第四课认识大气层

第四課：認識大氣層一、前言二、地球大氣的由來三、地球大氣的結構四、氣壓及空氣密度隨高度分布五、大氣中的微量氣體與懸浮微粒六、天氣圖與氣象預報七、災害型天氣監測與警報一、前言本章開始我們逐一講說氣候與環境變遷，本章中我們要來看看地球大氣的結構，但首先來談談天氣(weather)與氣候(climate)。什麼是天氣與氣候?

天氣是指影響人類生活和活動的大氣狀態(stateofatmosphere)。天氣和氣候有別，為大氣短時間(數分鐘至數天)變化。氣候為大氣-水圈-陸面系統(atmosphere-hydrosphere-landsurfacesystem)緩慢變化的形勢(aspects)，為每日或季節性天氣事件(event)經過長期間的累積。1.地球初期的大氣，大多由H2、He

及少量之CO2、CH4、NH3

構成，但這些氣體後均因地球初期之高熱而逃逸(escaped)(外行星的主要成分，見下頁)。2.今日地球的大氣，主要由氧、氮、及一些CO2

、CH4

及水汽構成。這些氣體來自火山噴發的大量氣體，經長時間儲積而成(圖)。氧來自植物及浮游生物之光合作用。水汽以各種型式儲藏於海洋、冰河、湖泊、河川與大氣。二、地球大氣的由來:★太陽系包括:水星(Mercury)、金星(Venus)、地球、火星(Mar)、小行星(Asteroid)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、海王星(Neptune)等(圖)。前四者稱為內行星，多為石質固體，後四者稱為外行星，多為氣體(圖)。冥王星(Pluto)因體積甚小且軌道與海王星軌道重疊，2006年8月已被國際天文聯合會除名，不再具有行星資格。圖:太陽系地球大氣的由來是由火山噴發的氣體，經長時期的累聚而來。地球上的生命最早發現於海洋，並以藍綠藻型式出現(如同細菌之有機體)，可能為大氣氧氣來源(光合作用)。約在五億七千萬年前之前寒武紀時（Precambrian,570ma）,生命以許多不同型式爆發(例如:三葉虫trilobite500ma，貝cephalopods370ma)。恐龍（Dinosaurs）活躍於侏羅紀(Jurassic,160ma)至白悪紀(Cretaceous,65ma)，然後突然全體消失，人類之存在僅是近萬年來的事(圖)。討論:地球大氣層氧氣來源圖:地球上的生命發展史。藍綠藻門（Cyanophyta）

在所有藻類中，藍綠藻（Blue-greenalgae）是最原始最簡單的一群，與細菌同屬原核生物，近十年來由於分子生物學的快速發展，經由分子生物方法證實藍綠藻屬於細菌而非藻類，因此名稱上改為藍綠細菌（Cyanobacteria）。

科學家在澳大利亞發現的35億年前的藍綠藻化石。那些藍綠藻形成了疊層石，它們是生活在太古時期(40億至25億年前)早期淺海的群居性生物。

雖然太古時期的環境和現在大不相同，當時的藍綠藻和現生的藍綠藻長得卻相差無幾，藍綠藻的存在可能主要是製造氧氣，使生物能生存。圖.火山爆發氣體和目前大氣成份火山爆發噴出的氣體成份成份百分比(%)H2O79.31CO211.61SO26.48N21.29H20.58表:目前大氣氣體成份成份百分比(%)N278.08O220.94Ar0.934CO20.033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(4)N2不易有化學反應的氣體(5)O2來自植物及浮游生物之光合作用氣象學家習慣根據大氣層內溫度的變化將其分為四層:三、地球大氣的結構(1)對流層(troposphere):這是從地表起到大約10至16公里高度，溫度隨高度而下降(在濕空氣中大約每公里高度下降6oC)，因著其間空氣對流的特性，所有天氣的變化都在對流層內發生，對流層的頂端稱為對流層頂(tropopause)。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…）。

(2)平流層(stratosphere):從對流層頂到大約50公里高度，溫度隨高度而增加，稱為平流層。溫度上升的原因是因其上部臭氧分子吸收陽光的能量，臭氧層吸收了大部分的紫外線，使人體不至受害，因此臭氧層的存在對人類生存是很重要的。因為平流層內氣流穩定，故一般噴射客機都會先爬升到這個高度再飛往目的地，平流層的頂端稱為平流層頂(stratopause)。

(a)在光譜中的紫外線及宇宙射線是對人體有害的，因為它們在光譜中是在高頻端(波長短)，故具有極高的能量，人體若長期暴露於紫外線或宇宙射線下，其組織會受到這些射線破壞而致皮膚癌。所幸在平流層上部的臭氧層(O3)將紫外線及宇宙射線吸收，這個過程使得地球的生物圈受到保護。當大量的冷媒產物氟氯碳化物被釋放並停留大氣中，它使大氣中的臭氧層受到破壞造成臭氧層破洞，在臭氧層中的正常化學反應與氟氯碳。化物如何參與化學反應並破壞臭氧的講解如下。認識臭氧層(b)臭氧層的化學反應:

臭氧層的正常化學反應有下列幾個步驟：

(i)

O2+UV(紫外線)->O+O2O+2O2->2O3

淨反應:3O2+UV->2O3(ii)

O3+UV->O+O2O+O3->2O2

淨反應:2O3+UV->3O2這兩個化學反應分別製造與消耗臭氧，使臭氧層(O3)達於平衡不至於消減。臭氧層的正常化學反應。O3+UV->O+O2O+O3->2O2

淨反應:2O3+UV->3O2(iii)當氟氯碳化物存在並作為催化劑，下列化學反應產生。結果使臭氧層(O3)被一些分子如氯分子等破壞。

X+O3->XO+O2O3+UV->O+O2O+XO->X+O2

淨反應:2O3+UV->3O2當氟氯碳化物存在並作為催化劑時的臭氧層化學反應。(c)臭氧層破洞(ozonedepletion):上圖為90年代南極上空發現之破洞。經報導後臭氧層破洞問題才受到大眾重視。美國佛羅里達州在90年代初亦發現上空有臭氧層破洞，一時之間在海水浴場戲水人群大幅減少，州政府作了許多措施減少冷媒的遺漏，經多方努力這個臭氧層破洞在幾年前已經改善了。90年代南極上空發現有臭氧層破洞。臭氧層有吸收大部份紫外線及宇宙射線功能，使它們不致傷害人身體，這點我們下節再細述。鑒於氟氯碳化物破壞臭氧層的嚴重性，美國於1970年代頒布主要兩種氟氯碳化物CFC-11與CFC-12的禁令，1988年23個國家也在加拿大制定了蒙特婁協定限制它們的使用，因此全球的使用量都大幅降低(圖)，然而因著氟氯碳化物在大氣中的穩定性，它們在大氣中的濃度並未隨之降低(圖)。美國於1970年代頒布主要兩種氟氯碳化物CFC-11與CFC-12的禁令，1988年23個國家也在加拿大制定了蒙特婁協定限制它們的使用，因此全球的氟氯碳化物使用量都大幅降低。氟氯碳化物在大氣中極穩定，因此它們在大氣中的濃度並未隨各國禁令而降低。(3)中氣層(mesosphere):從平流層頂到大約85公里高度，溫度隨高度而下降，稱為中氣層，中氣層的頂端稱為中氣層頂(mesopause)。(4)增溫層(thermosphere):從中氣層頂到大約120公里高度，溫度隨高度而增加，稱為增溫層，密度極低，其外即外太空。

在約80公里以上的大氣已經非常稀薄，在這裡陽光中的紫外線和X射線可以使得空氣分子電離。在這層，N2、O2、O吸收波長非常短的太陽輻射(<0.1μm)(圖)，產生光電離作用(photoionization)，生成許多電離子，這樣在這個高度造成一個電漿體，因此也稱為電離層(圖)。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）。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。

電磁波受電離層的反射四、氣壓及空氣密度隨高度分布

大氣氣壓及空氣密度的隨高度增加約成指數遞減(圖)。我們可將氣壓解釋成單位面積上方空氣的總重量(如同水的靜壓)。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毫巴，則500毫巴等壓面的上方及下方大氣各佔50%的重量；600毫巴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。大氣壓力隨高度變化大氣壓力和空氣密度隨高度變化高山症(Altitudesickness,acutemountainsickness)是人體在高海拔狀態由於氧氣濃度降低而出現的急性病理變化表現。它通常出現在海拔2500公尺以上。高山症可以發展成肺水腫和腦水腫，嚴重時可致死。不同的人出現高山症的機會也相異。有些人在海拔1500公尺（5000英尺）時即可能出現症狀。青藏高原（平均4500公尺）、西藏的拉薩市（3650公尺）和台灣的中央山脈、玉山山脈、雪山山脈（平均3,000公尺）都高於這個高度。但大多數出現症狀的人多是在海拔2500公尺（8000英尺）以上。症狀:頭痛常是最主要的症狀，通常在2400公尺以上出現，並有可能合併以下的症狀：噁心或嘔吐全身無力頭昏或頭重腳輕的感覺失眠高山症高山症（Altitudeillness）隨著高度的增加，大氣壓力逐漸的降低，吸入的氧氣也隨著降低。高山症，就是在低壓缺氧的高山環境裏，所產生的病狀，當上升的速度，超過身體適應的能力時，高山症就會發生。急救:手提式氧氣筒

手提式氧氣筒預防：高度適應：高度超過3000公尺以上之高山，最好以漸進爬升法：慢慢爬升高度。到達海拔2500~3000公尺處時，應停留2~3天，以使生理功能先做適應。然後再以每兩天爬升1000公尺的速度，繼續爬升到更高的地方。如高山症狀出現，則暫停爬升，待改善後再繼續。如症狀持續或惡化，則需馬上退回較低海拔處。補充水份：

在登山過程中活動量大且呼吸快，水份流失增加，加上在高海拔「口渴感」會變得比較遲鈍，所以主動補充水份很重要。飲食注意：

最好多食蔬菜及富含維他命C的水果不可暴飲暴食以免增加消化器官的負擔盡量不要喝酒及吸煙不吃太辣的食物咀嚼飯菜時要多嚼一倍的次數，以減少胃部血液的供應

動作留心：動作要慢不要跑步不拿重物藥物預防：

對於曾有高山症病史或未採用漸進爬升的人，可考慮使用acetazolamide(Diamox)125~250mgbid，爬升前24~48小時開始服用，至目的高度後繼續使用至少48小時。「Diamox」是一種很弱的利尿劑，被廣泛用在急性高山症和高海拔肺水腫已十多年了，正確的預防劑量長年以來一直有很多爭議，比較被大多數醫師接受的作法是：從爬升前二天開始，每8至12小時口服250mg，至目的高度後繼續使用至少48小時。一些人對這個藥物有一些胃腸不適，唇舌、下肢感覺遲鈍的副作用，所以對仰賴觸覺活動的人(如盲人)要謹慎使用。這個藥物的結構和磺胺藥很類似，對磺胺藥過敏或有腎臟疾患的人，絕對不可以使用。治療：名言：『3D』，即『Descend，Descend，andDescend』(下降，下降，再下降)---------快快下山吧！。輕度高山症，通常可不必立即下山，能在同樣高度下，經過適應而症狀改善中等度症狀如經過二十四小時適應或治療，症狀仍嚴重無法改善時，則應立即下山雖然降低高度降得越多越好，然一般降低500-1000公尺，即足以使症狀明顯改善；對於輕度高山症病患，則通常只要下降70至140公尺，症狀即可明顯改善如有嚴重的症狀，如高山腦水腫（步態不穩、意識不清）、高山肺水腫(發生咳嗽有泡沫狀帶血色的痰，或肺聽診有囉音時)，則應立即下山。當某些狀況下無法馬上下山時：1.叫醒病人，讓他在空氣流通的地方走走或坐著休息一下。因為睡眠低氧現象，所以持續讓病人好好睡一覺，是最不智的處置。

2.對病人的頭痛可以給他服用止痛藥，但要避免使用阿斯匹靈，因為阿斯匹靈會降低血小板的凝血機能，增加高海拔視網膜出血的機會。

3.高濃度氧氣治療：如無法立即下山，除了給予高濃度氧氣治療（注意，氧氣筒不能帶上飛機只能在當地購買。）4.攜帶式加壓袋(如Gamowbag)：可用腳踏加壓，可在3-4分鐘內，將袋內壓力，加壓至高於周圍環境100毫米汞柱的壓力。讓高山症病患進入，如加壓至高於周圍環境120毫米汞柱時，約相當於下降1,432公尺，對於症狀的改善，可相當於每分鐘四公升的氧氣給予。在發生高山症時，可作為暫時治療之用。5.藥物：目前被證實，對治療及預防高山症有效的藥物，包括丹木斯(Diamox,acetazolamide),類固醇(Dexamethasone),ifedipine。五、大氣中的微量氣體與懸浮微粒地球大氣的成分除了氧氣、氮氧(合佔99%)與一些大氣中懸浮微粒（如：火山灰、污染物、核爆輻射塵等，可停留在平流層數個月到數年之久)外，尚有以下微量氣體，對天氣影響很大，今逐一介紹:a)二氧化碳二氧化碳對人體是無害的，在大氣中的二氧化碳形成一循環，藉著火山活動、生物體的呼吸、燃燒化石燃料及植物的分解等過程，二氧化碳被釋放於大氣中。二氧化碳在植物的光合作用中被吸收，亦可溶解於海洋中(約50倍於大氣)，或在海水中與一氧化鈣結合沉澱為碳酸鈣(圖)，一般二氧化碳的化學反應式如下。

C+O2→CO2(燃燒)CaO+CO2→CaCO3(碳酸鈣)圖:大氣中的二氧化碳循環。關於二氧化碳，過去認為大氣中的與海洋中的二氧化碳處於化學平衡，因此海洋會溶解在大氣中過量的二氧化碳，現今發現並非如此。二氧化碳造成的問題主要是它能吸收熱能，形成溫室效應，在已過的一世紀中，大氣中的二氧化碳大約增加了30%，主要是由於人類過度使用化石燃料，而且其增長趨勢仍然持續，大氣中過量的二氧化碳造成全球暖化現像，關於這個問題我們在第二課曾經討論過。一氧化碳是一個無色、無臭、無味的有毒氣體，它是出於燃燒的副產品，正常狀況下碳與氧結合產生二氧化碳，但是在不完全燃燒下產生了一氧化碳，它在大氣的中主要污染來源是由於汽車引擎燃燒的不完全，特別是一些老舊的車子，一氧化碳燃燒的化學反應式如下。

2C+O2→2CO(b)一氧化碳一氧化碳的毒性是在於它到了體內血液中，會與搬運氧氣的血紅素結合，其結合力大約是氧氣的250倍，所以，能取代氧氣與血紅素的結合，因此影響了血紅素的攜氧能力。一般吸入少量的一氧化碳會有頭痛、昏眩、噁心之感，嚴重情況會使患者去知覺甚至死亡，常見報導自殺或瓦斯中毒事件都是由於一氧化碳中毒。為什麼要用一氧化碳處理魚肉？

因為一氧化碳可與魚肉中肌紅蛋白之血紅素結合，使其外觀看起來色澤鮮豔、紅潤。因此有業者為求賣相佳，或延長販賣時間便以一氧化碳處理生魚肉。食用經一氧化碳處理過之肉品對人體會有毒害嗎？

與食品中肌紅蛋白結合的一氧化碳，經人食入後會在腸胃被消化酵素破壞分解。而所釋放出來的一氧化碳無法透過腸胃壁進入血管與血紅素結合，故食用後對人體的健康無安全顧慮。合法性一氧化碳在台灣尚未經衛生署公告核准為食品添加物，故使用一氧化碳的行為係違反《食品衛生管理法》第12條（食品添加物之品名、規格及其使用範圍、限量，應符合中央主管機關之規定）。美國允許業者將氮氣、二氧化碳及一氧化碳混合氣體使用於肉品，並列為公認安全之範疇。

一氧化碳保鮮(c)水:水文循環(TheHydrologicalCycle)水文循環指水從海洋及其他水覆蓋區域運行至大氣再回歸地表之循環，下圖顯示在水文循環中所經過一切步驟，其中包括蒸發(Evaporation)指水從液態改變為氣態的水蒸氣，蒸散(Transpiration)指水從植物樹葉表面釋放為蒸氣；水亦可從氣態(雲、霧、露水等)改變為液態稱為冷凝(Condensation)，並藉降雨(雪,霙sleet,凍雨frozenrain,

冰雹)(Precipitation)等方式返回地表，地下水(Groundwater)雖運行緩慢，每日只流動幾公分到幾公尺，但因作用面積廣大，所以也是水文循環中的重要步驟。圖:水文循環霙凍雨冰雹(d)甲烷(Methane):

甲烷，最簡單的烴（碳氫化合物），化學式CH4。在標準狀態下是一無色氣體。一些有機物在缺氧情況下分解時所產生的沼氣其實就是甲烷。甲烷是天然氣的最主要成分，是一種很重要的燃料。同時它也是一種溫室氣體，其全球暖化能力比二氧化碳高21倍。它主要的來源有：(1)有機廢物的分解(2)天然源頭（如沼澤）：23%(3)化石燃料：20%(4)動物（如牛）的消化過程：17%(5)稻田之中的細菌：12%(6)生物物質缺氧加熱或燃燒(e)氟氯碳化物(ChlorofluorocarbonsCFCs):

氟氯碳化物是一種在空調與冰箱中作為冷媒用物質，由於空調與冰箱使用中常有漏氣現象，這些氣體被釋放於大氣中，並且不容易分解，它們可在大氣中停留一百年；過多的氟氯碳化物使大氣中的臭氧層受到破壞，造成臭氧層破洞。(f)大氣中的懸浮微粒(aerosol)

懸浮微粒是飄浮在空氣中的微小顆粒(直徑在0.001～10μm之間)的總稱，有自然及人造的。自然懸浮微粒有火山灰、塵灰(soildust；大部份產自沙漠地區)、海鹽懸浮微粒(seasaltaerosol)等。人造懸浮微粒有工業灰塵(大多為燃燒不完全產生的雜質)，煤煙，硫酸鹽(sulfate)及硝酸鹽(nitrate)懸浮微粒等。懸浮微粒吸收輻射，也散射太陽輻射。在懸浮微粒存在的高度，氣溫可能升高，其他區域則變冷。比如，近地表的煤煙吸收了短波輻射，使對流層變暖，但是地表吸收的太陽輻射量卻減少，氣溫因此下降。在城市上方的空氣懸浮微粒若無法向內陸或海上擴散，將造成該城嚴重的空氣污染。城市空氣污染雲的形成與空氣中的懸浮微粒有關，這些物質成為凝結核以吸附小水滴，故凝結核越多降雨機會越高，這就是為何在缺雨時飛機噴灑乾冰或碘化銀在雲中以吸附水滴，稱為”種雲”(cloudseeding)。同樣原理當空氣中多污染物質時，空氣中增加許多凝結核，降雨的機會也增加，這個現象已經在許多地方被證實。種雲六、天氣圖與氣象預報天氣圖是將特定地區某段時間的氣象要素表現在地圖上，能夠幫助閱讀者掌握天氣狀況。天氣圖是測量或追蹤各種相關數值，例如氣壓、溫度、雲量等，再將之描繪在地圖上。天氣圖上通常會標注各種記號，以代表雲量、降水，或其他重要資訊。舉例來說，一個「H」符號代表高氣壓，將能夠判定當地應該會有穩定的天氣。而一個「L」記號則代表了低氣壓，通常會帶來降水與不穩定的天氣。此外，航空所用的天氣圖經常會包含湍流和大氣結冰的記號。天氣圖上常見的鋒面記號一覽：

1.冷鋒2.暖鋒

3.滯留鋒4.囚錮鋒

5.表面接觸帶

6.颮線/鋒切線

7.乾線

8.熱帶波

在氣象學中，鋒面（front）是指密度不同（例如：溫度、溼度）的氣團（airmass）邊界。當鋒面通過某一個區域時，將會造成氣溫、溼度、風速和方向、大氣壓力以及降水的改變。冷鋒經常伴隨著低壓系統，大多是位於高壓系統的邊緣。圖:天氣圖全貌

2010/10/17天氣圖:梅姬已經轉為強烈颱風，雖然是往呂宋島前進，颱風本身對台灣沒有直接威脅，但外圍環流和東北季風產生「共伴效應」，台灣東半部和北部到週四前都要小心豪大雨的發生。

地面天氣圖中的等壓線、高低氣壓中心及鋒面的符號都是大家所熟知的，而在其間的那一大堆小符號每一組符號都代表了一個地面測站的觀測資料。

天氣圖上的符號與說明

在圖中央的小圓圈所在就是這個氣象站的位置，小圓圈裡畫的是雲量，就是將全天分成十等分，看看雲的總遮蔽量佔全天的十分之幾，再轉換成八等分繪入圓圈中；也有直接以