「地球科學通論」 講義

授課教師：李建興

國立屏東大學

『地球科學通論』講義

第一章 地球的結構與組成………..…………1 頁

第二章 板塊構造學說………………………30 頁

第三章 現代天文學的起源…………………60 頁

第四章 太陽系之旅 ………………..………84 頁

第五章 光、天文觀察以及太陽 …………..110 頁

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第一章 地球的組成與結構

要了解地球並非易事，因為地球不是一個靜態而不會變動的質

體，它反而是一個具有動力的星體，擁有許多的交互作用的部分以及

一段漫長而複雜的歷史。

※ 何謂地球科學？

地球科學(earth science)是試圖去了解地球及其周圍環境的所有

科學。它包括地質學 (geology)、海洋學 (oceanography)、氣象學

(meteorology)和天文學(astronomy)。

傳統上我們將地質學分成兩大領域—自然地質學與歷史地質

學。自然地質學(physical geology)是檢視組成地球的物質以及企圖了

解地表上下方許多地質運作的過程。地球是個動力體而且是會變動的

星體，其內部的力量可產生地震、造山運動以及火山構造。在地表上，

外營力過程可以將岩石分裂開來，並且雕刻出一系列的地形。水、風

和冰的侵蝕作用造成了各式各樣的地質景觀。因為地球的內營與外營

過程會反應在所形成的岩石與礦物之上，所以解釋岩礦中所含的信息

是了解我們地球的基礎。

相對於自然地質學，歷史地質學(historical geology)的目標是去了

解地球的起源以及 45 億年以來地球的演化。依據過去地質歷史中所

發生的許多自然與生物之變化，努力去建立一套其年代先後的排列次

序。因為在我們企圖去解開過去地球之前，首先必須了解地球是如何

運作的，因此自然地質學之研究在邏輯上應優先於地球歷史之研究。

海洋學並非是一門獨立的科學，它是牽涉到應用所有的科學來廣

泛地進行各方面的海洋研究以及探討它們之間的關聯性。海洋學整合

了化學、物理、地質學以及生物學，其內容包括海水的組成與運動、

海岸地質過程、海底地形以及海洋生物之研究。

氣象學是研究大氣以及形成天氣與氣候的過程。就如海洋學一

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樣，氣象學也牽涉到整合與應用其它科學來研究圍繞在地球這個薄層

的空氣。大氣受地球運動以及太陽能量的聯合作用，使得沒有形狀與

不可見的大氣產生了各式各樣的天氣，並進一步地創造出全球氣候的

基本模式。

天文學是研究宇宙的科學，在探索我們環境的起源上是很有用

的。因為我們對所居住的地球是非常地熟悉，以致於很容易忘記地球

在龐大宇宙之中只是一個微小的天體而已。事實上，地球受到一些物

理定律所操控，而這些定律也同樣操控著廣大宇宙中的許多天體。因

此，為了能解釋地球的起源，先去獲悉太陽系成員之事物是頗有幫助

的。再者，我們把太陽系看成是組成整個銀河系眾多恆星的一部分，

進而將銀河系視為眾多星系的一部分。

因為地球是個動力體，它具有許多交互作用的部分以及複雜的歷

史，所以要了解地球科學是頗具挑戰性的。由於地球存在已久，它一

直是在變動著，其變動有時是快速且猛烈的，例如：強烈風暴、山崩

或火山噴發之發生。但而平常之變動則非常緩慢以致於我們一生中皆

未能發覺。地球科學中所研究的現象有些在大小與空間的尺寸上是非

常地大；然而，有些現象的焦點是屬於顯微尺寸的，另外一些特徵與

過程之規模則是牽涉到整個大陸或全球性的。

※ 眺望地球

從月表上或太空來觀看地球，地球是如此的美麗與孤獨。這樣的

影像也提醒著我們，我們的家畢究只是一個行星—小、自給自足、在

某方面甚至是脆弱的。

當我們從太空更接近地觀看我們的地球，就可以明顯地知道地球

有著更多的岩石與土壤。事實上，此時地球顯著的特徵並非是陸地，

而是懸浮在廣大全球海洋表面這些漩渦狀的雲，這些特徵強調了水對

我們星球的重要性。

從太空中更接近地觀看地球，有助於去領會為何地球的自然環境

在傳統上會被畫分成三個主圈：地球水體部分之水圈(hydrosphere)；地球氣殼層之氣圈(atmosphere)；以及固體地球圈。

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這裏要強調的是我們的環境是高度整合的，並非單獨由岩石、水

或空氣來主宰的。 它的特點則是來自於持續的交互作用：空氣與岩

石接觸，岩石與水體接觸，而水體又與空氣接觸。此外，地球上的所

有生命型態，我們稱之為生物圈(biosphere)，它深入上述三個自然領

域之中，所以它也是星球整體的一部分。因此，地球可以被視為是由

這四圈所組成的：水圈、氣圈、固體地球圈及生物圈。

在地球環境中各領域之間存在著無數的交互作用，例如：海岸線

明顯是岩石、水體與空氣的交會點，在這個景象中，橫越水體而移動

的空氣會產生海浪，並在岩岸處形成碎浪，水的力量是強而有力的，

可以對岩石海岸進行很大的侵蝕作用。

水圈

地球有時被稱為是藍色的行星，就是水體使地球成為獨一無二的

星球。水圈是持續運動的液體，從海洋蒸發到大氣中，然後再降水到

陸地上來，最後又流回到海洋中。全球的海洋當然是水圈中最顯著的

部分，它涵蓋地球表面的 71%，平均深度約為 3800 公尺，而它大約

佔地球水體的 97%；然而，水圈也包括河流、湖泊、冰川以及地底下

的水體。

雖然這些後面的水源只佔全體水源的一小部分，但實際上卻是非

常地重要。它們除了提供乾淨的水給陸上生命以外，河流、冰川與地

下水也負責雕塑與創造出許多的地表地形。

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氣圈

地球表面包裹著一層賦予生命的氣體層，我們稱之為大氣層。固

體地球做比較，大氣層的厚度是很薄的又很稀薄的。一半的大氣是位

於高度 5.6 公里以下，90%的大氣則位於地表 16 公里之內，相較之下，

地球的半徑則高達約 6400 公里。僅管厚度較薄，這個薄層的空氣也

是地球整體的一部分。它不僅供應我們呼吸所需的空氣，也保護著我

們免受太陽高熱與危險輻射之傷害。持續發生在大氣與地表之間以及

大氣與太空之間的能量交換就形成了天氣與氣候的效應。

假如地球像月球一樣沒有大氣的話，我們星球將不只是沒有生

命，而且地表變動的過程與交互作用也將不再進行。若沒有風化與侵

蝕作用，地表將會更像月球的表面，而這 30 億年以來月表幾乎是沒

有發生變化。

生物圈

生物圈是涵蓋地球上的所有生命。生物圈集中在接近地表的區

域，亦即從海底向上延伸數公里進入大氣之中的這個區域。植物與動

物則仰賴自然的環境，因為環境是生命的基礎。然而，生物不只是對

自然環境有所反應，經由無數的交互作用，生命型態也有助於維持以

及改變其自然環境。假如沒有了生命，固體地球圈、水圈以及大氣圈

的組成與本質將會有明顯的不同。

固體地球圈

位於大氣與海洋之

下的是固體地球。因為

此圈並不太均勻，所以

被細分成不同的區域或

單元。基於成分的差

異，有三種主要區域被

確認：一個有著緻密內

圈的地核(core)；較不太

緻密的地函(mantle)；較

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輕且很薄的地球外層之地殼(crust)。地殼並不是厚度均勻的一層，它

在海洋之下是最薄的，而在大陸存在之處是最厚的。

雖然與其它固體地球中很厚的單元相比，地殼似乎是個不顯著的

區域，但地殼剛形成的地質過程與形成今日地球構造的過程是相同

的。因此，了解我們星球的歷史與本質，地殼是有重要性的。

地球表面的兩個主要分界是大陸與海洋盆地。這兩個部分最明顯

的差異就是它們的相對高度。大陸的平均高度是在海平面以上的 840公尺，而海洋的平均深度則大約是 3800 公尺。因此，就平均而言，

大陸是位於海底平面 4640 公尺的高度上。

※ 組成地球的物質

組成地球的物質主要是礦物與岩石，岩石又是礦物的集合體。我

們根據岩石的起源將它們分成三大類：火成岩、沈積岩和變質岩。地

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球是一個系統，這意味著我們的行星是由很多交互作用的部分所組成

的，這些交互作用的部分形成了一個複雜的整體地球。當我們在檢視

岩石循環時，下圖最能圖解說明這個觀念。岩石循環使我們可以觀察

到地球系統中不同部分之間的相互關係，這有助於我們去了解三類岩

石的起源，並且可以看到不同種類的岩石之間是經由作用在地球中的

地質過程而相互連結的關係。

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基本循環

我們從岩石循環圖的底部做為循環的開頭。岩漿是在地球內部所

形成的融熔物質，它們最後會冷卻和固化，此種過程我們稱之為結晶

作用(crystallization)，可以發生地表之下或地上（火山噴發之後）。在

上述的任一種情況下所形成的岩石稱為火成岩(igneous rocks)。

假如火成岩曝露在地面，它們將會進行風化作用，日復一日受大

氣之影響而逐漸地使岩石崩解與分解。這些受風化後的物質受重力作

用而常往低漥處移動，之後再被許多的侵蝕營力（例如：水流、冰川、

風或波浪）所揀起與搬運，這些稱為沈積物的顆粒或溶解物質最後會

沈澱下來。雖然大多數的沈積物最終會停留在海底，但仍可在其它位

置上沈積下來，例如：河流氾濫平原、沙漠盆地、沼澤和沙丘。

沈積物接下來是進行岩化作用(lithification)，此名辭意思是”轉變

成岩石”。沈積物因受到上層沈積物之重量而被壓密或被帶有礦物的

地下水將沈積物的孔隙填滿，這樣會使它們固化成沈積岩。

假如沈積岩深埋在地底深處，並且受到造山運動動力之影響或受

岩漿體之侵入，因此將會承受到很大的壓力和溫度，此時沈積岩將會

因環境的改變起反應而轉變成第二類岩石：變質石。當變質岩受到更

大的壓力或更高的溫度時，它將會融熔和形成岩漿，最後因結晶作用

而形成火成岩。

來自地球內部的熱能所推動的地質過程是形成火成岩與變質岩

的原因。而來自太陽的能量所驅使的風化和侵蝕之外營力過程則是產

生了沈積物與沈積岩。

變通的路徑

岩石基本循環中的路徑並非是唯一可能的途徑。相反地，在上述

的路經之後可能會有其它變通的路徑可供選擇，這些變通的路徑顯示

在循環圖之中。火成岩可以不曝露到地表(不受風化和侵蝕)而持續第

被深埋著，最後因受到造山運動的強力擠壓和高溫而直接轉變成變質

岩。

變質岩、沈積岩和沈積物並非常常被深埋著，其上層的岩層可以

被侵蝕掉而使這些物質再度曝露至地表，如此將會受到風化過程之影

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響而轉變為形成沈積岩所需的新物質。

雖然岩石似乎是不變的物質，但從岩石循環顯示事實並非如此，

只是岩石之變化需要花很長的一段時間。

※ 岩石的分類

根據生成原因而分類，岩石可分成三大類：火成岩、沈積岩、變

質岩。三大岩類的辨別特徵都和它們的成因有關，觀察岩石的細部組

織是最有效的方法。

火成岩(Igneous rocks)

岩漿是地函(或少量在地殼底部)中的岩石發生部份熔融的岩石

熔體。這種熔體主要是由矽酸鹽礦物中的元素所組成的，矽與氧是岩

漿中的主要組成成份，還含有少量的鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂等元素。

岩漿也含有一些氣體，尤其是水蒸氣，因受到岩石的覆蓋而陷入在岩

漿體之中。

岩漿的密度較周圍岩石來得低，岩漿體一旦形成，因浮力而上升

並侵入地殼，熔體有時會流出地表，我們稱之熔岩(lava)。熔體流出

地表後固化而形成的火成岩被分類為火山岩(volcanic rock)或噴出岩

(extrusive rock)。但大多數的岩漿在抵達地表之前就已失去流動性，

最後在地底結晶下來，如此在地底深處所形成的火成岩稱為深成岩

(plutonic rock)或侵入岩(intrusive rock)。若這些深成岩未抬升隆起且上

面所覆蓋的岩石未被侵蝕掉，那麼我們將看不到這些深層的岩石，例

如：美國加州的優聖美地國家公園，有暴露出地表的深成岩。

冷卻速率強烈地影響晶體的大小。假如岩漿冷卻速率非常地緩

慢，則只發育出少量的晶體成長中心，而緩慢冷卻也允許離子進行長

距離的遷移。因此，緩慢冷卻會造成大晶體之形成。相反地，若冷卻

速率非常地快，離子將失去動力而很快地結合在一起，這將產生大量

的微小晶體，並且會相互爭搶可用的離子。因此，快速冷卻的結果是

形成小晶體相嵌的固體。因此，假如地質學家發現岩石中含有大小如

指頭之晶體時，這意味著此岩石的冷卻速率很慢，若岩石中的晶體須

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要使用顯微鏡才能看得到的話，地質學家就可知道此岩漿的冷卻頗為

快速。

除了冷卻速率之外，岩漿的組成和氣體的溶解量也會影響結晶作

用。因為岩漿在這些方面各有所不同，所以火成岩的外觀與礦物組成

會有廣泛性的差異。僅管如此，根據火成岩的組織(texture)與礦物組

成，我們仍可以將火成岩加以分類，我們現在將要檢視這兩種特徵。

組織是根據相嵌的晶體大小、形狀和排列來描述火成岩的所有外

觀。組織是一個非常重要的特徵，因為它隱含著許多有關岩石形成環

境的訊息。在地表快速的形成或在地殼上半部中的小型熔體所形成的

火成岩都具有微晶組織(fine-grained texture)，因為其中的晶體太小了

以致於無法用肉眼觀察得到。位在地底深處的大量岩漿體固化時，它

們將形成具有粒狀組織(coarse-grained texture)的火成岩。這些粒狀組

織的岩石具有大量相嵌晶體之外觀，其晶體大小大約相同，而且其大

小光靠肉眼就可鑑別出個別的礦物，花崗岩就是一個典型的例子。假

如含有一些大晶體的岩漿突然噴出到地表，熔岩中殘留的熔融部分將

會快速地冷卻，如此所形成的岩石將出現大晶體埋在小晶體的基質之

中，此種岩石被認為是具有斑狀組織(porphyritic texture)。一些火山在

噴發期間，熔融的岩石會被拋射進入大氣中，並在大氣中很快速的冷

卻下來，這種快速冷卻可產生具有玻璃(glassy texture)的岩石。當離

子沒有足夠的時間結合成具有規則排列的結晶構造時將會形成玻

璃。黑曜岩(obsidian)就是一個常見的天然玻璃，它的外觀與人造的暗

色玻璃很相似。另外一種具有玻璃組織的火山岩則是浮石(pumice)。當大量的氣體從熔體中逸出後會形成灰色泡沫般的物體，亦即形成了

浮石，它經常和黑曜岩共生在一起。

火成岩主要是由矽酸鹽礦物所組成的；此外，特定火成岩中的礦

物組成最終還是決定於母岩漿的化學成份，而岩漿中主要含有組成矽

酸鹽礦物的八種元素。化學分析顯示，矽與氧是火成岩中最豐富的成

份，這兩種元素再加上鋁、鈣、鈉、鉀、鎂與鐵離子在一般的岩漿中

大約佔了 98wt%。

當岩漿冷卻固化後，這些元素會化合而形成兩種矽酸鹽的礦物

群。暗色的矽酸鹽富含鐵、鎂，但 SiO2 的含量相對較低，而橄欖石

(olivine)、輝石(pyroxene)、角閃石(amphibole)與黑雲母(biotite)是地殼

中常見的暗色矽酸鹽礦物。相對地，淡色的矽酸鹽礦物中鉀、鈣、鈉

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的含量較鐵、鎂多，SiO2的含量也相對較高。淡色矽酸鹽礦物包括：

白雲母(muscovite)、石英(quartz)與最豐富的長石(feldspars)礦物。長

石在一般的火成岩中至少佔有 40%，其餘就是上述的暗色與淡色矽酸

鹽礦物。

火成岩是根據其組織和礦物組成來分類。不同的火成組織是由各

種的冷卻歷程所造成，而礦物組成則決定於母岩漿的化學組成和結晶

作用的環境。僅管成分具有多樣性，火成岩根據淡色與暗色礦物的比

例，可以大致分成幾大類，而根據組織與礦物組成的一般分類之架構

則列於下表之中。

因為有很多種的火成岩存在，或許我們可以假設必須也有等量多

種的岩漿存在。然而，同一座火山在不同噴發時期會噴出不同礦物組

成的熔岩，尤其是兩次火山噴發的時間相隔較長的時候。這樣的證據

引導地質學家們去檢視這個可能性：單一岩漿可產生不同礦物含量的

岩石。包溫(Bowen)在 1920 年代對上述的觀念最先進行研究，針對岩

漿的結晶作用進行一系列的實驗。

包溫的反應系列： 包溫在實驗室的環境裏證明，岩漿不會如純物質

(如水)一樣只會在一定的溫度下固化，它因具有多樣化的組成，結晶

溫度的範圍至少有 200℃。因此，當岩漿冷卻時，某些礦物會在高溫

下先結晶，而逐漸降溫過程中其它礦物也會結晶出來，其結晶次序如

下表所示，這就是著名的包溫反應系列(Bowen’s reaction series)。

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包溫發現最先從岩漿中結晶出來的礦物是橄欖石，再度冷卻之後

會形成輝石與斜長石礦物。在中等溫度之下，角閃石與黑雲母礦物會

開始結晶。

結晶作用的最後階段裏，大多數岩漿已經固化了，此時白雲母與

鉀長石等礦物也可以形成，而石英最後從殘留的液體中結晶出來。因

此，在一火成岩之中，橄欖石經常不會與石英共存，因為石英的結晶

溫度明顯比橄欖石低。

這個高度理想化之結晶模式頗為接近自然界火成岩的分析結

果。尤其是，我們發現包溫反應系列中結晶溫度相近的礦物經常一起

出現在同一個火成岩裏。例如，鉀長石、白雲母與石英的結晶溫度相

近，而它們都是花崗岩中的主要組成礦物。

岩漿分異作用(magmatic differentiation)： 包溫證實不同的礦物會在

不同的溫度下結晶。包溫反應系列要如何來說明這麼多樣化的火成岩

呢？在結晶作用的過程當中，早期結晶的礦物將逐漸用掉一些元素，

使得熔體的成份持續變化著，這個過程在加上多次的結晶作用，岩漿

的固體和液體部分發生了分離，這就出現所謂的結晶沈澱(crystal setting)。假如早期形成的礦物之密度較液體為高時，它們會沈積到岩

漿的底部，因此就會出現結晶沈澱的過程。假如剩餘的岩漿在原地或

移到圍岩的裂隙之中固化時，它將會形成火成岩，但其化學組成將會

與母岩漿頗為不同。因此，由單一岩漿產生多種次生的岩漿，我們稱

為岩漿分異作用。

在岩漿演化的各個階段當中，固液體可以分離成兩種不同的化學

成份體。此外，次生熔體的岩漿分異作用可再產生不同的化學成份

體。因此，在不同的結晶作用時期，岩漿分異作用與固液相分離可產

生很多不同成份的岩漿，以及最後形成各式各樣的火成岩體。

同化作用(assimilation)與岩漿混合(magma mixing)： 有證據強烈暗

示，除了岩漿分異作用之外，還有其它的過程可以使岩漿的化學組成

發生變化。例如：當岩漿在地殼中往上移棲時，周圍的一些母岩可以

併入岩漿之中，此過程稱為同化作用。另一種稱為岩漿混合的方法也

可以改變岩漿的成份，此過程發生在一岩漿體入侵到另一岩漿體時。

兩種岩漿體一旦合倂，對流可攪拌這兩種岩漿並形成具有不同化學成

份的流體。

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摘言之，包溫已成功證明，經由岩漿分異作用，單一母岩漿可以形成

很多種礦物組合的火成岩。這個過程再加上岩漿的混合與地殼之掺

染，大致可以說明為何會存在有那麼多種不同的岩漿體與火成岩。

火成岩的主要成分是二氧化矽，佔總重量的 40%至 75%以上。

依據二氣化矽的含量由多到少，火成岩可分為酸性、中性、基性、超

基性四大類。將此四大類再配合其結晶大小，就可以將所有的火成岩

予以科學性的分類。

火山的外形，依火山噴發的型式和成分，一般可分為三類：盾

狀火山 (shield volcano) 、火山碎屑錐 (cinder cone) 及複式火山

(composite volcano)。盾狀火山呈扁平低錐狀的山形，如平放地上的

盾牌，以流動性較佳的玄武岩質岩漿為主，常沿裂隙或中心噴出而形

成，例如夏威夷的火山。

火山碎屑錐具陡坡的圓錐形火山，是由爆發式所噴出的大量火山

碎屑岩渣所堆成的，形狀像倒置的飯碗，頂上常有一寬大而陡峭的火

山口。若是由黏滯性較高、流動性較差的中性或酸性熔岩所冷卻形成

的，則常呈鐘狀的圓頂丘。

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複式火山呈圓錐狀，上部坡度較陡，而下坡則較緩，是由熔岩流

和火山碎屑岩交替噴出互層所形成。大部分的火山，尤其是發生於島

弧的火山，都屬於此種火山體。

沈積岩(Sedimentary rocks)

岩石循環圖中顯示出沈積岩的來源，風化是沈積岩形成過程的源

頭，接下來重力和侵蝕營力(水流、風、波浪與冰川)將風化的產物移

走，並把它們攜帶到新的地方去，最後在這些地方沈積下來。在搬運

的過程當中，這些顆粒會再度瓦解，而在沈積之後，沈積物可以固化

或轉變成岩石，其中壓密作用(compaction)與膠結作用(cementation)通常會將沈積物轉變為沈積岩。

沈積的(sedimentary)這個字指出了這些岩石的本質，意味著固體

物質從流體中沈澱出來。大多數的沈積物是以此種方式被沈積下來，

受風化的碎屑物持續不斷地從基岩中移除，並且被水、冰或風所帶

走，這些材料最後會沈積在湖泊、河谷、海洋和其它地方。沙漠砂丘

中的顆粒、河床上的鵝卵石、沼澤中的底泥以及家中的灰塵都是這永

不休止過程所產生沈積物之例子。

基岩風化以及風化產物之搬運與沈積是個連續的過程，當成堆的

沈積物堆積時，接近底部的物質被其上方地層之重量所壓密，經過漫

長時間之後，這些沈積物顆粒間的孔隙會由水中所沈積的礦物質所填

滿，因此會將這沈積物膠結在一起，最後形成了固態沈積岩。

地質學家估計地殼最上面的 16 公里之內，沈積岩約只佔 5%的體

積。雖然數量較少，然而這一類的岩石有其重要性。假如你對露出地

表的岩石進行採樣，你將會發現它們大部分都是沈積岩。事實上，大

陸上所露出的岩石中約有 75%是沈積岩。因此，我們可以把沈積岩視

為地殼最上層部分的一個相當薄且有點不連續的一層。這是可以理解

的，因為沈積物是在地表上堆積的。

地質學家經由沈積岩的觀察可以重建地球歷史中的許多細節部

分，因為沈積物在地表上從各式各樣的地質背景中沈積下來，最後所

形成的岩石就會保存著過去地表環境中的許多線索。沈積岩也展現一

些特徵使地質學家可以辨讀出沈積物搬運的方式與距離之訊息。再

者，沈積岩含有化石，這是我們研究過去地質的一項重要證據。

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最後，很多沈積岩具有非常重要的經濟價值。例如：煤是一種沈

積岩，目前在美國有超過半數的發電廠使用它來發電。其它重要的能

量資源(石油和天然氣)也存在於沈積岩的孔隙當中。一些沈積岩也是

鐵、鋁、錳、肥料以及許多建築工業材料的主要來源。

沈積物有兩種主要的來源。首先，沈積物可來自受風化岩石所產

生的固體粒子，例如火成岩。這些粒子我們稱為碎屑，而其所形成之

沈積岩稱之為碎屑性(detrital)沈積岩。

第二種沈積物來源大多是由化學風化所產生的可溶性物質，當這

些溶解的物質又沈積成固體，我們稱之為化學性沈積物，它們形成了

化學性(chemical)沈積岩。我們現在將要檢視這兩種沈積岩。

碎屑性沈積岩： 雖然在碎屑性沈積岩中可發現各式各樣的礦物與岩

屑，但其中是以粘土礦物和石英為主。粘土礦物是矽酸鹽礦物(尤其

是長石)受化學風化之後 最豐富的產物。相對地，石英數量也很多，

這是因為石英相當耐磨損而且非常抗化學風化。因此，像花崗石這種

火成岩受風化之後，就可以釋放出石英顆粒。

地質學家利用顆粒大小將碎屑性沈積岩再加以分類，組成碎屑性

沈積岩的顆粒大小可分為四種。當鵝卵石大小的顆粒為最多時，而且

顆粒表面較為圓滑，此種岩石稱為礫岩(conglomerate)；若顆粒是呈現

多角狀者則稱為角礫岩(breccia)。多角狀的碎屑透露出這些顆粒在沈

積之前未被搬運到遠處，因此它們的稜角與稜邊並未被磨掉。其中，

若砂粒大小的顆粒為數最多時，此種岩石稱為砂岩(sandstone)。最常

見的沈積岩是頁岩(shale)，是由微細顆粒的沈積物所組成的。粉砂岩

(siltstone)是另一種顆粒較細的岩石，它有時難與頁岩做區別。

顆粒大小不僅是提供細分碎屑性沈積岩的一種方便方法，而且也

可以提供有關沈積環境之有用訊息。水流或氣流會依顆粒大小來進行

篩選，流動力愈強，它們所攜帶的顆粒就愈大。例如：鵝卵石可以被

快速流動的河流、山崩以及冰川所搬動。搬運砂粒所需的能量會較

少，因此我們常可見到風吹沙丘、河流沈積層以及沙灘。因為粉砂與

粘土之沈澱是非常地緩慢，這些物質之堆積通常與安靜的水體有關，

例如：湖泊、潟湖、沼澤或海洋環境。

雖然碎屑性沈積岩依顆粒大小來分類，但在某些例子當中，礦物

組成也是岩石命名的一部分。例如：若砂岩中大部分是由石英所組成

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的，常可稱為石英砂岩。此外，由碎屑性沈積物所形成的岩石幾乎不

會只由單一顆粒大小的粒子所組成，因此同時含有許多砂與粉砂之岩

石可被正確命名為砂質粉砂岩或粉砂質砂岩，這要看哪種顆粒大小佔

有優勢。

主要 沈積物

顆粒直徑 (mm) 碎屑岩名稱 常見成分

礫石 ＞2 粗 ↑ ↓ 細

礫岩或角礫岩 岩屑、圓礫。

砂 1/16～2 砂岩 通常石英最多，亦常有岩屑。

粉砂 1/256～1/16 粉砂岩 以石英及黏土礦物最多。

黏土 ＜1/256 頁岩或泥岩 黏土礦物為主，多含石英粒。

化學性沈積岩： 相對於碎屑性岩石是由受風化的固體產物所形成

的，化學性沈積物則是來自被帶入湖水和海水中並且溶解之物質。這

些物質不會無限期地溶解在水中，當環境適當時，它們會沈積而形成

化學性沈積物。這種沈澱可以直接因物理過程，或者間接透過水中生

物的生命過程而產生。後者所形成的沈積物是屬於生化源的

(biochemical origin)。

由物理過程所形成的沈積層之例子是鹹水體蒸後所留下之鹽

巴。相對地，很多水中的動植物會萃取溶解的礦物質以形成外殼與其

它硬體部分，生物死亡之後，它們的骸骨可以堆積在湖底或海底。

石灰岩(limestone)是最豐富的化學性沈積岩，它主要是由方解石

(CaCO3)所組成的。90%的石灰岩是屬於生化源沈積物，其餘是從水

中直接沈澱出來的。

有一種很容易辨認的生化源石灰岩就是殼灰岩(coquina)，它是由

膠結較差的貝殼和殼屑所組成的粗糙岩石。另一種較不顯著但為人熟

知的是白堊土(chalk)，它幾乎完全是由微小生物硬體所組成之柔軟且

多孔的岩石。

當化學變化或水溫較高時會增加水中碳酸鈣的濃度，直到碳酸鈣

發生沈積就形成了無機石灰岩。裝飾在石灰岩洞的石灰華(travertine)就是其中的一個例子。地下水是沈積在岩洞中之石灰華的源頭，當小

16

水滴來到洞穴的空

氣中，一些溶解在

水中的二氧化碳會

逸出並且造成碳酸

鈣的沈澱。

溶解的二氧化

矽 (SiO2)發生沈澱

會形成各種的微晶

質 石 英 (micro- crystalline quartz)，這包括淡色燧石

(chert)、深色打火石

(flint)、碧玉(jasper)和瑪瑙(agate)。這些

化學性沈積岩可以

是無機或生化源

的，但經常是很難

去分辨的。

蒸發經常會使

礦物從水中沈澱出

來，這些礦物包括

岩鹽(halite)和石膏

(gypsum)，這兩種礦

物有重要的經濟價值。岩鹽可當作烹調使用的食鹽，當然還有許多其

它的用途，它被認為是很重要的物質，以致於人類歷史中常為了它而

進行找尋、買賣和爭戰。石膏是熟石膏的基本原料，這種材料被廣泛

地使用在建築工業上。

在過去的地質歷史中，目前為乾燥陸地的許多地質區，以前曾是

淺海伸入地區，它原本與外海有相通。在這些環境之下，海水持續地

移入海灣以補充因蒸發所失去的水，最後這些海灣中的水體會飽和而

開始沈積殘留下來。目前這些海灣已消失不見了，但所遺留下來的沈

積物我們稱之為蒸發岩(evaporites)。

就較小的規模而言，蒸發岩礦床可以在美國加州的死谷(Death

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Valley)這種地方看得到。在這裏，隨著山脈中的雨水或融雪所形成的

水流從死谷周圍的山脈中流入這個封閉的盆地中。當水分蒸發時，溶

解的物質會被留下來，在地面上形成白色的硬外殼，稱之為鹽灘(salt flat)。

煤與其它化學性沈積岩有著相當大的差異，它不像其它種類的化

學性沈積岩(是富碳酸鈣或富二氧化矽的)，煤大多是由有機物質所組

成的，例如：葉子、樹皮和木頭，這些雖然都已發生了化學變化，但

仍然可以被辨認出來，煤是大量植物長期被深埋後的最終產物。

煤礦形成的初期是大量植物的遺骸之堆積。然而，此種堆積需要

特殊的環境來配合，因為死去的植物曝露在大氣中通常會分解掉。允

許植物材料集結的理想環境是沼澤地，因為停滯的沼澤水體是缺氧

的，植物材料在此不可能會完全分解(氧化)掉。在地球歷史中的不同

年代裏，這種環境一直是頗為常見的。煤礦接連進行各種的形成階

段，在依序的階段之中，高溫與高壓可以將雜質和揮發物移去。

褐煤(lignite)與煙煤(bituminous)都是沈積岩，但無煙煤(anthracite)則是變質岩。當沈積層受到與造山運動有關的褶曲和變形後會形成無

煙煤。

摘言之，我們將沈積岩分成兩大類：碎屑性與化學性。碎屑性沈

積岩分類的主要是依據顆粒大小，然而化學性沈積岩則是依據礦物組

成來區分。這裏所提出的分類方式較為死板，因為大多數的碎屑性沈

積岩並非是單一顆粒大小的混合體。此外，很多被分類為化學性沈積

岩也至少含有少量的碎屑性沈積物，而且所有的碎屑性沈積岩實際上

是被溶解在水中的物質所膠結在一起的。

岩化作用：涉及沈積物轉變成固體沈積岩之過程。最常見的過程之一

是壓密作用。當沈積物隨著時間之堆積，在上方的物質重量會擠壓較

深層的沈積物。當顆粒被壓得愈來愈緊密時，其中的孔隙就會大大地

減少。例如：當粘土被深埋在數千公尺厚的物質下方，粘土的體積可

減少 40%。在細粒沈積岩(例如頁岩)之中，壓密作用是最重要的，因

為砂和其它的粗大的沈積物很難被壓縮。

膠結作用是沈積物轉變成沈積岩的另一種重要方式。帶有膠結物

質的水在顆粒間的孔隙當中滲透，一段時間之後，膠結物會沈澱在沈

積物的顆粒上，並逐漸填滿孔隙，最後會將顆粒結合在一起。方解石、

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二氧化矽和氧化鐵是最常見的膠結物，我們可以輕易地辨認出膠結物

質。方解石膠結物遇到稀鹽酸會冒泡；二氧化矽是最硬的膠結物，因

此可形成最硬的沈積岩；當沈積岩呈現橘色或紅色時，這經常意味著

有氧化鐵膠結物之存在。

沈積岩的特徵：沈積岩在地表上形成，沈積物層層堆積各記錄著沈積

物沈積當時的環境本質，這些層理稱之為層(strata)，它是沈積岩中最

獨特的特徵。地層厚度的範圍從非常薄到十公尺厚都有，分隔這些地

層的是層面，它是平坦的表面，岩石沿此面易於分離或破裂。一般而

言，每個層面指出某次沈積作用的結束以及另一次沈積作用之開始。

沈積岩提供地質學家們辨識過去環境的證據。例如：礫岩指出有

一個高能量的環境(比如像急流)，在這種地方只有粗大的材料才可以

沈積下來。相對地，黑色頁岩和煤之存在則與低能量、富含有機物的

環境有關，例如沼澤或潟湖。在一些沈積岩中所發現的其它特徵也可

以提供過去環境的線索。

化石是指史前生命的遺骸或痕跡，它可能是某種沈積岩中最重要

的內含物。認知存在於某一期間生命型態的本質將有助於解答很多有

關環境的問題，它是陸地或是海洋呢？是湖泊或是沼澤呢？氣候是溫

暖或寒冷呢？是多雨或乾燥？是淺海或深海？水體是混濁或是乾淨

的？此外，化石也是重要的時間指示物，在比對相隔兩地同一年代的

岩層中它是扮演著關鍵的角色。在解釋過去的地質時，化石是個重要

的工具。

變質岩(Metamorphic rocks)

變質作用(metamorphism)是由一種岩石轉變成另一種岩石。變質

岩是由原先存在的火成岩、沈積岩或是其它變質岩所形成的。因此，

每一種變質岩皆有其母岩(岩石之形成是由此母岩而來的)。變質作用

照字面它的意思是”改變物質形式”。先前所存在的岩石受到不同於它

剛形成時之溫度與壓力時，變質作用就會發生。為了適應這些新的環

境條件，岩石會逐漸地改變，直到與新的環境達成平衡的狀態。大多

數的變質是發生在較高的溫度和壓力處，這種環境是從位在地表下數

公里一直延伸進入上部地函的這個區域中。

變質作用常會由輕微變化(低度變質作用)到高度的變化(高度變

質作用)漸增地進行著。例如：在低度變質作用之下，常見的頁岩之

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沈積岩會變成更加緻密的變質岩—板岩(slate)，但這種兩種岩石標本

有時很難區分，這個事實顯示從沈積岩過渡到變質岩常常是漸進且變

化緩慢的。

在更極端的環境之下，變質作用會造成岩石發生全然地轉變，以

致於無法判斷出其母岩。在高度變作用中，像原先存在於母岩之中的

層面、化石、孔洞等特徵會被塗消掉。再者，當岩石位於地底深處(溫度較高)受到指向壓(directed pressure)時，岩石會緩慢地變形而產生各

式各樣的組織以及大規模的構造，例如褶皺。在非常極端的變質環境

之下，溫度會高到近乎岩石熔融的溫度。然而，在變質作用期間，岩

石必然仍維持固態，若發生完全熔化就已進入火成活動的範圍了。

變質作用依成因可以粗分為接觸變質與區域變質兩大類。接觸變

質作用是因岩漿侵入地層時，圍岩受到岩漿的熱影響而變質，它的規

模很小，只環繞在侵入岩脈的四周，一般僅有數公尺至數百公尺範圍

而已。區域變質作用則是由於聚合性板塊作用、造山運動等地殼變動

的過程中，在地殼深處產生的高熱或高壓所引起，規模非常大，範圍

常達數千平方公里。

變質作用的營力包括熱、壓力(應力)和化學反應性流體。在變質

作用期間，岩石經常同時會受到這三種變質營力之影響。然而，不同

環境之下變質作用的程度以及每一種營力貢獻度之差異甚大。

以熱為變質營力： 變質作用中最重要的營力是熱，因為它提供能量

以驅動化學反應，並導致原礦物發生了再結晶或變成新的礦物，使岩

石產生變化的熱能主要有兩種來源。首先，當岩石被地底上升的岩漿

所侵入時，岩石會經歷到溫度之上升，這就是所謂的接觸變質作用。

在這些地方，鄰近的岩石會被侵入的岩漿所”烘烤”。

其次，在地表形成的岩石被移到深處時，溫度會有逐漸上升的現

象。在地殼的上層，每深入地底 1 公里，溫度平均會增加 20~30℃，

當被深埋至 8 公里左右時溫度就會增高到 150~200℃，此時粘土礦物

將開始變成不穩定並且再結晶成為綠泥石(chlorite)和白雲母等礦

物，因為它們在這個環境下是穩定的。(綠泥石是類似雲母的礦物，

由富含鐵和鎂的矽酸鹽礦物因變質作用而形成)。然而，很多矽酸鹽

礦物(尤其是在結晶火成岩中所見的礦物，例如石英)在這個溫度之下

仍可穩定存在。因此，這些礦物要在更高溫時才會發生變質。

20

以壓力或應力為變質營力： 壓力就像溫度一樣也會隨著上層岩石厚

度 (或深度 )之增加而遞增。被深埋的岩石將受到圍壓 (confining pressure)，它與水壓頗為類似，因為各方向的作用力均等。沈入海中

愈深則靜水壓就會愈大，岩石被掩埋時也有相同的趨勢。圍壓會使礦

物顆粒之間的空隙閉合，因而產生一個更為緻密且密度更高的岩石；

再者，在地底深處的圍壓可以使礦物發生再結晶而形成更加緻密之結

晶型式的新礦物。

在造山運動事件的期間，廣大岩石體變為高度起伏與變質。形成

山脈的力量在各方向上是不均等的，此種力量稱為差異應力

(differential pressure)。不像圍壓在各方向上是以相同的力量擠壓著岩

石，差異應力則主要是沿著平面施加應力。岩石受到差異力作用時沿

著施力的方向會變短，而垂直於此作用力的方向上則會被拉長。由差

異力所造成的變形在變質岩組織之發育上扮演著主要的角色。

溫度較低的地表環境中岩石會較脆(brittle)，當受到差異力時較容

易破裂。持續變形會將礦物研磨成粉末或小碎屑。相對的，在高溫環

境中的岩石呈現柔性(ductile)或延展性的。當岩石呈現柔性行為時，

岩石中的礦物受到差異力之作用較容易被壓平和拉長，這個事實可以

解釋岩石為何能流動變形(而不是破裂)而形成複雜的褶皺。

化學反應性的流體：主要是由水和其它揮發物(在地表環境下很容易

變成氣體的物質，例如：二氧化碳)所組成的，在一些變質作用中，

流體被認為扮演著重要的角色。圍繞在礦物顆粒周圍的流體可當作觸

媒，它可增加離子的移動性並且促進礦物發生再結晶。此外，在逐漸

高溫的環境中，這些富含離子的流體也相對地變得更具活性。例如：

當兩個礦物顆粒被擠壓在一起時，它們接觸之處的結晶構造部分所受

到的應力是最大的，在這些位置上的離子很容易被熱流體所溶解，並

沿著顆粒的表面移動到兩顆粒未接觸的地方。因為受到高應力而溶解

的物質會在低應力區域沈澱，藉著這些熱流體有助於礦物顆粒之再結

晶。結果，垂直於壓應力方向的礦物較容易再結晶並且長得更長。

在熱流體可自由流通的岩石之中，兩個鄰近的岩層之間可以發生

離子交換，或者在離子最後沈澱之前，它們可進行較遠距離的移動。

其中，入侵的岩漿在結晶作用的期間，逃逸的熱流體使得後者的情況

頗為常見。假如周圍岩石的成份明顯與流體不相同，流體與母岩之間

則可發生實質的離子交換，當發生了離子交換，將導致圍岩的所有組

21

成發生變化。

變質作用的程度是反映在岩石的組織和礦物學上。當岩石受到低

度變質作用時，它們會變得更加緻密和高密度。例如：當頁岩所承受

的溫度和壓力僅比沈積物岩石受壓密作用之溫壓稍高時，就可以形成

板岩。在這個例子中，差異應力使頁岩中微小的粘土礦物重新排列成

為較緻密的板岩。

在更加極端的環境之下，應力會造成某些特定礦物發生再結晶。

一般而言，再結晶會使較大的晶體更加成長。因此，很多變質岩是由

肉眼可見的晶體所組成的，其組織很類似於粒狀組織的火成岩。

有些礦物晶體會順著某個方向再結晶，此方向本質上是垂直於擠

壓力量的方向。如此所形成的礦物排列經常會使岩石呈現層狀或帶狀

之外觀，稱之為葉理狀組織(foliated texture)。簡單來說，只要能使岩

石中的礦物平行排列就可形成葉理(foliation)。但並非所有的變質岩都

具有葉理狀組織，我們稱此種岩石是出現非葉理狀組織。只由單一種

而且是等粒狀的礦物所組成之變質岩原則上是看不到葉理的。例如：

純石灰岩只是由單一方解石礦物所組成的，當細粒石灰岩出現變質，

小的方解石晶體會相互結合而形成較大而鑲嵌在一起的晶體，所造成

的岩石類似於火成岩，此種等粒狀的變質石灰岩稱為大理岩(marble)。

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變質過程將導致原岩發生多種變化，包括密度增加、較大晶體之

成長、形成葉理以及低溫礦物相轉變成高溫礦物。此外，由於其它離

子之進入而形成新的礦物，它們有些還頗具經濟價值。在此我們簡短

地檢視由變質過程所產生的常見岩石。

葉理狀(foliated)變質岩： 板岩是微晶的葉理狀變質岩，主要是由微

小的雲母片所組成。板岩最值得注意的特徵就是有良好的岩石劈理，

這意味著板岩很容易被劈開成平板狀，這種特性使板岩成為很有用的

岩石，可以做成屋頂、地板瓷磚、黑板、撞球桌。板岩最常是由頁岩

受到低度變質作用而形成，但偶爾是火山灰經變質作用而來的。板岩

可以呈現出任何顏色，這需由其礦物之組成來決定。黑色板岩是含有

機物質；紅色板岩是因為含有氧化鐵；綠色板岩經常是由類似雲母礦

物的綠泥石所組成的。

片岩(schist)是具強烈葉理之岩石，它是由區域變質作用所形成

的。片岩是薄板狀的，可輕易地將它分裂成小薄片或板狀。像板岩一

樣，板岩的原母岩可以是來自頁岩，但片岩中的變質作用較為強烈。

片岩這個名詞是描述岩石的組織，卻不論其組成為何。例如：主

要是由白雲母和黑雲母所組成的片岩，我們稱之為雲母片岩。

片麻岩(gneiss)這個名詞是用來描述帶狀的變質岩，其變質度相

對為最高。此種岩石大多含有瘦長和粒狀的礦物(並非板狀)。片麻岩

中最常見的礦物是石英與長石，以及少量的白雲母、黑雲母和角閃

石。片麻岩中黑白矽酸鹽礦物呈現明顯分離的現象，因而呈現出帶狀

的組織。當它們處於塑性狀態時，帶狀片麻岩可以變形成複雜的褶皺。

非葉理狀(nonfoliated)變質岩： 大理岩是一種粗粒結晶的岩石，其母

岩是石灰岩。大理岩是由相互鑲嵌的大顆粒方解石所組成的，是由母

岩中較小的顆粒再結晶所形成。因為它的顏色和軟度(莫氏硬度只有

3)，大理岩是個受歡迎的建材。白色大理岩因可以雕刻成紀念碑和雕

像(例如米開朗基羅著名的大衛雕像)而頗受重視。由於形成大理岩的

原石灰岩中常含有雜質而使大理岩呈現各種的顏色，大理岩可以是粉

紅色、灰色、綠色或甚至是黑色的。

石英岩(quartzite)是個很堅硬的變質岩，最常由石英砂岩所形

成。在中度至高度變質作用之下，砂岩中的石英顆粒會熔接在一起。

純石英砂岩是白色的，但是含有氧化鐵時可以產生紅色或粉紅色的色

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斑，而暗色礦物則使它呈現灰色。

※ 地球的層狀結構

地球內部位在我們的底下，但我們只能很有限度地接近地球的內

部。目前最深的井只能深入到地殼的 12 公里處，這還不到地球半徑

的 0.2%。因此，我們星球內部之認知大多數是來自地震波的研究，

地震波可穿透地球並在地表的某處造成震動。

假如地球是個完美的均勻球體，那震波將會以直線而等速的方式

傳播出去。然而，事實並非如此，我們有時會發現抵達較遠的地震測

站之震波行進速度比接近震央處的測站時還要快。波速一般會隨深度

而漸增，這是因為壓力逐漸增加的結果，壓力增加會使深埋的岩石彈

性增強，因此穿越地球內部的震波之行進路徑會被折射掉。

隨著更靈敏地震儀之發展，我們明顯地發現到，除了震波速度有

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逐漸變化的趨勢之外，在某些深度處震波速度也出現突然的變化，因

為在世界各地都可被偵測到這些變化，地震學家推論地球內部必定是

由明顯不同的組成或機械性質的球殼層所組成的。

發現地球的主要分層

地震學家是如何發現地核與分層的，這些故事是頗為有趣的。

1909 年，開路先鋒的克羅埃西亞地震學家莫氏(Mohorovicic)首先提出

令人信服的証據，証明地球內部有層狀的構造。經由震波記錄之研

究，莫氏發現震波在 50 公里以下的深處其速度會突然增快。分隔地

殼與其下方地函的邊界我們稱之為莫氏不連續面 (Mohorovicic discontinuity)，而此邊界很快地被簡稱為 Moho。

數年之後，另一個邊界被德國地震學家古氏(Gutenberg)所發現。

一般而言，即使是小地震所產生的震波也足於傳播到世界各地，這就

是為何在加州或義大利的地震儀也可偵測到南極的地震事件。然而，

古氏觀察到全球離震央約 103°的各個地方之 P 波會減弱，最後竟然

消失。而 140°以上的地方雖可收到 P 波；然而，根據其行進的距離，

P 波比預期抵達的時間晚了兩分鐘左右。P 波消失的地帶有 35°寛，

我們稱之為 P 波陰影帶(shadow zone)。古氏認為地球內部若含有一層

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異於地函物質的地核，這就可以解釋陰影帶之存在。類似於光線被不

透光的物質所阻擋之後而形成陰影一樣，地核必也以某種方式阻礙了

P 波之穿透。然而，這裏並非是擋住 P 波之行進，而是被陰影帶改變

了行進的方向。我們也知道 S 波無法在地核中行進，因此地質學家推

論地核至少有一部分是液態的。

1936 年，地球內部最後一個主要分層是被丹麥地震學家雷曼

(Lehmann)所預測出來，因為她發現在地核內部有新的震波反射區域

出現。因此地球的地核中又有核的存在(內核)。直至 1960 年代，在

內華達州進行了地下核子試爆之後，我們才能準確地計算出內核的大

小。因為我們已經知道引爆的精確地點與時間，由內核反彈回來的震

波使我們能夠準確地決定出內核的大小。過去數十年以來，地震學方

面的進展已讓我們能夠更精細地決定出地球內部的構造。其中，最重

要的是發現有岩石圈與軟流圈之存在。

發現地球的組成

我們已檢視過地球的結構，因此讓我們現在來查明每一層的組

成。從組成可以告訴我們很多有關於 45 億年來地球如何地發育。地

殼厚度變化較大，在一些山區之厚度超過 70 公里，但在一些海洋地

區的厚度則小於 3 公里。早期的震波資料認為，主要是由密度較低的

花岡岩所組成的大陸地殼與緻密的海洋地殼的成分有著明顯的不

同。直到 1968 年之前，科學家只能用震波資料來判斷海洋地殼的成

分，因這些地殼岩石位在平均 3 公里深的海水以及數百公尺厚的沉積

物之下。隨著深海鑽探技術之發展，我們已可取得海底的標本，它們

的成分是屬於玄武岩質，這與大陸地殼的成份有著明顯的差異。

我們對地函與地核岩石之認知可說是靠推測而來的，然而我們還

是擁有一些線索的。到達地表的熔岩之源頭是來自地函裏面部分融熔

的軟流圈。在實驗室中，經由實驗顯示，橄欖岩部分融熔時會形成玄

武岩質的岩漿，此成分與海島上火山活動所冒出的熔岩成分相類似。

因此，像橄欖岩這種密度較高的岩石被認為是地函的組成物質，並且

供應火山島噴發活動所需的熔岩。

令人驚訝的是，撞擊地球的隕石可提供地球內部組成之訊息。因

為隕石也是太陽系的一部分，它們被認為是具代表性的岩石樣本，而

其成分範圍從鐵鎳所組成的鐵隕石到類似緻密橄欖岩的石隕石。

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因為地殼含鐵的百分比明顯比隕石少很多，地質學家相信在行星

形成之初期，緻密的鐵以及其它重元素都往地心下沈了，較輕的物質

則浮到地表，因而形成密度較低的地殼。因此，我們認為地核主要是

由緻密的鐵鎳所組成的，這種組成與鐵隕石相類似。然而，其周圍的

地函則是由類似石隕石的岩石所組成的。

地球磁場的存在可用來支持融熔鐵質外核的想法，我們地球就像

個大磁鐵，而解釋地球為何有磁場存在並且廣為接受的機制是地核由

導電物質所組成的(例如鐵)，而且這些物質可以移動以造成對流。這

些情況和根據震波資料所建立的地核模型相符合。

鐵質地核不僅可以說明地磁的存在，也可以解釋地球內部的高密

度(地心密度約是水的 14 倍)。在地核的高壓環境之下，平均密度為

2.8 的地殼無法達到地心的密度。然而，鐵的密度是地殼岩石的 3 倍

以上，在高壓之下可達到地核所需的密度。

摘言之，雖然地震頗具破壞力，但有關地球內部的許多知識則是

源自地震現象之研究。若對地震與其成因之認知有所提升的話，我們

將可以知道更多有關地球內部的運作過程，這或許也能讓我們知道如

何減少地震的災害。

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本章摘要

地球科學泛指整合所有科學以了解地球及其周遭環境的一門科

學。它包括地質學、海洋學、氣象學與天文學。地質學傳統上又

分成自然地質學與歷史地質學。

由岩漿冷卻與結晶固化而形成火成岩；因沉積物的岩化作用而形

成沉積岩；岩石在高壓與受熱下進行變質作用而形成變質岩。

岩漿的冷卻速率明顯影響火成岩中礦物晶體的大小。有四種基本

的火成岩組織：微晶、粒狀、斑晶及玻璃組織。

火成岩依據其組織與礦物組成來進行分類。火成岩根據它們所含

的暗色與淡色矽酸鹽礦物之比例而分成數個成分群。長英質火成

岩(例如花崗岩與流紋岩)大多是由淡色的矽酸鹽礦物所組成。中

性成分的火成岩(例如安山岩與閃長岩)含有角閃石與斜長石。鐵

鎂質的火成岩(例如玄武岩與輝長岩)含有大量的橄欖石、輝石與

鈣長石。

火成岩的礦物組成決定於其原先岩漿的化學組成。包溫(Bowen)的實驗發現岩漿逐漸冷卻時，礦物晶體的形成有其先後次序。岩

漿分異作用改變了岩漿的成分，因此一種母岩漿可以形成多種的

火成岩。

碎屑性沉積物來自於風化而來的固體顆粒；化學沉積物主要是化

學風化所形成的可溶物質，經由無機或有機的過程沉澱而成。根

據顆粒大小進行分類的碎屑性沉積岩含有許多種的礦物與岩

屑，其中石英與黏土礦物是最主要的組成。化學性沉積岩常含有

生化過程的產物，例如：貝殼屑或水蒸發而沉澱的礦物。由沉積

物轉變成沉積岩的過程稱為岩化作用。

常見的碎屑性沉積岩包括頁岩(最常見的沉積岩)、砂岩與礫岩。

石灰岩是最豐富的化學性沉積岩，主要是由方解石礦物所組成。

石膏岩與岩鹽是因水蒸發引起化學沉澱所形成的化學性沉積岩。

一些沉積岩的構造特徵常用來解釋地球的歷史與過去的環境，包

括層理(沉積岩的第一大特徵)、化石、波痕與泥裂紋等。

有兩種變質作用：區域變質作用與接觸(熱)變質作用。變質作用

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的營力包括熱、壓力(應力)以及化學反應性的流體。其中熱或許

是最重要的營力，因為它提供能量以推動礦物的再結晶作用。變

質作用使岩石發生變化，包括密度增加、礦物晶體成長、礦物顆

粒重新排列(形成具有層狀或帶狀之外觀，稱為葉理)以及形成新

礦物。

具有葉理狀組織的常見變質岩包括板岩、片岩與片麻岩；非葉理

狀組織的變質岩包括有大理岩與石英岩。

地震所產生的震波可分成兩大類：表面波(沿著地球的表層傳播)與實體波(可在地球內部傳播)。實體波可再細分成首波或 P 波(經過岩層時會發生壓縮與膨脹)以及次波或 S 波(垂直傳播方向搖晃

岩石層的粒子)。P 波可在固體、液體與氣體中傳播，S 波則不能

再流體(氣體與液體)中傳播。在任何固體材料中，P 波的傳播速

率是 S 波的 1.7 倍。

根據化學組成與物性之變化，地球內部可分成數層。依據成分之

差異，地球內部可分成薄層的地殼、固體岩石質的地函以及緻密

的地核。若依據物理性質來細分，地球可分成岩石圈(冷而硬的最

外層，平均厚度約 100 km)、軟流圈(地函中的軟弱層)、下部地函

(熱且可緩慢流動之岩石層)、外核(產生地球磁場之流體層)以及固

體內核。

大陸地殼的平均組成類似花崗岩，稱為花崗閃長岩。海洋地殼則

是屬於玄武岩質。地函的岩石組成類似橄欖岩。地核則主要是由

鐵和鎳所組成的。鐵核可說明地球內部高的密度以及地磁之存

在。

30

第二章 板塊構造學說

20 世紀初，大多數地質學家認為海洋盆地與大陸的地理

位置是恆常不變的。然而，隨著數十年來大量研究資料之累

積，我們對地球的本質與運作之認知出現了重大的變化。地

球科學家現在已經知道大陸會逐漸地漂移到全球各地，而當

陸地分離之後，兩陸地之間可創造出新的海洋盆地。同時，

老舊的海床會在深海溝地區被帶進地函之中。因為會移動，

陸塊最後會相互碰撞，地球上的大山脈也因而形成。簡而言

之，一個革命性、嶄新的地球構造運動模式於焉誕生。

與之前的科學認知完全相反時，常稱為科學革命。如同

其它的科學革命，從觀念導入到此觀念被普遍接受需要經過

一段很漫長的時間。此項革命早在 20 世紀之初就以大陸漂移

學說為開端，但是經過多年的激烈爭辯之後，大陸漂移學說

被絕大多數地球科學家所排斥。然而，在 1950 與 1960 年代

期間，新的證據重燃大家對大陸漂移學說的興趣。到了 1968年，這些發展引領出一套更加完整、涵蓋更為廣泛的理論，

稱為板塊構造學說。

※ 大陸漂移學說 (Continental Drift)

地圖中的南美洲與非洲可以如拼圖般被合併在一起，但

起初並不知其中之含意。直到 1915 年，德國氣象學家與地物

學家韋格納 (Wegener)出版了「陸地與海洋的起源」的著作，

它在書中提出了激進的大陸漂移學說。

韋格納認為有一個超級大陸曾經存在，它被稱為盤古大

陸 (Pangaea)，暗示此大陸約在 2 億年前開始分裂並形成較小

的陸塊，然後再漂移到目前的位置。

31

韋格納與其他人收集了大量的證據來支持這個學說。南

美洲與非洲的銜接、化石的地理分布、岩體構造以及古氣候

等證據似乎可用來支持目前的陸塊曾經是聚在一起的觀念。

以下讓我們來檢驗他們的證據。

大陸邊緣吻合銜接的證據

韋格納與前人都注

意到，南大西洋的兩陸

緣大致可以彼此銜接合

拼，他使用新的海岸線

地 圖 來 進 行 大 陸 的 合

併，但馬上面對其他地

球科學家的挑戰。這些

反對者認為海岸線經過

海水侵蝕的過程之後，

海岸線應該會一直變動

著，故不太可能有良好

的銜接性，而韋格納自

己也知道這項證據似乎

較為粗糙。

科學家已確定大陸

的真實邊界大概是在海

32

平面以下數百公尺深處的大陸棚上。1960 年代早期，為了讓

大西洋兩岸可以拼湊在一起，科學家編製了以 900 公尺深處

為大陸棚邊界的地圖，於是發現大西洋兩岸之銜接性大大地

提升，雖然其中仍出現一些大陸的重疊區，但這些地區可能

是河流堆積了大量沉積物，導致大陸棚明顯擴大所致。至此，

大西洋兩岸整體之銜接吻合程度甚至可平息研究者的質疑。

橫越大洋的化石相匹配之證據

雖然韋格納的學說最初是來自於大西洋兩岸的邊緣有著

良好的銜接性，但他仍認為地殼是不可能會移動的。直到知

道南美洲與非洲兩邊的岩層中存在有相同的生物化石之後，

他才開始嚴肅地探討地殼可以移動的問題。韋格納在研讀文

獻之後，發現大多數的古生物家們有著一致的觀念：被大海

隔開的兩陸塊若要出現有相同的中生代生物化石，則兩陸塊

必需存在有某種型態的通道。

中龍 (mesosaurus)： 為了強化曾有超級大陸存在的可信度，

韋格納引用許多生物化石文獻的例子，僅管這些生物不可能

橫越過目前已知陸地之間的大海，但這些生物化石分別在不

同的陸塊上被發現。中龍是一個典型的例子，它是水生捕魚

的爬蟲類，這種化石只存在於南美洲東部與非洲的二疊紀 (約2 億 6 千萬年前 )黑色頁岩之中。假如中龍能夠橫越寬廣的南

大西洋，那麼它的化石分布應該會更加寬廣，但事實並非如

此，因此韋格納認為當時這兩個陸塊必定是相連的。

在韋格納那個時代，科學家如何解釋被大海相隔數千公

里的不同陸地上，為何會出現相同的化石生物？生物若要移

棲，最被廣泛接受的說法就是存在有橫越大洋的陸橋。譬如

在冰河時期，因為海平面下降可讓動物橫越亞洲與北美洲之

間的白令海峽。然而，非洲與南美洲之間是否曾有陸橋相通，

後來下沉到海平面之下嗎？根據現代的地圖，可以證實這種

大規模的陸橋不曾出現在南大西洋。假如這個陸橋曾經存在

過，那麼現在它應該還會殘留在海平面之下。

33

現代生物： 在最新版本的著作裏，韋格納也引用現代生物的

分布當作支持大陸漂移學說的證據。例如，有著相似祖先的

現代生物，它們在過去數千萬年來必定會各自獨立演化。其

中，以澳洲有袋類動物 (如袋鼠 )最為明顯，它們與美洲所發現

的有袋類負鼠具有化石之間的直接連結性。盤古大陸分裂之

後，澳洲與美洲的有袋類生物開始出現不同的演化路徑。

岩石種類與地質構造相匹配之證據

我們拼圖的時候，除了邊緣需銜接良好之外，內部圖案

亦需有其連續性。同樣地，若兩陸塊原本是相連的，則鄰近

大陸上的岩石種類與造山帶也需能相匹配與銜接。假如陸塊

曾經相連，則一陸塊上某特定地區中的岩層和年代應該會與

曾經相毗鄰的另一陸塊甚為匹配。韋格納找到 2.2 億年前巴

西與非洲兩地的火成岩證據，因為兩者極為相似。

類似的證據也存在於造山帶中，因為山脈在一陸塊的海

岸突然中止，但在另一陸塊上又再度出現。例如：北美洲的

阿帕拉契山脈 (Appalachian Mts.)向東北延伸到加拿大的紐芬

蘭 (Newfoundland)時突然中止，但相匹配的年代與構造卻在格

陵島、英格蘭島以及斯堪地那維亞半島 (Scandinavia)上被發

現，當這些陸塊被併在一起之後，山脈幾乎可形成一個連續

的造山帶。

34

韋格納說道：就如同靠著邊緣形狀以及檢視內部的印刷

線條，可將撕碎的報紙拼湊回來一樣，假如真的可以良好銜

接拼湊起來，那就只能斷定這些片斷原本就是合而為一的。

古氣候之證據

因為韋格納是個古氣候學家，他很有興趣收集古氣候的

數據以做為支持大陸漂移學說的證據。他的努力終於獲得回

報，因為他找到古代全球氣候大變遷的證據。特別是，他從

古代冰河沈積物得知，古生代末期 (約 3 億年前 )有冰層覆蓋在

南半球與印度大陸的廣大地區，而相同年代的冰河搬運之沈

積物也出現在非洲南部、南美洲、印度以及澳洲，但這些陸

地目前有許多卻位於南北緯 30 度之內的熱帶或亞熱帶氣候

區。

當時的地球是否曾經歷一段嚴寒時期，產生廣大之大陸

冰層並延伸至目前的熱帶地區？韋格納駁斥這樣的說法，因

為在古生代末期，有大片熱帶沼澤出現在北半球，這些沼澤

中的植物形成美國東部、歐洲與西伯利亞的大煤層。

從煤礦場的植物化石中發現，形成此煤層的羊齒植物具

有大型葉狀體，這可說明是屬於熱帶環境。此外，與寒冷氣

候下的植物不同的是，這些樹不具有明顯的年輪，此特徵可

指出當時這些地區氣溫變化是很小的。

韋格納認為盤古大陸的存在可解釋這些古生代末期冰河

物的分布。將南方各大陸合併並放置於南極附近後，這就能

說明為何南半球會出現廣大的冰河的情況。同時，北方陸塊

的地理位置應該是位於目前赤道的附近，如此便能合理解釋

為何會有大片煤礦的存在。韋格納相信這樣的解釋是正確

的，並寫道：這個證據是太具說服力了，因此前面所提出來

的證據只能算是一些佐證而已。

熱而乾燥的澳洲中部怎麼會有冰川存在呢？陸生動物如

何越過寬大的海洋而進行遷移呢？雖然他的證據是如此具有

說服力，但過了 50 年之後，他的大陸漂移學說以及邏輯推論

35

才被大多數的科學所接受。

※ 大陸漂移學說之爭辯

大陸漂移學說剛提出之後並未引起廣大的評論，直到

1924 年被翻譯成英文版之後，此學說遭遇到很多惡意的批評

甚至在他過世之後，還依然如此。

其中主要反對意見之一就是它無法提出漂移的大陸在全

球移動之機制。他曾認為月球的引潮力足可使陸地往西移

動，但被著名物理學家 Jeffrep 所駁斥，因為這種力量若能使

陸地移動，則可能在數年內使地球停止轉動。

此外，他也提出堅硬而巨大的陸塊穿過海洋地殼，就類

似破冰船切穿厚冰一樣，但無證據可證實海床有如此之脆

弱。假如允許陸塊通過或移動，陸地在此過程中應該會會明

顯變形才對。

雖然當時大多數人反對他的觀點，甚至嘲笑他；但仍有

一些人認為他的觀點值得關注，並繼續找尋新的證據，大陸

會移動的觀念引起他們的興趣。另外一些人則認為先前所無

法解釋的觀察現象，此學說可以提供解答。

※ 板塊構造學說 (Plate Tectonics)

第二次世界大戰之後，配備全新的海洋儀器以及來自美

國海軍研究單位大手筆贊助的海洋學家們，開啟前所未有的

海洋探勘時期。二十年之後，較優質的海底繪圖逐漸成形，

類似棒球縫合線之全球海底中洋脊也因此被發現。

在海洋的其它部份也有新的發現，西太平洋的地震研究

證實構造運動正在深海海溝的下方深處發生著。海底鑽探得

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到一個重要的事實，那就是海洋地殼的年齡不會老於 1 億 8千萬年。再者，我們發現深海盆地上沈積物的厚度很薄，並

非如之前所預測會有數千公尺厚。

到了 1968 年，這些發展終於開啟了一個比大陸漂移學說

涵蓋更為廣泛的理論－板塊構造學說。板塊構造學說涵蓋甚

廣，其架構可以說明今日大多數的地質過程。

地球上的大型板塊

根據此學說模型，地函的最上部至其上方的地殼具剛硬

之行為，這一層稱為岩石圈 (lithosphere)，它分裂成數塊 (板塊 )。海洋地區的岩石圈最薄，厚度從數公里 (中洋脊 )到 100公里 (深海盆地 )。相對地，大陸岩石圈一般是 100~150 公里

厚，在老地塊下方可達到 250 公里厚。岩石圈下方有個軟弱

的地函，稱為軟流圈 (asthenosphere)。軟流圈上半部的溫度接

近岩石的熔點，因而形成了軟弱區，這可使岩石圈有效地與

下方的軟流圈分離。因此，軟流圈上半部內的軟弱岩石能讓

地球的堅硬外層發生移動。

目前有七大板塊被確認，分別是：北美洲、南美洲、太

平洋、非洲、歐亞、澳洲－印度與南極洲等七大板塊，其中

最大的是太平洋板塊，它涵蓋大部份的太平洋盆地。大多數

的大型板塊包含有一個完整的陸塊以及大面積的海床。板塊

構造學說與大陸漂移學說最大的差異處，就是大陸漂移學說

認為陸塊單獨移動並穿透海洋，而並不是與海洋一起移動

的。值得注意的是，沒有任何板塊完全是以大陸邊緣做為邊

界的。

中型板塊有加勒比、納茲卡、菲律賓、阿拉伯、寇克斯、

斯科加以及胡安德富卡 (Juan de Fuca)等。此外，尚有十幾個

小板塊已被認定。

板塊構造學說主要內容之一是整個板塊相對於其它板塊

進行移動。當板塊移動時，同一板塊內兩個地點 (紐約與丹佛 )之間的距離幾乎維持不變；然而，兩個不同板塊上的地點 (紐

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約與倫敦 )，其間的距離則會逐漸改變。

岩石圈 (板塊 )相互之間緩慢持續的移動著 (平均移動速

率為 5cm/y)，此種運動乃是地球內部熱量分布不均所造成

的。熱物質由地函深處緩慢的往上移動，形成了地球內部對

流系統的一部份，同時冷而緻密的海洋岩石圈沈入地函中，

可以推動堅硬的地球外殼。最後，板塊之間巨大的摩擦運動

導致地震、火山，並使岩層變形而形成山脈。

板塊邊界

岩石圈板塊自成一個獨立單位，相對於其他板塊進行相

對移動，雖然板塊內部仍可變形，但在各別的板塊中，所有

主要的交互作用都發生在板塊邊界上。事實上，板塊邊界最

初是靠繪製地震的位置而定出來的。此外，板塊被三種不同

的邊界所包圍 (這三種邊界的移動方式各不同)，三種板塊邊

界的描述如下：

1. 分離板塊邊界 (建設型邊界 )： 兩板塊在此處相互分離，造

成地函物體湧出而形成新的海床。

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2. 聚合板塊邊界 (破壞型邊界 )： 兩板塊在此處聚集在一起，

造成海洋岩石圈隱沒到另一板塊之下，最後消耗於地函之

中，或者是兩大陸板塊之聚合造成一個山脈系統。

3. 轉型斷層邊界 (保守型邊界 )： 兩鄰近板塊在此處相互摩擦

滑過，並無岩石圈消滅或產生之現象。

每個板塊皆由這三種邊界所包圍，例如 Juan de Fuca 板

塊的西側有分離板塊邊界，但其東側則為聚合板塊邊界，而

且還有轉形斷層將中洋脊錯開成好幾段。

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※ 分離板塊邊界

大多數的分離板塊邊界是沿著中洋脊的脊峰處，可以視

為建設型的板塊邊界，因為新的海洋岩石圈在此產生。板塊

移離海洋山脊的軸線之後，破裂出現的地方馬上由下方熱的

地函所冒出之熔岩所填補，之後緩慢冷卻而形成新的海洋片

段，兩鄰近板塊之間如此連續地發生擴張以及形成新的海

床。其後我們將會了解，分離板塊邊界並不限定在海底，在

大陸上也有此種邊界。

中洋脊與海床擴張

沿著已發育之分離板塊邊界，海底隆起並形成中洋脊。

而相互連結的中洋脊系統總長度超過 7 萬公里，可說是地表

上最長的地形特徵。它佔地表面積的 20%，整個中洋脊的形

態頗類似於棒球的縫合線。其山脊比鄰近的洋底盆地高出 2~3公里，其寬度達到 1000～4000 公里，因此若稱它們為山脊可

能會受誤導。此外，沿著一些中洋脊的軸線是屬於深深下滑

的斷層構造，稱為裂谷 (rift valley)，。

沿中洋脊系統形成新的海洋地殼之運作機制稱為海底擴

張。其擴張速率平均為 5cm/y，與人類指甲的生長速率大致

相同。大西洋中洋脊的擴張速率約只有 2cm/y，但沿東太平

洋中洋脊地區之擴張速率卻超過 15cm/y。雖然以人類眼光來

看，岩石圈的形成速率是非常緩慢，但在這兩億年的期間，

已足以形成所有的海洋盆地了。事實上，所有的海底之形成

年代皆不超過 1.8 億年。

中洋脊隆起的主要原因是新形成之海洋地殼是溫熱且體

積較大 (密度相對比冷岩石還低)。當新的岩石圈沿著中洋脊

形成後，它將緩慢而持續地移離軸線的上湧區，然後開始冷

卻、收縮以及增加密度。這樣的收縮可說明為何遠離中洋脊

後海水會變深。

要經過 8 千萬年，冷卻與收縮才會完全中止。原位於中

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洋脊隆起處的岩石到時候會移位到深海盆地，並被大量沈積

物所掩埋。此外，冷卻可強化海洋地殼下方的地函岩石，使

板塊的厚度增加。換句話說，海洋岩石圈的厚度與其年代成

正比，愈老 (冷 )則厚度會愈厚。

大陸裂谷 (rift valley)

分離板塊邊界也可在大陸上發育，使陸塊分裂成許多小

片段，這類似韋格納所提出的盤古大陸之分裂。我們認為大

陸分裂是從延伸型之下陷窪地 (稱為大陸裂谷 )開始的。一個大

陸裂谷的現代例子就是東非大裂谷，此裂谷是否會發育成擴

張中心，最後將非洲分裂開來，這是一個值得觀察的事情。

東非大裂谷可代表大陸分裂的初期，在這裏張力持續將

大陸地殼拉伸及薄化，造成熔岩從軟流圈上升而引發地表的

火山活動。吉力馬札羅山與肯亞山等大型的火山就是伴隨大

陸分裂形成火山活動的例子。研究者認為，假如張力仍持續

作用的話，裂谷將會變長及變深，最後擴展到大陸邊緣並將

陸地一分為二，此時裂谷將有出口通到大海，形成如紅海一

般的狹長海洋。當阿拉伯半島在 2 千萬年前與非洲分裂開

來，紅海因而形成。假如它持續擴張的話，紅海將會變寬並

發育出類似於大西洋的中洋脊。

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並非所有的裂谷會發育成為擴張中心，例如沿著美國中

部，由蘇必略湖一直延伸到堪薩斯州的中部，曾存在有一個

裂谷，10 億年前裂谷中開始充滿著火成岩，但它為何中斷而

未能成為海洋擴張中心，其原因仍不明。

※ 聚合板塊邊界：

雖然中洋脊一直都有新的海洋岩石圈形成，但地球並沒

有變大－總表面積保持不變，為了與新增的岩石圈維持平

衡，故必有老的海洋岩石圈會沿著聚合板塊邊界回到地函之

中。因為岩石圈在聚合板塊邊界處會被破壞與消滅，因此它

們又稱為破壞型板塊邊界。

當兩板塊聚合時，一板塊會滑至另一板塊之下來調適這

樣的運動，也形成聚合板塊邊界。當兩板塊緩慢聚合時，一

板塊前緣將向下彎曲，並滑至另一板塊之下，此種板塊下沉

所形成的表面地形是一個深海海溝，例如秘魯－智利海溝。

這些海溝可達數千公里長，8~12 公里深，約 50~100 公里寬。

聚合板塊邊界又稱為隱沒帶 (subduction zone)，因為岩石

圈是在這裏下沉進入軟流圈的。下沉之岩石圈的密度比軟流

圈大，因而發生了隱沒。一般而言，海洋岩石圈比下方的軟

流圈更加緻密，而大陸岩石圈則較不緻密，因此它不容易發

生隱沒。因此在聚合邊界，上方是海洋地殼的岩石圈總是出

現下沈。

下沉的海洋岩石圈隱沒進入軟流圈時，隱沒角度可從數

度至約 90 度，平均約呈 45 度角。海洋岩石圈隱沒至軟流圈

的角度大小則視浮力而定，例如擴張中心附近若有隱沒帶，

則其岩石圈會較年輕、溫度高與浮力大，此種隱沒角度會較

小，例如祕魯－智利海溝。傾斜角度小經常導致上下兩板塊

有較大的交互作用，因而這些地區常有較大的地震發生。

當海洋岩石圈較老 (離擴張中心較遠)，將逐漸變冷而使

42

其厚度與密度增加。海洋岩石圈一旦超過 1 千 5 百萬年，會

變得比下方的軟流圈更加緻密，若有機會就可發生隱沒。在

太平洋西側，一些海洋岩石圈的年齡超過 1 億 8 千萬年，在

今天的海洋之中，它們是最厚且最緻密的，這些地區板塊的

隱沒角度接近 90 度。與東加、馬里亞納、千島群島 (Kurile)等海溝有關的隱沒帶都可以找到這樣的例子。

雖然所有的隱沒帶具有相同的基本特性，但它們仍出現

一些變化較大的特徵。因為每一處都受到該地區的地殼材質

以及構造環境所控制，聚合板塊邊界可以在兩個海洋板塊之

間、海洋與大陸板塊之間、兩大陸板塊之間出現，共有這三

種的聚合型態。

海洋－大陸之聚合

前緣上方分別為大陸地殼與海洋地殼的兩種板塊聚合

時，有浮力的大陸板塊仍維持漂浮的狀態，但密度較大之海

洋板塊則沉入地函中。當板塊下沉至約 100 公里深處時，隱

沒板塊上方的楔形溫暖地函會開始熔融，但冷的海洋板塊隱

沒是如何引起地函岩石發生熔融的呢？答案就在於揮發性物

質 (主要是水)。就好像鹽巴可以讓冰融解一樣，在高壓環境

中， "潮濕 "的岩石會比成分相同的 ”乾 ”岩石在更低溫下熔融。

沉積物與海洋地殼含有大量的水分，它們隨著隱沒的板

塊被帶入地底深處。當板塊往下隱沒時，水分會因為圍壓增

加而從孔隙中被擠出來，在地底更深處，壓力與溫度也會使

含水礦物脫水，例如角閃石。介於地底約 100km 深處以及冷

而下沉的海洋板塊上方數公里之間，溫度很高的地函因加入

水分而出現部分熔融，約會有 10%的熔體產生，並與未熔融

的地函岩石相互混合。因為熔體的密度較周圍的岩石低，呈

現水滴形的熱岩漿逐漸往地表上升。隨著地質環境的不同，

有些地函岩漿往上竄升至地表而造成火山活動，但有些熔體

並無法抵達地表，就在地底固化並使地殼變厚。

地函岩石部份熔融形成了岩漿，其成分與夏威夷群島相

43

類似，都是屬於玄武岩質的。然而在大陸環境中，上升的玄

武岩質岩漿會熔掉以及同化其所經過的一些岩石，這會形成

含 SiO2 比較高的安山岩質岩漿。當安山岩質的岩漿抵達地表

時，常常會發生爆炸性的噴發，並產生大型火山灰與氣體的

噴發柱。1980 年聖海倫斯火山 (Mount St. Helens)的噴發就是

一個典型的例子。

高聳的安地斯山是 Nazca 板塊沒入南美洲板塊之下的岩

漿產物。像安地斯山等山脈，一部份是與海洋板塊隱沒所造

成的火山活動有關，我們稱為大陸火山弧 (continental volcanic Arc)。另一個活躍的大陸火山弧是位於美國西部，跨越華盛

頓州、奧勒岡、與加州等三州之喀斯開特 (Cascade)山脈，是

由一些著名的火山所組成，包括聖海倫斯山、Rainier 山、

Shasta 山。這個活躍的火山弧也延伸至加拿大境內。因聖海

倫斯火山持續活動，這可證明喀斯開山脈仍活動著。

海洋－海洋之聚合：

兩海洋的聚合邊界與海洋－大陸的聚合邊界有許多共同

的特性，其間的差異主要歸因於上板塊的地殼本質。在兩個

海洋板塊聚合的地方，其中一板塊下沉到另一板塊的下方，

引發火山活動，其運作機制相同於海洋－大陸的板塊邊界。

從海洋岩石圈板塊所擠出的水份造成其上方的楔形地函岩塊

出現部份熔融。在這樣的環境下，火山由海底成長，並非出

現在大陸平台上。當隱沒持續，最後將建造出一系列的火山

構造，並冒出海平面形成島嶼，島嶼是位於數百公里寬海底

火山物質所建構的山脊上，各島之間距約為 80km。此種由弧

鏈狀的小火山島所組成之新陸地，稱為火山島弧 (volcanic island arc)或簡稱為島弧。

阿留申群島、馬里亞納群島與東加群島是火山島弧的例

子，這些島弧一般離附近的海溝約有 100~300km 遠。

大多數的火山島弧位於太平洋的西側，在這些地方所隱

沒的太平洋板塊既老又緻密，因此很容易下沉到地函之中，

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這也可解釋這些地區通常有很大的隱沒角度 (常接近 90 度)。

再者，這些隱沒帶很少有如秘魯－智利海溝所出現的大地震。

只有兩個火山島弧是位於大西洋中，那就是鄰近加勒比

海的小安地列斯 (Lesser Antilles)島弧與南大西洋的 Sandwich群島。小安地列斯島弧為大西洋板塊隱沒進入加勒比板塊之

下的產物，馬提尼克 (Martinique)島就位於這個島弧之中，島

上有 Pelée 火山，它在 1902 噴發並摧毀了 St. Pierre 城，約有

28000 人死去。另外，在蒙特瑟拉特 (Montserrat)島上，最近

的火山活動也很頻繁。

較年輕的島弧具簡單的構造，一般是位於<20km 厚變形

的海洋地殼之上，例如東加、阿留申、小安地列斯等島弧。

相對地，較老的島弧之構造則較為複雜，通常是位在厚

20~35km 的地殼之上，例如日本與印尼島弧，它們是位於早

期隱沒事件的物質上方，或有時是建構在小塊大陸地殼之上。

大 陸 － 大 陸 之

聚合

如 之 前 所 描

述，當海洋板塊隱

沒 於 大 陸 岩 石 圈

之下時，沿此大陸

之 邊 緣 將 發 育 出

安 地 斯 山 型 的 火

山弧，但假若此隱

沒 板 塊 也 具 有 大

陸岩石圈時，則持

續 之 隱 沒 最 後 會

使 兩 大 陸 碰 在 一

起。因為海洋岩石

圈 相 對 較 緻 密 而

會 沈 入 軟 流 圈 之

中；大陸岩石圈因

45

為密度低且具有浮力，可防止其隱沒至較深處，此乃兩大陸

之間相互碰撞所出現的結果。

例如印度次大陸擠至亞洲陸塊而形成地球上最壯觀的喜

馬拉雅山，碰撞期間造成大陸地殼之皺起、破裂、變短與變

厚，其他如阿爾卑斯山、阿帕拉契山、烏拉山也都是如此形

成的。

兩陸塊在碰撞之前，有海洋盆地介於這兩個陸塊之間。

當大陸塊聚合時，中間的海床隱沒入另一板塊之下，此隱沒

引發其上方的地函岩石出現部分熔融，進而造成火山弧之發

育。受隱沒帶位置的影響，火山弧可形成於其中之一的聚合

陸塊上；假如隱沒帶離海岸有數百公里遠，火山島弧將會形

成。最後，當介入的海床被消耗掉後，兩大陸體將會發生碰

撞，並使大陸邊緣的堆積物與沈積岩發生褶皺與變形 (似虎口

鉗 )，此結果將逐漸形成一個新的山脈 (由變形與變質的沉積

岩、火山弧碎塊與數片海洋地殼所組成的 )。

※ 轉型斷層 (transform fault)邊界

第三種板塊邊界是轉型斷層邊界，兩板塊在這裏相互水

平滑動，其中並無岩石圈的產生與消滅 (保守型板塊邊界 )。轉

型斷層邊界最初被確定是因為它將某處中洋脊錯開成數個片

段。一開始我們認為中洋脊是一個長條而連續的鏈，後來一

些大型斷層的水平位移將中央脊錯開。然而，我們發現若要

錯開中洋脊，沿斷層兩邊的位移方向應該要相反。

1965 年，加拿大多倫多大學 Wilson 教授確立了轉型斷層

的本質，他指出這些大斷層連接全球的活動帶 (即三種邊界 )成為一個連續的網路，並將地球外殼分成許多堅硬的板塊，

是首位認為地表是由個別板塊所組合而成的學者，觀察板塊

之間的相對運動也成為可能。

大多數的轉型斷層連結兩個中洋脊之片段，此處的海洋

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地殼出現明顯的線性破裂，稱為破裂帶 (fracture zone)，破裂

帶 包 括 活 動 帶 與 延 伸 進 入 板 塊 內 部 的 非 活 動 帶 (inactive zone)，中洋脊地區的這些破裂帶之間距約為 100 公里。轉型

斷層的活動帶只位在兩錯開的中洋脊之間，在這裏兩相鄰中

洋脊的新生海床是以相反的方向移動。因此，在兩中洋脊片

段之間，相毗鄰的海洋地殼沿著斷層相互摩擦著。而超過中

洋脊之外側則屬於不活動區，呈現出線條狀的疤痕地形，這

些破裂帶的延伸方向大致平行於板塊移動之方向。因此，利

用這些構造可以繪製板塊過往的運動方向。

轉型斷層的另一個角色是提供一個途徑，讓中洋脊所形

成的海洋地殼搬運到被毀壞的地方去 (深海溝 )。例如：Juan de Fuca 板塊往東南方向移動，最後隱沒到美國西岸之下，此板

塊的南邊則以 Mendocino 轉型斷層為邊界，這個轉型斷層邊

界將 Juan de Fuca 中洋脊與 Cascade 隱沒帶相連結，因此有助

於將中洋脊所形成的地殼帶往北美洲大陸板塊之下。

雖然大多數的轉型斷層位於深海盆地之中，但有一些是

切穿大陸地殼的，易發生地震的加州聖安德里斯斷層與紐西

蘭阿爾卑斯 (Alpine)斷層是兩個這樣的例子。聖安德里斯斷層

切穿大陸地殼，連結加利福尼亞海灣中的擴張中心到美國西

北部的 Cascade 隱沒帶以及 Mendocino 轉型斷層。沿著聖安

德里斯斷層，大平洋板塊相對於北美洲板塊，約呈西北向移

動，若持續移動，則位於此斷層西側的加州陸地以及巴哈 (Baja)半島將變成海島並逐漸離開美國的西海岸，最後將會移到阿

拉斯加，而沿此斷層的移動過程中也需關注所引發的地震活

動。

※ 板塊構造學說之驗證

隨著板塊構造學說的發展，很多地球科學的研究者開始

驗證此學說以及地球的運作過程。有些之前用於支持大陸漂

移學說與海底擴張學說的證據再被提出；此外，一些有助於

47

強化這個新學說的證據也陸續出現。值得注意的是，許多證

據並不是新的，但舊有的數據可以有新的詮釋，甚至能成為

我們的主流觀點。

古地磁 (paleomagnetism)的證據

任何使用過羅盤找尋方位的人都知道地球磁場具有南北

極。目前這兩個磁極很接近地理的南北極 (地理極或真實的南

北極是地球的自轉軸與地表相交的地方 )。地球的磁場與磁棒

所產生的磁場相類似，因此看不見的磁力線會通過星球，並

由一個磁極通到另一個磁極。指南針本身就是一塊小磁鐵，

它繞著軸可以自由地旋轉，而磁針最終會平行於磁力線並指

出磁極的方向。

我們無法感覺到有磁場，這與重力場有引力是有所不同

的，但由羅盤指針出現偏轉就可以透露磁場的存在。同樣地，

某些岩石含有可充當羅盤的礦物，這些富含鐵的礦物 (例如磁

鐵礦 )在玄武岩質熔岩流中是相當豐富的。當這些礦物在居禮

(Curie)溫度 (~580℃ )以上時，磁性礦物將失去磁性；然而，當

這些礦物冷卻至此溫度以下時，將平行於磁力線的方向而逐

漸被磁化。礦物冷卻固化之後，其磁性將在原地點被凍結與

保存下來。因此，它們的行為就像磁針一樣，會指向形成時

的磁極方位。數千

或 數 百 萬 年 前 所

形成的岩石，若含

有 形 成 時 磁 極 方

向的記錄，我們說

它 就 擁 有 化 石 磁

或古地磁。

磁 極 的 視 移 動

(apparent polar wandering): 1950年代，歐洲針對岩

石 的 磁 性 進 行 研

48

究，其中有一項有趣的發現，屬於不同年代熔岩流中的富含

鐵礦物，出現許多相異的磁極方向。將歐洲各磁北極的視位

置進行繪圖，發現過去 5 億年間，磁極逐漸的移動，從接近

夏威夷島向北越過東西伯利亞，最後移至現在的位置。這個

強而有力的證據代表地球磁極會隨時間而移動 (稱為磁極移

動 )，或代表歐洲大陸相對於磁極是一直在漂移。

雖然地球的磁極以怪異的路徑繞著地理極，但許多地點

的古地磁研究結果顯示，數千年來的平均磁極位置很接近目

前的地理極。因此，假如磁極維持不動的話，這種視移動應

該是大陸漂移所造成的。

藉由比較化石磁所定出的歐洲緯度與古氣候研究所獲得

的證據，也可以支持大陸漂移的說法。記住在 3 億年之前，

歐洲大部份是被形成煤炭的沼澤所覆蓋著；同一時期，古地

磁證據把歐洲的位置移放到赤道的附近，這個結果與這些煤

炭所代表的熱帶環境相符合。

大陸漂移的另一項證據是來自數年後所繪製的北美洲磁

極路徑圖。北美洲與歐洲的路徑圖具有相似的形狀，但兩者

卻呈現經度 30 度之分隔。這些岩石在結晶的時候，難道會有

兩個磁北極同時存在，而且彼此之間還平行移動嗎？但調查

結果發現，並無證據可以支持這樣的說法。假如我們將兩個

目前已分開的大陸合併 (如同大西洋分裂之前)，這兩條不同

移動路徑圖會趨於一致。從 4 億年到 1 億 6 千萬年之前，這

兩條視移動路徑幾乎是一致的，這個證據說明，這一段期間

內北美洲與歐洲在是合併在一起的，而且相對於磁極同步進

行移動。

磁極倒轉 (Magnetic Polarity Reversal)與海底擴張： 來自地

球物理家的另一項發現則是地磁的磁極有週期性之倒轉現

象，磁北極變成磁南極，磁南極也會變成磁北極。岩石在磁

場倒轉的期間冷卻固化，將會被與目前相反的磁場所磁化；

假如岩石所出現的磁性與今日磁場相同，我們稱它具有正常

磁性 (normal polarity)；若岩石出現相反的磁性，則稱為倒轉

磁性 (reverse polarity)。

49

當調查者測量全世界不同年代的熔岩與沈積物之後，獲

得了磁場倒轉的證據。他們發現一地點某年代的正常和倒轉

磁化的岩石都可以與其它地點且相同年代的岩石之磁性相匹

配，這是地球磁場倒轉令人信服的證據。

磁場倒轉的觀念被確立之後，研究者開始建立磁場倒轉

的時間表，此項工作包括量測數百個熔岩流的磁性以及使用

放射性定年的技術來建立其年代。磁性年代表中以世為主要

單位，大概有一百萬年之久。當進行更多的量測後，研究者

發現，一個磁性世中存在有許多的短期 (少於 20 萬年 )倒轉。

同時，海洋學家開始進行海底磁性的量測，努力建構出

詳細的海底地形圖。海底磁性的量測是利用研究船隻拖曳著

靈敏的磁力儀來完成。這些地物量測的目標就是繪製出地球

磁場的變化，而磁場變化則是來自於海底下地殼岩石磁性的

差異。

首先，在北美洲太平洋海岸外進行這樣的研究，並且獲

得意外的結果，因為研究者發現有高低強度磁性的交替條帶。

高低磁性強度的交替線條一直無法被合理解釋，直至

1963 年，才由 Fred Vine 與 Matthews 證明這些高低磁性條帶

是海底擴張所造成的。他們認為磁性條帶較強的區域是海洋

地殼中具有正常磁場的古地磁區域，可使地磁強度增強。相

反地，在強度低的區域，海洋地殼被反向磁場所磁化，因而

使磁場減弱。至於被正反向磁化的岩石如何會橫越海床並且

呈平行分布呢？

他們推斷沿中洋脊狹窄裂谷所固化的岩漿，會順著當時

地磁的方向而被磁化，隨著海底擴張，被磁化的地殼條帶持

續變寬。當地磁倒轉後，具有倒轉磁性之新生海床會位於舊

條帶的中央處，而兩側的舊條帶會以相反方向逐漸被帶離中

洋脊。而後重複發生交互倒轉，並形成一系列正常與倒轉條

帶的圖案。因為新形成的岩石會以近等量方式加入兩擴張海

床的後緣，這可說明為何中洋脊一側的條帶圖案 (寬度與極性 )會與另一側呈現鏡面對稱。數年後，在冰島南邊的大西洋中

50

洋脊兩邊進行量測，其結果顯示，相對於中洋脊，兩側的磁

性條帶圖案出現高度對稱性。

因為我們已建立近 2 億年來磁性倒轉的年代，因此可精

確決定出各中洋脊的擴張速率。例如：針對同一時間的磁性

條帶，太平洋的條帶明顯會比大西洋寬，因此我們可以推論，

相對於大西洋而言，太平洋擴張中心有較快的擴張速率。當

我們對磁性事件進行數值定年，會發現北大西洋中洋脊的擴

張速率只有 2cm/y，稍為比南大西洋快一些，而東太平洋中

洋脊的速率一般為 6~12cm/y，其極大值則約為 20cm/y。因此

我們擁有記錄地球磁場變化的磁性錄音機，它能讓我們判定

海底擴張的速率。

51

地震分布圖

1968 年發表板塊構造學說之同年，三位研究人員發表其

研究文章，顯示板塊構造模型可成功地說明全球的地震分

布，並能解釋深源地震與海溝的緊密關係。另外，也可說明

為何沿中洋脊地區並無深源地震發生？吾人若比較震源分

布、板塊邊界與海溝位置，將發現期間存在著緊密的相關性。

舉日本海溝為例子，大多數的淺源地震位在鄰近海溝處發

生，但中、深源地震則在接近大陸處發生，而 Nazca 板塊隱

沒到南美洲板塊的情形亦類似。依據板塊構造的理論，深海

溝是冷而緻密的海洋岩石圈擠入地函中時所產生的，其中淺

源地震乃下沉板塊與上方板塊之岩石圈交互作用而產生的，

至於較深源的地震之發生乃下沉板塊沉至軟流圈所致，因地

52

震多發生於堅硬的下沉板塊內而非塑性的地函中，由此可提

供方法來找尋板塊下沉的軌跡，直至沒入約 700km 深時，剛

性的板塊因一直被加熱而失去其剛性。

板塊理論模型也可解釋為何深源地震僅可能發生於出現

有海溝或隱沒帶的板塊邊界附近，而淺源地震則沿分離板塊

邊線及轉型斷層界線處發生。太平洋盆地邊緣為大多數深洋

海溝的位置，研究指出隱沒時壓力之增加可使某些礦物進行

結構相變，可能會引發地震，而隱沒帶是地殼岩石唯一被擠

入較深處的位置，亦即是發生深源地震的位置，而其餘兩處

則因缺乏深源地震也可用來支持此學說。

深海鑽探的證據

確認板塊構造學說最具說服力的一些證據應是來自於直

接 進 行 海 底 之 鑽 探 。 深 海 鑽 探 計 劃 (Deep Sea Drilling Project)，是由一些主要海洋研究機構以及美國國家科學基金

會所組成的國際性計畫，從 1968 年到 1983 年的重要數據大

多數是來自於這個計畫。本計畫主要的目標就是收集第一手

的海底盆地年代以及其形成過程的資訊，為了完成這個任

務，建造了一艘嶄新的海洋鑽探船，稱為 Glomar Challenger。

這艘船從 1968 年就開始在南大西洋運作，有許多地點的

鑽井深入到整個海底沉積物以及下方的玄武岩。有一個重要

的目的就是要收集火成岩地殼上方最底層的沉積物，利用它

們可定出每個地點的海床年代。因為海洋地殼一形成之後，

沈積作用就立即開始，而分析每個地點最古老沉積物中的微

生物遺骸，就可測知此位置的海底年代。

將每個鑽井地點的最古老沉積物與離開中洋脊的距離進

行繪圖之後，這些數據顯示沈積物的年代隨著距離愈遠而愈

老，這樣的個發現可支持海底擴張學說，因為此學說曾預測，

最年輕的海洋地殼將出現在中洋脊，最老的海洋地殼會位於

大陸邊緣。

深海鑽探計劃的數據也強化如下的概念：海洋盆地在地

53

質上算是年輕的，因為我們並未發現有超過 1 億 8 千萬年以

上之沉積物；相對地，定年確定大陸地殼上的岩石已經超過

40 億年了。

海底沈積物的厚度也證實了海底擴張。根據 Glomar Challenger 所鑽取的岩芯顯示，中洋脊脊峰處幾乎沒有沈積物

存在；但離中洋脊愈遠，沈積物則變厚，這是因為脊峰處的

年代較遠離處來得年輕。因此，假如海底擴張學說是正確的

話，就應該會出現如此的沈積物分布。

海洋鑽探計劃 (Ocean Drilling Program)是繼承之前的

研究計劃，也是一個大型的國際計劃。技術更先進的海洋鑽

探船 JOIDES Resolution，它延續著 Glomar Challenger 的

鑽探工作，此海洋探測船可鑽至水面下 8200 公尺深，船上還

有實驗室，配有大型精密的海上科學研究設備。

2003 年 10 月，JOIDES Resolution 已變成國際整合海洋

鑽探計畫 (IODP)的一部份，此計劃將不再仰賴單一艘鑽探

船，而是應用多艘船隻來進行探測，其中加入一艘長 210 公

尺的巨大鑽探船地球號，它於 2006 年開始運作。

熱點 (hot spots)的證據

將太平洋的海底山進行繪圖，發現許多具火山構造而呈

線狀排列的火山鏈。其中，最常被研究的火山鏈是由夏威夷

群島到中途島，並持續往向北到阿留申海溝附近，這個近乎

連續且呈線狀排列的火山島與海底山，我們稱為夏威夷－帝

皇島列 (Hawaii Island-Emperor Seamount Chain)。將這些結構

進行放射性定年，發現離夏威夷島越遠，火山的年代越老。

夏威夷島是這個島列中最為年輕的，在不超過 100 萬年之前

冒出來的，中途島有 2700 萬年，接近阿留申海溝的 Suiko 海

底火山之年代則有 6500 萬年。

更仔細的觀察夏威夷群島，從火山活動較為活躍的夏威

夷 (此群島的最東南邊 )到由死火山所組成的 Kauai 島 (此群島

的最西北邊 )，同樣可以發現其年代也是愈來愈老。

54

研究者一致認為有一上升的地函物質柱，位於夏威夷島

的下方。當地函熱柱 (hot plume)上升至岩石圈底部的低壓環

境時，於是發生熔融，這樣的活動顯露在於地表時則是出現

熱點 (hot spot)。熱點是火山活動、高熱流以及地殼隆起的地

區，約有數百公里寬。當太平洋板塊移動並經過這個熱點，

於是形成了一系列的火山構造，而每座火山的年代就是當時

它們位於相對不動之地函熱柱的時間。

Kauai 為夏威夷群島中最老之大島，5 百萬年前應位於熱

點上，且是當時本群島中唯一存在的島嶼，目前它已被侵蝕

成踞齒狀之山峰與大峽谷，而已不具火山之外形，這就能看

出它的相對年代了。相對地，目前在 Hawaii 島上有兩座活躍

之火山 (Mauna Loa 與 Kilauea)常冒出新鮮的熔岩流。

另外，還有兩個島列平行於夏威夷－帝皇島列 (Hawaii Island-Emperor Seamount Chain)，一個稱為土木土與萊恩群島

(Tuamotu and Line Islands)，而另一個是 Austral、Gilbert 與 Marshall 群島。同樣地，最近之火山活動也都發生在這兩個

島列的東南端，而且越往西北方，島嶼的年代就越老。因此，

就如夏威夷－帝 皇

島列一樣，這些火山

構造是由同一個 太

平洋板塊相對於 地

函熱柱移動所形 成

的。這項證據不僅可

以支持板塊相對 於

地球內部確實是 在

移動，而且其熱點軌

跡也可獲知此板 塊

的移動方向。例如，

根據大西洋海底 所

發現的熱點，可強化

我們對盤古大陸 分

裂之後各陸塊移 動

的認知。

55

研究者認為，至少有一些地函熱柱是源自於地函深處，

或許在地函與地核的邊界上，但有些也可以來自淺處。目前

已經發現有 40 個左右的熱點，其中至少有 10 個是位於擴張

中心附近。例如，位於冰島下方的地函熱柱，它產生大量的

火成岩並堆積在大西洋中洋脊的北方區段上。

我們已證明有熱柱與共生熱點的存在了。大多數地函熱

柱的壽命都很長，而且在地函中的位置是相對維持固定的。

然而，最近的證據顯示，有一些熱點是會緩慢移動的。假如

真是如此，那相對於固定不動的熱點所定出的板塊移動模式

將需要重新進行檢視。

※ 盤古大陸之前身與未來

1970 年 Dietz ＆ Holden 列出各大陸在過去五億年來大

略移動的路徑，以此重組盤古大陸。可將板塊運動的時間回

溯，例如利用在移動板塊上所留下的火山構造方位、轉型斷

層的分布與移動、古地磁之資料，再加上利用放射性定年來

建立盤古大陸形成與分離的時間架構，並利用與不動之熱點

的相對位置來定出各大陸的位置與時間的關係。

盤古大陸形成之前 (5~2.25 億年前 )

盤古大陸形成之前，陸塊可能已經過數次分裂與聚合的

循環事件，期間 (5~2.25 億年前 )開始聚集這些分裂的古陸塊

並形成盤古大陸。

證據顯示烏拉山與北美東岸的阿帕拉契山為前一期因大

陸相互碰撞而形成的，因山脈特徵與此次循環事件相似。證

據顯示約 5 億年前，勞亞北陸塊主要是裂成三個陸塊，即北

美、北歐 (南歐為非洲之一部分 )、西伯利亞，期間為大海洋所

分離。南方的剛德瓦納古陸可能原封不動且位處於南極附

近。第一次碰撞發生於北美與北歐之聚合，並將古北大西洋

關閉而形成阿帕拉契山北半部，其中部分的海床在今天 Nova

56

Scotia(加拿大東部的一個半島 )的高海拔位置上仍可被發現。

當北美與歐洲合併之時，西伯利亞正關閉與歐洲之間的

海峽，並約在 3~3.5 億年前閉合而形成了烏拉山時，也形成

完整的北方勞亞 (Laurasia)古陸。又經過大約 5 千萬年之後，

南北古陸便聚合而形成了完整的盤古大陸。

57

盤古大陸之分離

兩個主要裂谷開啟了此古大陸之分離，北美洲與非洲在

2~1.65 億年前流出大量侏儸紀時代的玄武岩流，並形成了北

美東部沿岸陸地，這是北大西洋的誕生時期。而南方古陸中，

岡德瓦納 (Gondwanaland)陸塊出現了ㄚ形破裂，並使印度向

北移動，同時造成南美洲—非洲與澳洲—南極洲之分離。

1.35 億年前，非洲與南美洲開始分離並形成南大西洋，

此時北大西洋已變寬。6 千 5 百萬年前 (白堊紀 )，馬達加斯加

與非洲分離了，而印度古陸則經過一熱點，並在西印度地區

產生大量的玄武岩質熔岩流，形成印度的德干高原，而南大

西洋則成為成熟的海洋。直至目前，印度與亞洲陸地接觸；

而在 4 千 5 百萬年前，格陵蘭則與歐亞大陸分離，至於北美

洲的 Baja 半島與加利福尼亞海灣則是在 1 千萬年前形成的。

未來板塊移動狀態

若移動速率維持不變，5 千萬年後 Baja 半島將滑離北美

板塊開始擠入阿留申海溝之下，南北美洲也開始分裂。東非

有新海洋的產生，而非洲將移近歐洲，並將開啟另一次大型

的造山運動。另外，阿拉伯半島會與非洲分離，使紅海變寬，

並迫使波斯灣發生閉合。此外，澳洲將跨越赤道，它與新幾

內亞即將與亞洲陸地發生碰撞。再者，印度洋與大西洋將繼

續擴大，但在地表面積不變之前提下，太平洋將因而變小。

58

本章摘要

二十世紀初，德國韋格納提出大陸漂移學說。其內容提到

曾有超級大陸 (盤古大陸 )之存在，約在兩億年前開始分離

成數個小陸塊，並逐漸漂移至目前的位置。為了支持目前

已分離的各大陸曾經是合而為一的觀點，韋格納等學者提

出四項證據： 南美洲與非洲兩大陸邊緣的吻合、古氣候

的分佈、化石證據以及岩石結構。

反對大陸漂移學說的理由之一，是無法提出可接受的機制

來說明大陸是如何移動的。

比大陸漂移學說涵蓋更為廣泛的板塊構造學說於 1968 年

被提出，此學說指出地球堅固的外殼（稱為岩石圈）是由

七個大型以及許多較小型的板塊所組成，彼此之間出現相

對的運動。大多數的地震活動、火山活動以及造山運動發

生在板塊邊緣附近。

板塊構造學說與大陸漂移學說最大差異處是在於大型板

塊常包含有大陸與海洋地殼，並且整體一起移動。相對

地，韋格納的大陸漂移學說認為堅硬的大陸穿過海洋地殼

而漂移，類以破冰船切穿冰層一般。

板塊邊界有三大類，分離型板塊邊界發生於兩板塊分離

處，地函物質因上湧而形成新的海洋地殼。大多數的分離

板塊發生在中洋脊系統的軸處，並與海底擴張有關，其擴

張速率每年約 2~15 公分。分離型板塊邊界可出現在大陸

內（例如東非大裂谷），並使陸塊分裂以及發育出一個新

的海洋盆地。

聚合型板塊邊界發生在兩板塊碰撞處，導致海板塊沿著海

溝隱没進入地函。海洋與大陸岩塊之間的聚合會導致海洋

岩塊隱没，並形成 大陸火山弧，例如南美洲的安地斯山

脈。海洋與海洋之聚合則形成弧形的火山島鏈，稱為火山

島弧。當大陸與大陸板塊聚合時，由於兩個板塊都易漂浮

而難以隱没，此種碰撞將導致 高大山脈之形成，例如喜馬

拉雅山。

轉型斷層邊界發生在兩板塊相互錯開處，其中並未有岩石

59

圈之形成或消滅。大多數的轉型斷層連結了中洋脊的兩個

區塊，有些則是連結擴張中心至隱没帶，如此有利於將中

洋脊所形成的海洋地殼搬運至被消滅的地點－海溝。然

而，有些轉型斷層（如聖安得里斯斷層）則貫穿大陸地殼。

支持板塊構造學說的證據： (1)古地磁，是地球先前磁性

的方位與強度； (2)全球地震的分佈與板塊邊界的緊密關

聯性； (3)洋底盆地上的沈積物年代； (4)熱點所形成的島

鏈及其所指示的板塊運動軌跡。

台灣本島與附近島嶼之形成與下列四個板塊之間的相互

運動有關： 古太平洋板塊、歐亞大陸板塊、菲律賓海板

塊、南中國海板塊。

60

第三章 現代天文學的起源

地球是環繞太陽的八大行星一，太陽則是組成銀河系約兩千億顆

恆星的成員之一，而在不可思議的巨大宇宙中，銀河系也只不過是數

千億個星系中的一個。地球在宇宙中的地位，比較今日與數百年前兩

者所持的觀點有著很明顯的不同，當時人們認為地球是位於宇宙的中

心。本章將說明一些事件以引導大家進入現代天文學。此外，也將檢

視時間與空間中的地球。

大約從 5 千年前開始，人類已經知道地球上的事件與天體(尤其

是太陽)的位置之間存在著關係。人們注意到，當天體(包括太陽、月

亮、行星和恆星)抵達天空中的特定位置時，就會發生季節的變化和

大河的氾濫(例如尼羅河)。早期仰賴天氣的農業文明相信：假如天體

能支配季節的話，那麼必定也會明顯影響所有地球上的事件。因為這

個原因，早期的文明開始持續地紀錄天體的位置，尤其是中國、埃及、

以及巴比倫最為人所熟知。

天體緩慢地在恆星背景之前移動著，而這些文明就紀錄著太陽、

月亮以及肉眼可看見的 5 顆行星之位置。此外，中國人也保存著彗星

以及〝客星〞的詳細紀錄。我們現在已經知道〝客星〞原是一顆恆星，

通常其亮度很低以至於肉眼看不到，但是當恆星從它的表面爆炸性地

噴出氣體時(此現象我們稱之為超新星)，這恆星的亮度就會大增。

研究中國的歷史檔案，顯示中國人已紀錄到著名哈雷彗星每一次

的景象，這時間有超過 10 世紀之久。然而，這顆彗星每 76 年才到訪

一次，他們並未能將這數次的出現結合在一起，因此並不知道每次所

看到的是屬於同一顆彗星。就如同大多數的古代人，中國人認為彗星

是神秘的星體，他被視為是凶星，會帶來各種災難、戰爭或瘟疫。

※ 古代天文學

早期天文學的黃金時代(600B.C.~A.D.150)以古希臘為中心。因為

61

利用哲學辯論來解釋自然現象，所以被後人所批判。然而，他們也仰

賴觀察的數據。古希臘人發展出幾何學與三角幾何學，以這些為基礎

測量了肉眼所見到的最大的天體(太陽和月亮)之大小與距離。

早期希臘人

很多天文的發現

一直歸功於希臘。早

期的希臘人持不正確

的地心(geocentric)觀點，相信地球是宇宙

中心的一個不動之球

體，月球、太陽以及

其它的行星(水星、金

星、火星、木星和土

星)環繞著我們的地

球，而在行星之外的

恆星則位於透明的空心球上(天球)，每天繞著地球旋轉。雖然早期的

一些希臘人認為簡單的地球自轉就可以說明恆星的運動，然而希臘人

並不接受此觀點，因為他們沒有感覺地球有在運動，而且地球似乎很

大以至於無法移動。事實上，直到 1851 年之前我們一直無法證明地

球會自轉(Box 1)。

Box 1 佛科擺實驗

地球每天自轉一圈時會產生白天與黑夜的週期。然而，日夜循環

與恆星的視運動同樣也可以用太陽和天球繞著靜止不動的地球來說

明。哥白尼認為一個自轉的地球可大大地簡化原本的宇宙模型，並且

強力提倡這個觀念。然而，他無法證明地球會自轉。在他死後的 300年，才由法國物理學家佛科(Foucault)真正地證明出地球是在自轉。

1851 年，佛科使用了一個可自由擺動的擺錘來證明地球真的在

自轉。為了描述佛科的實驗，想像有一個大擺錘在北極上空擺動。記

住當擺錘開始擺動時，除非受某種外力之作用，否則它將會在同一個

平面上持續地擺動著。假設有一隻尖筆附著在擺錘的底端，當它在來

回振盪時會在白雪上畫出記號。我們觀察由筆尖所畫出的記號，注意

62

擺錘正緩慢而持續地在改變位置。24 小時之後，擺錘又回到了起始

的位置上。因為並無外力作用使它改變位置，我們所觀察到的情形必

然是因為地球在擺錘的下方進行自轉的運動。

對希臘人而言，除了七顆天體之外，其餘的星體之間的相對位置

似乎維持不變。這七顆行星或天體包括太陽、月球、水星、金星、火

星、木星和土星。每一個行星被認為是以圓形的軌道繞行地球。雖然

這個系統並不正確，但希臘人將此系統加以改良使它能說明所有天體

的視運動。

早在西元前五世紀時，古希臘人已了解月相的成因，Anaxagoras推斷月球是因為反射太陽光而發光的，而且它是一個球體，所以同一

時間只有半球是亮的。當月球繞行地球時，地球上所能見到的月球發

亮部分也就會不斷的地變化著，亦即出現月相的變化。Anaxagoras也推斷，當月球移動進入地球背面的陰影區時會發生月食現象。

著名的希臘哲學家亞里士多德(384~322B.C.)認為地球是球形

的，因為當發生月食的時候，球形的地球常會在月面上投射出彎曲的

地影。雖然亞氏的教義被流傳下來並且被很多人認為具有絕對的正確

性，但是在中古時代時，人們背棄了球形地球的觀念。

首先提倡日心(heliocentric)宇宙觀點的希臘人是 Aristarchus (312 ~230B.C.)，他利用簡單的幾何關係來計算太陽和月亮到地球上的相

對距離，他後來也使用這些數據去計算太陽和月亮的大小。由於它無

法掌控觀測上的誤差，因此這些測量值明顯偏低。然而，他確實獲知

太陽的距離是月球的好幾倍，而且太陽也比地球大了許多倍，這個事

實也許就促使他提出了日心說的宇宙觀。然而受到亞里士多德的強力

影響之下，地心觀點仍主宰西方的思想將近有二千年之久。

首次成功決定出地球大小是要歸功於 Eratothenes (276~194 B.C.)。它觀察到兩個呈南北分布的埃及城市－就是 Syene(或今天的

亞斯文)和亞歷山卓，兩城市在某日正午時的太陽高度角出現了 7 度

的差異(或圓弧的 1/50)，他因此推斷地球的周長必定是兩城市之間距

離的 50 倍。已知兩城市的距離是 5000 個 stadia，因此得出周長是

250000 stadia。很多歷史學家認為一個 stadia 是 157.6 公尺，所以他算

出的地球周長是 39400公里，這個測量值非常接近現代的 40075公里。

63

最偉大的早期希臘天文學家或許是 Hipparchus(西元前二世紀)，他因為製作星體目錄而著名。他訂出 850 顆左右的恆星位置，並依照

它們的亮度將這些恆星分為六個星等。他測量出一年的長度，此數據

與目前的數值相差約數分鐘。他也發展出一套方法可預測月食發生的

時間，其誤差則是在數小時之內。

雖然許多古希臘的發現到了中古時代時就被遺忘了，但地心觀點

卻在歐洲被確立下來了。托勒密(Ptolemy)非常精巧地呈現地心系統的

模型，我們稱之為托勒密系統。

托勒密系統

有關希臘天文學之認識大多是來自托勒密在西元 141 年所編輯

的 13 冊著作－天文學大全，並感謝阿拉伯學者將之保存而留傳下

來。在這個鉅著之中，托勒密發展出一套可說明行星運動的宇宙模

型。他的模型能夠精確的預測行星視運動，這可由將近 1300 年以來

模型皆未受到挑戰就可以證實(假如我們忽略細節的話)。

64

在希臘的傳統思想中，托勒密模型中的行星是以圓形軌道環繞著

不動的地球(希臘人認為圓形是單純和完美的形狀)。然而，在恆星背

景前方的行星之運動方式並非如何的簡單。假如我們夜夜做觀察的

話，會發現每個行星在恆星的前方緩慢地向東移動。每個行星似乎會

週期性地出現停留，然後反方向(向西)運行一段時間，最後又重新向

東運行。此種向西的視運動我們稱之為逆行運動(retrograde motion)。這種很奇特的視運動是由於地球和其它行星共同環繞太陽運行時所

造成的。

地球繞行的速度比火星還要快，所以會追上它相鄰的行星。當追

過火星時，火星似乎會往後移動(逆行運動)。此種情況類似一輛快車

的駕駛往窗外看著被他超越的慢車。即使兩個行星移動的方向是相同

的，但是像慢車的較慢行星似乎正往後移動著。

使用不正確的地心模型是很難準確地呈現出行星的逆行運動，但

是托勒密卻做得到。他並未使用簡單的圓形行星的軌道，他的模型顯

示行星在許多個小圓軌道(本輪)上，並且同時沿著大圓(均輪)做公

轉。利用嘗試錯誤的方法，他找到大小圓的正確組合方式，產生了我

們肉眼所見各行星之逆行量。

由於托勒密的聰明才智，他使用了不正確的模型卻能夠說明行星

的運動。有人認為他的模型不能代表真實的情況，而只能被用來計算

65

天體的位置。我們可能都不會知道托勒密的意圖；然而，主宰歐洲思

想達數個世紀的羅馬教會卻接受了他的理論成為正確的宇宙觀，但這

也為發現錯誤的人製造了很多的麻煩。

※ 現代天文學的誕生

現代天文學並非一天造成的，它的發展牽涉到從打破深根蒂固的

哲學與宗教觀點，到由一個受定律支配的新而較大宇宙之發現。在這

段轉變的過程當中，讓我們留意 5 位著名科學家的努力： 哥白尼、

第谷、克卜勒、伽利略和牛頓。

哥白尼(Copernicus)

在托勒密之後將近 13 個世紀當中，歐洲天文學上之進展甚少。

在中世紀之後，首位浮現的偉大科學家就是來自波蘭的哥白尼

(1473~1543 年)。在看過 Aristarchus 的著作之後，哥白尼被說服並且

相信地球只是一顆行星，就像其它當時已知的 5 顆行星一樣，他認為

地球的自轉更容易能解釋天體每天的運行現象。

在推斷地球是個行星之後，哥白尼重新建構了一個日心模型，以

太陽為中心，水星、金星、地球、火星、木星和土星等行星則繞行太

陽。這是自從古代地球被認為是所有天體之運動中心以來的一個明顯

的轉變。然而，哥白尼仍保留著過去所使用的圓形來代表行星的軌

道。因為哥白尼無法準確預測行星未來的位置，哥白尼發現有必要加

入類似托勒密所使用的本輪。事實上要等到另一個世紀之後，經過克

卜勒之洞察才發現行星具有橢圓的軌道。

就像他的前輩一樣，哥白尼也使用哲學上的判斷來支持他的觀

點。哥白尼在他的重要著作〝天體運行論〞中提出這些受爭議的日心

觀點，並在即將過世時被出版，因此他自己並未遭受到指責，但是許

多後來的追隨者卻遭受嚴厲的刑罰。哥白尼系統對現代天文學最大的

貢獻是對於地球在宇宙中深根蒂固的地位首度勇於挑戰。

第谷(Tycho Brahe)

66

在哥白尼去世三年之後，第谷(1546~1601 年)出生於貴族階層。

根據傳聞，當他觀看天文學家所預測的日食現象時，就開始對天文感

到興趣。他說服當時丹麥國王腓特列二世在哥本哈根附近建造一座觀

天堡。他設計及建造了指示器，並且有系統地使用它們來進行測量天

體的位置達 20 年之久，並且用來反駁哥白尼的理論。這些觀測(尤其

是火星)比前人更加精確，可說是天文學上的遺產。

第谷並不相信哥白尼的日心系統，因為他並未觀測到地球繞行太

陽所形成恆星位置的視偏移，他的論點如下：假如地球沿著軌道繞行

太陽，在地球繞行六個月之後再進行觀測，鄰近恆星的位置相對於更

遙遠的恆星應該會出現偏移。他的觀點是正確的，但是他的量測並非

精確到可以看出位移，而此種恆星的視偏移稱之為恆星視差，今日已

被使用去量測較鄰近恆星的距離。

視差的原理是可以容易想像的：若閉上一隻眼睛，將你的食指垂

直，並將另一隻眼睛、食指以及遠物排成一直線。現在，無需移動你

的手指，再換另一隻眼睛來觀看，注意物體在位置上的變化。當手指

擺的愈遠，物體的位置似乎移動愈少。第谷的觀點在此出現了瑕疵，

雖然視差法是正確的，但是與地球公轉軌道的寬度相比較，即使是最

鄰近的恆星，其距離也相對都是非常遙遠的。因此，恆星的偏移量實

在是太小了，即使是使用早期的望遠鏡也無法觀察得到，何況是用肉

眼觀察。

隨著丹麥國王(他的贊助者)的去世，第谷被迫離開他的觀天堡。

可能是因為他傲慢奢侈的個性而與國王繼承者起衝突，所以後來遷移

到捷克的布拉格。他在過世的前一年中，在此地得到一個有能力的助

手克卜勒。克卜勒保留著第谷所做的大部分觀測資料，並好好地運用

了這些資料。諷刺的是，第谷所收集的數據駁斥了哥白尼的觀點，但

後來卻被克卜勒拿來支持哥白尼。

克卜勒(Kepler)

假如哥白尼把我們帶出古天文學，那麼克卜勒(1571~1630 年)則是引進新的天文學。他擁有第谷的數據、很好的數學頭腦以及強烈信

任第谷觀測數據的準確性，克卜勒推導出三個基本的行星運動定律。

由於第谷的火星觀測數據與圓行軌道不符，因此得到了前兩個定律。

67

他相信軌道此種不相符並非是觀測上的誤差，克卜勒轉而去尋找另一

種解答。而此種努力引導他發現火星的軌道並非是完美的圓形而是稍

呈橢圓形的。大約在同一時候，他發現火星的軌道速度會發生可預測

性的變化，當火星接近太陽時會加速，而當它離開太陽時則會減速。

在 1609 年，克卜勒經過十年的努力之後首先提出前兩個行星的

運動定律：

1. 繞行太陽的每一顆行星之路徑都是橢圓形的(雖然很接近圓形)，而

太陽則位於其中的一個焦點上。另一個焦點則對稱性的位在橢圓

的另一端。

2. 每一個公轉的行星與太陽的假想連線在相同的時間間隔內會掃過

相同的面積。這個等面積定律是以幾何方式說明行星軌道速率之

變化。

留意行星要再相同的時間內依序掃過相同的面積，因此當行星接

近太陽時，它必須較快速地運行；當它遠離時則運行會較慢。

克卜勒是個很虔誠的教徒，他相信造物者創造了一個有規律的宇

宙。因為他企圖找到行星的均一性而使他再摸索了將近十年的時

間。直到 1619 年，克卜勒在他的著作〝宇宙的和諧〞中發表了他

的第三定律。

3. 行星的軌道週期與行星到太陽的距離成正比。公轉的軌道週期簡

單以地球年為單位，行星到太陽的距離則是使用地球到太陽的平

均距離(我們稱之為天文單位－AU)來表示，一個天文學單位

(astronomical unit)大約是一億五千萬公里。利用這些單位，克卜勒

的第三定律述說行星軌道週期的平方等於太陽平均距離的三次方

(p2=d3)。因此，當知道行星的公轉週期之後，行星到太陽的距離

就可以計算出來。例如：火星的軌道週期是 1.88 年，其平方是

3.54。3.54 的立方根是 1.52，1.52AU 就是火星到太陽的平均距離。

克卜勒的定律認為行星對太陽進行公轉，因此他支持哥白尼的理

論。然而，克卜勒並不知道是何種力量可以產生如他所描述的行星運

動，而此項任務則留給了伽利略和牛頓。

68

伽利略(Galilei)

伽利略(1564~1642 年)是文藝復興時代義大利最偉大的科學家。

他與克卜勒是同時代的人而且也強力支持哥白尼以太陽為中心的理

論。伽利略對科學最偉大貢獻是描述移動物體的行為。他利用實驗方

法來決定自然的定律，而這種方法自從早期的希臘時代開始就一直是

欠缺的。

在伽利略時代之前，所有天文學之發現都沒有使用到望遠鏡。

1609 年，伽利略聽說荷蘭製造透鏡的工人發明了可將物體放大的透

鏡系統。很明顯地，他沒看過望遠鏡，於是自行製造，其結果可將遙

遠的物體放大成肉眼所見的三倍大小。他馬上又重新製造望遠鏡，最

大倍率約可到達 30 倍。

因為有了望遠鏡，伽利略以這種新方法來察看宇宙，他獲得了很

多重要的發現，這一些發現可以用來支持哥白尼的宇宙觀點，例如：

1. 發現有四顆衛星繞行木星。伽利略準確地測定出它們的公轉週

期，週期的時間範圍為 2~17 天。這個新的發現駁斥了地球是宇宙

唯一運動中心的舊觀念，因為這裡有另一個清楚可見的運動中心

－木星。這也駁斥下列的推論(此種推論以前常被用來反對日心系

統)：假如地球真的繞著太陽做公轉的話，月球將會被地球所遺棄。

2. 經由望遠鏡的觀察，他發現木行是圓盤狀的，而並非前人所言只

是個光點而已，而這樣的發現指出木星必定是與地球相類似。

3. 發現金星像月球一樣有相位的變化，這證明了金星是環繞著其光

源－太陽。伽利略發現，金星滿月時外形最小，因此這時離地球

69

會最遠。在托勒密的系統當中，金星的軌道位在地球與太陽之間，

這意味著在地球上我們只能看到金星的弦月相而已

4. 發現月球表面並非如古人所猜想和天主教會所宣稱是個光滑的玻

璃球。伽利略反而看到山脈、圓坑和平原，頗類似地球。他認為

平原可能是水體。

5. 發現太陽黑子的存在(觀察太陽可能使他的眼睛受損以及後來瞎

掉)。他追蹤黑子們的移動，並且估計太陽的自轉週期接近 30 天 1。

因此，他發現這一個天體是同時具有汙點(黑子)和自轉運動。

這些觀察將會侵蝕掉當時所盛行的宇宙觀之基石。在 1616 年，

教會指責哥白尼的理論是違反聖經的，因為這未能以造物者為中心，

並且未能將人類放在正確的地位上，因此伽利略被告知要拋棄此種理

論。因為不願意接受這個意見，伽利略開始編寫他最有名的著作〝兩

大世界體系的對話〞。雖然身體狀況不佳，他仍然完成了寫作，並在

1630 年來到羅馬，尋求當時的教皇 Urban 八世能同意他發行此著作。

因為這一本書是以對話的方式詳細說明托勒密與哥白尼的系統，因此

這出版的要求終被教會所允許。然而，伽利略的仇敵很快地了解到他

是以犧牲托勒密系統來鼓吹哥白尼的觀點。因此，書本很快地被停止

販售並且被宗教法庭所傳喚。他受到審問以及因違反宗教教義而被判

定有罪，被判終身監禁並度過他十年的餘生。

儘管經歷了行動受到限制、年紀太老以及大女兒過世之悲痛，伽

利略仍繼續工作。1637 年他變成全盲，然而經過數年後終於完成了

他最好的科學著作，這是一本討論運動學方面的書籍，其中他敘述：

一個移動中的物體會保持移動的自然狀態。伽利略於 1642 年過世，

當時托斯卡尼省(Tuscany)大公原本想為他立紀念碑，但這可能會觸怒

教會而作罷。直到支持哥白尼的科學證據被發現之後，羅馬天主教教

廷才同意伽利略的著作被出版。

牛頓(Newton)

牛頓(1642~1727 年)是在伽利略過世的那一年誕生的，他在數學

上和物理上的很多成就致使後人認為他是最偉大的天才。

雖然克卜勒及其後人都企圖解釋行星運動的力源，但所做的解釋

70

皆不令人滿意。克卜勒相信有某種力量是沿著軌道推動著行星；然

而，伽利略正確地認為無需外力讓物體保持運動。伽利略認為在不受

外力作用之下，運動的物體具有沿著直線做等速度的自然趨勢。這種

慣性觀念後來被牛頓公式化成為他的第一運動定律。

上述的問題並不是要來解釋維持行星運動的力量，而是要去決定

防止行星直線離開而進入太空的力量，牛頓最後將這個重力概念化。

在 23 歲時，牛頓想像有一種力量從地球延伸至太空，使月球能在軌

道上繞行地球。雖然其他人已推論出有此種力量之存在，但他是測試

萬有引力且將之公式化的第一個人。其中，萬有引力隨著距離而減

弱，因此兩個相隔 3 公里遠之物體間的引力只有 1 公里遠的 1/9。

萬有引力定律也說明質量愈大的物體萬有引力就會愈大。例如，

大質量的月球有一股強大的力量足以引起地球的潮汐現象。然而，質

量很小的通訊衛星對地球之影響是可以忽略的。物體的質量是它所含

有的物質總量之測量，但是質量之測量更常是使用慣性大小來測量

的，也就是要改變任何物體的運動狀態時，物體所反應出來的阻力大

小。

我們常常會將質量與重量的概念混淆在一起。重量是作用在某物

體上的重力。因此，當萬有引力改變時重量也會變化。因為月球比地

球小而輕，物體在月球上的重量會比在地球時輕。然而，跟重量不同，

物體質量是不會改變的。例如：一個地球上重 120 磅上的人，在月球

上只剩 20 磅(1/6)，但此人的質量則維持不變。

牛頓利用運動定律證明，重力並配合物體的直線運動之慣性是造

成克卜勒所發現的行星橢圓軌道。例如：地球以每秒 30 公里的速度

在其軌道上前進，同時重力每秒將地球往太陽移進 0.5 公分。因此如

牛頓所推論，地球的往前運動與其〝掉落〞運動之結合可解釋行星的

軌道。假如重力被消除的話，地球將沿著直線進入太空；相反地，假

如地球往前運動突然停止的話，重力將直接把地球拉往太陽。

到這裡我們討論到地球運動似乎只涉及到與太陽之間的重力關

係，然而在太陽系中的所有天體彼此之間都受重力的影響。因此，地

球的軌道並非如克卜勒所說是個完美的橢圓形。在軌道上的天體與所

預測的路徑有所不一致或出現變動時，我們稱之為擾動

(perturbation)。例如：木星對土星的引力使土星的軌道週期比預測值

71

(若木星不存在時)少了七天左右。應用此種觀念發現了海王星，當天

文學家將牛頓定律應用在天王星的軌道時，推斷應該還有一個未知的

大行星(海王星)的引力影響了天王星的軌道，利用擾動的觀念使我們

發現了海王星的存在。

牛頓應用萬有引力定律對克卜勒第三定律再加以說明，第三定律

敘述了行星的軌道週期與行星到太陽的距離之間的關係。牛頓在克卜

勒的第三定律中將物體的質量列入考慮，因此當我們清楚了某顆衛星

的軌道之後，就都可以用來決定天體的質量了。假如某星體明顯影響

鄰近的星體或人造衛星的軌道時，即使這星體沒有衛星之存在，其質

量仍可被決定出來。

※ 星體在天空中的方位

假如在遠離都市光害的地方注視著晴朗的夜空，你就會浮現出一

個清楚的印象，那就是恆星似乎在地球周圍上形成了一個圍繞的球

殼。此種印象似乎是很真實，以致於我們可以理解為何很多早期希臘

人會把恆星看成是固定在水晶般的天球上。雖然我們知道這個天球根

本不存在，但使用這個概念可以很方便地將恆星或其它天體定位。這

裡將描述兩種使用天球的地圖系統：(1)是將天球畫分成各種星座的區

域；(2)是將地球的經緯度線擴展沿伸進入太空(即赤道座標系統)。

星座(Constellations)

早在 5 千年前人們就被星空強烈的吸引著，並且開始對所見到星

星圖案加以命名，這些稱之為星座的外觀是以神話的人物(如獵戶座)來命名。我們需要用很大的想像力來解釋這些預期中的圖案，因為大

部分的星座剛看起來與圖案並不太相似。雖然我們繼承了來自希臘神

話中的星座，但相信希臘天文學家大部分也是從巴比倫、埃及和美索

不達米亞那邊學來的。雖然構成星座中的所有恆星似乎與地球等距

離，但事實卻不然。有一些星座中的恆星比其它更為遙遠，因此在某

一星座中的恆星彼此之間在物理上是不相關的。此外，不同的文化族

群(包括美國原住民)常在星座中加入自己的名稱、圖案和故事。例如：

獵戶座是中國天文學家所稱為白虎之一部份。

72

今天有 88 個星座被正式承認，我們利用這些星座將天空劃分成

88 個單元，就像美國是以州界來劃分。在天空中的每一顆恆星都位

在這些星座的範圍之中，但並不一定是這個星座圖案的一部分。因

此，星座使天文學家能大致確認所觀察的天空區域。對學生而言，星

座是讓學生熟悉星空的一個好方法。

一些最亮的恆星被賦予專名，例如天狼星、大角星和參宿四星。

此外，在星座中的最亮星也依照其亮度在其星座後面加入希臘字母來

依序命名－α、β。例如：天狼星是大犬座中的最亮星，我們稱之為

大犬座α星 (Canis Majoris)。

Box 2 占星術(astrology)—天文學的先驅

很多人被占星術與天文學所混淆，以為這兩個名詞的意義是相同

的。天文學是一種學術性的宇宙探索，以便推演出天體的特性和宇宙

運作的定律。另一方面，占星術是基於古代的迷信，認為個人的行為

和個性要根據現在與出生之時行星和恆星的方位而定。科學家不接受

占星學，把它視為偽科學。希望大多數的人閱讀占星術或天宮圖時只

當作是一種消遣，不要讓它們影響了你每天的生活。占星術的起源很

明顯地至少是在 3 千年前。當行星在〝固定〞的恆星背景之前有規律

地遷移時，它們的位置被畫出來。因為太陽系是〝平坦〞的，就像是

一個旋轉的飛盤，行星幾乎沿著相同的平面繞行太陽。因此，行星、

太陽和月亮似乎全都沿著天空的一個帶在移動，此帶稱之為黃道帶

(zodiac)。因為月球每年大約有 12 次的月相變化，所以巴比倫人將黃

道帶劃分成 12 個星座。因此，我們可以看到，每一次滿月都會位在

另一個星座範圍內。黃道帶上的 12 個星座(因為有一些星座是以動物

做為代表，所以此帶又被稱為〝動物帶〞)是：白羊座、金牛座、雙

子座、巨蟹座、獅子座、室女座、天秤座、天蠍座、人馬座、摩羯座、

寶瓶座和雙魚座。當 12 宮剛被確立之初，當時春分點的太陽是位於

白羊座的範圍內。然而，在接下來的每一個春分點，太陽在恆星背景

之前的位置出現了很緩慢地移動。經過了兩千年之後的現在，春分點

時的太陽是位在雙魚座之內。再過數年之後，春分點將會出現在寶瓶

座的範圍之內。(因此，寶瓶座的年代即將到來)。

雖然占星術並不是科學，事實上它也是沒有任何根據的，但它真

的對天文學有所貢獻。一個人誕生時，月亮、太陽與行星的方位被認

73

為是對人的一生有重大的影響。即使是偉大的科學家克卜勒，他部分

的職務則是被要求去製造天宮圖。為了製造未來的天宮圖，占星家企

圖去預測天體的未來方位。因此，為了能更準確地預測出天文事件(例如日月食，在一個人的生命當中，這些現象被認為是非常重要的。)，因此天文儀器進行了一些改良。史前人類甚至也建造了觀測台，英格

蘭的巨石柱群結構毫無疑問的是企圖要預測太陽。在北半球的仲夏(6月 21 或 22 日，亦即夏至)，日出的太陽直接從石柱群中之〝鞋跟石〞

(heel stone)的頂端冒出來。除了可以維持曆法之外，石柱群也可提供

一種確定日月食的方法。早期天文觀測台的其它遺跡也出現在美洲、

歐洲、亞洲和非洲等地。

赤道座標系統

有一種定位的方法稱之為赤道座標系統(equatorial system)，它將

天球劃分成一個座標系統。它非常類似地表定位所使用的緯度-經度

系統。因為天球似乎是繞著由地軸所延伸的假想線做旋轉，天北極和

74

天南極與地球上的南北極排成一直線。天北極剛好很接近一顆亮星，

此亮星雖有不同的名稱但可以反映出它的位置－北極星(Polaris)。對

北半球的觀察者而言，恆星似乎環繞著小熊星座的α星－北極星，因

為它像是地理北極一樣，是位在運動的中心。我們可利用大熊星座中

兩顆亮星(指極星)的距離延伸五倍長度來找尋北極星。

現在假想有一個經由地球赤道的平面向外延伸並與天球相交，這

個平面與天球相交的圓稱為天赤道(celestial equator)。在赤道座標

中，我們使用了赤緯與赤經，赤緯(declination)這個名詞類似於地球的

緯度，而赤經(right ascension)則類似經度。像緯度的赤緯是由天球赤

道往南或往北的角距離，而赤經則是從春分點(vernal equinox)沿著天

赤道往東所測量到的角距離(春分是太陽在天空中橫越天赤道的一個

點，也就是春天

的開始)。赤緯的

單位是以度數來

表示，而赤經則

經常以小時為單

位，在這裡每一

小 時 相 當 於

15°。為了瞭解天

球上角距離的大

小，請記住月球

和太陽約有一個

0.5°的寬度，這

對你應該是會有

幫助的。

※ 地球的運動

地球的兩種主要運動是自轉與公轉。自轉是物體繞著自己的軸做

旋轉，而公轉則是行星或衛星環繞太空中的某一點並沿著路徑進行運

動。例如：地球繞著太陽公轉，而月亮則是繞著地球做公轉。地球也

有一種很緩慢的運動，我們稱之為進動(precession)，它是地軸的緩慢

運動，其週期約為 26000 年。

75

自轉(rotation)

地球自轉的結果就是形成日夜的變化，地球自轉已成為測量時間

的一種標準方式，因為它非常可靠並且容易使用。自轉一次約等於

24 小時。你或許會很驚訝地發現有兩種方式可以量測地球的自轉，

這就形成了兩種所謂的一天。平均太陽日(mean solar day)是最為人所

熟悉的，它是從一天的正午到隔天的正午之間隔，此時間間隔平均約

為 24 小時。其中，正午是指太陽抵達空中最高點的時候。

另一方面，恆星日(sidereal day)是指地球對於恆星(非太陽)而言，

進行 360°的自轉所花的時間。恆星之測量是指昨日的恆星又在天空的

同一位置上出現時所需的時間。恆星日的週期是 23 小時 56 分 4 秒(根據太陽日的時間)，比太陽日幾乎短了 4 分鐘。這個差異的成因是地

球沿著公轉軌道緩慢地運行時，它相對於遙遠恆星的方向幾乎沒有改

變，然而相對於太陽的方向則是每一天幾乎變動了一度。

為什麼會使用平均太陽日而不是採用恆星日做為我們一天的量

測，這一個差異似乎是不明顯的，但是讓我們想一想下列這個事實：

在恆星日中，每一天的正午都提早了四分鐘發生，因此六個月之後，

它的正午將在半夜時分發生。因為每 24 個恆星日小時，恆星會在相

同的天空位置上出現，所以天文學家使用恆星日。當春分點的位置是

直接落在頭頂上方之時，也就是位在天文台所在的子午線(經線)之上，天文台經常就以此做為太陽日起始的時間(零時)。因此，當天文

台的恆星日時鐘與恆星的赤經值是一樣的話，各顆恆星將會在你的頭

頂上或最大的高度角上。例如：夜空中最亮的恆星是天狼星，它的赤

經是 6 小時 42 分 56 秒，當天文台的太陽日時鐘指到這一個時間，

那麼天狼星的位置將會高高在上。

公轉(revolution)

地球在橢圓軌道上以每小時 107000 公里的速度繞著太陽公轉。

地球到太陽的平均距離是 1 億 5 千萬公里，但因為它的軌道是橢圓形

的，所以這個距離會變化。在近日點(perihelion)時，此距離是 1 億 4千 7 百萬公里，大約發生在每年的 1 月 3 日。在遠日點(aphelion)(發生在 7 月 4 日)，距離是 1 億 5 千 2 百萬公里。

因為地球每一年繞著太陽做運動，太陽每一天在星座之前似乎移

76

位了一些距離，這個距離大約相等於太陽的兩倍寬或 1 度。太陽在天

球背景之前的每年視運動之路徑稱為黃道(ecliptic)。一般而言，行星

和月球運行的平面與地球運行的平面大致是相同的。因此，它們在天

球上的路徑是很接近黃道的。離黃道最遠的就是水星，它的軌道相對

於地球的軌道面也只不過是 7°的傾斜。

地球軌道與天球連接的假想平面稱為黃道面，由這個參考平面來

看，地球的自轉軸約傾斜了 23.5°。因為地球傾斜，太陽的視路徑(黃道)與天球赤道以 23.5°相交，這個角度對地球上的住民而言是非常重

要的。由於地軸對黃道面的傾斜，地球每年出現了季節性的循環。

當一年之中的太陽視位置被畫在天球上時，它的路徑會與天球赤

道相交於兩點。從北半球的觀點來看，這兩個相交點稱為春分(3 月

20~21 日)和秋分(autumnal equinox)(9 月 22~23 日)。6 月 21 或 22 日

是夏至(summer solstice)的日期，太陽出現在天赤道北方 23.5°的位置

上。六個月之後，12 月 21 或 22 日是冬至(winter solstice)的日期，太

陽出現在天赤道南方 23.5°的位置上。

進動(Precession)

地球的第三種運動稱為進動。雖然地軸大致維持相同的傾斜角

度，但地軸所指的方向會持續在改變，結果地軸在天空中描繪出一個

圓，此種運動很像旋轉陀螺的運動方式。目前這個軸指向著北極星。

在西元 14000 年時，此軸將指向明亮的織女星，它將變成那時候的北

極星。進動的週期約為 26000 年，到了西元 28000 年，現在的北極星

將再一次成為我們的北極星。

進動對季節的影響甚小，因為傾斜角度只有輕微的變化。然而，

卻會造成季節的位置(分點和至點)每年在星座中稍微地移動著。除了

自身的運動之外，地球也隨著太陽做很多的運動。太陽與整個太陽系

以每秒 14 公里速度往織女星方向急速行進。太陽也和鄰近恆星一樣

繞著銀河系公轉，即使是以每秒將近 250 公里的速度也需要 2 億 3 千

萬年才能公轉一圈。此外，銀河系本身也在運動，它目前正在接近我

們最鄰近的星系鄰居之一－仙女座大星系。摘言之，地球有多種的運

動而且頗為複雜，它在太空中的運轉速度是非常快速的。

77

※ 地月系統的運動

地球有一個天然的衛星－月球。除了每年伴隨著地球環繞著太

陽，月球也繞著地球，公轉週期少於一個月。當從北極上方觀看時，

月球的公轉方向是逆時針的(往東)。因為月球的軌道是橢圓的，所以

它到地球的距離有著 11%的變化量，平均值約是 384400 公里。

地月系統的運動不斷地使月球、地球和太陽之間的相對位置發生

變化，這也造成了一些最顯著的天文現象：月相變化以及偶而出現的

日月食。

月相變化

第一個要了解的天文現象就是有規律的月相循環。以一個月為基

礎，我們所看到的月相是月球被照亮的部分出現有系統的變化。我們

78

將月相循環中的新月位置當做起點，新月之後的第二天，就在日落之

後的西方低空處，出現一個細薄的銀色月相(娥眉月)。再接下來的一

個星期內，地球上可見到的月球亮面漸漸增加到半個圓月(上弦月)，從中午到半夜皆可看到這個月相。再過了一個星期，東方可見到滿月

升起並在西方落下。在接下來的兩個星期期間內，我們可見到月球亮

面部分穩定地出現減少，直到月亮完全看不見(新月)。隨著娥眉月又

重新出現，月相循環很快地又重新開始。

月相是月球運動以及其表面反射陽光所造成的。月球總是有一半

是被照亮的，但是對於地面的觀察者而言，可見此亮面的百分比取決

於月球相對於太陽和地球的位置。當月球位於太陽與地球之間時，月

球亮面沒有面對著地球，所以我們將會看見新月相(無月)。相反地，

當地球位在月球與太陽之間，所有亮面皆面對著地球，因此我們將會

看到滿月。上述兩個極端之間的其它位置上，在地球上可看到中間不

同比率的亮面部分。

月球運動

一個完整的月相循環需要 29.5 天，這段時間稱為朔望月(synodic month)。此種週期是羅馬最早的日曆基礎。然而，這是月球繞行地球

進行公轉的視週期，但卻不是真正的週期，真正的週期為 27 又 1/3天，我們稱之為恆星月(sidereal month)，每一次的循環幾乎有兩天的

差異。注意當月球繞行地球之時，地月系統也在太陽周圍的軌道上移

79

動著。因此，即使月球已經完全了一次繞行地球之公轉，但仍未抵達

它的起始點，此點是直接位於地球與太陽之間(新月)。為了的抵達這

個起始點，月球需額外再多花兩天的時間來進行移動。

關於月球運動，一個有趣的事實就是月球自轉和繞地球公轉之週

期是相同的(都是 27 又 1/3 天)。因此，同一個月半球總是面對著地球，

而所有載人的阿波羅登月任務都侷限在面對著地球的那一側，只有軌

道衛星和太空人看過月亮的背面。

因為月球的自轉週期是 27 又 1/3 天，在月表上的任何位置皆經

歷了兩個星期的白天或黑夜。除了缺少了大氣之外，漫長日夜也可說

明為何月球白天的表面溫度可高達 127℃，在夜裡的表面溫度可至

-173℃。

日月食(eclipses)

除了了解月相變化之外，早期的希臘人也知道食的現象只不過是

一種影子效應。當月球直接移動到與地球和太陽形成一直線的方位時

(只有在新月期間會發生)，月球會投射出一個黑影到地面上來，產生

了日食現象。相反地，當月球移入地球的影子裡，此時會產生月食，

在滿月時這種現象才可以發生。

為何並非在每一個新月或滿月時都會出現日食或月食呢? 假如月

球的軌道真的位於地球的軌道面(黃道面)時，那麼日月食在每個月都

將會發生。然而，月球的軌道與包含有地球和太陽的平面之間呈現約

有 5 度的傾斜。因此，多數的朔月裏，月球的影子並未能投射到地球

上(影子會在地球之上方或下方)。在大多數的滿月期間，地球的影子

也未能投射到月面上。只有當朔月或滿月發生在月球軌道橫越黃道面

之時，這時才有可能發生日月食。

因為上述的條件在一年之中通常只會遇到兩次，所以一年之中的

日月食現象常會有 4 次，亦即相隔半年分別有一組的日月食發生。三

個星體的排列在一個月相循環中偶而會有擠入 3 個日月食，亦即 1 個

月食的兩側有兩個日食。再者，第一組的日月食偶而會發生在年初，

而第三組的日月食又在年末時出現，則這一年就會出現 6 個日月食。

更少見的是，假如這三組中有一組是屬於 3 個日月食現象，那麼在這

一年中出現的日月食總數可達 7 個(這是極大值)。

80

在月全食的過程當中，可看見地球的圓形陰影慢慢地移過滿月的

圓盤，直到月全食發生時，月球將完全進入地球的陰影當中，但此時

仍可見到月亮，只是此時整個圓盤是呈現紅銅色的，這是因為地球上

的大氣將陽光中的一些長波折射並傳送到陰影區所造成的。月全食的

過程可維持 4 小時，而且面對著月球的任何人都可看見此現象。

在日全食的期間，月球投射的圓形陰影直徑皆小於 275 公里寬，

大約是南卡羅萊納州的大小。在這區域的任何人將會看見月球慢慢地

遮蔽到太陽，天空也會變暗。接近全食之時，會感覺到氣溫突然下降

了數度。太陽圓盤完全被遮蔽的時間最多只有七分鐘(這是因為月球

影子太小了)，然後太陽的邊緣又會再現。在日全食之時，可看見黑

色的月球完全覆蓋住太陽的圓盤，只能見到太陽光亮的白色外氣層

(日冕)。只有位在月球陰影下黑暗地區(本影區, umbra)的人們才能看

見日全食，然而在半影區(penumbra)的人們可見到日偏食。在極區常

可見到日偏食，因為當月球的本影剛好未能投射到地球時，但此時半

81

影卻可覆蓋到南極或北極地面的區域。對地球上的任何地區而言，日

全食都算是一件罕見的現象，下一次要在美國本土看到日全食的日期

是 2017 年 8 月 21 日。

本章摘要

82

古希臘人相信地心說的宇宙觀，認為地球是位於宇宙中心的不動

星球。有七顆星球繞著地球運轉，包括月球、太陽、水星、金星、

火星、木星與土星。對古希臘人而言，每天繞行地球運轉的恆星

是位於透明的中空天球上。西元 141 年，托勒密設計出更加精巧

的地心說宇宙模型，稱為托勒密系統。在這個模型中，行星以圓

形軌道繞行不動的地球。在托勒密的系統中，為了解釋行星的逆

行運動(當地球運行並超過某行星時，該行星有一段時間似乎會往

西或往相反的方向運轉)，行星除了在小圓軌道(本輪)上繞行，也

同時在大圓(均輪)上進行公轉。

西元前第五世紀，希臘人 Anaxagoras 推論月球是反射太陽光而發

亮的，也由於月球是個球體，因此總是會有半個球面是亮著的。

亞里士多德(384~322 B.C.)則確認地球是球形的。首位宣揚日心說

宇宙觀的古希臘人是 Aristarchus (321~230 B.C.)。Eratosthenes (276~194 B.C.)是第一位成功算出地球大小的古代天文學家。希巴

谷(西元前二世紀)則是古希臘最偉大的天文學家，他因編撰恆星

的目錄而聞名於世。

現在天文學的演進是來自於 16、17 世紀期間許多人的奉獻。哥

白尼(1473~1543)倡導以太陽為中心的日心體系，但錯誤地仍繼續

沿用圓形的行星軌道。第谷(1546~1601)的天文貢獻則是在於他的

天文觀察比前人更為精確。克卜勒(1571~1630)推導出行星的三大

運動定律，確認行星的軌道為橢圓形。伽利略(1564~1642)則以自

製的望遠鏡發現了許多重要的天文現象，這些發現可支持哥白尼

的日心說。牛頓(1642~1727)是首位將萬有引力公式化，提出了三

大運動定律，並證明重力結合慣性(物體有沿著直線運動的傾向)可解釋克卜勒所發現的行星橢圓軌道。

早在 5000 年前，人們就將一些恆星在天空中的排列(星座)以當時

神話中的人物或英雄加以命名。如今，已被確認的 88 個星座劃

定出全天空的 88 個區域，正如將美國本土劃分出數十個州。

赤道座標系統是標定恆星位置的方法之ㄧ，將天球畫分成一種座

標系統，就如同以經緯度系統標定地表的位置。類似緯度的赤緯

是由天赤道往南或往北量測的角距離。赤經是由春分點往東量測

所得的角距離。(春分點是太陽在春天橫越天赤道時的那個點)

83

地球有兩種主要的運動：自轉(繞自身的軸線旋轉)與公轉(沿著天

空中某路徑進行運轉)。另外還有一個很緩慢的地球運動是進動

(是地球軸線的緩慢運動，並在天空中劃出一個圓錐，其周期為

26000 年)。可利用兩種方式來量測地球的自轉，並得到兩種”日”。平均太陽日是連續兩個正午之間的時間間隔，平均約為 24 小時。

相對地，恆星日是地球相對於遙遠恆星自轉一圈所花的時間，其

周期為 23 小時 56 分 4 秒。地球以橢圓軌道繞行太陽，平均的日

地距離為 1 億 5 千萬公里。近日點出現在一月，離太陽 1 億 4 千

7 百萬公里。遠日點出現在七月，離太陽 1 億 5 千 2 百萬公里。

地球繞行太陽的假想軌道平面稱為黃道面。

最想了解的天文現象之ㄧ是月球有規律的月相循環，月相循環的

周期是 29.5 天，稱為朔望月。然而，月球真正繞行地球進行公轉

一圈是 27 又 1/3 天，稱為恆星月。兩者相差約有兩天，這是因月

球不僅要繞行地球，而且地月系統也要同時繞著太陽進行運轉。

除了瞭解月相循環之外，古希臘人也知道月食只不過是陰影效應

所造成。當新月時，月球若運行至日地之間並且形成一直線，則

月球的陰影便會投射在地表上而形成了日食。望月時，當月球運

轉至地球後方的陰影內，便會發生月食。因為月球運行的軌道面

(白道面)與黃道面斜交(約有 5 度的夾角)，因此大多數的新月與望

月並不會發生日月食。在新月與望月這兩天期間，若月球剛好橫

越了黃道面，就可以發生日全食與月全食，每年的日月食通常共

會有 4 次。

84

第四章 太陽系之旅

當人們剛開始認識到行星比恆星更類似地球時，感到非常的興

奮。高智慧的生物可存在其他行星上或在宇宙的其他地方嗎？太空探

測已再次點燃這個主題。到目前為止，在我們的太陽系內並無證據可

指出有宇宙生命之存在。雖然如此，我們研究其它行星是有助於了解

有關地球的形成或早期的歷史。近年來的太空探測也以此為想法而組

織起來。至今，靠著探測器我們已經探察了所有的行星了。

※ 行星概述

太陽是八大行星及其衛星、矮行星、無數的小行星、彗星和流星

體的巨大旋轉系統之中心。據估計太陽的質量佔整個太陽系的

99.85%。其它行星加起來的質量只佔剩餘質量的 0.15%。行星繞著太

陽運轉，由內而外依序是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、

天王星、海王星。

在太陽的萬有引力控制下，每個行星被束縛在橢圓軌道上，而且

他們全部繞行著同一個方向。最靠近太陽的行星－水星－有最快的軌

道速率每秒 48 公里；它繞太陽的公轉週期是最短的，只有八十八個

地球日。想像把一個行星的運行軌道畫在一張平坦的紙上，這張紙表

示出行星的軌道平面。其中共有七個行星的軌道平面與太陽赤道平面

約呈 3 度以內的交角；離太陽最近的水星則傾斜了 7 度。

行星如何形成的？

太陽與行星同時是由所謂的太陽星雲這麼一個巨大旋轉的雲氣

所形成的。當太陽星雲收縮時，巨大的物質聚集於中心處並形成了原

太陽(protosun)，其餘物質則形成一個扁平旋轉之盤狀物。在盤狀物

中，物質逐漸地成塊，並且經由彼此碰撞聚合在一起而成長為如小行

星般大小的天體，我們稱之為微行星(planetesimals)。這些微行星的組

成主要是決定於它們與原太陽之間的距離，越接近原太陽的，溫度越

85

高；而在盤狀物之外圍，溫度則越低。這點非常最重要，因為只有在

某些特定的位置上才能凝結成塊狀之固體或液體物質，也才能形成微

行星。

接近目前的水星軌道處，因為溫度太高，所以只有金屬顆粒能夠

凝結出來，其它物質則無法存在。再往外接近地球軌道附近，金屬與

岩石都可以凝結，而超過火星軌道之外，水冰、二氧化碳、氨和甲烷

已可以凝結出來。由這些不同的塊狀物質所形成的微行星則重複地彼

此碰撞與合併增積，最後形成了八顆原行星(protoplanets)及其衛星。

當原行星形成之後，約過了十億年才因其重力清掉了太陽系中的行星

際碎屑。這是一段密集撞擊星體表面的時期，這可以從月球表面以及

太陽系的其它地方來推論。只有少量的行星際物質脫離了行星及其衛

星的重力，最後變成了小行星、彗星或流星體。

類地(Terrestrial)與類木(Jovian)行星

根據下表的資料分析得知，行星可被分為兩群：類地行星(水星、

金星、地球和火星)與類木行星(木星、土星、天王星和海王星)。

86

類地行星和類木行星最大的不同點在於他們的大小。最大的類地

行星(地球和金星)之直徑大約是最小的類木行星(海王星)直徑的

1/4；此外，他們的質量只有海王星的 1/17。因此，類木行星通常又

稱作巨星。因為它們的相對位置，四顆類木行星又被稱為遠行星而類

地行星則被稱為近行星。如我們所見，這些行星的位置和行星的大小

似乎有著相關性。

這兩群的不同點還包括密度、化學組成和轉動速率。類地行星的

平均密度約為水密度的 5 倍，然而類木行星的平均密度只有水密度的

1.5 倍。外行星中的土星密度是水的 0.7 倍，這代表若土星被放置在

有足夠大的貯水槽中時，土星將會在水中浮起來。化學組成的差別是

造成密度不同的主要原因。

行星的組成

構成行星的物質依熔點可分為三類：氣體、岩石和冰。 1. 氣體(氫和氦)的熔點接近絕對零度(-273℃或 0 K)。 2. 岩石(矽酸鹽礦物和金屬鐵為主)的熔點超過 700℃。 3. 冰(包含氨、甲烷、二氧化碳和水)的熔點則介於上面兩種物質之間

(例如水的熔點為 0℃)。

類地行星的密度較大，大部分是由岩石和金屬物質所組成，另外

還包含了較少量的氣體和冰。另一方面，類木行星含有大量的氣體(氫氣和氦氣)和冰(大多是冰、氨和甲烷)，也因此密度會較小。外行星也

含有大量的岩石和金屬物質，但都集中在核心處。

行星的大氣

類木行星有一層很厚的氣圈，其氣圈包含氫、氦、甲烷和氨；相

對地，類地行星包括地球，只有一層很薄的氣圈。那是因為行星保有

氣圈的能力需由它們的質量和溫度來決定。

簡單的說，當氣體分子達到某一速度時，它們可從行星上蒸發，

而此速度也就是我們熟知的脫離速度。以地球為例，脫離速度是每秒

11 公里，任何物質包括火箭都須達到此速度才能擺脫地球引力而進

入到太空之中。

類木行星因其巨大的表面引力，所以其脫離速度每秒 21~60 公

87

里，比類地行星大很多；因此，在類木行星的氣體分子更難以蒸發。

因為氣體分子運動也和溫度有關，而類木行星有較低的溫度，即使是

最輕的氣體分子仍不可能獲得所需的脫離速度。

相較之下，表面引力較小且比較溫暖的星球，例如月球，就不可

能擁有較重的氣體，如二氧化碳和氡氣，因此月球缺乏大氣。比較大

的地球、金星和火星等類地行星可保有較重的氣體如二氧化碳，但即

使如此，大氣也只佔這些行星總質量的極小部份而已。

在這章的其餘部分，我們將簡要認識一下行星以及太陽系中較小

的成員。但在一開始，我們先來拜訪地球的夥伴－月亮。

※ 地球的衛星－月球

地球現在有數以百計的人造衛星，但只有一個天然的衛星－月

球，他伴隨著我們每一年環繞著太陽做運行。雖然其它行星也有衛

星，但我們的行星-衛星系統在太陽系中卻是獨一無二的，這是因為

月球與母行星間的比值是相當大的。月球的直徑是 3475 公里，大約

是地球的四分之一(地球的直徑是 12756 公里)。

從計算月球的質量得知，它的密度是水的 3.3 倍。月球密度約為

地球的地函密度，但遠小於地球的平均密度(地球平均密度是水的 5.5倍)。地質學家推測這種差異是因為月球的鐵質核心較小。

在月球表面的重力是地球表面的 1/6，因為這個差異性，讓太空

人能不費力的攜帶笨重的維生系統。如果沒有背這些裝備，太空人跳

躍的高度是在地球上的六倍。

月球表面

當伽利略首先用望遠鏡望看著月球時，他看到月球上有兩種不同

的地形。在地球上看到月球的明亮區域稱為月球高地。相對地，黑暗

的區域則稱為月海(maria)，它們是平坦的低地區域，因為這區域的地

形和地球上的海洋相似，因此被稱作月海，它是由巨量的玄武岩漿溢

流所形成的；相對地，淺色明亮的區域類似地球上的陸地，這些區域

通常稱為月球高地，因為比月海高出數公里。月球高地與月海形成了

我們所看到的月球表面。

88

撞擊圓坑(Craters)： 月球表面最明顯的特色就是圓坑或環形山，坑

洞的數量很多以至於坑洞中又有坑洞是常有的事。其中，最大的一個

圓坑之直徑大約有 2240 公里，大概是美國本土寬度的一半。大部分

的圓坑都是因為被快速移動的流星體所撞擊而成的，這個現象在太陽

系初期是很常見的。

相較之下，地球大概只有約 12 個較容易辨識的撞擊坑洞，這個

差異的原因是因為地球的大氣、侵蝕以及構造運動。小碎片在到達地

面之前就因為和空氣摩擦而燒完了，而較大的流星體則是在抵達地面

之前將會變小。另外，一些曾經出現在地球上的隕石坑也會被侵蝕作

用或構造運動的過程中被塗銷抹滅掉。

圓坑的形成過程如下：當發生撞擊時，那些高速的流星體會壓縮

被撞的物體，然後被撞的物體會瞬間反彈，連帶著圓坑中的一些物質

會被拋射出去。這個過程就和把石頭丟進水中會濺出水花一樣，而且

中央處經常會形成較突出的水柱。大多數噴出的物質會降落在圓坑的

附近，並在坑洞旁形成環框。撞擊產生的熱量足以融化一些受到撞擊

的岩石。太空人已經帶回一些由此過程所形成的玻璃珠和岩石，經由

這種撞擊所產生的熱也使角礫狀碎塊和灰塵結合在一起而形成岩石。

一個直徑只有 3 公尺的流星體就可以轟出一個 150 公尺寬的圓

坑。有一些大型的圓坑，像克卜勒(Kepler)和哥白尼(Copernicus)圓坑，

是因為被直徑 1 公里或更大的流星體所撞擊而成的。這兩個圓坑因為

有長達好幾百公里的輻射亮紋，所以被認為是相當年輕的圓坑。

高地(Highlands)與”海”： 布滿坑洞的高地構成大部分的月球表面。

事實上，月球背面就是以這種地形為主(只有太空人看過月球背面，

因為月球自轉一周時也剛好繞地球一圈，所以月亮總是以同一側面向

著地球)。許多隕石坑是相互重疊的，數量龐大的撞擊坑洞其實可以

證明月球初期是經歷過一段頻繁撞擊的時期，這些撞擊的活動重複撞

碎與混合數公里深的月殼物質，使得月球高地呈現崎嶇不平的地貌。

月表地貌大約只有 16%是由暗而平坦的月海所組成的，而這些月

海主要是位在面對地球的這一側。當大型的隕石將月表鑿出巨大的隕

石坑，並造成月殼嚴重破裂而並使地底下的岩漿溢出來。這些隕石坑

很明顯地被一層又一層的玄武岩質熔岩流所溢滿(類似美國西北部的

哥倫比亞高原之熔岩地層)，撞擊之後這些熔岩大多仍會持續地流

89

出。一般認為之所以會發生火山活動，是撞擊使得這些地區的月殼較

薄且碎裂，而並非是撞擊熱所致。

風化與侵蝕：月球表面並無大氣與水流，因此持續雕塑地球表面的風

化和侵蝕作用在月球上幾乎不會發生。此外，板塊運動在月球上是不

活躍的，所以地震和火山運動都不再發生。然而，因為月球沒有受到

大氣的保護，所以在此出現不同了侵蝕方式：太空中的小微粒持續地

撞擊月球表面，並且漸漸地使月球表面變得光滑。

月海與高地都覆蓋著一層灰色而未固結的岩屑，這物質是因為幾

十億年來流星體轟擊而成的。這層很像土壤的的東西，其實叫做月球

表土或月壤(lunar regolith)，是由火成岩、角礫岩、玻璃珠以及一些月

球細塵所構成的。阿波羅號的太空人曾經探險過的月海，其表面月壤

的厚度約有 3 公尺。

月球的歷史

雖然月球是離我們最近的星球而且太空人也已從月球表面上取

樣，但對於它的起源我們大多仍不清楚。月球的起源最廣為接受的說

法是發生在太陽系形成的時期，一個火星大小的物體撞擊地球，這次

撞擊使地球表面液化且拋射出早期地球的地殼和地函岩石。一部份拋

出的碎屑進入到繞地球的軌道上，並在軌道上結合而形成月球。

這個巨大撞擊的假說與目前對月球所知的許多事實相符。這些拋

射出的物質大多是含鐵量較少的地殼和地函，剛好說明了月球內部缺

少相當大的鐵質核心。此外，此次撞擊使得會使拋射出的物質揮發，

使得揮發性的物質(如：水)失去，這可以說明月球為何缺水。

行星的地質學家已獲知月球近代史的一些基本細節。他們所使用

的定年方法之一就是觀察各地貌上的圓坑密度(每單位區域的數

量)，坑洞的密度越大，此地形特徵存在就會越久。根據這項證據，

科學家推論月球表面的演化包含四種階段：(1)原始月殼、(2)月球高

地、(3)月海盆地與(4)輻射紋圓坑。

在月球剛形成的增積末期，其上部地函呈現部份或完全熔融的狀

態，形成岩漿海。大約在 44 億年前，此岩漿海開始冷卻並且進行岩

漿分異作用，大多數緻密的礦物(例如橄欖石與輝石)會先下沉，較不

緻密的礦物(例如斜長石)會上浮而形成月殼(年齡約有 44 億)。月殼一

90

形成之後，因為以其重力將附近的太空碎屑吸引清除，而造成月球表

面持續受到碎屑的撞擊。約在 39 億年前，月球或可能是整個太陽系

受到隕石撞擊的頻率突然大減(因為此後受撞擊的頻率大致已維持定

值)。原始的月殼轉變成布滿圓坑的高地，其年代約為 38~44 億年前。

月球演化上的下一件大事就是大型月海盆地之形成。根據太空任

務所取得的樣品做放射性定年，將它們形成的年代定在 32~38 億年

前，明顯比月殼還要年輕。熔岩流覆蓋於高地之上也可證明月海層的

年齡確實是比較年輕，甚至有證據顯示 10 億年前有些月海仍出現噴

發。然而，目前已經不再有火山活動了，這可能是月球冷卻使得月殼

增厚，因此岩漿無法穿透所致。

最後一個顯著的特徵就是輻射紋圓坑的形成，以 90 公里寬的

Copernicus 圓坑為例，由這些較年輕低地所拋射出來的物質覆蓋了月

海的表面和許多較古老無輻射紋的坑洞。但即使像 Copernicus 這種比

較年輕的圓坑也約有 10 億年的歷史了。若它是在地球上形成的話，

長久的侵蝕力量早就會把它塗抹掉了。

如果能夠拍攝到數百張這幾百萬年前的月球照片，就可顯示出月

球在這些年間幾乎是沒有改變的。根據許多的測量，月球在地殼構造

上來說，是一個沒有活動跡象的一個天體。

※ 行星：簡要的導覽

水星：最內側的行星

水星，是八大行星中最內側並且也是最小的行星，幾乎如月球之

大小，更較小於太陽系中的兩顆衛星。

水星像我們的月球一樣會吸取大多數照射的陽光，只反射了百分

六進入太空中。這是沒有大氣層的類地行星之特性(地球反射了百分

三十的光，大部分是被雲反射出去)。

水星就像月球一樣有圓坑高地，而且有巨大的平滑地形，很類似

月海。然而，不像月球的是，水星是一個密度很高的星球，這意味著

它包含著一個很大的鐵質核心。水星上有很長的斷崖，切過圓坑及平

原，這些斷崖可能是因為行星冷卻和收縮時而導致地殼的縮短。

91

水星的公轉運行很快，但自轉

卻很緩慢。一個完整的日夜循環在

地球是24小時，但是在水星則需要

179個地球日。因此，水星的夜晚

大約持續了三個月，接著是三個月

的白晝。

水星夜晚的溫度降到 -173℃，正午溫度則超過 427℃，它的

熱度足以熔化錫和鉛。此行星上如

此極端的現象，生命不易存在。

2012 年 11 月，信使號(Messenger)探測器卻發現其極區許多的隕石

坑中存在有水冰與有機物。

金星：帶有面紗的行星

除了月亮以外，金星是夜空中第二亮星，是唯一逆行自轉的行

星。它以一個幾近完美的圓形軌道環繞著太陽，每 255 個地球日公轉

一圈。金星在直徑、密度、質量以及在太陽系中的位置，都跟地球很

類似，因此被稱為是地球的雙胞胎，因為有這些相似點，地質學家希

望能利用金星詳細研究的資料以對地球的演化史有更進一步的瞭解。

金星覆蓋了一層很厚的大氣，使可見光無法貫穿通過。但是，我

們利用麥哲倫無人太空船的雷達技術以及地球上的儀器進行其表面

繪圖，已顯示出其多變的地形特色，此種地形似乎介於地球與火星之

間。簡單的說，雷達的微波被送到金星的表面，藉由計算微波返回的

時間來測量高原和高山的高度。這些資料證實，玄武岩質的火山作用

和構造性變形是金星上的主要活動過程。此外，因為金星上少有圓

坑，所以表示火山作用和構造性變形在過去是很活躍的。

由火山熔岩流所覆蓋著的和緩平原約佔了金星表面的 80%。有些

熔岩流道延伸了數百公里遠，有一個熔岩流道在金星表面上綿延了

6800 公里遠。已經有數千個經過確認的火山構造，其中大多數是小

型的盾狀火山，而有多達 1500 座的火山之寬度超過 20 公里。像其中

的一座火山，Sapas Mons，有 400 公里寬以及 1.5 公里高。很多的熔

岩流都是從火山的側面噴出，而不是從頂峰處噴出，這很像夏威夷盾

92

形火山。

金星表面只有百分之八是高地地形，這相當於地球上的大陸地

形。金星上的構造運動，似乎是由內部物質的往上湧升或下沉作用所

推動的。雖然地函的對流在金星上仍然在進行著，但使堅硬岩石圈進

行再循環的板塊運動過程，對金星今日的地形沒有造成顯著的影響。

在太空船抵達以前，金星一直被認為可能是很適合人類居住的地

方；然而，從太空偵測所得到的證據可知事實卻不然。金星表面的溫

度 可 達 攝 氏

475℃，而且大

氣中有 97%是

二氧化碳，而

僅有很少量的

水 蒸 氣 及 氮

氣。金星的大

氣包含了一層

不透光的雲，

厚達 25 公里，

且其大氣壓是

地球表面的 90倍，這種惡劣

環境根本不適

合生物生存。

火星：紅色的行星

比起其他的行星，火星引起很多科學家及非科學家的興趣(見Box 1)。當一個人想像其它的世界裏也有智慧的生命時，一定聯想到矮小

綠色的火星人。火星會引起大家的興趣主要是因為火星較易於觀察，

因為除了水星之外(因最貼近太陽以致於觀察困難)，其它在望遠鏡可

視範圍之內的行星表面都被雲層所掩蔽。透過望遠鏡，可看到火星就

像是一顆紅色的球，但夾雜了一些永久性的深色區域，那些區域在每

一個火星年中會有強度上的變化。最顯著的火星特徵就是它具有相似

於地球上亮白色的極地冰帽。

火星的大氣層： 火星大氣層的密度只有地球的 1%，主要是由二氧化

93

碳和微量的水蒸氣所組成。從火星探測的資料證實了火星的極冠是由

水冰所組成的，再覆蓋上一層薄薄的乾冰。當冬天來臨時，氣溫會降

到零下 125℃，半球的冰帽會往赤道方向擴展，且會有額外的二氧化

碳沉積下來。

雖然火星的大氣非常薄，但卻有廣泛的沙塵暴發生，因此從望遠

鏡觀看火星時的顏色就可能會改變。火星上的風暴每小時可達 270 公

里，甚至可以持續數星期之久。從維京 1 號及 2 號所傳回的影像看出，

火星上的景色很類似於地球上的礫漠，並具有很多砂丘及一些半充滿

沙塵的隕石坑存在。

火星生動的表面： 第一艘環繞其它行星的太空船─水手 9 號，在 1971年抵達火星時，當時火星被沙塵暴所包圍著。當沙塵暴停止時，火星

的北半球出現了許多大型的火山。奧林帕斯山(Mons Olympus)是最大

的一座山，有美國的俄亥俄州這麼大，其高度約達 22 公里，超過聖

母峰的 2.5 倍。這些火山就類似於夏威夷的盾形火山。

以地球的標準來看，火星上有很多地表都很古老，多坑洞的南半

球，其年齡可能與月球上的高地相當(35 億到 45 億年之間)，甚至連

北半球較年輕的火山也有超過 10 億年的年齡。由這個事實再加上維

京號上的地震儀中並沒有記錄到火星的地震資料，這指出了火星是一

個缺乏構造運動的死寂行星。

從水手 9 號的資料中有著另一個驚人的發現，火星上存在一些大

型峽谷；相對之下，即使地球上的科羅拉多河大峽谷也無法與之比

擬。其中最大的是水手峽谷(Valles Marineris)，它被認為是由一些地

殼層中的物質沿著巨大斷層滑落所造成的，以這方面來看，可跟東非

大裂谷做比較。

火星上有水嗎？ 液態水並不存在於今日火星的任何地方。然而，緯

度 30 度以上的地方發現有冰出現在地底下一米深的範圍內，而在極

區更形成了永久性的小型冰帽。此外，大量的證據指出，在火星初期

的十億年間，有液態水在表面流動，創造出河谷以及相關的地形特

徵。尤其是有一些地區出現河道分支的圖案，這與地球上的河流有著

相類似的圖案。此外，維京號太空探測器所傳回的影像清楚地顯示

出，在一些乾掉的河床中存在有古代的島嶼。當這些類河道首次被發

現後，有一些觀察者就推測火星上曾經應該存在有一層很厚的含水大

94

氣，而且產生了猛暴的豪雨。

今天，大多數的行星地質學家接受火星上至少有一些河谷是由水

流所雕塑出來的。他們推斷地表下的冰融化，其泉水從河谷山壁滲出

來並緩慢地形成了溝渠。

其它河道則出現河堤，並具有許多淚珠形的島嶼，這些河谷似乎

是受到大洪水切蝕而成，而洪水的流量速率甚至是密西西河的十倍以

上。大多數的這種大型泛濫河道是從雜亂的地形區冒出來，此種地形

區是因地表塌陷所形成的。泛濫河谷的水源最有可能是來自地下的融

冰。假如融冰被上方厚層的永凍層所封閉，其水壓將會上升，直到有

大量的水被釋出，造成地層塌陷而形成雜亂的地形。

但並非所有火星上的河谷是由地下融冰釋出的地下水所造成，有

一些河谷系統出現樹枝分叉狀的河道，這種河道與地球上的河道系統

頗為類似，這樣的特徵明顯可以證明火星上曾經存在有與地球相當類

似的水文循環。進一步的證據也支持這種觀點：2004 年的火星探測

車「機會號」發現有個地方出現含鹽的沉積物，這種沉積物是一種與

淺湖泊或海水蒸發有關的物質。此外，2012 年 12 月火星探測車「好

奇號」從一處沙丘鏟起的砂質土中發現了有機化合物的痕跡。因為水

是生命存在的必需成份，太空生物學家針對水流在火星地形發育上所

伴演的角色也很有興趣。「洞察號」於 2018 年 5 月發射，其任務的目

標是將一個裝載有地震儀及熱流偵測器的固定式登陸載具送到火星

表面，研究火星早期的地質演變。

火星的衛星： 火星的兩顆小衛星，弗伯斯 (Phobos)和戴莫斯

(Deimos)，它們的直徑分別只有 24 和 15 公里長，所以直到 1877 年

才被發現。弗伯斯是太陽系中最靠近母行星的衛星，它距離火星大約

只有 5900 公里，公轉一周只要 7 小時 39 分。水手 9 號發現這兩顆衛

星都呈不規則的形狀，且表面存在有很多的隕石坑。

一般認為他們可能是被捕獲來的小行星。一個在天文學與文學之

間出現了有趣的巧合是，這兩顆行星與 1726 年 Jonathan Swift 所著的

「小人國遊記(Gulliver's Travels)」中的兩顆虛構之衛星很相似，而這

本書卻早在這兩顆衛星被發現之前的 150 年就已印刷出版了。

木星：天空上之貴族

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木星是眾行星(八大行星)中最大的一顆，其質量是其餘的行星、

衛星和小行星之總合的 2.5 倍。事實上，假使木星的質量約增為 13倍大時，就會演變成一顆小恆星了。然而，儘管木星的尺寸較大，但

也只是太陽的千分之一罷了。木星自轉的速度比其他行星更為快速，

在不到 10 個地球時(hours)便完成一個自轉，這快速自轉之影響使得

赤道地區膨脹而兩極之間則變得較為扁平。

當透過望遠鏡或雙筒望遠鏡觀察時，木星似乎被一些與赤道平行

且顏色交互排列的雲帶所覆蓋著。最引人注目的特徵就是南半球的大

紅斑。自從大紅斑在至少三個世紀以前首次被發現以來，它一直是木

星的顯著特徵。當在 1979 年航海家 2 號造訪木星時，此時大紅斑的

大小是兩個地球擺在一起的大小。有時候，它也會變得更大。

1974 年，先鋒 11 號在離木星雲端 42000 公里處通過時，其影像

顯示大紅斑是一個逆時針方向旋轉的風暴(氣旋)。它位於兩個流動方

向相反的高速氣流雲帶之間，這個類似颶風的巨大風暴每 12 個地球

日轉動一圈。雖然在木星大氣的其它地區也觀察到了幾個更小風暴，

但是沒有一個能存在超過幾天以上的。2000 年，NASA 土星探測

船卡西尼號所拍攝木星之最新照片，改變了長久以來人們對木

星的認識，木星表面最大的特徵就是由顏色較深的"帶"與較淺

的"區"平行分佈構成的條紋。過去科學家根據地球大氣中的雲

來自上昇氣流而推斷木星上深色的"帶"是下沈氣流，而"區"中灰白色的雲系則是上昇氣流。卡西尼號拍攝了木星上 43 個不

同風暴的高解析照片，清楚地呈現出過去在地球上所無法觀測

到的細節。卡西尼號的照片證實木星表面"帶"紋為上昇氣流構

成，而"區"則為下沈氣流，與過去五十年來科學界的認知剛好

相反。

木星的結構： 木星的大氣層(氫氦)中也含有少量的甲烷、氨、水和

硫的化合物。風系產生了環繞在木星周圍的亮帶與暗帶。不同於由太

陽能所驅使的地球風，木星本身發散至太空的輻射量是它從太陽吸收

來的兩倍。因此，這木星內部的熱在大氣中可以產生巨大的熱對流。

木星雲頂端的大氣壓力就相當於地球上海平面的壓力。由於木星

巨大的重力，壓力隨著接近其表面而迅速增加。在雲底下的 1000 公

里處的壓力就大到足以將氫氣由氣態壓縮成液態。因此，木星的表面

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被認為是一個液態氫的巨大海洋。在木星內部不到一半之處，極大的

壓力導致液態氫又轉變成液態的金屬氫。我們也相信，在木星的中央

核心處可能含有更多的岩石和金屬材料，而這是在類地行星上所能找

到的材料。

木星的衛星： 到 2010 年為止，木星的衛星系統是由已被發現的 65顆衛星所組成的，這類似一個小型的太陽系。由伽利略所發現的四大

衛星幾乎是以圓形的軌道和以 2 到 17 個地球日的週期來環繞著母行

星。其中最大的兩個伽利略衛星─木衛四(卡利斯托)和木衛三(加尼美

得)比水星還大，而另外兩個較小的是木衛二(歐羅巴)和木衛一(伊奧)，大約和地球的衛星(即月亮)差不多大小。伽利略衛星用雙筒望遠

鏡或小望遠鏡即可觀察得到。

相較之下，木星的四個最外側衛星就小多了(直徑長 20 公里)，其公轉都是逆行的，而且其軌道面和木星的赤道面間有著極大的傾

斜，這些衛星似乎是被木星的重力所捕獲住來的小行星。

1979 年，從航海家 1、2 號傳回的影像顯示，幾乎使所有人為之

驚訝的就是這四個伽利略衛星個都各自具有一個獨特的地質世界。伽

利略衛星最內側的衛星是木衛一(伊奧)，它是在我們目前太陽系中所

發現的四個有活躍之類似火山活動的星體之一，而另外三個則是地

球、海王星的衛星 Triton 以及土星的恩西阿達斯( Enceladus)。到目前

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為止，已發現到許多活躍的含硫火山中心點。可以看到一些傘狀柱由

木衛一(伊奧)表面上升到高度約 200 公里處。伊奧(Io)火山活動的熱

源被認為是由木星與其它伽利略衛星間的引潮力不斷地拔河所產生

的。因為伊奧被木星的重力拉住，總是以相同的一側面對著這顆行

星，如同地球的月亮一樣。當伊奧在非圓形的軌道上運行時，與木星

間的距離會出現遠近之交替變化，木星和其他附近的衛星的引力就會

對其潮汐凸起處形成了拉力與推力(引潮力)。伊奧受到重力之拉扯會

轉換成熱能(此情況與紙夾不斷地受來回的彎曲相類似)，並且導致伊

奧有壯觀的硫火山噴發。明亮的衛星歐羅巴，其表面約有 10km 厚之

冰層，而其下方可能存在著大片水域(約 3km 深)。

航海家 1 號最令人出乎意料之外的發現之一就是木星環系統。透

過分析木星環是如何將光散射掉的，研究者於是推論這個環是由黯淡

且顆粒微小的粒子所組成的，粒子大小與煙粒相似。更進一步來說，

環的微弱本質說明了這些微小的碎屑是廣泛地散佈著。這些粒子被認

為是木星的兩顆小衛星─木衛十六(Metis)和木衛十五(Adrastea)的表

面被隕石撞擊而炸出來的碎屑。

土星：高雅的星球

土星需要 29.46 個地球年才完成一個公轉，它和太陽的距離幾乎

是木星的兩倍遠，然而其大氣層、組成以及內部的結構和木星很類

似。土星最顯著的特徵就是 1610 年被伽利略所發現的土星環系統。

在原始望遠鏡之下，此環似乎就像兩個靠近行星的小星體。50 年之

後，土星環的性質才由荷蘭天文學家 Christian Huygens 所確認出來。

土星特寫： 1980 和 1981 年，具有核子動力的航海家 1、2 號太空

船的飛行任務也來到了土星 100,000 公里內，而數天之後更多的土星

資訊也被取得。

1. 土星大氣風速是快速而有力的，風速高達每小時 1500 公里。 2. 發生在土星大氣層中的大型氣旋風暴雖然規模較小，但與木星

的大紅斑相類似。 3. 目前共發現了有 62 顆衛星，其中 53 顆衛星有其正式的名稱。 4. 發現土星環的結構比預期更為複雜。

近年來，從地面的觀測望遠鏡和哈伯望遠鏡之觀察增加了我們對

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土星環系統的認識。2004 年 7 月，卡西尼號太空船從 F 環與 G 環之

間通過土星環，以前認為這個區域是空無一物，然而，太空船卻發現

自身飛進了 10 萬多顆行星環的小顆粒空間中，其顆粒大小有如煙粒。

行星環的系統： 直到最近發現木星、天王星和海王星都有環系統之

前，環系統被認為是土星的獨特現象。雖然這四個行星的環系統在細

節上有所不同，但它們都具有許多的屬性：都是由各式各樣寬度的缺

口所分開之多重同心環所構成的。此外，每個環是由個別的冰和岩石

粒子(小衛星)所組成的，他們經常性地彼此碰撞並環繞著母行星。

根據粒子的密度，大部分的環可分為兩種類型。土星主環 (如A、B 環)和明亮的天王星環都緊密堆積，且包含了大小範圍由幾公分

到數公尺的”小衛星”。當它們環繞著母體時，這些粒子會時常互撞。

儘管土星緻密的環延伸至幾百公里寬，但它們卻是很薄，也許從上到

底部的厚度會少於 100 公尺。

另一個極端類型就是最黯淡的環，如木星的環系統與土星的最外

環(E 環)是由廣為分散的微小粒子所組成的。除了有低密度的粒子之

外，這些環比土星的亮環還厚。

最近研究顯示，與環共存的衛星扮演著決定環系統結構存在的重

要角色。尤其是，這些衛星之重力藉由改變粒子的軌道，有看管環系

統粒子的傾向。這些狹窄的環帶似乎是位於側邊的衛星之作用而形成

的，它們可將企圖逃脫的粒子推回原位以管束住這個環。

更重要的是，環粒子被認為是從這些衛星所噴出的碎屑。根據這

個觀點，原料持續地在環和衛星之間循環著。衛星慢慢地掃光這些粒

子，但後來又因為與環中大塊的”小衛星”或與其它衛星作激烈碰撞之

後，粒子又會被拋出；因此，行星環並非是永久存在的特徵，它們還

是會不斷地更新的。

行星環系統的起源仍是個爭議，這些環真的是從環繞著母行星的

扁平塵雲與氣體所形成的嗎？若是此種情節的話，環和行星應是同時

形成的而且原料也相同。或者可能是衛星或大的小行星因離行星太

近，因被重力拉裂開來而形成的。然而，另一假說則認為是外來的天

體與母行星的衛星因碰撞而炸開來，這被撞擊的碎屑會彼此推擠碰撞

而形成平坦且薄的環。卡西尼號(Cassini)太空船在 2004 年 7 月開始針

對土星及其衛星進行四年之探測，並已獲得更清楚的土星光環影像。

99

土星的衛星： 土星的衛星系統是由 30 顆已命名的衛星所組成 (如果

你去算組成土星環的”小衛星”的話，將會發現有數百萬個衛星)。土

星中最大的衛星是土衛六(泰坦衛星)，它比水星大而且是太陽系中第

二大的衛星(僅次於木星的木衛三－Ganymede)。土衛六是太陽系中唯

一具有厚實大氣層的衛星。因為被厚的氮氣所覆蓋，所以土衛六表面

的大氣壓力大約是地球表面的 1.5 倍。惠更斯號探測器於 1997 年 10月 15 日連同卡西尼號由 Titan IVB 火箭發射升空。卡西尼號於 2004年 7 月 1 日進入土星軌道，其後於同年 12 月 25 日釋放惠更斯號，惠

更斯號經過 21 日的旅程後降落於泰坦衛星的表面。另一個衛星

Phoebe 是逆向運行的，它和其它有逆行軌道的衛星一樣，很有可能

是被捕獲來的小行星，或者是從行星形成的主要事件中所遺留下來的

微行星。

天王星和海王星：孿星(雙胞胎)

地球和金星有類似的特性，而天王星與海王星則像是孿星。它們

的直徑大小只有百分之一的差異，兩者都擁有帶藍色的外觀，這是因

為大氣中有甲烷的緣故。它們的結構和組成也被認為是相似的。然而

海王星的溫度比較低，因為它距離太陽是天王星距太陽的 1.5 倍遠。

100

天王星：橫躺的行星 天王星最獨特的一點就是它是斜向一邊自轉。

天王星的自轉軸不像大部分行星的自轉軸都近似垂直於黃道面，而是

幾乎完全平行於黃道面的。因此，它的自轉運動好像是在滾動，而不

是像其它行星有如陀螺那樣子的旋轉。因為天王星的自轉軸傾斜約

90 度，所以每公轉一次，太陽就幾乎先會在其中一個極地的上空照

射，而每公轉半圈之後，太陽又會在另一極的上空照射。

1977 年，有個驚奇的發現透露出天王星有環系統的存在。這個

發現是發生在天王星通過一個遙遠恆星的前方時，擋住了恆星的視

野，這個過程稱之為掩星現象(occult：掩蔽、隱藏)。觀察者看到此顆

恆星在掩星現象發生之前有五次的閃爍(意即有五個環存在)，而掩星

現象結束之後也是如此。其後的研究顯示，天王星至少有 9 個明顯的

環帶，這些環帶中的碎屑在天王星赤道附近的上空環繞著。

至 2010 年已發現有 27 顆衛星。從航海家 2 號對天王星的五大衛

星所得之壯觀影像，顯示它們具多變化的地形，有些是長而深的峽谷

和長條狀疤痕，而其餘若不是具有佈滿隕石坑的表面，就是擁有大而

平滑的區域。美國太空總署噴射推進實驗室(JPL)描述五大衛星中最

內側的Miranda衛星，認為是太陽系中最富各式各樣地形的一個天體。

海王星：風強的行星 是太陽系最外圍的行星，即使是用最強而有力

的望遠鏡來觀測海王星，它看起來還是像一個藍色朦朧的圓盤。一直

到 1989 年航海家 2 號造訪之前，天文學家對這顆行星所知甚少。然

而，航海家 2 號的 12 年近 30 億公里旅程，提供了很多關於海王星與

其衛星的新資料。

101

海王星如同木星和土星一樣均擁有強有力的大氣層。繞著此行星

的風速每小時超過 2100 公里，使成為太陽系中風速最強的地方。1989年由航海家二號太空船所傳回來的影像，發現海王星有一個像地球大

小的汙點，稱之為大暗斑(Great Dark Spot)，此與木星的大紅斑相似，

都被認為是一個大型的氣旋風暴。1994 年，當哈伯望遠鏡觀察海王

星時，這個大暗斑已消失，但隨之由北半球的另一個暗斑所取代。

或許最令人驚奇的是，約在主要雲層上方的 50 公里處盤據著白

色的似卷雲，這可能是冰凍的甲烷。在航海家影像中又發現了六個新

的衛星，使得海王星的衛星數目增為八顆，所有近期所發現的衛星都

和兩顆最大衛星有著相反方向的公轉。從航海家的影像中透露出海王

星附近也有環系統的存在(即海王星環)。目前已發現有 14 顆衛星。

海王星最大的衛星崔頓(Triton)是個極有趣的星體，其直徑大小和地球

的衛星很接近。崔頓是太陽系中唯一逆行運轉的大型衛星，此顯示崔

頓的形成和海王星無任何關係，它也是被重力捕獲而來的。

崔頓與其它類木行星之衛星出現了代表火山活動之一的冰噴

發，此種火山活動過程稱為冰火山作用(cryovolcanism)。這與冰的部

份溶融有關，並非是矽酸鹽岩石所形成之岩漿。崔頓的冰質岩漿來自

於水冰、甲烷與可能是氨的混合物，當部分溶融時，此種混合物的型

態類似地球上溶融的岩石。事實上，當它們到達表面時，這些似岩漿

體可以產生寧靜式的溢流或爆炸式的噴發。當揮發物瞬間被釋放出來

時，爆發的煙柱中充滿了冰，就如同火山灰一般。1989 年，航海家

二號太空船就拍攝到崔頓表面上活耀的火山煙柱，其高度達 8 公里，

順著下風方向延伸約 100 公里長。

※ 太陽系中的小成員

小行星(Asteroids)

小行星是大約已有 45 億年之小而老的岩塊(微行星)，是太陽系

形成之後所留下來的物質。大多數的小行星比我們預期的密度還要

低，這說明小行星是多孔的物質，並非岩石質或金屬物體，比較類似

因重力而黏在一起的碎石堆。最大的一顆小行星是穀神星(Ceres)，直

徑約 940 公里，而十萬顆已知的小行星之中大多數都很小。

102

大多數的小行星是位於火星和木星的軌道之間，我們稱之為小行

星帶的區域。一些小行星有離心率較大的橢圓軌道，會運行到太陽的

附近。有少許小行星則會經常性地經過地球和月球附近。地球和月球

上多數新的撞擊坑洞可能是起因於小行星的碰撞所造成。目前已知約

有兩千顆穿越地球軌道的小行星，而其中三分之一的直徑是超過 1 公

里。無可避免地，地球與小行星未來將再度發生碰撞(Box 1)。

因為很多小行星的外形都很不規則，因此行星地質學家推測，它

們可能是曾經在火星和土星之間繞行但已碎裂的行星岩塊。這些小行

星的質量總合加起來估計約只有地球質量的 1/1000，因此它本身並不

是一個大的行星，那原始行星剩餘的其它部分又到哪裡去了呢？然

而，但其他人則猜測，很多大的天體曾經很接近地存在著，但後來彼

此間的碰撞就產生了為數眾多的較小個體，有很多不同的小行星家族

之存在可用以支持這樣的假說。

在 2001 年二月，一艘美國的太空船成為首位小行星的拜訪者，

雖然該艘太空船並非為登陸而設計的，但是這艘名為 NEAR Shoemaker 的太空船仍成功地登陸，並取得這個小行星的資訊，但是

這些資訊卻讓研究行星地質學家感到困惑和不解。這太空船以時速六

公里接近一個名為愛神星(Eros)的小行星表面，影像顯示了一個草木

不生的岩石表面，其表面組成份子大小之範圍從灰塵到直徑 8 公尺的

卵石都有。研究員不經意的發現細的碎屑都集中在低漥處，此處類似

池塘中的平坦沈積層。在低漥處的周圍則是佈滿著大量的大型卵石。

在眾多的假設中，其中有一個假說的解釋是：這種佈滿卵石的地

形是由震動所引起的，震動會把卵石向上推移。這種情況類似在一個

桶子裡混裝著不同大小的堅果，並搖晃它，於是當小的果子落到桶子

底部時，大的果子卻被抬升上來。

從隕石所得到的間接證據指出，小行星也許還保留著撞擊時所產

生的熱，甚至有些還可能完全融熔過，並發生成份的分異作用，形成

緻密的鐵與鎳核心以及岩石質的函(mantle)。2005 年 11 月，一艘日

本的探測器 Hayabusa(隼)登陸在一顆接近地球的小行星上(編號

25143 Itokawa)，並於 2010 年 6 月帶著樣本返回地球。

彗星(Comets)：髒雪球

103

彗星是太陽系中最有趣也最不可預測的星體，它們被比喻為髒雪

球，因為它們是由冷凍的氣體(水、氨氣、甲烷、二氧化碳以及一氧

化碳)包裹著岩石和金屬成分的小碎塊所組成。很多彗星運行在拉長

的橢圓軌道上，使它們能位於冥王星軌道之外的遠處，因此這些彗星

可能需要花數十萬年的時間才能環繞太陽一週。但是也有些彗星是屬

於短週期的彗星(short-period comets)(它們的軌道週期少於 200 年)，例如著名的哈雷彗星(Hally’s comet)，它會定期性地進入太陽系之內。

當最初看到彗星時它們似乎是很小的，但是當它接近太陽時，太

陽的能量開始蒸發它的冷凍氣體，並會出現發出光芒的頭，我們稱為

彗髮(coma)，不同彗星的彗髮大小差異很大，極端稀有的彗星有時候

它的彗髮大小會比太陽還大，但是大部分彗星彗髮之大小差不多和木

星一樣。在彗髮之中，有一個直徑短短幾公里的核心，有時候可以被

看見。當彗星接近太陽時，某一些彗星(但不是全部)會產生一個延伸

幾百萬公里長的彗尾。雖然彗星的彗髮和彗尾都很大，但它只是太陽

系中的小成員。

事實上，彗星的尾巴以稍具彎曲的型態指離太陽的方向，使早期

的天文學家認為太陽具有一種排斥的力量，把彗髮的組成粒子向外推

出，於是形成了彗尾。今天，我們知道有兩種太陽的力量能促成彗尾

的形成。第一種力量是輻射壓(radiation pressure)，它把彗星的塵粒推

離出彗髮。第二種力量是太陽風(solar wind)，負責移動已被離子化的

氣體，特別是一氧化碳。有時候由離子化的氣體和灰塵所組成的單一

彗尾也會出現，但是通常是看到兩個尾巴。

當彗星遠離太陽時，形成彗髮的氣體會再度凝結，尾巴會消失而

彗星也回到冰冷的地區，被吹離形成彗尾的物質也將從彗星中永遠失

去了。因此，大部分的彗星在經過數百次鄰近太陽的軌道之後就無法

存在了。當所有的氣體都被排出，剩下來的物質(一群微小的金屬與

岩石粒子)將會繼續運行下去，但不會再有彗髮與彗尾。

彗星起源於太陽系外的兩個地帶。大部分短週期的彗星被認為是

運行在海王星之外的一個叫做柯伊柏帶(Kuiper belt)的地方(為了紀念

Gerald Kuiper，他預測出它們的存在，而在過去十年中，已超過一千

個冰體被發現了)。就像在太陽系內部的小行星，柯伊柏帶中的大部

分彗星有著接近圓形的軌道，軌道大致上與行星是屬於同一個平面。

兩個彗星間偶然的碰撞或是受木星的引力影響下，彗星也許會改變它

104

們的軌道，並足以送它們進入太陽系內或進入我們的視線。

不像柯伊柏帶的彗星，長週期的彗星軌道並不會被限制在太陽系

的黃道面附近。這些彗星分布在太陽各個不同方向上，在太陽系四周

形成一個球型殼，叫做歐特雲(Oort cloud，以荷蘭的天文學者 Jan Oort命名)。數以百萬個彗星的軌道距離大於地球到太陽距離的 10000 倍。

在一個路過的恆星引力影響下，偶而會使得歐特雲中的彗星進入高離

心率之橢圓軌道並會接近太陽。然而，只有極少部分的歐特雲彗星會

有這樣的軌道。

最知名的短週期彗星為哈雷彗星，它的橢圓軌道週期為 76 年。

自從它在西元前 240 年被發現後距今已出現了 29 次，每一次都被中

國的天文學者紀錄下來。這些紀錄可說是對天文觀察者的奉獻以及文

化堅持之褒揚。當哈雷彗星在 1910 年出現時，它有將近 1600000 公

里長的彗尾，而且就連白天也看得見。

1986 年，這次哈雷彗星的表現並不如之前那麼地壯觀，頗令北

半球的人們感到失望。然而，經過這次的拜訪，我們也已從哈雷彗星

身上得知了許多新的資訊，因為我們發射了太空探測器並與哈雷彗星

會合以收集資料，其中最有名的就是歐洲的探測船 Giotto (喬托號)，它到達距離彗核 600 公里處，而且得到了第一張彗核結構的影像。

105

現在我們已知道哈雷彗星的彗核如馬鈴薯的形狀，有 16 公里長

以及 8 公里寬。其表面是不規則且充滿坑洞的。從彗核蒸發所形成的

彗髮與彗尾之氣體和灰塵，有如明亮的氣流從其表面噴出。約只有

10％的彗核表面在此次會合時產生噴射氣流，剩下的表面則似乎被一

層由有機質所組成的黑色層所覆蓋著。

1997 年海爾波普(Hale-Bopp)彗星在地球上形成了壯觀的景象。

當它離開時，它的彗核異常地大，直徑約有 40 公里。它的兩條尾巴

延伸將近有 15000000 英哩長。帶青色的彗尾是由帶正電的離子所組

成，直直的指向離開太陽的方向；淡黃色的尾巴則是由灰塵和一些岩

屑所組成。因為岩石物質比游離氣體還要重，所以較少受到太陽風的

影響，並且順著不同的拋物路線指離彗星。

流星體(Meteoroids)：拜訪地球者

幾乎每個人都看過流星，一般都稱呼(但不怎麼正確)為 shooting star。其光跡持續的時間從一眨眼到幾秒鐘，是當固體粒子從行星際

進入地球大氣層時發生的。流星體和空氣之間的摩擦使得彼此變熱並

產生我們看見的光。大部分的流星體之來源有以下三個：(1)未被行

星的引力所掃除的行星際岩屑；(2)持續偏離小行星帶中的物質；(3)曾在地球附近運行的彗星固體殘骸。有些流星體被認為是月球或是火

星被小行星撞擊而拋射出來的碎塊。

如小行星般大小的流星體很稀少，大部分只有如砂粒般大小且少

於 1/100 克，所以它們會在抵達地面之前就已蒸發了。有些微隕石是

如此的小，掉落的速度太慢以致於大氣層中不會就被完全燃燒掉，所

以他們就有如宇宙灰塵般地緩慢往下掉落。每一天進入地球大氣層的

流星體有數千個。在晴朗夜晚中，地球上的每個地方每小時約有半打

或更多明亮的流星可以用肉眼看得見。

有時候，可目擊到流星戲劇化地增加到每小時 60 個或更多，這

種情形叫做流星雨。產生的原因是因為地球遇上一群有著相同方向以

及與地球有相近速度的流星體。這群流星體和短週期彗星的軌道有著

緊密的關係，此強烈暗示它們是彗星所遺留下來的物質。有些流星體

和已知的彗星軌道沒有關聯性，這可能是消逝已久的彗星殘骸。有名

的英仙座流星雨在每年的8月12日左右都會發生，它被認為是1862III (109P/Swift-Tuttle)彗星(週期為 133.28 年)的殘骸。

106

被認為是來自彗星殘留物的流星體，它們通常都很小，且只偶而

會到達地面上來；而流星體大到足以在高溫墜落狀態下殘留下來的，

大部分被認為是來自小行星帶，在此帶中偶然的碰撞會改變它們的軌

道，使它朝地球方向而來。而地球引力使他們後來掉落至地表。

當流星體的殘骸在地球上被找到時，我們稱之為隕石。有些巨大

的流星體會在地面上炸出坑洞，就像是月球的表面一樣。最有名的隕

石坑是位在亞利桑那州，這個巨大坑洞的直徑有 1.2 公里以及 170 公

尺深，而邊緣翻轉抬升了 50 公尺。雖然超過 30 噸的鐵塊在此地被找

到，但還是未能找到它的主體。根據地表的侵蝕速率，此次撞擊事件

可能是在 50000 年前發生的。

在月球探險者帶回月岩之前，隕石是唯一可直接做檢視的地球以

外物質。隕石可根據它的組成來分類：(1)鐵隕石(irons)－大部分是

鐵，並含有 5~20％的鎳；(2)石隕石(stony)－裡面包含有其他礦物的

矽酸鹽礦物；(3)石鐵隕石(stony-irons)－前兩者的混和物。雖然石質

隕石可能比較多，但大部分都是發現到鐵隕石。這是可以被理解的，

因為鐵隕石比較耐得住衝擊，也比較經得起天候的侵蝕，而且一般人

也比較容易跟地球的岩石作區分。鐵隕石可能是較大型的小行星或較

小的行星曾經熔融的內核之碎塊。

一種較為稀有的隕石叫做碳質球粒隕石，其中發現含有簡單的氨

基酸和其它有機化合物，這些都是生命型態中的基本構造單元。這項

發現和觀測天文學上有著相似的結果，後者指出在外太空的寒冷區域

中存在著許多有機化合物。

若隕石是代表類地行星的組成(如某些行星地質學家所認為)，那

麼地球整體含鐵的比例理應比地表岩石中還要多。這就是為什麼學者

認為地核大部分是鐵和鎳的一個理由。除此之外，隕石的定年指出我

們太陽系的年齡必然已超過 45 億年了，這樣的年齡也已從月球樣本

的資料中獲得證實了。

自從 1930 年發現了冥王星，它一直是太陽系邊緣的一個謎。最

初我們認為冥王星近似地球之大小，但當取得較佳的影像之後，其大

小被估計不及地球直徑的一半。之後，1978 年天文學家發現冥王星

有一顆卡倫衛星，兩星體的合併亮度使得冥王星的看起來比原來還要

亮。而根據哈伯望遠鏡所取得的最近影像確定冥王星的直徑為

107

2300km，大約是地球直徑的四分之一，也不及水星一半的大小，2006年前被認為是太陽系行星之中的矮個子。

矮行星(dwarf planets)

但自從 1992 年天文學家在海王星軌道之外找到了另一顆冰體之

後，更多人開始關注冥王星的行星地位。不久之後，已超過一千顆科

伊伯帶(Kuiper belt)的星體陸續被發現，它們類似火星與木星之間的

小行星，以帶狀型態分佈著。然而，這些繞行的星體很像彗星，是由

塵土與冰所組成的；但並不像是由金屬與岩石物質所組成的小行星。

有許多類似行星的天體(有些比冥王星還要大)被認為存在於海王星

軌道外的冰凍地帶之中。

有權決定冥王星是否為行星的國際天文聯合會，於 2006 年 8 月

24 日投票決定要新增另一類的星體－矮行星(dwarf planet)，但只適用

於太陽系。這一類的星體是繞行太陽且因本身的重力而大致維持球

形，但又不是該太空區域唯一之天體者。根據這樣的定義，冥王星被

視為是一顆標準的矮行星，其它的矮行星還包括科伊伯帶編號為 2003 UB313 的天體(鬩神星，Eris)，以及小行星中最大的穀神星(Ceres)。至 2010 年已有五顆矮行星，還包括鳥神星(Makemake)與妊神星

(Haumea)。

這並非是行星首次被降級的例子。在十九世紀中期的天文教科書

中，列出太陽系中共有 11 顆行星，其中包括有 Vesta、Juno、Ceres、Pallas 等四顆小行星，但不久之後天文學家又發現了數十顆其他的”行星”，這說明這些應該

是與行星不太相同的另

一類天體。因此，行星的

數目就被減少成為八顆

(冥王星直到 1930 年才被

找到)。

結果顯示冥王星在

典型行星之中頗為獨

特，因為它明顯與四顆岩

石質的內行星不同，也異

於四顆大型的氣體行

108

星。有了矮行星這樣的天體類型之後，天文學家相信未來還會有數百

顆新的矮行星被發現。第一艘探索外太陽系的太空船新地平線號

(New Horizon)於 2006 年 1 月發射升空，2015 年 7 月飛近冥王星並拍

攝到其清楚的外貌，並將持續探索這個科伊伯帶。

Box 1 地球位於碰撞的路徑上嗎？

太陽系充滿流星體、小行星、活動的彗星和消逝的彗星。這些碎

塊的移動速度很快，若攻擊地球將會具有像核子彈一般的爆炸威力。

在最近的幾十年，彗星和小行星碰撞地球的頻率比以前我們所知

的還要高，其證據就是地表有巨大的碰撞構造之存在，目前已超過

100 個這樣的構造被證實了，其中有許多曾被誤認為是火山活動過程

所造成的。雖然大部分的碰撞構造都很古老，以至於看起來不太像撞

擊的隕石坑，但它們被強烈撞擊的證據仍保留著。然而，也有一些例

外，像美國亞利桑那州的隕石坑，也就是我們所知的流星(Meteor)隕石坑，看起來還滿新的。有一證據顯示：大約在 6 千 5 百萬年前，有

個直徑約為 10 公里的大型小行星碰撞地球。這個碰撞也許是造成恐

龍以及將近 50％動植物的物類滅絕的原因。

最近，一個驚人的爆炸事件被歸因於彗星或小行星碰撞地球所

致。1908 年，西伯利亞一個偏僻地區，有一個比太陽更明亮的火球

出現並發生爆炸，伴隨著巨大的衝擊力量，這個衝擊波的力量使 1000公里外都聽得見，並使窗戶發出聲響。這次被稱為通古斯加(Tunguska)事件，使離震央 30 公里範圍內的樹木燒焦、斷肢和平躺。但此地區

經過考察後並沒有找到任何有關碰撞隕石坑，也沒有任何含金屬碎塊

的證據。明顯地，此次爆炸能量至少相當於一顆 1 千萬噸級核子彈，

在地表上空數公里之處發生爆炸。這很有可能是一顆彗星或石質的小

行星的死亡，但碰撞地表之前為何就已爆炸，至今仍不清楚其原因。

與這些小而致命天體共存的危險性，在 1989 年再度引起了大家

的注意，因為有一顆約 1 公里直徑的小行星和地球擦身而過。它若以

每小時 70000 公里的速度運行，將在地表造成一個直徑 10 公里和深

度 2 公里的隕石坑。根據觀測者所表示：它遲早又會回來的，到那時

候，它將在地球運行抵達之前提早了 6 小時橫越過地球的運行軌道。

根據統計顯示：每數億年應會發生一次巨大的碰撞，而且也會對地球

上的生命造成莫大的影響。

109

本章摘要

月球表面出現許多的特徵。大多數的圓坑是因快速移動的行星際

碎屑(流星體)撞擊所產生的。月表大多是由明亮而充滿圓坑的高

地所組成的，暗而較平坦的低地則稱為月海，它們是被ㄧ層層容

易流動的玄武質熔岩洪流充填而成的巨大撞擊坑。所有月表被ㄧ

層類似土壤的灰色未固化岩屑所包覆著，我們稱之為月壤，它是

數十億年來隕石撞擊所形成的。有關於月球的起源，我們所知仍

有限，其中巨大撞擊假設認為是有ㄧ顆巨大的小行星撞擊早期的

地球而形成了月球。科學家確認月球表面之演變可分成四個階

段：原始地殼、月球高地、月海盆地、年輕放射狀圓坑。

水星是小而緻密的行星，表面無大氣且溫差大。金星是天空中最

亮的行星，有厚層的大氣(97%是二氧化碳)，其地表是以低地平

原為主，出現一些死火山，大氣壓力約為地球的 90 倍，地表溫

度高達 475℃。火星是紅色的行星，大氣(主要是二氧化碳)約只有

地球的 1%，地表上常發生大塵暴，也存在有許多的死火山以及

大峽谷。有些峽谷則出現與地球相類似的水道形貌，它們的起源

仍具有爭議性。木星是最大的行星，自轉快速，呈現有帶狀分布

的外貌，這是因木星本身內部熱能所引發的巨大熱對流所造成

的。木星表面大紅斑的大小常有變化，而其衛星至少有 63 顆(其中的伊奧(Io)衛星可能是太陽系內火山活動最活耀的星體)。土星

最為人所熟悉的是它具有行星環，其表面風速可高達 930 英哩/小時，並且有類似大紅斑的風暴氣漩。天王星與海王星常稱為攣

星，因為它們的結構與組成頗為類似。天王星的特徵是以橫躺方

式進行自轉。海王星的雲層之上出現有白色的卷雲，以及有如地

球般大小之大暗斑，是類似大紅斑的大型旋轉風暴。

太陽系的小家族包括小行星、彗星、流星體、矮行星。大多數的

小行星是位於火星與木星之間。小行星是原太陽系星雲未能在碰

撞增積過程中成為行星而殘留下來的岩石與金屬碎屑。彗星是由

冰凍的氣體(水、氨水、甲烷、二氧化碳與ㄧ氧化碳)以及小塊的

岩石與金屬物質所組成的。它們有些具有長橢圓形的軌道，並可

運行至冥王星之外。流星體是小型的固體顆粒，飄流於各行星之

間，當它們進入地球的大氣層，便會發光氣化而形成流星。當地

球遭遇ㄧ群流星體(可能是彗星所留下來的)便會發生流星雨。隕

石是流星體掉落到地表上的殘留物。冥王星最近被降級歸屬在新

的矮行星ㄧ族。

110

第五章 光、天文觀察以及太陽

天文學家是負責蒐集與研究有關『光』的工作。我們要知道地球

以外的宇宙事物，幾乎皆是藉由分析來自遙遠源頭的光。因此，了解

光的本質是現代天文學的基礎。這個章節主要是來討論光的研究，以

及天文學家為了探究宇宙而用來收集光的工具。此外，我們也要檢視

離我們最近的光源--我們的太陽。藉由了解太陽運作的過程，天文學

家較能夠了解更遙遠天體的本質。

※ 光的研究 大部分有關宇宙的資訊皆是藉由研究各種天體所放射的光線來

獲知的。雖然我們對可見光是那麼的熟悉，但是他只是一系列電磁波

輻射能量的一小部分而已。這其中包括有γ-射線、X-光、紫外光、可

見光、紅外線和無線電波。所有的輻射能是以每秒 300000 公里的速

度在真空中傳播的。過了一天 24 小時之後，就等於走了驚人的 259億公里。

光的本質

透過實驗的結果顯示，光的性質可以從兩方面來描述。在一些例

子中，光的行為就像波；另一方面，他就像個別的粒子。在波浪的常

識中，光就類似海洋中波浪的高漲起伏。這樣的運動方式可用波長來

描述，波長是指從某一個波峰至下一個波峰之間的距離。波長的變化

可從無線電波的數公里遠，到少於十億分之一公分的γ-射線。光的大

部分波長會因為太長或太短，所以我們的肉眼無法觀察到。

我們只能看見電磁輻射中之狹窄波帶，有時稱為白光。然而，白

光是由一系不同的波長所組成的，我們使用三稜鏡可以很容易證實這

個事實。當白色光穿透三稜鏡時，會有較短波長的顏色，即紫光，折

射的程度更甚於藍光，而藍光又甚於綠光等等。因此，白光可被散開

成波長各不相同的組成顏色，就像是彩虹的顏色。

111

然而，波的理論不能解釋一些光的效應。在某些狀況下，光就像

是一束粒子，類似從機關槍所射擊出之無限小的子彈。這些粒子，被

稱為光子，可對物質產生壓力，被稱為是輻射壓。來自太陽的光子是

推離彗星物質的主因，並產生了彗尾。每一個粒子都有特定的能量

值，這和它的波長有簡單的關連：較短的波長與較高能量的光子相對

應。因此，藍色光較紅色光有較高能量之光子。

光的理論----波動理論或是粒子理論----哪一個是正確的呢？兩者

皆是，因為每一種理論都可用來預測光的某些特定現象。George Abell是著名的天文學家，他說明了以下有關的科學定律："把它們(定律)被應用在超出其有效範圍的情況下才是錯誤的。"

牛頓使用三稜鏡將白光分散出它的組成色，他不知道他開創了光

譜學的領域，它是研究與波長有關之光的性質。牛頓所形成的彩虹顏

色被稱為連續光譜，因為所有光的波長都包含在內。後來我們才知道

還有其它兩種的光譜存在，這三種是在不同環境下被形成的。就如同

可見光可以形成光譜，其它波段的電磁波也可以分散而產生光譜。

連續光譜： 它是由熾熱的固體、液體或氣體在高壓下所產生的(熾熱

意思是受熱時會發光)。它是由一段連續的顏色所組成的，類似平常

100 瓦的燈泡所產生的光譜。

另有兩個有關輻射體之事實是重要的：第一，連續光譜能提供輻

射體釋放的總能量之資訊。如果輻射體表面的溫度被升高時，那麼其

輻射能量的總值也會增加。增加的速率依據 Stefan-Boltzmann(史特凡

112

－波茲曼)定律：一個物體的輻射能量與其絕對溫度的四次方成正

比。舉例來說，如果一個星體的溫度加倍，所釋出的總輻射量將會增

加到 16 倍。第二，當物體的溫度增加時，短波的輻射能量的比例會

變大。要說明這個，可想像有一根金屬棒被慢慢地加熱，金屬棒首先

會呈現隱隱約約的紅色(較長的波長)，然後是帶點藍的白色(較短的波

長)。由此可知，藍色的星體會較黃色的星體熱，黃色星體也會比紅

色星還要熱。

暗線光譜： 假如我們利用光譜儀(類似三稜鏡的方式將不同的波長分

散開來)來收集恆星的連續光譜時，會出現一系列的暗線光譜。當白

光通過低壓而較冷的氣體時會產生暗線光譜或吸收光譜。此種光譜類

似連續光譜，但出現一系列的暗線(或消失的波長)。這類的光譜除了

包含出現在連續光譜中的所有資訊之外，也包含有各種組成的定性與

定量的資訊。

當可見光通過裝有氫氣的玻璃瓶，氫原子會吸收特定的波長，形

成一系列的獨特的暗線。每一組的光譜線就如同一組指紋一般，可以

用來鑑定其所含的成份。例如，鐵在太陽裏是以氣體狀態存在，我們

利用它們的光譜已經被確認出來。使用這樣的技術，我們已經在遙遠

的星雲中找到有機分子。

大部分的恆星光譜都是暗線的形式。想像在太陽內部所產生的光

穿透它的大氣層，而大氣層中的氣體比其內部來得冷，因此會吸收部

份的光線(會往任意方向再釋放)，因此我們就看不到這部份的光線。

因為這些線位於亮線光譜之中，所以看起來似乎是黑色。暗線中光的

相對強度包含著其組成之相對濃度的訊息。

亮線光譜： 亮線光譜或發射光譜是由一團高溫(熾熱)的物質在低壓

下所產生的。它是一系列特殊波長之亮線(是產生這些光譜的物質指

紋)，這些亮線與同一種氣體所產生的暗線有著相同的光譜位置。這

些光譜包含有氣體的溫度與其組成的資訊。

亮線光譜或發射光譜是由氫和氦為主要組成的大型星雲，因受很

高溫的恆星之激發而產生的。因為由氫所產生的最亮之發射線是呈現

紅色的，因此這些星雲很容易出現紅色光輝(受激發氫氣的特徵)。獵

戶座星雲是有名的發射星雲，其亮度足以肉眼觀看，它就位於獵戶星

座中獵人的劍鞘上。

113

都卜勒效應

當光源相對於觀察者發生了相對運動，則光譜中亮線與暗線的位

置會發生偏移。你也許聽過汽車喇叭或救護車氣笛經過時音調的變

化。當它接近時，聲音似乎會高於正常的音調，而它離去時則會聽到

低於平常的音調。這個效應是發生在聲波或光波之中，1842 年

Chisitian Doppler(都卜勒)首先解釋了這樣的情況，稱為都卜勒效應。

音調的差異是因為波的發射需要時間。如果聲源正在遠離，而一開始

所發出的波比下一個波較靠近你，則會把波長拉長，那就是會有較長

的波長。反之，聲源逐漸靠近時波長會變短。

就光而言，當光源逐漸遠離時，它的光線會比它實際上的還要來

得紅(亦即出現紅移現象)，因為它的波看起來像是被拉長了。物體接

近時會使它的光波變成往藍色的波段移近(波長變短，亦即出現藍

移)。因此，如果有一個紅光源以非常高速(接近光速)接近你，那它看

起來將像是藍色光。如果你移動而光源不動，則也會產生同樣的效果。

因此，應用都卜勒效應可告訴我們，地球是正在接近還是正在遠

離某恆星或另一個天體。另外，波長的位移量可供我們計算相對移動

114

的速率。較大的都卜勒位移顯示較高的速率，而較小的都卜勒位移則

顯示較慢的速率。都卜勒位移通常是透過比較在實驗室中產生的標準

光譜和實測恆星所產生的暗線光譜而得知。

在天文學中有兩種重要的都普勒偏移：局部運動與宇宙膨脹所引

起的偏移。局部運動所引起的都普勒偏移可以指出，在雙星系統中，

一顆恆星以多快的速率繞行另一顆恆星，以及一顆波霎星膨脹收縮的

速率。而由宇宙膨脹(星系之間的空間持續地被創造)所引起的偏移可

以告訴我們遙遠的星體離地球有多遠，這樣的量測讓我們曉得光線在

多久之前就已經離開了這些遙遠的星體，若我們再往更遠處進行觀

測，便可以知道整個宇宙的年齡。

光與過程

當宇宙中發生了激烈的天文事件，將會釋放出大量的高能量輻

射。例如，當物質被黑洞所吞沒時，其結果是釋放出高能的 X 射線。

相對地，若過程不太激烈時，則只會釋放出少量的低能輻射。例如，

當震波經過氣體星雲時，星雲會受熱並發射出紅外光。因此，所釋放

出來的光強度以及波段可以告訴我們許多正在發生的過程或天文事

115

件，而這些資訊可用來支持或駁斥一些科學假說。例如，理論研究早

就預測會有黑洞的存在，並會發射出特定波段的 X 射線，而在被懷

疑是黑洞的周圍，我們確實偵測到這樣的波段，因此可以強力支持黑

洞存在的概念。

※ 光的收集與偵測

收集與分析遙遠光源所發射的光線可以決定其溫度、組成、相對

運動與距離。對於鄰近的星體(太陽系或銀河星系中的明亮星體)，只

需使用到簡單的收集工具；但對於昏暗或遙遠的光源，則需盡可能地

收集它們的光線，並且也需要花更長的時間去收集，因此要使用具有

非常靈敏以及幾乎不受其他光源干擾的大型儀器了。

歷史的發展

用來收集天體光源的最早工具是人的肉眼，雖然如第谷(Tycho)這樣的早期天文學家成功地只以肉眼來觀測，但對天文觀測者而言，

肉眼卻是屬於劣質的儀器。肉眼所收集的光線並不多，對於昏暗的顏

色也不靈敏，而且只能收集可見光波段。早期的望遠鏡與光學底片已

大有進步，可以長時間收集大量的光線。然而，地球上的大氣會明顯

騷動，使得暗光點變得更加昏暗，而且光學底片也只能收集到大約

2%的抵達光線。

最大型的天文望遠鏡建造在遠離城市的山頂上，可以盡可能地避

開大氣的干擾以及降低其它光源的汙染，但這只能解決部份的問題。

最近在電子學上之發展有助於地面上的天文儀器解決這樣的困擾。然

而，這些儀器也只能收集可見光與無線電波等波段，因為其它波段並

無法穿透地球的大氣層。

隨這太空時代的到來，已經可以克服波段收集的限制了，尤其是

將天文觀測站放置在太空中，就可以避開擾動的大氣，並能收集各種

波段的光源。因為起初透過視覺觀察發展出偵測輻射的基本原理，因

此我們將先檢視光學望遠鏡，再依序介紹無線電波望遠鏡以及軌道觀

測衛星。

116

光學望遠鏡

光學望遠鏡收集可見光(或近可見光)的波段，基本上可分為兩

類—折射式與反射式望遠鏡。

折射式望遠鏡： 伽利略是第一個使用望遠鏡做天文觀測的人。藉由

學習最近新發明的儀器，伽利略建造了可以將物體放大 30 倍的望遠

鏡。現代與早期的儀器原理都是相類似的，都是利用透鏡將光彎曲或

折射，我們將這種儀器稱做折射式望遠鏡。

在折射式望遠鏡裡最重要的透鏡為物鏡，是將來自遠方物體的光

線以彎曲的方式聚集在一個區域裡成像，這個區域我們稱做焦點。像

恆星這樣的物體，它的影像似乎像個光點，但如果是近物則會呈現與

原物上下顛倒的影像。

你可以很容易的做出底下的驗證：一手拿著一片透鏡，另一手則

拿一個白色卡片並放在透鏡的後面。現在，改變透鏡和卡片之間的距

離直到有影像出現在卡片上。則焦點(影像出現的地方)和透鏡之間的

距離就是這透鏡的焦距。

天文學家通常是靠拍攝以研究來自望遠鏡的影像。然而，如果要

在一個望遠鏡上來直接檢視影像時，這時候就需要第二片透鏡，我們

稱做目鏡。目鏡藉由放大來自物鏡的影像，就這方面來看，它類似於

放大鏡。因此，物鏡會產生小而亮的物體影像，而目鏡則會放大影像

使我們能看到其細節。

雖然折射式望遠鏡在十九世紀時被廣泛地使用，但它存在著一個

大的光學缺陷。當光通過任何一種透鏡時，較短的光波會比較長的光

波要來得彎曲(回想前面三稜鏡分散光譜顏色的效果）。結果，當折射

式望遠鏡對準紅色光聚焦時，藍色光和紫色光會失焦。這種麻煩的效

應會造成影像變弱且在影像周圍產生一圈色暈，我們把它稱做色差

（chroma = 色度，aberrare = 迷路）。當以藍色光對焦時，就會出現

淡紅色的光暈，反之亦然。雖然這種現象無法被完全消除，但它可藉

由使用第二片透鏡(由不同的玻璃所製造出來)來減少這種現象。

反射式望遠鏡： 由於受到色差的干擾，於是牛頓便製造並使用從光

亮表面(鏡面)反射的光線。因為反射光不會色散成出它的組成色，所

117

以可以避免色差的問題。反射式望遠鏡使用一個凹面鏡將光線聚集在

物鏡(鏡面)前，而不是在其背後(像透鏡一樣)。鏡面通常用細磨過的

圓形玻璃製作而成。以五米口徑的海爾(Hale)望遠鏡為例，鏡片之研

磨精確到百萬之一公分。它的表面被塗上一層高反射性的金屬，通常

是鋁的化合物。

為了使進來的平行光線能聚光在某一點上，鏡面會被研磨成特殊

的曲面稱為拋物面，這和汽車前照燈的反射鏡是相同的形狀。然而，

以汽車的車燈為例，光源就在焦點上，車光是以平行光方式照出去而

非照進來的光。

因為反射式望遠鏡的焦點是落在鏡面的前面，觀看影像時為了使

進來的光線不會被阻擋到，需做一些工作。大多數的大型望遠鏡不只

使用單一種排列方式。當使用一個很大的反射式望遠鏡時，觀測者將

會進入一個設置在焦點處的觀測室以進行觀測，這個觀測室只會阻擋

到大約所有照進來的光之 10%，而這個可以靠使用大型物鏡來做補償

(因此可以忽略掉)。

在以前，天文學家可能需花費無數個長夜且住在戶外寒冷山上的

觀測室中。但是攝影材料和電腦強化技術的進步已經可供人們在室內

做觀測且縮短取得影像所需的時間。

現在所製作的大型光學望遠鏡幾乎都是反射式的。其中的理由是

製造折射式望遠鏡所需高品質、沒有氣泡的大型玻璃是非常費事的。

因為光線不需通過鏡面，反射式望遠鏡的玻璃沒有光學品質的問題，

也不會有色差的問題產生。此外，由於透鏡只有邊緣受到支撐，因此

會產生下陷的現象(因為玻離太重，中心部份會出現下陷)。相對地，

反射鏡面的後面可以被完全地支撐著。

約 4 公尺直徑的大型反射式望遠鏡分別是位在亞利桑那州的基

特峰(Kitt Peak)、夏威夷的茂納基(Mauna Kea)、智利的美洲天文台

(Cerro Tololo)、以及澳洲的賽丁泉(Siding Spring)(見 Box 1)。相較之

下，世界上最大的折射式望遠鏡是在美國威斯康辛州威廉灣葉爾克斯

(Yerkes)天文台，其口徑只有 1 公尺。這個折射式望遠鏡建造於二十

世紀之前。

光學望遠鏡的性能

118

望遠鏡有三種性能有助於天文學家的研究與觀察。望遠鏡提供觀

察者有以下三種的性質：聚光力、解析力及放大率的功能。

聚光力： 因為大部分天體的光源都非常地微弱，所以天文學家便對

於如何改善他們儀器的聚光力有極大的興趣。有著較大透鏡(或鏡面)的望遠鏡能收集更多來自遠方物體所發出來的光，因而使得影像較為

明亮。像非常遠的恆星看起來就會顯得黯淡模糊，必需收集大量的光

線才能使得影像有足夠的亮度而能看得見。因此，物鏡大的望遠鏡能

比物鏡小的望遠鏡在太空中“看”得更遠。

解析力： 大口徑物鏡的望遠鏡有另一個優點就是它們有較大的解析

力，可以讓影像更清晰、細節更精細。例如單獨只用眼睛來看銀河，

只會看到在夜空中呈現朦朧帶狀的光，但是即使只是使用小型的望遠

鏡也能解析出(分離出)各別的星體。即使如此，地球的大氣環境大大

的限制了望遠鏡在地球上的解析度。在星星閃爍的夜晚，因為當時的

空氣移動得很快速，所以清晰度是很不好的。這使得影像四處晃動而

模糊不清。相反地，當星星很穩定地閃動時，此時的清晰度較為良好。

然而，即使在理想的狀況下，也是會發生一些模糊的現象，其影像的

細節方面因此就會被銷弱了。因此，即使是最大的望遠鏡也無法拍攝

出小於 0.5 公里大小之月球上的特徵。

為了排除在地球上的觀測問題，美國建造了哈伯太空望遠鏡

(Hubble Space Telescope)，它在 1990 年的四月被放置在繞行地球的軌

道上。這個口徑 2.4 公尺的太空望遠鏡，它的聚光力是人類眼睛的 100億倍。當這個儀器早期運轉上的技術問題被改善之後，我們因此可接

收到許多壯觀的影像。例如，哈伯太空望遠鏡提供了可清楚解析出冥

王星和它的衛星(卡倫, Charon)之間的影像。

放大率： 當你想到望遠鏡的功能時，你大概會想到它的放大率，就

是將物體放大的能力。放大倍率是將物鏡的焦距除以目鏡的焦距之後

可計算得知。因此，望遠鏡的倍率可以藉由目鏡的更換而改變。無論

如何，增加放大倍率不一定能改善影像的清晰度。在望遠鏡中所見的

影像皆受限於大氣的條件以及望遠鏡的解析力。在低倍率下的任何一

部份影像若是模糊清楚，即使在高倍率下也將只是一大片的模糊影

像。換句話說，增加倍率只會使光散開來和降低物體的亮度。因此，

天文學家描述望遠鏡不是依據它的倍率，而是依據物鏡鏡面或是透鏡

的直徑，因為它是決定望遠鏡聚光力與解析力的因素。

119

最新型的望遠鏡有著可以提昇影像的附加裝置，一個簡單而且重

要的例子就是應用可以長時間曝光的感光板，如此可以從恆星收集足

夠的光線以成像，否則將無法辨識。最近的進展之一是利用高速電腦

來部份移除受大氣影響所造成的影像扭曲，這個過程大大地增強影像

的清晰度。

Box 1 了解地球：最大的光學望遠鏡

望遠鏡的主要功用是盡可能的收集光線。當望遠鏡的透鏡和鏡面

越大，就可以收集越多的光線，這樣可以容許觀察模糊的物體。因為

天文學的重點包括觀察非常遙遠而模糊的宇宙光源，因此需要非常大

的望遠鏡。

20 世紀末期，最大的望遠鏡的鏡面被限制在直徑 6 公尺左右，

因為鑄造、冷卻和表面研磨這大型的鏡子達到非常小的誤差範圍是極

大的浪費和昂貴。舉例來說，在加州 Mount Palomar 上的 Hale 望遠

鏡，一面直徑 5 公尺的鏡子從 1934 年到 1948 年才建造完成。無論如

何，在最近的十幾年，藉由高科技的製造技術，許多大型望遠鏡已經

被製造，還有許多更在計劃建構中。

最近，一對 8.1 公尺直徑的望遠鏡開始運作了。Gemini North 坐

落在北半球夏威夷島上的 Mauna Kea 山。坐落在海拔將近 4200 公尺

的 Mauna Kea 天文台是世界最高的。他的雙胞胎 Gemini South 則是

坐落於為在智利安地斯山的西坡上。Mauna Kea 也放置了日本的 8.3公尺直徑之 Subaru 望遠鏡。

一項創新設計被應用在最近所完成的一對 10 公尺之 Keck 望遠

鏡上，它們也是坐落在 Mauna Kea 山。這些儀器是被加州理工學院和

加州大學所操控，小心地用電腦將 36 個六邊形而直徑各是 1.8 公尺

的鏡子鑲嵌在一起與定位，以達到直徑 10 公尺鏡面的光學效果。

到目前為止，依據總聚光量來說，最大的光學望遠鏡是坐落在智

利 Cerro Paranal 的 European Southern 天文台之 Very Large 望遠鏡

(VLT)。它是由四個分開且可獨立作業或是互相連結的 8.2 公尺直徑

之儀器所組成。當這四個望遠鏡一起作業時，收集光線的容量會是口

徑 5 公尺的海爾(Hale)望遠鏡的五倍，因此可以看見宇宙中 10 倍暗的

物體。

120

光的偵測

望遠鏡只是用來收集光源，早期的偵測器就是天文學家的肉眼，

他們透過望遠鏡畫出肉眼所見的星體影像。不同的肉眼所感受到的光

強度與昏暗顏色往往是有差異的(而且畫圖的天份也不同)。因此，在

相同的觀測條件之下，同一星體仍會出現不太相似的圖像。此外，個

人的主觀偏差也常會參雜在其中。例如，20 世紀有名的天文學家

Lowell (1855-1916)認為火星表面上有運河，因此將運河畫進他的火星

圖像中，但後來的研究並不支持 Lowell 的觀察。

光學底片是一項革命性的進展，他不受個人主觀偏差的影響，可

以合理精確地記錄光的相對強度，以及能比肉眼更加精確地顯示昏暗

星光的顏色。然而，只有約 2%的抵達光線會被感光與記錄在底片上，

亦即當我們記錄昏暗的星光時，需要長時間的曝光。再者，光學底片

與肉眼都有著類似的問題，就是偵測不同的波段會有相異的靈敏度，

甚至不同批次的底片之靈敏度也有差異，這在進行定量比較時將會造

成困擾。

半導體技術發展出 CCD (charge coupled device)，它可以產生數位

的影像，並且可以有效地重複被使用(CCD 被使用在數位相機上，當

作光源感應偵測的元件)。相較於光學底片，CCD 數位相機在偵測可

見光與近可見光的波段上正大幅地提升，它可以記錄 70%以上的入射

光，而各波段的靈敏度變化也可以輕易地被校正。因此只要望遠鏡能

被準確定操縱，天文學家便可以使用 CCD 相機來收集遙遠星體的光

線達數小時之久。再者，也可以將數個晚上光點疊加在一起而成為單

一的影像。

太陽光不只包含有肉眼可見的可見光波段，恆星與其它天體也發

射出伽瑪射線、X 射線、紫外線、紅外線以及無線電波。對紫外線與

紅外線敏感的 CCD 相機目前已被發展出來，因此可以擴展我們的視

野。然而，大多數的輻射波段並無法穿透大氣層，因此需要利用氣球、

火箭以及衛星將相機帶到大氣層之上來記錄可見光以外的波段。

無線電波望遠鏡

如我們所說，太陽光不只是由我們肉眼看得見的輻射所組成，伽

瑪射線、X 射線、紫外線、紅外線和無線電波也可以由恆星所產生。

121

其中很重要的是，無線電波中的一個狹窄波段可以穿透大氣。一種特

殊的 21 公分波長是由中性的氫原子所產生的。這種輻射線的測量能

夠讓我們畫出銀河中氫 (組成恆星的物質)的分布。

偵測這無線電波是由大型碟狀物(無線電波望遠鏡)來完成。原則

上，這些碟型望遠鏡的運作方式和光學望遠鏡的鏡面一樣。它的形狀

呈拋物線且聚集進來的無線電波於天線上，天線會吸收和傳送這些波

到放大器上，這像其他的無線電波的天線一樣。

因為無線電波的波長大概是可見光的十萬倍長，因此反射碟的表

面不需要和鏡面一樣的光滑。事實上，除了最短的無線電波外，電纜

網是個很好的反射器。反過來說，因為來自天體的無線電訊號非常微

弱，要想截取適當的訊號就需要大型的反射碟。最大的電波望遠鏡是

懸吊在波多黎各的一個天然窪地所形成的碗狀物。它的直徑有 350 公

尺，且在某些方向上可彈性移動無線電天線。最大的移動式單一碟型

無線電波望遠鏡之碟面大約有 100 公尺，例如目前在美國維吉尼亞州

西部的 Green Bank(綠堤)的美國國家電波天文台。

無線電波望遠鏡有相當差的解析度，因此難以標定無線電波源。

我們用成對或成群的電波望遠鏡可以來減輕這個問題。當好多個電波

望遠鏡被排列與連線在一起時，此種網狀系統我們稱為電波干涉儀。

與光學望遠鏡做比較，無線電波望遠鏡存在一些優點，它們比較

少會受到大氣中的亂流、雲以及天氣的影響。不需要有保護的圓頂，

這可以減少建築的成本，也可以 24 小時"觀看"。更重要的是，電波

望遠鏡可以穿越星際中會遮蔽可見光波長的雲塵。從宇宙中遙遠距離

傳來的電波訊號可不受阻撓地穿過塵雲，提供我們一個不受干擾的"視線"。此外，電波望遠鏡可以偵測因為氣體太冷而不能發出可見光

的雲氣。這些冷的氣體雲很重要，因為它們是恆星形成的場所。

然而，無線電波望遠鏡卻會被人為電波所干擾。因此，光學望遠

鏡經常被安置在人跡罕至的山頂以減少城市光害的干擾，而無線電波

望遠鏡則是常被放置在山谷裡以阻擋人造電波的干擾。

電波望遠鏡可透露出兩個星系之間相互碰撞的壯觀事件，以及發

現很有趣的類星體(類似恆星的無線電波源)。這種令人困惑的天體是

宇宙中目前所知最遙遠的事物，這些將在下一章中做深入的探討。

122

軌道運行的觀測站

軌道運行的觀測站避開了地球大氣所引起的所有問題，並且是天

文學新發現之先鋒，例如：NASA 一系列之"四大觀測站"。

哈伯(Hubble)太空望遠鏡(HST)： 哈伯望遠鏡於 1990 年發射升空，

是繞行地球的一種反射式光學望遠鏡。它的觀測影像並不會備大氣所

扭曲，而且昏暗光源也不再被大氣所散射。此外，它也可以收集紫外

光波段，紫外光會被地球的臭氧層所吸收，因此地面上的望遠鏡並無

法收集這個波段。哈伯望遠鏡在天文歷史中可被視為最重要的觀測儀

器之一，藉由它的觀測影像，我們因此有許多新的天文發現。 2.4 公

尺的主鏡所產生的影像，其敏感度與解析度足可與地面上直徑 10 公

尺以上的望遠鏡相比擬。

哈伯望遠鏡的觀測影像顯示，盤狀塵氣常出現在年輕恆星的周

圍，這可以用來支持形成太陽系的星雲假說。它也提出具有決定性的

證據，指出具有巨大質量的黑洞常位於許多星系的中央處，因為有塵

雲在星系的內部運動著。HST 也可以讓我們看得更遠，到達宇宙的深

處。

康普頓(Compton)伽瑪射線觀測站(CGRO): CGRO 於 1991 年發射升

空，被設計用來收集宇宙中一些最激烈的物理過程。它的靈敏度比之

前任何的伽瑪射線儀器還高上 10 倍，能夠收集很高能量的輻射，由

此 CGRO 所獲得的其中一項科學發現是伽瑪射線爆發的均勻分布，

此結果指出這是很多天體會出現的現象。

伽瑪射線爆發似乎是來自宇宙中任何位置與時間上的伽瑪射線

閃光，這種閃光可能是宇宙大爆發以來所出現之最明亮且是能量最高

的一些天文事件，它很有可能是快速旋轉的大型恆星塌縮並形成黑洞

時所釋放出來的。

錢德勒(Chandra)X 射線光測站(CXO): CXO 於 1999 年發射升空，被

設計來觀測像黑洞、類星體以及高溫雲氣所釋出的 X 射線，以便能

更了解宇宙的構造與演化。它的解析度高，但它所需使用的電源卻如

一般的吹風機而已。錢德勒觀測站已觀測到一個黑洞正將物體拉了進

去，也觀察到兩個黑洞出現了合併。此外，它能獨立量測出宇宙的年

齡為 120~140 億年，也可以顯示數十億年前的宇宙以及當時的星系外

觀。

123

史匹茲(Spitzer)太空望遠鏡(SST): SST 於 2003 年發射升空，設計來

收集被地球大氣所阻擋的紅外能量，此種儀器必須要冷卻至絕對零度

附近，如此之量測才能避免被鄰近的星體或人造衛星本身所干擾。這

個望遠鏡繞行太陽，如此可以避開地球的熱輻射，而且也加裝了遮護

罩板以避開太陽的輻射。

像 SST 這種高敏感度的儀器可讓我們深入濃密的星雲所遮蓋的

太空區域，這是一般天文望遠鏡所無法觀測的區域。紅外光剛好可以

通過這些星雲，使我們可以觀察恆星誕生的區域、星系的中心以及剛

誕生的行星系統。紅外光也提供有關冰冷星體的資訊，例如無法以可

見光波段觀察到的微弱小恆星、位於外太陽系的行星以及分子雲氣。

※ 太陽

太陽是組成銀河系 2000 億恆星中的其中一顆。整體而言，雖然

太陽在宇宙中沒有重要性，但對地球而言卻是主要的能源來源(見Box 2)。從我們汽車和發電廠中燃燒使用的化石燃料到我們食物的每件事

物，究其根源都是來自太陽的能量。太陽對天文學家也很重要，因為

它是唯一離地球夠近而可供我們研究其表面的恆星。即使是最大的望

遠鏡，其它恆星在望遠鏡上看起來也只是如光點一般。

Box 2 地球是一個系統：多變的太陽和氣候的改變

氣候改變最堅持的假說是基於下面的觀念：太陽是個變星而且太

陽能量的輸出會隨著時間而變化。這個變化之影響似乎是直接且可輕

易的被明白：太陽輸出能量之增加會導致大氣層變溫暖，而輸出減少

則將會變冷。這個想法是滿動人的，因為它可以用來解釋任何長度或

強度的氣候變化。但此主張至少有一個主要的缺點：大氣層之外，尚

無法測量太陽的總輻射強度是否有明顯的長期變化，而直到應用了現

代衛星科技才使測量變成可能。既然此種量測是可能的，我們仍將需

要花很多年的時間做紀錄，如此我們才能察知太陽是如何多變(或不

變)的。

許多氣候變化的主張是基於與黑子循環有關連之可變太陽。太陽

表面最明顯且最為人所知特徵是暗色的汙點，被稱為黑子。雖然黑子

124

的起源還不確定，但被認為是從太陽表面延伸至地球內部深處的巨大

磁暴。而且，這些黑子和太陽大量的粒子噴出物有關，後者一接近地

球的大氣層，在此與氣體交互作用就形成了極光。

伴隨太陽的其它活動，太陽黑子的數量似乎以規律的方式增加或

減少，產生了約 11 年的循環週期。然而，這個圖像並非總是那麼有

規律的。

當太陽黑子一直未出現或幾乎不存在時，其週期會延長。再者，

這些事件與歐洲和北美洲的寒冷時期極為符合。相反地，有大量黑子

存在的週期則與這些地區的溫暖時期很有關連。

參考這些相關聯的事件，一些科學家認為如此相互的關係，似乎

代表太陽上的變化是造成氣候改變的重要原因。但是其他科學家則強

烈質疑這個想法，因為他們的調查發現，從全世界氣候的記錄中並未

發現太陽活動和氣候之間有明顯的相關性，甚至並未存在有可測試之

物理機制來解釋此效應。

因為太陽的亮度和它的有害輻射，因此直接觀察太陽是不安全

的。然而，小型的望遠鏡可將影像反射在目鏡後方的一塊紙板上，如

此就可以安全地觀測太陽。這種最基本的方法被世界上許多的天文望

遠鏡所使用，並持續地觀察太陽。其中最好的設備是位於美國亞利桑

那州南部的基特峰國家天文台(Kitt Peak National Observatory)。它是

由 150 公尺長的傾斜包圍體所組成，導引直射的陽光進入位於地面下

的鏡面上。從這鏡子可以將 85 公分大的太陽影像投射在觀察室以供

研究。

跟其他較大、較小、較熱、較冷、較紅和較藍的宇宙恆星相比，

太陽是一顆“中等的恆星”。然而，在太陽系的尺度中，它是非常巨

大的星體，其直徑(139 萬公里)相當於地球直徑的 109 倍，而體積則

是地球的 1 百 25 萬倍。此外，因為太陽它的氣態本質，所以它的密

度只是固體地球的四分之一，比較接近水的密度。

太陽的結構

為了方便討論，我們將地球分為四個部分：太陽的內部；可見的

表面或光球層；還有兩層的大氣層─色球層和日冕。因為遍佈氣體，

125

在這幾層之間沒有明顯的界線。太陽的內部只由其微小一部份的質量

所組成，而且不像外面三層，它無法被直接觀察。我們就先討論可看

得見的那幾層。

光球層(photosphere)： 光球層(photos=光，sphere=球)是最適切的名

稱，因為它放射出大部分的陽光，使得此層像一個明亮的圓盤。雖然

它被認為是太陽的“表面”，但它又不像我們所熟知的表面，因為光

球層是由一層小於 500 公里厚的炙熱氣體所組成的(非固體陸地)，其

氣壓比我們大氣層的 1/100 還小。此外，光球層表面既不是如古代人

所想像的那麼平滑，也沒有均勻的亮光，因為它出現無數的污點(黑子)。

當在理想狀況下使用望遠鏡觀察太陽時，可以很容易看到光球層

上的粒狀組織。這些因為無數相當小且亮的斑紋，叫做米粒組織

(granum = 小穀粒)，分別被狹而暗的區域所包圍而成。每顆米粒組織

如美國德州之大小，他們的亮光歸因於從底下上升的熱氣體。當這熱

氣體擴散開來之後，因冷卻而變暗並沉回內部。每個米粒組織只存在

10 到 20 分鐘，新的米粒組織取代舊的組織的過程中使得光球層呈現

如沸騰般的外觀。這樣上上下下的氣體運動叫做對流。對流除了形成

光球層的米粒組織之外，對流也被認為是負責太陽內部最外圍能量之

傳送。

光球層的組成可由吸收光譜上的暗線而得知。當這些如"指紋"般的暗線和已知元素的光譜相比對時，可發現在地球上的許多元素也同

樣會出現在太陽上。分析吸收線的強度之後，元素的相對豐度也就能

過被決定出來。這些研究的結果顯示，太陽表面的原子之中有 90%是氫，大約 10%為氦，以及極少數量的其它元素，其它的恆星上也同

樣顯示這兩種最輕元素呈現不均衡分配的百分比(佔了絕大數量)，稍

後將會有討論。

色球層： 位於光球層之上的是色球層(有顏色的球面)，是一個熱而

相當薄的氣體層，其熾熱的氣體約有數千公里厚。色球層在出現日全

蝕短短的時間中，或者是利用特殊的儀器阻斷光球層的光線後，就可

以看見色球層。此時，薄而紅色的光圍繞在太陽的邊緣。因為色球層

是由高溫低壓的熾熱氣體所組成，它會產生亮線光譜，它幾乎就是光

球層暗線光譜的相反。由氫氣所形成的其中一道亮線構成此層總亮光

126

的較大部分，這可以說明此層為何呈現紅色。

1868 年的一份色球層光譜之研究發現它有一個未知元素的存

在，它被命名為「氦」，此字來自赫利阿斯，在希臘字中是太陽的意

思。起初，氦曾被認為只存在於恆星之中的元素，但 27 年之後我們

也在地球上的天然氣井中發現了氦元素。

在色球層的頂部包含了許多的針狀體(spica = 點)，似火焰般的結

構，向上延伸大約有 10000 公里長並進入了日冕的較低層，就像樹深

入我們的大氣一般。針狀體是由米粒組織下的亂流運動所產生的。

日冕： 是太陽大氣的最外層部分，日冕(corona = 王冠)是非常稀薄

的，和色球層一樣只有在光球層覆蓋住之後才看得到。離子化氣體的

外圍從太陽擴展至數百萬公里之外，其亮度約為滿月時的一半。

在日冕的外緣，離子化氣體有足夠的速度逃脫太陽重力的吸引。

從日冕沸騰而出的質子和電子流造成太陽風。它們以非常快的速度

(每秒 250 到 800 公里)向外移動，經過了太陽系之後最終會消失在太

空中。在這段旅行當中，太陽風和太陽系中的其它天體交互作用，它

127

們持續轟炸月球上的岩石且改變其外觀。雖然地球的磁場可以防止太

陽風到達地球表面，但太陽風仍會影響我們的大氣，這些我們會在後

面討論。

研究發射自光球層的能量顯示出它的平均溫度約為 6000 K。由

光球層往上，溫度出乎意料的增加，在日冕頂部溫度超過一百萬 K。

值得注意的是，雖然日冕的溫度超過光球溫度的好幾倍，但因其密度

較低，故輻射出更少的能量。

出人意外地，日冕的高溫可能是因為光球上的對流運動產生的聲

波所引起。就像沸騰的水會產生噪音，由光球層產生帶有能量的聲波

會被日冕中的氣體所吸收，也因此提高了其溫度。

活躍的太陽

太陽黑子： 在太陽表面最顯而易見的是暗色的污點，被稱為太陽黑

子。雖然大型的太陽黑子在望遠鏡被發明之前偶爾看得到，但它通常

被誤認為是座落在太陽和地球間的不透明星體。直到 1610 年，伽利

略才推斷出它是存在於太陽表面上，並且從它們的運動推論出太陽每

個月大約會自轉一次。

根據後來所做的觀察指出，整個太陽並非以相同的速度進行旋

轉。太陽的赤道處 25 天自轉一次；從太陽赤道算起，在 70 度上的位

置，不論是北或南，一次的自轉需要花 33 天。如果我們地球也以類

似脫節的方式進行自轉的話，想像這後果吧！太陽這種不一致的自轉

方式驗證了它的氣態本質。

太陽黑子在開始時像個直徑約 1600 公里的小暗色孔洞。雖然大

部分的孔洞只存在了幾個鐘頭，但有一些會成長成比地球大上幾倍並

且持續幾個月或更久的污點。最大的黑子通常會被較小的黑子所包圍

並成對地出現。一個獨立的黑子包含一個黑色的中心，也就是本影

(umbra = 陰影)；在中央黑暗部分的邊緣是個較亮的區域，這就是半

影(paene = 幾乎，umbra = 陰影)。太陽黑子只有在和光球明亮的部

分對比下才出現暗色。以它們的溫度說明這事實，黑子的溫度比太陽

的表面低了約 1500K。但如果這些黑子是在離開太陽的地方被觀察的

話，那它們就會呈現出比滿月時亮上好幾倍的亮度。

128

在十九世紀早期的時候，人們相信在水星和太陽之間存在有個微

小行星，被稱為祝融星(Vulcan)。在找尋祝融星的過程中，有關黑子

的精確紀錄就被保存下來。雖然這行星從來沒被發現到，但從黑子資

料之蒐集發現，太陽表面肉眼可見的黑子數量有著以十一年為周期的

規律變化。

首先，當黑子的數目增加到極大值的時候，此時可見的數目可能

是一百或是更多個。接著，再過五到七年的期間，黑子的數目會下降

到極小值，此時僅能看到少量或甚至看不到任何一個黑子。在每一個

循環的開始，第一個黑子會從太陽赤道算起約 30 度角的地方出現，

但隨著循環的進行，它們的數目將逐漸增加，並將在更靠近太陽赤道

的地方出現。在黑子數量的極大期，大部份會在離太陽赤道 15 度的

地方形成，但黑子幾乎不會在離赤道 40 度以上或者是在 5 度以內出

現的。

天文學家喬治‧海爾(George Hale)發現了黑子具有另一個有趣的

特徵，而著名的海爾望遠鏡就是以他的名字來命名。海爾認為大型的

黑子已被強烈磁化，當它們成對出現時，它們會有相反的磁極。例如，

這兩個之中有一個是磁北極，則另一個就是磁南極，就如同地球磁場

上的南、北磁極。同樣的，座落在同一個半球體上的每一對都是以同

樣方式被磁化。然而，座落在另一個半球體上的每一對則是以相反的

方向被磁化。在下一個黑子循環開始後，其磁化狀況會顛倒，這些黑

子對的兩極會與之前的循環呈現出完全相反的磁化方向。造成極性變

化的原因目前尚無法合理解釋。然而，太陽表面其他的活動循環周期

也與黑子的循環周期相同，這表示它們應該具有相同的成因。

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日珥： 在活躍的太陽中最壯觀的特徵就是日珥(prominere 原意是突

出)。這巨大的雲狀組織是由色球層濃聚的氣體所組成的，當它們突

出在太陽邊緣處時最容易被觀察到。在此處常以大型的拱狀延伸入日

冕中。許多日珥有著精細織錦畫似的外觀，並且每次持續幾天靜止似

地懸掛在上空，但從動畫中顯露出其中的物質會不停地落下，像發光

的雨。另一方面，噴發性的日珥幾乎是爆發似地上升並遠離太陽，這

些活躍的日珥可達到每秒 1000 公里的速度，並且可以完全地離開太

陽。不論是噴發性的或靜止式的，日珥是離子化的色球氣體被磁場所

限制住，這些磁場是由強烈的太陽活動區域所延伸出去的。

太陽閃焰： 這些是和黑子有關聯而最具爆發性的事件。太陽閃焰是

一個短暫的爆發，正常只持續約一個小時，是在群聚的黑子上方突然

出現之明亮地帶。它們存在之時，其巨量的能源大部分是以紫外線輻

射、無線電和 X 光輻射的形式被釋放出來。同時，快速移動的粒子

噴射出來，導致太陽風明顯增強。一個大型的閃焰可能會危及到載人

的太空飛行物，但是這種閃焰是相當罕見的。在大噴發後約一天，噴

射出的粒子會到達地球並且擾亂電離層(位於大氣層 80~400km 內的

離子化氣體)，因此會影響長距離無線電波的通信。

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然而太陽閃焰最引人注目的影響是極光，也被稱為是北極光和南

極光。隨著強大的閃焰接近地球南北磁區的上方時，會有好幾個夜晚

持續發出彩光。極光是以多變的形式出現，有時彩光的展現是由大量

移動的垂直流光(streamer)所組成。時時候，北極光則是呈現出一系列

擴展的弧光或平靜像霧狀般之光芒。極光的展示就像太陽的其他活動

般，隨著太陽黑子 11 年的循環有著強度上的變化。

太陽的內部

太陽的內部是不能直接被觀察到的。因為這個理由，所有有關太

陽內部的知識是根據它所輻射出的能量之資訊以及理論的研究。直到

1930 年代才發現太陽能量的來源是核融合。

在其內部的深處，核融合(稱為質子－質子的連鎖反應)將四個氫

核(質子)轉換成為一個氦原子核。因為其中有些質量會被轉變成為能

量，所以在這個連鎖反應中釋放出了能量。這可以用四個氫原子的總

合原子質量為 4.032 (4x1.008)來加以說明，一個氦原子的質量則是

4.003，它是比四個氫的質量還少了 0.029。這質量上的微小差距則可

根據愛因斯坦的質能互換公式(E = m c2，E 是能量，m 是質量，而 c是光速)以能量方式釋放出來。因為光速非常的快，所以即使是從一

個小質量中釋放出能量，其所釋出的能量會是很巨大的。

只是如針頭般微量的氫轉換成氦就可產生比數千噸煤燃燒所釋

出的能量還要多。大部分的能量以高能量光子的形式朝太陽表面前

進，但其中會經過多次地被吸收及再放射的過程，直到它們到達光球

層下方的不透光層為止。在這裡，對流將這些能量搬運至太陽表面，

到了此處輻射便可穿透色球層和日冕。

只有非常小的質量百分比(0.7%)的氫在質子連鎖反應過程中真

的轉換成能量。不過，據估計太陽每秒正消耗掉六億噸的氫，其中大

約只有四百萬噸的質量被轉換成能量。當氫被消耗時，連鎖反應所產

生的氦將形成太陽的核心並持續變大。

以目前的速率來看，太陽在所有燃料(氫)被用完之前還能產生多

少的能量呢？即使以巨大的消耗速率來看，太陽還有足夠的燃料能輕

易地再持續 50 億年。然而，來自其他星球的證據指出，太陽會戲劇

性地成長，並在其氫燃料被用完之前會吞噬地球。有人認為一個像太

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陽般大小的恆星能以目前平穩的狀態存在一百億年。因為太陽已經是

五十億年了，它已算是“中年”了。

為了開始引燃質子間的連鎖反應，太陽內部的溫度必須達到幾百

萬度。此熱度的來源是什麼呢？如前一章所述，太陽系被認為是由巨

大的雲塵和氣體(大部份是氫)因重力凝聚而成的。重力壓縮氣體的結

果能增加其內部溫度。雖然太陽系中的所有物體被壓縮，但因為直徑

大小的緣故，太陽是唯一能夠產生足夠的熱去引發質子間的連鎖反

應。天文學家們現在估計它的內部溫度是一千五百萬度 K。

木星基本上是一個富含氫氣的氣體星球；如果它的質量變成 13倍大的規模時，它就可能成為恆星。雖然一顆恆星繞著另一顆恆星運

行的想法似乎很奇怪，但最近的證據指出，在銀河中單一恆星比成對

(雙星)或多個相互存在的恆星還要多。

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本章摘要

能量會以電磁波的方式輻射出去，而可見光只是電磁波的ㄧ小部

份波段而已。所以光是ㄧ種電磁輻射，光有兩種性質：波動性與

粒子性(一束光子)。電磁波的波長範圍從數公里的無線電波到數

十億分之ㄧ公分的伽瑪輻射。波長越短其光子所具有的能量相對

也越高。

光譜學是研究光的特性。當可見光被三稜鏡色散成各種組成波長

時，可能會出現三種光譜，這三種光譜分別是：連續光譜、暗線

光譜(吸收)、亮線光譜(發射)，恆星的光譜大部分是屬於暗線光

譜。光譜可用來決定：(1)物體的狀態(固體、液體、高壓氣體或

低壓氣體)；(2)氣體的組成；(3)輻射體的溫度。可利用都卜勒效

應來決定物體的運動方向(接近或遠離)與其速度，是運用發光體

與觀察者之間的相對運動所導致波長之視變化來計算。

光學望遠鏡分成兩大類：(1)折射式望遠鏡，利用透鏡將光折射並

匯聚在焦點處；(2)反射式望遠鏡，使用凹面鏡來收集光束。

望遠鏡有三種功能：(1)聚光能力，其能力與物鏡的大小有關，物

鏡愈大可收集更多的光，因此也可看的更遠；(2)解析能力，亦即

影像的清晰度，是望遠鏡將相近物體分開的能力，例如冥王星與

其鄰近的卡倫衛星；(3)放大能力。現代的望遠鏡大多具有輔助設

備來強化其影像。

無線電波之偵測是利用外型如巨大碟型的無線電波望遠鏡來進

行。拋物曲線的碟型天線常由網狀電纜線所做成的，其運作功能

很類似反射式望遠鏡中的凹面鏡。無線電波的重要優點是它能夠

穿透地球的大氣，此波段輻射是由氫原子所產生，因此電波望遠

鏡可讓我們繪製出星系中恆星形成物質的分布圖。

太陽是銀河系中兩千億顆恆星中的ㄧ顆，她的結構可分成四部

份：(1)太陽內部；(2)光球層(肉眼所見的太陽表面)；(3)色球層(大氣底層)；(4)日冕(大氣上層)。肉眼所見的光大多是從光球層輻射

出來，它是由ㄧ層厚度小於 500 公里的熾熱氣體，這一層表面由

許多小而亮的米粒(稱為米粒組織)所組成。這一層的上方是色球

層，是ㄧ層數千公里厚的熾熱氣體層。太陽最上面的大氣層稱為

日冕，離子化氣體由此層脫離太陽的引力，如奔流般高速地接近

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地球，形成了太陽風。

在活耀的太陽表面出現許多的特徵。太陽黑子如暗斑，其黑色中

心稱為本影區，其周圍較淺色的區域稱為半影區。太陽圓盤上所

見到的黑子數量有著 11 年的循環變化周期。日珥是巨大的雲狀

結構，出現在太陽的邊緣時最容易被發現，是色球層離子化氣體

陷入磁場而形成的。與太陽黑子有關聯而最具爆發性的事件是太

陽閃焰，閃焰爆發會釋放出巨大能量，並在黑子群的上方突然發

光，此時會出現輻射，並拋射出快速移動的粒子(原子)，使太陽

風增強。當拋射粒子到達地球大氣層時，會干擾電離層導致無線

電通訊中斷，並在南北極的上空形成極光。

太陽能來自核融合反應。太陽內部深處的溫度可高達 1 千 5 百萬

度 K，因此能引發核融合反應，稱為質子－質子連鎖反應鏈的核

融合反應將四個氫原子核(質子)轉換成一個氦原子核。核融合反

應期間，一些質量將轉換成太陽的能量。如太陽般大小的恆星可

穩定存在約ㄧ百億年，因為太陽存在五十億年了，所以它算是”中年”的恆星。

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參考書籍：

1. Edward J. Tarbuck and Frederick K. Lutgens, Earth Science, 2015 (14/e),

Prentice-Hall Inc.

2. Neil F. Comins and William J. Kaufmann III, Discovering the Universe, 2005

(7/e), W.H. Freeman and Company, New York.

3. Klein, C. and Hurlbut, C. S., Manual of Mineralogy, 1999, (21/e), John Wiley

& Sons, New York.

4. 何春蓀，普通地質學，1996，國立編譯館。

5. 金祖孟，地球科學概論，1994，五南圖書出版公司。