地球大歷史/柯智懷:修訂版本之間的差異

出自六年制學程
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過氧化氫的生成
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==主題解說==
 
==主題解說==
 
===過氧化氫的生成===
 
===過氧化氫的生成===
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水分子先遭紫外線電解,然後單獨的氧原子與其他水分子結合,生成過氧化氫。
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#一莫耳是6.02214129×10<sup>23</sup>顆分子。
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#電解一莫耳的水分子需要285.8千焦耳的能量。
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#:H<sub>2</sub>O+E→H<sub>2</sub>+O
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#結合氧原子與水分子以生成一莫耳的過氧化氫分子需要98.2千焦耳的能量。
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#:H<sub>2</sub>O+O+E→H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
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#過程所需的能量是384千焦耳。
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#:285.8+98.2=384.0
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#使用普朗克公式「能量=普朗克常數/頻率」計算能達到所需能量的最小頻率,得到9.6233*10<sup>8</sup>兆赫,即9.6233*10<sup>14</sup>赫茲
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#根據此頻率值,得出能達到所需能量的最小頻率光屬於紫外線。其頻段是8*10<sup>14</sup>到3*10<sup>16</sup>之間。
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===臭氧的生成===
 
===臭氧的生成===
 
===石油的生成===
 
===石油的生成===

2018年12月7日 (五) 16:30的修訂版本

大型隕石撞擊

發現

  • 地球形成早期,地球軌道上隕石的量比現在要多出許多。地球曾數次被直徑數百公里的巨大隕石撞擊。
  • 大型隕石的撞擊可以融化地表,蒸發海洋,噴射地殼飛離地表。
  • 相當基礎的原核生物這個時期已經發展出來了。

問題

  • 在那之前發展出來的基礎生命與現在的生命有沒有直接關聯?
  • 還是說那之前發展出來的生命已經遭遇了隕石浩劫而滅絕,現在的是另外一批重新發展出來的?
    • 如果有直接關聯的話,生命能不能活過這樣的浩劫?
    • 考慮三個基本問題:
      1. 哪裡可以成為生命的避難所?
      2. 生命能夠來到這個避難所嗎?
      3. 生命能躲在這個避難所裡直到災難過去嗎?

回答

  1. 地表和地幔之間,有一個溫度低於蛋白質分解溫度50度的安全區,深達地下三千公尺,在那裏地幔的熱能不會造成太大的影響。當隕石撞擊時,熱能只能傳達一千公尺深,然後就停了下來。如果生物能來到兩三千公尺的地下深處,這裡就能成為生命的避難所。
  2. 地質學家在從深兩三千公尺的礦坑帶回岩石、礦物樣本以後,在其中發現了生命的證據,許多種類在地表上未有發現,故生命可達如此深度的假設,有證據支持。
  3. 生物學家對古鹽礦石中密封數百萬年的微生物進行培養實驗,發現供給營養一個月後,微生物復活並重新繁衍。像這樣的微生物可能得以躲藏在避難所中極長的時間,重回地表而存續下去。

雪球地球

發現

  • 散落地球各地的「迷路石」是被冰河流動影響而出現在成份相異地表處的岩石。通常是從附近的山上掉下來的。
  • 熔岩凝固後,熔岩內磁性分子的指向就永久固定。從永久固定的方向可以導出熔岩凝固時所在的緯度。
  • 依據磁性分子指向分析的結果,在某些迷路石樣本中找到熔岩凝固時的緯度接近赤道的例子,因而導出地球曾一度到赤道附近都有冰河覆蓋的理論。

時間軸

第一次冰封期

約在23億年前發生,20億年前結束。

  1. 在藍綠藻出現之前,甲烷桿菌使用海底熱泉輸出的營養成份產生甲烷,為當時地球的主要溫室氣體。
  2. 藍綠藻出現後,行光合作用,產生大量氧氣,氧氣再進一步與甲烷反應,導致甲烷轉變為二氧化碳。
    CH4+O2→CO2+2H2O
  3. 由於甲烷的溫室作用比二氧化碳強22倍以上,甲烷被二氧化碳取代以後,地球的氣溫就急遽下降,開始冰封。
  4. 冰封時期火山還在繼續活動,而火山爆發釋出了大量的二氧化碳。
  5. 因為海洋冰封了,所以原本應該像今天一樣溶入海水的二氧化碳只能堆積在空中。
  6. 二氧化碳最終不斷堆積,約為今天的兩、三百倍,達到了過去甲烷能產生的溫室效果,使冰層融化,結束雪球地球。
  7. 解除冰封後,綠藻等光合作用生物從熱泉返回全球海洋,使用空氣中大量的二氧化碳製造大量的氧氣,可形成胞器、粒線體,促成真核生物的出現。

第二次冰封期

約在7.5億年前發生,5.8億年前結束。

  1. 岩石風化會消耗空氣中的二氧化碳,被冰層覆蓋的岩石不會被風化。
    CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2
  2. 但羅迪尼亞超大陸收聚到赤道附近,幾乎沒有任何冰層覆蓋在大陸上,無法阻斷岩石的風化。
  3. 消耗二氧化碳的速度超過了火山爆發補充的速度。長期累積導致地球再次冰封。
  4. 因為海洋冰封了,所以原本應該像今天一樣溶入海水的二氧化碳只能堆積在空中;陸地也被冰封了,所以不會風化消耗二氧化碳。
  5. 像前一次冰封期一樣結束。
  6. 解除冰封後,大量的二氧化碳給予更多能讓光合作用生物產生氧氣的機會,大量的氧氣讓真核生物能夠巨大化,促成大型生物的產生,首先是艾迪卡拉生物群,然後是寒武紀大爆發。

泥盆紀大滅絕與動物登陸

發現

  1. 第二次冰封期結束允許臭氧層形成後,地面不再受太陽輻射直接侵襲,植物開始登陸。其中古羊齒蕨於泥盆紀登陸,為最早的陸生樹木。
  2. 受到板塊運動的影響,當時的古勞倫大陸、波羅地大陸與阿瓦隆尼亞三大陸塊逐漸合併形成超大陸,原本位於各大陸之間的巨神海不斷閉合,導致海洋生物的棲息地大幅減少,許多生物,特別是無法移動的珊瑚、海綿、海葵等,接二連三滅絕,剩餘生物之間的競爭也會變得激烈。
  3. 泥盆紀末期,古生代具主導地位的海洋生物三葉蟲演化出許多棘刺等自衛形態,顯示海洋中的競爭確實愈發劇烈。

時間軸

  1. 應隨競爭的劇化,巨型盾皮魚類出現,以弱勢、行動緩慢且體型細小的硬骨魚為食。泥盆紀初期,絕大多數的脊椎動物是盾皮魚綱,硬骨魚沒有空間演化。
  2. 大陸碰撞帶動了造山運動,使高聳的加里東山脈產生。高山阻擋雲層的流通,在山壁上產生降雨匯集於山腳,產生了河流,在古羊齒蕨森林的伴隨下形成了河流生態系。
  3. 無法在海洋的激烈競爭中生存的硬骨魚類移入淡水生態系。古羊齒蕨的落葉也為河流帶來了重要的養分。
  4. 當時的河流類似今日雨林形態,會有乾季和雨季,因而有魚類演化出肺部,在河水含氧量極低的乾季時,可將口部伸出水中獲取氧氣。
  5. 隨時間經過,河流生態系中也開始出現大型掠食者,某些小型魚類為了躲避這些掠食者,演化出前肢狀的魚鰭,可撥開古羊齒蕨的連枝落葉,在狹縫中躲避大型掠食者的攻擊。這就是元祖的兩棲類動物,棘螈。
  6. 棘螈後代的四肢後來變得越來越適合用於在陸地上移動,脊椎動物逐漸進駐陸地。
  7. 部分硬骨魚的肺演化為魚膘,允許其在水中懸浮,重回海洋後,淘汰了必須不停移動才不會下沉的盾皮魚。

二疊紀大滅絕、哺乳動物與爬蟲類的氣囊

時間軸

  1. 二疊紀,盤古大陸形成,大量海洋板塊受到擠壓,沉入地下,融成岩漿,最後匯聚成一股1000公里長的熔岩柱噴發,地球溫度升高,深海封著甲烷的水合冰熔解,釋放大量溫室氣體,造成超級溫室效應。
  2. 甲烷與空氣中的氧產生反應,氧含量大幅減少。
  3. 為了適應低氧的環境,原生哺乳類動物肋骨後退,演化出橫隔膜、更大的肺部、胎生與哺乳,與爬蟲類分化。
  4. 爬蟲類則演化出氣囊,大大提高呼吸效率,促成爬蟲動物的巨大化、恐龍的出現,並為未來鳥類的飛行能力打下基礎。

盤古大陸的分離、靈長類與眼部進化

時間軸

  1. 恐龍受隕石撞擊而滅絕後,原本四處躲藏的小型哺乳類出現發展空間,恐龍的後代恐冠鳥等巨鳥在各大陸稱霸,成為陸地上最兇猛的掠食者。
  2. 亞洲與歐洲隔著海,與美洲隔著冰橋,阻隔其他大陸上的巨型鳥類,使哺乳動物有演化為掠食者的空間。
  3. 五千五百萬年前,地殼運動造成氣溫上升,亞洲和美洲之間的冰橋環境變得不那麼惡劣,使肉食哺乳類移入其他大陸,許多巨鳥物種受獵食滅絕。
  4. 全球暖化也使適應寒冷的針葉林大量消失。闊葉林變高,樹冠出現,靈長類不用冒著被捕食的危險下到地面,得以大量繁衍並演化。靈長類的雙眼由兩側移向前方,產生立體視覺,得以準確測量樹枝間的距離,有助於在樹間跳躍遷移。
  5. 三千三百萬年前南極和澳洲分離,改變世界洋流,南極開始冰封。氣溫降低、海平面下降,闊葉林退到赤道附近,激化生物間的競爭。靈長類演化出眼窩壁和中央窩,產生焦點視覺,使其能夠比同類花費更少的時間覓食,有利於在氣溫低、食物來源減少的時期生存。
  6. 演化出焦點視覺後,靈長目演化出強壯的臉部肌肉,能做出更豐富的表情,使靈長類有社會化和複雜分工的能力。
  7. 靈長類也在樹上演化出彩色視覺以辨認果實。

主題解說

過氧化氫的生成

水分子先遭紫外線電解,然後單獨的氧原子與其他水分子結合,生成過氧化氫。

  1. 一莫耳是6.02214129×1023顆分子。
  2. 電解一莫耳的水分子需要285.8千焦耳的能量。
    H2O+E→H2+O
  3. 結合氧原子與水分子以生成一莫耳的過氧化氫分子需要98.2千焦耳的能量。
    H2O+O+E→H2O2
  4. 過程所需的能量是384千焦耳。
    285.8+98.2=384.0
  5. 使用普朗克公式「能量=普朗克常數/頻率」計算能達到所需能量的最小頻率,得到9.6233*108兆赫,即9.6233*1014赫茲
  6. 根據此頻率值,得出能達到所需能量的最小頻率光屬於紫外線。其頻段是8*1014到3*1016之間。

臭氧的生成

石油的生成