109 年 國立臺灣大學海洋研究所物理與化學與地物組（3組聯招）《普通海洋學》

科氏力是地球自轉所引起的一種效應，它影響的是運動中的物體，而非靜止的物體。因此，選項 (D) 的說法是錯誤的。

地轉流是當流體在旋轉座標系統中運動時，由壓力梯度力與科氏力達到平衡而產生的流動。在海洋中，尺度較大的洋流（例如洋流、大尺度的渦旋）多數可以視為地轉流。衛星遙測（如測高儀）可以測量海面的高度變化，進而推算出壓力梯度，因此與地轉流的原理密切相關。然而，小尺度的海洋運動，例如湍流、局部環流或受地形影響的流動，可能受到其他因素（如摩擦力、地形阻力）的影響，與地轉平衡的關係較小。

核心觀念

本題考查黑潮的基本特性，包括：

1. 黑潮在台灣周遭海域的地理與洋流地位。
2. 黑潮的流速與水團性質。
3. 地轉平衡下，海表高度差與流向的關係。
4. 中尺度渦旋對黑潮路徑與流速的影響。

黑潮是北太平洋副熱帶環流的西側邊界流，源自北赤道流，經菲律賓東側、台灣東側後向北流，最後進入日本南方海域。由於西側邊界流受到風應力、科氏力與海盆尺度環流影響，具有流速快、流幅窄、輸送量大的特徵。

在北半球，地轉流中海水流向的右側為高海表高度、左側為低海表高度。黑潮主要向北流，因此其東側是流向的右側，海表高度應高於西側。

解題方法

逐項檢查黑潮的典型性質：

• 是否為台灣附近最重要的洋流？
• 海表高度差的方向與數值是否合理？
• 流速是否符合黑潮特徵？
• 是否屬於高溫高鹽水？
• 是否會受中尺度渦旋影響？

其中最需要判斷的是選項 (B)。方向上，黑潮向北流，東側確實位於流向右側，因此海表高度較高；但高度差達 $2$ 至 $3$ 公尺明顯過大，不符合黑潮一般的海表高度差量級。

由地轉平衡可估算海表高度差：

若以黑潮流速 $U \approx 1\ \text{m/s}$、黑潮寬度 $L \approx 100\ \text{km}$、中低緯度科氏參數 $f \approx 5\times10^{-5}\ \text{s}^{-1}$ 估算：

代入可得：

因此黑潮兩側海表高度差約為數十公分至 $1$ 公尺量級，並非 $2$ 至 $3$ 公尺。

選項分析

這題考的是海洋潮汐的基本概念。

(A) 潮差（最高潮位與最低潮位之間的差距）確實會受到海岸線的形狀（例如喇叭口效應）和海底地形（如淺灘、海峽）的影響，這是一個正確的敘述。
(B) 黑潮流域是指洋流的範圍，而潮流是潮汐週期性的漲退流。黑潮本身是一個強勁的洋流，但它也會受到潮汐的影響，例如在沿岸地區，潮汐的漲退流會與黑潮的流動方向和強度產生疊加或干擾。因此，說黑潮流域「不受潮流影響」是錯誤的。

這題考的是海水中的碳循環及其對 pH 值影響的知識。

海水中的氣體溶解度受溫度、鹽度和壓力影響。影響海水酸鹼值（pH 值）的關鍵氣體是二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO2)。二氧化碳溶解在水中會形成碳酸 (H2CO3)，碳酸進一步解離產生氫離子 (H+) 和碳酸氫根離子 (HCO3-)，以及進一步解離產生氫離子和碳酸根離子 (CO3^2-)。這個過程是：

這題考查海水化學的基本原則。

1819 年，法國化學家 Marcet 觀察到，儘管不同海水的總鹽度不同，但海水中的主要離子（如氯化物、鈉離子、硫酸根離子、鎂離子、鈣離子、鉀離子）的比例卻幾乎是恆定的。這個觀察被稱為 Marcet Principle（馬賽特原理）或恆鹽定律 (Law of Constant Salinity)。這個原理是海洋化學的一個基本概念，說明了海水的主要離子組成比例在不同海域是相對穩定的，即使總鹽度有所差異。

這題考查海水化學中，溶解元素在海水中的分佈型態。元素在海水中的垂直分佈主要受兩種機制影響：一種是「非移除型」（non-scavenged type）或稱「營養鹽型」（nutrient type），其濃度隨深度增加而增加（或保持相對穩定），通常與生物地球化學循環（如生物的攝取和釋放）有關；另一種是「移除型」（scavenged type），其濃度隨深度增加而降低，因為它們會被快速地從水中移除，例如透過吸附到顆粒物上沉降，或與沈積物發生反應。

我們來分析各個選項：
(A) 鈉離子 (Sodium, Na+) 是海水中的主要離子，其濃度非常穩定，幾乎不受生物地球化學循環影響，是典型的非移除型元素。

這題考的是海洋優養化 (eutrophication) 的概念。

優養化是指水體中營養鹽（nutrients）過度豐富，導致藻類和浮游植物大量生長（藻華, algal bloom）。當這些藻類死亡並沉降到海底，被微生物分解時，會消耗大量的溶解氧，導致局部海域缺氧甚至無氧，形成「Dead Zone」（缺氧區）。

在海洋中，最常限制藻類生長（即「限制性營養素」）的元素是氮 (Nitrogen) 和磷 (Phosphorous)。雖然鐵 (Iron) 在某些區域也是限制性營養素，但氮和磷是最普遍的。

這題考查海洋測勘技術的應用。在裝設離岸風機前，需要詳細了解海床的形貌（topography）和地質結構。

(A) 水下攝影：可以提供海床表面的視覺影像，但只能顯示局部區域，且受水體濁度和光線影響，無法提供整體地形或地下結構資訊。
(B) 測掃聲納 (Multibeam Echosounder)：這種聲納系統可以發射多束聲波，並接收海底反射的回波，從而精確地測量海底的深度和地形，生成高解析度的海底地形圖。這是測量海床形貌最常用的技術之一。

核心觀念

本題考查「由台灣向東橫越太平洋時，依地理位置判斷海底地形與板塊構造的順序」，重點包括：

1. 海盆：位於大陸邊緣或島弧之間的深海盆地，例如花東海盆。
2. 海槽：位於島弧後方的張裂構造，馬里亞納海槽即為典型的弧後盆地。
3. 海溝：聚合型板塊邊界中，海洋板塊隱沒所形成的狹長深凹地形。馬里亞納海溝是太平洋板塊向西隱沒所形成。
4. 洋中脊：張裂型板塊邊界，板塊向兩側分離並形成新洋殼。東太平洋隆起即屬於洋中脊系統。
5. 轉形斷層：連接板塊邊界、以水平錯動為主的斷層。聖安德烈斯斷層是太平洋板塊與北美板塊之間的重要轉形斷層。

解題方法

由花蓮向東航行，可依照東西方向排列主要構造：

判斷依據如下：

• 花蓮東側緊鄰台灣與菲律賓海板塊之間的花東海盆。
• 再向東進入馬里亞納島弧系統的西側，先經過島弧後方的馬里亞納海槽。
• 繼續向東則到達馬里亞納島弧外側的馬里亞納海溝。
• 越過海溝後進入太平洋板塊，向東橫越太平洋中部會通過張裂型板塊邊界，即東太平洋隆起。
• 接近美國西岸舊金山時，會遇到太平洋板塊與北美板塊交界的聖安德烈斯斷層系統。

因此正確順序為：

選項分析

(A) 西菲律賓海盆、馬里亞納海溝、馬里亞納海槽、東太平洋隆起

錯誤。

這題考查海洋地質學和板塊構造學的相關知識。

(A) 海洋中最老的海洋地殼通常在地殼形成後，隨著洋中脊向兩側擴張，距離洋中脊越遠，年齡越大。西北太平洋（如日本海溝以東）由於是太平洋板塊的俯衝區，而太平洋板塊是地球上最古老的海洋板塊之一，因此西北太平洋確實擁有非常古老的海洋地殼。這是正確的。
(B) 沈積物岩心記錄了過去沉積物顆粒的來源、類型、化學成分、生物遺骸等信息，這些信息可以反映過去的海洋環境（如溫度、鹽度、生產力、洋流、氣候變化等）。這是正確的。

核心觀念

本題考查海洋沉積物的：

1. 來源分類

   • 生物來源（biogenous）：由生物殼體、骨骼或有機殘骸形成，例如矽藻、放射蟲及有孔蟲。
   • 岩石來源（lithogenous）：由岩石風化、侵蝕、火山活動產生，例如陸源碎屑與火山灰。
   • 化學來源（hydrogenous）：由海水中溶解物質沉澱形成。

2. 沉積物成熟度

   • 沉積顆粒經過長距離搬運與反覆磨蝕後，通常會變得較圓、較均勻，並且不穩定礦物逐漸減少，因此成熟度提高。
   • 判斷顆粒圓鈍程度時，應觀察的是顆粒邊角的圓度（roundness），而非單純表面是否平滑。

3. 沉積速率與海洋環境

   • 淺海接近陸地，接受大量河流、海岸侵蝕及火山輸入，沉積速率通常高於遠離陸地的深海盆。
   • 碳酸鹽補償深度（CCD）以下，碳酸鈣容易溶解，因此沉積物以不含碳酸鈣的深海黏土為主。

解題方法

逐項檢查各敘述是否符合海洋沉積物的來源、成熟度與分布原則。

本題的關鍵在於選項 (B) 將「顆粒表面圓滑」直接等同於「成熟度較高」。沉積物成熟度的常用判斷依據是顆粒的圓度與分選度，並非表面是否光滑。表面圓滑可能只反映磨蝕或表面風化，不能單獨作為成熟度的判定標準。

選項分析

(A) 矽藻提供生物來源的沈積物顆粒

正確。

矽藻具有由二氧化矽構成的細胞壁，死亡後其殼體沉降並累積，可形成矽質軟泥（siliceous ooze），屬於生物來源沉積物。

(B) 沈積顆粒表面較為圓滑者的成熟度較高

錯誤。

艾克曼輸送 (Ekman Transport) 是指在風力驅動下，海洋表層水體受科氏力影響，導致有效的水體運動方向與風向呈約 90 度角（北半球向右，南半球向左）的總體輸送現象。

原理簡述：
當風吹拂海面時，它會對表層海水施加一個切應力，使水體開始運動。然而，由於地球自轉產生的科氏力，運動中的水體會發生偏轉。在表層，水體受風力直接推動，但同時受到科氏力向右（北半球）或向左（南半球）的偏轉。由於摩擦力，表層以下的每一層水體都會受到上方水體的拖曳，並同時受到科氏力的偏轉。這種逐層減速和偏轉的效應，形成了一個所謂的「艾克曼螺旋」(Ekman spiral)。

艾克曼輸送是指，將整個艾克曼螺旋中所有水層的運動速度向量疊加起來，其平均速度方向約為風向的 90 度角（北半球向右，南半球向左）。這意味著，風將表層水向一個方向吹動，但實際的水體總體輸送卻是垂直於風向的。

重要性：
艾克曼輸送在海洋學中具有極其重要的作用，主要體現在以下幾個方面：

1. 湧升流 (Upwelling) 和下降流 (Downwelling) 的形成：

海洋潮流 (tidal current) 是指由潮汐現象引起的週期性海水運動。其形成的主要原因是太陽和月球對地球的引力作用，以及地球自轉。

主要成因：

1. 天文引力 (Gravitational Force)：

   • 月球引力： 月球是影響地球潮汐的主要天體。月球對地球的引力在靠近月球的一側最強，在遠離月球的一側最弱。這種引力的差異（潮汐力）會導致地球上的海水在面向月球的一側隆起（潮汐隆起），同時在地球的另一側（背對月球）也形成一個相對的潮汐隆起。
   • 太陽引力： 太陽的引力也會對潮汐產生影響，但由於太陽距離地球遠得多，其影響力約為月球的一半。當太陽、月球和地球排成一線時（新月和滿月時），太陽和月球的引力疊加，產生較大的潮汐（稱為望潮或朔潮）。當太陽和月球成直角時（上弦月和下弦月），兩者的引力部分抵消，產生較小的潮汐（稱為斜潮）。

2. 地球自轉 (Earth's Rotation)：

   • 地球自轉使得海水中的潮汐隆起相對地球表面移動。當地球自轉經過一個潮汐隆起時，就會產生一個漲潮；當經過兩個潮汐隆起之間的區域時，就會產生一個落潮。這種地球自轉是造成潮汐週期性漲退的直接原因。

3. 慣性離心力 (Inertial Centrifugal Force)：

   • 由於地球和月球（或太陽）共同繞著一個共同的質心旋轉，地球本身也受到一個慣性離心力的作用。

表觀耗氧量 (Apparent Oxygen Utilization, AOU) 是海洋化學中的一個重要概念，它代表了海水中所消耗的溶解氧量，這個消耗量是通過將實際觀測到的溶解氧濃度與該水體在達到其最終溫度和鹽度時理論上的最大溶解氧飽和濃度進行比較而得出的。

定義與計算：
AOU 的計算公式為：
$AOU = C_{sat} - C_{obs}$

其中：

• $C_{sat}$ 是在觀測到的海水溫度和鹽度下，海水達到飽和狀態時的溶解氧濃度。這個值可以通過查閱溶解氧飽和度表或使用經驗公式計算得到。
• $C_{obs}$ 是在現場實際觀測到的溶解氧濃度。

意義與解釋：
AOU 的值通常為正值，表示海水中的溶解氧已被消耗。正的 AOU 值反映了水體在離開海洋表層（氧氣飽和區）後，在海洋深處進行生物過程（主要是呼吸作用和有機物分解）時消耗了溶解氧。

• AOU = 0： 表示該水體中的溶解氧濃度等於其在當前溫度和鹽度下的飽和濃度，意味著該水體可能剛從表層進入深層，或者其生物過程消耗的氧氣恰好被來自其他來源（如化能合成）的氧氣所補充。
• AOU > 0： 表示該水體中的溶解氧已被消耗。AOU 值越大，表示消耗的氧氣越多，通常意味著該水體在深層停留的時間越長，或生物活動越劇烈。

Redfield 比值是海洋學中一個重要的經驗關係，由 Alfred C. Redfield 在 1934 年提出。它描述了海洋浮游植物體內碳 (C)、氮 (N) 和磷 (P) 的平均原子比例。該比值通常為 C:N:P = 106:16:1。

這個比值不僅反映了浮游植物體內的元素組成，也廣泛用於估算海洋中這些元素的循環和生物地球化學過程。

海水中光合作用的通式 (以 Redfield 比值為基礎)：

光合作用是海洋生產者（主要是浮游植物）利用太陽能將無機物（二氧化碳和水）轉化為有機物的過程，同時釋放氧氣。根據 Redfield 比值，我們可以推導出一個代表性的光合作用反應式，它表示了浮游植物在吸收 CO2、硝酸鹽 (NO3-)、磷酸鹽 (PO4^3-) 並利用光能合成有機物（表示為 $CH_2O$ 或更複雜的有機分子）和釋放氧氣 (O2) 的過程。

若以 Redfield 比值 C:N:P = 106:16:1 為基礎，並考慮海水中的主要無機營養鹽形式（硝酸鹽和磷酸鹽），則光合作用的通式可以寫成：

$106 CO_2 + 16 NO_3^- + PO_4^{3-} + 122 H_2O + \text{光能} \rightarrow (CH_2O)_{106}(NH_3)_{16}P + 138 O_2$

「大陸漂移」(Continental Drift) 和「海底擴張」(Seafloor Spreading) 是板塊構造學說的重要組成部分，它們提供了關於地球大陸和海洋地殼運動的關鍵解釋。

大陸漂移 (Continental Drift) 的證據：

大陸漂移假說最早由阿爾弗雷德·魏格納 (Alfred Wegener) 在 1912 年提出，認為地球上的大陸曾經是一個連接在一起的超級大陸（盤古大陸），後來分裂並漂移到現在的位置。其主要證據包括：

1. 大陸的吻合性 (Jigsaw Fit of Continents)： 南美洲的東海岸和非洲的西海岸在形狀上非常吻合，就像拼圖一樣。其他大陸的邊緣也顯示出這種吻合的特徵。
2. 地質構造的連續性 (Continuity of Geological Structures)： 在分離的大陸上，可以找到相似的地質構造、岩石類型和山脈。例如，阿巴拉契亞山脈（北美）和蘇格蘭的加勒多尼亞山脈在年代和結構上非常相似，如果大陸能夠重新組合，它們將會是連續的山脈。
3. 化石的分布 (Distribution of Fossils)： 在不同大陸上發現了相同或相似的古代動植物化石，這些生物在當時不可能跨越大洋遷徙。例如，發現於非洲、南美洲、印度、南極洲和澳洲的舌羊齒 (Glossopteris) 植物化石，以及在南美洲和非洲發現的爬行動物 Mesosaurus 的化石。
4. 古氣候證據 (Paleoclimatic Evidence)： 在現今的熱帶地區（如非洲、南美洲）發現了冰川沉積物（如冰磧石），而在現今的高緯度地區（如南極洲、澳洲）發現了煤炭（形成於熱帶沼澤環境）。這表明這些大陸在古代曾經位於不同的緯度帶。

海底擴張 (Seafloor Spreading) 的證據：

板塊 (Tectonic Plate)

板塊是指地球岩石圈（lithosphere）被分割成的一系列巨大、堅硬、相對獨立的塊體。岩石圈包括地殼和上部地幔的一部分。這些板塊漂浮在地函軟流圈（asthenosphere）之上，並緩慢地移動。地球表面約有十幾個主要的大型板塊和數十個小型板塊。

板塊的劃分與決定：

板塊的劃分是基於對地球岩石圈進行的空間分割。確定板塊邊界的方法主要依賴於對以下地質現象的觀測和分析：

1. 地震活動 (Seismic Activity)： 大部分地震都集中發生在板塊的邊界區域。地震活動的集中區域，尤其是深源地震的出現，是劃分板塊邊界的重要指標。
2. 火山活動 (Volcanic Activity)： 許多火山也集中在板塊邊界，特別是俯衝帶（隱沒帶）和洋中脊。
3. 地形特徵 (Topographic Features)： 顯著的地形特徵，如高聳的山脈（碰撞帶）、深邃的海溝（俯衝帶）、以及海底的山脈（洋中脊），通常標誌著板塊邊界的所在。
4. 岩石圈的年齡和組成： 不同板塊的岩石圈在年齡、厚度和組成上可能有所不同。
5. GPS 測量 (GPS Measurements)： 利用全球定位系統 (GPS) 可以精確測量板塊之間的相對運動速度和方向，從而確定其邊界。

板塊邊界 (Plate Boundary) 的類型：

板塊邊界是兩個相鄰板塊相互作用的區域，根據板塊運動的方向，主要分為三種類型：

1. 離散型邊界 (Divergent Boundary)：
   • 定義： 兩個板塊相互分離，新的岩石圈在地函物質上湧後冷卻形成，不斷產生。
   • 特徵： 主要發生在洋中脊（Mid-Ocean Ridge）和大陸裂谷（Rift Valley）。
   • 例子： 大西洋中洋脊、東非大裂谷。