認識天文學與地球科學

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創意科學課程

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認識天文學與地球科學

★ Introduction to Astronomy & Earth Science ★

講師：國立成功大學航空太空研究所碩士 陳俊中

(Adion Chen)

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天文學/地球科學課程內容大綱—看圖說故事

• 太陽系的八大行星及其排列的順序‧小行星、彗星‧金星與火星的環境

• 地球公轉、自轉軸傾斜與四季位置的關係‧日地月相對運動

• 由日、月、地模型了解日食、月食及潮汐現象‧地球在宇宙中的相關地位

• 晝夜的交替、月相的盈虧、四季的變化‧新月、滿月、上弦月與下弦月

• 地球地殼、地函、地核的組成‧大陸地殼和海洋地殼的不同

• 大陸漂移和海底擴張‧軟流圈‧板塊構造學說

• 天文望遠鏡原理與構造‧面鏡的成像原理‧透鏡成像原理‧哈伯太空望遠鏡

• 類地行星與類木行星其物理性質的不同‧太陽光入射角度與地球能量

• 阿波羅登月計畫‧行星探測器的設計與發射‧

• 火箭的飛行原理與構造‧太空梭的設計‧太空發射載具‧太空飛機

• 軌道設計科學—從地球上發射太空船到月球‧飛掠/環繞月球

• 人造衛星繞地球運行的科學—軌道力學‧刻卜勒三大定律

• 地球觀測衛星‧氣象衛星‧地球資源衛星‧海洋衛星

• 地球氣層的結構‧金星與地球大氣層的比較‧ The Rock Cycle

• 地球科學--火山的結構‧生物圈與食物鏈‧水循環與碳循環

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

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銀河系/太陽系/獵戶旋臂

獵戶臂是銀河系內的一條小螺旋臂，地球所在的太陽系即處於獵戶臂內。它也被稱為本地臂、

本地分支（Local Spur）或獵戶分支。獵戶臂因為靠近獵戶座而得名，它位於人馬臂和英仙臂之 間 － 銀河系4條主要螺旋臂中的2條。在獵戶臂內的太陽系和地球在本星系泡內，距離銀河中 心大約26,000光年。

銀河系（天河或天漢）是太陽系所處的星系。是一個由1,000至4,000多億顆恆星、數千個星團 和星雲組成的棒渦星系系統，它的直徑約為100,000多光年，中心的厚度約為6,000多光年。

太陽系屬於這個龐大星系的恆星之一，而我們居住的地球則屬於太陽系中的一個行星。過去它 被認為與同處於本星系團的仙女座大星系一樣，都是旋渦星系，但最新研究指出銀河系實際上 為一棒旋星系。

銀河系也有自轉。太陽系以每秒250千米速度圍繞銀河中心旋轉，旋轉一周約2.2億年。

銀河系有兩個伴星系：大麥哲倫星系和小麥哲倫星系。

與銀河系相對的稱之為河外星系。一般認為，銀河系中的恆星多為雙星或聚星。而2006年新的 發現認為，銀河系的主序星中2/3都是單星。

銀河系是一個中間厚，邊緣薄的扁平盤狀體。他的主要部分稱為銀盤，呈漩渦狀。

它的總質量約有太陽的一萬億倍，直徑約為十萬光年，中央厚約1.5萬光年，邊緣厚約3000- 6000光年。太陽約處於獵戶臂上距銀河系中心約27,700光年某處。

銀盤外面是由稀疏的恆星和星際物質組成的球狀體，稱為銀暈，直徑約10萬光年。

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太陽系的八大行星‧小行星/彗星

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太陽系的八大行星‧小行星/彗星

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太陽系的八大行星‧小行星/彗星

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太陽

根據天文學家的推測，由於太陽是利用其內部的氫作為燃 料，為了能夠利用剩餘的燃料，太陽會變得越來越熱，於 是燃燒的速度也越來越快。這就導致太陽不斷變亮，變亮 速度大約為每11億年增亮10％。

從現在起再過大約76億年，太陽的核心將會熱得足以使外 層氫發生融合，這會導致太陽膨脹到現在半徑的260倍，變 為一顆紅巨星。 此時，由於體積與表面積的擴大，太陽的 總光度增加，但表面溫度下降，單位面積的光度變暗。

隨後，太陽的外層被逐漸拋離，最後裸露出核心成為一顆 白矮星，一個極為緻密的天體，只有地球的大小卻有著原 來太陽一半的質量。

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太陽

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太陽

太陽直徑大約是1,392,000公里，相當於地球直徑的109倍；

質量大約是地球的330,000倍，約佔太陽系總質量的99.86%。

從化學組成來看，太陽質量的大約四分之三是氫，剩下的 幾乎都是氦，包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質量少 於2%。

太陽的恆星光譜分類為G型主序星（G2V）。雖然它是白色 的，但因為在可見光的頻譜中以黃綠色的部分最為強烈，

從地球表面觀看時，大氣層的散射使天空成為藍色，所以 它呈現黃色，因而被非正式的稱為「黃矮星」。

其表面溫度大約是 5778K（5505 °C），它的能量來自於氫 融合成氦的核融合反應。太陽的核心每秒鐘燃燒6.2億噸的 氫。太陽比85%的恆星都要明亮。

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Sun

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太陽

太陽目前正在穿越銀河系內部邊緣獵戶臂的本地泡區中的 本星際雲。在距離地球17光年的距離內有50顆最鄰近的恆 星系（最接近的一顆是紅矮星，被稱為比鄰星，距太陽大 約4.2光年），太陽的質量在這些恆星中排在第四。 太陽在 距離銀河中心24,000至26,000光年的距離上繞著銀河公轉，

從銀河北極鳥瞰，太陽沿順時針軌道運行，大約2.25億至 2.5億年遶行一周。

地球圍繞太陽公轉的軌道是橢圓形的，每年1月離太陽最近

（稱為近日點），7月最遠（稱為遠日點），平均距離是 1.496億公里（天文學上稱這個距離為1天文單位）。以平均 距離算，光從太陽到地球大約需要經過8分19秒。太陽光中 的能量通過光合作用等方式支持著地球上所有生物的生長，

也支配了地球的氣候和天氣。

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太陽

太陽的核心是指距離太陽的中心不超過太陽半徑的五分之 一或四分之一的區域，核心內部的物質密度高達150 克/立 方公分，大約是水密度的150倍，溫度接近1,360萬K。相較 之下，太陽表面的溫度大約只有5,800K。根據太陽和太陽 風層探測器任務最近的資料分析，太陽核心的自轉速率比 輻射帶等其它區域要快。太陽形成後的大部分的時間裡，

核融合的能量是經過一系列被稱為質子-質子鏈反應的過程 產生的；這個過程將氫變成氦，只有少於2%的氦是經由碳 氮氧循環產生的。

核心是太陽內唯一能經由核融合產生大量熱能的區域，99%

的能量產生在太陽半徑的24%以內，而在30%半徑處，融合 反應幾乎完全停止。太陽的外層只是被從核心傳出的能量 加熱。在核心經由核融合產生的能量首先需穿過由內到外 接連的多層區域，才能到達光球層，然後化為光波或粒子 的動能，散逸到外層的宇宙空間去。

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太陽黑子

當使用適當的過濾觀察太陽時，通常最能立刻看見的特徵就是太陽黑子，因為 那是溫度較低而明確出現比周圍黑暗的區域。太陽黑子是強磁場的區域，對流 受到強量磁場的抑制，減少了從高熱的內部傳送到表面的能量。磁場造成大量 的熱進入日冕，形成的活動區是激烈的太陽閃焰和日冕物質拋射的來源。最大 的太陽黑子有數萬公里的直徑。

在太陽上可以看見的太陽黑子數量並不是固定的，它以11的週期變化，形成所 知的太陽週期。當太陽黑子週期進展時，太陽黑子的數量會增加，並且初系的 位置也逐漸接近太陽的赤道。太陽黑子通常都以磁性相異的形式成對出現。

在過去大約250年觀測的太陽黑子數量，顯示出大約11年的太陽週期。因為太陽 的光度與磁場活動有直接的關係，太陽週期不僅對太空天氣有很大的影響，對 地球的氣候也有重大的影響。在17世紀，太陽週期似乎完全停止了數十年，在 這段期間只觀測到少數幾個太陽黑子。那個時代稱為蒙德極小期或小冰期，歐 洲經歷了很冷的溫度。分析樹木的年輪發現更早的一些極小期，並且也顯現出 與全球的溫度低於平均溫度的期間相符合。

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太陽系的八大行星

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太陽系的八大行星

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水星

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水星

水星（0.4 天文單位）是最靠近太陽，也是最小的行星（0.055地球質量）。它沒有 天然的衛星，僅知的地質特徵除了撞擊坑外，只有大概是在早期歷史與收縮期間產 生的皺摺山脊。水星，包括被太陽風轟擊出的氣體原子，只有微不足道的大氣。目 前尚無法解釋相對來說相當巨大的鐵質核心和薄薄的地函。假說包括巨大的衝擊剝 離了它的外殼，還有年輕時期的太陽能抑制了外殼的增長。

水星（英語：Mercury），中國稱為辰星，是太陽系八大行星最內側的一顆。它也是 最小的，並且有著八大行星中最大的離心率。它的軌道每87.969地球日繞行太陽一 週，而每公轉2圈時也自轉了3圈。 水星有著太陽系行星中最小的軌道傾角。

水星，是一顆內側行星，只會出現在凌晨成為晨星，或是黃昏出現作為昏星，但是 它比另一顆內側行星，金星，更難以見到。從地球看水星的亮度有很大的變化，因 為在天空中太靠近太陽，實際上並不容易找到。因除非有日蝕，否則在陽光的照耀 下通常是看不見水星的。在北半球，只能在凌晨或黃昏的曙暮光中看見水星。

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地球/水星/月球

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水星

水星是太陽系內與地球相似的4顆類地行星之一，有著與地球 一樣的岩石個體。它是太陽系中最小的行星，在赤道的半徑是 2,439.7公里。水星甚至比一些巨大的天然衛星，像是甘尼米德 和泰坦，還要小 － 雖然質量較大。水星由大約70%的金屬和 30%的矽酸鹽材料組成，水星的密度是5.427公克/公分3，在太 陽系中第二高的，僅次於地球的5.515公克/公分3。如果不考慮 重力壓縮對物質密度的影響，水星物質的密度將是最高的。

從水星的密度可以推測期內部結構的詳細資料。地球的高密度

，特別是核心的高密度，是由重力壓縮所導致的，水星是如此 的小，因此它的內部不會被強力的擠壓。所以，它要有如此高 的密度，它的核心必然是大且含有許多的鐵。

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水星/地球

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水星

由於十分接近太陽，勘測有困難度，我們對水星的所知相當有 限，迄今只有兩艘太空船曾略勘水星。第一艘是1974至1975年 的水手10號，只描繪了45%的水星表面圖。第二艘是信使號，

在2008年1月14日掠過水星，描繪了另外30%的表面。信使號於 2011年3月17日再度抵達水星，並且進入環繞軌道，開始對水 星表面進行全面的探測。

實際上，水星在外觀上很像月球。它的表面有許多的坑穴，沒 有天然的衛星，也沒有真實的大氣層；它有個巨大的鐵核，磁 場強度約是地球的1% 。由於有著巨大的核，它是高密度的行 星。表面的溫度從90至700K（-180至430 °C）。日下點是最熱 的地方，在靠近地理極的坑穴底部是溫度最低之處。

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水星/金星/地球/火星

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水星/地球

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水星/金星/地球/火星

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金星/地球

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金星

金星

金星 （0.7 天文單位）的體積尺寸與地球相似（0.82地球質量

），也和地球一樣有厚厚的矽酸鹽地函包圍著核心，還有濃厚 的大氣層和內部地質活動的證據。但是，它的大氣密度比地球 高90倍而且非常乾燥，也沒有天然的衛星。它是顆炙熱的行星

，表面的溫度460到470°C，很可能是大氣層中有大量的溫室氣 體造成的。沒有明確的證據顯示金星的地質活動仍在進行中，

但是沒有磁場保護的大氣應該會被耗盡，因此認為金星的大氣 是經由火山的爆發獲得補充。

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水星/金星/地球/火星

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金星/地球/火星

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Solar System Planets Compare

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金星/地球/火星

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行星互相撞擊

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地球與火星的比較

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地球與火星的比較

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火星

火星

火星（1.5 天文單位）比地球和金星小（0.11地球質量），只有 以二氧化碳為主的稀薄大氣，它的表面，有密集與巨大的火山

，例如奧林帕斯山，水手號峽谷有深邃的地塹，顯示不久前仍 有劇烈的地質活動。火山最高高度超過20000米。火星於十億 年可能曾經有許多液態水。也有生物存在的可能性。

有人認為火星可地球化，並變成第二個地球，但須法300－

1000年多，也可能會破壞火星環境。也同時能令火星有為人類 的「殖民地」。首先把火星的大氣增加氧氣量，然後溶化南北 極的冰，成為液態水，最後擴大液態水的位置，成為海洋及湖 泊。

火星有兩顆天然的小衛星，戴摩斯和福伯斯，可能是被捕獲的 小行星。數百萬年後福伯斯將和火星相撞。

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地球與火星的比較

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太陽系內的主要衛星

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太陽系內的主要衛星

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太陽系內的主要衛星

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地球與土星

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地球/月球/泰坦星(Titan)

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地球/泰坦星(Titan)

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地球/月球/歐羅巴星(Europa)

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地球/火星/歐羅巴星(Europa)

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地球/歐羅巴星(Europa)

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地球/埃歐衛星(Io)/月球

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地球

地球

地球（1 天文單位）是內行星中最大且密度最高的，也是唯一 地質活動仍在持續進行中並被人類承認擁有生命的行星,直徑 12756km（赤道半徑 6378 km ）。它也擁有類地行星中獨一無 二的水圈和被觀察到的板塊結構。地球的大氣也與其他的行星 完全不同，被存活在這兒的生物改造成含有21%的自由氧氣。

它只有一顆衛星，即月球；月球也是類地行星中唯一的大衛星

。

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小行星帶

小行星是太陽系小天體中最主要的成員，主要由岩石與不易揮 發的物質組成。

主要的小行星帶位於火星和木星軌道之間，距離太陽2.3至3.3 天文單位，它們被認為是在太陽系形成的過程中，受到木星引 力擾動而未能聚合的殘餘物質。

小行星的尺度從大至數百公里、小至微米的都有。除了最大的 穀神星之外，所有的小行星都被歸類為太陽系小天體。

小行星帶擁有數萬顆，可能多達數百萬顆，直徑在一公里以上 的小天體。儘管如此，小行星帶的總質量仍然不可能達到地球 質量的千分之一。小行星主帶的成員依然是稀稀落落的，所以 至今還沒有太空船在穿越時發生意外。

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地球與木星的比較

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類木行星/外太陽系/外行星

在外側的四顆行星，也稱為類木行星，囊括了環繞太陽99%的 已知質量。木星和土星的大氣層都擁有大量的氫和氦，天王星 和海王星的大氣層則有較多的「冰」，像是水、氨和甲烷。有 些天文學家認為它們該另成一類，稱為「天王星族」或是「冰 巨星」。這四顆氣體巨星都有行星環，但是只有土星的環可以 輕鬆的從地球上觀察。

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地球與木星的比較

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木星/土星

木星

木星 （5.2 天文單位），主要由氫和氦組成，質量是地球的318 倍，也是其他行星質量總和的2.5倍。木星的豐沛內熱在它的大 氣層造成一些近似恆星的特徵，例如雲帶和大紅斑。木星已經 被發現的衛星有63顆，最大的四顆，甘尼米德、卡利斯多、埃 歐、和歐羅巴，顯示出類似類地行星的特徵，像是火山作用和 內部的熱量。甘尼米德比水星還要大，是太陽系內最大的衛星

。 土星

土星（9.5 天文單位），因為有明顯的環系統而著名，它與木 星非常相似，例如大氣層的結構。土星不是很大，質量只有地 球的95倍，它有61顆已知的衛星，泰坦和恩塞拉都斯，擁有巨 大的冰火山，顯示出地質活動的標誌。泰坦比水星大，而且是 太陽系中唯一實際擁有大氣層的衛星。

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天王星/海王星

天王星

天王星（19.6 天文單位），是最輕的外行星，質量是地球的14 倍。它的自轉軸對黃道傾斜達到90度，因此是橫躺著繞著太陽 公轉，在行星中非常獨特。在氣體巨星中，它的核心溫度最低

，只輻射非常少的熱量進入太空中。天王星已知的衛星有27顆

，最大的幾顆是泰坦尼亞、歐貝隆、烏姆柏里厄爾、艾瑞爾、

和米蘭達。

海王星

海王星（30 天文單位）雖然看起來比天王星小，但密度較高使 質量仍有地球的17倍。他雖然輻射出較多的熱量，但遠不及木 星和土星多。海王星已知有13顆衛星，最大的崔頓仍有活躍的 地質活動，有著噴發液態氮的間歇泉，它也是太陽系內唯一逆 行的大衛星。

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太陽系的主要衛星與地球大小的比較

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月相的盈虧

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月相的盈虧

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月相的盈虧

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月相的盈虧

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地球公轉、自轉軸傾斜與四季位置的關係

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地球公轉、自轉軸傾斜與四季位置的關係

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地球公轉、自轉軸傾斜與四季位置的關係

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地球公轉、自轉軸傾斜與四季位置的關係

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天文學--日蝕與月蝕

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天文學--日蝕與月蝕

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天文學--日蝕與月蝕

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天文學--日蝕與月蝕

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天文學--日蝕與月蝕

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地球大氣層的結構

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地球大氣層的結構

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地球大氣層的結構

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地球大氣層的結構

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地球大氣層的水循環

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金星與地球大氣層的比較

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金星與地球大氣層的比較

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--大陸漂移和海底擴張‧板塊構造學說

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地球科學--火山的結構

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22222222

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地球科學--火山的結構

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地球科學--火山的結構

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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潮汐

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Water on Earth

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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火成岩/沈積岩/變質岩

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Water on Earth

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Water on Earth

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Water on Earth

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Water Cycle

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Water Cycle

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Water Cycle

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Water Cycle

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Water Cycle

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CO2 cycle

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碳循環

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碳循環

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碳循環

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碳循環

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碳循環

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碳循環

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食物鏈

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食物鏈

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食物鏈

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食物鏈

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食物網

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食物網

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食物網

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食物網

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食物網

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世紀之毒～戴奧辛

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世紀之毒～戴奧辛

《什麼是戴奧辛？》

戴奧辛（Dioxins）是210種不同化合物的統稱，包括75種多氯二聯苯戴奧辛）

及135種多氯二聯苯夫喃

這些化合物皆具有兩個氧原子聯結一對苯環類，並與氯結合，是燃燒或製造 含氯物質時，產生的無色、無味、毒性很強的脂溶性化學物質，會安定存在 於動物脂肪內，代謝不掉，其中以2,3,7,8-四氯聯苯戴奧辛(2,3,7,8-TCDD)之 毒性最強，有「世紀之毒」之稱。

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戴奧辛

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DDT的濫用引發生態浩劫

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DDT的濫用引發生態浩劫

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DDT的濫用引發生態浩劫

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DDT的濫用引發生態浩劫

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DDT的濫用引發生態浩劫

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超抽地下水造成的災害

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超抽地下水造成的災害

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超抽地下水造成的災害

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超抽地下水造成的災害—地層下陷

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超抽地下水造成的災害—地層下陷

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超抽地下水造成的災害—地層下陷

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超抽地下水造成的災害—海水倒灌

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超抽地下水造成的災害—海水倒灌

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超抽地下水造成的災害—海水倒灌

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超抽地下水造成的災害—海水倒灌

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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折射式與反射式天文望遠鏡的物理光學設計

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人造衛星橢圓形地球軌道的設計

.

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刻卜勒定律(Kepler's Laws)

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刻卜勒第三定律(Kepler's 3

Law)

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軌道設計科學—從地球上發射太空船到月球

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霍曼軌道(Hohmann Transfer Orbit)

185

飛往火星的

霍曼軌道

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太空發射載具的設計—運載火箭‧太空梭

187

運載火箭的飛行速度

◎加速到每秒7.9公里：進入地球軌道 (7.9km/s稱為宇宙第一速度)

◎加速到每秒11.2公里：飛離地球 (11.2km/s稱為宇宙第二速度)

◎加速到每秒16.7公里：飛出太陽系 (16.7km/s稱為宇宙第三速度).

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在不同的星球上要將物體送離 該星球所需的速度(逃逸速度) 地球：11.2km/s

月球：2.4km/s (21%) 火星： 5km/s (45%) 小行星：10m/s

彗星：10m/s .

金星： 10.4km/s

土星： 35.5km/s (3.2倍)

木星： 59.6km/s (5.3倍)

太陽： 617.7km/s (55.2倍)

黑洞： 無限大

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190

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成功大學航空太空研究所碩士 陳俊中（

Adion Chen

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蝦 蝦 目前任職於生物科技產業

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Adion

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