# 學長的決選筆記
## 目錄
頁岩氣
地震預警
台灣地理活動、氣候變遷

恆星結構與演化
外星人

大氣分層、天氣現象、K-H Wave
大氣穩定、空氣污染
雲物理
天氣學
斜壓不穩定

衛星遙測海洋學
海洋化學與生物
海洋運動、海洋物化性質、溫鹽環流
海洋聲學、海洋水色、海洋觀測儀器、海地交互作用

## 地質
### 頁岩氣
有油就有氣，有氣不一定有油。油比氣的產生條件更嚴苛。
[油氣探採：岩石的祕密＿科技大觀園](https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=89f22bc9-e0af-4294-95ab-baccf2c541cf)

甲烷水合物：封存於固態水中的甲烷氣，為新型態之能源。

頁岩氣鑽探：
1. 水平鑽井
2. 水力壓裂：增加傳導係數產生空隙，使天然氣供應順暢。

開採成本較高，但管線可使用現有的天然氣管，運輸成本較低。

台灣天然氣：
1. 南部泥火山
2. 恆春出火
3. 台東關山泥火山

### 地熱
地球初生熱源：
1. 隕石撞擊
2. 體積收縮
3. 放射性元素
1.、2.餘熱約20%，3.持續進行，約80%

近地表溫度梯度：
* sedimentary rock ~25ºC/km
* igneous rock ~35ºC/km
* 地下水 ~年均溫大致不變
### 地震波
#### 表面波
近地表區波速小，若體波發生全反射，形成 **陷波**，並逐漸發生建設性干涉，能量增大，與地表共振形成表面波。

表面波為二維方向擴散，因此在遠處，表面波振幅比體波大。(?)

* 不同頻率的表面波可反映不同地層的共振。

### 地震預警
* 現地型：收到P波後，保護測站附近區域。
* 區域型：解出震源後，發布全區域警報。解出規模後，依經驗公式計算震度。

### 地震震央求法
已知P、S波到達時間及P、S波速率，由時間=距離/速率
$t_S={d \over V_S}$，$t_P={d \over V_P}$

得$t_S-t_P=d({1 \over V_S}-{1 \over V_P})$，移向得

$d=(t_S-t_P)*({{V_SV_P} \over {V_P-V_S}})$

### 地震規模
#### 芮氏規模
* 使用伍德-安德森扭力式地震儀，於距震央100公里處測得水平震動最大振幅的對數值。
* 適用小區域
* 因大地震和一般地震的順時能量釋放大小都相同，但大地震的能量釋放時間長。造成兩者測得的芮氏規模一樣。芮氏規模最大準確值約為6.5

#### 體波規模
* 以P波最大振幅計算。
* 較大的地震的P波能穿越下部地函(因下部地函成分均勻，能量衰減少)，進而被遙遠測站測到。
* 使用短周期地震儀(1秒)
#### 表面波規模
* 利用遠地測站測得的表面波，地震儀垂直振動的振幅(雷利波周期約20秒)
* 淺源地震才會測得
* 使用長周期地震儀(>20秒)
#### 震矩規模
震矩$M_0= \mu(剪切係數)*d(斷層破裂位移)*S(破裂面積)$

震矩規模$M_w={2 \over 3}log(\mu dS)-10.7$

* 計算時注意單位!!!
### 地震分佈
大地震分佈
環太平洋地震帶 80%
歐亞造山帶 1X%

#### 地層下陷
* 自然過程，但人為效應加速
* 蘭陽平原、彰雲嘉、屏東枋寮
#### 地層上升
* 最快區域：中南部山區，一年上升8mm以上。
* 往北遞減，直至停止或陷落。

#### 年雨率
* 台灣年雨率～2500mm
* 年蒸發量800mm

#### 台灣地形複雜原因
1. 山高，面積小，導致河川坡度大。
2. 雨量豐沛，為最大外營力。
3. 颱風多。

#### 山崩
* 均夷過程
* 造山帶
* 強降雨

#### 降低 $CO_2$在大氣的量
* 植物使用後，掩埋封存於地層中。（多指海洋中的浮游生物 e.g.藻類）
* 矽酸岩風化+ $CO_2$ ➡️ 黏土 （風化除碳）

#### 氣候變遷影響
* 花期
* 作物分佈
* 蒸發量大，飽和水氣壓增高。
* 乾旱更乾，降雨更多。
* 氣溫增加，雨量變率 ⬆️

#### 降雨強度增加20%
* 水流量 ⬆️ 40%，以土體吸收的量為定位。
* 輸沙量 ⬆️ 90%，可搬走更多沈積物。
* 滯洪時間更長，對公共衛生有影響。
* 台灣最多雨：高屏溪的源頭。

#### 崩塌
* 震度>=6時，崩塌地海拔1500m（稜線上）
* 日降雨量>600mm，崩塌地在中游（山腰）

#### 土石流發生條件
1. 土石
2. 坡度
3. 降雨
* 颱風帶來的降水，多為側向侵蝕。

#### 影響風化因素
1. 流量
2. 溫度
3. 物理侵蝕
* 全台矽酸鹽風化速率一致，比世界平均高。
* 碳酸鹽南高北低，比世界平均高。
* 最抗風化的岩類是沈積岩。

### 放射性同位素定年
1. $\alpha$衰變 (衰變出氦原子核)
6. $\beta$衰變 (衰變出電子+微中子)
#### 常見的放射性元素定年
1. 銣-87/鍶-87 (T=488億年)
2. 鈾-238/鉛-206 (T=45億年)
3. 鉀-40/氬-40 (T=13億年)
4. 鈾-235/鉛-207 (T=7億年)
5. 碳-14/氮-14 (T=5730年)

#### 公式
令T=半衰期，t=經過時間，$N_i$=原母元素量，$N_f$=剩餘母元素量。

\begin{gather*} {N_f \over N_i} = {2^{-t \over T}}\end{gather*}

又，$N_f$ = $N_i+D_f$ ，$D_f$ = $N_f *( {2^{-t \over T}-1})$ = 衰變出的子元素量

#### 等時線定年
#### 封存溫度
當礦物晶體冷卻至母元素與子元素皆被鎖在晶格內，不得自由進出。

### 沉積岩
1. 依來源分:
* 碎屑沉積岩(占大多數)
* 非碎屑沉積岩(生物、化學沉積岩)
2. 依礦物組成分:
* 矽質沉積岩(富含石英)
* 泥質沉積岩(富含黏土礦物)
* 碳酸鹽岩(富含方解石、白雲石)

#### 成岩作用
1. **壓密**：由於重力影響，沉積物間會脫水、脫氣，使孔隙率降低。
2. **膠結**：含有礦物質的水在沉積物孔隙間流動，沉澱後固化。膠結物可為自身提供或外來。(如為石英，沉積岩較硬，如為黏土礦物，沉積岩較軟。)
3. **再結晶**：發生於生物、化學沉積岩。**礦物成分不變但晶型變**。
e.g.微晶方解石➡️顯晶方解石、珊瑚骨骼(霰石)➡️方解石(成分同，晶型不同)

#### 碎屑沉積岩
* 礫岩
* 角礫岩:圓度、球度差。母岩被破壞(風化、山崩、冰河、斷層、溶融、撞擊等)，且未經長時間搬運即堆積。
* 礫岩:大塊岩屑入河、海，在**流體摩擦碰撞**後才沉積。(若呈長扁狀可指示水流方向)
* 砂岩
* 石英砂岩:
* 長石砂岩:成熟度較低(淘選度差，易風化)
* 混濁砂岩:淘選度、圓度、球度差。可能是洪水、暴風、濁流所造成。
* 粉砂岩 :成分以石英為主，少有岩層。
* 頁岩 :有層理。易沿著平行層理裂開，稱頁理面。

#### 生物沉積岩
* 生物化學石灰岩 : 殼體為碳酸鈣，岩化後形成碳酸鹽岩。
e.g.礁灰岩、化石質石灰岩(由生物殼體化石組成)、微晶石灰岩(水中微生物造成細柱碳酸鈣沉澱)、白堊(浮游生物殼體，為深海鈣質軟泥)

* 生物化學燧石岩 : 分泌矽質殼體的浮游生物堆積而成。
e.g.矽質軟泥(有孔蟲、放射蟲堆積)

* 有機沉積岩 : 缺氧環境下，有機碎屑與其他沉積物一起成岩。隨厚度增加，溫壓上升，裂解後形成。
* 瀝青質 : 石油、天然氣、瀝青
* 碳質 : 煤、泥炭、油頁岩
* 煤的含碳量:(少)泥炭➡️褐煤➡️煙煤➡️無煙煤(多)
* 油母質:浮游生物殼體被分解、聚合而成(固態蠟狀)

#### 化學沉積岩(礦物質結晶所形成)
* 蒸發岩 : 含鹽類礦物的水蒸發後沉澱形成。蒸發量不同，岩類不同。
e.g.石膏礦物形成(水剩20%)、岩鹽礦物形成(水剩10%)
* 沉積環境:裂谷中(地塹、海洋裂谷)

* 化學石灰岩 : 經無機作用從水體沉澱。e.g.石灰華
* 地下水脫氣:$CO_2+H_2O+CaCO_3➡️Ca(HCO_3)_2$
$CO_2$脫離地下水，$CaCO_3$析出。
* 水蒸發:水蒸發，溶液達飽和，礦物析出。
* 微生物作用

* 白雲岩 : 石灰岩中方解石(Ca)被白雲石(Mg)置換。密度大
* 燧石 : 堅硬緻密的矽質化學沉積岩。
e.g.換質燧石、矽化木(石英換掉...，成因為火山灰覆蓋森林)、瑪瑙(熱液作用)
* 帶狀鐵礦層、海底錳核

## 海洋

### 海洋測量
* Density iinfluence factor：Temp, pressure ,salinity
* 測量準確度 accuracy
* 測量精密度 precision
* 單位：一般多為MKS制(meter-kilogram-second)
* 海洋使用CGS制(centimeter-gram=second)
* Length:depth(meter), distance(kilometers)
* Pressure:decibar(dbar)，海水每下降1m，壓力增加1dbar
* Temperature:(ºC)
* Salinity:no units(psu 鹽類實用單位)
* 1 N=kg・m/s^2^ , 1 dyne= g・cm/s^2^, 1dyne=10^-5^N
* 1Pa=N=m^2^
* 1bar= 10^6^ dynes/cm^2^ = 10^5^N/m^2^ =10^5^Pa

### 鹽度測量
蒸發法：鹽類可能會揮發。
滴定法：滴定海水中氯度，並以經驗法則推算其他鹽類濃度。
導電度：求得實用鹽度單位psu（比值）。
溫鹽密圖：解讀海水性質。

### 海水成分
海水來源：火山噴出之水氣形成（第二代大氣）
海水離子中氯離子最多的原因：

| 離子種類 | 停留時間 Residence time |
| -------- | -------- |
| Cl^-^| 大 |
| Na^+^| ⬇️|
| Li^+^| ⬇️|
| Sr^2+^|⬇️ |
|K^+^|⬇️
|Ca^2+^|小

$H_2S$：海水深處比例增加，因厭氧菌分解 $SO_4$^2-^並產生 $H_2S$ ，固體為黑色。

### 遙測衛星海洋學
* 光譜解析度：多少頻段能進行量測。
* 輻射解析度：電磁波變化的最小差異，2048灰階比256灰階描述更清楚的影像。
* 空間解析度
* 時間解析度

地球同步衛星：看廣、看遠，但看不太清楚
刈幅 swath ：指衛星掃描一次能夠包含的寬度。
#### 衛星測量
* 高度：透過雷達往返的時間差推算，結果呈現「正異常、負異常」
* 全球氣候變遷：海平面高度的變化趨勢。
* 聖嬰現象：東風減弱、西太平洋海水降低。
* 渦流
* 潮汐
* 海嘯
* 風速：透過有效波高帶入機驗公式推算。
* 海底地形
* 冰川：冰棚消長/體積估算。
* 動力高度：考慮地球重力轉動，海水應呈現的高度（大地水準面）。
* 雨量：跟海高沒有關係
* 海溫

#### 觀測海高異常
* 可觀察中尺度大小的 **eddies** ，推算當地流場、海洋動力。
* 可修正地形影響，調整潮汐模型。
* 可看見海嘯，但難以得知性質。因海嘯波高於大洋中僅1m內。

#### 觀測海嘯
* 無法用遙測觀測
* 海嘯為潛水波，能量可傳至地底。
* 可透過DART(Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis)觀測
[Wikipedia-Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis](https://en.wikipedia.org/wiki/Deep-ocean_Assessment_and_Reporting_of_Tsunamis)
暖渦：提供cyclone熱量並使海不降溫。

#### 海底地形
* 可以透過海底聲納測量，非遙測。
* 透過海水高度推算重力場強度，藉此得知海底地形。
* 遙測較可能產生誤差。e.g.地函熱柱。
* ~~所以有聲納測量就不需要遙測了~~

#### 海溫量測
* 被動量測
* 以紅外和微波量測
* 紅外線
優點：解析度高、精度高
缺點：會被雲擋住，會被大氣吸收，陽光反射會影響
* 微波
優點：不受雲層影響，可用以觀測颱風，但水氣過多仍會有影響。
缺點：解析度較低
* 波長短易受海表反射太陽光影響

### 水色
* 海洋生物影響
葉綠素 ➡️ 基礎生產力 ➡️ 影響浮游生物 ➡️ 漁產 ➡️ 漁場
　⬇️
固碳作用
* 水色照相：太陽光穿透水體後，被水中物質反散射，得到水體顏色。
* 為什麼海水是藍色的？
海水吸收紅光，藍綠光在水中存在時間最久＆瑞利散射。
* 約只有1%的光可達100m深。
* 西方邊界流：深藍色 e.g. 黑潮、墨西哥灣流
* 黑海：偏黑色
* 紅海：因岸旁紅棕色藻類得名，海水大致為藍色。

#### 黑潮
* 無法直接觀測（僅有些許水色差異）
* 高溫：從北赤道洋流(NEC)來。
* 高鹽度：黑潮從副熱帶區域海洋（北太平洋高鹽區域）來。
* 低營養鹽
* 早期定義：流速
* 觀測方式：浮球
* 黑潮在台灣東側，且會向西擺動。
1. 因海面上有中尺度eddies，會一直向西邊走，並撞上黑潮。
1. 季節影響。
* 魚群多跟隨黑潮移動（但此處無營養鹽。）
* 黑潮流速>1m/s（西方邊界流，表層較下層海水快），可用以發展海流發電。
* 聖嬰現象：聖嬰現象時北赤道洋流減弱，黑潮隨之減弱，反聖嬰現象反之。

#### 海表鹽度
* 量測方式
三色輻射儀 ➡️ 散射儀 ➡️ 修正海表粗糙度
* 量測原理
亮度溫度＝表面反射率＊溫度
表面反射率＝f(S,T,freqency,入射角)
已知反射率、溫度、亮度溫度、頻率、太陽入射角情況下，可推得鹽度

#### 海表的風
* 散射儀，但有一定適用範圍，且要考慮風壓而非風速。

### Marine animal impact factors
* Temp
* salinity
* pressure
* nutrients 營養鹽
* dissolved gases
* currents
* light
* suspended sediments
* substrate 基質
* river flow
* tides
* waves

海水魚嘴巴會一直喝水，淡水魚不會（？）
魚體多成流線型，可加快游行速度。
### eddies
* 當流體為湍流時產生的反向渦流。
* 小尺度eddies，如魚類游泳。
[Wikipedia_Eddy_(fluid_dynamics)](https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_(fluid_dynamics))
* 中尺度eddies：因流體不穩定移動產生。
* 熱水向北，冷水向南，分裂產生暖心環與冷心環。
* 暖心環位於北方，順時針旋轉，冷心環位於南方，逆時針旋轉。
* 也可能在距離邊界流十分遠的大洋中出現。
* 類似於大氣中的渦旋系統，但存活時間更久，尺度更大。
[Currents, Gyres, & Eddies](https://www.whoi.edu/know-your-ocean/ocean-topics/how-the-ocean-works/ocean-circulation/currents-gyres-eddies/)

## 天文
### 恆星結構與演化

恆星性質
* 亮度
* 光度
* 顏色
* 質量
* 體積
* 溫度
* 光譜
* 距離
* 年齡
## 大氣
中氣層：vertical movement ，水氣少，因此少成雲。
增溫層：隨太空天氣變化大。

均勻層：
85km內，大氣平均分子量～28.964。
非均勻層：
平均分子量隨高度遞減。

#### 測量 $O_3$
* $O_3$探空儀
* 遙測

#### 氣壓
* 由「密度」得出
* 卡門線：航天飛行器飛行的最高高度

#### 弗雷爾胞
* 無法觀測
* 位於中緯度，為一連串溫帶氣旋
* 鋒面（斜壓坡）
* 冷平流、暖平流
* 非常複雜，是平均後算出來的環流胞

#### 颮線
在主對流前的線狀對流。通常位於冷鋒前，冷空氣位於暖空氣上方。

#### 雲物理

水滴 2000μm
雲滴 20μm
凝結核 0.2μm
每上升一層，質量上升 $10^6$ 倍

#### 飽和

* 熱力平衡
* 機械力平衡
* 化學位勢平衡

#### Clausius–Clapeyron relation
* 水氣飽和的狀態

$\dfrac{dP}{dT}$=$\dfrac{L（蒸發潛熱）}{TΔV}$

ΔV=($ɑ_v$-$ɑ_w$) ɑ：比容

#### 雲的溫度
-40ºC ⬇️：全冰雲，完全沒有液態水。
0ºC ⬆️：全水雲。
0ºC~40ºC：可以過冷水存在。
5km，0ºC。為中層雲（ac,as）：過冷水＋冰晶
7km，-40ºC。高層雲（cc,cs,ci）：冰晶

雷雨胞
1. 生成期（cumulus stage）
2. 成熟期（maturity stage）
若低空環溫熱？雨滴落地前蒸發帶走熱量，下衝氣流更強。
3. 衰退期
對流減弱，雷雨衰退。

Kh波 (Kelvin–Helmholtz instability)
* 熱力上穩定
* 上下有風切

冰雪、凍雨、霰的差異？

#### 天氣尺度
行星尺度：行星風系、高層西風
大尺度：鋒面 front
中尺度：海陸風
小尺度：龍捲風 tornado
* 速度越大，科氏效應越不明顯。**但科氏力隨著速度增加**。
* 生命期越長，科氏效應越重要。

#### 氣象雷達
利用電磁波的反射或散射回波判斷物體的大小、形狀、速度等資訊。波長越短，精確度越高，但能量耗損也快，探測距離較短。

| 波段名 | 波長(cm) | 目標 |
| -------- | -------- | -------- |
| K | 0.75-2.4 | 雲 |
| X | 2.4-3.75 | 雨 (射控照明?) |
| C | 3.75-7.5 | 雨 |
| S | 7.5-15 | 雨(主要) |
| L | 15-30 | 搜索 |