作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

科學家的時空背景

從17世紀溫度計已在歐洲問世及被廣泛地使用開始,普魯士裔荷蘭數學兼物理學家亨納特(Johann Friedrich Hennert)、蒲雷腓(John Playfair)和拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)等人,已經將自古希臘時代以來,人們較察覺到的 - "離開平地地表處越往高處移動,溫度會變得愈低"的現象觀察,轉變成可用於計算的公式,使得環境溫度與海拔高度之間的反比關係,變得相當深植人心甚至有了"科學背書"。

圖 19世紀末之前的科學家們,普遍認為只要環境所在的海拔高度愈高,溫度就會愈低,並大概會以每上升1 公里約攝氏6.5 度的梯度降溫。

圖片來源:www.scied.ucar.edu/learning-zone/how-weather-works/change-atmosphere-altitude

1890年代開始,歐洲與美國天文台的研究員們,改良了1783年時熱氣球旅行的發明者 - 法國的孟格菲兄弟(Montgolfier brothers),用以評估熱氣球飛行安全的風向氣球與風箏,發明了裝有各種氣壓計、溼度計、風向計和溫度計等氣象數據收集儀器、定位經緯儀和無線電回傳裝置的氣象氣球。並開啟了一股"用氣象氣球探勘高空"的新興研究風潮。

科學家的經歷

圖 泰塞朗德波爾的肖像照。

圖片來源:www.sciences.gloubik.info/spip.php?article937

1855年,泰塞朗德波爾(Léon Teisserenc de Bort)出生於法國巴黎的一個富裕工程師家庭。雖然,泰塞朗德波爾天資相當聰敏,而且對自然科學充滿熱情,但卻因為體弱多病的關係,所以,父親只能請家教來家裡教他讀書,一路教到泰塞朗德波爾成年為止,泰塞朗德波爾都沒有踏足過正式的教學與學術機構。

雖然不曾正式上學,但是身體的虛弱並沒有削弱泰塞朗德波爾的才學發揮,由於泰塞朗德波爾自青年時期開始,便培養出對氣象觀測的興趣,因此,他自行寫了許多篇關於氣象調查的論文,以私人的名義寄給法國氣象學會做審閱,這讓氣象學界的成員們,對這個幾乎自幼足不出戶的年輕人有了幾分賞識,因此,在1878年法國中央氣象局給予了泰塞朗德波爾工作機會,他也讓大家不失所望地努力在1880年升任為該局主任。並在1883~1887年間,斷斷續續、多次地到非洲學習與研究地質學與地磁現象,可以說是一開始涉入研究工作,泰塞朗德波爾就忘記了身體的不適了呢!

1892年,自幼將泰塞朗德波爾捧在手掌心上照護的父親過世,並為他留下了一筆豐厚的遺產,泰塞朗德波爾為處理好傷心的情緒,也為了好好處理父親的後事與家中的財產,並向法國中央氣象局請了長假,然而,喜歡自由發想研究方向的泰塞朗德波爾,也利用了這一段時間的空閒時光,私下進行了許多他所感興趣的大氣研究,以調整長期的生活壓力與喪父之痛。但也漸漸地,泰塞朗德波爾發現他已開始厭倦了在法國中央氣象局,行政與研究參半地單調工作。

或許是泰塞朗德波爾認為他的體力已不堪工作的負荷,也可能是他認為法國中央氣象局交付予他的工作,已經無法再燃起他的工作熱情。泰塞朗德波爾在1896年辭去了法國中央氣象局地工作,開始靠著父親留下的豐厚遺產及自己的積蓄生活,並在法國凡爾賽(Versailles)近郊的特拉佩市(Trappes)建立了一個私人氣象台,引進他所感興趣的氣象氣球等新穎觀測器材,對天氣現象做研究。

圖 19世紀末、20世紀初時,歐洲人用來做高空氣象觀測的氣象氣球。

圖片來源:www.scied.ucar.edu/history-discovery-atmosphere

科學家發現的問題

1898年6月8日早晨三點鐘,泰塞朗德波爾在凡爾賽近郊的特拉佩市的氣象台,釋放了他所設計的一個可以穩定升空和紀錄氣溫的氣象氣球,做人類首次的、超過海拔10 公里高位置的氣溫等氣象觀測。氣像氣球是ㄧ種搭載有雷達定位系統、氣溫計、溼度計與風速計等器材,能隨時監控汽球所在的位置,以及掌握氣球所在位置的氣象狀況,並且,能免去操作員在汽球所處的高空中,隨同操控汽球飛行時的風險;另外,氣球升至一定高度破裂後,氣球上的儀器也能藉著儀器上裝有的降落傘著陸、回收,相當的方便 。

圖 遠端監控氣象氣球得站臺。左側為雷達定位系統、右側為氣項數據接收系統。

圖片來源:www.michigan-weather-center.org/weather-balloons

圖 氣象氣球的結構簡述圖。(中文註解為筆者所加)

圖片來源:<One Degree of Freedom Approach for an Autonomous Descent Vehicle Using a Variable Drag Parachute, by Travis Fields, Jeffrey LaCombe and Eric Wang> pp. 7

在泰塞朗德波爾的監控下,當氣球飛到約11.8~13 公里處時,他赫然發現,儀器所測到的氣溫數值一直保持在約攝氏零下59度,不再隨著高度升高而降低,甚至到了約16 公里高的位置,氣溫反而升到了攝氏零下50度。這個現象不符合以往人們所認為的,”在同一經緯度的位置越高的地方,周遭氣溫就越低”的經驗。

圖 泰塞朗德波爾利用2次的氣象氣球做偵測後,劃出的高空位置環境氣溫分布圖。

圖片來源:<The Exploration of the Upper Air, by ANDREW WATT, M.A., F.R.S.E.> pp. 46

這個現象令泰塞朗德波爾感到詫異的是,因為根據18世紀的普魯士裔荷蘭數學兼物理學家 - 亨納特(Johann Friedrich Hennert)等人所觀察到、並詳細記錄的氣溫研究中顯示 - 在同一經緯度的地方應該會有所在高度越高、周遭環境氣溫越低的現象,但是現在泰塞朗德波爾卻發現,當氣象偵測氣球飛到凡爾賽上空,約11.8 公里高的位置以後,卻出現溫度不再降低、甚至轉為平均每升高一公里高,溫度就提升攝氏約1.5 度的現象,並且一直重複在同地點、同高度量測了140次的結果也都顯示出,量測到這樣的現象並非儀器失靈所致,而是個不可否認的事實。

科學家的聯想與假設

泰塞朗德波爾聯想到,1860年代的英國化學兼氣象學家廷得耳,和1880年代的瑞典化學家阿瑞尼士等人,曾在他們的研究中指出,具有吸收輻射熱及保溫能力的各種溫室氣體之間,其實在吸熱和保溫能力上也是有所差別的,例如帶有強烈氣味的臭氧與味道極重的氣態有機物質,它們的吸熱與保溫能力就是地表空氣能力值的數百倍。所以,如果空間中存在有很多吸收輻射熱及保溫能力很強的溫室氣體,周圍環境的氣溫就會變得比較高 - 這不就與泰塞朗德波爾發現的,凡爾賽周邊地區上空約11.8 公里以上處,氣溫隨著高度的提升而有些微提高的現象很類似嗎?因此,泰塞朗德波爾靈機一動地想到,他發現地現象或許可以用"海拔11.8 公里以上的高空處,含有不少吸收輻射熱,以及保溫能力比地表的氣體成分還強的溫室氣體種類"的概念來解釋。

泰塞朗德波爾又聯想到,1881年英國化學家哈特里(Sir Walter Noel Hartley),曾以”臭氧會吸收紅、綠、橘系等顏色的光,而會使周遭環境呈現藍色”的實驗室觀察結論為由,推測說在高空處,應該存在有大量的臭氧,故曙光升照亮天空之時,才會只有高空處呈現較明顯的藍色;由於,臭氧是一種比地表面常見的水蒸氣、二氧化碳等氣體,吸收輻射熱和保溫的能力都還要強的溫室氣體,所以,哈特里從他研究中得出的這項假說,與現在泰塞朗德波爾所推測的"高空中存在不少溫室氣體"的想法完全相符,因此,泰塞朗德波爾覺得離地10 公里高處的溫室氣體,可能有含臭氧等強效的溫室氣體。

圖 1880年代,Chappuis和Hartley等人在他們的研究論文中指出,他們認為曙光下的上層天空呈現藍色,乃是由於紅色到橘色波段的太陽光,被臭氧吸收所致。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Chappuis_absorption

根據上述的發現及推論,泰塞朗德波爾因此假設 - 因為在海拔高到約10 公里的位置,會分布有不少像臭氧等吸收輻射熱極保溫能力極強的溫室氣體,並且,這些溫室氣體的分布量會隨著高度愈高而愈多,進而使得從海拔10 公里這個位置開始,愈往高處的環境會有越強的吸收輻射熱和保溫效果。也是因為如此,泰塞朗德波爾才會發現到,離凡爾賽及其周邊地區的地表,約海拔11.8 公里高處以上的位置,周邊環境的氣溫就不再隨高度升高而降低,反而有微微升溫的現象。

科學家的驗證方法與結論

泰塞朗德波爾深知,如果他要證明他的假設是符合現實的,那他必須要能夠觀測到,在世界上各處的高空,都能觀察到在一定高度以上的環境溫度,都不會再有隨著海拔高度增加而降溫的狀況,並且,這個現象不會受到早晚日照有無的影響,才能確保這樣的環境溫度變化,不是因為早晨強烈的陽光照射,而造成的儀器測量誤差。

基於上述的考量,泰塞朗德波爾選定了和初次調查一樣的凌晨3點鐘- 這個氣溫既不受太陽直射而頻頻升高,也不受深夜嚴寒影響的時間點,並且,為了避開凡爾賽周邊地區秋天和冬天的惡劣天侯,他還挑在3月(初春)和6月(初夏)兩季 ,在凡爾賽近郊處的上空,進行236次的高空的氣溫測量;除了考慮到這樣一來,儀器所提供的氣溫紀錄,比較能維持時間點的一致性外,將諸次測量的數值放在一起比較,也較容易避免採用到儀器故障時,收集到的數據。順帶一提的是,泰塞朗德波爾還在氣象氣球上裝設了經緯儀、氣壓計和照相機等儀器,以便知道高空中的氣象狀況。

另外,在進入20世紀初後,氣象氣球的高空氣溫偵測,也越來越普遍地在歐洲和北美洲各國進行,因此,泰塞朗德波爾除了整理他自己在凡爾賽近郊,所做的高空氣溫量測數據外,並比對了差不多也在上述時間點歐洲各緯度區高空的氣溫量測數據。

泰塞朗德波爾確實發現,他得到的共310筆資料中,都顯示了氣象氣球在升空達約10 公里高的位置後,周圍的氣溫就不再下降,有些調查區的上空甚至會開始出現,隨著高度的升高、周圍環境氣溫反而些微升高的現象。

圖 泰塞朗德波爾所彙整出來的,高空位置與環境氣溫的關係表格。

圖片來源:<The Exploration of the Upper Air, by ANDREW WATT, M.A., F.R.S.E.> pp. 47

所以,依照實驗結果與假設,泰塞朗德波爾認為 - 因為大氣的組成成分會影響到周邊環境的氣溫,所以,地球的大氣層應該可以藉由溫度的變化分為兩層。

第一層,是海拔10 公里以下氣溫會隨著所在環境高度越高,而第二層,是海拔10 公里以上,氣溫會隨著所在環境高度越高。

科學家造成的影響

泰塞朗德波爾在1902年,出版了一篇名為<海拔8公里至13公里之間的區域內,大氣的溫度變化>(<Variations de la température de l'air libre dans la zone comprise entre 8 km et 13 km d'altitude>)的論文,闡述了他確實發現,地球的大氣層可以分成二層的研究結果,並且他還在文中寫道,他也發現了較上層的大氣層幾乎不會有天氣變化,空氣流動的現象也不如下層明顯。

由於德國氣象學家阿斯曼(Richard Aßmann)及泰塞朗德波爾,幾乎都是在1900年附近發現了大氣層確實可以分成二層的現象,因此,現在的氣象學界將阿斯曼及泰塞朗德波爾兩人,視為同時發現平流層的氣象學家。在統合了阿斯曼等人的研究結果後,1908年泰塞朗德波爾在德國氣象學會議上提議,把約出現在10 公里高以上、氣溫不再隨高度增高而變低,而且空氣流動較不明顯的大氣層,稱作"平流層(Stratosphere)",會取這個名字的原因在於,法文的"Strato-"有"分層"的意思,所以這個名字指涉的是,自這個海拔高度以後,氣溫隨高度升高發生的變化趨勢,以及天氣變化狀況就不同於下層了;而在這之下存在的空氣流動、天氣變化較顯著的大氣層則稱作"對流層(Troposphere)",會取這個名字的原因在於,法文的"Tropo-"有"變化"的意思,所以這個名字指涉的是,在這一層的大氣層中,氣溫隨高度升高而發生穩定的降低,並且容易出現多變、明顯的天氣變化。而對流層往上多少高度,會到達平流層的位置,則會隨著緯度地不同而有所不同 。而現今的科學家也證實了,平流層的範圍約在離地表10~50 公里高處,並且平流層所在的高度以及厚度,也會隨著緯度愈高,而有所不同。

圖 對流層轉變成平流層的海拔高度位置,會隨著緯度不同而有所不同。

圖片來源:www-das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap01/tropo.html

1913年法國物理兼氣象學家法布立(Charles Fabry)和比松(Henri Buisson)研究出,從海拔高度高至平流層的位置後開始,越往平流層中上層的位置分佈有越多的臭氧,尤其在離地表20~30 公里高處,更是在地球上臭氧濃度最高的位置,而整個平流層的臭氧含量濃度,約為對流層臭氧量的60 倍,故將此層的大氣層取了"臭氧層"這個名字。也因此,法布立和比松證實了正是因為平流層存在有比對流層濃度更高的臭氧,平流層的環境才會有隨著高度愈高而緩緩增溫的現象。另外,1930年英國數學家暨地球物理學家查普曼(Sydney Chapman)發現,在臭氧層中的大量臭氧,可以吸收紫外線、保護地球表面的物體和生物,不被大量的、具有破壞性和致癌可能性的紫外線照射到。

圖 平流層與對流層的組成氣體比例之比較。基本上,二者皆是以氧氣和氮氣為主要成分,但水蒸氣、二氧化碳以及臭氧的量,兩層卻相差許多 - 對流層有相對高含量的水蒸氣和二氧化碳,以及相對極微量的臭氧;平流層有相對低含量的水蒸氣和二氧化碳,以及相對於對流層高上百倍含量的臭氧。

圖片來源:www.sites.gsu.edu/geog1112/the-troposphere/ (中文註解為筆者所加)

圖 因為臭氧主要是分布在平流層上部 - 約海拔20~30 公里高處,所以大氣層中的這個範圍,會有逐漸開始升溫的現象。(顏色愈紅表示升溫愈多,顏色愈藍表示降溫愈多)

圖片來源:www.nature.com/articles/ngeo634?proof=trueMay

圖 對流層到平流層頂部間的臭氧濃度

圖片來源:www.sciencedirect.com/topics/chemistry/chapman-rearrangement (中文註解為筆者所加)

圖 Chapman所發現的,讓臭氧層得以在平流層產生、並維持在平流層的化學反應方程式。

圖片來源:www.sciencedirect.com/topics/chemistry/chapman-rearrangement (中文註解為筆者所加)

而1900年代至今的科學家,已將大氣層位分成5層之多,而分類的依據也是延續泰塞朗德波爾等人所提出的,由不同高度之氣溫持平或升降變化,來對大氣層位做分類的方法。

圖 依照不同海拔高度地溫度變化和分布,地球上的大氣層可以分成約五層。

圖片來源:.www.blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2013/09/27/earths-atmosphere-our-global-shield/