圖解大氣科學

1.1 宇宙的誕生

大爆炸宇宙論 (The Big-Bang theory)

在地球及其大氣誕生前實際上宇宙就已存在了，宇宙中有地球形成後再歷經46億年的演化，終於才誕生了生命。在浩瀚的宇宙中，目前只知地球為唯一有水及氧氣可供人類居住生存的星球，如同宇宙中惟一的綠洲。地球與地球上的大氣究竟是怎麼形成的？對地球大氣科學有興趣的讀者，能夠大略了解宇宙起源及宇宙科學的最新進展應是必要的。

1927年，比利時牧師與宇宙論者喬治勒梅特(Georges Henri Joseph Éduard Lemaître)提出「宇宙的膨脹源自於火球的膨脹」，並建議天文觀測者可以觀察遠方星系的紅位移現象，來證實宇宙膨脹的論點。

1929年，天文科學家艾雲哈柏（Edwin P. Hubble）依據早期星系種類分類的研究工作經驗證實喬治勒梅特的宇宙膨脹論點。哈柏指出銀河中看似微弱的星雲其實是位在距離我們有幾百萬光年的其它星系中。哈柏發現遠方星系遠離我們的速度 v 和與我們的距離d成正比(即v = H0d)，式中比例常數H0稱為「哈柏常數(Hubble constant)」，H0數值大小可以用來計算宇宙年齡。

1930年喬治伽莫夫 (George Gamow)與同事拉爾夫阿爾菲(Ralph Alpher)闡述宇宙的由來是起源於一次的「大爆炸宇宙論」。1949年，喬治伽莫夫進一步依據理論推導，宇宙會有隨膨脹展開，約有絕對溫度50K的殘餘能量，散佈在整個宇宙空間。由於質能互換原理，大爆炸所產生的能量最後乃轉爲物質。

大爆炸宇宙論建立在3個主要基礎：(1)由數學上證明廣義相對論只容許唯一的解，這個數學解是在時間原點時，整個宇宙的大小只是一個點，因大爆炸而炸開一個3度空間。由於空間以固定速率不斷向外膨脹，整個空間瞬間的大小可由時間形成指標和定義。(2)美國天文學家哈伯證實宇宙確實是在膨脹中，並且越遠的星系膨脹的速度越快，與相對論的數學解大致吻合。(3)1965年阿默彭齊亞斯(Amo Penzias)和羅伯特威爾森(Robert Wilson)發現約2.70K的「宇宙背景輻射(Cosmic Background Radiation)」，這是最具關鍵性的基礎，因而宇宙起源於大爆炸宇宙論得以廣被接受。

2014年3月17日美國BICEP(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)第2代計畫團隊(BICEP2)宣布，他們已在南極用太空望遠鏡首次監測到宇宙約140億年前大爆炸後，散發於宇宙空間的重力波，因此能夠支持大爆炸後在千萬億分之1秒的瞬間，宇宙迅速膨脹的直接證據。

1.2太陽星雲假說 (Nebular hypothesis)

1734年，瑞典科學家兼哲學家伊曼紐斯威登堡(Emanuel Swedenborg)提出星雲假說，認為大爆炸後約經過1億年，因氫氣與氦氣互相結合而形成星際物質(Interstellar Medium )，造成無數龐大的雲，部分則陸續形成恆星與銀河群。1755年，德國哲學家伊曼努爾康德(Immanuel Kant)進一步提出太陽系起源的星雲假說，他認為經過星際雲慢慢的旋轉後，由於引力的作用，雲氣逐漸坍塌和漸漸變得扁平，最後形成恆星和行星。1796年，法國數學家皮埃爾拉普拉斯(Pierre Simon Laplace)提出類似概念，一致認為在太陽系形成之前，有一體積極其龐大，混雜著塵埃微粒的星際雲，稱為「原始太陽星雲」，這些可以被認為是早期的宇宙論。

大約在50億年前，原始太陽星雲的星際塵雲，開始因重力而潰縮，體積越縮越小，核心的溫度也越來越高，密度也越來越大。當體積縮小百萬倍後，成為一顆原始恆星，核心區域溫度也升高而趨近於1,000萬℃左右。當這個原始恆星或胎星的核心區域溫度高逹1,000萬℃時，觸發了氫融合反應，也就是氫彈爆炸的反應，此時，一顆叫太陽的恆星就此誕生了。

太陽系與銀河(galaxy)

萬有引力使得星際物質中的微粒互相靠近，大微粒吸引小微粒而逐漸凝聚，引力最強的中心部份吸引的物質最多，最後就形成了太陽。銀河系的迴轉力，就是產生這種星際雲的原動力。依照星雲假說，當太陽形成後，原始星際雲的其它部份，也會因冷卻、收縮而產生自轉，在逐漸加快旋轉下變得扁平，形成一圓盤面，當此扁平狀旋轉盤內的氣體與塵埃彼此凝聚成越來越大的物體時，就會因引力作用而成為不穩定，最後分裂成許多所謂的「小行星」。這些小行星由於數量極多，在彼此撞擊下，有的碎裂成殘塊，這就是今天佈滿整個太陽系內流星體的來源，但也有在多次互相撞擊後逐漸聚集在一起，最後就結合成體積較大、引力較強的行星。

銀河呈漩渦狀，並從其中心部分伸出許多類似動物觸手的漩渦狀伸長物，這些漩渦狀觸手所及的空間加上中心部分，就構成巨大的圓盤。包括核心在內的整個圓盤面，稱為「銀河面(galactic plane)」，數千個直徑約10光年，由恆星聚集而成的星團及新星，都被納入在此圓盤中。

我們的太陽和8大行星，幾乎在同一時期從星際雲中誕生；星際雲由飄浮在銀河系的氣體和微塵組成，氣體有92%是氫，7.8%是氦，微塵的主要成分是矽酸鹽。哈伯太空望遠鏡最近觀測結果，宇宙中大概有5,000億個星雲；太陽系所在的銀河系，稱作「本銀河系(The Milky Way)」，與宇宙中的大多數銀河一樣，為一碟形的旋渦狀星雲。

1.1 宇宙的誕生

大爆炸宇宙論 (The Big-Bang theory)

在地球及其大氣誕生前實際上宇宙就已存在了，宇宙中有地球形成後再歷經46億年的演化，終於才誕生了生命。在浩瀚的宇宙中，目前只知地球為唯一有水及氧氣可供人類居住生存的星球，如同宇宙中惟一的綠洲。地球與地球上的大氣究竟是怎麼形成的？對地球大氣科學有興趣的讀者，能夠大略了解宇宙起源及宇宙科學的最新進展應是必要的。

1927年，比利時牧師與宇宙論者喬治勒梅特(Georges Henri Joseph Éduard Lemaître)提出「宇宙的膨脹源自於火球的膨脹」，並建議天文觀測者可以觀察遠方星...

異常氣候隨時隨地上演，影響全球各地日益嚴重，且恐成常態，導致的衝擊已成

為全球高度關切的議題；不論貧富，沒有人能從異常氣候的影響免疫。作者於2015

年6月2日搭機抵達紐西蘭北島奧克蘭國際機場時，在雷電交加中飛機嘗試降落兩次失敗拉起重飛，在劇烈亂流中持續盤旋超過一小時後放棄，改降紐西蘭南島之基督城國際機場，旅程延誤約5小時，作者因而深深體驗大氣威力除影響人類日常生活外，更嚴重影響飛安。

大氣科學是研究大氣本身及大氣中各種現象的科學，需運用物理、數學、化學等

基礎科學知識，以了解、詮釋曾經被歸諸於宗教神奇力量的大氣。大氣科學也是一座知識的橋樑，一端是基礎科學，另一端連結人類社會與天下蒼生；我們觀測大氣、嘗試了解大氣甚至預測未來，這中間環環相扣，我們將這些知識內化成獨一無二的大氣科學，最終的目的無非是充分掌握大氣的瞬息萬變，預測大氣的走向，再善加利用這些資訊，希望可以趨吉避凶，更期待能讓地球環境永續發展；本書利用圖解方式，讓讀者能迅速理解並掌握先機。

我們所居住的地球表層由大氣圈、水圈、岩石圈、冰雪圈及生物圈等5大部分，

共同組成一個綜合系統。大氣圈圍繞著地球，不但提供我們所須的空氣，並且影響陽光和氣溫、濕氣以及空氣流動，從而決定天氣。由於大氣圈中發生的各種現象不僅種類繁多，而且在時間和空間尺度上不受限制，還因地表的水圈、岩石圈、冰雪圈及生物圈的影響，其複雜性和不確定性是自然界最為突出的；大氣科學的研究必須擁有觀測點分散全球，觀測方法具高度協調統一以利比較，觀測資料能迅速交換集中，而國際間任何一個地區、一個國家都無法孤軍作戰；相反的，世界氣象工作也少不了任何一個地區或一個國家的合作。

大氣科學在它的發展進程中已逐漸形成許多分支，如大氣探測學、大氣化學、天

氣動力學、氣候學及航空氣象學等。大氣科學像是一棵百年大樹，它的根深入基礎科學的土壤，吸取養分；從大氣科學主幹長出的枝葉，競相朝無窮的蒼穹伸展，象徵無限的應用層面與發展潛勢。

應用大氣科學是將大氣科學的原理、方法和成果應用於農業、水文、航海、航空、軍事及太空等方面，也著重開發利用氣候資源。了解大氣科學的特性後，即可

發現它的多樣性，每個人依照興趣，都可以在大氣科學中找到適合自己才能的研究方向，讓自己在這個充滿挑戰的領域中發光發熱。為讓國人能體認氣候異常的嚴峻課題，建議學校教育積極推廣大氣科學的科普知識，使成為大學生必備的基本科學素養。

本書得以出版，首先要感謝五南文化事業機構楊榮川董事長，因他對天氣現象頗

富好奇心，適因作者所學專長曾在交通部民用航空局實際從事氣象業務多年，並兼大學教學工作，拙著《全球氣候變遷──危機與轉機》」一書，亦由五南圖書出版公司發行，作者在偶然機會與楊董事長聊天後，他即吩咐其編輯群對我發出邀稿信函。其次要感謝編輯部等工作團隊，三年來不斷給予協助與鞭策才得以完成初稿，編輯團隊更克服萬難，完成本書最繁雜且艱困的繪圖與製表工作。最後希望讀者閱讀本書後，對從事之工作、研究與日常生活都能獲得實質助益。

異常氣候隨時隨地上演，影響全球各地日益嚴重，且恐成常態，導致的衝擊已成

為全球高度關切的議題；不論貧富，沒有人能從異常氣候的影響免疫。作者於2015

年6月2日搭機抵達紐西蘭北島奧克蘭國際機場時，在雷電交加中飛機嘗試降落兩次失敗拉起重飛，在劇烈亂流中持續盤旋超過一小時後放棄，改降紐西蘭南島之基督城國際機場，旅程延誤約5小時，作者因而深深體驗大氣威力除影響人類日常生活外，更嚴重影響飛安。

大氣科學是研究大氣本身及大氣中各種現象的科學，需運用物理、數學、化學等

基礎科學知識，以了解、詮釋曾經被歸諸於宗教神奇...

第1章 藍色地球與地球大氣的誕生
1-1　 宇宙的誕生
1-2　 太陽星雲假說
1-3　 太陽系的誕生
1-4　 太陽系行星的誕生
1-5　 地球的形成與地球結構
1-6　 地球內部層圈的形成
1-7　 地球形成旋轉橢圓體
1-8　 地球的運轉
1-9　 地球進動與歲差運動
1-10　海洋的形成
1-11　海洋分布與海底地形
1-12　地球大氣的形成
1-13　原始大氣及氧氣濃度的增加
1-14　臭氧層的形成與大氣的進化
1-15　火山活動與次生大氣的形成
1-16　藍色地球是宇宙中唯一的綠洲
第2章 地球大氣概述
2-1　 地球大氣的組成
2-2　 大氣的垂直結構--對流層與平流層
2-3　 大氣的垂直結構--中氣層與增溫層
2-4　 高層大氣與磁層
2-5　 臭氧層與紫外線的吸收
2-6　 地球大氣能量來源
2-7　 大氣及地表能量收支
2-8　 入射太陽輻射緯度分布
2-9　 大氣及地球輻射
2-10　溫室氣體與溫室效應
2-11　輻射平衡溫度
第3章 大氣運動
3-1　 氣壓與等壓線
3-2　 等壓面
3-3　 氣壓場
3-4　 低壓槽
3-5　 大氣運動
3-6　 氣壓梯度
3-7　 科氏力及摩擦力
3-8　 地轉風及近地面風
3-9　 離心力與向心力
3-10　大氣環流系統
3-11　三胞環流/三圈熱力環流
3-12　行星風系
3-13　大氣環流的季節變化
3-14　區域環流
3-15　焚風
3-16　綜觀尺度大氣運動
3-17　東風波/熱帶波
第4章 大氣現象
4-1　 霧的形成與分類（一）
4-2　 霧的形成與分類（二）
4-3　 雲的形成與分類
4-4　 雲的種類（一）
4-5　 雲的種類（二）
4-6　 雲的種類（三）
4-7　 雲的種類（四）
4-8　 雲的種類（五）
4-9　 雨的形成與種類
4-10　地形雨
4-11　雷暴
4-12　多胞型雷暴
4-13　氣旋雨
4-14　熱帶風暴結構與強度
4-15　熱帶風暴的移動
4-16　熱帶風暴命名
4-17　溫帶低壓與鋒面降水
4-18　冷鋒及暖鋒
4-19　囚錮鋒
4-20　龍捲風
4-21　沙塵暴
第5章 海洋氣象
5-1　 海洋與大氣的關係
5-2　 大氣與海洋交互作用
5-3　 熱塔效應
5-4　 海洋沿岸的風與流
5-5　 潮汐
5-6　 暴潮
5-7　 洋流系統
5-8　 溫鹽環流
5-9　 聖嬰及反聖嬰現象
5-10　聖嬰現象的效應和影響
5-11　冰山與航運安全
第6章 大氣現象觀測
6-1　 全球對地觀測綜合系統
6-2　 氣象觀測網分類
6-3　 氣象觀測系統地面氣象觀測
6-4　 氣壓及風向風速觀測
6-5　 降水量及溫濕度觀測
6-6　 雲的觀測
6-7　 雲量和雲高觀測
6-8　 農業氣象觀測
6-9　 海洋氣象觀測
6-10　航空氣象觀測
6-11　航空氣象觀測設備
6-12　微爆氣流與陣風鋒面影響飛安與觀測
6-13　高層氣象觀測
6-14　氣象雷達觀測
6-15　氣象飛機觀測
6-16　下投式探空儀
6-17　氣象衛星觀測
6-18　繞極氣象衛星
6-19　紅外線衛星雲圖
第7章 天氣分析與預測
7-1　 天氣學的演進
7-2　 天氣現象的尺度與壽命
7-3　 天氣圖分析
7-4　 高空天氣圖與厚度圖
7-5　 天氣分析輔助圖
7-6　 天氣預報
7-7　 數值天氣預報
7-8　 短期天氣預報
7-9　 降雨機率預報
7-10　長期預報
7-11　颱風預報
7-12　影響侵臺颱風因素
7-13　藤原效應
7-14　颱風路徑預報
7-15　颱風強度預報
7-16　颱風降雨預報
7-17　數值模擬
第8章 大氣化學
8-1　 大氣的化學組成
8-2　 大氣化學研究對象
8-3　 懸浮微粒或氣膠
8-4　 氣膠化學
8-5　 衛星觀測氣膠
8-6　 環境破壞與大氣汙染
8-7　 主要空氣汙染物
8-8　 化學煙霧
8-9　 酸雨
8-10　酸雨的採樣與監控
8-11　平流層化學
8-12　臭氧層減弱的傷害
8-13　大氣放射性物質化學
8-14　電離輻射的危害
8-15　公眾年曝露劑量
8-16　放射性物質的輻射性汙染
第9章 氣候學
9-1　 地球的氣候系統
9-2　 氣候學研究領域
9-3　 氣候形成因素
9-4　 氣候分類法
9-5　 地球能量的收支平衡
9-6　 輻射平衡溫度與溫室效應
9-7　 影響氣候變化的自然因素
9-8　 歲差
9-9　 太陽黑子
9-10　板塊漂移與地形變化
9-11　火山噴發
9-12　火山噴出物
9-13　大氣氣體成分的變化
9-14　地表狀態的變化
9-15　海洋與氣候
9-16　聖嬰/南方震盪
9-17　雲與氣候
9-18　大氣內部動力與氣候
第10章 氣候異常與氣候災害
10-1　 我們所居住的地球發出哀嚎
10-2　 全球暖化跡證－北極冰床逐漸消失
10-3　 全球暖化跡證－南極大陸異常改變
10-4　 全球暖化跡證－各地山脈冰河後退
10-5　 全球暖化跡證－北極永凍土逐漸融化
10-6　 全球各地熱浪益發頻繁
10-7　 侵襲各地風災增強
10-8　 噴射氣流與極地渦旋異常
10-9　 氣候災難
10-10　氣候變遷與糧食危機
10-11　中國沙漠化與沙塵暴更趨惡化
10-12　低海拔珊瑚環礁國家恐被海面上昇淹沒
10-13　喪失生物多樣性物種
10-14　全球氣候異常對人類健康狀態造成負面影響
第11章 大氣科學的應用
11-1　 大氣科學與地球系統科學
11-2　 地球系統能量收支平衡
11-3　 地球系統的水文循環
11-4　 水文循環與洪水
11-5　 航空運輸運用－飛航安全與氣象因素
11-6　 航空運輸運用－影響飛安之低空風切
11-7　 航空運輸運用－影響飛安之亂流
11-8　 低雲與濃霧
11-9　 農業氣象應用
11-10　水文氣象學應用
11-11　引發洪水常見原因
11-12　水災監測與預警
11-13　森林氣象學
11-14　太空科學的應用
11-15　軍事氣象之應用
11-16　氣象戰

第1章 藍色地球與地球大氣的誕生
1-1　 宇宙的誕生
1-2　 太陽星雲假說
1-3　 太陽系的誕生
1-4　 太陽系行星的誕生
1-5　 地球的形成與地球結構
1-6　 地球內部層圈的形成
1-7　 地球形成旋轉橢圓體
1-8　 地球的運轉
1-9　 地球進動與歲差運動
1-10　海洋的形成
1-11　海洋分布與海底地形
1-12　地球大氣的形成
1-13　原始大氣及氧氣濃度的增加
1-14　臭氧層的形成與大氣的進化
1-15　火山活動與次生大氣的形成
1-16　藍色地球是宇宙中唯一的綠洲
第2章 地球大氣概述
2-1　 地球大氣的組成
2-2　 大...