捉摸火山的壞脾氣! 預測火山爆發(Volcanic Eruption)-利用簡單傾斜儀展示火山爆發前的隆起
台灣師範大學地球科學所科學教育組林蓓伶碩士生/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

利用膠帶將兩塊板子相接的一側固定住，並將其放在桌子的邊緣。將兩個容器中裝約一公分高的水，可以的話利用墨水、咖啡或茶染色。 在與接合點等距的位置，兩側板子各放一個容器，並以膠帶固定。擺放一個汽球或是塑膠袋在板子接合處主軸下方。請一位學生緩慢的將氣球或塑膠袋充氣。其他的學生則使用量角器測量板子與水平面的夾角。此展現了安裝在火山上的傾斜儀是如何運作的。當火山隆起時，是因為在下面的岩漿升高，造成火山形狀的改變。此時傾斜儀中的液體將會流動，傳送電子訊號-回到原點。 Continue reading →

板塊動？熱點動？ (Plate tectonics or hot spots?)
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

綜合了韋格納「大陸漂移說」及海斯的「海底擴張說」，並配合全球地震觀測網的紀錄，「板塊構造學說」於焉誕生，對於地球上各處的地質構造和景觀，也有了合理的解釋。若我們觀察全球火山、地震帶與板塊邊界的分布，會發現上列三者在位置上似乎皆能互相對應，這也與板塊邊界伴隨的地質活動有密切關聯。

不過地球上仍有一些火山並非發生在板塊的交界，這意味著除了板塊邊界的岩漿活動外，板塊內部也可能有旺盛的岩漿活動，熱點 (hot spots) 即為一例。熱點 (hot spots) 是地球內部的熱對流以熱柱 (plume) 方式，將岩漿直接送到地表，若熱點恰好落在移動的板塊上，就會在板塊上留下痕跡並形成島鏈。運用此一假設觀察最富盛名的夏威夷–帝王火山島鏈，並佐以岩層定年，則可推測其彎折形態是4千7百萬年前太平洋板塊運動方向改變所造成（如圖）。自此火山島鏈便成為板塊構造學說的有力證據，也作為判斷板塊移動方向的根據。 Continue reading →

能源(Energy)轉型的希望
國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

地球上到底還有多少的煤及石油可以使用呢？從數年甚至數十年前，人們就開始尋求這問題的答案，可見在看似取之不盡、用之不竭的榮景下，能源危機可能早已悄悄地襲捲而來。 在人類的歷史中，能源供應的因素深深影響發展的方向與速度。木材是人類最早使用的燃料，繼而是煤。自第一次世界大戰後，石油、天然氣的開發，以及石化工業技術迅速發展，世界經濟逐漸轉型成為以石油為基礎的體系。直到第二次世界大戰後，能量需求遽增，能源危機的發生，似乎也警告世人石油時代即將結束。在今後數十年，除了儲油豐富的國家，大多數國家都將迫切尋求替代能源。體認到此一困境的人，便把眼光轉回地球儲量尚多的煤，且奠基於早期的使用經驗，具備近期內替代石油燃料的資格，且和石油及天然氣一樣，煤也具備化工原料及燃料兩項主要用途。 Continue reading →

地球歷史的另一把尺：生物地層學（Biostratigraphy）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

根據地層疊置定律和化石群連續定律，我們可將各地區的岩層上下關係排列出來，再以各個地層中所含的化石，作為各地岩層相對時間的指準，將世界各地的沈積岩層按照時代先後排列起來，就是一張標準地質柱狀剖面圖（Standard Geologic Column）。這樣的資料可以顯示地層的上下順序，也可以表示時代先後，並且依照不同的証據，而有不同的地層單位分法。如岩石地層Lithostratigraphic以群Group、層Formation、段Member、岩層Bed(s)；時間地層Chronostratigraphic分：宇Eonthem、界Erathem、系System、統Series、階Stage、時帶Chronozone；地質年代單位分：元Eon、代Era、紀Period、世Epoch、期Age、時(段)Chron。而生物地層是用生物的出現結束或是演化作為分期。
從寒武紀（ 5.4億年前）以來，已有數百萬個物種出現又滅亡，某些物種滅亡後形成化石保留在地層中。它們的出現和滅亡時間為岩層對比提供了最好的資料。生物地層就是使用一組岩層中所含的同一化石或一組古生物特徵，來區分上下的關係。
生物地層使用的單位根據國際地層委員會ICS所設立的國際地層小組ISSC，於1976年刊行國際地層規則（International Stratigraphic Code）所示，以「生物帶（Biozone）」為生物地層單位的通稱。而且生物帶不同於岩石地層單位與時間地層單位，並沒有代表時間長短，而是純粹用不同的生物特性來定義，並且按照不同地區岩層中化石特性的不同，可分成幾種主要的生物帶類型。
一、 組合帶（Assemblage-zone）：由一群化石的組合所定義。
二、 生存帶（Range-zone）：由某一種類的化石生存時間所決定。
三、共存帶（Concurrent-range-zone）：由幾種化石共同生存時間的組合所決定。如下圖所示，箭頭表示生物的出現或滅絕位置。
四、 複合帶（Oppel-zone）：由一組化石的共同出現所定義。
五、 系統帶（Lineage-zone）：由化石演化系統的出現及滅絕所決定。
六、 極盛帶（Acme-zone）：由一化石出現最多的時段來決定。
七、 間隔帶（Interval-zone）：由兩種化石出現或消失的間隔來定義。
確定一個良好的生物地層帶需要一些條件，如：1.上下界限明確；2.很容易找到很多化石；3.有很多其他種類的化石伴生；4.上下界限不隨岩相變化改變；5.分佈全球性，可廣泛對應。而除了學術研究方面，生物地層也有實際的應用價值，在石油探勘中扮演很重要的角色。

參考資料:
一、 錢憲和 地質學概論 台大地質系 1996
二、 何春蓀 普通地質學 五南出版社 1990
三、 Blow, W. H., 1969, Late Middle Eocene to Recent planktonic foraminiferal biostratigraphy. Proc. I, Internatl. Conf. Microfossils, Vol., pp. 199-421

化石之寶：三葉蟲（Trilobite）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

三葉蟲是古生代中最為興盛的一種節肢動物，從寒武紀到二疊紀都有牠的蹤跡，雖然中間也遭遇了幾次滅絕，但是一直到古生代結束時才宣告完全滅絕。目前能夠在化石中見到的三葉蟲種類大約有1500種左右。三葉蟲在生物分類上的位置屬於：節肢動物門（Phylum Arthropoda）、三葉蟲亞門（Subphylum Trilobitomorpha）、三葉蟲綱（class Trilobita），再往下分成了更複雜的目和科。因為三葉蟲的外殼是硬質甲殼，因此能成為化石保存下來，其外型不論從縱向或是橫向來看都是三節。橫向看是由頭至尾分成了「頭甲」（cephalon）、「胸部」（thorax）、「尾甲」（pygidium）三部。若由縱向來看，則可分為中央的「軸部」（Axis）和兩側的「肋部」（Pleural lobe），而大小自5公釐（Agnostus）到700公釐（Uralichus ribeiroi）不等，附圖是三葉蟲的構造示意圖。
在分辨不同的三葉蟲時，頭甲是最主要的依據；不過某些種的三葉蟲頭甲構造較為模糊，表面呈光滑狀。而根據不同的三葉蟲種類，頭甲的外型也有不同的形狀，一般為三角形或半圓形，後邊緣平直或向後彎。三葉蟲的頭甲不似胸部和尾甲有分節。
三葉蟲的中間部分即為胸部，和頭甲不一樣的是它有分節，且每一節往左右兩側各生出一對節肢，胸部構造可分為軸部（中軸）和兩側的肋部（肋葉），是由背溝所分開。這兩個部分都是由各自獨立但互相連接的節組成，數目則可多達四十多節。以下將軸部的節稱為軸節，肋部的則稱為肋節。
在不同種的三葉蟲也有不同的尾甲形狀，有些尾甲很小，只是一片圓板狀稱為尾板，有的種類尾甲甚大，甚至和頭甲一樣大小。另外在尾甲的前端兩側，常被胸部蓋住，形成接近三角形的關節面。尾甲和胸部有許多的相同點；和胸部一樣，尾甲也分為中軸和兩肋葉，且亦是由背溝所分開。尾甲構造也分節，但在某些三葉蟲，尾甲構造表面光滑，中軸肋葉和其上分節都不明顯。
說到三葉蟲的內部構造，目前我們所知非常少，因為生活環境的關係，能夠成為化石而保存下來的只有硬的甲殼部分，由目前化石上見到的只有一些器官和肌肉組織可以指出他們的相關位置，卻無法知道確切的功能。
從化石紀錄可知在寒武紀初期，三葉蟲就已有很多的種類且廣泛分佈各地。之後，三葉蟲快速演化，寒武紀中期極為興盛；不過末期時，發生了3次的三葉蟲滅絕。進入奧陶紀後，三葉蟲可能因為天敵也大量滅絕，所以得以再次輻射演化；但是奧陶紀晚期又發生滅絕，於是三葉蟲的種類就大量的減少了。志留紀、泥盆紀時持續減少，直到石炭紀、二疊紀時，僅剩極少數種屬，最後在古生代結束時，正式宣告完全滅絕。
由於三葉蟲的內部構造和功能因為可以參考的後代種屬不多，而不很清楚，不過一般對於三葉蟲的生活習性推測，是透過觀察化石上的痕跡紀錄（包括不同三葉蟲的構造），或參考現在的生物「鱟」；推測三葉蟲應該是一種底棲性生物，大多棲息在泥質或灰泥質的海底，少數可以游泳或是漂浮。另外三葉蟲化石因數目龐大、分佈廣、演化特徵明顯，是一個鑑定古生代地層年代的重要工具。

參考資料
1. Steven M. Stanley, 1999, Earth System History, W.H. Freeman and Company.
2. 井尻正二, 1981, 古生物學各論, 竹地書館株式會社。附件

回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（下）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

【時光機器】
要從上述生物性或非生物性的材料中得到古環境的訊息，除了觀察標本的組成分層外，還需進一步的分析其中所含各種元素比例，此時「同位素」就扮演了一個重要的角色。目前存在自然界中的元素，多以不同比例的同位素混合而成。同位素可分為兩類，一為放射性同位素，另一為穩定同位素。前者可作為定年之用，如14C、238U－230Th等；後者則可作為古氣候及古環境的指標，如18O、13C等，透過分析穩定碳氧同位素組成，可計算並推測標本形成時的環境溫度，進行區域性差異比較，甚至推測全球海洋環流或大氣組成改變的過程。
將同位素數值運用於古環境研究前，必須先瞭解自然界的同位素在反應過程中如何交換。雖然同位素有著相似化學性質與電子結構，但在物理性質上，仍表現出質量數與比重的不同，因此反應時會存在微量的變化，稱為「同位素分異作用（isotopic fractionation）」，通常在快速或不完全的反應過程，如擴散、蒸發、溶解時，容易出現分異現象。以水蒸發為例，自然界中以16O所組成的水分子，在蒸發作用進行時，因為比18O所組成的水分子質量輕，因此容易先脫離水表面，此時形成的水汽在氧同位素組成上，就會比原始水體要輕。配合全球水汽輸送路徑，在低緯度地區蒸發的水分子，會隨著大氣環流往高緯度地區輸送，其間不斷加入沿途蒸發而來氧同位素較輕的水分子，同時水汽中氧同位素較重的水分子也容易先凝結降回地表，重複進行的結果，就是愈往輸送路徑的末端（高緯度地區），水汽將帶有愈輕的氧同位素數值，同時降水也會有氧同位素越來越輕的趨勢。
由於同位素的質量及物理性質差異，在不同條件下進行物理、化學或生物體的反應時，反應物和產物之間的同位素含量分配都會有所不同，可以由動力學或熱力學平衡計算反應式兩端的同位素差異。美國芝加哥大學化學系教授Urey等人（1951）證實，相同水體中沈澱出的碳酸鈣結晶氧同位素數值，會隨著溫度的不同而與周圍水體呈現函數關係，且碳酸鈣沈澱的氧同位素數值會隨著周圍水體溫度升高而有變輕的趨勢。將這樣的溫度關係應用於生物形成殼體過程，碳酸鈣質殼體的生物分泌殼質時若與周圍水體達成同位素平衡，分析其殼體的氧同位素數值，就可以換算出殼體形成時的水體溫度，氧同位素自此開始成為古環境研究的一大利器。
因此，當我們收集越多合適且保存良好的地質材料時，分析其間組成和紀錄，就可以描繪出過去地球更詳細的面貌，更希望有朝一日，人類能在過去及現在的紀錄中，找到前往願景未來的道路！

回到過去的時光機：穩定同位素地質學（Stable Isotope）（上）
臺北市立建國高級中學地球科學科葉昭松老師/國立台灣師範大學地球科學系劉德慶教授責任編輯

從古至今，自然環境的災害或氣候變遷一直都是人們所關切的課題，早在距今三千年前的殷商甲骨文中，就已有天氣觀測及占卜預測的紀錄；直至今日的電影編劇，大自然的異象更是歷久不衰的題材，如慧星撞擊、颶風侵襲、地磁消失及火山爆發等，2004年風靡全球的「明天過後」（The day after tomorrow）這部片中，更演示了人類造成的溫室效應，伴隨著全球暖化現象使北極冰棚崩解，推動海洋大氣交換的連鎖改變。雖然電影情節難免誇大，甚或有違物理法則，然而這些影片在在都傳遞著人們對於大自然的力量應該保持戒慎恐懼的心理。雖然現今人種在地球上生存已有二十多萬年的歷史，甚至主導地球環境而自詡為萬物之靈，但還有多久的未來，人類可以像這樣的大肆使用地球資源？先不論地球是否會再次受到可能的外來災變，使人類如同中生代霸主恐龍一樣地滅絕；地球本身的氣候是不是也開始走向了人類文明未曾記錄的毀滅性未來？因此瞭解過去、現在甚至預測未來地球的氣候變化就成了探究的重要課題之一。
【從危機尋求轉機】
從地球兩極的冰川封存氣體紀錄來看，大氣CO₂含量從18世紀工業革命以來節節高昇，同時超過了自然界中大氣CO₂含量本身可能的變化趨勢；Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC, 政府間氣候變遷特別委員會）於2001年提出的全球溫度變化趨勢圖也顯示了百年來地球溫度的確大幅上揚（圖一），並預測1990年到2100年地球表面溫度將上升1.4～5.8℃。CO₂含量遽增與地球溫度上揚兩者之間是否高度相關，而人類在地球上大量使用石化燃料改進生活品質時，是否也同時改變了地球環境，將自身推往不可知的惡劣未來？科學家們為了瞭解未來可能的地球氣候，已嘗試建立許多氣候模擬的模式，透過改變模式中的各項參數，可以得到氣候環境相對應的變化結果，如可用於模擬大氣或海洋循環的General Circulation Models（GCMs），同時自1980年代開始亦展開跨學科的模式模擬計畫，稱為Cooperative Holocene Mapping Project（COHMAP），該計畫主要利用湖水面變化及花粉沈積物的紀錄建立模式，致力於釐清末次冰盛期至今的氣候變遷原因、影響範圍及結果。主要目的則是希望透過地質記錄和模式模擬以重建過去並進而預測未來的地球環境。
【珍貴的線索】
為了獲得可信而準確的模擬結果，科學家力求詳盡地收集各種可能影響氣候環境的因子或參數。除了近代儀器實際觀測資料之外，古氣候及古環境留在地層中的紀錄也彌足珍貴，包括不同時間尺度及解析度的各種記錄，如湖泊沈積物的沈積環境變化過程，或分析其中不同植物的孢粉數量以推知氣候型態；觀察樹木年輪則可得知年際溫度、濕度、太陽照度變化或小冰期紀錄；從兩極冰原取得的冰芯也可以用來觀察過去降雪的變化情形，進一步分析冰芯中封存的氣體，更可以得知過去數千年甚至數萬年以來大氣中各種氣體比例變化。除了上述的地質材料，在古環境研究的範疇中，碳酸鈣沈積物的應用尤其廣泛，材料含括陸地性及海洋性物質，前者如鐘乳石、後者則包括海洋中的碳酸鈣膠結物或生物碳酸鈣質殼體，如鐘乳石、海洋性碳酸鈣膠結物、珊瑚骨骼、有孔蟲殼體、二枚貝類殼體、腕足殼體等。

墾丁氣象雷達站 (Weather Radar)
國立臺灣師範大學地球科學研究所陳柏宇研究生/國立台灣師範大學地球科學系許瑛玿教授責任編輯

筆者曾於2007年8月參觀墾丁氣象雷達站，該測站使用的雷達為都卜勒雷達，主要觀測的項目是劇烈天氣現象，尤其是從巴士海峽北上的颱風及發生在嘉南平原的豪雨。墾丁氣象雷達站位於鵝鑾鼻附近，地屬於墾丁國家公園而設置中有諸多限制，為避免對當地景色造成破壞，所以塗裝為綠色迷彩；台灣其他三座雷達站的高度大約15公尺，但是墾丁雷達站設置之初因距離鵝鑾鼻燈塔過近，為避免因為雷達站造成燈塔光線被遮蔽，所以墾丁雷達站的高度只有6公尺。該雷達可以觀測半徑460公里內回波的特性進行分析，透過都卜勒原理，可將颱風等劇烈天氣現象的資料傳送給中央氣象局的氣象預報小組進行預報。

墾丁氣象雷達站完成後，臺灣地區的雷達網可說趨於完整。原先氣象雷達只設置於臺灣西南部的高雄、北部的五分山和東部的花蓮，但是侵襲臺灣地區的颱風大多來自臺灣東南部海面，原有雷達站的觀測無法完全涵蓋颱風路徑的暴風圈範圍，使得觀測資料不完整而難於準確預報颱風。所以，民國82年中央氣象局邀請多位學者共同討論，決定將原先位於高雄的氣象雷達站北遷至台南七股，並於墾丁新設一氣象雷達站。這四座都卜勒氣象雷達站所構成的都卜勒氣象雷達觀測網，其觀測範圍包括整個台灣地區及其鄰近海域。都卜勒氣象雷達功能除了能偵測降水回波強度外、並可偵測徑向風速分佈及亂流場。能夠有效減低天然災害損失、提昇防洪作業效能、及促進水資源規劃利用。