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title: 地球的結構與歷史
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# 地球的結構與歷史
##    地球的歷史
[板塊構造](/dFd9L-f2TYqJymPXaMHfRw)
[現代地質學開端](/AekQ7xrXSgGqg9jShlqrQg)
* 光敏法底片感光發現放射性元素
* 拉塞福：放射性元素趨於穩定(提出母元素會衰變為子元素，即半衰期的原理，)
> 地表很難找到最老的石頭，因地球會分層、對流、板塊運動，
* 湯姆森：$\alpha~\beta~\gamma$放射線，以$\beta$最為常見

### 地球分層
* 地球若簡化，可區分為岩石、金屬組成的混合物
* 原先岩石與金屬以固態混合，當地球熔融後，密度分異
* 密度較輕的岩石向上，密度大的金屬向下，形成分層
### 隕石 Meteorite
1. 落隕:親眼看到天上掉下來(成分不一定跟地球組成不一樣)
2. 覓隕：成分與地球組成明顯不同，認定是由地球外取得

#### 依組成性質分類
* 石質隕石(岩性與超基性岩石相似)
    * 球粒隕石(condrite)：稍加熱後迅速冷卻，來不及結晶，未密度分異，各成分混合形成小球粒，可代表太陽系形成時最原始的成分。
    * 非球粒隕石：經過分異作用的隕石
    * 礦物包含:大多數火成岩造岩礦物
* 半鐵質隕石：來自小行星 Crust and Mantle 交界帶
* 鐵質隕石：98%鐵鎳，推論可能是小行星中的核心

## 定年
####    放射性元素衰變的半衰期，推知岩石形成的時間。但因岩石形成方式有所不一。
####    當放射性元素被封存時，與外界減少接觸，所定的年才準。
####    多以半衰期介於1-100億年的放射異性元素定年。
* 火成岩：形成的時間
* 沈積岩：最後沈積穩定的時間
* 變質岩：最後變質的時間
* 隕石:銣87-鍶87定年

###    同位素、同中素、同重素
[恆星理論](/jaAnwU1IRXOUUxk91wNlHA)
* 越多質子的原子強力越強，需越多中子束縛，質子與中子比值越小。
* 同重素：元素的原子核重量（質子＋中子）相同，但電子數不同，元素多沿同重素衰變
![](https://i.imgur.com/6HiNOOx.png)


#### 不穩定核種的衰變
1. $\alpha$衰變:放出一個氦原子核
2. $\beta$衰變:放出一電子、中子，獲得一質子(同重素衰變)，e.g.
3. 電子捕獲:獲得一電子

###    同位素的衰變與安定
* 大霹靂時，元素僅有氫與氦
####    快作用(Rapid Process)
* 超新星爆炸時，各種粒子向外飛出，過程中元素捕獲中子，可能形成不穩定同位素，故行$\beta$衰變，放出電子+中子，直到元素安定
* 形成原子序>鐵的重元素與同位素

####    Rb-Sr 87 定年法
* $^{87}Rb不穩定，以每十億年沿著\beta衰變形成12個^{87}Sr$
* $多數樣本中原先已含有不同數量的^{87}Sr與^{87}Rb，僅測量單一樣本無法定年$
* Sr,Rb其他同位素皆為穩定，原子數不改變
* 所有樣本所含有$^{87}Sr/^{86}Sr-^{87}Rb/^{86}Sr$ 比作圖，其經歷的衰變時間即為截率，所有樣本經歷時間相同時，在圖上呈現一線性關係，即可反推回衰變的原點，即為樣本中原先含有的$^{87}Sr$原子
* $^{87}Sr$的起始原子數皆為700，因此在定年時，將樣本中$^{87}Sr$的原子數-700，所得原子數/12，即可進行定年。
![](https://i.imgur.com/23fTx2E.png)

##    探測地球
* 隕石
* 震波
* 重力
* 磁力
* 熱流
* 化學成分

###    司乃爾定律
* 波沿著最短時間路徑行走，形成折射現象

### 地核形成
* 以Xe130為基準，在大氣與各地玄武岩中原子數相同
* 發現Xe129在玄武岩中的數量>大氣，說明^129^Xe有其他來源供給
* 碘129會逐漸會逐漸衰變為^129^Xe
* 當地殼形成後，隔絕地函與大氣，大氣^129^Xe固定，但地函中仍持續衰變(碘129較重，被封存在地核理持續衰變)
* 越年輕的玄武岩，^129^Xe越多，因經歷越久的碘衰變

### 地殼形成
* 半徑越小的元素（鐵鎂金屬）較易從岩漿中結晶，在高溫時會先結晶
* 半徑較大，不容易在岩漿內結晶(又稱大半徑/親岩漿元素)，顏色通常較淺。e.g. Na, 
* 海洋地殼於中洋脊經過短距離的分化，最上方約五公里形成玄武岩，為最初地函岩漿分異後最終的產物
* 板塊中玄武岩攜帶水與雜質隱沒，在接近岩石圈下方部分熔融，岩漿分異較慢。親岩漿元素富集。
* 岩漿經過約100公里長時間的分化，形成矽酸鹽類，安山岩等岩石

####    從大陸地殼推算地球年齡
| 比例|陸地|海洋|
|--|-----|--------|
|面積 |1|2       |
|厚度 |6  |1      |
|體積|3|1|
|鉀含量|10|1|
*  板塊每年移動約7公分，海洋地殼約一萬公里
*  所有海洋地殼隱沒，約需花費1.5億年
* 依照鉀含量，每燒掉十份海洋地殼，可形成一份大陸地殼
* 依照體積換算，需燒掉三十份海洋地殼，才可形成現今的地殼模樣
* 估算地球年齡，約45億年

####  論板塊學說
* 每一個板塊上，在海洋地殼不斷隱沒下，多數皆有海洋與大陸半塊
**沒有一個板塊僅含有純海洋地殼或大陸地殼**

##    地球測量
* 緯度：春分、秋分時，太陽直射赤道
* 經度：依照格林威治時間區分
###    經度的測量
* 地球自轉與時間測量（時間精度不佳）
* 鐘擺測量（重力不同，故觀察週期變化得知）

#### 傅科擺
* 驗證地球自轉

### 重力基準面
1. GRACE 測量重力基準面

###    月球
* 月球正面（面對地球那一面）多受隕石撞擊，內部岩漿於表面凝結為玄武岩（黑色部分），密度較高
* 月球背面多為白色斜長岩，密度較輕
* 地球吸引月球時，較重的部分被地球吸引，朝向月球
* 受潮汐鎖定，月球公轉與自轉週期相同

###    潮汐
![](https://i.imgur.com/6War4JT.png)
1. 地求受月球給他的萬有引力，與兩星體互繞所產生的離心力，兩者的合力為潮汐力。此時高潮位應在地、月質心連線上。
3. 地球逆時針旋轉，將高潮位向東偏轉，高潮會在月亮過天頂後抵達
4. 較高位的潮汐會對月球形成一潮汐引力，提供月球公轉向量的加速分力，導致月球公轉加速，以及使月球公轉軌道變長
5. 潮汐被搬移後，產生與地球自轉方向相反摩擦力，減緩地球自轉速度，故地球自轉會越來越慢。

####    過去的地月關係
* 月球軌道幾乎正圓
* 月球距離地球更近
* 地球自轉更快

#### 證據
* 珊瑚切片紀錄生長情況，在3.6億年前地球公轉週期為400天
* 打月球上的三稜鏡，計算走時可得地月之間的距離。

## 板塊運動與行星表面溫度調節
>液態水最重要。
###    表面溫度受控於：
1. 光照度（太陽）
2. 表面反照率
3. 溫室效應氣體
* 如果地球是黑體，地表溫度約在5度，地表物體反射太陽輻射，使地表溫度降低，加上溫室氣體吸收並反射太陽輻射使熱保存在地表，讓地表溫度升高。
![](https://i.imgur.com/qxZ1xwu.png)



####    其他岩石行星
* 金星：大氣壓115kg/m^3^，溫室效應造成增溫約460度，表面實際溫度約430度
* Actually, 地球的溫室效應不太明顯。但地球的總碳量並不少於金星。可是地球將碳封存在生物圈、地圈，並不是在大氣圈，故使地球溫室效應不明顯。

##    碳循環
* 二氧化碳增加-> 大氣圈溫度增高-> 雨量增加-> 土壤二氧化碳增多
$3H_2O+2CO_2+CaSiO_3 -> Ca^{2+}+2HCO_3^-+H_4SiO_4$
* 土壤風化，溶解矽灰石，將二氧化碳+水+矽酸鈣形成鈣離子與碳酸氫根離子進入海洋。
$CO_2+H_2O->H_2CO_3$
$H_2CO_3->H^++HCO_3^--> CO_3^{2-}$
* 鈣離子在海中與碳酸氫根反應形成方解石，放出二氧化碳。或，碳酸(氫)根在海洋中被吸收，低於碳酸鈣補償深度時與其他離子反應形成沉積物，與海洋地殼一同隱沒，將碳封存在地圈。
* $Ca^{2+}+2HCO_3^- -> CaCO_3+H_2O+CO_2$
>雖放出二氧化碳，但整體而言減少一個二氧化碳。
* 溫度升高時，海洋生物將二氧化碳轉為碳酸鈣，降低溫度
* 降低溫度後，海洋生物封存的速度減慢，地圈排出的二氧化碳增加，使溫度增加，自成調控機制

* 西藏高原抬迅速增加，提供一堆碳酸根(更多礦物質)至海洋，導致海中碳酸鹽增加，海洋生物不斷造殼，海洋必須吸收更多大氣中的二氧化碳，使大氣中的二氧化碳減少，導致大氣溫度降低。而後風化速度減少，大氣中二氧化碳含量回升。

![](https://i.imgur.com/x6cQB2A.png)

### 岩芯溫度反演
* 海洋沉積物的岩心可用於反演古氣候溫度
* 氧16與氧18比值：
* 因海洋沉積物一定含有與水中的氧原子反應而成的碳酸鹽類礦物/矽酸鹽類礦物，海洋沈積物的碳酸鈣，其碳酸根中的氧多為水的氧原子

* 溫度越高，氧18在水中比例較高，陸地比例較低，反之。








