金星與土衛泰坦的大氣
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖

地球大氣充滿許多有趣的天氣現象，皆肇因自水的相態變化。不禁讓人想問，在我們的太陽系中，是否也有其他的星體擁有類似的特性（能夠成雲降水，或是有其他物質相態的變化）？

一、金星──硫酸雨

金星(Venus)這個以美神維納斯命名的行星，是太陽系所有類地行星中質量大小最接近地球的，可以說和地球是孿生關係，同時也是所有行星中最亮的，肉眼亮度可至負四等。由於金星相當鄰近地球，所以科學家對其大氣瞭解較多，金星擁有比地球大氣更濃密、厚重的大氣，主要的氣體組成為二氧化碳、氮氣及二氧化硫，其表面大氣壓更高達92大氣壓，相當於地球海面下910公尺處的壓力；由於她濃密的二氧化碳大氣，導致失控（逃逸）的溫室效應，表面溫度可以高達攝氏470度。

目前認為金星的大氣有風、有雲也有降「水」，甚至觀測到劇烈的閃電現象。金星表面極高的溫度及壓力，使得表面的二氧化碳不再以二氧化碳氣體形式出現，而是超臨界流體，密度極高的流體，也讓極小的風速(通常0.3~1.0m/s)擁有能夠搬動表面沙塵、岩石碎屑的「風力」。金星高層大氣的成雲現象主要是由二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣因光化學反應而形成大量的硫酸。

這濃密的「硫酸」雲層，甚至還會產生毛毛雨呢！不過從其大氣垂直溫度分布可推測(如圖一)，這些降水並不會真的落到表面，而是從高層大氣落下後在距地表25公里處便再蒸發了，所以金星上的雲比較接近地球上所觀測到的幡狀雲，而表面是相當乾燥。

圖一Wikipedia金星大氣圖

二、土衛泰坦──甲烷

泰坦一直是科學家抱持濃烈興趣的研究對象，因為他具有濃密的大氣，大氣成分主要是氮氣以及可能孕育生命的甲烷。泰坦是太陽系第五顆行星─土星的衛星，更是僅次於木衛三太陽系第二大的衛星。泰坦因為被土星潮汐鎖定，公轉和自轉期相同，接近十六天，表面溫度僅有攝氏-178度，表面底下有冰層，冰層下約有直徑3400公里的固體核心，由於壓力效應，內部仍保持炙熱狀態。

泰坦是太陽系除了地球以外唯一擁有濃厚氮氣大氣層的星球，其大氣層的自轉速度和金星一樣遠大於自轉速度。他的大氣層比地球更濃厚，表面氣壓約地球的1.45倍，在2、300公里高的地方，由光化學反應造成不透明的霾層阻擋了陽光的入射，使得泰坦大氣在大部分的波段下是不透明的，直到2004年卡西尼任務才首度獲得其表面直接的影像。 Continue reading →

好臭氧vs.壞臭氧
國立臺灣大學大氣科學研究所王啟芸研究生

眾所皆知，如果不是因為臭氧層的存在，吸收了大部分的紫外線，生物無法得以由海洋往陸地發展。因此，大家對臭氧的印象都是幫助生物生存與繼續演化的好角色。然而，在對流層的臭氧則扮演截然不同的角色。相對於平流層的「好」臭氧，我們也許可以稱對流層內的臭氧為「壞」臭氧，因為人類若暴露在過量的臭氧環境之下，容易產生急性呼吸道病變，並且容易引起氣喘患者的死亡。除此之外，植物若暴露在高臭氧濃度環境中，會降低其初級生產力。此外臭氧為溫室氣體的一種，人類污染所製造的臭氧因此會幫助全球暖化。

好臭氧和壞臭氧的產生方式也不盡相同(圖1)。平流層臭氧的形成主要是藉由氧分子被短波長的紫外線光解而產生氧原子，其再與氧原子結合所形成。而對流層中短波長紫外線微弱，因此臭氧主要是經由二氧化氮(NO₂)光解所產生的氧原子，其再與氧分子結合而形成。空氣在高溫燃燒下，會產生大量的一氧化氮氧(NO)以及一些NO₂，而大部分NO會迅速氧化為NO₂。因此人類燃燒活動，包括汽機車排放、工廠排放、生質燃燒等，都會間接影響臭氧濃度。像是VOC (Volatile Organic Compound, 揮發性有機化合物)更會加強這個過程。 Continue reading →

現代人造雨之父 — Irving Langmuir
國立臺灣大學大氣科學系蔡宜君博士

Irving Langmuir (圖片來源：維基百科)

科學家歐文·朗繆爾（Irving Langmuir，1881－1957）出生於美國紐約，1906年於德國Georg-August-Universität Göttingen完成博士學位，師事1920年諾貝爾化學獎得主瓦爾特·能斯特 （Walther Nernst，1864-1941）。朗繆爾是物理及化學家，專精於物質表面現象，例如蒸發、吸附等，他所發現的單分子吸附層理論亦被命名為Langmuir isotherm；1932年因其在表面化學的貢獻卓越，獲得諾貝爾化學獎。但朗繆爾更廣為人知的事蹟，則是他返回美國後，在通用電器公司實驗室（General Electric research laboratory，GE）任職期間(1909-1950年)，對於人造雨方法上的創新。

所謂人造雨（種雲），就是人為加速降水發生的過程，因此想要讓人造雨有效果，必須對於成雲致雨的物理過程有清楚的瞭解，才知道如何選擇適合的種雲催化劑。現代人造雨方法主要分為冷雲種雲（0^oC以下，以冰晶為主）以及暖雲種雲（0^oC以上，以水滴為主）兩種類別，可以說都是站在雲物理學的基礎上所做的應用。1946年朗繆爾指導文森‧舍弗（Vincent Schaefer，1906-1993）從事過冷雨滴的實驗，但冰箱的溫度卻一直降不下去，舍弗決定把乾冰 （固態的CO₂）加到冰箱，意外發現乾冰可以把溫度降到-40^oC，促使冰晶同質核化過程發生，產生大量冰晶。同年稍晚，他們從飛機上對一片位於4公里高度、溫度約-20^oC的層雲灑下乾冰，大約5分鐘後，雲內大量冰晶形成並下落，在雲下下落了約1公里才蒸發。舍弗發現乾冰種雲的技術，也啟發了同樣任職於GE的伯納德·馮內古特(Bernard Vonnegut，1914-1997)，在1947年提出碘化銀種雲的技術，而這兩種種雲劑目前在人造雨實驗上仍被廣泛使用。 Continue reading →

未來氣候推估的不確定性 
國立臺灣大學大氣科學研究所博士生王啟芸

氣候變遷是目前各國非常關心的議題，根據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)在2007年所出版的第四次「氣候變遷評估報告（AR4）」，未來全球經濟與人口快速發展的情境下，地表溫度將上升1.4至6.4度，這個數字是怎樣被計算出來的？可信度又有多少呢？

對於未來氣候變遷的推估，目前多以全球氣候耦合模式的模擬結果當作依據，所謂全球氣候耦合模式，是將影響大氣、海洋、陸地、冰等變化的過程，用基本的物理、動力、熱力和化學定律組成的數學方程式加以解析。目前各國已有許多氣候模式，包括像美國大氣研究中心發展的Community Earth System Model (CESM)，德國Max-Plank研究所的The MPI-M Earth System Model (MPI-ESM)等，可以模擬各組成包括大氣、陸地、海洋、陸冰和海冰隨時間的變化，從而推估未來氣候狀況。每個氣候模式都會有誤差，因此用氣候模式來推估未來氣候之前，必需要先能將過去及現在的氣候狀況合理的模擬出來，通過科學家們的種種測試之後，才能說服科學家們將其應用在未來氣候的模擬。除此之外，氣候模式一個網格大約數十到數百公里不等，但地球上發生的各物理過程（例如一朵積雲的發展）也許只有數公里，在氣候模式裡為了將這些較小尺度的現象表現出來，必須使用各種參數法加以簡化，甚至直接將小尺度現象忽略，這些也都是氣候模式的不確定性。而各家氣候模式架構不同，百家爭鳴的情況下，不可能只看單一模式的結果，所以IPCC報告撰寫以及各國制定環境政策時，通常採用多模式模擬和系集模擬(ensemble simulation)的方式。 Continue reading →

什麼是全球暖化？何謂溫室氣體？ (What is Global Warming? What is Greenhouse Gas?)
國立臺灣大學大氣科學研究所博士生王啟芸

近年來，「全球暖化」已是朗朗上口的詞彙，從網路搜尋結果有上百萬條的相關資訊的結果可窺知一二。為大眾常用的維基百科(Wikipedia)對全球暖化的定義為：「19世紀後，地球大氣和海洋平均溫度因人為排放溫室氣體增加而上升，並且預期會持續上升。」為什麼人為溫室氣體會提高大氣溫度？大氣溫度上升是指「整層」地球大氣溫度上升嗎？ Continue reading →

「浮」爾摩「沙」-臺灣空氣中的沙塵
國立臺灣大學大氣科學系傅譯鋒

新聞報導中漫天飛舞的黃沙，鋪天蓋地席捲而來的沙塵暴畫面，令人感受到大自然的力量。這樣的場景通常出現在富有沙漠或是廣大旱地的國家，在臺灣要出現那樣戲劇性的畫面是微乎其微，但這就代表臺灣不受沙塵暴的影響嗎？

圖一 99/12/3及102/9/12從臺灣大學往101方向拍攝，兩圖皆攝於下午1點20分左右，可發現 兩者能見度差異甚大。

圖一是在不同日子，從臺灣大學拍臺北101的照片，兩張照片拍攝時間都在下午1:20左右，但可發現兩者能見度差異甚大，左圖中大臺北地區正受到東亞沙塵的影響，(粒徑的粒子)濃度超過200 ，北海岸迎風面的萬里測站，甚至高達252 ，約平常的10倍左右。

沙塵事件發生有幾項條件。氣象條件方面，需要高風速以及不穩定的大氣邊界層，以利沙塵由地面揚起。而沙源條件方面，主要是植被稀疏或乾燥的地表，因為植被除了可固定土壤，也是粗糙度的主要因子；植被覆蓋密度大可更有效吸收風的動量，不易造成揚沙。由於沙塵粒子有大小之分，大粒子被風揚起後一下子就沉降了，而小粒子可被風帶離地表較高處，並隨著中高層盛行風場擴散到遠方。 Continue reading →

系外行星上存在雲跟雨嗎？
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖

除了太陽系以外，天文學家目前正在積極尋找太陽系外的行星，透過光譜分析，或是如克卜勒望遠鏡透過光度變化來發掘系外行星，目前找到的多半是「熱木星」──具有大於木星質量的氣體行星，卻和母恆星位置相當接近，甚至和水星金星相比軌道更內側。而天文學家也成功利用其「凌日」現象，來一窺他們大氣可能的組成，其中有些星球被推測可能存在相態變化，成雲降水(當然不是H₂O『水』)。

一、HD 189733b

HD 189733b是距離地球約63光年的熱木星，其質量略大於木星，是在2005年利用凌日法所發現，並且以都卜勒光學觀測法驗證其存在。凌日法是觀測恆星光度變化，如果該恆星的盤面剛好在我們觀測的方向，那麼其行星就會產生類似凌日的現象，讓光度在短時間內減小後又恢復，可依此來推算其軌道週期、質量等。都卜勒光學觀測法則是利用恆星也會繞著系統共同質心有相對移動，以階梯光柵高解析地去分析恆星光譜，來釐清其運動週期，推測行星存在及軌道。

圖一、HD189733b想像圖

2008年，天文學家成功的利用偏振測量法，測定HD189733b上的可見光顏色。該行星在藍光下的反照率較紅光高，因此在肉眼下應呈現藍色（如圖一），這可能是因為雷利散射(Rayleigh Scattering)所致。在2013年英國牛津大學的天文物理學家Tom Evans利用哈伯望遠鏡觀測HD189733b及其繞到其母恆星背後時的資料，解析出其顏色。因此HD189733b成為首顆以兩種不同方式測定其顏色的系外行星。

依散射模型，由於其軌道比水星軌道更接近其恆星(約1/6的距離)，科學家推測其表面溫度飆破攝氏千度，可來到1340~1540K。也由於過度接近恆星，該行星的氣體流失率更高達每秒1000到10萬公噸，這個流失率主要是藉由2010年3月的一次凌日事件所測得。而在另一次的X-ray觀測中更發現其大氣層比原先估計的要厚三倍，因為在X-ray下降的光度比可見光大許多，科學家因而推測其擁有濃厚的大氣，而大氣中可能含有粒徑約10⁻²到10⁻¹ μm 的矽酸鎂（MgSiO₃）。 2007年由喬凡娜‧蒂內蒂的團隊利用史匹哲望遠鏡觀測，以及隨後的哈伯望遠鏡觀測，均顯示該行星大氣中有水汽存在的證據，也可能有中性氧和有機化合物甲烷；之後更以特大望遠鏡(Very Large Telescope)觀測到一氧化碳的存在。這些間接證據顯示HD189733b有可能有相態變化的情況，相信未來天文學家會嘗試各種不同方法，解答HD189733b是否真的有成雲致雨的現象。 Continue reading →

各國人造雨現況
國立臺灣大學大氣科學系趙汝穎

降雨的時間與空間分布不均，造成水資源的匱乏，這現象不只發生在臺灣，也是世界各國煩惱的問題，除了興建水壩、水庫外，科學家們不斷地尋求方法，試圖使老天降下更多的雨，以解此燃眉之急。

圖1：美國ICE地面焰劑燃燒裝置

根據Lelieveld（1996）的估算，雲的降水效率約在11%至19%之間，也就是80%以上的雲水在還沒降到地表就已經消散，人造雨（artificial rainfall），或是技術上來說稱為人工增雨的技術行之有年，就是要想辦法提升雲的降水效率，常見的方式為種雲（cloud seeding），種雲就是在雲中添加適當大小與數量的粒子，促進雲中水滴或冰晶的成長，以增加雲水降至地表的機會，依雲種類型分為冷雲種雲與暖雲種雲，冷雲種雲適合雲頂高度較高而溫度較低的雲種，方法有潑灑乾冰、碘化銀；暖雲種雲則沒有明顯限制但通常以0^oC以上的雲為目標，方法有噴灑水滴、吸水性粒子，其有效程度與環境中凝結核狀態有關，以下介紹幾種現代人造雨方式。

要將粒子從地面傳送到高空，最為便利的方法是在地面燃燒焰劑，將種雲粒子如碘化銀（冰核）、氯化鈉（吸水性粒子），加入焰劑中，燃燒後粒子隨空氣上升，傳送至雲中達到增雨效果，但此方法難以掌握粒子擴散方向與高度，成效有限，優點是成本低廉，故世界各國廣泛使用。 Continue reading →