# 大氣結構
## 大氣厚度
- 大氣界線隨不同定義而變，一般來說厚度定為1000公里，航空領域定為100公里。
- 根據太陽光在地平線下折射產生的**曙暮光**(twilight)來看，大氣厚度約70~80公里。
- 依流星、極光的**最高發光點**，可知離地800公里都還有空氣存在。
## 大氣質量與壓力
- 大氣總質量99%集中在離地30公里以內。
- 大氣壓力
- 巨觀：大氣壓力是來自於單位面積上，從某高度到大氣層頂的空氣柱重量。
(教學上要提醒大氣壓力並非只來自**上方**)
- 微觀：空氣分子撞擊所造成的壓力。
假設個別空氣分子平均運動速度一致，單位面積上空氣柱密度越大時，單位時間內撞擊的次數越多，造成的壓力也越大。
- 受到重力影響，絕大部分(70%)的空氣都集中在對流層。
- 50公里以下空氣占比為99.9%。
- 1大氣壓 ＝ 1atm = 76cm-Hg
= 76 cm x 13.5951 gw/cm$^3$ (相當於1033.2276cm-H~2~O)
= 1033.2276 gw/cm$^2$ = 10332.276 kgw/m$^2$
= 101325 N/m$^2$
= 1013.25 hPa
= 1013.25×10$^3$ Dyne/cm$^2$ (1Dyne = 10$^{−5}$N)
= 760 torr
- 地表數千公尺垂直氣壓梯度：1hPa/10m，海平面水平氣壓梯度：1hPa/100Km
- 海拔—氣壓
1.5km→850hPa
5.5km→500hPa
9.0km→300hPa
50.km→1hPa
## 大氣分層
### 依溫度分層
- 對流層(Troposphere)
- 摩擦層
- 地面附近約約1.5-2.0公里內因有摩擦力與渦流，能量與物質的交換複雜，稱為摩擦層(friction layer)、行星邊界層。
- 摩擦層對大氣環流有顯著影響，其日變化大多發生在此層內。
- 研究該層的氣象學稱為微氣象學。
- 對流層頂(tropopause)
- 層頂隨季節與緯度而不同，約8~16km，平均10km。
- 赤道對流層頂較兩極對流層頂冷(因厚度較厚)。
- 性質變化
- 風速隨高度遞增。
- 熱能來自地表長波輻射，故氣溫隨高度均勻遞減，環境溫度平均直減率：6.5$^o$C/km。
- 兩極對流層頂高度約-60$^o$C，赤道可低至-85$^o$C。
- 下熱上冷，故有顯著的垂直(對流)運動。
- 受重力影響，水氣集中底部，並藉由水的三態變化使天氣現象主要分布在對流層。
- 平流層(Stratosphere)
- 下平流層（同溫層）
- 性質穩定，溫度接近等溫。
- 具有持久性的環流與強風。
- 偶爾可以產生捲雲(cirrus)。
- 頂部約在離地20公里處。
- 上平流層
- 較低處偶爾可見因低溫(<-78$^o$C)出現，可維持穩定狀態幾天才消失的**極地平流層雲**(又稱貝母雲)，其在日出日沒時當中的球狀質點對光線做選擇性色散而出現不同的顏色。
- 頂部約離地50公里，氣溫隨高度增加(能量來自臭氧吸收紫外線)。
- 水氣稀薄，每公斤空氣中水氣<0.02g。
- 因臭氧吸收紫外線釋出能量使溫度增加，越上層吸收越多，故上層溫度高且濃度低，濃度較高的25-30公里稱為**臭氧層**(Ozonosphere)
- **查普曼機制**四步驟：<font color="#f00">110全國教甄問答題</font>
1. 氧氣因紫外線(波長<240nm)光解 O~2~→O+O
2. 活性大的氧原子與氧氣結合 O~2~+O→O~3~
3. 臭氧吸收波長<320nm光解 O~3~→O~2~+O (往式2或式4)
4. **臭氧消耗主要機制**：臭氧與氧原子結合形成氧氣 O~3~+O→2O~2~

- 中氣層（Mesophere)
- 溫度隨高度增加而下降，於離地80公里處達最低，約-95$^o$C，為大氣中溫度最低處，直減率約3$^o$C/公里。
- 仍有些微垂直運動，水平風很大。
- 偶爾出現夜光雲(noctilucent clouds，極地中層雲)，只有在日出前或日落後(太陽於地平線下7.5$^o$-8$^o$)才能看見，且位於高緯度50$^o$-70$^o$間。
- 熱氣層(Thermosphere)
- 為熱力溫度而非實際溫度，增溫層的溫度可以通過密度觀測和衛星直接量測來確定。
- 波長小於170nm的太陽X射線和極紫外線輻射（XUV），在增溫層中幾乎完全被吸收，使分子溫度可高達1500$^o$K以上。

### 依均勻程度分層
- 均勻層(Homosphere)
- 離地80公里以下各種氣體所佔比例幾乎不變，只有少量氣體例外，因此稱為**均勻層**，又稱下層大氣。
- 永久成分
氮氣約78%
氧氣約21%
氬氣約1%
二氧化碳約0.033-0.1%
其他為Ne、He、Kr、Xe、H~2~、CH~4~、N~2~O、Rn
- 變動成分
水氣H~2~O≤4%
其他為O~3~、SO~2~、NO~2~、NH~3~、CO、微塵、水
- 雖然變動成分比例較永久成分要少很多，但對於輻射吸收與放射有相當重要性，而水氣更是天氣的主要影響因素(潛熱latent heat)。

- 不均勻層(Heterosphere)
- 離地80公里以上氣體依重量而有分層現象，稱為**不均勻層**，又稱上層大氣。
- 太陽短波長輻射游離N~2~與O~2~，又稱電離層。
### 依電離程度分層
- 電離層
- 反射無線電波，通信衛星發展以前通訊靠此層傳遞訊號。
- 高度隨太陽輻射強度變化改變，故擁有日變化。
- 突發性游離干擾(SID)會使自由電子增加，因而抑制電波的傳遞，使地面上朝太陽側的通信產生衰退現象。
- 太陽風暴使電子吸收能量躍遷後，再次將能量以可見光釋出而產生極光。
- 若遠紫外線透過**化學反應**激發電子，則產生亮度介於極光與星光間的**輝光**(airglow)。綠色為O，黃色為Na。
- 電離層最上緣幾乎完全受到磁場控制，故也稱磁層(Megnetosphere)。磁層內高能量質點與電子集中的扁圓形帶區稱為范艾倫輻射帶，內帶多高能質子，中心距地球約3,200公里；外帶多高能電子，中心距離為16,000公里。
- 非電離層
## 參考資料
- [貝母雲](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9E%81%E5%9C%B0%E5%B9%B3%E6%B5%81%E5%B1%82%E4%BA%91)
- [臭氧層](https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40127)
- [夜光雲](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9C%E5%85%89%E4%BA%91)
- [輝光](http://www.atoptics.co.uk/highsky/airglow2.htm)
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