趣味地球科學

Part 1 地球物理學

01 地球如何誕生？　〜由多種隕石分2階段合體而成
太陽系大約在距今46億年前形成。包括太陽在內，太陽系的其他行星也同時誕生。最初是星雲間的氣體開始旋轉並濃縮，最終形成中心星球太陽以及在周圍繞行的圓盤狀雲，並從圓盤內的氣體中結晶出固體塵埃。這些塵埃透過相互碰撞合體，在短時間內形成岩石、微行星，進一步成為行星或衛星（圖1）。無法成為行星的小行星、隕石或月亮石等，其最早的年齡均是46億年前，因此被視為是形成太陽系的年代。
但是，地球卻沒有留下這麼久遠以前的紀錄。這是因為地球有其他行星沒有的板塊構造運動（參照本書P59），舊的岩石經常會被新形成的岩石所取代。地球目前所知最古老的岩石位於加拿大北部，大約在40億年前形成。而最古早的物質，是距今43億7000萬年前的鋯石礦物粒（圖2）。由此也能間接推測出地球的年齡約為46億歲。
科學界對地球岩石的化學成分已有充分研究，且經常與形成行星的物質（即隕石）相互比較。科學家發現，在各類隕石中，地球岩石與特定類型的隕石（頑火輝石球粒隕石）關係較為接近。
不過，這種類型的隕石中，完全不包含能夠形成大氣或海水的微量元素。因此，如果只有頑火輝石球粒隕石，無法形成現在的水行星地球。可見，形成地球的大氣與海水的氫及其同位素（除氫以外還有重氫和超重氫）之組成，乃是另有起源（碳質球粒隕石）。
由此可知，地球的形成分為2階段，首先是由頑火輝石球粒隕石聚集形成岩石及金屬，接著再加上碳質球粒隕石。實際派遣偵察機到太陽系中探查的結果，發現地球軌道周圍雖然也有頑火輝石球粒隕石分布，但在火星外圍的小行星帶中，卻只有外側的隕石包含了氫等揮發性成分。因此，我們有必要假設，在初期太陽系的圓盤星雲中，可能發生過大規模的物質移動。
順帶一提，地球的兄弟行星：水星、金星及火星，其形成方式應該也是相同的。
另一方面，位於較外圍的木星、土星等氣態巨行星，以及更外側的天王星、海王星等冰巨行星，在形成的過程中，會因為與太陽的距離遠近不同，而反映出不同的物質穩定條件。

03 地球的地軸運動時會發生什麼事？　〜因為自轉軸傾斜，才產生了季節
日本的氣候四季分明，人們可以感受夏天的炎熱、冬天的寒冷，體驗季節變化的樂趣。而春夏秋冬四個季節，又是如何形成的呢？
地球以繞橢圓的方式在太陽周圍公轉，因此地球和太陽的距離以1年為週期變化，這就是四季的成因嗎？請仔細想想，四季並非日本獨有的現象，世界各地均能見到，當北半球是夏天時，南半球正在過冬。如果地球與太陽的距離變化是形成四季的原因，就無法說明為何南北半球一整年的季節都是相反的。
四季的形成，其實是因為地球的自轉軸是傾斜的（圖1）。地球的自轉軸與地球繞太陽的公轉面（黃道面）並非相互垂直，而是呈23.4度的傾角。
自轉軸的傾斜方向會因為公轉而改變，因此有時北極會較靠近太陽，有時則是南極較靠近太陽。當自轉軸的北極端較靠近太陽時，北半球從太陽接收到的照射能量就會比較多，如圖2所示。
夏至時，太陽會來到北緯23.4度的正上方。此時白天的時間較長，北半球可以接收到比南半球更多的太陽能量（圖3）。
那麼太陽與地球的距離不會影響季節嗎？
地球依循橢圓軌道公轉，離太陽最近的點稱為近日點。現在的近日點就在冬至左右。也就是說，北半球是在冬天最接近太陽。
由於地球公轉軌道接近圓形，遠日點和太陽的距離只比近日點長約3％。此時地球從太陽接收到的能量，也只比近日點時少7％左右，因此相比之下，地球自轉軸傾斜的影響要大得多。
為什麼地球的自轉軸會傾斜呢？
一般認為，這與月球開始繞地球公轉的現象有關。這部分會在本書「月球為什麼會繞地球公轉？」一節（P24）中提及，據說是因為46億年前的大碰撞（giant impact），導致地球自轉軸傾斜。

05 地球是否某天會停止自轉？　〜地球自轉速度愈來愈慢，月球就會離地球愈來愈遠
各位認為地球自轉1天是24小時嗎？
這樣的想法，其實是誤解。太陽通過子午線後，到下一次通過子午線之間的時間，稱為1天。由於地球是繞著太陽周圍轉，所以經過1天後，地球的位置會不同，因此子午線的時間和自轉時間就會產生差異。1次自轉的時間是23小時56分，較1天少4分鐘（圖1）。
過去的時間測量方式，是以這樣1天的長度為基準。不過，現在已改用原子鐘這種高度精確的方式測量，與天體運行無關。隨著測量的精確度提高，人們也發現地球自轉的速度經常改變。例如，自轉速度會隨著季節不同而有些微變化，而這是由於大氣運動或風吹等原因，導致地球的旋轉速度變快或變慢（圖2）。
在新聞等媒體上，有時可以看到插入「潤秒」的報導。潤秒只會「插入」，不會「減去」。也就是說，1天的長度會愈來愈長（圖3）。
實際上，這顯示地球的自轉速度正在變慢，而如果繞太陽公轉的時間仍為固定，那麼1年的天數就會減少。
沒錯，過去的地球，1年其實有400天左右（感覺很悠閒吧，不過這是約4億年前的事）。如果照這樣下去，某天就會停止自轉吧！
為什麼地球自轉速度會變慢呢？
這是因為其中有擔任「煞車」的角色存在，一般認為是海底與海水間的摩擦力作用所致。不過，物理的法則告訴我們，旋轉時的動量是守恆不變的（角動量守恆定律）。那麼自轉速度減緩所失去的自轉角動量，會跑到哪裡呢？
這會透過潮汐力，被月球的公轉角動量繼承接收。因此，隨著地球的自轉變慢，月球的公轉速度會加快，使得月球逐漸遠離地球（現在約是4cm／年）。如此說來，在1年尚有400天的4億年前，月亮應該更靠近地球，而且看起來更大吧！

Part 3 氣象學

01 暖化的機制是什麼？　〜人類破壞自然平衡，使溫室效應急遽增加
地球受到太陽光照射而加溫，同時，也會將熱能以紅外線的形態釋放到宇宙空間，透過兩者之間的平衡來決定溫度。如果沒有包圍地球的大氣層，單純只以熱能的吸收和釋放來維持平衡，地球平均氣溫會降到零下18℃。在這樣嚴酷的環境下，許多生命將難以維持。
真實的地球被氧氣及氮氣等大氣包圍，這些大氣中含有少量的二氧化碳與一氧化二氮等溫室氣體。
這些溫室氣體有個有趣的性質，它們幾乎不吸收太陽日照的短波輻射，卻會吸收地球釋出的紅外線等長波輻射。因此，這些溫室氣體會將地球釋出的紅外線中途攔截吸收並加溫，再把熱能放射回地表，使地球變溫暖（圖1），這就叫做溫室效應。透過溫室效應，地球才得以保持在平均氣溫15℃左右，打造出適合人類及其他生物活動的環境。
二氧化碳是溫室效應裡舉足輕重的角色，在地球的歷史中，大氣中的二氧化碳濃度曾發生巨大變動，地球的溫度也隨之變化。
最近的地球暖化相關新聞中，最受關注的是由於燃燒煤炭及石油等石化燃料，使人為製造的二氧化碳濃度在大氣中逐漸增加。過去的地球，二氧化碳會透過植物，以煤炭及石油等形態儲存在地底，讓地球環境保持在冷熱適宜的狀態。但自從工業革命以來，人類挖出這些二氧化碳並加以利用，使得大氣中的二氧化碳濃度增加，形成環境問題。
大氣中二氧化碳濃度少量的增加，會被海洋或森林吸收而重新取得平衡，但現在的二氧化碳以前所未見的速度暴增，已經超過地球自我平衡能力的極限，隨之而來的問題，便是驟增的溫室效應，導致地球溫度急速上升。
溫室效應的結果，造成氣候機制失去平衡，各種氣候的變動可能或正在發生。暖化的影響並非平均緩慢地到來，變動的幅度相當劇烈，因此我們必須擔心，隨著暖化加劇，發生極端現象的頻率將可能有增無減。

03 北極和南極哪邊比較冷？　〜是否為陸地，在兩極圈內的相異條件
世界最低溫的紀錄出現在南極的俄羅斯沃斯托克考察站（Vostok Station，圖1），紀錄數值為零下89.2℃（另有資料指出，2008年8月10日，根據衛星資料分析，南極大陸東部的高地曾達到零下93℃的紀錄）。說到極點，南極點和北極點通常被視為同樣寒冷的地區，但實際上究竟是哪邊的溫度比較低呢？
若要比較兩邊的溫度，就一定要考慮極點本身所在地點的地形和環境差異。北極位在海洋上，周圍有廣闊的海域，因此標高較低；但南極是位於寬廣的大陸上，還有厚厚的冰河覆蓋，因此標高較高。因此，如果單純以上述條件做比較，南極點由於標高較高，氣溫也較低。
接著，我們來看海洋的影響。比起土壤或岩石，海水的性質是升溫難，降溫也難。因此，近海的土地跟內陸相比，溫度的變化較小，氣候比較溫和。
以日本的關東地區為例，位於海岸的千葉縣銚子與內陸的櫪木縣宇都宮相比，銚子的夏季最高溫低了約4℃，冬季最低溫則比宇都宮高6℃之多。兩地的緯度差不多都在北緯35、36度左右，可見沿海和內陸地區的溫度差有多明顯。
在世界各地，都有愈往內陸走、年溫差就愈大的現象，因此，也出現用年溫差來衡量的「陸性率（Continentality）」指數。南極點位於大陸內部，自然氣溫也比較低。
另一方面，根據WMO（世界氣象組織）的記載，北半球最低溫紀錄是零下67.8℃，地點在1892年2月俄羅斯的維科揚斯克（Verkhoyansk）。而同樣在俄羅斯的奧伊米亞康（Oymyakon），也在1933年2月觀測到零下67.8℃（由於觀測儀器的準確性問題，報告中列出2個地點）。由於這些紀錄點位在海冰地帶的內陸地區（圖2），氣溫才會如此嚴寒（北極點的最低溫度只有零下43℃左右）。
順帶一提，如前一節「暖化讓北極的冰融化〜」之內容（P70）所述，被海冰覆蓋的冰原上，冰層會成為一種隔熱體，降低來自海洋的熱能運送量，使該地區呈現出與陸地冰原相同的氣候特性。例如北海道的鄂霍次克海一側，當流冰到來時，該地氣候就會變得與內陸相近。不過，流冰的厚度有限，來自海洋的熱能運送也並未斷絕，因此氣溫還不至於會像內陸一樣低。
接下來，討論南極氣溫時的另一個重要因素，就是地理位置。南極大陸與其他大陸分離，低溫的空氣累積後形成極地高壓帶，讓風由此朝低緯度的方向吹去（極地東風），接著又爬升到高空，流回南極大陸，形成一個氣流循環系統。
當氣流抵達緯度較低的地區時，會碰上中緯度西風帶，此處盛行強勁西風，進一步將氣流與低緯度區的暖空氣阻隔開來，使低溫氣團處於孤立狀態，更容易成長壯大。海洋方面也和北半球不同，南極大陸被強力的南極繞極流（Antarctic Circumpolar Current）包圍，阻礙了洋流向大陸傳遞熱能。
此外，自從3000～2500萬年前南美的德雷克海峽（Drake Passage）出現，形成了南極繞極流之後，便益發促進南極冰河的增長。由本節內容可知，與北極相比，南極在上述原因的影響下，較能維持低溫環境，氣溫也比北極更低。

Part 1 地球物理學

01 地球如何誕生？　〜由多種隕石分2階段合體而成
太陽系大約在距今46億年前形成。包括太陽在內，太陽系的其他行星也同時誕生。最初是星雲間的氣體開始旋轉並濃縮，最終形成中心星球太陽以及在周圍繞行的圓盤狀雲，並從圓盤內的氣體中結晶出固體塵埃。這些塵埃透過相互碰撞合體，在短時間內形成岩石、微行星，進一步成為行星或衛星（圖1）。無法成為行星的小行星、隕石或月亮石等，其最早的年齡均是46億年前，因此被視為是形成太陽系的年代。
但是，地球卻沒有留下這麼久遠以前的紀錄。這是因為地球有其他行星沒有...

各位可知6400km是什麼樣的距離？從東京到宇都宮之間的距離約為100km，6400km就是它的64倍。此外，日本本州的總長雖因測量方式而有不同，但大約為1300km，所以6400km是它的5倍。因此，這距離絕對不短，但也稱不上非常長。
實際上，6400km是地球半徑的長度。或許有人會驚呼：「咦，地球這麼小啊！」沒錯，地球真的是一個很小的行星 。
46億年，1年的46億倍。如此漫長的時光，就是地球的年齡。據說宇宙的年齡是138億年，與此相比，地球還算年輕，但也已走過相當悠遠的光陰。
長時間生存著的小星球，這就是我們的地球。
這個地球，可不是失去活力的死寂行星。它不斷發生地震，動搖著大地；時而有火山爆發，噴出灼熱的岩漿。颱風侵襲時，強風及豪雨肆虐；而大地也孕育著我們生活必需的石油、煤炭等能源，以及各式各樣的金屬資源。
這些現象，都是地球內部的能源活動、或來自太陽的能源所導致。地球充滿豐沛的能量，簡直就是充滿活力的星球。
地球大部分由固體地球組成，周圍由流體地球所環繞。流體地球由水圈及大氣層構成。水是賦予地球特徵的物質，因此，地球又被稱為水行星。
大氣層中，空氣濃厚且會發生氣象現象的對流層，其厚度僅有10 km。和地球的半徑相比，這儼然只是薄薄的一層皮。然而，我們就是被夾在這圈大氣層和固體地球的表面之間，生存的空間相當狹小。
你可曾知道地球的半徑只有6400km？我們身為這個小巧的行星「地球號太空船」上的船員，漂浮在黑暗而廣大的宇宙中，不能對地球的事情一無所知。
各位或許在國高中時期就學過地球科學。地球科學可以讓我們了解地球上各式各樣的事，然而，這門學科的分類十分繁雜，要詳盡地了解其全貌不是不可能，但確實非常困難。本書不是一本將地球科學的種種分類，以有體系的方式條列的教科書。本書挑選了49個有趣的主題，輔以插圖解說，盡可能以說故事的方式介紹給讀者。
本書的組成分為Part 1「地球物理學」、Part 2「火山學」、Part 3「氣象學」和Part 4「地質學」，直接採用一般的領域名稱做為各章節的命名。附帶一提，本書並未囊括地球科學的所有領域。
本書的內容雖然力求淺顯易讀，但執筆者都是活躍於各領域的第一線研究者。一共有5位研究者參與，才成就了這本小小的書，內容相當緊湊精實。
如果各位讀了這本書，對地球科學相關學問產生興趣，請一定要繼續針對有興趣的領域深入學習。本書可謂是地球科學的入門，歡迎打開這扇門，進入地球科學這個驚奇的世界。
最後，要再次感謝企劃本書的日本文藝社書籍編輯部的坂將志先生，充滿熱情、參與本書編輯的米田正基先生，以及負責精美插圖與書籍設計的室井明浩先生。

作者代表 高橋正樹

各位可知6400km是什麼樣的距離？從東京到宇都宮之間的距離約為100km，6400km就是它的64倍。此外，日本本州的總長雖因測量方式而有不同，但大約為1300km，所以6400km是它的5倍。因此，這距離絕對不短，但也稱不上非常長。
實際上，6400km是地球半徑的長度。或許有人會驚呼：「咦，地球這麼小啊！」沒錯，地球真的是一個很小的行星 。
46億年，1年的46億倍。如此漫長的時光，就是地球的年齡。據說宇宙的年齡是138億年，與此相比，地球還算年輕，但也已走過相當悠遠的光陰。
長時間生存著的小星球，這就是我們的地球。
這個地球，可不是失...

序

Part 1 地球物理學
01 地球如何誕生？　〜由多種隕石分2階段合體而成
02 圍繞太陽的行星，為何公轉軌道為橢圓形？　〜發現行星的橢圓運行軌道可謂科學革命
03 地球的地軸運動時會發生什麼事？　〜因為自轉軸傾斜，才產生了季節
04 磁場的起源及是否曾經發生倒轉？　〜地球的磁場會移動，北極和南極也會倒轉
05 地球是否某天會停止自轉？　〜地球自轉速度愈來愈慢，月球就會離地球愈來愈遠
06 太陽的壽命還剩多久？　〜太陽是中規模尺寸的星球，不會像大質量星球那麼短命
07 地函為什麼會對流？　〜地函會因熱膨脹上升，熱放射而下沉
08 月球為什麼會繞地球公轉？　〜原行星忒伊亞撞擊地球後，產生了月球
09 月球為什麼分正面和背面呢？　〜神祕的月球，正面和背面擁有截然不同的地貌
10 北極星真的不會移動嗎？　〜由於自轉軸進動，當地球的自轉軸移動時，北極星也會跟著旋轉
11 深海底部的水壓與金星的氣壓幾乎相同？　〜等同於深海900m的金星地表氣壓
12 夏季和冬季的太陽高度不同，為什麼呢？　〜由於地球自轉軸傾斜，太陽近子午線的高度才產生變化
13 地震會發生的地點和原因是什麼？　〜地震會發生在板塊邊緣，月震則發生在800km深處
14 預測發生大地震的區域在哪？　〜地震不會只發生一次就結束，會反覆發生

Part 2 火山學
01 岩漿究竟是什麼？　〜岩漿成分為矽酸，可分為4類
02 火山噴發的機制是什麼？　〜噴發就跟慶功宴上啤酒噴出的泡泡一樣
03 環太平洋為何有那麼多火山？　〜岩漿是因板塊隱沒而產生
04 富士山為什麼會在那個地方？　〜矗立於3個板塊交界處的富士山
05 富士山什麼時候會噴發？　〜若達到寶永大噴發的爆發規模，日本首都圈將受重災
06 破火山口究竟是什麼？　〜像個大鍋子一樣的巨大塌陷口，就是破火山口
07 普林尼式火山噴發何時會再襲擊日本？　〜即將來襲的普林尼式火山噴發，已進入倒數階段
08 超級火山的驚人威力有多大？　〜當平均氣溫下降10℃時，人類還能生存嗎？
09 板塊構造運動是什麼樣的現象？　〜板塊是讓地球內部冷卻的散熱器
10 熱點火山是什麼？　〜夏威夷和黃石火山是地球的偉大作品
11 頻繁噴發的神祕冰島　〜中洋脊與熱點間的密切關聯

Part 3 氣象學
01 暖化的機制是什麼？　〜人類破壞自然平衡，使溫室效應急遽增加
02 暖化讓北極的冰融化，會發生什麼事？　〜海水吸收暖化產生的熱而膨脹，導致海平面上升
03 北極和南極哪邊比較冷？　〜是否為陸地，在兩極圈內的相異條件
04 聖嬰現象與反聖嬰現象是什麼？　〜南美和印尼的氣壓就像蹺蹺板
05 高氣壓與低氣壓如何生成？　〜北半球的低氣壓風向為逆時針旋轉，高氣壓為順時針
06 吹過地球的風是如何產生的？　〜為什麼北半球的副熱帶上空吹西南風，陸地卻吹東北風
07 為什麼會發生焚風現象？　〜用越過山頂空氣的乾絕熱率及溼絕熱率來說明實際狀況
08 颱風為什麼會直撲日本？　〜與夏季的北太平洋高壓和西風帶有密切關聯
　 專欄　科里奧利力
09 為什麼會發生游擊式暴雨？　〜豪雨增大，降雨日數卻減少的詭異現象
10 靠近太陽的山上為什麼反而比較冷？　〜失去熱能的空氣溫度會下降
11 雲是如何形成的？　〜飄浮在空中的雲，就是空氣中飽和的水蒸氣
12 為什麼會發生龍捲風？　〜龍捲風又分為超級胞與非超級胞

Part 4 地質學
01 日本列島是如何形成的？　〜於2000萬年前誕生，2億5000萬年後消失
02 岩漿冷卻後會形成寶石嗎？　〜寶石很難從岩漿中生成，但鑽石是例外
03 地層為什麼可以呈現地球表層的紀錄？　〜從地層可以解讀地球初期表層環境的變遷
04 透過化石，我們可以知道什麼？　〜地層紀錄是地球歷史最棒的紀錄媒介
05 日本現在還是「黃金之國吉龐」嗎？　〜１ｔ的礦石只要含１ｇ黃金，就算是有經濟效益的金礦
06 不可思議的地景是如何形成的？　〜以岩石為材料，經自然風化作用而成的藝術
07 盤古大陸（超大陸）與不可思議的大陸分裂？　〜大陸的誕生與分裂都是板塊構造運動的力量
08 曾經有過雪球地球嗎？　〜整個地球完全冰凍，就是雪球地球
09 史上最大的生物大滅絕發生原因是？　〜生物大滅絕後，哺乳類誕生
10 白堊紀末的恐龍滅絕真相是？　〜隕石撞擊帶來的暗星雲是最大原因嗎？
11 產氧光合作用的起源是？　〜大氣中的氧濃度急速增加，構成地球特有的大氣層
12 為什麼地球上有這麼多種岩石呢？　〜地球是一間持續產出各種岩石的工廠

序

Part 1 地球物理學
01 地球如何誕生？　〜由多種隕石分2階段合體而成
02 圍繞太陽的行星，為何公轉軌道為橢圓形？　〜發現行星的橢圓運行軌道可謂科學革命
03 地球的地軸運動時會發生什麼事？　〜因為自轉軸傾斜，才產生了季節
04 磁場的起源及是否曾經發生倒轉？　〜地球的磁場會移動，北極和南極也會倒轉
05 地球是否某天會停止自轉？　〜地球自轉速度愈來愈慢，月球就會離地球愈來愈遠
06 太陽的壽命還剩多久？　〜太陽是中規模尺寸的星球，不會像大質量星球那麼短命
07 地函為什麼會對流？　〜地函會因熱膨脹上升，熱放...