【中華百科全書●科學●大氣物理】

楊籍富

【中華百科全書●科學●大氣物理】

 

大氣物理乃研究行星大氣與星球大氣之學，而以地球大氣之物理學，為其主題。

 

茲就地球大氣層之起源、組成，與結構等，扼要簡介其梗概。

 

地球為一層厚約數百公里之透明混合氣體所包圍，因受球之引力而附著於地表，稱為大氣層。

 

在接近地表之乾空氣中，按體積之百分比，氮約佔百分之七十八，氧約佔百分之二十一，氬、氖、氪、氫、氦，及二氧化碳等構成其餘百分之一。

 

大氣層不僅供應生物呼吸所必須之氧，且能於白晝阻擋太陽之強烈紫外光，而於夜晚防止地表之溫度過度降低。

 

地球原始大氣層係由火山爆發而產生，其主要成分為水蒸氣、氮，及二氧化碳。

 

惟二氧化碳能與地表之矽酸鈣化合而成石英與碳酸鈣，形成地表砂粒岩石之主要成分，是以二氧化碳乃得由原始大氣層中消耗殆盡。

 

此點對於生命之形成，極為重要。

 

二氧化碳分子能讓可見光通過而增高地表溫度，且能阻擋地表所輻射出之紅外光，因而產生溫室效應，致使大氣層之溫度顯著昇高而無法蘊育生命之形成。

 

金星地表溫度高達攝氏四百餘度，即因其大氣中含有大量之二氧化碳使然。

 

原始大氣層中之水分子，因受太陽之強烈紫外光輻射而分解成氫及氧，前者隨即逸出大氣層，後者因能與多種成分化合而形成固態氧化物，亦從大氣中消失。

 

今日大氣層中所含大量自由態氧分子，乃生命出現後，逐漸累積之結果。

 

植物僅需少量之氧即可維持生命，在其製造食物過程中，進行光合作用而使二氧化碳分解成氧及碳，前者乃釋於於大氣中，而後者為植物所吸收，轉化成有機體。

 

動物呼吸，吸收氧而排出二氣化碳，植物營養生長，吸收二氧化碳而補充氧，如此相輔相成而達奇妙之平衡，是以大氣之組成乃得穩定。

 

大氣之壓力與密度，均隨高度之增加而遞減，惟其溫度之垂直分布，則因大氣層之構造而不同。

 

大氣之內部結構可分為數層：自地面至十餘公里高度之大氣層，稱為對流層；

 

自對流層頂至五十餘公里者為同溫層（或稱平流層）；

 

自同溫層頂至八十公里左右者為中氣層；

 

八十公里以上者為電離層（或稱熱氣層）；

 

電離層之上距離地面約六百公里以上者為磁層（或稱外氣層），大氣層之外限約為三萬公里。

 

茲將各層特徵，扼要略述如下：一、對流層（Troposphere）：即最接近地面之一層，乃天氣變化之區域，幾乎所有之雨、雲、雪皆在此區發生，為氣象學研究之主題。

 

大氣中全部質量之百分之九十係包含於此狹窄範圍內。

 

大致言之，在此區域內，溫度隨高而遞減，約每公里降低攝氏六點五度。

 

在此層之頂部，即其與同溫層之交界處，溫度停止下降，稱為對流層頂，其高度隨天氣與緯度而變化。

 

北極上空之對流層頂高約八公里，由此向低緯度逐漸昇高，而赤道上空之對流層頂高約十六公里，惟向高緯度緩慢下降。

 

二、同溫層（Stratosphere）：在此層內之空氣，非常穩定平靜，且極乾燥，幾無垂直方向之運動，各種天氣現象停止活動，故亦稱為平流層。

 

此層之下端即對流層頂，其上端與中氣層相接處為平流層頂。

 

此層之下端（即自離地面約十公里之對流層頂至離地面二十公里之氣層）溫度幾乎不變，其值約為零下六十三度。

 

此層之上部，約在二十五公里之高度，溫度開始上昇，在離地面約四十九公里處，溫度已昇高至攝氏二十度，此處之溫度與地面相若，為平流層中最溫暖之處，稱為平流層頂。

 

在平流層內溫度之昇高，係因此層中之臭氧吸收太陽紫外光所致。

 

臭氧O3係由氧分子O2、氧原子O，及另一觸媒分子經三體碰撞而形成。

 

在接近地面之對流層內，僅有氧分子，而在平流層頂以上之高空，僅有氧原子，故臭氧祇能在平流層內形成。

 

如無臭氧層之存在，則強烈之紫外光即穿透平流層，不僅直接傷害人體及生物，且能分解水分子使地球失去水分而無法維持生命。

 

三、中氣層（Mesosphere）：在此層內（約離地面五十公里至八十公里），氧及臭氧均開始減少，氣溫乃隨高度下降，至中氣層頂（高約七十五公里上下），氣溫乃再度降低至攝氏零下一百度，為大氣層中最冷之處。

 

四、電離層（Ionosphere）：中氣層之上，即高約八十公里以上，空氣分子吸收來自太陽之強烈紫外光，氣溫因而再度開始上昇。

 

由八十公里至一百二十公里，氣溫由攝氏零下七十度昇高到八十度，而在三百公里以上之高空，氣溫可高達數千度。

 

故電離層亦稱為熱氣層。

 

電離層中之分子及原子因吸收紫外光而游離，是以電離層中含有電子及離子。

 

電離層可分為三層，其最低層為D層（五十至九十公里），E層（九十公里至一百五十公里），其最上層為F層（一百八十公里至四百公里），其中以E層及F層之電子密度最大。

 

電離層中之電子，在彼此交互作用下，能共同集體振動，其振動頻率與電子密度之平方根成正比，稱為電子電漿頻率。

 

如入射電磁波之波頻大於電離層之電漿頻率，則能穿越電離層，如入射電磁波之波頻小於電離層之電漿頻率，則入射波即為電離層所反射而復回地面。

 

因電磁波之波長與波頻成反比，而E層之電子密度小於F層之電子密度，故E層能反射較長之無線電波，而F層能反射較短之無線電波。

 

如入射波之波頻太高，以致超過電離層中之最大電漿頻率，則入射波即穿越電離層而進入太空。

 

電視廣播所使用之電磁波及調頻無線電波，其波頻均超過電離層中F層之電漿頻率，故能穿透電離層進入太空而無法返回地球，必須經由人造星之轉播，方能遠播。

 

五、磁層（Magnetosphere）：自電離層最外層（即F2層，約距面四百公里）至高層大氣外限，廣達二十餘倍地球半徑之區域內，稱為磁層，因在此區域內之電子、質子，與離子之運動與分布，均受地球磁場之控制，因而得名。

 

地球之磁場，因與太陽風中之低能電子與質子交互作用，在磁層之外緣（Magnetopause）產生一變遷區稱為磁鞘（Magnetosheath），並在磁鞘之外形成一弓形震波（BowShock）。

 

在磁層內背日方向有一廣達地球半徑七倍之卵形區域稱為電漿層（Plamsasphere），其中之電子密度與電子通量隨太陽之活動週期而增減。

 

在電漿層內距地表四個地球半徑附近為范阿倫輻射帶（VanAllenBelt），其厚度約數千公里，幾乎全由電子所組成。

 

因地球之磁場在兩極較強，在赤道較弱，乃形成一自然之磁鏡，帶電質點為地球磁場所束縛，沿磁力線作螺旋運動，往返於兩極之間，無法逸出此自然之磁鏡，乃形成輻射帶。

 

磁層內尚有電漿片區、環形電流、磁尾電流、中性片區，及中性片區電流等內部構造，茲不贅。

 

（鄒志剛）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=4799