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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
