地球環境的監測 固體地球的探測 海洋觀測 大氣觀測 天文觀測 第三章 多變天氣 3-1 氣象觀測 3-2 氣象預報 3-3 成雲致雨 3-4 大氣運動

<<教材內容>>固體地球的探測主要為地殼的探測，目前對於地殼的探測大致可以分成直接探測、間接地表探測及遙測等三種方式。 科學家利用地震波資料將地球內部區分為地殼、地函及地核三個部分。「薄薄」的地殼，是與人類生活最為接近且密切的部分，它提供了人類生活所需的各式資源及空間，然而地殼的形狀與物理、化學性質會因外力作用而改變，這些改變將造成地形阻隔及各種地質災害，而人類的發展對於現今地球環境也有多方衝擊。 惟有進一步了解地殼，人類才能趨吉避凶，保障生命及財產安全。目前的地面探測技術包含了陸地地殼鑽探、槽溝、震波探測、精密水準測量、潛變儀等方式，就讓我們來看看這些技術如何幫助人類了解深部地層。 1

地表地層探測 地表地層探測：有野外地質調查觀察岩性、化石及構造，量測地層走向與傾角，或開挖槽溝等。 竹山溝槽▲ 斷層面

地表地層探測-地層走向與傾角 走向：岩層層面與水平面的交線方向。 傾角：岩層層面與水平面的交角。 層面位態以符號 表示於地質圖上 。長線代表走向，與長線垂直的短線代表傾角方向並以數值(65º)表示傾斜角度。 走向 傾角方向

地表潛變監測 地表潛變監測：利用潛變儀監測斷層活動帶或地表破裂帶的地表潛變(移)狀況，可掌握斷層或岩層等地表的變形量及速率，並瞭解其肇因。

探測地球內部的主要方法 地下鑽探－直接探測，可知淺層地殼性質，大陸地區最深約達12公里、海洋約2公里。 震波探測－可得知地球結構、岩層密度、構造分布、厚度及組成。 重力探測－可推測淺層岩層的密度或起伏狀況。 磁力探測－可瞭解地球磁場的變化或磁性物質的分布並推算岩性。重力探測結合地熱流量的變化可推知地殼厚度。

地下鑽探~~蘇聯的可拉超深鑽井 <<教材內容>>在大陸地殼鑽探中，目前全世界最深的鑽孔為前蘇聯的可拉超深鑽井（Kola Super-Deep Borehole，KSDB）（圖2-9），這個鑽井位於歐洲 可拉半島，鑽探工程自1970年開始至1994年為止，最深的一口井鑽探深度達12261公尺，雖然較大陸地殼平均厚度35公里只達三分之一，但該鑽井鑽探出27億年前古老的岩石，並且發現地面以下5～10公里處岩石的孔隙間，富含來自更深處礦物所脫出的水分，這些都能協助科學家了解深處地殼的性質。 圖片來源: http://englishrussia.com/index.php/2009/07/22/the-kola-superdeep-borehole/ 6

震波探測 在近地表處使用人為的方式產生地震波，利用地震波在地層或地層界面間，因傳播速度的改變，形成 折射、反射等 現象(通常一 次人工地震， 可以測得約六 千公尺深的反 射層）。

重力探測 量測地表各測點重力值的改變，經由潮汐、緯度、高度、地形等修正後，若仍和理論值有差異，即表示地下岩性或構造有異常狀況，可推測地下岩層密度、厚度及構造。

重力探測 應用實例：如配合地質及震測資料，尋找具有蘊藏石油和天然氣潛力的背斜構造。

重力探測 因地層內重物（例如：金屬礦）萬有引力的吸引，造成與地心方向不同的偏移情形。

大地遙測 航空遙測－地表高解析度照相、雷達探測、雷射測距掃描。 地球資源衛星－地表多波段照相、雷達探測。 全球衛星定位系統－監測地表變形。 全球衛星定位系統(GPS)精確度可高達毫米級，是研究小區域地殼變動量的良好工具。

海洋觀測

溫鹽深儀(CTD)與採水瓶 溫鹽深儀(CTD)：觀測海水的溫度、鹽度與深度的儀器。溫度多用電子式溫度計測量，鹽度是由海水導電度換算，水深則由水壓換算(水深每增加10公尺約增加1大氣壓)。 輪盤式採水瓶可採集不同深度的海水，進行海水化學成分的分析。 輪盤式採水器 溫鹽深儀 （攝影：黃玫琪）

海流觀測 海流觀測：以旋葉式或音響式等海流儀定點觀測(都卜勒流剖儀可觀測不同深度海流)，或以人造衛星定位的漂流浮標觀測。 旋葉式 浮標

波浪與潮汐觀測 波浪與潮汐觀測：傳統波浪觀測以海面下固定深度設置壓力計、或在海面定點佈放浮球進行，最新可利用衛星雷達遙測海面浪高；潮位觀測常用壓力式或音波式潮位儀，安置在穩定井內進行。 ▲潮位儀

海底地形探測 主要利用聲波測深儀(聲納SONAR)，發出聲波並接收由海床反射回波，聲波在水中傳播的速度(U)乘上聲波在水中往返的時間(T)除以2，求得水深(S)。欲得到精確的海底地形，測深同時需利用GPS定出測點位置。 ▲聲納亦可用於魚群的掃描

海洋鑽探 籍由工具從海面伸至數千公尺的海底鑽取岩心　 　

國際海洋鑽探計畫簡表 臺灣於1997 年與澳洲、加拿大和南韓共同組成 太平洋周遭海洋鑽探聯合會，成為「海洋鑽探計畫」的國際夥伴之一。

地球號介紹影片 http://www.youtube.com/watch?v=bqmuwHQGo1k 海洋鑽探船：地球號 地球號 海洋鑽探 目標: 鑽至莫荷面 地球號介紹影片 http://www.youtube.com/watch?v=bqmuwHQGo1k

近代海洋鑽探的貢獻 (1)增進對海洋沉積層及海洋地殼的組成與結構的瞭解， (2)證實海底擴張(中洋脊兩側地磁倒轉紀錄的對稱分布)及板塊構造學說， (3)提供侏羅紀以來的古環境、古氣候、古海洋變遷和地球資(能)源等資訊。(目前尚未鑽透莫氏不連續面)。

氣象觀測 高空觀測 遙測 遙測 海面觀測 地面觀測

地面觀測 觀測坪一般設置在地勢平坦、空曠、鋪種淺草的地面。離建築物一定距離，避免受建築物影響。 每天觀測四次（國際標準時0時　、6時、12時、18時）。

地面觀測~百葉箱 百葉箱的箱底離地約 1.5 公尺，避免受地表輻射影響。 北半球，百葉箱門開在朝北方向，以避免日光直接射入箱內。 百葉箱通常設在觀測坪的北側角落，以免影子遮住其他儀器。 南 西 東 北 （攝影：黃玫琪）

百葉箱內 各式氣溫計和溼度計置放在百葉箱內 乾溼球溫度計 最高最低溫度計 自記式毛髮溫度溼度計 （攝影：黃玫琪）

地面觀測--溼度觀測 乾溼球溫度計量測相對溼度 利用乾球、溼球兩溫度計的溫差 ，查表可得大氣的相對溼度。 溫差越大，相對溼度越小。 置於百葉箱中。 大氣中水氣含量的多寡，還有用水 氣壓、絕對溼度、露點等來表示( 詳見高一PPT)。

地面觀測--風的觀測 地面僅觀測水平風的風向和風速。 利用風向風速計所觀測的是離地平面往上約10公尺高度、10分鐘平均的風速。 架設於不受附近建物影響的位置。

地面觀測--風的觀測 儀器有風向計、風杯風速計、螺旋槳風向 風速儀等。 儀器有風向計、風杯風速計、螺旋槳風向 風速儀等。 測風向：利用一不對稱的物體，其對空 氣阻力較大的一端會移動到下風處，因 此由另一端指出風向。測風速：是利用 水平旋轉的風杯或旋轉扇葉量測，風愈 大時，風杯或扇葉就轉得愈快。 測定某一時間內之最多風向及平均風速 。

地面觀測~~降水觀測 在無蒸發、流失或滲透等情況下，一定時間內降水儲積在單位平面上的深度即為降水量，常以毫米為單位來表示。 傾斗式雨量器

地面觀測~其他觀測 日照計 其他觀測：測蒸發量、太陽輻射、紫外線強度…等。 蒸發皿

我國的地面觀測 交通部 中央氣象局負責。依照國際標準的觀測時間之外，增加了一天四次的輔助觀測，即每三個小時觀測一次。

地面觀測~天空狀況 天空狀況如天氣現象、能見度以及雲等項目，仍須由觀測員(人工觀測)在戶外空曠處親自目測。 雲的觀測項目包括雲狀、雲量和雲高，雲狀的變化可作為天氣變化的徵兆。 雲量：國際上常以八分量(另有十分量)表示，八分量即以視野的天空分為八等分，觀測雲層所遮蔽的部分占天空多少比例。

雲的分類

判讀天氣圖（按一下出現天氣符號說明） 用滑鼠左鍵按左半邊的天氣圖，右下角就會出現天氣符號圖；再按一下，天氣符號圖就會消失。 用滑鼠左鍵按右半邊的天氣圖，左下角就會出現天氣符號圖；再按一下，天氣符號圖就會消失。 33

地面天氣圖與氣象觀測資料 以海平面為基準，將地面觀測的氣象資料填在地圖上，包括：風向、風速、溫度、溼度、氣壓、天氣及雲量等。可以作為判定與分析高氣壓、低氣壓、鋒面等天氣系統之依據。 22 22 露點22℃

認識天氣符號 22 露點22℃

氣象觀測資料整合 世界氣象組織（WMO）負責整合與分享全球一百多個國家、近萬個地面氣象站參與氣象觀測的氣象資料。 每天一律在世界時的 0 時、6 時、12 時、18 時（臺灣時間分別是 8 時、14 時、20 時、02 時）進行四次的氣象觀測。 各國的氣象中心和觀測站都有線路連接，組成一 個全球電信系統，有美國 華盛頓、俄羅斯 莫斯科與澳洲 墨爾本等三個世界氣象中心以及26個區域氣象中心。

高空氣象觀測 高空氣象觀測可以獲取大氣層中，距離地面0～30公里高空的氣象要素垂直分布。 載具包括：氣球、風箏、飛機、衛星等 探空氣球是每天例行性的觀測。 我國負責執行「追風計畫」的飛機。 （攝影：黃玫琪）

高空氣象觀測~無線電探空儀(雷送) 充填氦氣的探空氣球加掛無 線電探空儀，以每分鐘約350公尺的速度上升。 充填氦氣的探空氣球加掛無 線電探空儀，以每分鐘約350公尺的速度上升。 測得的數據，透過無線電發 射器傳回地面的接收系統。 測量項目 氣壓：可推算高度 溫度 溼度

高空氣象觀測~無線電探空儀

高空氣象觀測~雷文送 可測量風向、風速的探空儀。 原理：追蹤氣球的位置變化加以計算求得。 追蹤方式： 追蹤探空氣球的仰角與方向角的變化。 在探空儀內加裝全球衛星定位系統（GPS）的接收器。 無線電探空儀觀測時間：世界時0時和12時觀測兩次，即臺灣地方時8時和20時。 目前臺灣共有臺北 板橋、花蓮、臺東 綠島、臺南 永康、屏東、馬公、東沙島以及南沙島等高 空氣象觀測站。

氣象遙測 有地面氣象雷達與人造衛星等兩種方式 氣象雷達 氣象衛星可分地球同步衛星和繞極軌道衛星。 其餘重點請見復習PPT~~高二[遙測]單元 利用天線發射電磁波，當電磁波碰到雲雨中的水滴後會反射回來，雷達再利用天線接收回波，依據回波的時間和強度，可判斷降水的空間分布以及強度。 氣象雷達可觀測風暴內部雲雨及降水分布、結構和運動，並推估風速及氣流結構。 氣象衛星可分地球同步衛星和繞極軌道衛星。 其餘重點請見復習PPT~~高二[遙測]單元

天氣預報的過程

天氣預報 步驟：氣象觀測→繪製天氣圖→進行數值天氣預報→綜合討論、研判→作成預報。 數值天氣預報的準確度和觀測資料的完整與否(高山及海洋較欠缺)及數值分析方法有關。 天氣預報準確性會隨預報時間的延後而降低。空間尺度較大的系統，可預報期限較長；空間尺度較小的系統，可預報期限較短。短期預報準確度較高，一週以上的預報參考價值較低。

氣象預報的限制 觀測資料缺乏 理論尚未完整 數值近似解 氣象預報起始時間所需的觀測資料仍然不夠完整。 特別是廣大海洋上的觀測資料相當缺乏。 有許多物理變化過程，仍無法適切處理，只能以處理的參數來近似這些過程。 數值近似解 大氣運動相關的物理定律數學方程式的性質是非線性的，只能用數值方法求得近似解，而且對初始條件很敏感，即所謂的「混沌」特性。

天氣預報~即時預報 雷雨、龍捲風等類型天氣系統，因空間尺度小、形成快、生命期短，難掌握，天氣預報能力十分有限。 此類短暫區域性的劇烈天氣常造成嚴重災害。 這一類較小尺度天氣系統所產生的天氣變化，目前是以即時的觀測資料作為基礎，特別是氣象衛星與氣象雷達的觀測資料，依據氣象學理與經驗，作 0～12 小時的即時天氣預報。

天文觀測 地面觀測： 可見光波段(光學望遠鏡) 無線電波波段(電波望遠鏡) 太空觀測： 不受大氣干擾，各波段電磁波段望遠鏡皆可觀測。 通常安置在軌道衛星上進行觀測 紫外線、紅外線、X-射線、，易被大氣吸收、在外太空才易進行觀測

望遠鏡的功用 1.放大影像 2.使影像明亮(聚光) 3.使影像清晰，增強解析力(望遠鏡分辨兩鄰接物體的能力) 放大率=物鏡焦距÷目鏡焦距 ，一般藉更換目鏡來調整放大倍率 放大率愈高，視野愈小，成像愈暗 2.使影像明亮(聚光) 聚光力=(物鏡直徑)2÷ (眼晴瞳孔直徑)2 成像明亮度：聚光力愈好、放大倍率愈低成像愈明亮 3.使影像清晰，增強解析力(望遠鏡分辨兩鄰接物體的能力) 口徑(物鏡直徑)愈大、解析力愈佳 口徑大的望遠鏡聚光力較強，解析力亦較好，故世界上望遠鏡口徑愈做愈大

光學望遠鏡 光學望遠鏡的種類 望遠鏡的主要構造： 折射式 反射式 主鏡(包含物鏡、目鏡、鏡筒) 尋星鏡(常用倍率5-7倍，放大倍率低，視野範圍大，用於尋找目標較方便)光學望遠鏡的種類

望遠鏡的構造

折射式望遠鏡及其成像原理

折射式望遠鏡 物鏡為凸透鏡 優點：1.保養較容易 2.影像品質佳 缺點： 1.物鏡製作不易、價格昂貴 2.僅靠鏡片邊緣支撐，口徑無法超越1m 　3.易有色差(需在物鏡後多加一消色差透鏡)

反射式望遠鏡及其成像原理 牛頓式 卡賽格林式

反射式望遠鏡 物鏡為凹面鏡 (拋物面較球面為佳) 優點：1.沒有色差 2.物鏡製作容易價格較低 3.鏡筒較短 缺點：1.保養較不易 物鏡為凹面鏡 (拋物面較球面為佳) 優點：1.沒有色差 2.物鏡製作容易價格較低 3.鏡筒較短 缺點：1.保養較不易 2.球面鏡無法將光線聚焦在同一點(用拋物面可改善) 現代大型天文望遠鏡均屬之

雙筒望遠鏡 目鏡無法更換，故放大 倍率通常是固定的。 規格：如標示的數字 ─10×50。 第一個數字「10」指的 是望遠鏡的放大倍率。 第二個數字「50」指的 是望遠鏡的口徑（物鏡 直徑，單位mm）

望遠鏡的架台 赤道儀：將極軸對準天北極，調成與地球自轉軸平行，以調整赤經、赤緯的方式尋找天體。若將赤經馬達開啟，即可追蹤因地球自轉而作周日運動的天體。 經緯儀：以調整仰角、方位角的方式尋找天體，較赤道儀輕便，手動追踪星體較不易操作。

赤道儀和經緯儀 赤道儀 經緯儀 ▲赤道儀 ▲經緯儀

赤道儀和經緯儀 對準北極星 重錘(平衡主鏡) ▲折射式赤道儀 ▲反射式經緯儀

赤道儀追踪星體的原理

地面觀測-無線電波望遠鏡 藉由碟形天線收集電波與信號接收、處理與顯示，對研究星際雲氣特別有用。 優點：不受天候限制，可日夜觀測。 缺點：訊號微弱(解析力較差)，常需要極大的口徑或電波望遠鏡形成陣列來增加解析能力。

地面觀測的限制 時間限制：除了太陽的觀測外，主要在夜間觀測 光害：光害使夜空中的背景亮度增高，較暗淡的星體不易觀測到 天氣限制：晴朗無雲的天候較佳，故觀測地點的晴天率要高 大氣影響：(時間及天氣限制亦為大氣影響) (1)只有可見光、無線電波、微量紅外線可以通過 地球大氣層到達地表(紅外線只可到達高海拔) (2)大氣消光：大氣分子或塵埃等粒子將星光散射，使星體的亮度減弱 (3)大氣寧靜度：大氣不穩定、擾動，使星光閃爍，造成影像不清晰 (4)造成白天、黑夜、及各種天氣變化(天氣限制)

理想的天文台都建在遠離人煙(光害少)的高山地區(大氣稀薄)。 如：夏威夷毛納基山頂、台灣的鹿林前山 觀測地點的選擇 高海拔 晴天率高 減少大氣干擾 水氣稀少 避開人為干擾 光害 煙霧、廢氣 人為無線電訊號 低緯度 全天可視範圍大 四季日夜長短變化小 理想的天文台都建在遠離人煙(光害少)的高山地區(大氣稀薄)。 如：夏威夷毛納基山頂、台灣的鹿林前山

The end