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[气象图书馆] 天气与气候 第三章 大氣層的成因與垂直結構

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发表于 2008-3-9 14:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
(I) 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(H2O:79.31%;CO2:11.61%;SO2:6.48%;
N2:1.29%;H2:0.58%)與目前大氣氣體成份(N2:78.08%;O2:20.946%;Ar:0.934%;CO2:0.033%),
我們發現兩者差別很大。可能原因:(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。

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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,而此外線對生物有害。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。(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。)

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 楼主| 发表于 2008-3-9 14:07 | 显示全部楼层
(II) 大氣垂直溫度結構
大氣層大致可分為(1)對流層,(2)平流層,(3)中氣層,(4)同溫層。

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(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月高,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6.5oC/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,因次稱為平流層。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。

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Three satellite images above show a range of almost two years. The aerosol measured included crustal material as well as the sulfuric
acid and water aerosols produced by the sulfur dioxide (SO2). The blue represent small optical thickness of the order of 10-3 or less;
whereas, the reds and pinks large optical depths of the order of 10-1 or greater. Figure(left) is data taken from April 15, 1991 to May 25,
1991 which is approximately two weeks before the Mount Pinatubo eruption. The optical depth during this time interval was
consistently low throughout the globe. Figure (middle) shows optical depth from June 14, 1991 to July 26, 1991. As indicated by the
red and pink stripe around the equatorial region of the earth, the optical depth had increased significantly and exclusively in the tropics
from the Mount Pinatubo eruption. The right-figure shows the optical depth from February 2, 1993 to March 26, 1993 (over a 1.5 years
following the eruption). Globally, the optical depth had significantly thickened over the entire the Earth. The equatorial optical depth
had slightly decreased but was still well above the levels before the Mount Pinatubo eruption. The greatest increases occurred near
the poles where some pink regions were present.


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:
(a): O2 + O + M = O3 + M
(b): O3 + hv = O2 + O
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。)
 楼主| 发表于 2008-3-9 14:09 | 显示全部楼层
(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) 同溫層:在這層,N2、O2、O 吸收非常短的太陽輻射(<0.1μm),產生光電離作用
(photoionization),生成許多電離子,因此也稱為電離層。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。

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 楼主| 发表于 2008-3-9 14:10 | 显示全部楼层
(III) 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。我們可將氣壓解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。

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