讓我們來認識我們頭上的大氣吧！

科學家把地球的大氣一層一層的加以分類。

由下而上，分為對流層、臭氧層、中氣層、電離層、以及磁層。

其中對流層是氣象學家的研究領域。

電離層以及磁層是太空物理學家的 ... 緒論 讓我們來認識我們頭上的大氣吧！ 圖目錄 本文的影音版 對流層 臭氧層平流層 中氣層 增溫層 電離層 磁層與日磁層 你知道地球大氣有多厚嗎？？ 你知道大氣的邊界到哪裡嗎？？ 　　科學家把地球的大氣一層一層的加以分類。

由下而上，分為對流層、臭氧層、中氣層、電離層、以及磁層。

其中對流層是氣象學家的研究領域。

電離層以及磁層是太空物理學家的研究領域。

至於臭氧層與中氣層，則算是氣象學家與太空物理學家的共同研究對象。

現在就讓我們配合著《大氣垂直分布圖》簡單的介紹一下這幾層地球大氣吧。

圖一《大氣垂直分布圖》 【對流層】 　　在海平面上方約0至10公里之間為對流層。

這個區域常常出現上下對流，因而得名。

為什麼對流層中的大氣會發生對流現象？？ 　　原因之一是因為地形不平坦，提供了空氣舉升的擾動條件。

　　原因之二是因為下熱上冷，而且溫差很大。

因此只要出現些微的空氣舉升擾動，被舉升的空氣就會持續上升，這就是對流不穩定。

就像煮水時一定是在下方加熱，才能藉著對流使整壺水快點煮開。

讓我們先來看看地球表面，地形有多不平坦！ 　　地球上最高的山峰是喜馬拉雅山，山高8848公尺，將近10公里。

當水平氣流遇到了喜馬拉雅山、青康藏高原、以及其他高山峻嶺時，就會被迫舉升。

因此地球上對流層的厚度至少有10公里。

我們再想想看，為什麼對流層下熱上冷？為什麼離太陽愈近的高空反而愈冷呢？ 　　理由是因為對流層的溫度，主要取決於其中二氧化碳與水汽的溫度。

　　二氧化碳與水汽不吸收短波只吸收長波，因為它們分子鍵結的振動頻率與長波的頻率相當。

可是太陽發射出來的光波主要在短波段，那麼長波打哪兒來？原來太陽發射出來的短波，被地表吸收，吸收後的能量以熱的方式向上發散，就是一種長波。

所以說，讓二氧化碳與水汽增溫的熱源來自於地面，而不是來自於空中的太陽。

因此對流層的溫度離地面愈近愈熱。

你知道嗎？ 　　在冬天，若天空晴朗無雲，則長波輻射旺盛，那麼當天晚上就會很冷。

在夏天，下雨前，空氣中溼度高，通常氣溫也會很高。

這就是水汽能吸收長波輻射，造成溫室效應的證明。

在都市中，汽車排放出二氧化碳及水汽多的地方，通常氣溫也比較高。

【臭氧層】 　　對流層的上方為臭氧層。

這個區域因為臭氧濃度頗高，而得名。

臭氧需要吸收紫外線，以便進行斷鍵等化學反應，所以臭氧層為我們擋掉了許多對人體有害的紫外線。

因為臭氧層的熱源，是來自太陽的短波紫外線，所以臭氧層越靠近太陽溫度越高。

由於臭氧層上熱下冷，因此不易發生上下對流的現象，氣流平穩，故又稱做【平流層】。

長途噴射客機都在此層中飛行。

【中氣層】 　　臭氧層的上方為中氣層。

對於此層，目前的觀測資料並不是十分充足。

因為中氣層的高度太高了（約海平面上方60公里至80公里），探空氣球無法到達。

至於火箭觀測，因速度太快，停留在中氣層的時間太短，所以也無法獲得詳細的資料。

近來科學家大多利用特高頻雷達配合火箭，來觀測中氣層的結構。

中氣層的上下溫差不大，並且會隨著季節、緯度而改變。

縱使有時溫度分布上冷下熱，但因溫差不夠大，仍不足以構成對流不穩定。

因此中氣層的大氣運動仍以水平方向的運動為主。

中氣層中的氣體成分以及化學反應，一直是科學家想探索的一個課題。

最近發現的高空閃電，發生的範圍大約就是在平流層到中氣層這一區域。

藉著觀測高空閃電的光譜，可以幫助科學家進一步了解中氣層的化學成分。

【增溫層】 　　中氣層的上方為增溫層。

因為這裡的大氣，吸收來自太陽的Ｘ光以及γ射線，進行「光化游離」反應，因此這裡的溫度分布，愈接近太陽愈熱。

故稱作增溫層。

又因為這裡的大氣中含有不少游離態的氣體，因此導電率很高；故又稱作電離層。

【電離層】 　　大約海平面上方100公里至2000公里的大氣層，因為含有不少游離態的氣體（電漿），因此導電率很高，故被稱作電離層。

在二次世界大戰時，間諜所使用的短波收音機，就是利用電磁波在電離層與地面，這兩個良導體之間來回反射的特性，達到越洋傳遞訊息的目的。

　　科學家發現，當入射電磁波的頻率與電離層的電漿頻率相同時，就會被反射。

而電離層的電漿頻率，又與電離層中電漿密度的平方根成正比，就好像彈簧的振動頻率與彈簧的彈力常數的平方根成正比一般。

因為電離層的高度在白天與夜晚不相同。

高度不固定，造成短波收訊器的功能時好時壞。

所以現在已經很少有人用短波收音機了，但是我們仍用短波收音機的原理來探測電離層中的電漿密度。

　　有些電磁波雖然不會被電離層的電漿反射，但是穿過電離層時，還是會被電漿折射。

全球衛星定位系統的接收機有好有壞，好的接收機設計時，都會考慮到電離層的折射效應。

只是人算不如天算，因為電離層的電子密度隨著日出日落都在改變，因此電波穿過電離層被折射的程度，難以預估模擬，因此再好的接收機，也難保不發生位置誤判的烏龍事件。

當然軍事用途的衛星定位系統中，利用加碼的方式，可進一步提高定位的準確度。

這又另當別論了。

【地球磁層與日磁層】 　　電離層的上方為磁層。

電離層與磁層之間其實並沒有很明顯的邊界。

電離層和磁層不同的地方在於中性粒子含量的多寡。

電離層中，中性粒子含量多，會影響帶電粒子的運動。

磁層中，中性粒子含量甚微，幾乎可視為完全游離的氣體。

　　磁層，顧名思義，是一個由磁場主導的區域。

但是它與上述各層最大的不同，就是它完全不是一個「層」狀的結構。

因此在《大氣垂直分布圖》上找不到磁層這一層！ 地球的磁層究竟長個什麼樣？ 　　這張《地球磁層圖》或許可以給你一點概念吧！ 由這張圖看來，地球磁層是指一個三度空間，很複雜的區域，而不是一個球殼一般的層狀結構。

有人說地球的磁層像一隻大烏賊。

你說像嗎？？ 地球磁層的勢力範圍： 地球磁層的下邊界就是電離層。

地球磁層的上邊界，我們叫它磁層頂。

磁層頂就是「地球的磁場與地球的電漿」和「太陽的磁場與太陽的電漿」的交界處。

　　至於地球磁層，為什麼會從一個簡單對稱的磁場結構，變形為目前這種烏賊的樣子呢？ 這個問題比較深奧，所以我們要另闢一個《烏賊園地》來談這個問題。

地球的磁層究竟有多大？ 　　讓我們來看看下面的數據吧： 面對太陽那一面，地球的磁層頂距離地心約10個地球半徑，背對太陽那一面的磁尾，可達到500至1000個地球半徑；而磁尾的直徑約有60個地球半徑。

由此可知地球磁層之大了。

　　可是地球的磁層雖大，卻要比天王星、海王星、土星、木星的磁層都小得多。

至於與太陽的磁層相比，更是小小小巫見大巫了。

科學家估計，太陽的磁層（日磁層），大約是將地球的磁層，按照比例，放大約40萬倍。

也就是說，如果地球磁層是一粒米，那麼日磁層就像一棟50層的大樓。

　　日磁層究竟有多大？據猜測，太陽的磁層，頭的一側距離太陽約200ＡＵ（ＡＵ：天文單位，也就是地球與太陽之間的距離），尾的一側距離太陽最遠可達10000ＡＵ。

這樣的日磁層大小與冥王星到太陽的距離（不到50ＡＵ）相比，實在是太大了。

不過這個長度不到60天光程（光走60天的距離）的日磁層，若拿來跟太陽與最近的恆星距離（4.3光年）相比，似乎又算不了什麼了。

　　地球的磁層，就像其他行星的磁層一樣，是浸泡在太陽的磁層與太陽風中。

所以地球磁層其實會隨著外在壓力的不同而改變大小。

外在壓力包括了太陽風的風壓、太陽風的熱壓、以及太陽風中磁場的磁壓。

（天啊！什麼是《磁壓》？讓我們進到《壓力園地》來看看吧！） 什麼是太陽風呢？ 太陽風是來自太陽的高速電漿流。

要了解太陽風，讓我們來看一看以下的這兩篇報導。

《太陽風的迷思故事》 《太陽風的加速原理》 圖目錄： 圖一、大氣垂直分布圖 圖二、特高頻雷達 圖三、高空閃電 圖四、地球磁層圖 圖五、太陽的磁層（日磁層） 作者： 呂凌霄 國立中央大學太空科學研究所 [email protected]