國防科學—高空大氣之結構及其分層方法

The Structure And Stratification Of The Upper Atmosphere

萬寳康

緒言

　　高空大氣之探測始於十八世紀中葉，最初所用之工具爲風箏與探空氣球。此等風箏與探空氣球携帶氣壓，溫度與濕度之自記儀器上升，其所記之各種紀錄必須等待自記儀器收回之後始可得之。1898年Teisserenc de Bort利用風都測得高空大氣之溫度在12公里左右即停止下降，有時且微有上升之現象，是爲高空大氣結構之首次重要發現。1908年Sir Napier Shaw認爲此就溫度分佈狀態與大氣運動有密切之關係，遂命名其下層爲對流層（Tropos Phere），其上層爲平流層（Stratosphere），二者之分界面爲對流頂（Tropopause），是爲高空大氣分層研究之嚆矢。
　　第一次世界大戰以後，過去探測高空大氣所用之風箏逐漸淘汰而爲飛機所代替，惟此種方法因受器材與場地之限制難於普遍實施，不久亦爲氣象人員所揚棄。1927年開始有無線電探空儀（Radiosonde）之發明，吾人亦可利用較大之氣球將此種儀器携帶至較大之高度，同時可將氣壓，溫度與濕度之自記紀錄經過無線電發射機立即傳達地面，勿須等待其收回。目前最通用之一種無線電探空儀，其氣壓感覺部份爲一空盒氣壓表，其溫度感覺部份爲陶質電阻溫度表（Thermistor），其濕度感覺部份爲一塗有氯化鋰（Licl）之電阻溫度表（Electric Hydrometer）。此等氣壓，溫度與濕度之感覺部份可因所接觸高空大氣之特性發生電阻之變化，並經由無線電發射機交互發出頻率不同之信號。地面接收機收到此等信號，即可分別記出氣壓，溫度與濕度之紀錄。以後再將所用無線電發射機之類率提高，並在地面以一定向天線或雷達連續紀錄其空中位置，即可推算高空之風向與風速。此種無線電探空儀另名之曰無線電測風儀（Rawinsonde）此等携帶無線電探空儀或無線電測風儀之大型氣球所達到之最大高度爲32公里。
　　第二次世界大戰以後，美國曾於1946–1952年間利用自德國俘獲之V-2火箭及自製之女兵（WAC Coporal），空蜂（Aerobee）與海盗（Viking）等式火箭，以及女兵與V一2合成之瘤式（Bumer）二級火箭，分在新墨西哥州之白沙試驗場（White Sands Proving Ground）及加拿大之邱吉爾堡（Ft, Churchill）對高空大氣作有計劃之探測，所得之結果至爲豐碩。此等探空火箭得到之資料包括氣壓，密度，溫度，風向與風速，化學成份，電子密度，地球磁場，對地攝影及其他來自地球以外之各種項目如太陽輻射，天空亮度，宇宙線與流星等。此等資料在高空大氣火箭研究委員會（Upper Atmosphere Rocket Resenrch Panel）領導之下，經多數科學家之研究，曾作有極重要之貢献，使吾人對於高空大氣之結構得到進一步之瞭解。在此時期內，瘤式二級火箭所到達之最大高度爲389公里。
　　國際地球物理年起於1957年七月，迄於1958年十二月，爲時計十八個月。其間蘇俄與美國先後發射人造衛星成功，同時發射各式之月球火箭。於是一度沉寂之高空大氣研究工作復見活躍。人造衛星之儀器裝置技術大都自火箭探測之經驗發展而來，惟其應用更爲廣泛。由此等人造術星與月球火箭所得到之資料，使吾人對高空大氣之結構益爲明瞭。高空大氣中内外兩重環繞地球外圍之Van Allen輻射帶亦爲此時期中之重要發現。
　　在國際地球物理年結束之後，美國爲經常取得氣球所能達到高度以上之資料，乃於1960年著手建立一定期性之氣象火箭網。其初步計劃包括十個測站，分佈於美國及加拿大境内。使用三吋之Loki單級火箭及四时半Avcas兩級火箭。前者載重爲兩磅，最大上升高度可達100公里，僅適用於高空風向與風速之探測。後者載重爲12.5磅，最大上升高度可達65公里，其鼻端裝置有一無線電發射機與降落傘，一電阻溫度表，並可發射一可作爲雷達靶之Robin尼龍球，在地面利用雷達追測此一尼龍球之連續位置，即可推算高空之風向與風速。當此尼龍球降落時，因其中裝置有一加速度計，故亦可由其下降運動推算高空大氣之密度。1962年開始設置之火箭發射站計有六處，現已增至十七處，分由美國陸、海、空軍，太空航空總署及氣象局負責。大部份之發射站分佈於美國境內，少數分佈於加拿大，中美洲及大西洋與太平洋之島上。每處每週發射火箭一板。所得資料彌足珍貴。
　　除以上所述各種直接探測方法外，高空大氣亦可以各種間接方法探測之。如吾人可由聲波之傳播推測高空大氣之溫度，由流星之明滅推測高空大氣之密度，由太陽，極光與夜光光譜之分析推測高空大氣之成份，由無線電波之傳播推測高空大氣之電子密度等。此等間接方法所得之結果不但可以補助直接探測資料之不足，同時亦可以互相驗證以確定其眞實性。此外理論性之研究亦極重要。
　　本文將先就高空大氣結構各種因子之特性及其個別分層方法予以討論，然後擬定一種理想之綜合分層方法。