0

0
0

文字

分享

0
0
0

地底下的模樣:想像與現實

阿樹_96
・2015/12/21 ・3020字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

要知道地球內部的構造,最直接的方式就是鑽進地底下看看地底下長什麼樣!講是很容易,但實際起來操作可不簡單。5~6公里感覺不長,但請想像往地底下挖幾千倍的長頸鹿脖子的長度……呃不對,想像101大樓高的10倍長金屬管子往地下一插,超難的啊!!!

電影《世界末日》中用的鑽機模型
電影《世界末日》中用的鑽機模型

假如還是無法想像難度,那就看看好萊塢電影的想像方式吧!在電影《世界末日》(Armageddon)裡面,布魯斯威利很威的帶了一群鑽油工跑到小行星上面鑽井,結果不是卡鑽就是鑽到不明氣體引發爆炸;而電影《地心毀滅》(The core)雖然有更厲害的黑科技,擁有在越高溫高壓下會越硬的金屬,但鑽下去還是跟想像中的情況差很多,也一樣莫名奇妙的卡住或是掉到怪洞。其實兩個電影中,像是越鑽越硬的金屬、或是找鑽油工來鑽小行星是很扯的事,但會卡鑽、爆炸這些鳥事可是一點都不扯,現實上,鑽的越深,高溫高壓的情況就越難應付,而地質鑽井取樣的工具和鑽頭也不是在電影上面想像的那樣,像是地質鑽探常常需要取得柱狀的岩心樣本,代表不同深度的岩石性質,就必須需要有空心菜…不是是空心鑽頭,才有辦法取得樣本,就是像把吸管插到石頭中,再想辦法讓前面的地方斷掉、抽上來,才有辦法取出岩心。

地質取樣鑽探示意,黃色是鑽頭、藍色是套管,紅色則是取樣的柱狀岩心。圖片取自維基https://en.wikipedia.org/wiki/File:Edrockcore.jpg
地質取樣鑽探示意,黃色是鑽頭、藍色是套管,紅色則是取樣的柱狀岩心。圖片取自維基

這還不是最難的事,在地上還算容易,在海底的難度就更高了,鑽台也還好,最難的莫過於海洋鑽井船,因為風浪而使鑽井崩壞或是卡住的情形也十分常見,只是這麼吃力不討好的事,為什麼人們要做?好好的在一般地面上鑽不就好了?甚至…幹嘛沒事要鑽下去?地下岩漿噴出來怎麼辦?(其實真的要鑽到岩漿還不容易,而且就算讓我們鑽到岩漿,它在衝到地表前也早就固化堵死了!)

在了解人類為何要往下挖前要先知道的事

所以目前科學家了解地球內部的主要方式,是利用震波+岩礦實驗;地震波對地球物理學家來說就像是醫生看孕婦胎兒的超音波一樣。至於用波速變化分層來推測內部是什麼,運用的背景知識就是我們對地表地殼成分的理解、或是某些從海洋地殼抬升的東西、由火山帶到地表的物質,以及利用實驗室創造出高溫高壓的方式分析相同化學成分的結晶變化。

啊那不就跟猜的沒兩樣?當然不是,只是我們能用有限的資料能推理出來的結果是如此,課本還是許多科普書也都會寫著透過震波得到的結果:把地球比喻成水煮蛋地殼相當於蛋殼地函就是蛋白地核就是蛋黃…但實際上,畢竟震波資料還是間接的資料,地底下到底「是什麼」,還是鑽井求解最直接
而最近的鑽探目標就是莫氏不連續面:由克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇(Andrija Mohorovičić)觀察地震波速度資料,發現波速趨勢突然加快的地方,後來人們把這界面當作地殼和地函的交界面,如果是在大陸地殼的話就會可能比較深(厚度介於2~80公里),在海洋則較淺(0~7公里)

地球內部與地殼附近的構造示意,未完全依比例繪製,僅用來說明大陸地殼、海洋地殼與莫氏不連續面的關係。莫氏不連續面以下已屬地函物質了。
地球內部與地殼附近的構造示意,未完全依比例繪製,僅用來說明大陸地殼、海洋地殼與莫氏不連續面的關係。莫氏不連續面以下已屬地函物質了。

目前地表最深的垂直鑽井就屬前蘇聯/俄羅斯的科拉超深鑽井[1],鑽了超過12公里深(~12662m),但可惜的是它鑽的是大陸地殼,而且是鑽很老、很厚的地區,所以即使有很多鑽井資料,但因為沒鑽穿莫氏不連續面,所以它對於我們了解地殼以下的物質還是沒有太大的幫助[2]。

除了遙遙領先的戰鬥民族,美國的科學家也有想辦法在海底鑽探鑽到地函的「莫荷計畫」(Project Mohole。而這個計畫很快就因為政客很麻煩某些因素而停擺了,不過取而代之的深海鑽探計畫(Deep Sea Drilling Program,DSDP)最後反而支持了海洋擴張學說,也算是為後來的板塊構造學說打下基礎;而後的海洋鑽探計畫ODPOcean Drilling Program)和現在的IODPIntegrated Ocean Drilling Program)仍持續探索海洋地殼[3],總說要功成身退的聯合果敢號,也仍和地球號分別在印度洋與太平洋上各自努力著。

所以地函或莫氏不連續面的研究進展怎麼了?

(雖然有點難,但因為很重要所以還是得講)

前面提到的地函和地殼交界又叫莫氏不連續面,這個定義未必會直接改寫,但可能會隨著即將進行的鑽探研究而可能要稍微調整,至於為什麼需要修正?在開始談到最新最夯的海洋鑽探研究前,我們還是得先回顧關於一些過往的研究。中學課本寫著海洋地殼平均約5公里,最厚差不多7公里,其實比大陸地殼來說,海洋地殼薄得多,且看起來厚度均勻,但實際上各地的「組成」樣子可能差異頗大,而過去也有各種不同的說法和模型,而這些推論也是根據過去DSDP和ODP的計畫鑽探所得到的。

海洋地殼年齡分布圖,接近暖色是年輕的海洋地殼,而接近冷色則是較老的海洋 地殼,紅色中間若有黑線處就是大致的洋脊和轉型斷層位置。紅色範圍越大代表張裂速率比較快,可以發現東南印度洋、東太平洋的洋脊張裂速度極快,而非洲和南極洲之間的洋脊就張裂的非常慢。圖取自於NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
海洋地殼年齡分布圖,接近暖色是年輕的海洋地殼,而接近冷色則是較老的海洋 地殼,紅色中間若有黑線處就是大致的洋脊和轉型斷層位置。紅色範圍越大代表張裂速率比較快,可以發現東南印度洋、東太平洋的洋脊張裂速度極快,而非洲和南極洲之間的洋脊就張裂的非常慢。圖取自於NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)

簡單來說就是:地函和地殼的邊界長怎麼樣?是不是像莫氏不連續面可以一刀切開?還是漸漸改變的過程?這都是一個觀測數據還不夠、也還沒辦法吵出結果的東西。

這也就是為什麼要持續的鑽、用力的鑽,其實就如同各種太空計畫和宇宙探索一般,我們知道的東西永遠,永遠都不嫌多。所以關於海洋地殼不同的模型與研究,我們就先賣個關子,藉由下一篇介紹IODP Expedition 360計畫[4]的研究來認識,也了解科學家是怎麼看待地下世界的。

參考資料與延伸閱讀:


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
阿樹_96
72 篇文章 ・ 17 位粉絲
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》。


2

7
5

文字

分享

2
7
5

你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

數感宇宙探索課程,現正募資中!

所有討論 2
椀濘_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)