第三章 大氣層的成因與垂直結構


3-1大氣層是如何形成的？


地球剛形成時地心引力太弱無法留住氣體形成大氣。一般認為，目前的大氣與火山噴出的氣體有密切關係。比較火山爆發噴出的氣體成份(表3-1) 與目前大氣氣體成份(表3-2)，兩者差別很大(圖3-1)。

圖. 3-1火山爆發氣體和目前大氣成份 (資料來源？)
　

表3-1 火山爆發噴出的氣體成份

成份	百分比(%)
H2O	79.31
CO2	11.61
SO2	6.48
N2	1.29
H2	0.58

表3-2 目前大氣氣體成份

成份	百分比(%)
N2	78.08
O2	20.94
Ar	0.934
CO2	0.033

其可能原因有：

(1)水分噴出後凝結變成水→海；

(2)CO₂與SO₂與地表礦物作用變成碳或硫化合物；

(3)H₂質量太輕，氣體溫度高，動能大→逃離地球。

以上幾個理由可以解釋為何目前大氣氣體以N2含量最高。但是，大氣中的氧如何產生的？下列證據可推論早期大氣不含氧：

(1)年代久遠的礦物多氧化不完全；

(2)最原始簡單的生物不需要氧；

(3)沒有氧的來源。


目前有兩種理論解釋大氣中氧的來源：

(1)光解作用(photodissociation)：

2H₂O + 紫外線 → 2H₂ + O₂

但氧與氫極易作用再生成水。若要大量氧留住，則大部分氫必須逃離大氣（進入太空）。但是，大部分氫無法「立即」離開大氣，因此這理論可能性不大。

(2)光合作用(photosynthesis)：


6CO₂ + 6H₂O + 可見光 → C₆H₁₂O₆ ＋ 6O₂


早期地球上的單胞生物(圖3-2)行光合作用可以產生大量的氧。早期大氣中無氧，也因此無臭氧(O₃)。臭氧是過濾紫外線的主要氣體，而紫外線對生物有害。早期地球的單胞生物如何存活？可能原因是這些生物存在水面下，而且水必須足夠深以便過濾大部分的紫外線，（這是一定要深的啦！）但也不能太深，單胞生物才能吸收陽光行光合作用放出氧。估計水深約10公尺。這些生物活著時產生氧，一旦死了，沈到海底，並不會因屍體腐壞用掉空氣中的氧。所以在這時期，氧的產生多餘消耗，大氣中的氧逐漸增加，臭氧也增加，越多的紫外線被過濾，地球表面越適於生存，單胞生物也因此漸漸上移接近水面吸收更多的陽光，光合作用更劇烈，產生更多的氧、臭氧，更多紫外線被過濾。此一「正」回饋作用，使現在大氣存有大量的氧[1]。


圖3-2 氧氣、臭氧濃度變化與生物演化史 (圖片來源：Crutzen，Fig. 4.3)


TABLE 3.1 Composition of the lower and middle atmosphere
　

TABLE 3.2 Percentage by volume of various gases in Hawaiian volcano


3.2 大氣垂直溫度結構


大氣層大致可分為對流層( Troposphere)、平流層 ( Stratosphere)、中氣層 ( Mesosphere)、增溫層 ( Thermosphere)(圖3-3)，玆分述如下：

圖3-3 大氣垂直分層 (圖片來源：Ahrens，p.14，Fig. 1.10)


1.對流層

最接近地面的一層稱為對流層，平均高約10公里。顧名思義，對流層是對流（熱空氣上升，冷空氣下降）最旺盛的區域，也是天氣現象發生的地方。大氣中的水汽，約有80%存在於對流層，因此它也是蒸發、雲、雨、…最經常出現的區域。一般而言，越接近地面水汽含量越高，因為溫度較高而且較接近來源（如：海、湖、森林、沼澤…）。

大氣吸收陽光的效率不高，約有50%的陽光穿透為地表吸收，而且空氣放出的輻射比吸收的還多（即不斷冷卻），因此大氣的溫度分布成隨高度遞減的現象。大氣則經由熱傳導及對流傳送熱量，彌補輻射冷卻所損失的能量。平均而言，對流層中隨高度溫度遞減約6.5^oC/km。


2.平流層

對流層之上，10km至50km之間，為平流層。平流層的特點是溫度隨高度增加，因此空氣特別穩定，不易產生對流，大氣運動多是水平，因此稱為平流層。平流層因為特別穩定，而且沒有降水，大氣中懸浮微粒（如：火山灰、污染物、核爆輻射塵…）可停留在平流層數個月到數年之久。

平流層的溫度分布與臭氧有關。下列化學作用在平流層中不斷發生：
　

O₂ + O + M = O₃ + M     (a) 

O₃ + hv = O₂ + O         (b)

上述作用(a)，由O₂、O、M (催化劑)三體碰撞產生臭氧。臭氧是極端不穩定的氣體，容易吸收紫外線分解成O₂、 O。(a)、(b)兩種作用不斷進行，其結果是化學成份不變，大氣卻因此吸收了許多能量，提高溫度。此一過程在高度約50公里處最有效率，因此該處溫度最高。臭氧含量最大的地方，約在20∼30公里之間。為什麼最高溫在50公里處？因為高度太高，氣體密度小，不易產生三體碰撞；高度太低則紫外線多已被吸收，而且O原子含量太低(O的產生：O₂ + hv = 2O，吸收非常短波長輻射，且發生在高層大氣，上述反應不易進行。)

3.中氣層

在這層沒有特殊的加熱過程，越高處越冷。大氣層最冷的地方。


4.增溫層

在這層，N₂、O₂、O吸收波長非常短的太陽輻射(<0.1μm)(圖3-4)，產生光電離作用(photoionization)，生成許多電離子，因此也稱為電離層(圖3-5)。由於空氣稀薄，只要吸收一點能量，溫度就變得很高（可達數千度）。這裡的溫度變化與太陽黑子的活動關係密切。太陽黑子活躍與否可改變溫度達一千多度。但是人若在同溫層立刻被凍死。為什麼？因為空氣太稀薄，即使每個氣體分子溫度達數千度，因為太少氣體分子撞擊人體，對人而言，溫度還是非常低。由於電離子會吸收、反射電訊，電離層的狀況對長程通訊影響很大。


圖3-4 大氣氧和臭氧對太陽輻射的吸收 (圖片來源？)


圖3-5 電磁波受電離層的反射 (圖片來源：Ahrens，p. 15，Fig. 1.11)

參考附註：其他行星的大氣溫度結構。


3.3 氣壓及空氣密度的垂直分布

大氣氣壓及空氣密度的隨高度增加約成指數遞減(圖3-6，圖3-7)。我們可將氣壓解釋成單位面積上方空氣的總重量。由於空氣是可壓縮的（水是不可壓縮的），因此大部分的空氣聚集在低對流層，而且低層大氣密度遠大於高層大氣。比如，大約一半重量的空氣聚集在5km以下。假設一大氣壓為1000百帕（即：毫巴），則500百帕等壓面的上方及下方大氣各佔50%的重量；600百帕等壓面的上方及下方大氣則各佔60％及40％的重量。氣象學家經常用氣壓作為垂直座標。氣壓與高度之間的換算，與當地氣溫有關。比如，熱帶地區氣溫較高，在同一壓力下，空氣所佔體積較大，因此兩等壓層之間的厚度變厚。一般而言，同一等壓面的高度由熱帶向極區遞減。


圖3-6 大氣壓力隨高度變化 (圖片來源：Ahrens，p. 9，Fig. 1.8)


圖3-7 大氣壓力和空氣密度隨高度變化 (圖片來源：Ahrens，p.8，Fig. 1.7)

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[1]註：約在四億兩千萬年前，生物由海進入陸地。單胞生物的出現：四十億年前。氧的產生：三十至二十億年前。