層？ 或是海水凝結 與充滿水蒸氣的大氣層兩者週期性替換？ 大撞擊（46-38億年前） 第一個一億年是吸積(受引力影響而互相聚在一起)的主要時期 可由月球、火星及水星上的隕石坑密度及岩石定年資料得到證明

51 地 質 學 概 論

52 地殼與地函 地殼 海洋地殼 厚3-15公里厚 玄武岩 年輕（＜1.8億年） 密度～3.0g/cm3 大陸地殼 花岡岩 古老（超過38億年）
地殼是「漂浮」在「軟性」的地函上 地殼與地函 地函 ～2900公里 厚 佔地球體積的82％以上 含鎂、鐵之矽酸鹽（岩石） 分兩大部份 上部地函（上層660公里） 下部地函（660～2900公里；「中層圈」）

53 岩石圈及岩流圈 地函及地殼 岩石圈/軟流圈 外層660公里依其物理性質可分為兩層 岩石圈 剛性的外層包括地殼及上部地函
平均100公里厚；在大陸陸塊下的部分更厚 岩流圈 在岩石圈下的軟性、塑性層圈 其下限達660公里（完全在地函內） 地核 外核 ～2300公里厚 液態鐵Fe、鎳Ni、硫S、氧O和/或矽Si 磁場的變化可證明其內部在流動 密度～11g/cm3 內核 ～1200公里厚 固態鐵、鎳、硫、氧和/或矽 地球內部：我們如何知道其結構？ 地球平均密度5.5g/cm3 密度比地殼及地函大 隕石的組成成分 各種地震波的速度 研究室的各種實驗 化學穩定性 地球的磁場

54 地 球 表 面 地球表面的主要特徵 大陸 地盾--大陸塊的核心是由前寒武紀時期的岩石所組成 大陸與海洋過渡帶 大陸棚--大陸的延伸
大陸坡—過渡成洋底盆地 洋底盆地--底部由海洋地殼所構成 為什麼海洋會落在玄武岩質的地殼上？ 中洋脊 繞著地球分佈的帶狀山脈 例如：大西洋中洋脊、東太平洋隆起 深洋海溝 海槽的延伸 例如：秘魯-智利海溝