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你的祖先是一條魚-《世界第一好懂的科學課》

PanSci_96
・2015/01/27 ・2548字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

你要怎麼變成化石

讓我們來看一下,你或任何你認識的人死後被保存在岩石中長達五億年,然後成為化石被未來發現的機率有多高?

首先你最好死在河裡、湖裡或海床上,而且屍體要在還沒被食肉動物發現、骨頭也還沒腐爛之前,很快就由細小的沉積物覆蓋。接著,你埋身的水域必須有大量溶解的礦物質(二氧化矽、碳酸鈣、硫化鐵等),這些耐侵蝕的無機化合物可以滲透過沉積物取代你骨頭裡原本的有機物質。

接著,在數百萬年內必須被更多層的沉積物蓋住、壓成礦物化的岩石。最後保存在層層的沉積岩中,還要想盡辦法避免再次落入地函中再加熱。

你的祖先是一條魚

生物大約是在五億四千萬年前那之後才開始演化出堅硬的身體組織,所以我們很少發現早於那時的生物化石。那段時期的沉積岩中突然大量出現化石,這個現象稱為「寒武紀大爆發」。

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演化論告訴我們,加拉巴哥群島上兩隻來自同個族群但個體特徵不太一樣的鷽鳥後代,最終會在天擇機制下產生出新物種。假設我們認為兩棲類是從魚類演化而來的,那麼地球上就應該會存在某個介於魚類與兩棲類之間的物種,也就是一隻「有腳的魚」。

魚化石已經在三億八千萬年、而兩棲類化石也在三億六千五百萬年的岩石中找到,所以1999年一位下定決心、且有充足資金做後盾的考古生物學家蘇賓(NeilShubin)和他的團隊,選擇到闊而淺、約三億七千萬年的河床裡去尋找沉積岩。他們在北加拿大努納武特省的艾士米爾島,歷經幾次徒勞無功的遠征後,2004年終於挖出了這塊如假包換的生物化石,命名為「提塔利克魚」(Tiktaalik)。

Tiktalik
credit: ScienceBlogs
Tiktalik-fossil
credit: Wikipedia

 

派對尾聲

雖然你可能在電影中看過人與恐龍同時出現,但事實上我們從未和牠們共存過;恐龍最後一次出現是在六千五百萬年前,也就是白堊紀末期。在那之前的一億六千萬年間,恐龍真的是「統治整個地球」,一直到最後因為那顆撞上地球、在墨西哥製造出希克蘇魯伯隕石坑的小行星,才戛然而止。

哺乳類與鳥類很快補上空缺。而我們目前所知靈長類卻要到五千八百萬年前才演化出來;直到大約一千五百萬年前,才演化出大猿或人科動物。紅毛猩猩接著是大猩猩的祖先演化得早,至於黑猩猩與人類的最後一個共同祖先大約要到六百萬年前才出現。

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當黑猩猩與人類分道揚鑣後,人科裡只剩下我們人類的祖先:人族。最早的完整人族骨架-她叫雅蒂(Ardi)-是在衣索比亞發現的,年代約在四百四十萬年前,值得你上網Google 一下。雖然不怎麼像人類,但除了體型外,她看起來一點也不像黑猩猩。她用兩隻腳不太熟練地走路,而雙腳大姆趾外翻,顯示她很習慣在樹上活動。

所以人類到底是在什麼時候、什麼地點開始發展出語言、火、藝術及「俠盜獵車手」的?首先,非洲是所有一切的起始之地。先是四百四十萬年前地猿屬(Ardipithecus)的雅蒂,然後是三百二十萬年前南猿屬(Australopithecus)的露西(Lucy),都是在衣索比亞發現的。

但露西不像雅蒂那樣有外翻的腳拇趾,因此我們認為她比較不常住在樹上;兩者的腦容量都不怎麼出色,也就是說不論我們最早的祖先放棄棲居樹上的原因為何,應該不會是因為心智能力突然上升(如果心智能力與頭顱大小有關的話)。

遠離非洲

在地猿與南猿之後,我們開始發現屬於我們自己「人屬」的生物化石,年代大約是在二百三十至二百四十萬年前。我們的家譜樹此時在人屬之下迸出許多不同種,而新來者的腦容量比之前的要大。我們發現較早期的人種,例如巧人、匠人和直立人;以及比較晚期的人種,例如海德堡人、尼安德塔人和我們智人。

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那麼,是什麼樣的環境壓力挑選出這些腦容量比較大的人呢?我們從尼羅河沉積岩深淺色交替的層次,可以看出大約三百萬年前,非洲的氣候是在濕週期與乾週期之間來回擺盪;在整個人族歷史中,可以見識到氣候的變化逐漸增大,且於二百八十萬年前來到關鍵點:我們步入了冰河期。

畢竟,腦容量大的動物比較善於應付改變,冰河期除了從溫暖變寒冷,更伴隨著氣候劇烈震盪。氣候變遷特別劇烈的時期與人類祖先腦容量增加的時期,兩者間似乎有某種對應。氣候變遷在今天看來可能不是件什麼好事(尤其你住在馬爾地夫的話),但是對人類的發展而言,或許可說是氣候變遷造就了我們。

我們還知道人屬喜歡旅行。直立人是最早離開非洲的,大約在一百五十萬年前,他們的分布範圍擴展至亞洲再到歐洲。海德堡人近五十萬年前旅行到歐洲,然後約在二十萬年前,我們較為熟知的現代人出現在非洲。

一個有相當證據的假說認為:將近十萬年前,有一群智人離開非洲,在曼德海峽附近跨越紅海,走的路基本上是直立人走過的那條。接著他們沿阿拉伯半島的海岸線走,在波斯灣口附近跨越荷姆茲海峽Strait of Hormuz),進入今日的伊朗。

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他們繼續沿海岸線往東走,在八萬年前左右到達印度,最終來到印尼,在那裡,托巴火山(Mount Toba)爆發,讓他們的人口總數降到一萬左右。慢慢的人口數恢復了,大約在七萬五千年前,一次寒流來襲讓一些人開始朝南往澳洲去,另一些人則沿中國的海岸線往北走。

五萬年前左右,溫度開始上升,這些現代人順著印度的西岸往上走進入歐洲。大約四萬年前他們在那裡遇到耐寒的尼安德塔人。接下來發生的事還有很多爭議,但是三萬年前歐洲已經不存在任何尼安德塔人了,智人成為人屬當中唯一存活的一支。

接下來進入了史前時代。我們看到藝術與商業開始蓬勃發展,現代人的各支也開始往內陸發展,進入中亞、回到北非,或下到西班牙南部。從中亞出發的現代人進入北極圈,跨越西伯利亞來到阿拉斯加,並且開始在北美洲定居。

二萬年前地球結凍,使某些北美洲原住民往南旅行到南美洲的新家。這時整個地球已經都有現代人了,而在一萬二千年前,也就是目前這個溫暖期剛開始時,人口總數已達六百萬。

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最後約在一萬年前,農業似乎同時在許多地方開始出現,促使技術、文化、藝術及社會,以驚人的速度發展。現在地球人口已經超過七十億,幾乎每個可居住的地方都住了人。雖然昆蟲、蠕蟲及浮游生物才是地球上數量最多的動物,但毫無疑問地,我們是適應力最強、擁有語言,而且最好奇自己出身的動物了。

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本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

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地球在20年間「亮度」變低了!——地球暖化讓陽光反照率直直落

Mia_96
・2021/10/23 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘

地球暖化會造成溫度升高?不稀奇!地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻?也不稀奇!但你有聽過,因為地球暖化,讓我們的亮度竟然逐年遞減,地球變得越來越暗嗎?

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題,關於地球亮度的變化,科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」(global dimming)去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出,進到地球的太陽能量大幅降低,從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量,竟然平均減少 4%! 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

但入射地表能量降低的原因並非是太陽發出能量的變化,而是因為近幾年我們最常耳聞的,空污現象! (圖/pixabay

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時,會在環境中產生許多氣膠微粒,而這些氣膠微粒進入大氣,微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光,使太陽之能量無法進到地球表面,進而造成地球亮度降低。

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而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解,當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時,代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說,全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度!

知曉地球改變亮度的方法——地照!

近期最新研究更是顯示,1998 年到 2017 年近十年內,地球的反照率逐年下降!除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外,當從外太空看著地球時,地球竟然也越來越暗了!

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一,其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質,除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此,透過反照率的升降,科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別,在科學中我們將其稱為「地照」!

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地照現象指的為當太陽光照射到地表,地表會反射部分太陽光,而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時,月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

看似應該沒有被太陽光照射到的月球表面,其實也會因為地球反射之陽光而產生微弱的光。而最適合觀測地照的時間通常為弦月時分。 (圖/Wikipedia

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高,當地表溫度較低,累積較多冰雪時,地照數據便可能會上升;而洋面的反照率較低,當地表溫度較高,造成冰雪融化成海洋,則地照數據便可能會下降。

透過地照反射的光線強弱,可以推測地球反照率的變化,進而推測地表本身變化。 (圖/Wikipedia

除了利用地照觀測地球反照率外,為使觀測更加精確,科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System)觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射,並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲,和太陽輻射的交互關係。

CERES 主要希望可以解答雲在氣候變遷中所扮演的角色與造成的影響,是美國國家航空暨太空總署地球觀測系統(EOS)計畫中的一部分。 圖/Wikipedia

研究結果分析發現,從 2000 年到 2015 年,地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態,但近年,地球反照率的衰退卻日益明顯,如下圖表示:

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(圖/參考資料 1

橫軸座標為年度,縱軸座標為地照反照率之異常改變(單位為每瓦/平方公尺),黑色為地照異常之數據,藍色為 CERES 觀測到異常之數據,而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出,地照反照率在這幾年下降約 0.5 W/m2,而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W/m2

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測,改變反照率的原因,是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化:當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時,稱作暖相位;而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時,稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因,正是因為太平洋年季震盪到了暖相位,造成海面低雲減少,反照率降低!

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低雲較為溫暖,其主要成分是由水滴組成,當太陽輻射照射水滴時,較多太陽反射至太空,地球的反照率較高,也造成地表溫度降低;而高雲主要成分由冰晶組成,透光性較佳,再加上高雲通常體積較低雲薄,故太陽輻射可以順利進入地表,地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時,洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加,氣塊達到飽和條件較高,低層雲較難生成。(其實背後原因極其複雜,作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。)當低層雲減少時,反射率降低,造成較少太陽輻射至太空,地球亮度因此變得越來越暗。

雲在地球輻射能量中一直扮演著重要的角色,低雲反射太陽輻射的能力較強,高雲吸收地球輻射的能力較強,因此較多的低雲往往造成地表降溫,而較多的高雲則會造成地表增溫。 (圖/pixabay

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論!其實地球上的現象不僅環環相扣,影響因素更是族繁不及備載,從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……,我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的,是透過原因推導、盡力的去解釋現象,所以關於地球反照率下降的趨勢原因,除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等,或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

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但同時,令科學家擔心的事情是,因全球暖化造成地表的反照率降低,代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加,而吸收的能量又加速全球暖化的速度,地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫,造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題,也將會是我們需要不斷去思考問題。

參考資料

  1. AGU AdvancesEarth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
  2. science alert,《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up
  3. Wikipedia,《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System
  4. Wikipedia,《行星照

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Mia_96
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喜歡教育又喜歡地科,最後變成文理科混雜出生的地科老師
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