地球的大氣 1 地球的大氣層（

地球的大氣

1 地球的大氣層（Atmosphere）

「地球」的四周被一層空氣所覆蓋，稱為「大氣層」（Atmosphere），其厚度由「地球」表面算 起超過560公里。

「地球」的「大氣層」由其特性、溫度與高度，依序可分為「對流層」、「平流層」、「中氣層」

、「熱氣層」與「外氣層」。

大氣層（Atmosphere）

對流層：「地球」表面0～13公里的區域，稱為「對流層」（Troposphere）。

平流層：「地球」表面13～50公里的區域，稱為「平流層」（Stratosphere）。

中氣層：「地球」表面50～85公里的區域，稱為「中氣層」（Mesosphere）。

熱氣層：「地球」表面85～600公里的區域，稱為「熱氣層」（Thermosphere）。

外氣層：「地球」表面600～1,000公里的區域，稱為「外氣層」（Exosphere）。

科學家在科學研究上，依「大氣層」中所發生的現象，將這幾層另區分為「低層大氣層」、「 中層大氣層」與「高層大氣層」。

低層大氣層：「對流層」在科學研究上，稱為「低層大氣層」（Lower Atmosphere）。

中層大氣層：「平流層」與「中氣層」在科學研究上，稱為「中層大氣層」（Middle Atmosphere）。

高層大氣層：「熱氣層」在科學研究上，稱為「高層大氣層」（Upper Atmosphere）。

地 球 大 氣 層

（公里）

名 稱 分 類

0～13 對 流 層 Troposphere 低層大氣層 Lower Atmosphere 13～50 平 流 層 Stratosphere

50～85 中 氣 層 Mesosphere 中層大氣層 Middle Atmosphere

85～600 熱 氣 層 Thermosphere 高層大氣層 Upper Atmosphere 600～1,000 外 氣 層 Exosphere 外 太 空 Outer Space

《對流層》（Troposphere）

「地球」表面0～13公里處之範圍，稱為「對流層」（Troposphere）。「對流層」在「兩極」處 較薄，約8公里，「赤道」處較厚，約17公里，平均為13公里。「對流層」的溫度隨高度增加而遞 減，高度每上升1公里，溫度約降低6.5℃，由17℃～-52℃。

「大氣層」中的空氣在此區域密度最高，約70％的空氣均存在於「對流層」中。同時此層對流 旺盛，幾乎所有常見的雲、霧（凝結）與雨、雪（降水）...等氣候現象均發生在此區內，亦是大 多生物生存的範圍。

「對流層」靠近海平面純淨乾燥的空氣中，「氮氣」（N2）佔總體積的78.08％，「氧氣」（O2） 佔20.95％，「氬氣」（Ar）佔0.93％，「二氧化碳」（CO2）佔0.033％、其他的氣體僅以微量存在。

「對流層」的最高處，稱為「對流層頂」（Tropopause），為「對流層」與更高的「平流層」間 之分界。

「對流層」在科學研究上，稱為「低層大氣層」（Lower Atmosphere）。

《平流層》（Stratosphere）

「地球」表面13～50公里處之範圍，稱為「平流層」（Stratosphere）。「平流層」的溫度隨高度 增加而增加，高度每上升1公里，溫度約增加5℃，由-52℃～-3℃。

「平流層」中的空氣以水平流動為主，無垂直氣流之困擾。所以，噴射機常在「平流層」底部 飛行。

此層中的空氣較為乾躁且密度較低，「大氣層」中99％的空氣均存在於「對流層」與「平流層

」中。

「平流層」的較低處，即離地面20～30公里處，為「臭氧」（Ozone 、O3）濃度最高之區域，

稱為「臭氧層」（Ozone Layer）。

「臭氧」會「吸收」（Absorb）與「散射」（Scatter）來自「太陽」的「紫外線」，可保護「地 球」上的生物免受「紫外線」侵擾。

「平流層」的最高處，稱為「平流層頂」（Stratopause），為「平流層」與更高的「中氣層」間 之分界。

《中氣層》（Mesosphere）

「地球」表面50～85公里處之範圍，稱為「中氣層」（Mesosphere）。「中氣層」的溫度隨高度 增加而遞減，高度每上升1公里，溫度約減少3℃，由-3℃～-93℃。

「中氣層」含「氧」、「臭氧」、「碳氧化物」與「氮氧化物」。「氧氣」在此層進行「光分解」（ Photodegradation）作用，又稱「光化層」（Chemosphere）。

「中氣層」的最高處，稱為「中氣層頂」（Mesopause），為「中氣層」與更高的「熱氣層」間 之分界。

「平流層」與「中氣層」在科學研究上，稱為「中層大氣層」（Middle Atmosphere）。

《熱氣層》（Thermosphere）

「地球」表面85～600公里處之範圍，稱為「熱氣層」（Thermosphere）。「熱氣層」的溫度隨高 度增加而增加，由-93℃～1,727℃

「熱氣層」中的空氣密度極為稀薄，氣體游離呈離子化，易反射無線電波，又稱「電離層」（ Ionosphere）。「極光」通常發生於此層，其高度約在100公里處。

熱氣層（Thermosphere）∕電離層（Ionosphere）

「熱氣層」在科學上，稱為「高層大氣層」（Upper Atmosphere）。

《外氣層》（Exosphere）

「外氣層」位於「地球」表面600～1,000公里處之範圍，含「氫」和「氦」等氣體，溫度隨高 度增加而下降，稱為「外氣層」（Exosphere）。

「外氣層」的空氣密度甚低，失去氣體特性，與行星際空間融合在一起，是「外太空」（Outer Space）的起點。

大氣層溫度（Atmospheric Temperature）

2 地球的大氣成份

「地球」大氣組成中，「氮氣」（N2）佔78％，其次「氧氣」（O2）佔21％，再來就是微量的「

氬氣」（Ar），「二氧化碳」（CO2）及「水蒸氣」（H2O）……等。

成 分 體 積（％）

氮 N2 78.084 氧 O2 20.948

氬 Ar 0.934

二氧化碳 CO2 0.033

氖 Ne 0.00182

氫 H2 0.0010

氦 He 0.00052

甲烷 CH4 0.0002

氪 Kr 0.0001

一氧化碳 CO 0.00001 氙 Xe 0.000008 氨 NH3 0.000002 臭氧 O3 0.000001 二氧化氮 NO2 0.0000001 二氧化硫 SO2 0.00000002

「地球」初形成時的大氣很可能大部分都是「二氧化碳」，不過它們大多已被「碳酸鹽類」岩 石給吸收結合，其餘的則是溶入海洋及被綠色植物耗盡。

現今，「板塊構造運動」以及「生物作用」是大氣中「二氧化碳」消長的主控者。

「自由氧」的存在也是「地球」化學組成的一大特徵，因為「氧」是活性很強的氣體，應該很 容易就和大氣中其它元素相化合，但「地球」上的「氧氣」完全是由「生物作用」產生及維持，若 沒有生命就不會有「自由氧」。

大氣中存在的「水蒸氣」及微量「二氧化碳」所造成的「溫室效應」是維持地表溫度極重要的 作用。

「溫室效應」使「地球」表面溫度提高了大約33℃，否則地表的平均溫度將是酷寒的-18℃。

此外，「水蒸氣」更是「水循環」及「天氣變化」中不可或缺的角色。

3 大氣溫室效應（Atmospheric Greenhouse Effect）

「地球」的大氣是由「氮」、「氧」及一些微量氣體組成，當「太陽輻射」進入「地球」時，大 氣層幾乎可以讓它們全部穿透過去，而「地球」同時也釋放出「長波輻射」。但「地球」的「長波 輻射」卻會遭到大氣層中某些微量氣體選擇性的吸收。

這些微量氣體選擇性的吸收了「地球」的輻射能之後，有部份會再反射回到「地球」，因而使 得大氣保存了部份輻射能，於是造成「地球」的溫度比「地球」達到輻射平衡時的溫度為高。

大氣中因為有這些微量氣體選擇吸收了「地球」的「長波輻射」，並能夠保存部份輻射能，因 而可以使「地球」溫度升高，我們稱這種作用為「大氣溫室效應」（Atmospheric Greenhouse Effect

），簡稱「溫室效應」（Greenhouse Effect）。

大氣溫室效應（Atmospheric Greenhouse Effect）

《溫室效應氣體》 （Greenhouse Gas）

大氣中最重要的「溫室效應氣體」有「二氧化碳」（CO2）、「甲烷」（CH4）、「氧化亞氮」（N2O

）、「臭氧」（O3）與「氟氯碳化物」（CFCs）……等，「水蒸汽」（H2O）也具有部份的增溫效應。

溫室效應氣體：會吸收「地球」所散發「長波輻射」之氣體，稱為「溫室效應氣體」（Greenhouse Gas

、GHG）。

溫 室 效 應 氣 體 生 成 原 因

甲烷 CH4 農業、畜牧

氧化亞氮 N2O 農業、畜牧、燃燒

氟氯碳化物 CFCs 冷媒、滅火劑、清洗溶劑、發泡劑 臭氧 O3 工業廢氣，經過光化學作用合成

大氣中若「溫室效應氣體」含量增加，則大氣的「溫室效應」即會增強，當然大氣保存的能量 也隨著增加，因而會造成「地球」溫度上升。

溫 室 效 應 氣 體 增 溫 效 應（倍）

二氧化碳 CO2 1

甲烷 CH4 121

氧化亞氮 N2O 310

氟氯碳化物 CFCs 140～11,700 全氟碳化物 PFCs 6,500～9,200

六氟化硫 SF6 23,900

但對全球增溫貢獻的百分比來說，由於「二氧化碳」含量較多，所佔的比例也最大。

溫 室 效 應 氣 體 增 溫 貢 獻（％）

二氧化碳 CO2 55

甲烷 CH4 15

氧化亞氮 N2O 6

氟氯碳化物 CFCs 24

《溫室效應的影響》

適度的「溫室效應」，有防止地面溫度、濕度散失的功能，使地面溫度不會下降太快，地表年 均溫因此能保持於15℃左右，有利於「地球」生物存活。

若沒有「溫室效應」，來自「太陽」的能量會很快地由地表釋放回去，「地球」的溫度也將降至

-18℃左右，而成為寒冷的世界。

過度的「溫室效應」，會使全球氣溫節節上升，造成氣候的改變。例如氣溫上升會使「冰山融 化」、「海面上升」、「陸地面積減少」。若加上「氣候帶位移」，可能引發「動物大遷徙」、造成「疾 病蔓延」……等。

「地球」在過去100年間，地表溫度只增加0.3～0.6℃，海平面則上升10～15公分。

工業革命之後，「二氧化碳」濃度增加28％，科學家預測若不採取任何有效的防治措施，到西 元2100年時，地表溫度將較目前增加l～3.5℃，海平面將上升15～95公分。

溫室效應（Greenhouse Effect）

電影《明天過後》（The Day After Tomorrow、2004）即是以「溫室效應」造成全球暖化，導致 北極「冰棚」（Ice Shelf）融化，進而引起「地球」一連串的氣候異變。全球各地發生「龍捲風」、

「暴風雨」、「冰雹」、「海嘯」……等，「地球」即將陷入另一次「冰期」（Ice Age）的危機。

4 京都議定書（Kyoto Protocol）

1997年12月，「聯合國氣候變化綱要公約」（United Nations Framework Convention on Climate Change、UNFCCC）締約國，於日本．東京召開第三次締約國大會，會中為了限制發達國家「溫 室效應氣體」的排放量，以抑制全球暖化現象，擬定了管制協議，稱為《京都議定書》（Kyoto Protocol

）。

《京都議定書》規定在2008～2012年之期限間，主要工業發達國家六種「溫室效應氣體」之排

放量，要以1990年排放量的基礎上平均應減少5.2％。

溫室效應管制氣體：「二氧化碳」（CO2）、「甲烷」（CH4）、「氧化亞氮」（N2O）、「氟氫碳化物」（HFCs

）、「全氟碳化物」（PFCs）與「六氟化硫」（SF6）共六種。

「溫室效應管制氣體」中以後三類氣體造成「溫室效應」的能力最強，但對全球升溫的貢獻百 分比來說，「二氧化碳」由於含量較多，所佔的比例也最大約為55％。

《京都議定書》所管制的國家為議定書中「附件B國家」（Annex B）的成員，大部分為已開發 國家，但也包括正朝市場經濟過度的國家，如東歐……等。

5 臭氧層（Ozone Layer）

「臭氧」（Ozone、O3）是一種具有刺激性氣味，略帶有「淡藍色」的氣體。

在大氣層中，「氧分子」（O2）因高能量的輻射，如「紫外線」，而分解成為「氧原子」（O），

而「氧原子」與另一「氧分子」結合，即生成「臭氧」（O3）。 O2 ＋ hν → 2O

O ＋ O2 → O3

「臭氧」又會與「氧原子」、「氯」或其他游離性物質反應而分解消失，由於這種不斷反覆的生 成和消失，使得「臭氧」含量維持在一定的均衡狀態。

大氣中約有90％的「臭氧」存在於離地面15～50公里之間的區域，也就是「平流層」（Stratosphere

），其餘10％之「臭氧」則存在於離地表10公里之「對流層」（Troposphere）。

在「平流層」的較低層，即離地面20～30公里處，為「臭氧」濃度最高之區域，稱為「臭氧層

」（Ozone Layer）。

臭氧層（Ozone Layer）

臭氧層：地面上空20～30公里處，為「臭氧」濃度最高之區域，稱為「臭氧層」（Ozone Layer）。

《臭氧層的破壞》

1974年，兩位美國科學家提出理論，說明「氟氯碳化合物」（Chlorofluorocarbons、CFCs），俗 稱「氟利昂」（Freon）的化學物質，由於化學性質相當穩定，其分子要上升到「平流層」才會分解

，此時CFCs中所含「氯」會被釋出，因而破壞「臭氧」。

CFCl3 ＋ hν → CFCl2 ＋ Cl Cl ＋ O3 → ClO ＋ O2

O ＋ ClO → Cl ＋ O2

1985年，英國南極觀測站的科學家法曼（Joseph C. Farman）等人發現，從1977～1984年，南 極郝利灣（Halley Bay）上空，春季時大氣的「臭氧」含量大約減少了4％以上。

法曼並指出「臭氧」量急遽減少的這塊區域，其面積甚至大於「南極大陸」，高度則是介於12～24 公里之間的「平流層」，這就是所謂的「臭氧洞」（Ozone Hole）。

臭氧洞（Ozone Hole）

《臭氧層的功能》

「臭氧」能吸收波長230～350 nm的「紫外線」，所以具有吸收太陽光中大部分「紫外線」的 功能，「臭氧」吸收這些電磁輻射，並將它轉成「熱能」與「化學能」，是大氣中唯一能濾除陽光裡 許多有害波長的氣體。

「臭氧層」可屏蔽地球表面生物，不致受「紫外線」的侵害。「臭氧層」如減少1％，有害的「

紫外線」會提高約2％，則皮膚癌發生的機率會增加約3～8％左右。

若失去「臭氧層」的保護，將使「地球」生物暴露於更多的輻射線之下，這可能會造成；

一、破壞包括DNA在內的生物分子。

二、皮膚癌、白內障罹患率增加。

三、免疫系統受到抑制。

四、植物生長遲滯、農作物減產。

五、破壤自然生態平衡。

六、塑膠、橡膠製品加速老化。

七、產生光化學煙霧，造成空氣污染。

八、氣候改變、造成溫室效應，使海平面上升。

《紫外線》（Ultraviolet、UV）

「紫外線」（Ultraviolet、UV）依其波長大小，可區分為「長波紫外線」、「中波紫外線」與「短 波紫外線」三類；

紫 外 線 分 類 波 長

「紫外線」的波長愈短能量愈高，相反的波長愈長穿透力愈好。

「紫外線」對人類或生物界是一種不可缺的自然營養，能促進血液循環，產生「維他命D」，

植物行光合作用……等。

「紫外線A」能透入皮膚深部，氧化黑色素物質，使皮膚黑化，增強抵抗力。

「紫外線B」可以引發皮膚下血管擴張、增加血流量、造成血管亢進發紅，進而成紅斑、脫皮

、甚而引起發炎……等，是造成皮膚紅腫熱痛的元兇。

「紫外線C」有強烈的殺菌能力、破壤細胞DNA、撲滅細菌、對人類可造成皮膚病變、灼傷眼 角膜……等。

「地球」因為有「臭氣層」保護，所以陽光中的「紫外線」大約只有5％進入大氣層內，其中 90％為「紫外線A」，10％為「紫外線B」，大部分的「紫外線C」均為「臭氧層」所吸收，能到達 地面的巳極為微弱。

6 蒙特婁議定書（Montreal Protocol）

1985年，共有28個國家於維也納達成「保護臭氧層協議」（Vienna Convention），並決定研議一 國際管制公約以補該協議之不足。

1987年9月16日，26個國家在加拿大．蒙特婁召開會議，共同簽署《蒙特婁破壞臭氧層物質管 制議定書》（Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer），簡稱《蒙特婁議定書》

（Montreal Protocol）。

《蒙特婁議定書》將五種「氟氯碳化物」（Chlorofluorocarbons、CFCs），三種「海龍」（Halons

）列為管制物質，之後又陸續增加。

附件A第一類管制物質：五種「氟氯碳化物」（Chlorofluorocarbons、CFCs），分別為CFC-11（CFCl3

）、CFC-12（CF2Cl2）、CFC-113（C2F3Cl3）、CFC-114（C2F4Cl2）與CFC-115

（C2F5Cl1），合稱「附件A第一類管制物質」。

附件A第二類管制物質：三種「海龍」（Halons），分別為Halon-1211（CF2BrCl）、Halon-1301（CF3Br

）與Halon-2402（C2F4Br2），合稱「附件A第二類管制物質」。

「氟氯碳化物」穩定性高，不自燃、不助燃也不易起化學變化，以及對人體傷害較小等優點，

因而使用遍及各種工業及日常生活用品，如「發泡劑」、「冷媒」、「清洗劑」、「噴霧劑」……等。

「海龍」也是「全鹵化氟氯碳化物」，因具有特別的防火效果，常作為許多防火安全場所的「滅火 劑」。然而，「海龍」破壞「臭氧」的能力更甚於「CFCs」。