112 年 國立中正大學地球與環境科學系地震研究所《地球科學》

本大題主要考查地球科學的基礎知識，涵蓋地球內部結構、探測方法、成分推論及地磁成因。

(1) 地球內部構造的圖示與詳述：
地球內部由外至內可分為地殼 (Crust)、地幔 (Mantle) 與地核 (Core)。

• 地殼 (Crust)：最外層，厚度不均，大陸地殼較厚（約 30-70 公里），海洋地殼較薄（約 5-10 公里）。主要成分為矽 (Si) 和鋁 (Al) 構成的矽酸鹽類岩石，大陸地殼主要為花崗岩質，海洋地殼主要為玄武岩質。
• 地幔 (Mantle)：位於地殼下方，厚度約 2900 公里，佔地球體積的最大部分。主要成分為富含鎂 (Mg) 和鐵 (Fe) 的矽酸鹽類岩石，如橄欖岩 (Peridotite)。地幔可再細分為上部地幔（包含岩石圈的底部和軟流圈）和下部地幔。軟流圈 (Asthenosphere) 是地幔上部一個具有可塑性的區域，是板塊運動的基礎。
• 地核 (Core)：位於地幔下方，半徑約 3500 公里。地核又可細分為外核 (Outer Core) 和內核 (Inner Core)。
  • 外核：厚度約 2200 公里，主要成分為鐵 (Fe) 和鎳 (Ni) 的合金，為液態。
  • 內核：半徑約 1200 公里，主要成分也為鐵 (Fe) 和鎳 (Ni) 的合金，但因壓力極大，呈現固態。

地球內部構造示意圖（請參照原卷附圖或自行繪製）：
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
圖示應包含地殼、地幔（上部、下部）、外核、內核，並標示其大致厚度或半徑。

(2) 探測地球內部構造的方法與原理：
主要方法是利用地震波 (Seismic Waves)。地震發生時，會產生 P 波 (Primary waves, 縱波) 和 S 波 (Secondary waves, 橫波)。

• 原理：地震波在不同密度、溫度、成分和狀態（固態/液態）的介質中傳播速度和路徑會發生變化。
  • 折射 (Refraction)：當地震波從一種介質進入另一種介質時，其傳播方向會改變，速度越快，偏折角度越大。
  • 反射 (Reflection)：地震波遇到介面時，部分能量會被反射回來。
  • 速度變化：地震波在密度較高、壓力較大的區域傳播速度較快。
• 方法：
  • 地震儀 (Seismograph)：在全球各地佈設地震儀，記錄地震波到達的時間和強度。
  • 地震波傳播分析：透過分析來自世界各地地震的 P 波和 S 波到達時間、振幅、走時曲線 (travel-time curves) 以及它們的折射和反射現象，科學家可以推斷出地球內部的界面位置、物質狀態（固態/液態）以及密度變化。例如，S 波無法穿過液態外核，這是證明外核為液態的重要證據。

(3) 地球內部各分層的成分與推測結果：

• 地殼 (Crust)：
  • 岩石/礦物：大陸地殼主要為花崗岩 (Granite)，成分主要是長石 (Feldspar)、石英 (Quartz)、雲母 (Mica) 等。海洋地殼主要為玄武岩 (Basalt)，成分主要是輝石 (Pyroxene)、斜長石 (Plagioclase)。
  • 化學成分：地殼主要元素是氧 (O) 和矽 (Si)，其次為鋁 (Al)、鐵 (Fe)、鈣 (Ca)、鈉 (Na)、鉀 (K)、鎂 (Mg)。
• 地幔 (Mantle)：

本大題考查全球海洋環流的重要概念——溫鹽環流，以及其對氣候的影響。

(1) 溫鹽環流的路徑圖示與起點標示：
溫鹽環流 (Thermohaline Circulation, THC)，又稱大洋輸送帶 (Ocean Conveyor Belt)，是一種由海水溫度 (thermo) 和鹽度 (haline) 差異驅動的全球性海洋環流。

• 驅動機制：高緯度地區（如北大西洋和南極周圍）海水冷卻、結冰，鹽分濃縮，密度增加，下沉形成深層水。這些深層水流經全球大洋底部，然後在赤道或較低緯度地區因受熱而密度降低，重新上升，形成表層洋流，再流回高緯度地區完成循環。
• 目前的起點：
  • 北大西洋：特別是格陵蘭海 (Greenland Sea)、挪威海 (Norwegian Sea) 和拉布拉多海 (Labrador Sea)，這裡的海水冷卻、蒸發和海冰形成，導致海水密度增大而下沉，形成北大西洋深層水 (North Atlantic Deep Water, NADW)。
  • 南極周圍：南極海面結冰，鹽分釋放到周圍海水，加上極地冷空氣的冷卻作用，形成南極底層水 (Antarctic Bottom Water, AABW)。
• 可能的其他起點/重要地區：
  • 北太平洋：雖然北太平洋深層水的形成不如北大西洋顯著，但也有局部地區（如白令海）的海水密度增加而下沉，形成北太平洋深層水 (North Pacific Deep Water, NPDW)。
  • 印度洋：印度洋的深層水主要來自北大西洋深層水和南極底層水的輸入。
• 路徑示意：
  • 北大西洋高緯度地區（如格陵蘭海）的表層海水因冷卻和高鹽度而密度增加，大量下沉，形成北大西洋深層水 (NADW)。
  • NADW 向南流動，經過大西洋，進入南大洋。
  • 在南大洋，與南極周圍形成的南極底層水 (AABW) 匯合，並進一步向北擴散。
  • 深層水在全球大洋的某些區域（如赤道附近、太平洋和印度洋的特定上升流區）緩慢上升，成為表層洋流的補充。
  • 表層洋流（如灣流）將溫暖、低鹽度的海水輸送到北大西洋高緯度地區，完成循環。

圖示（請參照原卷附圖或自行繪製）：
🖼️【此處有附圖，請對照原卷】
圖示應包含全球主要大洋，標示出表層洋流（如灣流）的暖濕輸送，高緯度地區（北大西洋、南極）的海水下沉（形成 NADW, AABW），

本題考查古氣候學中，利用地質記錄重建過去環境變化的能力。需要列舉四種地質樣品，並說明它們能記錄的環境參數、時間尺度及解析度。

地質樣品能夠記錄環境參數，是因為這些參數在樣品形成過程中，會影響其化學成分、物理結構或生物標記。

以下列舉四種能紀錄環境參數的地質樣品及其說明：

1. 冰芯 (Ice Cores)

   • 紀錄環境參數：
     • 溫度：透過分析冰層中水分子同位素（如 $^{18}O$/$^{16}O$ 或 D/H 比例）可以重建過去的溫度。
     • 大氣成分：封存在冰層中的氣泡（如 CO2、CH4 等溫室氣體濃度）能直接反映過去大氣組成。
     • 降水量/積雪量：冰層厚度或密度變化。
     • 火山活動：火山灰或硫酸鹽 (sulfate) 沉降物。
     • 風塵通量：沉降的塵埃顆粒。
   • 時間長度：可達數十萬年（如南極和格陵蘭的冰芯）。
   • 時間解析度：可以非常高，從季節性到數年不等，取決於冰層的擾動程度和取樣密度。

2. 湖泊沉積物 (Lake Sediments)

   • 紀錄環境參數：
     • 溫度與濕度：透過分析沉積物中有機物的化學成分（如長鏈烷烴的 $\delta^{13}C$ 值、生物標記物如 GDGTs 的平均烷烴氧化程度 (BIT index) 和其同位素值）或植物花粉種類與豐度。
     • 降水量：湖泊水位變化（影響沉積物類型，如泥灰岩、有機質含量）、湖泊周圍植被變化。
     • 水體狀況：湖水 pH 值、鹽度（透過矽藻 (diatoms) 或介形蟲 (ostracods) 的物種組成或化學成分）。
     • 生物生產力：有機碳含量。
     • 地質事件：火山灰層、滑坡沉積。
   • 時間長度：數千年至數百萬年，取決於湖泊的歷史和沉積速率。
   • 時間解析度：通常為數年到數十年，取決於沉積速率。

3. 珊瑚礁 (Corals)

   • 紀錄環境參數：
     • 海水溫度：透過分析珊瑚骨骼中 Sr/Ca、Mg/Ca 比例或氧同位素 ($^{18}O$/$^{16}O$)。
     • 海水鹽度：透過分析 Sr/Ca 比例或 $\delta^{18}O$。

本題考查對溫室效應機制的理解，以及辨識自然與人為溫室氣體及其貢獻度的能力。

溫室氣體如何產生溫室效應 (Greenhouse Effect)

溫室效應是地球大氣層中一種自然的物理過程，使得地球表面溫度比沒有大氣層時來得溫暖。其過程如下：

1. 太陽輻射入射：太陽發出的主要能量是短波輻射（可見光和紫外線），穿透大氣層到達地球表面。
2. 地球表面吸收與反射：地球表面吸收了大部分太陽輻射，溫度升高。一部分輻射被反射回太空。
3. 地球表面輻射長波輻射：被加熱的地球表面會以長波輻射（紅外線）的形式向外散發能量。
4. 溫室氣體吸收長波輻射：大氣中的某些氣體，稱為溫室氣體 (Greenhouse Gases, GHGs)，它們的分子結構能夠吸收特定波長的長波輻射（紅外線）。
5. 溫室氣體再輻射：吸收了紅外線能量的溫室氣體分子會向各個方向再輻射能量，其中一部分會重新輻射回地球表面，加熱地表。
6. 大氣保溫：這個吸收和再輻射的過程，就像溫室的玻璃一樣，阻止了部分熱量散逸到太空，使得地球表面的平均溫度維持在一個適宜生命存在的範圍。

關鍵在於溫室氣體對長波輻射的吸收能力。 氧氣 (O2) 和氮氣 (N2) 是大氣中最主要的氣體，但它們是雙原子分子，結構對紅外線不敏感，無法有效吸收長波輻射。而溫室氣體，如水氣 (H2O)、二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、氧化亞氮 (N2O) 等，通常是多原子分子，其分子鍵的振動和轉動模式能夠與紅外光子的能量匹配，從而吸收紅外輻射。

工業革命前（自然狀態下）的溫室氣體及其貢獻度排名

在沒有人類大規模工業活動之前，地球大氣中的溫室效應主要是由自然存在的溫室氣體貢獻的。以下是主要的自然溫室氣體及其大致的貢獻度排名（從高到低）：

1. 水氣 (Water Vapor, H2O)：

   • 貢獻度：最高，約佔自然溫室效應的 60-70%。
   • 說明：水氣是地球上最豐富的溫室氣體，其濃度受溫度影響，形成一個正回饋機制（溫度升高 -> 蒸發增多 -> 水氣增加 -> 溫室效應增強 -> 溫度進一步升高）。但水氣的壽命較短，其大氣濃度主要由溫度決定，不像 CO2 等氣體是氣候變遷的主要驅動者。

2. 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO2)：

   • 貢獻度：約佔自然溫室效應的 25-30%。
   • 說明：CO2 是自然界中最重要的長壽命溫室氣體，通過火山活動、動植物呼吸、有機物分解等自然過程釋放到大氣中，並通過光合作用、海洋吸收等過程被移除。其在大氣中的濃度相對穩定，是維持地球長期平均溫度的關鍵。

3. 臭氧 (Ozone, O3)：

   • 貢獻度：約佔自然溫室效應的 3-7%。
   • 說明：主要存在於平流層（臭氧層，吸收紫外線）和對流層（作為污染物和溫室氣體）。自然狀態下，對流層的臭氧濃度相對較低，但仍有貢獻。