大氣的組成與結構

為什麼客機巡航高度總在一萬公尺上下？

當你搭華航或長榮的長程航班，打開機上系統看飛行資訊，巡航高度多半標示在 10,000 到 12,000 公尺之間。空服員會提醒你「飛機即將進入較不穩定的氣流」通常發生在爬升與下降階段，而一旦進入巡航高度，機身往往平穩得讓人忘記自己正以接近音速移動。這不是巧合，而是飛行工程師刻意把客機送進大氣某一個「特別安靜」的樓層。要理解這件事，我們得先把頭頂這層看似空無一物的空氣，當成一棟有樓層、有溫度梯度、有化學反應的高樓來解剖。

大氣(atmosphere)看起來透明又連續，但它在垂直方向上其實高度結構化：成分隨高度改變、氣壓隨高度遞減、溫度則出現好幾次「先降後升再降」的轉折。這些轉折正好把大氣切成數個性質迥異的分層(layers)。

第一節：大氣由什麼組成？

在對流層(troposphere)、也就是我們呼吸的這層裡，乾燥空氣的成分相當穩定：氮氣(N₂)約佔 78%、氧氣(O₂)約佔 21%，兩者合計超過 99%。剩下不到 1% 由氬氣(Ar，約 0.93%)、二氧化碳(CO₂，約 0.04%)以及微量的氖、氦、甲烷等組成。

這裡有一個容易被忽略的重點：上述比例指的是乾燥空氣。真實大氣裡還有水氣(water vapor, H₂O)，而水氣的含量極不穩定，從乾燥沙漠的近乎 0% 到台灣夏季午後潮濕空氣的 3%～4% 都有。水氣雖然佔比不高，卻是雲、雨、颱風等天氣現象的主角，也是強力的溫室氣體。正因為水氣會隨時間地點劇烈變化，科學家在描述「標準大氣組成」時才會特別把它排除，先談乾燥空氣的穩定骨架。

另一個常見迷思是把臭氧(ozone, O₃)誤以為均勻分布在整層大氣。事實上臭氧的濃度在地表很低（而且在都市還是有害的污染物），主要集中在距地表 20～30 公里的平流層，形成所謂的「臭氧層」，這點稍後會詳談。

第二節：氣壓為什麼隨高度快速下降？

如果你曾經帶過一包零食上合歡山（海拔約 3,400 公尺），可能會發現包裝鼓得像快爆開一樣。原因是山上的大氣壓力比平地低，包裝內外壓差把袋子撐了起來。

氣壓(air pressure)本質上是某一點之上整根空氣柱的重量所造成的壓力。站在海平面，你頭頂上壓著一整層厚厚的大氣，所以壓力最大，約為 1013 百帕(hPa)，這就是「一大氣壓」。爬得越高，頭頂上方剩下的空氣柱越短、越輕，氣壓自然越低。

關鍵在於，氣壓並不是線性下降，而是近似指數遞減。大致來說，海拔每上升約 5.5 公里，氣壓就減半。所以：

• 海平面：約 1013 hPa
• 5.5 公里：約 500 hPa（只剩一半空氣在你頭頂上）
• 11 公里：約 250 hPa
• 16.5 公里：約 125 hPa

這意味著大氣質量高度集中在底層：大約一半的大氣質量壓縮在最低的 5.5 公里內，約 90% 集中在 16 公里以下。再往上雖然還有大氣，但已經非常稀薄。這也解釋了為什麼登山者在高海拔會「喘不過氣」不是氧氣比例變了（氧氣仍佔 21%），而是整體氣壓降低，每一口呼吸吸進的氧分子數量大幅減少。

第三節：大氣的四個樓層

大氣最常用的分層方式，依據的是溫度隨高度如何變化。從地表往上，溫度經歷「降、升、降、升」四個階段，剛好對應四層。

對流層(troposphere)：從地表到約 10～12 公里（赤道較高、極區較低）。這層的特徵是溫度隨高度下降，平均每上升 1 公里降約 6.5°C（稱為環境直減率）。因為底部受地表加熱而溫暖、頂部寒冷，「下熱上冷」的結構容易引發對流（暖空氣上升、冷空氣下沉），這也是「對流層」名稱的由來。幾乎所有天氣現象——雲、雨、雷暴、颱風——都發生在這一層。對流層的頂界稱為對流層頂(tropopause)。

平流層(stratosphere)：從對流層頂到約 50 公里。這層的溫度反而隨高度上升，原因是這裡的臭氧層吸收太陽紫外線並放出熱量。由於上熱下冷（與對流層相反），空氣垂直方向非常穩定、不易對流，氣流以水平方向為主，故名「平流層」。回到開頭的問題：客機巡航高度正好設在對流層頂附近、剛進入平流層底部的穩定氣層，既避開了對流層的亂流與雷雨，空氣又夠稀薄以減少阻力。

中氣層(mesosphere)：從約 50 公里到 85 公里。溫度再次隨高度下降，並在中氣層頂(mesopause)達到整個大氣最低溫，約 −90°C 甚至更低。我們看到的流星，多半就是在這層因摩擦燃燒發光的。

增溫層(thermosphere)：從約 85 公里往上延伸到數百公里。溫度隨高度急遽上升，可達 1000°C 以上。這是因為這裡的稀薄氣體分子直接吸收太陽的高能 X 射線與極紫外線。不過要特別澄清一個迷思：雖然溫度數值很高，你若身處其中卻不會感覺燙，因為氣體極度稀薄，分子數太少、無法傳遞足夠的熱量到你身上。極光(aurora)就發生在增溫層。國際太空站(ISS)也運行在這一層內。

看一個例子：合歡山上的氣溫與沸點

假設玉山氣象站（海拔約 3,850 公尺）某日的山腳台南市區氣溫為 28°C。利用對流層平均直減率每公里降 6.5°C，我們可以估算山頂氣溫：

$$T_{\text{山頂}} = 28 - 6.5 \times 3.850 \approx 28 - 25 = 3°C$$

實際上玉山頂常因輻射冷卻與天氣狀況更冷，但這個估算抓到了「為什麼台灣高山在夏天也可能結霜」的核心——高度本身就是降溫的主因。

氣壓降低也影響日常：水的沸點隨氣壓下降而降低。在海平面水於 100°C 沸騰，但在海拔 3,850 公尺、氣壓約 630 hPa 處，水大約 88°C 就沸騰了。這就是高山泡麵總覺得「不夠熟」、煮飯要用壓力鍋的原因——不是火力不足，而是沸水的溫度本身就比平地低。

重點回顧

• 乾燥空氣主要由氮氣(78%)與氧氣(21%)組成，兩者超過 99%；水氣含量變化大，是天氣現象的關鍵。
• 氣壓是上方空氣柱的重量造成的，隨高度近似指數遞減，每約 5.5 公里減半；約一半大氣質量集中在最低 5.5 公里內。
• 大氣依溫度垂直變化分為四層：對流層（降溫、有天氣）、平流層（升溫、有臭氧層、穩定）、中氣層（降溫、最低溫）、增溫層（急遽升溫、有極光）。
• 平流層升溫源於臭氧吸收紫外線；增溫層高溫源於稀薄氣體吸收高能輻射，但因分子稀少不會讓人感到燙。
• 高度造成的降溫與降壓會影響真實生活：高山低溫、低沸點，以及客機選擇巡航高度的理由。

深入探討（研究所視角）

靜力平衡與氣壓高度公式

前面「氣壓近似指數遞減」的說法，可以從靜力平衡(hydrostatic balance)嚴格導出。考慮大氣中一塊薄層，其上下表面的氣壓差恰好平衡這塊空氣的重量，可寫成：

$$\frac{dP}{dz} = -\rho g$$

其中 $P$ 是氣壓、$z$ 是高度、$\rho$ 是空氣密度、$g$ 是重力加速度。負號表示氣壓隨高度增加而減少。再引入理想氣體狀態方程 $P = \rho R_d T$（$R_d$ 為乾空氣比氣體常數，約 $287\ \mathrm{J\,kg^{-1}K^{-1}}$，$T$ 為絕對溫度），代入消去密度：

$$\frac{dP}{P} = -\frac{g}{R_d T}\,dz$$

若假設溫度 $T$ 在一段高度內近似為定值，積分後得到等溫大氣的氣壓高度公式：

$$P(z) = P_0 \exp\!\left(-\frac{z}{H}\right), \qquad H = \frac{R_d T}{g}$$

這裡的 $H$ 稱為尺度高度(scale height)，代表氣壓下降到原來 $1/e$（約 37%）所需的高度。代入典型對流層溫度 $T \approx 255\ \mathrm{K}$、$g \approx 9.8\ \mathrm{m/s^2}$，可得 $H \approx 7.5\ \mathrm{km}$。這正是「氣壓隨高度指數遞減」的數學根源，也解釋了為何前面的口訣是「每約 5.5 公里減半」——因為氣壓減半對應 $z = H \ln 2 \approx 0.69 H$，當 $H$ 在 7～8 公里時，正好落在 5～5.5 公里量級。真實大氣 $T$ 隨高度變化，需逐層積分，但等溫近似已抓住主要行為。

臭氧層的光化學：Chapman 循環

平流層為何升溫、臭氧為何集中在 20～30 公里，可用 Chapman 循環(Chapman mechanism) 這套光化學反應解釋。整個循環由四個反應構成：

第一步，高能紫外線（波長 $< 242\ \mathrm{nm}$）把氧分子打散成兩個氧原子：

$$\mathrm{O_2} + h\nu \rightarrow \mathrm{O} + \mathrm{O}$$

第二步，氧原子與氧分子結合生成臭氧（需第三體 $M$ 帶走多餘能量）：

$$\mathrm{O} + \mathrm{O_2} + M \rightarrow \mathrm{O_3} + M$$

第三步，臭氧吸收紫外線（波長約 240～320 nm，正是對皮膚有害的 UV-B）再度分解：

$$\mathrm{O_3} + h\nu \rightarrow \mathrm{O_2} + \mathrm{O}$$

第四步，氧原子與臭氧複合回到氧分子：

$$\mathrm{O} + \mathrm{O_3} \rightarrow 2\,\mathrm{O_2}$$

這套循環之所以把臭氧最大濃度「鎖」在 20～30 公里，是兩個條件的乘積最佳化的結果：太高處紫外線雖強，但氧分子太稀薄（缺反應原料）；太低處氧分子雖多，但強紫外線早已在上層被吸收殆盡（缺能量）。兩者折衷，臭氧便在中間高度堆積最多。而第一與第三步反應吸收紫外線後將能量轉為熱，正是平流層「上熱下冷」溫度逆增(temperature inversion)的物理來源——換言之，臭氧層的化學與平流層的溫度結構是同一件事的兩個面向。

與其他主題的連結

值得一提的是，人為排放的氟氯碳化物(CFCs)會釋出氯原子，催化破壞臭氧（Cl 在循環中不斷再生，可摧毀上萬個臭氧分子），這就是南極臭氧洞的成因，也是《蒙特婁議定書》要管制 CFCs 的科學基礎。此外，平流層的穩定逆溫層也是火山大噴發（如皮納圖博火山）氣膠能滯留數年、進而影響全球氣候的關鍵——因為缺乏垂直對流，氣膠不易被沖刷下來。大氣分層的物理，最終與氣候變遷、空污傳輸乃至太空科技都緊密相扣。