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令人難以置信的大陸漂移說–魏格納誕辰|科學史上的今天:11/1

張瑞棋_96
・2015/11/01 ・1180字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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多年以後,當德國氣象學家魏格納格最後一次在陵蘭島面對暴風雪侵襲時,將會想起26歲那年,初次跟著探險隊踏上冰天雪地的格陵蘭島時心中的悸動。那次他留在基地建造氣象觀測站,隊長與兩名隊員出外探勘人類足跡尚未抵達之處,卻就此一去不回,命喪冰原。那是他初瞥死神的陰影,但這並未令他打退堂鼓,否則他就不會一而再、再而三的來到格陵蘭島。只是這一次,死神似乎終於來到他面前……。

魏格納。圖片來源:wikipedia

魏格納雖然是氣象學家,但卻不是為了研究氣象才重返格陵蘭島,而是為了蒐集證據,向世人證明他於1912年就提出的大膽理論:大陸漂移說。他相信遠古時期地球只有一片完整的盤古大陸,後來破裂漂移才形成現今的七大洲和五大洋。這個主張聽起來一點兒也不像科學假說,反倒比較像是妄想的古老神話,難怪飽受嘲諷。

盤古大陸破裂飄移示意圖。圖片來源:Tbower@wikipedia

魏格納當然有其根據,最明顯直觀的線索就在地圖上。看看南美洲東邊與非洲西邊的海岸線是如此吻合,絕不可能是巧合,甚至其它大陸也大致可以湊在一起。這絕不是異想天開的拼圖遊戲,因為還有其它許多現象唯有用這個理論才說得通。例如各大陸冰河期的冰川從南北兩極往前延伸,照理說最前緣都應該會推進到氣溫相當之處,也就是緯度位置應該差不多,但實際上卻相差甚大。如果把這些大陸拼湊在一起,冰川前緣就都落在約莫相同的緯度了。

還有化石證據。一些被大海阻隔的大陸都出現相同的動植物化石,而其中許多根本是無法飛翔或不會游泳的物種,若非這些大陸以前彼此相連,它們如何擴散出去呢?1912年,英國探險家史考特(Robert Falcon Scott)在南極找到舌羊齒植物化石,更可證明這一點。但這些證據仍不足以令學界信服,他們寧願相信曾經存在橫越大洋的陸橋將各大陸連接起來。

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魏格納的大陸漂移說之所以無法令世人接受,在於他無法提出一套理論,解釋是怎樣的動力機制竟能使大陸移動。限於當時的科學知識,的確找不出有說服力的解釋,但魏格納仍堅持信念,他決定測量格陵蘭島相對於歐洲大陸的位移,直接證明大陸真的會移動。於是他於1930年第四度來到格陵蘭島,但卻被困在風雪之中……。

魏格納終究沒有機會提出證明了。就在他剛過五十歲生日的第二天,魏格納死於冰天雪地之中。他的屍體半年後才被發現,但他的大陸漂移說卻深埋逾三十年,直到海底擴張的現象被證實後,才終於獲得平反。

延伸閱讀:史考特誕辰|科學史上的今天:6/6

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 962 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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你知道「地圈」嗎?承載無數生命的「地圈」是如何形成與變動的?——《丈量人類世》
商周出版_96
・2022/10/10 ・3062字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者:陳竹亭

雅典娜的智慧與暴力:地圈

不時變動的地殼,就像希臘神話中兼具智慧與暴力的雅典娜(Athena),是她一體的兩面,從出生時就驚動了大地之母蓋婭,長成後卻又聰明地藉其暴力之美形塑、震撼了大地。

奧地利國會大廈前的雅典娜雕像。圖/Wikipedia

地球的陸地地景十分多樣,有高山峽谷,有平原沙漠;地表並不平靜,事實上是活力十足,有火山、熔岩,有地震,有風暴⋯⋯與無聲無息的寧靜月球形成強烈的對比。

地球屬於石質行星,「地圈」指的是地球外部固體的部分,包括地殼(crust)和上部地函(mantle)。地球中央是由地核(core)組成,這種不連續的分層結構,表示行星在形成過程中可能發生過化學凝析作用(chemical condensation),也就是從一種勻相經由溫度變化分成不同相的過程。重的元素以凝態往地心下沈,輕的物質向地表上升,甚至形成氣體。

地球半徑約 6,380 公里,有分層的結構及磁場分布。地震波(seismic wave) 顯示地下 2,900 公里處有不連續面。2,900 公里以上壓縮波(compression wave)和剪切波(shear wave)均可穿透,屬於固態結構。2,900 公里以下只有壓縮波能穿過, 且波速慢, 表示是液態物質。所以分層顯示 2,900 公里以上是鎂矽酸鹽地質,2,900 公里以下則是高壓熔融鐵,密度大的鐵核可能從熔融的矽酸鹽沉入地心。新的震波探測還顯示地核可能有液態、軟結構和硬結構,相關研究仍在進行中。

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鐵元素在地球上的分布, 包括地核中有 1.87×109 兆噸,地函中有 4.11×109 兆噸,地殼及海洋中約為 0.01×109 兆噸。從岩漿的分析來看,鐵佔了 8%,但是佔地球 1/3 的液態鐵是集中在地核,可能是吸收了週期表中相鄰或附近的貴重金屬元素,而下沉至地核中,所以地表存量反而較為稀少。

「地圈」指的是地球外部固體的部分,包括地殼和上部地函。圖/Wikipedia

地殼的成分

從地質化學的觀點,鐵、鎂、矽、氧組成的礦石主要有氧化鐵、橄欖石和輝石,這些礦石的含鐵量依次遞減。不含金屬的氧化矽晶體就是石英。鐵元素不僅形成地核,也改變了地函礦物的種類,同時也影響微量金屬的分布及地殼的成分。

地質學上,根據特定元素及放射性同位素存量的比例,可估計地核及地函形成的時間。目前科學家相信:如果地球是獨自形成,地球的分層,大約是發生在地球形成約 1 億年以內的最初期。

地球的上部地函,就是地球地殼至外核之間的部分,約在地殼以下到深度 400 公里處, 包含部分岩石圈(lithosphere)及軟流圈(asthenosphere)。岩石圈部分厚約 100 公里。地球內部放射性元素的衰變,應當是重要的能源之一。這種高溫可能使地函成為一個富彈性、易變形的半凝固地質,能夠產生對流。

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海洋地殼(ocean crust)是玄武岩岩石層,也就是沉積岩,由密度較大的矽鎂質的岩石構成,矽酸鹽成分較少,偏鹼性。現存海洋地殼年齡都在 200 百萬年之內,相對而言十分年輕。

編按:內文誤植,玄武岩岩石層,應為火成岩,而非沉積岩

陸地的花崗岩(continental crust)即為火成岩,是岩石圈的一部分,由岩漿冷卻形成花崗岩石。結晶性高,和海洋地殼共同成為地球的最外層,主要由含較輕之矽鋁質的岩石,富鋁、鈉和鉀。鐵和鎂反而較少,偏酸性。密度較海洋地殼小。

上部地函,就是地球地殼至外核之間的部分,約在地殼以下到深度 400 公里處, 包含部分岩石圈及軟流圈。圖/Wikipedia

變動的地殼:分裂的大西洋脊與大陸飄移

大陸地殼浮在地函之上,厚度在 20 至 80 公里之間,約有 38 億年的壽命。地殼的變動是海洋隱沒帶(subduction zone)延伸入大陸地殼下方,沉積物帶入地函,變質、分解釋出二氧化碳,讓海洋生物可以再利用。

中大西洋洋脊(mid-Atlantic ridge)是一個縱切大西洋及北冰洋、大部分位於海底的活火山山脈。由北緯 87 度縱貫延伸至南緯 54 度,恰好是地質板塊邊界(plate boundary)的交會處。

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中大西洋洋脊(圖中間縱向黃綠色處)的測深圖。圖/Wikipedia

地球內部放出的熱,對地表溫度幾乎沒有影響,但是地函的對流能使地表沉積物拉入地函中,再分解出二氧化碳,最後由火山噴出。熔岩與火山顯示地函的溫度應該仍然非常高,超過 1000 ℃,岩漿的運動提供了地球表面「建造」地殼的活力。自然界地表的地質傾軋與角力,可能是地球生機乍現的起點。

「海底擴張」(oceanic spreading)的活動,主要是由中洋脊的地底火山自海底的地殼中央噴射而出,形成了新地殼。地殼向東西兩側邊延伸,每年以 40-90 毫米(mm/yr)的速率擴展,至今仍然在持續進行,這也是大陸飄移理論最好的證據。

1915 年, 德國的偉格納(Alfred Lothar Wegener, 1880-1930)提出「大陸漂移說」(continental drift theory),認為大陸地塊會隨地質年代而漂移,這個假說在當時很少人真正給予重視。直到 1950-60 年代,放射性定年法的技術大為改進,才使得研究地球古岩石或沉積磁性的古地磁學異軍突起。

1959 年, 美國地質調查局(USGS) 和澳洲國立大學(ANU)的科學家競相發表大西洋脊兩側海底沈積岩對稱的註記了過去世代的「地磁反轉」(geomagnetic reversal)尺標。地球磁場在地球歷史中,南北極有非週期性的變換現象,可由大西洋海底地殼的磁性隨地質年代的變化獲得。地磁反轉的清晰磁條可以準確地推算出地質年代,再測量其到中洋脊心的距離,就可以估計當時海洋擴展的速率。

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圖/商周出版提供

1963 年,英國的維尼(Frederick John Vine, 1939-)和馬太(Drummond Hoyle Mathews, 1931-1997)結合了地磁反轉和海洋擴張來支持大陸漂移說(continental drift theory)。加拿大的莫雷(Lawrence Whitaker Morley, 1920-2013)也同時獨立發表了相同的學說,但他提出發表的論文遭到拒絕,數年後才正式出版。

根據大陸漂移的理論,上部地函及地殼的岩圈分裂成幾塊「板塊」,這些板塊相互的傾軋運動,決定了地殼板塊邊緣的聚合或分離、造山運動或是海溝形成(trench formation)、還有轉形斷層(transformation fault)、地震或是火山活動。這些現象必然都和地函的對流運動之動力變化有關,但是理論有很多種,研究也都還在進行中。

宏觀來看,不僅地圈的一顰一動都與陸地生命體息息相關。地圈、水圈與氣圈的對流層也緊緊地和生物圈結合在一起,其構成多樣多姿的行星生命世界,是最令人屏息的宇宙景象。

台灣島的生成

台灣島正好地處於地質活躍帶上,西為歐亞板塊、東北是琉球板塊、東鄰菲律賓板塊及南方的巽他板塊的交界處。是世界上最頻繁的地震活動地區之一。台灣島的中央山脈主要是由 600 萬年前的蓬萊造山運動—菲律賓板塊向西擠壓歐亞大陸板塊而形成。至今,菲律賓板塊仍以每年 8.2 公分的超高速度持續向西北移動。

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相對於 46 億年的地球,600 萬年的台灣是非常年輕的島嶼,那時古猿人才剛在非洲大陸出現呢。我們身在這個蓊鬱之島上,不能不知道和她有關的地質、地理與自然生態,當然還有人文、歷史及社會的形成過程。

——本文摘自《丈量人類世:從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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被世人遺棄 30 年後,每次世界大戰都成為它的力量之源:板塊構造理論的誕生
活躍星系核_96
・2020/10/30 ・3729字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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  • 周碩君|國立中央大學地球科學學系四年級

居住在這顆藍色的星球這麼久,身為人類的我們自然而然、習以為常地生活在陸地上。

然而,為什麼世界分成七大洲?七大洲從哪裡來?我們為何需要遠渡重洋才能到達彼方呢?

這些問題的答案,直到近百年科技發達,使得地球科學有了很大的進展,科學家才逐漸了解在岩石與海水之下那個隱藏著支撐我們家園的秘密——板塊。

圖一:當世界各地亮起屬於我們的燈火時,人類也不斷詢問大自然,為什麼我在這裡,這塊土地又是從何而來?圖/Pixabay。

國、高中時,我們都學過「板塊構造學說」,主張地球最外層由十幾個大小不一的板塊拼湊而成,而身為臺灣人的我們,也都知道臺灣位處在歐亞板塊與菲律賓海板塊之間,島上的陡峭山脈來自於板塊的碰撞。

雖然如今板塊構造學說人人都能琅琅上口,但自 20 世紀初期以來,它可是歷經了千辛萬苦才得以引起近代科學家的注意,耗費三十年,才逐漸壯大為地球科學的知名理論。

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在板塊構造學說的誕生故事前,有一位至關重要的科學家——魏格納。

魏格納玩的拼圖遊戲,是一個整個地球

魏格納 (Alfred Lothar Wegener) 是一位德國地球物理學家、氣象學家和天文學家。 1908 年魏格納被馬爾堡大學聘為氣象學、天文學和宇宙物理學應用講師。

任教期間,魏格納留意到世界地圖上,非洲大陸西岸和南美洲東岸,也就是大西洋兩側的海岸線輪廓很相似,就像是兩片可拼起的拼圖邊緣:一凹一凸,彼此密合。因此,魏格納想像兩邊陸地原本可能相連,開啟了關於大陸漂移的研究,也是往後地球物理學與地質學的重要基礎。

圖二:1912年左右的魏格納。圖/wikipedia

1911年,魏格納在馬爾堡大學圖書館,讀到一篇奧地利地質學家修斯 (Eduard Suess, 1885) 有關岡瓦那大陸 (Gondwanaland) 1 的文章,內容提到根據南半球各大陸上有相似的地質沉積岩層和古代動植物化石,假設在南半球曾經存在過一個統一的大陸。

魏格納是一位氣象學家,利用影響全球氣候帶分布控制因素的專業知識,判斷這些反應古氣候的沉積物證據,與當時全球氣候分布不相符。經過全球古生物化石和沉積地層的資料分析,獲得不符合現今緯度的證據,於是魏格納不僅可以支持修斯的假說,更進一步認知到大陸可能會漂移

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我們曾經都黏在一起?大陸漂移學說

1915 年魏格納正式出版《大陸與海洋的起源》2一書,以多面向的證據解釋「大陸漂移理論」。在這本書裡,魏格納主張大約在二億年前,地表有一塊「盤古大陸」稱作「泛蓋婭」 (Pangaea) 3,經過分裂變成兩個陸塊,再繼續分裂與漂移,直到形成今日的樣貌。

魏格納以古生物的資料作為證據,將目前幾個分離的大陸:南美洲、非洲、印度、南極洲、澳洲接合起來,如圖三所示4。這四種古生物,皆不能跨越海洋,到其他陸地生存,所以能支持這些陸塊曾經連在一起的理論,呈現帶狀且連續的動植物分布範圍。

圖三:古生物的分布色帶。圖/wikipedia

在二疊石炭紀時期冰川中,也可以找到關於古氣候的證據。冰磧遺跡中的苔原植物很矮小、貼近地面生長,會利用陽光照射地表空氣和土壤的溫度存活,生長期更長,應該分布在高緯度、甚至極地地區。這些古苔原植物能在現今南半球各大陸發現,就可以作為這些板塊,從原先高緯度環境,慢慢移動到現在中低緯度的證據。

雖然魏格納提出了大陸漂移的種種證據,但因為沒有辦法解釋移動的機制,加上他並非地理學或地質學出身的學者,使得當時學界對他的想法嗤之以鼻。

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戰爭埋葬了生命,也催生了偉大的新科技

他的研究被世人遺忘了三十年,直到世界大戰,人們發明許多新科技,地球科學的研究才再次嶄露曙光。

第一次世界大戰為了探測潛水艇而發明聲納觀測,這項發明可以用來測繪海底地形。當探勘船發出聲波、從海面向海底傳播後,探測員就可以利用從海床反彈的聲波的時間差來計算海底深度,借此測繪出海底地形,此時,人們也因此發現了大西洋中部的海底山脈——大西洋中洋脊。

到了第二次世界大戰,磁力儀誕生了,磁力儀原先是運用於戰爭的利器,軍方將其裝置在飛機並偵查海底下的潛艇,而科學家綜合以上兩項技術、岩漿冷卻成岩石的磁性特徵5之後,他們發現:

以中洋脊為中心,兩側海底岩石的磁力分布對稱,而且,磁極正反交錯呈現條紋狀分布,就像是超商每樣商品上條碼的樣子,記錄了過去地球磁場方向的每次反轉。

以中洋脊為中心,左右對稱的磁力分布!影片/BrainPOP

為什麼海底岩石的磁力會這樣分布呢?科學家海斯 (Harry H. Hess) 與狄茲 (Robert S. Dietz) 在 1960 年代利用同位素定年法6推斷:由中洋脊冒出的岩漿,生成出海洋地殼並不斷擴張,到了海溝7再隱沒到地球內部,像是輸送帶一樣運轉。海斯和狄茲順利解釋了海洋地殼的誕生與消逝,形成「海底擴張學說」。

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直到此時,「海底擴張學說」配合魏格納的「大陸漂移理論」,再配合許多研究資料(如海溝處地震定位資料)之後,才逐漸發展出你我熟知的「板塊構造學說」。

這顆古老的地球,仍有無數難以參透的秘密

雖然當代地球科學界普遍認可板塊構造學說的概念,但這個理論並非毫無疑點,尚有許多疑惑等待科學家一一挑戰並且破解。

我們藉由魏格納及近代地球科學家的研究成果,了解地球板塊形成的原因。但是利用各種證據方法,推測陸地過去詳細的模樣,追溯到十八億年前就算是極限了,更久以前的地球板塊又是如何分布的呢?

從現實面來說,沒有任何地質學家能親眼觀察地球內部的物質成分和構造。絕不可能像法國小說家凡爾納的《地心歷險記》8,主角李登布洛克和他的姪子進入火山,通過地心,看遍地下所有秘密,再從地球的另一端出現,卻毫髮無傷。

小說《地心歷險記》在 2008 年被翻拍為 3D 電影《地心冒險》,在地球的地心展開奇幻冒險。

或許在未來,科技更加進步,研究儀器的功能更強大,地球科學家能找到更多關於地球板塊變化的證據。到時候,或許能在板塊構造學說的基礎上,發展出合理解釋地球誕生到現在完整演變的學說,更進一步結合其他領域的科學家,預測未來地球的陸地將如何變化。這些發展,我們都可能參與,也值得我們期待。

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註釋

  1. 「 Gondwana 」是印度的一個地名,在此地發現的岩石相似於南半球其他大陸,修斯以此稱之。
  2. 原文「 Die Entstehung der Kontinente und Ozeane 」。
  3. 「Pangaea」原文為希臘語「Παγγαία」,是「πᾶν」(全部)和「γαῖα」(陸地)的合字,即「全陸地」。其中 「Γαῖα」也是前面介紹過的大地之母神。
  4. 圖三古生物分帶說明:
    • 橙色:犬頜獸屬 (Cynognathus) 是種三疊紀中期的陸生肉食性犬齒獸類,在非洲、南美洲、南極洲可以發現化石。
    • 藍色:中龍屬 (Mesosaurus) 是一種小型水生爬行動物,在二疊紀早期的南美洲和南非地層中可以被發現。
    • 棕色:水龍獸屬 (Lystrosaurus) 為陸生的中型脊椎動物,存活在二疊紀晚期到三疊紀早期,化石分布於南極洲、印度、南非。
    • 綠色:舌羊齒屬 (Glossop-teris) 是一屬已滅絕的種子蕨類,生存於二疊紀至侏羅紀晚期,化石主要分布於南半球及印度。
  5. 岩石中的磁鐵礦會記錄當時地球磁場的磁性,與現今地磁場方向一致稱為「正磁極性」,反之則為「反磁極性」。
  6. 利用岩石中的元素,其元素包含不穩定的放射性同位素,具有規律的衰變週期,可作為測量地質年代的方法。
  7. 簡單來說,為一種海洋地殼與大陸地殼交界的構造,形成深且狹窄的峽谷。
  8. 書名原文「Voyage au centre de la Terre」,為法國小說家凡爾納於 1864 年出版的科幻小說。

資料來源

  1. 《板塊構造學說紀事》,W. Jacquelyne Kious, Robert I. Tilling,(陳建志、馬家齊譯),五南,2005。
  2. 《海陸的起源》,魏格納,(李旭旦譯),北京大學出版社。

作者後記

作者/周碩君

我喜歡閱讀科學家的故事,認識一個人的成長背景,配合其學術成果,讓我體會到科學發展一直與人緊密相關。我很幸運在 2019 年修了一門通識課,由單維彰老師和鄭芳祥老師共同教授的「知識寫作與思考」,每位學生期末成果就是產生一篇屬於自己的知識寫作。非常感謝老師們對我的文章不斷給予建議,還鼓勵我將作業成果投稿。我的作品選擇了自然科學領域,是一篇結合地球科學和歷史的科普文章,期待透過像說故事的內容,能夠讓更多人透過閱讀獲得有趣的地科知識。

  • 責任編輯|儀珈
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia