2013年9月23日 星期一

DDS026-「地球的呼吸變大了?」

「呼吸(breath)」是人(當然包括所有動物)的生理本能之一,甚至是辨別一個人是否有生命跡象的準則之一。這裡先來段小插曲,記得當年我在美國教書時,有次參加在美國亞利桑那州鳳凰城(Phoenix, Arizona, USA)舉辦的學術研討會,晚間與他校教授,共進晚餐,席間談到各校招生的困境,因為那時正逢石油業最不景氣的年代(1980 年代中期),油價跌到谷底,每桶只要 16 美元,各校所有和「石油」相關的科系,都有了招生困難的問題。有位教授說,他們學校的「石油工程學系」,大學部的本科生,從過去近千人,驟減至十位數,另一位教授則說,他們學校「地質系」的招生標準已降到,只要你能「呼吸」,就可以入學。後者當然是戲謔之言,但也讓我印象深刻,原來「呼吸」也可以用來做為,大學入學的「衡量」標準。

藉此也奉勸下,目前為招生煩惱的同仁(特別在台灣),要知道現在的「大學」,是「資本主義」經濟體制下的產物,「市場」決定一切,君不見「小吃攤」前,大排長龍,「精品店」,因客源不同,老板娘蹺著二郎腿,拿個蒼蠅拍在打蒼蠅,難得有個顧客上門。熱門的產業,薪資好,有願景,就業率高,相關的科系,當然是「趨之若䳱」,人滿為患,而其他那些不景氣行業的科系,當然是「門可羅雀」,招生不易。不願接受這個事實,卻挖空心思,逕想各種花招來招攬學生,最後當然是「事倍功半」,甚至「徒勞無功」,淪為別人的笑談而已。你會問說:「那該怎麼辦?」坦白說,我當然「知道」該怎麼辦,但不好講,一來「不在其位,不謀其政」,二來你聽了也不舒服,那就是,告訴了你,你也不是那塊料,做不來的,還是不要知道比較好。

回到本文的「主題」上來,「呼吸」這個名詞,可不是「動物」的專享,「植物」也能「呼吸」,只是我們人和動物的「呼吸」,是吸入「氧」,呼出「二氧化碳」,而植物卻恰恰相反,是吸收入「二氧化碳」釋放出「氧」。後者指的就是植物的「光合作用(photosynthesis)」,在日光照射下,植物透過葉片的「氣孔(stoma)」,吸入空氣中的「二氧化碳」,再和根部汲取來的水份,合成有機質(即枝葉等),因此,白天時,日照充足,植物透過「光合作用」,得以成長,到了夜晚,沒有日照,植物反向操作,進行所謂的「呼吸作用(respiration)」,把「二氧化碳」釋放回大氣中。

由於每年夏季,溫度高,日照足,為植物的生長季節,植葉繁茂,植物使用大量的「二氧化碳」,到了冬季,枝葉落盡、分解,又把「二氧化碳」釋放到大氣中。以一年的周期來看,地表植物此種「夏-秋」季節的交替,直接反應在大氣中「二氧化碳」氣體濃度的變化,就是「夏低冬高」,如此年復一年,周而復始,有規律的季節性變化,就整個地球而言,有如人一般,擬之為「地球的呼吸(Earth’s breath)」。下圖(credit: NSF and NOAA),即是大氣中「二氧化碳」氣體濃度,在一年間的變化圖,由圖可見,其濃度在夏末(9-11 月間)最低,而冬季過後,在植物生長季來臨前時(5-6 月)最高。



因此,「地球」的「呼吸」,指的是地表大氣中,「二氧化碳」的濃度,隨著季節交替,而呈現的有規律變化,也就是「騏麟曲線(Keeling Curve)」中,所呈現的鋸齒狀的變化(請詳見前文DDS012-400 ppm CO2」)。說到「騏麟曲線」,不得不告訴你一些,有關「騏麟先生(Charles Keeling)」的典故。事實上,以上所說的這種大氣中「二氧化碳」的「季節性變化(seasonal variation)」,最早就是 Keeling 發現的,但這一發現,其實也完全是一種巧合和意外。

話說當年(1955),美國正準備開始執行,一項名為「國際地球物理年(International Geophysical YearIGY)」的計畫,其中需要測定大氣中「二氧化碳」的濃度,也就在這同時,有位英國工程師(Guy Callenda),聲稱人類自工業革命後,所有燃燒化石燃料(石油和煤),所造成的「二氧化碳」,全部都積累在大氣中,由於當時的分析技術還不是非常精準,Roger Randall Dougan Revelle 1909-1991;時任 Scripps Institution of Oceanography 所長,也是 IGY 計畫的主持人)相當質疑該等數據的準確性,也因而並不認同這種看法,因為他深信海水一定也會吸收,部分這些「人造」的「二氧化碳」。

當時他就和 Hans Suess1909-1993)兩人決定聘請 Keeling,藉重其分析化學的專長(美國西北大學化學博士,加州理工學院博士後),來發展出一套能精確測量大氧「二氧化碳」濃度的方法。在發展設計相關儀器設備的同時,為了驗證他的方法可行,Keeling 就到鄰近各地採集空氣樣品,然後帶回實驗室予以測試,剛開始,他還以為是方法或儀器出了問題,因為他發現,一天不同時間採回來的樣品,其「二氧化碳」濃度均不同,而且中午時的濃度最低,接下來,幾乎天天如此,這時他才幡然醒悟,原來他根本不是在測量,大氣中「二氧化碳」的濃度,而是在測量「地球的呼吸」:白天植物行「光合作用」,吸入「二氧化碳」,中午時,光照最強,吸入最多,到了夜間,沒了陽光,植物又把「二氧化碳」,釋回大氣,這樣一「吸」一「吐」,簡直像極了人的「呼吸」一樣!

閱讀到這裡,加上我前文 DDS012-400 ppm CO2」的介紹,你該清楚知道,什麼是「騏麟曲線」,而那些每年「鋸齒」狀的上下起伏變化,代表著「地球的呼吸」。但是,事情還沒完呢!就在這個月初(9 6 日;Science 341, 1085, 2013; DOI: 10.1126/science.1239207),科學家深入細究,這些「鋸齒」狀的變化時,赫然發現,過去 50 年來,它們變化的幅度,在北半球有逐年漸增的趨勢(見下圖;credit: The Carbon Dioxide Information Analysis Center),也就是說「地球的呼吸」,似乎變「大」了,或者說,「地球」似乎變成在「深呼吸」了,「吸入」更多的「二氧化碳」,也「吐」出更多的「二氧化碳」。此外,他們也發現,此種每年「季節變化的幅度(seasonal amplitude)」,隨著緯度的增加而加大,例如由北緯 45o 至北極,約增加了 50%,而從北緯 10o 45o 則僅增加了不到 25%。目前,科學家們還不太了解,造成這種現象的緣由何在?但相信和北半球高緯度地區,陸生植物的生態改變有關。


假如我們把每年大氣中「二氧化碳」濃度隨季節的變化,比喻為地球的「呼吸」,那另一個差可比擬的有規律變化,就是地球「北極」冰原覆蓋面積,隨著四季的「消」、「長」了:在冬季氣溫最低時,冰原面積擴張到最大,在夏季氣溫最高時,冰原面積減縮至最小。最近,有人利用「美國航太總署團隊( the NASA Visible Earth team)」,拍攝到的地球北極圖像,依月份組合成一連續的動畫(見下圖;credit and source: http://uxblog.idvsolutions.com/2013/07/a-breathing-earth.html )。我請你一定要上此網址好好的觀賞,它不但生動精美,更可以讓你感受,那「冰原」面積隨四季溫度的「消長」,像極了我們「心臟」的收縮和擴張,我估稱之為「地球的脈動、心跳」。



總結這篇短文的目的,無非是想告訴你:我們這個賴以為生的「地球」,像你我一樣,不但會「呼吸」,還有「脈動、心跳」哩!

2013年9月11日 星期三

DDS025-「我們的地球有幾個月亮?(II)」

此外,「月球」的另一特點是,其正(即面對「地球」的一面)、背(即背著「地球」的另一面)兩面的岩石組成和形貌,極不對稱,下圖(Credit: Mark A. Wieczorek the Creative Commons Attribution)即是由「Lunar Reconnaissance Orbiter LRO: NASA, http://apod.nasa.gov/apod/ap110303.html)」探測衛星,傳回來的最新衛星影像圖片(藍、紅色分別代表低窪、髙聳的地貌),顯而易見,「月球」的正面(下圖左),主要是由平緩的硬化後的熔岩(lava)所組成,其整體範圍,約佔了全部面積的三分之一,這些低漥地區,一度被認為是過去「月球」的海洋,因海水被蒸發殆盡,而殘留下來的海底,因而又被稱之為「海(maria)」,相反的,「月球」的背面(下圖右),佈滿著的卻是,高低起伏的高地(mountainous highlands)。這種截然不同,而又對比強烈的差異,隱示著「月球」由其起源演化至今的形貎,其間必有許多為人不知的轉折歷程,也牽引著,有關「我們的地球只有一個月亮嗎?」,這類議題的辯證,這是後話,容我在文後,再為各位解說。


其實,早在 1960 年代,美國航太總署(NASANational Aeronautics and Space Administration),在為其阿波羅(Apollo)登月計畫,所先進行的各種繞月飛行的衛星探險任務中,即發現每當衛星繞經,月球某處上空時,衛星的軌道,會因該處較大的重力牽引,發生偏離的現象。當然,這只是衆多太空探測任務中的小插曲,並不影響 1969 7 月,「阿姆斯壯(Neil Alden Armstrong1930-2010;見下圖其著太空裝的照片)」代表人類,首次登上月球的成功壯舉〔該次任務之編號為「阿波羅 11 號(Apollo 11)」〕。他當時(7 21 日)站在月球表面,向全地球人類問候時的名句:「這是個人的一小步,也是人類的一大步(This is one small step for man, one giant leap for mankind.  )」,至今仍是人類探測太空歷史中,最為膾炙人口的至理名言。


雖然如此,「月球」表面的這種「重力異常(gravity anomaly)」現象,卻一直困擾著科學家,經過多年的慎密規劃和探測儀器的進步,「美國航太總署」,決定於 2011 9 月開始執行一項名為「Gravity Recovery and Interior Laboratory GRAIL)」的探月任務計畫,該計畫主要是以,一對載有相同重力測繪儀器的兩顆衛星,先後以等間距繞行月球(為確保其固定的間距,飛行在後的衛星上,另加裝有一精密的測距儀器,其精確度可達一個紅血球的大小),依兩者繞月飛行時,其速度的改變(因受月球表面不同重力的影響),即可詳盡測繪到月球重力場的改變,並進而推估其內部岩石構造和組成的變化,該計畫歷經 9 個月的測繪,已於去年的 12 月宣告圓滿結束。

依據其測繪結果,科學家終於證實,月球表面確實散佈著,許多面積大小不一的「重力異常」區塊,這些重力髙區,稱之為「質量集中區(mass concentrations 或簡稱 mascons)」,有關此項研究的成果,也發表在今年 6 28 日,印行的「科學」期刊上(Melosh et al., The Origin of Lunar Mascon Basins, Science 340, 1522; DOI:10.1126/science 1235768)。下圖即為月表兩個,所謂「質量集中區」的「重力異常」圖,基本上,這類「質量集中區」在形貌上,均橫跨數百至上千公里,且呈現有如牛眼般的圓形結構和分佈。研究這些「重力異常」圖以及其他相關的密度等資料,科學家們相信,它們形成的原因,主要是來自,另一體積大小,約為目前「月球」三分之一左右的星體,在「月球」形成初期(約 40 億年前)與其碰撞,造成當時「月球」的外殻(crust)和其更深部融岩的混合、集結、塌陷,最後冷凝而形成,這也就是為什麼,前面提到的,「月球」正、背兩面,其岩石組成和形貌大不相同的原因。而此星體之存在,很可能就是,伴隨「月球」形成時,那個超巨大的「撞擊」所造成,只是因為其體積較小,而其繞「地球」運轉的軌道又不穩定,最後被「月球」吸引,而撞撞、粘合在一起,只是此次的撞擊,和40 億年前「地球」被撞擊後,形成「月球」的那撞擊力道相比,沒那麼的大而已。


下圖即是電腦模擬此過程的示意圖(Reference: Jutzi, M, and Asphaug, E., Nature 476, 69-72, 2011)。因此,我們今天舉頭望「明月」,看到的只有一個月亮,但是在 40 億年前,我們的地球,其實是有兩個月亮的!


最後,還有三則有關「月亮」的小常識,在此附上,與讀者分享:

(一)由於地球自轉,造成海洋(可流動)和海底的摩擦力,使得地球自轉的速度,變得漸緩下來,這種自轉速度的減緩,使得我們現在的一天,和上世紀相比,增加了約 1.7 毫秒(millisecond),為了維持「地球-月亮」這個系統的動力平衡,我們的月亮,則以每年約 3.8公分的速度,遠離我們地球而去。

(二)在傳說中的「嫦娥奔月」故事裡,若「嫦娥」真的可以奔月的話,她的速度至少必須要能達到,每秒 11.2 公里才行,即所謂脫離地球引力的「脫離速度(escaping velocity)」。

(三)反過來說,假如地球沒有這個月亮的存在,為了不被太陽巨大的引力吸去,我們地球的自轉速度,必須加快,如此一來,地球必須每 6-8 小時,自轉一周,也就是說,這時我們現在的一天 24 小時,將變成只有 6 8 小時,而一年也就從現在的 365 天,變成了 1000 多天。

最後,逢此佳節,不能免俗的,也藉此向各位尊敬的讀者,致上由衷的祝福,祝願大家「月圓人圓、心想事成」(見下圖;credit: www.nipic.com by zhaoy2510)。(全文完)



2013年9月2日 星期一

DDS024-「我們的地球有幾個月亮?(I)」

時光荏苒,歲月如梭,轉眼再過兩周,又將逢今年的中秋節了(9 19 日),俗話說:「每逢佳節,倍思親」,又說「故鄉的月亮,分外圓」,其中尤以唐代大詩人李白(公元701-762;字太白,號青蓮居士,現四川省江油市人),在他《靜夜思》中的「床前明月光,疑是地上霜,舉頭望明月,低頭思故鄉」,更是家戶喻曉的經典之作〔註:有熱心又好學之士,曾對以上「李白」詩句中的「舉頭望(明月)」,做了詳盡的考證,發現「李白」該詩的原句,應是「舉頭望(山月)」,謹記此存考。〕當然,這些都是騷人墨客,一抒情懷的千古佳作,我水平低、檔次差,不是這塊料,寫不出這種能爍古今的佳句,但又不甘寂寞,在此「佳節」,也想來和大伙兒,湊個熱鬧。好在,「中秋」嘛,不外「賞月」,那就讓我來和大家談談,以下有關我們這個「月亮」的諸多軼事:

(一)太陽系(solar system)中的八大行星,各自有多少個「月亮」?
(二)我們「地球」這個「月亮」,是怎麼形成的?
(三)我們的「月亮」,為什麼老是只有一面,朝向著我們「地球」?
(四)我們只有一個「月亮」嗎?

首先,說起我們這個可愛的「月亮(moon)」寶貝,它可不是我們「地球」的「獨享」或「專利」,在我們太陽系(solar system)的八大行星(planets)中,除了「水星」和「金星」外,我們的「地球」,說起來還是挺可憐的,僅僅只有一個「月亮」,比起其他行星,動輒有好幾個,甚至好㡬十個「月亮」的「大戶」而言,雖然不能說是真正的「三級貧戶」,但頂多也只能算是個普通的「個體戶」〔註:以「海王星」為例,迄今科學家已證實,它至少有 14 個「月亮」,而「木星」更有 67 個「月亮」!〕。因此,太陽系中,各行星有衆多的月亮,是「通則」,地球只有一個月亮,反而是「特例」,此外,木星的月亮(Ganymede,直徑為 5,262 公里)和土星的月亮(Titan,直徑為 5,150 公里),甚至比「水星(直徑為 4,880 公里)」還大。下圖(credit: Montage by Emily Lakdawalla. The Moon: Gari Arrillaga. Other moons data: NASA/JPL, Processing by Ted Stryk, Gordan Ugarkovic, Emily Lakdawalla, and Jason Perry)所示,即是各行星及其主要月亮的名稱和相對大小。


〔註一:太陽系中,八大行星指的是,繞太陽(sun;為發光體,稱為「恆星」)運行(revolve),而自身又能自轉(rotate)的不發光星體。依其離太陽距離的遠近,由內而外,依序為水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、和海王星(Neptune);註二:它們在太陽系中,與太陽相距的排列順序和彼此間的相對大小,請參考我前部落格文(DDS023-「宇宙有多大?」)中的第一圖。〕

其次,一個最根本,也可能是讀者們,最想問的問題,那就是我們地球這個「月亮」,是怎麼來的?目前來說,在衆多有關「月亮」來源的假說中,以「撞擊說(the Giant Impact Hypothesis)」的看法,最被科學界所認同,該假說認為,在太陽系初始形成時,有另一個,和「火星」大小類似,名為 Theia 的星體〔註:希臘神話故事中,「月亮(Selene)」母親的名字〕,撞上了當時的地球(proto-Earth)而形成的,下圖(creditNASA/JPL-Caltech)即是,藝術家描繪當時兩者碰撞的情形,據估計其撞擊的力道,約等同於400 億顆,投在日本廣島原子彈的威力。


其實,這個假說早在 1898 年即被 George Darwin (為知名進化論鼻祖 Charles Darwin 的兒子)所提出,但一直到 1974 年,才又被大多數科學家們所接受,主要是因為,經由電腦的模擬,証實只有這種在天體中的大規模撞擊(cosmic collision),才足以提供我們今天觀測到的,整個「地球-月亮」系統(the Earth-Moon system)所需的軌道動力。但是,即使如此,因為缺乏進一步的具體證據,這「撞擊說」也還是止於,諸多有關「月亮」起源學說之一而已。

直到去年十月間,科學家們分析,來自地球、火星、月球岩石和各類磒石的樣品,其「鋅(Znzinc)」的濃度及同位素組成(d66Zn and d68Zn)時,發現「月球岩石,「鋅」的含量較低,但卻有較重的「鋅」同位素值。這種異常現象,表示「月球」在其形成過程中,必曾歷經一比「地球」火山熔岩活動,還要更高溫的時期,因為只有在這種極高溫的條件下,那些具有較高揮發性的金屬(包括如鈉、鉀、鋅、鉛等),才能被蒸發掉了,因而使得其含量減少。同樣地,這種極高溫狀態下的蒸發現象,也能引起「同位素的分離效應(isotopic fractionation)」,使得「輕」的同位素,隨著蒸發而散逸到太空中,而那些「重」的同位素就殘留在「月球」上了。(請參見:Paniello, R. C, J. M. D. Day, F. Moynier, Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon. Nature, 2012; 490 (7420): 376 DOI: 10.1038/nature11507)。

其實,早期的科學研究即指出,雖然月球和地球岩石的化學組成相類似,但是一些地球上常見的「易揮發性物質(volatiles)」,在月球岩石中卻幾乎不存在(例如,受熱就最容易蒸發的「水」,首當其衝,在碰撞初始時,就被蒸發不見了,)這表示,如「撞擊說」所描述的,當 Theia Earth 碰撞時,所造成的巨大熱量(intense heat),會把所有「易揮發性物質」都蒸發掉了。對「鋅」而言,當其蒸汽上升至髙空時,由於高空溫度較低,這些金屬「鋅」的蒸汽,就開始凝結(condensation),使得具較重同位素值的「鋅」,和其他同位素值較輕的「鋅」,逐漸分離開來,最終,前者(重的;68Zn)至今仍殘留在月球上,而後者(輕的;66Zn)就逃逸到太空中而消逝了。以上的研究結果,因而給「撞擊說」提供了一個強而有力的支撐,也使得它在諸多有關「月球」起源的假說中,勝出一籌。

其次,另一有關「月亮」的有趣現象是:它永遠只是以同一面,朝向著地球,也就是說,我們在地球上觀賞「月亮」,永遠只能看到它的正面,並無法一窺其背面。這種現象,在天文學上,稱之為「潮汐鎖定(tidal locking)」(這裡的「潮汐」概念,就如同海洋的「潮汐現象」),它指的是,當兩個體積大小不一、質量不同的自轉星體(在此,你可以把這大、小兩個星體,分別視為「地球」和「月亮」),由於彼此引力的相互牽引,質量小者,往往繞著質量大者運轉(revolve),而且彼此臨近的一面,所受到的引力,較遠離的一面為大,長時間下來,因其腹背兩面受力的不同,而逐漸向外隆突(bulge),使得兩個原本為「球形」的星體,也會變得略呈「橢圓形」,這種變形,使得小星體的「自轉(rotation)」,受到拉扯(tug),轉速因而逐漸減緩,直到其「自轉」速度和其繞大星體「運轉」的速度一致時(即小星體自轉的周期,等於其繞大星體運轉的周期),便造成該小星體,永遠只有固定的一面,朝向著那較大的星體,此時的小星體就被視為,被此較大的星體「鎖定」了,也就是因為這種「潮汐鎖定」的原因,使得我們的「月亮」,永遠只以一面朝著「地球」。

另外,由於「太陽」對「月球」的引力,遠大於「地球」對它的引力,因此,「月球」不但繞著「地球」旋轉,它也繞著「太陽」旋轉,而且其繞「太陽」旋轉的軌道(orbit),幾乎和「地球」繞「太陽」旋轉的軌道差不多。下圖(credit Lucien Rudaux)即為兩者繞日軌道之示意圖,要注意的是,此圖只是為了顯以上所說,「月球」既繞「地球」,又同時繞著「太陽」運轉之情形,真實上,兩者繞日軌道是非常近似的,因為「地球-月球」之距離只有 384,400 公里,而「地球-太陽」距離為 149,600,600 公里,後者約為前者的 390 倍,也因此,可以這麼說:「月球」繞日軌道之所以呈波狀形,主要是受到「地球」的干擾,要是沒有「地球」的存在,我們的「月亮」,還是大致以目前的軌道繞日而行。(待續)