緒論
讓我們來認識我們頭上的大氣吧！
你知道地球大氣有多厚嗎？？
你知道大氣的邊界到哪裡嗎？？
科學家把地球的大氣一層一層的加以分類。由下而上，分為對流層、臭氧層、中氣層、電離層、以及磁層。其中對流層是氣象學家的研究領域。電離層以及磁層是太空物理學家的研究領域。至於臭氧層與中氣層，則算是氣象學家與太空物理學家的共同研究對象。現在就讓我們配合著《大氣垂直分布圖》簡單的介紹一下這幾層地球大氣吧。
圖一《大氣垂直分布圖》
【對流層】
在海平面上方約0至10公里之間為對流層。這個區域常常出現上下對流，因而得名。
為什麼對流層中的大氣會發生對流現象？？
原因之一是因為地形不平坦，提供了空氣舉升的擾動條件。
原因之二是因為下熱上冷，而且溫差很大。因此只要出現些微的空氣舉升擾動，被舉升的空氣就會持續上升，這就是對流不穩定。就像煮水時一定是在下方加熱，才能藉著對流使整壺水快點煮開。
讓我們先來看看地球表面，地形有多不平坦！
地球上最高的山峰是喜馬拉雅山，山高8848公尺，將近10公里。當水平氣流遇到了喜馬拉雅山、青康藏高原、以及其他高山峻嶺時，就會被迫舉升。因此地球上對流層的厚度至少有10公里。
我們再想想看，為什麼對流層下熱上冷？為什麼離太陽愈近的高空反而愈冷呢？
理由是因為對流層的溫度，主要取決於其中二氧化碳與水汽的溫度。
二氧化碳與水汽不吸收短波只吸收長波，因為它們分子鍵結的振動頻率與長波的頻率相當。可是太陽發射出來的光波主要在短波段，那麼長波打哪兒來？原來太陽發射出來的短波，被地表吸收，吸收後的能量以熱的方式向上發散，就是一種長波。所以說，讓二氧化碳與水汽增溫的熱源來自於地面，而不是來自於空中的太陽。因此對流層的溫度離地面愈近愈熱。
你知道嗎？
在冬天，若天空晴朗無雲，則長波輻射旺盛，那麼當天晚上就會很冷。在夏天，下雨前，空氣中溼度高，通常氣溫也會很高。這就是水汽能吸收長波輻射，造成溫室效應的證明。在都市中，汽車排放出二氧化碳及水汽多的地方，通常氣溫也比較高。
【臭氧層】
對流層的上方為臭氧層。這個區域因為臭氧濃度頗高，而得名。臭氧需要吸收紫外線，以便進行斷鍵等化學反應，所以臭氧層為我們擋掉了許多對人體有害的紫外線。因為臭氧層的熱源，是來自太陽的短波紫外線，所以臭氧層越靠近太陽溫度越高。由於臭氧層上熱下冷，因此不易發生上下對流的現象，氣流平穩，故又稱做【平流層】。長途噴射客機都在此層中飛行。
【中氣層】
臭氧層的上方為中氣層。對於此層，目前的觀測資料並不是十分充足。因為中氣層的高度太高了（約海平面上方60公里至80公里），探空氣球無法到達。至於火箭觀測，因速度太快，停留在中氣層的時間太短，所以也無法獲得詳細的資料。近來科學家大多利用特高頻雷達配合火箭，來觀測中氣層的結構。中氣層的上下溫差不大，並且會隨著季節、緯度而改變。縱使有時溫度分布上冷下熱，但因溫差不夠大，仍不足以構成對流不穩定。因此中氣層的大氣運動仍以水平方向的運動為主。中氣層中的氣體成分以及化學反應，一直是科學家想探索的一個課題。最近發現的高空閃電，發生的範圍大約就是在平流層到中氣層這一區域。藉著觀測高空閃電的光譜，可以幫助科學家進一步了解中氣層的化學成分。
【增溫層】
中氣層的上方為增溫層。因為這裡的大氣，吸收來自太陽的Ｘ光以及γ射線，進行「光化游離」反應，因此這裡的溫度分布，愈接近太陽愈熱。故稱作增溫層。又因為這裡的大氣中含有不少游離態的氣體，因此導電率很高；故又稱作電離層。
【電離層】
大約海平面上方100公里至2000公里的大氣層，因為含有不少游離態的氣體（電漿），因此導電率很高，故被稱作電離層。在二次世界大戰時，間諜所使用的短波收音機，就是利用電磁波在電離層與地面，這兩個良導體之間來回反射的特性，達到越洋傳遞訊息的目的。
科學家發現，當入射電磁波的頻率與電離層的電漿頻率相同時，就會被反射。而電離層的電漿頻率，又與電離層中電漿密度的平方根成正比，就好像彈簧的振動頻率與彈簧的彈力常數的平方根成正比一般。因為電離層的高度在白天與夜晚不相同。高度不固定，造成短波收訊器的功能時好時壞。所以現在已經很少有人用短波收音機了，但是我們仍用短波收音機的原理來探測電離層中的電漿密度。
有些電磁波雖然不會被電離層的電漿反射，但是穿過電離層時，還是會被電漿折射。全球衛星定位系統的接收機有好有壞，好的接收機設計時，都會考慮到電離層的折射效應。只是人算不如天算，因為電離層的電子密度隨著日出日落都在改變，因此電波穿過電離層被折射的程度，難以預估模擬，因此再好的接收機，也難保不發生位置誤判的烏龍事件。當然軍事用途的衛星定位系統中，利用加碼的方式，可進一步提高定位的準確度。這又另當別論了。
【地球磁層與日磁層】
電離層的上方為磁層。電離層與磁層之間其實並沒有很明顯的邊界。電離層和磁層不同的地方在於中性粒子含量的多寡。電離層中，中性粒子含量多，會影響帶電粒子的運動。磁層中，中性粒子含量甚微，幾乎可視為完全游離的氣體。
磁層，顧名思義，是一個由磁場主導的區域。但是它與上述各層最大的不同，就是它完全不是一個「層」狀的結構。因此在《大氣垂直分布圖》上找不到磁層這一層！
地球的磁層究竟長個什麼樣？
這張《地球磁層圖》或許可以給你一點概念吧！
由這張圖看來，地球磁層是指一個三度空間，很複雜的區域，而不是一個球殼一般的層狀結構。有人說地球的磁層像一隻大烏賊。你說像嗎？？
地球磁層的勢力範圍：
地球磁層的下邊界就是電離層。地球磁層的上邊界，我們叫它磁層頂。
磁層頂就是「地球的磁場與地球的電漿」和「太陽的磁場與太陽的電漿」的交界處。
至於地球磁層，為什麼會從一個簡單對稱的磁場結構，變形為目前這種烏賊的樣子呢？
這個問題比較深奧，所以我們要另闢一個《烏賊園地》來談這個問題。
地球的磁層究竟有多大？
讓我們來看看下面的數據吧：
面對太陽那一面，地球的磁層頂距離地心約10個地球半徑，背對太陽那一面的磁尾，可達到500至1000個地球半徑；而磁尾的直徑約有60個地球半徑。由此可知地球磁層之大了。
可是地球的磁層雖大，卻要比天王星、海王星、土星、木星的磁層都小得多。至於與太陽的磁層相比，更是小小小巫見大巫了。科學家估計，太陽的磁層（日磁層），大約是將地球的磁層，按照比例，放大約40萬倍。也就是說，如果地球磁層是一粒米，那麼日磁層就像一棟50層的大樓。
日磁層究竟有多大？據猜測，太陽的磁層，頭的一側距離太陽約200ＡＵ（ＡＵ：天文單位，也就是地球與太陽之間的距離），尾的一側距離太陽最遠可達10000ＡＵ。這樣的日磁層大小與冥王星到太陽的距離（不到50ＡＵ）相比，實在是太大了。不過這個長度不到60天光程（光走60天的距離）的日磁層，若拿來跟太陽與最近的恆星距離（4.3光年）相比，似乎又算不了什麼了。
地球的磁層，就像其他行星的磁層一樣，是浸泡在太陽的磁層與太陽風中。所以地球磁層其實會隨著外在壓力的不同而改變大小。外在壓力包括了太陽風的風壓、太陽風的熱壓、以及太陽風中磁場的磁壓。（天啊！什麼是《磁壓》？讓我們進到《壓力園地》來看看吧！）
什麼是太陽風呢？
太陽風是來自太陽的高速電漿流。要了解太陽風，讓我們來看一看以下的這兩篇報導。
《太陽風的迷思故事》
《太陽風的加速原理》
圖目錄：
圖一、大氣垂直分布圖
圖二、特高頻雷達
圖三、高空閃電
圖四、地球磁層圖
圖五、太陽的磁層（日磁層）
作者：
| 呂凌霄 |
國立中央大學太空科學研究所 |
lyu@jupiter.ss.ncu.edu.tw |