一、地球古今談

1-1 古今對地起源和演變的看法

1-2 地球的外貌

1-3 地殼均衡

1-4 曆法源自於日、月、地之相對運動

1-5 陽曆反映季節更替

(一) 地球起源的神話

  1. 中國西漢《淮南子．天文訓 》：宇宙在虛無飄渺中產生→輕清者飛揚成天、重濁者聚結成地、天地之精華形成陰陽氣、陽氣精華形成太陽、陰氣精華形成月亮→日月形成→剩餘之氣形成星辰
  1. 中國三國徐整《三五歷記 》：盤古開天闢地 - 盤古在一片混沌中雙手撥出天地、頂天踩地、日長一丈 →天日高一丈、地日厚一尺(自然萬物均源自盤古)
  1. 西方宗教神學創世說：天地萬物皆由上帝在7天內創造
  1. 西方哥白尼日心說：太陽為宇宙中心、行星以圓形軌道繞太陽公轉

(二) 太陽系起源

  1. 行星物質的來源

(1) 災變說

*1 認為行星物質是由某一次災變事件中從太陽分出來的 例：有顆恆星從太陽附近經過→潮汐力拉出

*2 此種學說已被放棄

(2) 星雲說

*1 認為整個太陽系由同一原始星雲(太陽星雲)形成→中央部分形成太陽、周圍部分形成行星等天體

*2 有觀測證據支持 普遍被接受

  1. 行星形成方式

(1) 觀測到之現象皆支持星雲說

*1 太陽、行星有自轉運動

*2 大多數行星之自轉、公轉方向相同

*3 行星以同一方向繞太陽公轉

*4 行星的公轉軌道 非常接近同一平面

*5 行星公轉軌道非常接近正圓形

(2) 康德、拉普拉斯的星雲說

*1 認為太陽系由同一團原始星雲冷卻收縮形成

*2 19世紀普遍被接受

*3 現在不被接受：星雲是受萬有引力收縮(收縮溫度會升高 甚至導致核反應)、不是因冷卻收縮

(3) 柯伊伯的原始星雲說

*1 太陽系附近是一片星雲→大部分物質受重力作用聚集在中央→形成太陽

*2 周圍的星雲物質先形成原始行星→原始行星內部物質密度大→內部固態、外部氣態

*3 距太陽進的行星→外部氣體被太陽輻射→蒸發掉→留下固態部分→形成類地行星

*4 距太陽遠的行星 溫低質量大→仍保留大量氣體→形成類木行星

(4) 霍伊爾的星雲說

*1 太陽系本身萬有引力→收縮、旋轉加快→形成圓盤狀、中心收縮升溫形成太陽

*2 旋轉的角動量：質量大的物質留在圓盤中心附近→形成類地行星、質量小的物質向外移動

(三) 近代普遍接受的星雲說

  1. 原始星雲→受自身引力收縮→中央密集處形成太陽、周圍形成一個氣體圓盤→原始太陽、行星系統
  1. 行星形成

(1) 類地行星：圓盤中塵埃物質互相吸引、碰撞、凝聚→由小而大形成幾公里大小的天體→微行星→微行星相互碰撞聚合→形成幾千公里的行星

(2) 類木行星：類地行星外側 有部分密度較高→局部氣體的收縮中心→形成行星(富含氣體、質量大的類木行星來源)

(3) 小行星、彗星：微行星形成行星的中間產物

(四) 古代中國對宇宙形狀的想法

  1. 蓋天說：天圓如張蓋、地方如棋局
  1. 渾天說：渾天如雞子、天體圓如彈丸、地如雞子中黃孤居於內，天大地小、天表裏有水、天之包地猶殼之裏黃。
  1. 宣夜說：宇宙無固定形狀、天體漂浮在虛空中 互相遠離→受「氣」影響而運行移動 進退不一

(一) 古代證明地球是圓的

  1. 船隻駛離：先 - 船身隱沒到地平線以下、後 - 桅桿消失
  1. 古人看見的平原或海面略呈弧形
  1. 月食：地球投影在月球上的陰影邊緣是圓弧形的
  1. 往北走 北極星仰角漸大
  1. 麥哲倫船隊航行繞地球一周

(二) 古人測量地球大小

  1. 埃拉托斯特尼(希臘哲學家)
  1. 夏至正午陽光直射 賽伊尼 一口水井底部(位23°N)
  1. 夏至正午 位賽伊尼北方的亞力山卓 陽光與立柱夾角7.2°(30.7°N)
  1. 7.2°/ 360° = 1/ 50 →此二城市之間距離(當時測量為800 km)為地球圓周的1/ 50→用圓周率計算地球圓周長、半徑(和今日精密測量數據非常接近)→2πR = 40000 km→R ≌ 6370 km

(三) 重力推測地球形狀

  1. 單擺週期T = 2π √ L / g ( L / g 在根號裡)→當擺長(L)固定→單擺距地心越遠→重力加速度(g)越小→週期(T)越大(即擺動越慢)
  1. 地球為略呈扁平之橢圓球體：赤道半徑較長、極半徑較短→赤道距地心較遠、重力加速度值較小
  1. 李奇(法國天文學家) 17世紀
  1. 一個在巴黎(49°N)報時準確的鐘→在蓋亞那(5°N)慢了2分半(過了同樣長的時間 但擺不完同樣的次數)→越近赤道 重力加速度值越小

(四) 現代測量地球形狀方法

  1. 衛星飛行受重力影響→軌道呈不規則狀→用地面追蹤站觀測人造衛星飛行軌跡→測出地球表面重力變化情形
  1. 重力模型分析地球形狀→梨形→北極附近高出橢圓球10多公尺、南極附近凹入20多公尺
  1. 不同精確度觀測

(1) 正球體：太空中以肉眼觀看 - 扁平率極低肉眼感覺是正球體

(2) 橢圓球體：精確至km的測量 - 赤道半徑6378 km、極半徑6357 km、扁平率1/ 298

(3) 梨形：以橢圓球體為基礎 將微小起伏誇大(m)

  1. 大地基準面：以全球平均海水面的重力值當參考 畫出的封閉曲面

(1) 地球質量分布不均→重力等位面有起伏

(2) 物質密度較小區域(如大陸地殼、深厚海水) 需較低之高度→得到相同重力值→大地基準面偏低

(3) 有海底山脈(如中洋脊)之海底→有較大重力值→海水聚集→海平面增高→大面積快速測量海地地形(精確度不高)

(一) 地殼均衡與地球內部構造

  1. 山根的發現

(1) 平原地區：無山脈在旁→鉛垂線應垂直地球表面 設垂於A點

(2) 僅受地球表面上質量之影響：假設有一山脈 設偏離至B點

(3) 實際觀察結果：偏離比較小 設為C點

  1. 地殼均衡學說

(1) 地球內部在某一深度上所受壓力應各地相當

(2) 山脈密度小→需有較大厚度才能產生相同壓力→山脈下方有山根

(3) 像不同高度之木塊浮在水中：露出水面高度越多→水平面下部分也越深

  1. 重力均衡模式

(1) 普拉特

*1 各地塊密度不同、無山根

*2 高度越大的地塊 密度越小

*3 實際狀態：北美落磯山脈地殼厚度與平原相似、無山根

(2) 艾瑞

*1 各地塊密度相同、有山根

*2 山越高 下方山根越厚(深)

*3 實際狀態：多數造山帶有山根(符合艾瑞的模式)

  1. 計算題

(1) 地殼密度2.8 g/ 立方公分、地函密度3.3 g/ 立方公分

(2) 左2(長30 km)與左3下方地函差10 km

(3) 求左3之地殼厚度：地殼均衡成立時→ P = 30×1000×100×2.8 + 10×1000×100×3.3 = 2.8 a →a值即為所求(單位：cm)

(二) 地殼的升降

  1. 斯堪地那維亞半島、加拿大北部：1萬多年前冰期受冰川覆蓋→複冰融化→陸地承受重量減小→現每年1 cm速度上升
  1. 地層受風化、侵蝕、搬運作用→表層岩石被移走→長期作用 必殼變薄→減少對下方地殼壓力→下方地殼抬升→原在地殼內部之岩石 如花崗岩類 出露到地表

(一) 日的由來

  1. 太陽日

(1) 太陽連續2次通過中天所需時間

(2) 地球自轉361°

(3) 真太陽日：一年中每個真太陽日不等長

(4) 平均太陽日：一年中所有真太陽日的平均值(長度24 hr)

  1. 恆星日

(1) 同一恆星連續2次通過中天所需時間

(2) 地球自轉360°

(3) 時間長度：23小時56分(1440/ 24 = 4 min)

(二) 月的由來

  1. 朔望月

(1) 從「望」到「望」(或從「朔」到「朔」)的月相盈虧週期

(2) 繞地球公轉約390°(360°/ 12個月 = 30°)

(3) 時間長度：29.53日(陰曆的1個月)

  1. 恆星月

(1) 月球繞地公轉的週期以無限遠之恆星為參考點

(2) 繞地球公轉約360°

(3) 時間長度：27.32日

(三) 年的由來

回歸年

(1) 太陽連續2次經過冬至點或夏至點所需時間(地球繞太陽公轉一周的時間)

(2) 時間長度：365.2422日(即365日5小時48分46秒)

(四) 現行的曆法

  1. 分類：太陽曆(陽曆) - 以太陽運行週期為依據、太陰曆(陰曆) - 以月亮運行週期為依據、陰陽合曆 - 同時考量月亮和太陽的運行週期
  1. 西曆、國曆

(1) 依據：以回歸年為1年

(2) 平年365日、閏年366日

(3) 置閏：每4年閏1年、每400年不閏1年(每400年有97閏年)→4的倍數閏、100的倍數不閏

(4) 特色：月份反映季節

  1. 回曆

(1) 依據：1年有12個朔望月、每朔望月為29.53日

(2) 平年354日、閏年355日(奇數月大月30日、偶數月小月29日)

(3) 置閏：30年內有11閏年(354×30 + 11 = 10631、差0.0124日)

(4) 特色：日期對應月相、月份無法反映季節

  1. 農曆(陰陽合曆)

(1) 依據：以朔望月為1個月、年平均長度接近回歸年

(2) 閏年有13個月

(3) 置閏：19年內有7閏月、中氣(偶數節氣)不在月頭或月尾→閏月(讓中氣在中間)

(4) 特色：日期對應月相(屬陰曆)、24節氣反映季節(屬陽曆)

  1. 清明為24節氣之一(國曆4/4 - 4/6之間)、雨水前的第1個朔日為正月初一

(一) 季節形成天文因素

  1. 節氣

(1) 春分：3/21

(2) 夏至：6/22

(3) 秋分：9/23

(4) 冬至：12/22

(5) 閏年→日期可能發生在上述前後1日

*1 太陽直射赤道、全球晝夜等長、日出於正東

*2 北半球夏半年開始、北極點永晝開始

*1 太陽直射北回歸線、北半球白晝最長、日出於東偏北

*2 北半球夏季、北極圈永晝

*1 太陽直射赤道、全球晝夜等長、日出於正東

*2 北半球冬半年開始、北極點永夜開始

*1 太陽直射南回歸線、北半球夜晚最長、日出於東偏南

*2 北半球冬季、北極圈永夜

  1. 地球自轉軸傾斜→太陽入射角變化、日照時數變化→季節變化
  1. 赤道地區全年晝夜等長
  1. 北半球夏半年 緯度越高 白晝時數越長
  1. 近日點 - 1月初、遠日點 - 7月初
  1. 晨昏線(晨昏圈)：由晨線、昏線(各半圓弧)組成、它在行星表面劃出白晝黑夜的交界線(亦稱灰線)
  1. 日出(日沒)時刻：因大氣折射→以太陽盤面中心在地平線下50角分(1° = 60角分)的位置為準(太陽視半徑為16角分)→即使為春分、秋分→日出至日沒為12小時7分左右

(二) 24節氣反映季節變化

  1. 經驗產物：結合長期天文觀測、長期氣候資料、長期物候知識和農事活動之需求
  1. 在地球繞太陽公轉之軌道 以春分點為基準點 360°分24等分→反映季節變化
  1. 黃河、長江流域發展出→名稱、代表意義不一定符合各地狀況
  1. 屬陽曆 每個節氣在陽曆日期變化小→上半年節氣在每月6日、21日前後 下半年節氣在每月8日、23日前後(有可能誤差1、2日)
  1. 分為節氣、中氣(中氣另可表示農曆月的特徵)
  1. 立春→雨水(農曆1月特徵)→驚蟄→春分→清明→穀雨→立夏→小滿→芒種→夏至(→遠日點)→小暑→大暑→立秋→處暑→白露→秋分→寒露→霜降→立冬→小雪→大雪→冬至→(→近日點)→小寒→大寒(斜體為中氣)
  1. 中國以立春、立夏、立秋、立冬為四季之始 西方以春分、夏至、秋分、冬至為四季之始
  1. 為分析方便→農曆1 - 3月為春季、國曆12 - 2月為冬季(依序推論)