地球內部的熱、壓力、與熱對流 譚諤研究員主講

地球內部的熱、壓力、與熱對流 譚諤研究員主講

「板塊運動」這個主題是國中與高中地球科學課程中都會提及的單元,因此不論國中或高中在這個單元的教學過程中,無可避免地要說明:什麼是岩石圈(板塊)和軟流圈?板塊為什麼會動(動力來源中的熱對流)?以及板塊如何運動和板塊邊界有何特徵?這幾個主題。

就「岩石圈和軟流圈」這個主題來說,把軟流圈視為「一層可以快速自由流動的液體岩漿」是同學在國中時期最常見的想像,而這個想像卻與高中課程中S波在軟流圈中可以傳遞的現象有所牴觸。但如果單純以高中課程中地震波速度在軟流圈微小的變化,又無法完整呈現軟流圈究竟是什性質。結果導致學生一直無法完整建立岩石圈、軟流圈、地函熱對流、以及板塊運動的完整概念。

其實如果以地球內部的溫度結構,也就是地表附近的熱邊界層厚度來看,就可以非常清楚區別出岩石圈和軟流圈的差異;再配合地函物質熔點、黏滯係數與地球內部溫度壓力的變化,就可以進一步了解軟流圈的物理性質。一旦學生可以理解軟流圈的物理特性,再講解地函熱對流現象時就可以輕易與板塊運動的現象互相連結,建地對板塊運動最基本的概念。

現今地球內部的溫度結構,與地球的起源及地球內部熱的演化有關。雖然高中課程中有提到地球的形成與演化,但很少會講到地球內部熱的由來和演化,其實有點可惜,不然就可以把板塊運動的概念更擴大延伸到地球的形成與演化。而地球內部的溫度結構除了與軟流圈的位置有關之外,還牽涉到地函熱對流以及液態外地核與固態內地核的形成與演化。

地函熱對流的特徵當然與地函表層及底部之間的溫度差有關,同時也與地函物質的物理性質有關。地函物質究竟如何在固態(具有彈性)的情況下對流(具有黏滯性),超過學生在高中時期會接觸到的物理概念。但如果不能把這個概念講解清楚,就無法說明板塊運動的動力來源,還是必須想辦法讓學生延伸既有的固體、液體、和流動觀念,延伸到更長的時間尺度。

相對於以「燒一杯開水」為例來解釋熱對流,地球內部的熱對流結構其實相當複雜,而且與過去將中洋脊當作熱對流上升之處,推動中洋脊兩側板塊移動的概念有所出入。其實熱對流上升的位置應該為熱柱所在的地點,且板塊隱沒(熱對流往下)的作用或許才是板塊運動更重要的動力來源。這部份的深入討論將會在第三次書報討論中繼續詳談。

液態外地核以及固態地核的形成及演化,同樣可以說是地球內部熱演化的結果。如果考慮地球維持同樣的散熱速率,我們就可以反推固態地核的形成年代以及未來持續增長的速率。除此之外,內地核和外地核的運動型態、地球磁場的產生及演變,都和地核的運動密切相關,也都是學生(甚至老師)應該會感興趣的話題吧!

講者簡介
目前任職於中央研究院地球科學研究所的譚諤研究員,他以物理的專長進入地球物理領域的研究工作,擅長以地球內部的物理性質進行電腦模擬演算,能夠將我們無法直接觀察到的地球內部狀態以電腦模擬演算的結果呈現。
譚諤研究員的研究領域包括以電腦模擬計算地表變形、板塊構造活動、到地球內部的對流模式;同時也擅長於電腦模擬演算技術的開展,發表研究方法相關的理論與實際應用,屬於新一代地球物理領域研究的先端。
除了日常的研究工作以外,譚諤研究員也酷愛走進大自然,對於蟲鳴鳥叫的聽音辨位非常熟稔,常常可以聽他分享在台北盆地周遭的山野中,又遇到罕見青蛙或鳥類的經歷。談起他在大自然裡的經歷,應該又是一場講不完的故事。

電腦簡報:
https://goo.gl/fkCu5W

研習記錄:

地球內部的熱、壓力、與熱對流 譚諤研究員主講

論文討論
Nakagawa, T., and P. J. Tackley (2010), Influence of initial CMB temperature and other parameters on the thermal evolution of Earth’s core resulting from thermochemical spherical mantle convection, Geochem. Geophys. Geosyst., 11, Q06001, doi:10.1029/2010GC003031.(https://goo.gl/QUvos7
論文導讀:https://goo.gl/b9v3nH
論文簡報:https://goo.gl/j5DE35

推薦讀物:
一看就懂地球的奧祕(簡易科普)
https://goo.gl/j93Urh
Dynamic Earth(深度科普)
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對應課綱(十二年國教課綱草案):
EFa-Vc-1由地震波可以協助了解固體地球具有不同性質的分層。
EFa-Vc-2固體地球各分層之化學組成與物理狀態不同。
EIa-Vc-1科學家曾經提出大陸漂移、海底擴張和板塊構造等主要學說,來解釋變動中的固體地球。
EIa-Vc-2板塊邊界可分為聚合、張裂和錯動三大類型。
EIa-Vc-3板塊邊界有各種不同的地質作用與岩漿活動。
EIa-Vc-4由地質構造與震源分佈等特徵,可推論台灣位於聚合型板塊邊界。

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