高中生地球科學微課程

米蘭科維奇循環

塞爾維亞科學家米蘭科維奇,發現了地球運動的週期性循環,由三種要素組成:歲差、傾角以及偏心率,導致地球接收到的太陽能量不同,低的時候導致地球進入冰期。這樣的循環可透過連續性的地質紀錄驗證,如有孔蟲。它的碳酸鈣殼體能記錄當時的生活環境,科學家藉此建構出過去的海水溫度,再搭配天文軌道、地磁紀錄以及生物地層,得出地球在不同時期的氣溫。而了解過去,或許能對現在所面臨的氣候困境提供解答。

水文地理

老師介紹了水文地理的基礎概念,如水循環、沉積物搬運機制、河流分級等,再探討相關研究,如藉由比對水系形狀,判斷火星過去氣候乾燥、有些微的水存在。課程的後半段聚焦在老師所從事的颱風研究上,老師提出近幾年觀察到的趨勢,如颱風停留時間變長、降雨強度增加、造成的災害更加嚴重。在災變越來越多的未來,防災的工作不再侷限於政府,民間也需一同承擔。另一個重要議題是水資源匱乏。目前台灣有些水庫淤積的程度已達庫容量的三分之一,再加上極端天氣事件發生頻率越來越高,水資源將越趨稀有。

岩石觀察

課程一開始,學生被分為兩兩一組,觀察各自分配到的岩石標本。老師再進行說明,例如:變質岩葉理的形成條件為含有長條狀或片狀礦物;火成岩中的花岡岩含有解理面發達的礦物,轉動岩石的時候會閃閃發光;沉積岩中可以找到化石,有些組別拿到的岩石標本含有舌羊齒、三葉蟲的化石。接下來依組別在台大校園進行地質調查,觀察總圖前地面石材的波痕、校史館柱子上的生痕化石等。課程最後,老師讓大家利用偏光顯微鏡觀察岩石薄片,認識在微小尺度下的岩石樣貌。

海洋地質

海洋地質學在海洋研究提供了另一個維度:時間;透過判讀海床紀錄,可以重建歷史。例如,岩芯中的沉積物可能對應到地震、颱風、海嘯或風暴,區分的方式可透過檢測其錳含量,含量高代表沉積物自陸地沖刷而來。測定年代也是研究中重要的環節。Pb-210可定出近100年的沉積物;C-14得出的年代可能是有孔蟲死亡而非沉積發生的年代。後續的課程中,老師談到台灣多重災害風險高居世界之冠,不但位於颱風侵襲的廊道,又有地震、山崩、土石流等天災。由於台灣地理位置的特殊,對氣候變遷特別敏感,可把握機會從事相關的科學研究,增進人類對環境變遷的認識。

甲烷與微生物

甲烷造成暖化的能力比二氧化碳強,但因為較容易被生物利用而降解,存在於大氣的時間較短。隨著地球溫度上升,永凍土融化釋放出甲烷,人類開採天然氣也造成甲烷溢散到大氣。甲烷在無氧環境產生,從醋酸或二氧化碳加上氫氣轉變而來,例如,在牛消化道的最末端,醋酸被微生物轉換成甲烷。甲烷形成後,有些海中的微生物藉由氧化甲烷獲得能量,這類的甲烷氧化菌住在貝類的鰓、附著在螃蟹身上等,扮演初級生產者提供能量。

碳循環

為了瞭解未來溫度變化的趨勢,分析碳循環為關鍵之一。碳循環可被為短期以及長期、有機及無機。短期有機碳循環中,生物扮演了主要角色。浮游植物行光合作用將大氣中的二氧化碳轉換為有機碳,生物幫浦再將有機物質沉降到深海,湧升流則將營養物質往上帶。長期的有機碳循環由地質作用主宰,隱沒帶將含碳物質帶往地球深處,火山噴發再釋出二氧化碳及甲烷。地球系統能透過負回饋機制維持穩定,當二氧化碳增加,植物行光合作用以及矽酸岩風化速度變快,消耗過多的二氧化碳。然而,人類燃燒石化燃料打破了平衡。課程最後,學生前往實驗室學習氣體源同位素比值質譜儀如何進行穩定同位素分析。