太陽系起源與地球的歷史

本關重點

• 太陽星雲說（solar nebula hypothesis）：旋轉的分子雲因重力塌縮，中心形成太陽、周圍成盤，盤中物質聚集成行星，所以行星公轉同向、軌道大致共面。
• 地球適合生命的條件：與太陽距離適中、能保有液態水、有大氣、有全球性磁場擋住太陽風。
• 地球大氣會演化：海洋溶解 CO₂ 並沉積成碳酸鹽岩，生物光合作用產生 O₂。
• 相對年代看先後：地層疊置、截切關係、指準化石（index fossil）對比。
• 絕對年代看數字：放射性元素依固定的半衰期（half-life）衰變，可推算岩石年齡。

核心觀念

一、太陽系怎麼來的：太陽星雲說

約 46 億年前，一團由氣體與塵埃組成的分子雲（molecular cloud）在重力作用下塌縮。塌縮時轉得越來越快，物質攤平成一個旋轉的盤面；大部分質量集中到中心形成原太陽，太陽因此占了太陽系總質量約 99.8%。盤面上的塵埃互相碰撞黏合成微行星（planetesimal），再長成行星。

這個模型可以說明幾個觀測事實：行星都朝同一方向公轉、軌道大致在同一平面；靠近太陽處溫度高，只有岩石和金屬能凝聚，形成體積小、密度大的類地行星（水、金、地、火）；遠處溫度低，冰與氣體也能聚集，形成巨大的類木行星。

二、為什麼地球適合生命？

金星與火星就是很好的對照：金星大氣濃厚、96.5% 是 CO₂，溫室效應讓表面平均高達 464 °C；火星沒有全球性磁場，大氣稀薄，表面平均 −65 °C。

三、海洋與生物改寫了大氣

早期地球大氣主要是火山噴出的水氣、CO₂ 與氮氣，幾乎沒有氧氣。地表冷卻後水氣凝結成海洋，海水溶解大量 CO₂，與鈣離子結合沉積成石灰岩，大氣 CO₂ 逐漸減少。之後出現能行光合作用的藍綠菌，牠們留下的層狀岩石稱為疊層石（stromatolite）。約 24 億年前大氣氧氣明顯增加，氧氣在高空形成臭氧層，擋住紫外線，生物才有機會登上陸地。

四、研究地球歷史的方法

相對年代只排先後，不給數字：

• 疊置原則：地層沒有翻轉時，下面的比上面的老。
• 截切關係：斷層或侵入的岩脈，一定比被它切穿的岩層年輕。
• 指準化石：生存時間短、分布範圍廣的生物化石，可以拿來比對不同地區的地層是否同時期。例如三葉蟲、菊石。

絕對年代靠放射性定年：放射性母元素會以固定速率衰變成子元素，半數母元素衰變所需時間稱為半衰期。經過 1 個半衰期剩 1/2、2 個剩 1/4、3 個剩 1/8。量出母、子元素的比例，就能推算岩石形成多久了。要測的年代越古老，就要挑半衰期越長的元素（例如鈾-238 約 45 億年）；碳-14 半衰期只有約 5730 年，只適合數萬年內含碳的樣本。

五、岩芯裡的古環境紀錄

湖泊或海底的沉積物一層層堆積，就像一本按時間裝訂的日記。研究者鑽取長長的岩芯（core），分析每一層中的花粉、孢子、微體化石或化學成分：例如某層喜冷植物的花粉比例突然升高，可推測當時氣候轉冷。再用放射性定年替關鍵層位標上年代，就能重建數千到數百萬年的環境變化。這類題目的重點是「資料說了什麼、能推論到哪裡」：花粉比例改變支持氣候可能改變，但不能單憑一層資料就斷定原因。

素養怎麼考

• 行星比較表：給距日距離、溫度、氣壓、磁場、大氣成分，要你找出「哪個變因」才能解釋某現象（例如金星比水星熱）。
• 大氣演化敘事：用疊層石、條帶狀鐵礦等證據，問大氣中 O₂ 或 CO₂ 的來源與去向。
• 地層剖面圖：結合化石、斷層、火山灰層的定年數據，排出事件先後並夾出年代範圍（學測曾考隕石定年、湖泊岩芯、海階抬升）。
• 半衰期資料題：題幹給半衰期與母子比例，考你換算經過幾個半衰期，或挑選合適的定年元素。

真題考法對照（用自己的話描述，不轉貼原題）

• 115 學年度學測第 54–56 題：隕石定年。依半衰期與母、子元素是否量得到來挑定年元素；解釋「礦物年齡比太陽系還老」的異常結果（較可能是太陽系形成前的物質，不是推翻理論）；用行星表格中的大氣、質量等資料推論哪顆行星較容易保留隕石坑。
• 113 學年度學測第 50–53 題：縞狀鐵礦與大氣氧氣的演化，排列地球歷史事件的先後。
• 112 學年度學測第 51–54 題：湖泊岩芯的鉛濃度與鉛同位素比例，推論過去化石燃料的使用時間，並結合鈾的衰變。
• 111 學年度學測第 43–45 題：海階上穿孔貝的碳-14 定年，作圖區分地震瞬間抬升與緩慢抬升。
• 115 學年度學測第 9 題：平原與高山湖泊岩芯的孢子、花粉比例，重建古氣候並排除過度推論。

解題技巧

1. 比較時只看「只差一個變因」的兩個對象：金星 vs 水星差在大氣，火星 vs 地球差在磁場與大氣量。
2. 比例先換成「剩下幾分之幾」：母 : 子 = 1 : 3 → 剩 1/4 → 2 個半衰期。
3. 地層題畫時間軸：由下往上排，切穿者放在被切穿者之後，已知絕對年代的層當「錨點」。
4. 定年元素看量級：半衰期與待測年代同量級才量得準。
5. 對絕對化字眼提高警覺：「一定越深越老」「證明有生命」這類選項要回到資料檢查——資料若沒有拿掉該因素的對照或反例檢驗，通常是過度推論；有的話就可能是正解，不要看到字眼就刪。

常見陷阱

• 以為「離太陽越近一定越熱」，忽略大氣的溫室效應。
• 以為磁場會「推走」氣體分子；磁場擋的是帶電粒子（太陽風）。
• 把火山當成吸收 CO₂ 的地方；火山其實是釋放 CO₂。
• 把母 : 子比例直接當成半衰期次數。
• 以為化石就能直接給出幾億年的數字；化石給的是相對年代，數字要靠放射性定年。

BOSS 戰

延伸閱讀與資料來源

• NASA NSSDCA Planetary Fact Sheet：行星距離、溫度、氣壓、磁場（NASA 資料，公有領域）
• NASA NSSDCA Venus Fact Sheet、Mars Fact Sheet：大氣成分（公有領域）
• USGS Geologic Time: Radiometric Time Scale：放射性定年與半衰期（美國聯邦政府公有領域）
• USGS Fossils, Rocks, and Time: Fossil Succession：化石與地層對比（公有領域）
• Wikipedia: Great Oxidation Event：大氧化事件（CC BY-SA 4.0，本站摘要改寫）
• 十二年國教課綱 自然科學領域（國家教育研究院）：EHa、EHb 學習內容（公開閱覽）