113 年 國立臺灣大學海洋研究所物理化學組《普通海洋學》

本題考查影響海水導電度的因素。海水導電度的主要影響因素是水中離子的濃度和離子的移動速度。

(A) 溫度：溫度升高會使離子移動速度加快，進而增加導電度。
(B) 壓力：壓力對離子移動速度的影響較小，但會影響水的密度，進而間接影響離子濃度。

本題考查影響海水聲速的因素。海水中的聲速主要受溫度、鹽度和壓力影響。

本題考查海流的常見名稱。

(A) 潮流 (Tide current)：指受月球和太陽引力影響而產生的週期性海水流動。
(B) 沿岸流 (Coastal current)：指沿著海岸線流動的海流。
(C) 環流 (Gyre)：指在廣闊海域內大規模的圓形或橢圓形海水循環。

本題考查現代海洋研究常用的儀器設備。

(A) 南森瓶 (Nansen bottle)：一種用於採集不同深度海水樣品的傳統儀器，雖然有更先進的儀器，但仍可能在某些研究中使用。
(B) 溫鹽深儀 (CTD)：Conductivity, Temperature, Depth 儀器，是現代海洋學測量海水溫鹽深基本參數的標準儀器。

本題考查海浬 (Nautical Mile) 的定義。一海浬是基於地球的圓周定義的。一分鐘的緯度弧長定義為一海浬。
地球的赤道周長約為 40,075 公里。
地球的極周長約為 40,008 公里。

本題考查測量海水鹽度的化學方法。

傳統上，海水鹽度的測量主要依賴氯度 (Chlorinity) 的測定，再透過經驗公式計算鹽度。
(A) Argon Titration：與鹽度測量無關。
(B) Moor Titration：與鹽度測量無關。

本題考查浮游植物生長所需的必要巨量及微量元素。

浮游植物是自營生物，進行光合作用，其生長需要多種營養鹽。
(A) Nitrogen (氮)：是蛋白質、核酸等重要有機物的組成成分，是浮游植物的關鍵營養元素。

本題考查海水吸收二氧化碳後的化學變化。

當海水吸收更多的二氧化碳 ($CO_2$) 時，會發生以下化學反應：
$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$ (碳酸)
$H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$ (碳酸氫根離子)
$HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}$ (碳酸根離子)

(A) pH of seawater：由於 $H^+$ 離子濃度的增加，pH 會降低，海水會變得更酸。

核心觀念

本題考查標準海水中主要離子的組成。海水的鹽度 $S=35$ 表示每公斤海水約含有 $35\text{ g}$ 的溶解鹽類；在標準海水中，各主要離子所占比例近似固定，其中鈉離子 $\ce{Na+}$ 的平均含量約為：

這裡的 $S=35$ 在海洋學中通常指鹽度約為 $35$，實際上相當於約 $35\text{ g/kg}$，並非日常百分比意義的 $35\%$。

解題方法

標準海水主要離子的典型質量濃度如下：

因此，題目詢問海水的平均鈉含量時，直接查標準海水主要離子組成即可：

若換算成莫耳濃度：

所以鈉離子的濃度約為：

這也可用來判斷以數十 $\text{mM}$ 表示的選項不可能是鈉離子，因為鈉是海水中含量最高的陽離子之一，濃度應接近 $0.47\text{ M}$。

選項分析

本題考查台灣（中華民國）的海洋研究船。

本題考查穩定同位素與放射性同位素的區別。穩定同位素不會發生放射性衰變。

(A) $^{228}Th$ (釷-228)：是放射性同位素，屬於鈾衰變系列。
(B) $^{137}Cs$ (銫-137)：是放射性同位素，是核裂變產物，半衰期約 30 年。

本題考查海洋中水體（或特定物質）的滯留時間 (Residence Time)。盒子模式 (Box Model) 是用於估算物質在地球系統各庫（如海洋、大氣、陸地）中滯留時間的簡化模型。

滯留時間的計算公式為：
滯留時間 = (庫的總量) / (輸入或輸出的平均速率)

海洋的總水量約為 $1.35 \times 10^{18} m^3$。
全球河流年平均輸入淡水的總量約為 $3.6 \times 10^{13} m^3/year$。

本題考查海水中的常量元素與微量元素的區別。常量元素是指含量較高的元素，微量元素是指含量較低的元素。

通常，海水中的常量元素（Major elements）包括：氯 ($Cl^-$)、鈉 ($Na^+$)、硫酸根 ($SO_4^{2-}$)、鎂 ($Mg^{2+}$)、鈣 ($Ca^{2+}$)、鉀 ($K^+$)。
微量元素（Trace elements）是指含量低於 1 ppm (百萬分之一) 的元素。

本題考查板塊構造學說的發展史。

(A) Peter Santschi：在放射性化學和環境科學領域有貢獻，與海底擴張學說無直接關聯。
(B) Alfred Wegener：提出了大陸漂移學說 (Continental Drift Theory)，認為大陸是移動的，但未能解釋其動力機制。

本題考查板塊運動的幾何學描述。在板塊動力學中，板塊的運動可以看作是繞著一個固定點（稱為歐拉極，Euler pole）進行旋轉。這個歐拉極位於地球表面，並且對應於一個通過地心的假想軸。

本題考查 Wilson Cycle 的時間尺度。Wilson Cycle 描述了海洋盆地的形成、發展、關閉和消亡的完整過程。這個週期是一個非常漫長的時間尺度。

本題考查地球的內部結構。地球的厚度大約為 6371 公里。
地殼 (Crust) 的厚度變化很大，平均約 17 公里（大陸地殼約 35 公里，海洋地殼約 5-10 公里）。
地幔 (Mantle) 位於地殼之下，直到外核 (Outer Core) 的邊界。

本題考查熱液噴口的溫度。熱液噴口根據噴出流體的溫度和化學成分，分為「黑煙囪」(black smokers) 和「白煙囪」(white smokers)。

本題考查生物 Q10 溫度係數的定義。Q10 係數是指當溫度升高 10°C 時，生物反應速率變化的倍數。

$Q_{10} = (\frac{R_2}{R_1})^{\frac{10}{T_2-T_1}}$
其中：
$R_1$ 是在溫度 $T_1$ 時的反應速率。
$R_2$ 是在溫度 $T_2$ 時的反應速率。
$T_2 - T_1$ 是溫度差。

Q10 係數常用來描述生物代謝速率（如呼吸速率、酶活性）隨溫度變化的關係。

本題考查壓力對生物體（特別是細胞膜）的影響。壓力對細胞膜結構和功能有顯著影響，尤其是在深海生物中。深海生物需要適應極高的壓力。

增加 1000 大氣壓 (atm) 相當於約 1000 個標準大氣壓。
在生物學和生物化學中，壓力對反應速率和結構的影響，有時會用「壓力溫度當量」來描述，即在相同壓力下，溫度改變對反應速率的影響。

一般認為，每增加 100 個大氣壓，約相當於溫度降低 1°C 對生物化學反應速率的影響。

本題考查目前已知的海洋物種數量估計。海洋生物多樣性研究是一個活躍的領域，物種數量的估計值會隨著新發現和分類學的進展而變化。

本題考查影響海洋生物多樣性的因素。生物多樣性是受多種環境和歷史因素綜合影響的。

(A) 溫度：溫度是影響生物地理分佈和代謝速率的重要因素，不同溫度帶的海洋有不同的生物群落。
(B) 棲地 (Habitat)：棲地的類型（如珊瑚礁、深海平原、河口、極地冰緣等）提供了不同的生態位，決定了物種的棲息和生存條件。棲地的複雜度和多樣性通常與物種多樣性呈正相關。

本題考查動物的分類，特別是甲殼動物 (Crustacea)。

甲殼動物是節肢動物門 (Arthropoda) 下的一個亞門。
(A) 橈足類 (Copepoda)：是浮游性甲殼動物，常見於海洋和淡水。
(B) 頭足類 (Cephalopoda)：是軟體動物門 (Mollusca) 下的一個綱，包括章魚、烏賊、魷魚等。

本題考查赤潮 (Red Tide) 的主要成因。赤潮是由於某些水體中的藻類或甲藻等浮游生物在特定條件下大量繁殖，導致海水變色並可能產生毒素的現象。

(A) 雙鞭毛藻 (Dinoflagellates)：是引起赤潮最常見的生物類群之一。許多雙鞭毛藻物種會大量繁殖，形成赤潮，其中一些物種能產生神經毒素。

本題考查放射蟲 (Radiolaria) 的骨骼成分。放射蟲是一類單細胞的浮游原生動物，屬於放射蟲綱。

放射蟲的骨骼成分主要是二氧化矽 (SiO2)，也就是矽酸鹽 (Silicate)。這些矽質骨骼在海洋沉積物中非常普遍，是重要的沉積物來源。

本題要求繪製海底地形斷面圖，展示不同深度的海底地貌特徵。

基本海底地形斷面圖通常會包含以下幾個主要部分，從海岸向深海延伸：

1. 大陸棚 (Continental Shelf)：

   • 特徵：平坦、寬廣的淺水區域，坡度極緩。
   • 深度：通常不超過 200 公尺。
   • 地貌：可能覆蓋有沉積物，受河流、冰川作用影響。

2. 大陸斜坡 (Continental Slope)：

   • 特徵：從大陸棚邊緣急劇下降的區域，坡度陡峭。
   • 深度：從約 200 公尺下降至約 2000-4000 公尺。
   • 地貌：可能受海底峽谷切割。

3. 大陸隆起 (Continental Rise)：

   • 特徵：位於大陸斜坡下方，坡度逐漸變緩，形成堆積扇狀的地形。
   • 深度：約 2000-4000 公尺。
   • 地貌：由海底扇沉積物堆積而成。

4. 深海平原 (Abyssal Plain)：

   • 特徵：廣闊、相對平坦的區域，是海底最普遍的地貌。
   • 深度：通常在 3000-6000 公尺之間。
   • 地貌：由細小的沉積物（如矽質和鈣質沉積物、紅土）覆蓋，可能散布有海山或平頂山。

本題要求繪製海水中溶解氧 (Dissolved Oxygen, DO) 垂直分布圖，並說明其與海水深度及浮游生物的關係。

溶解氧垂直分布圖的典型特徵：

• 表層 (0-數十公尺)：

  • 溶解氧濃度通常較高，接近飽和或過飽和。
  • 原因：
    • 大氣中的氧氣溶解。
    • 浮游植物的光合作用產生氧氣。
  • 浮游生物（特別是光合作用的浮游植物）在此區域最為活躍。

• 氧最小層 (Oxygen Minimum Zone, OMZ)：

  • 特徵：在表層下方數十公尺到數百公尺（深度範圍因海域而異，通常在 200-1000 公尺之間）出現一個溶解氧濃度顯著降低的區域。
  • 原因：
    • 表層氧氣向深層擴散的速度較慢。
    • 大量有機物（來自上層的死亡浮游生物等）在此深度層分解，消耗氧氣。
    • 浮游生物的呼吸作用也消耗氧氣。
  • 此區域的溶解氧濃度可能非常低，甚至接近零。

• 深層 (超過氧最小層)：

  • 特徵：溶解氧濃度再次升高，但通常低於表層，並趨於穩定。
  • 原因：
    • 極深層的水體（如極地冷水團）在形成時富含氧氣，這些水團緩慢地向下沉降並擴散到深海。

初級生產量 (Primary Production) 是指生態系統中，生產者（主要是植物、藻類和某些細菌）通過光合作用或化學合成作用，將無機物（如二氧化碳和水）轉化為有機物的過程。這些有機物構成了生態系統的能量基礎。

主要類型：

1. 光合生產量 (Photosynthesis Production)：

   • 由能進行光合作用的生物（如浮游植物、海草、紅樹林等）完成。
   • 利用太陽能將二氧化碳和水轉化為有機物（如碳水化合物），並釋放氧氣。
   • 這是海洋生態系統中最重要的初級生產方式。

2. 化學合成生產量 (Chemosynthesis Production)：

   • 由能進行化學合成的細菌（如在深海熱液噴口、冷泉環境）完成。
   • 利用無機化學物質（如硫化物、甲烷、氫氣）的氧化能來合成有機物。
   • 在缺乏陽光的深海環境中，化學合成是主要的能量來源。

衡量單位：

初級生產量通常以單位時間、單位面積或單位體積內生產的有機物質量來衡量，常見的單位有：

• 質量/時間/面積： 例如 克碳/平方米/天 (g C/m²/day)
• 質量/時間/體積： 例如 克碳/立方米/天 (g C/m³/day)

海洋酸化 (Ocean Acidification) 是指由於大氣中二氧化碳 ($CO_2$) 濃度增加，導致海水吸收更多的 $CO_2$ 後，pH 值下降的過程。

關係機制：

1. 二氧化碳溶解入海：

   • 工業革命以來，人類活動（如燃燒化石燃料）排放了大量的 $CO_2$ 到大氣中。
   • 海洋吸收了大約四分之一到三分之一的人為 $CO_2$ 排放。
   • 當 $CO_2$ 溶解在海水中時，會發生一系列化學反應：
     $CO_2 (aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$
     (溶解的二氧化碳與水反應生成碳酸)

2. 碳酸的解離：

   • 碳酸是一種弱酸，會進一步解離，釋放出氫離子 ($H^+$)：
     $H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$
     (碳酸解離生成氫離子和碳酸氫根離子)
   • 碳酸氫根離子 ($HCO_3^-$) 也可能進一步解離，釋放出更多的氫離子：
     $HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}$
     (碳酸氫根離子解離生成氫離子和碳酸根離子)

3. pH 值下降：

   • 上述反應中，氫離子 ($H^+$) 的濃度增加，根據 pH 的定義 ($pH = -\log_{10}[H^+]$)，氫離子濃度的升高導致海水 pH 值下降。

海洋是一個廣闊且多樣的生態系統，存在著各種不同的環境，為不同的生物提供棲息地。以下列出五種不同的海洋生態環境：

1. 潮間帶 (Intertidal Zone)：

   • 定義：位於高潮線與低潮線之間的海岸區域，會週期性地被海水淹沒和暴露在空氣中。
   • 特徵：面臨嚴峻的環境變化，如海浪衝擊、溫度和鹽度的劇烈波動、陽光曝曬、脫水等。
   • 生物：需要有強健的附著能力、抗乾旱或抗鹽度變化的適應性，如藤壺、貽貝、海藻、某些螃蟹和海星。

2. 大陸棚/淺海區 (Continental Shelf/Neritic Zone)：

   • 定義：從海岸線延伸到大陸棚邊緣的淺水區域，深度通常不超過 200 公尺。
   • 特徵：陽光充足，營養鹽相對豐富，是海洋生產力最高的區域之一。
   • 生物：包括豐富的浮游生物（植物和動物）、底棲生物（如海草、珊瑚礁、魚類、蝦蟹等）。許多重要的漁業資源也集中在此區域。

3. 深海平原 (Abyssal Plain)：

   • 定義：位於大陸隆起之外，廣闊、平坦的深海底部區域，深度通常在 3000-6000 公尺之間。