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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 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。

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。

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。

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。

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。

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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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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奇怪欸,夏威夷基拉維亞火山一直噴發卻不見人員傷亡?
阿樹_96
・2021/01/11 ・3160字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

岩漿漫出來會很可怕嗎?有的時候其實還好,就是⋯⋯有點麻煩而已。火山的噴發就像不同人的情緒宣洩多樣性一般,不會只有一種型式,即使是生氣也有默默生悶氣的(然後就會累積更多能量噴發),也有三不五時就「正常能量釋放」一下的,當然,也有堅定地把每個字慢慢吐出來的那種。

一般大眾會受災難電影的影響,以為一定要瞬間炸裂、瘋狂噴發才算是火山爆發。但這種現象,在由火山組成的夏威夷群島上並不常見,近期(2020年12月21日)夏威夷的基拉維亞火山噴發,就是一種「一直噴一直噴」的股票火山,不過這火山再會噴也沒有造成傷亡(但還是會帶來災損,會一直噴錢⋯⋯)。

搭配服用:「未來就是一直噴一直噴」。來源/youtube

為什麼基拉維亞火山會有一直噴發,卻沒有造成太多傷害,甚至感覺夏威夷的居民還蠻能與它和平共處呢?那就得從「她是什麼火山」說起。

黃色的部分就是夏威夷島上,由基拉維亞火山熔岩流所形成的部分。圖/Wikimedia common

「熱點」火山:多半不會炸裂的火山

火山的分類有很多方式,其中一種是噴發的型式,一般會稱作寧靜式噴發 (Quiet Eruption) 或爆烈式噴發 (Explosive Eruption) ,而像基拉維亞火山的噴發型式大多屬於寧靜式噴發,顧名思義,她算是「比較安靜」噴發的火山,不會像有名的維蘇威火山那樣會有驚天一炸的情況。

而寧靜噴發的火山在外型上也和大家在流行文化中看到的「錐狀火山」不一樣,如果以外型分類的話,她會被稱為「盾狀火山」,而造成噴發與外形的差異的原因,又和形成火山的「岩漿」性質有關,形成基拉維亞火山的岩漿屬於「玄武岩」性質。

關於前面提到的火山分類方式,一般的高中參考書會要你背下面的口訣:

  • (中)酸性(花岡岩質)岩漿=錐狀火山=爆烈式噴發
  • 基性(玄武岩質)岩漿=盾狀火山=寧靜式噴發

但我不喜這樣敘述,因為這些分類是獨自以不同的現象學來區分的,只是分類結果能彼此解釋,但實際上在中性到酸性的岩漿中,會有更多不同的噴發表現與火山型貌,不過本文不會把故事講完(不然講到隔天天亮都講不完)。

關於基拉維亞火山的分類,或許會有人聽過「熱點」一詞,它是由地函的「熱柱」上升直接形成的火山。熱柱形成的火山和以前用板塊構造運動模型所提到的火山不一樣,板塊構造運動所形成的火山,它的熱源或岩漿的來源都相對比較靠近地表(數十到數百公里深),而熱柱則是從地函接近地核的地方( 2900 公里深)直接上湧的物質形成,和板塊運動的模型完全不一樣。

中間的「盾形火山」(Shield Volcano),是從地函深處(比圖中畫的範圍更深)竄出的「熱柱」所形成的,而熱柱上升到軟流圈時會形成岩漿庫,並往上噴發形成火山,即稱作「熱點」(Hot Spot)。圖/Wikimedia common

但「熱柱」就是「岩漿」嗎?

可能會有人這麼想,實際上卻不是這樣。熱柱並不像岩漿是用「流動」的方式運動,它的性質仍屬於固態,只是在時間尺度很長的情況下,它仍會以固態的型式緩慢「運動」,而當熱柱往上到接近地殼的地方,才會因為壓力變化而融熔,而形成岩漿。附帶一提,小規模的熱柱會形成夏威夷的火山,好像對地表的生物無害,但大規模的熱柱一口氣大噴發時,可是會發生大滅絕的(如 2 億 5100 萬年前到 2 億 5000 萬年前噴發的西伯利亞玄岩武岩,造成二疊紀—三疊紀大滅絕事件)。

為什麼夏威夷的居民可以與基拉維亞火山共存?

前面提到,基拉維亞火山的噴發並不猛烈,大多時候也不會太致命,以近代的幾次大噴發中,就屬 2018 年噴發時的災情較為嚴重,約有 2000 人撤離,並造成一人重傷,而基拉維亞火山也沒有可怕的火山碎屑流或火山彈之類的,造成損害的主因還是熔岩流。

在此也再次提醒,許多電影中同時有下個不停的火山碎屑,搭配的流動性很高的岩漿,是難以並存的情況,因為大量碎屑的岩漿性質比較偏中、酸性,而流動性則屬基性岩漿的情況。

至於傷亡較少的原因,噴發方式只是其中一個,另一個因素可以說是對於火山的認識與防災體系的健全。而一個較為健全的火山防災體系應該是怎麼樣呢?

  1. 對有噴發潛勢的火山有長期的研究、監測。
  2. 針對火山活動的特性,規畫不同等級的警報。
  3. 針對不同的火山情境,制定出不同的防災應變計畫。
  4. 民眾熟悉火山的災害,也了解警報的意義、遵從疏散指示。

由於夏威夷的火山噴發頻繁,早在 1912 年即開始觀測火山,因此對於當地的火山已有長期監測研究,而美國地質調查所亦有明確的火山分級燈號,而且分別建立了地面的分級和航空代碼的分類,以本文撰寫( 2020 年 12 月 27 日)期間,基拉維亞火山的地面分級狀態是「watch」、航空代碼是橘燈,剛好都是比完全噴發的狀況低一級(一共分四級,第四級的「normal」和綠燈代表火山處於正常無明顯活動狀態)。

而當分級的狀況提升時,會有相對應的活動,以前面提到的「watch+橘燈」為例,目前是建議民眾多注意火山狀況、避免靠近火山口,想要觀看噴發狀況的人請遵守規定並注意安全(竟然還能看耶⋯⋯)。

美國地質調查所的火山噴發等級(地面)和燈號(航空),越往右邊等級越高。圖/USGS

如果是更可怕的活火山,該怎麼與之相處?

從夏威夷的火山例子來看,火山不可怕也不難相處,但或許也有人會說:如果火山的噴發型態是爆烈性的呢?而且像近年已證實大屯火山為活火山,距離都會區這麼近的火山,該要怎麼面對?

夏威夷火山分佈圖,這已經不是火山距離都會區遠近的問題,而是在哪都有火山!(註:科哈拉火山目前認為是不活動的火山)圖/作者繪製

火山的防災應對,雖然可能會因火山的特性有所差異,但就從上述「健全的火山防災體系」中從研究、監測到防災應變,概念上是一樣的。

首先需要了解火山如果噴發時會有什麼的情況、並且先把會有威脅的地區畫定、規畫警報並落實疏散計畫。只是因為我們對大屯火山的個性還未摸清楚,所以這些措施就算設立了也還難以評估其效果,加上民眾對於火山的知識和風險特性並不熟悉,所以總會有「不知道要怎麼做才好」。這邊阿樹有兩個初步想法:

  1. 目前相關單位開始進行災害潛勢圖的製作,而就臺灣的經驗而言,土石流的緊急應變已較過去成熟許多,或許可以將相關的疏散避難圖的製作觀念導入火山防災應變。
  2. 過去於防災宣導上少有火山的相關避難措拖整理(連 google 都很難找到),而目前開始啟用的火山警報燈號該如何應對,也應是未來的宣導重點。

夏威夷的火山雖然很遠,但他們的經驗卻相當好用呢!

想知道更多地球脈動嗎?阿樹老師每周四會在《震識談地科podcast》,分享各種地震與地球科學相關的知識!

參考資料

  1. 2018 年 5 月夏威夷火山災害事件說明
  2. Kīlauea Volcano Erupts
  3. Kīlauea – Volcano Updates
  4. Hawaii volcano: As Kilauea erupts residents told to stay home – CNN
  5. New Kilauea Volcano Eruption Enters Third Day (Dec. 23, 2020) – YouTube
  6. 土石流防災的建議
  7. 移動中的火
阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 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。

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

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。

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」。

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。

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