單元9 太陽、風和水氣

# 提醒同學11月4日是本學期第一次上課學習檢驗，25題選擇題，每題4分，總分100分，加油 : )

萬象天文社學期成績記分方式：學習成果= 1 + 2 + 3
1. 上課學習檢驗50%(11/4,1/6 兩次下課前10分鐘，各25題選擇題，總分各100分)；
2. 自選單元作業40%(1-4人一組，12/31pm12:00之前，用email繳交報告，請註明：作業題目、班級和座號，寄至miaoniguo@gmail.com，powerpoint或word皆可)；
3. 網路個人回饋10%(上網留言三次，必須符合教學內容)。



上課內容：http://etfamily.tp.edu.tw/miaoni/volunteer?n=docvew&i=1158

上課講義：http://etfamily.tp.edu.tw/miaoni/volunteer?n=docvew&i=1159



一、太陽影響天氣變化

    地球離太陽一億五千萬公里（一天文單位），冥王星離太陽四十天文單位，而太陽風所能到達的距離是一百六十天文單位，所以整個太陽系都籠罩在太陽大氣之中；太陽每分鐘噴射出幾百萬噸帶電物質，但在廣大太空中，仍非常稀薄，雖然如此，還是會造成天氣變化，就是「太空天氣」。
    太空天氣變化會影響地球，最近一次是二○○一年三月，讓北美與亞太經過極區的飛機航線通通改道，以策安全；一九九八年五月的那次，更造成美國ＡＴ＆Ｔ公司一顆價值兩億美元的通訊衛星無法運作，北美九成手機及多家電視廣播通訊因此中斷；一九八九年三月則造成加拿大魁北克有六百萬人因此停電九小時。
    太空天氣變化的因素除了太陽風外，還有太陽閃焰和日冕拋射物質，太陽閃焰是太陽系中最猛烈的爆發事件，威力相當地球上火山爆發的一千萬倍，時間持續幾分鐘，以接近光速射出各種高能粒子和射線；日冕是因日食時看起來像皇冠而得名的太陽表面大氣，日冕拋射物質可說是太陽的颱風，能量相當於十萬個地球上的颱風，會噴射出一百億噸幾百萬度的大型帶電電漿團，速度為每秒兩千多公里。
    至於較耳熟能詳的太陽黑子，黑的原因是溫度較低，太陽表面溫度六千度，太陽黑子區域則只有四千度，有時範圍可相當於幾十個地球；成因則是磁暴，因太陽表面是流體，赤道和南北極自轉速率不同，跟地表「黏」在一起的磁力線就會扭曲、變亂而產生磁暴，結果是太陽南北極磁場每十一年就顛倒一次，太陽黑子數也每十一年呈現周期性變化。
    在太陽黑子產生最多的時期，所產生的太陽能會被平流層的臭氧吸收掉，在陽光照射最強烈的熱帶地區的上方，平流層的空氣會加溫。多餘的能源能促使額外的臭氧產生，吸收更多的太陽能。由於平流層接受陽光照射的溫度不一，接近赤道最熱，因此平流層的風將會改變。在經過一連串相關聯的自然演變過程，會造成熱帶的降水量增加。
    同時，在太陽活動極大期間，亞熱帶地區海平面水的溫度會上升，多餘的陽光照射會使更多的水蒸發至空氣中。信風(向赤道和西邊方向吹的風)會將水份帶到西太平洋熱帶多雨地區，增加降大雨的頻率。
    此項研究可幫助科學家預測特定區域的天氣變化，例如年年在不斷增強的印度季風和太平洋熱帶地區的降雨量。此研究的主要作者國家大氣研究中心杰拉爾‧德梅 爾(Gerald Meehl)表示太陽、平流層與海洋之間的連帶關係和許多重大的天氣變化都有關連，如北美的冬季降雨。了解太陽週期所造成的影響，能讓科學家更深入、準確的預測未來幾十年的天氣變化。

二、大氣層的成因與垂直結構

1.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。


2.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。
 (1) 對流層：
    最接近地面的一層稱為對流層，平均高約10 公里。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。
(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。


3. 大氣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。


資料來源：
1.太陽週期如何影響地球的天氣http://www.epochtimes.com/b5/9/9/19/n2662252.htm
2.【2003/10/05 聯合新聞網】日地物理與太空天氣-摘錄至中央大學郝玲妮教授演講稿。http://graupel.ihs.ncu.edu.tw/earth_sys/interac/speech.htm
3.大氣層的成因與垂直結構http://hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course_II/download_textbook/chap3.pdf