地球的大气层与电离层-IRSL.PDF

第四章 地球的大氣層與電離層 (The Earth’s Atmosphere and Ionosphere) 章節大綱： 4.1 地球大氣的垂直結構 (Vertical structure) 4.2電離層的形成機制 (Formation) 4.3電離層的形態特徵 (Morphology) 從各種的觀測結果顯示，八大行星除了地球之外尚有金星、火星、木星和天王星具有大 氣層。過去人們一直認為地球的大氣層是由中性大氣所組成，直至 1901 年馬可尼完成越地 平線通訊後，科學家開始推測在地球大氣層中有一層帶電粒子層的存在 。這種具有反射無線 電波能力的帶電 粒子層，現今稱之為電離層 。電離層可以像鏡子般，將無線電波折射回地球， 藉由此現象使得 我們可以收聽到遠方電台之廣播和通訊 。 4.1 地球大氣的垂直結構 人們一般所熟知的大氣層 ，可分別利用溫度隨高度變化、電子濃度隨高度變化與動力機 制分出不同的垂直結構。最為熟悉的分層方法是利用溫度隨高度的變化 ，可將大氣層區 分為： 對流層、平流層、中氣層與熱氣層 見圖( 4-1) 。 對流層是最接近地面的一層，其層頂的平均高度 約為 10-18 公里。對流層是大氣對流最為旺盛的區 域，也是各種讓科學家感到興趣的 天氣現象例如：( 颱風、雷電、雪、霧淞 等發生的地方。) 在對流層中， 氣塊在高度 上升或是下降過程中都是遵循絕熱過程， 因此當氣塊高度上升到氣壓較低的地方時，由於氣塊 要維持內外氣壓 平衡，因此體積會膨脹。此時體積膨 脹所需要的能量來自於氣塊內分子的內能，而使得分 子的熱速度下降，同時也是氣塊溫度隨之下降。反之， 當氣塊高度下降的時候，體積壓縮造成內部分子加速， 而使得內部能量增加，進而造成氣塊溫度上升。 圖2-1 中性大氣溫度隨高度情形 從理想氣體方程式及第一熱 力定律之條件下，氣體的絕熱過程可描述為 dT dV Q CV  p 0 (4.01) dt dt 可以得到溫度與壓力的關係 式 p(1) /T const. (4.02) C v 其中  ，C 為固定體積下的氣體比熱，C則為固定氣壓下的氣體比熱 。在大氣環境中， v p C p 壓力隨高度的變化可以用 流體準靜方程式(hydrostatic equilibrium equation)加以描述， dp   gdz pg (4.03) dp   dz RT 將4.01 式微分後代入4.03 式可以得到： dT 1  T dp   0 (4.04) dz  p dz dT  1 g  