自然科学概论06.ppt

自然科學概論 大氣層及天氣現象 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。 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 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)： (2)光合作用(photosynthesis) 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。 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，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。 光合作用(photosynthesis) 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。） 氧氣、臭氧濃度變化與生物演化史 (圖片來源：Crutzen，Fig. 4.3) 大氣垂直溫度結構 大氣層大致可分為對流層( Troposphere)、平流層 ( Stratosphere)、中氣層 ( Mesosphere)、增溫層 ( Thermosphere)(圖3-3)，玆分述如下： 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越高，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。 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，因此稱為平流層。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。 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：　 O2 + O + M = O3 + M???? (a)? O3 + hv = O2 + O???????? (b) 上述作用(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。)  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。 增溫層 在這層， N2、O2、O吸收波長非常短的太陽輻射(0.1μm)(圖3-4)， 產生光電離作用(photoionization)，生成許多電離子，因此也稱為電離層(圖3-5)。 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