• 作者：吳軍

早期文明的科技發展無一不圍繞著生存進行，而農業生產又是生存最重要的前提，因而農業成了科技的推動力。古代的天文學最初的發展就受益於此，農業發達地區，相應的天文學也隨之發展。

為什麼每四年就多一天？從太陽和天狼星相對位置而得

西元前 7000 多年，閃米人和當地的原住民就在尼羅河下游開始耕種。經過上千年的辛勤耕耘，他們把尼羅河畔的處女地開墾成良田，又經過上千年，那裡最古老的王國才建立起來。

尼羅河水每年會在固定的時間氾濫，等洪水退去之後，古埃及人便在洪水浸泡過的肥沃土地上耕種。為了準確預測洪水到來和退去的時間，當時的古埃及人開創了早期的天文學，制定了早期的曆法，根據天狼星和太陽的相對位置來判斷一年中的時間和節氣。

古埃及人的曆法中沒有閏年，他們的地球年每年是 365 天，比今天真正的地球年短了近 1/4 天。因此，如果按照地球年的時間耕種，過不了幾年節氣就不對了。而太陽系由於遠離天狼星，彼此的位置幾乎固定不變，因此，地球在太陽軌道上每年轉回到同一個位置時，所看到的遠處的天狼星位置是相同的。

古埃及人就用這種方法校正每年的農時。當太陽和天狼星一起升起的時候，則是古埃及一個大年（恆星年）的開始，然後古埃及人每年根據天狼星的位置決定農時。古埃及的大年（也稱為天狼星週期）非常長，因為要再過 1460 個天文上的地球年（等同於 365×4+1=1461 個古埃及地球年），太陽和天狼星相對的位置才恢復原位。

1461 正好是地球上四年的天數，也就是說，古埃及人在 1460 個地球公轉週期中（儒略年）加入了一整年，等同於每四年中加入一天產生一個閏年。以天狼星和太陽同時做參照系，古埃及人可以準確地預測洪水在每年不同時間能到達的邊界。就這樣，出於農業生產的需要，古埃及發展起了天文學。

整個宇宙宛如一口大鐘：決定種植與收穫時程

在人類另一個早期的文明中心：美索不達米亞，天文學發展的動力同樣來自農業。從蘇美人到後來的古巴比倫人（約西元前 1894～前 1595 統治美索不達米亞地區），天文學家經過了近兩千年的觀測和總結，掌握了太陽、月亮、各星座的位置和每一年中具體的時間之間的對應關係，並把它們的位置作為一個精確測量時間的「大鐘」，再透過大鐘所指示的時間，指導種植和收穫莊稼。古巴比倫人保存的大量星座位置、日曆和農耕的書面記錄，使得我們能夠瞭解當時天文學發展的全貌。

另外，我們今天所說的星座，最早是由蘇美人發明和使用的。到了後來的古巴比倫人統治時期，他們創造出黃道十二宮，標誌著太陽、月亮和行星在天空中移動的十二個星座。我們常說的星座的名稱，比如獅子座、金牛座、天蠍座、雙子座、摩羯座、射手座等，均來自美索不達米亞。至於為什麼要將天空分為十二個星座而不是其他數量，原因也很簡單，因為地球的公轉，古巴比倫人每個月看到的星空會有 1/12 和原來的不同。

夜空中最亮的星——天狼星是掌管尼羅河的神

由於天空星辰的位置與地面上氣候變化及其他一些自然現象（比如河水的漲落、海水的潮汐）相關，故而在人類文明的早期，天文學、占星術和迷信之間的邊界並不清晰。由於天狼星的位置和尼羅河氾濫的邊界相一致，因此，古埃及人認為天狼星是掌管尼羅河的神祇，於是為它建造神殿祭祀。

在美索不達米亞，國王和僧侶們把星象和人間發生的事情（比如災禍）聯繫起來，認為上天會對人間的事情進行預言和警示，這種認識和中國古代的統治者有相通之處。既然星象能夠用來解釋人間的事情，並依此決定政治和宗教，美索不達米亞的歷代王朝便投入了大量精力研究天文學。

全世界天文學的正朔：美索不達米亞的古代天文學

美索不達米亞地區的古代天文學是今天全世界天文學的正朔。古希臘的天文學是在美索不達米亞天文學的基礎上建立起來的，當時古希臘的學者經常飄洋過海到美索不達米亞去學習數學和天文學。今天關於十二星座的神話起源，在整個西方世界，從美索不達米亞到古希臘，再到後來的古羅馬，幾乎是相同的。從文明的時間來看，也可以確定它們是從美索不達米亞向西傳到了古希臘島嶼。

美索不達米亞的天文學在古巴比倫人統治時期發展到一個高峰。他們發明了太陰曆，觀測到了行星運動和恆星的不同，並且發明了一種計算金星圍繞太陽運動週期的方法。當然，古巴比倫人把這個週期的長度定為 587 天，而實際值為 584 天。這細微的差別並不是因為古巴比倫人算得不準，而是他們試圖使這些天文週期與月亮的相位重合。古巴比倫人和後來的亞述人都能根據過去所發生的月食時間預測未來的月食時間。

古巴比倫人在天文學上的另一大貢獻是發明了天文學中座標系統的雛形。他們把天空按照兩個維度劃分成很多區間。後來，源於古巴比倫人把圓周劃分成 360 度，古希臘人便在此基礎上發展出了緯度和經度。

——本文摘自《全球科技大歷史》，2019 年 9 月，漫遊者文化出版。

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水井、石油井和天然氣井大家都知道，但你有聽過「岩漿井」嗎？最近，冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意，滾燙的岩漿可高達攝氏上千度，還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃，不僅具備新興可再生能源的巨大潛能，更有望開啓地球科學的新篇章！

冰與火之地——冰島，100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島（Iceland），擁有壯闊冰川與絢麗極光，同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一，可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼，因位在大西洋中洋脊^[註1]之上，受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯，而有著 32 個活躍的火山系統，且平均每 4 年就會發生噴發。

除了令人屏息的天然極地美景，冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件，讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源，其中 73% 的電力源自水力發電，另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源，尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島，在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一，更吸引了不少國外的投資入駐，以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀：利用地球的熱情發電吧：深層地熱發電

通往「地獄」之門，也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島，在 2009 年的一次鑽探中，卻遇到了意想不到的變故：原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水，沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫^[註2]！這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近，一個較小火山口 Víti （冰島語中正是「地獄」之意）邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出，在鑽探套管報廢之前，還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停，但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

這起事故，促成了克拉夫拉岩漿試驗臺（ Krafla Magma Testbed，簡稱 KMT）研究計劃的誕生。時隔多年籌備，這個備受矚目與期待的計劃，在國際大陸科學鑽探計劃（International Continental Scientific Drilling Program）與多個科研機構的支持資助下，終於於今年展開。這一次，科學家們帶著更堅實的鑽探工具，與明確的鑽研目標，要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星，也到過金星，但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會，只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星，來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩，但這些已固化的樣本，早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發，影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來，科學家確認它的脾氣相當溫和，並無噴發的太大風險，加上位處偏僻無人居住之地，因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本，將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿，揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床，都是由玄武質熔岩^[註3]構成，冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩，卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來，而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異？科學家相信，探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本，將揭秘這個地質科學中很基本，卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數，實實在在地挑戰人類科技的極限，因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械，而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學，有朝一日更可能造福太空探索，如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

一口岩漿井，將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新，也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿，利用地熱能發電的效率便會增倍，這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量，降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井，就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時，需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭，這個對火山系統進行擾動的過程，也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後，地震波速度發生的改變，也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化，科學家能更好預測火山的噴發，讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後，這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿，就像在瞭解地球的脈動，可以告訴人類更多關於這顆星球的故事，更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

1. 大西洋中洋脊（Mid – Atlantic Ridge，又稱中大西洋帶），是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
2. 岩漿庫（Magma chamber，又稱岩漿房），是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低，因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道，便會造成火山噴發。
3. 玄武岩（basalt），由基性岩漿噴發凝結而成，主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣，是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

• 火山帶來的挑戰

參考資料

1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
2. VisitIceland – Geography of Iceland
3. VisitIceland – Renewable energy
4. Magma chamber
5. Krafla Magma Testbed
6. Rhyolite
7. Basalt

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