本文刊載於《觀星人》2011年7月號

 看似無窮卻有界

道是有限卻無窮

地球大氣越來越稀薄、卻又不是稀薄到無窮遠

人人都知道地球的大氣層，空氣密度越高、越稀薄，越來越小，趨近於零。但是也幾乎沒有人認為大氣的疆域是在無窮遠處，都認為有一個界線。下面是個人在10多年的教學經驗中，典型的問答。

如果直接問：「地球大氣層有沒有一個厚度？」

通常都會回答說：「有。」

但是如果換一個方式問，回應就很有趣了。

再問：「那大氣層的厚度是無窮遠嗎？」

通常的回應是：「嗯……」遲疑良久，心中覺得不是，卻又與前面認知衝突。

到底地球的大氣有沒有個邊界啊？通常是眾說紛云，沒有共識。即使上網查，也沒有個決定性的定義。

邊界、界限、疆域…，這些名詞說來容易，細究可是「一個名詞，百家各表」，牽扯到如何定義，以及認知、過去與現況，要說清楚相當不容易，但每個人卻又大體上知道。從科學的角度來看，疆界隨定義或需求而有不同的說法，離地表一百公里至數萬公里的範圍，都有學者專家加以論述。

在生物學或生態學中，疆界是物種棲息與生存的空間，雖有模糊地帶，卻有一個不可跨越的鴻溝。喜愛觀察野外生態的人，常常可以觀察到鳥兒驅趕侵入棲息領域的動物，不管入侵者是不是同種，甚至驅趕體型比自己還大得多的鳥。例如黑枕藍鶲體型有如麻雀，黑冠麻鷺體型與白鷺差不多，前者在育雛期間會驅趕黑冠麻鷺。報章媒體也常常有台灣藍鵲因人靠近巢位而攻擊人的報導。人類就更不用說了，開疆闢土的人常被奉為民族英雄，許多國家為了國土疆界不惜大動干戈。 

● 學校教科書的大氣分層

國內國中與高中的自然科學，包含了地球科學，其中都會提到地球大氣的分層結構。最常見的是由溫度的垂直分布與變化來區分，稱為，由地面向上分為對流層、平流層、中氣層、増溫層。大約在20多年前，比較常用物理性質來區分，由地面向上分為對流層、同溫層、電離層。不過，各層之厚度及分界，常因時因地而異，並非一成不變。其中最外層是増溫層或電離層，高度在100公里之外。

在鄰近地表的空氣，上下對流旺盛，所以稱為對流層，平均厚度約12公里，氣溫通常隨高度增加而下降，平均每升高1公里，約降低6.5℃。另外值得一提的是，大氣中的水氣幾乎都在對流層內，所以日常生活中常見的雲、霧、雨、雪…天氣變化，幾乎都發生在對流層中。

一般說來，大氣的最外層稱為增溫層，是大氣溫度隨高度而增加的區域，此處的大氣受到陽光珈瑪射線、X光、及短波紫外線的照射而溫度升高。在太陽寧靜期時，太陽輻射較少，此層約為400公里高處；相對的，在太陽活動期間，紫外線約增加1%左右，増溫層可達600公里上下。

增溫層下層空氣極稀薄，大約從60公里至300公里的範圍，空氣分子被陽光中紫外線、X與珈瑪射線照射，很容易被游離，形成帶電粒子，其中自由電子相當豐富，稱為電離層。電離層能夠反射波長比較短的無線電，馬可尼在1901年第一次成功用無線電傳輸越過大西洋，建立歐洲與北美的無線電通訊，注要是藉著100公里高空的E層（E-layer）反射無線電波的特性；由某地發出的無線電波，在電離層與地面之間多重反射而傳播。在人造衛星通訊時代以前，全球通訊以短波無線電為主。

● 大氣分子逃逸之高度

增溫層之外的大氣稱為外氣層（exosphere），可以擴張至一萬公里的高度。在此層，地球大氣中的原子與分子可以逃離地球重力的束縛，進入太空中。

任何物質，只要速度超過地球重力的束縛（稱為逃脫速度），就能逃離地球進入太空中。在離地面約800公里的上空，氣體被太陽輻射加熱，溫度變得相當高，也增加了氣體本身的速度（或動能），如氫、氦這種此較輕的氣體很容易便達到地球的逃脫速度，散逸至行星際空間，所以這一層的大氣被稱為散逸層或外氣層。

● 航太界的卡門線

實用，常常是第一優先被考慮的因素。最早關心大氣厚薄的當屬航空界，當飛機或飛行器在飛至80公里高空時，就已經相當高了。在1960年代，美國X-15火箭機使用火箭燃料，載在轟炸機B-52機腹下，載至14公里高空鬆開，X-15再用自身的燃料上衝到最高點，然後滑翔而下。X-15最高紀錄達到108公里高空，但是要注意X-15並不是完全靠自身的升力飛行，而是部分使用火箭推進的原理。

如果沒有大氣的影響，所有物體都可以像人造衛星一樣繞行地球，一直運轉下去，就像月球繞地球公轉一樣。匈亞利裔美籍工程師與物理學家馮卡門（Theodore von Kármán）在1950年代用航空動力學計算，發現在100公里高空的大氣非常稀薄，在此處利用空氣產生動力飛行的速度，比物體繞行地球的軌道速度還慢。因此，國際航空聯合會（FAI）採用100公里的高度作為大氣與太空的邊界，稱為卡門線。再高，就屬於外太空了。

嚴格的說，卡門線不是地球大氣的邊界，而是利用空氣動力學原理的航空器，無法產生足夠的升力來超越軌道速率的邊界。而第一種跨越卡門線的航空器為V2火箭，德國在第二次世界大戰中發展的武器，越過英倫海峽轟炸倫敦。

大氣壓力或密度為零之邊界

氣體能被極度壓縮，地球大氣也是一樣，整個大氣有一半包含在離地面5.5公里以下的空間，1/4在5.5公里到11公里之間，另外1/4則向上一直伸展到大氣層的邊緣。大氣的總質量有99%都集中在離地30公里以下。

大氣的密度隨高度增加而下降，在400公里以上的高空，大氣密度很小，所以密度和高度的反比會變得不太明顯。利用壓力計測量不出大氣壓力，或密度計測量不出大氣密度，即測量儀器的讀值為零之高度，定義為大氣的界線，其高度約為500公里。

● 范艾倫輻射帶

很多人會忽略地磁的影響，但是在離地表800公里高空，確實有稱為范艾倫（van Allen）輻射帶的磁層，是地球磁場捕捉太陽風粒子所構成的輻射帶。太陽持續的發出高速帶電粒子，主要是電子與質子，以每秒400-600公里以上的速度逃離太陽，散入太陽系中，稱為太陽風。

美國在1958年1月31日成功發射第一顆人造衛星探險者一號，載有蓋革計數器。當探險者一號升至800公里高空時，蓋格計數器的讀值突然下降至零。而探險者三號在1958年3月26日升空時，也發生同樣的情況。計畫負責人范艾倫認為，在此區域中存在極大量的輻射，導致計數器達到飽和而失靈。探險者四號在同年7月26日升空時，他在蓋革計數器前端加入一小片薄鉛以阻擋部分輻射，新數據證實了地球高空有大量輻射，因此稱為范艾倫輻射帶。

范艾倫輻射帶有如包裹著地球的甜甜圈，分為內外兩層。較低的內層離地表500公里至10000公里範圍，主要成份為質子；外層從13000公里延伸到60000公里高空，主要成份為電子。

地球擁有磁場，有如一個保護罩。當太陽風吹向地球時，被地球磁場捕捉改變方向，束縛在「范艾倫輻射帶」中。太陽風粒子在范艾倫輻射帶中沿著磁力線流竄，至地球磁極區、反轉，再沿磁力線到另一磁極區，重複不已，形成甜甜圈般的輻射帶。當太陽風粒子沿著地球磁力線，衝進地球極區100多公里高空，與大氣中的原子或分子產生交互作用，這些氣體被激發而發出螢光，形成詭麗的極光。極光隨著大氣運動而飄動，演出一場魔幻光影秀。

磁層高度要視乎太陽風和地球磁場的強度而定。

● 五花八門的定義

既然地球大氣的邊界隨定義而變，就有各種說法。下列所舉數例雖然並不常見，但也各有道理。

地球大氣的質量幾乎都集中在地表附近，大氣總質量的90%集中在離地表高度16公里內，99.9%在50公里內，99.999在80公里內。大氣壓的密度隨高度成指數函數的形式下降，在150公里高處的大氣壓，約為海平面氣壓的百萬分之一；在240公里高處的大氣壓，約為海平面氣壓的千萬分之一。

依據大氣成分結構分為均勻曾與非均勻層，兩者約以中氣層為界。也就是說，大約在中氣層以下的大氣，各成分均勻混合；而在非均勻層中，各成分的相對比值隨高度而變。也有依據大氣成分來分層的，如下表所示。

根據太陽光在地平線下被大氣折射而產生的曙光或暮光推算，大氣的厚度至少有70~80公里。從大約250公里的高空所拍攝的地球影像，顯示在地平線上，可以看到反映夕陽餘暉的藍色大氣層。也有學者從流星和北極光的最高發光點推算，顯示離地表800公里的高空還有足以產生流星或極光的空氣密度。

● 結語

地球大氣對外太空的邊界定義可能是動態的，例如在1000公里高處的大氣密度，高、低之間的變化可以相差五倍，與日照時間長短有關，也與季節冷熱、磁場強弱、太陽輻射增減等因素有關。當然，也可以用地球的重力勢力範圍作為地球大氣的邊界。

疆界的範圍與界線，隨定義而變。地球大氣的邊界再哪一高度，端看需求而定。以空氣抬升力作為航空器的依據，則其界線為卡門線；如果考慮地球磁場，則以范艾倫輻射帶為界；如果考慮流星發生的起始點，則1000公里士不錯的選擇。總而言之，祇要不牽扯人為政治，都好解釋。但是一牽扯到政治，這就很難、很難善了。例如多高才算領空，飛過一國上空的飛航器，多高才不算侵犯領空？

參考資料

地球大氣分層

中央氣象局  http://www.cwb.gov.tw/index.html

卡門線

http://en.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1n_line

中國科普博覽 ─ 大氣的垂直結構

http://159.226.2.2:82/gate/big5/www.kepu.net.cn/gb/earth/weather/about/abt004.html