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人類探索大氣的歷史

認識大氣科學的第一本書！

「空氣」對我們來說十分重要，沒有空氣，人類就會死掉，地球上的植物和動物也別想活下去。即使空氣如此重要，我們卻對它的認識很少。在《大氣：萬物的起源》一書中，作者嘉貝麗帶領我們進行一趟「空氣」之旅，讓我們對它有更多層面的認識，也見識到這個摸不著、看不到的它竟有對我們的生活有如此大的影響力。

首先，空氣是我們所有食物的來源。我們吃的所有的東西都來自於植物，而植物又是從哪裡來的呢？答案並不是土壤。植物在生長的過程中，它周邊的土壤品質並不會發生改變。實際上，植物每長一片葉片，所需的物質都是從周圍的空氣中獲取得來。地球環境中的大氣層為我們吸收了太陽帶給我們的熱能，這些熱能比原子彈爆炸的能量還要強大，同時也為我們阻擋了來自太陽的致命輻射，保護我們不受外太空寒冷的侵襲。此外，大氣層還扮演傳送帶的角色，將海洋上蒸發的水氣帶到高處，然後再讓內陸的乾旱地區普降甘霖。空氣還能將聲音通過震動傳送到我們的耳朵。如果沒有空氣，就算是一架加農炮轟隆隆推到你身邊，你也不會聽到什麼聲音。

事實上，我們根本不是生活在赤裸裸的星球表面上，而是生活在一個空氣的海洋中。作者在這本書中，為我們抽絲剝繭，讓我們看到這個海洋的方方面面。

義大利文藝復興時期的一位科學家發現了我們生活在大氣中的事實。他的研究表明，我們身邊的空氣其實非常重，舉個例子，卡內基音樂廳裡容納的空氣品質就高達七萬磅。

蘇格蘭一位醫師發現，空氣中的一種成分：二氧化碳，能對植物和樹木產生奇蹟般的作用，從而讓我們也從中受益。十九世紀的一位愛爾蘭人隨即發現，二氧化碳同時也像一條毯子，讓地球生活在溫暖的環境中。

哥倫布發現信風把自己帶到了美洲。而一個只有一隻眼睛的美國人發現在我們頭頂上五英里高的地方起了另一股風。還有美國一個窮農夫發現了颶風為什麼老是旋轉的祕密。

一位好心的發明家差點就把地球臭氧層破壞掉。兩個美國科學家（後獲諾貝爾獎）在沒有任何臭氧層破壞現象的時候就警告人們警惕破壞臭氧層的危害。一位抽菸斗的英國科學家在南極洲發現天空上的臭氧層空洞，另一位從來沒有實戰經驗的理論科學家來到南極和暴風雪鬥爭，想知道為什麼那兒的臭氧層會出現空洞。

馬可尼的無線電波能夠穿越大西洋，這件事情激發了一位數學天才的靈感，讓他認為我們的頭頂上有一層金屬飄浮層，這些金屬來自於流星和太陽。二十世紀，BBC電台的無線信號證明了這一層物質的存在，這層物質保護我們地球不受外太空射線以及隕石的攻擊。

挪威的一位科學家發現極光產生的原因，從太陽逸出的有害輻射微粒被地球吸引，導致了極光的發生。美國的一位火箭科學家因為在對蘇聯的戰爭中建功而成為英雄，他發現這些有害輻射微粒是在地球表層大氣高空就被俘獲。

在本書中，作者提供了多項有趣且被證實的案例，貼切地告訴我們空氣是如何在這個地球上運轉，而我們生活在這個充滿「空氣的海洋」的世界裡，又是如何受惠。

【出版緣起】開創科學新視野 何飛鵬

【專文推薦】令人崇敬的大氣與科學家們 陳泰然

【專文推薦】活靈活現的科學故事 王國英

第一篇 和暖覆蓋的毯子

第一章 一片空氣汪洋

初揭空氣的神祕面紗‧空氣重量和真空吸力‧再現空氣的重量‧馬德堡半球的啟發‧世上第一位科學家‧波以耳的空氣探險

第二章 空氣的成分

發現「氧氣」‧純氧初體驗‧天之驕子‧五分之一的普通空氣‧關鍵的水銀灰‧呼吸的本質‧生命的開端‧呼吸的必然代價‧科學與革命‧在劫難逃‧豐富的空氣

第三章 二氧化碳、生命和氣候

與世無爭的科學家‧固體中的空氣‧固定空氣‧動物和植物的祕密協定‧大膽登山家‧吸收紅外光的怪獸‧全球暖化效應‧二氧化碳和氣候暖化‧基林曲線‧全球暖化已然成形‧金星的前車之鑑

第四章 乘「風」飄盪

發現新大陸‧狂暴西風帶‧農莊裡的天才‧風的解謎‧詳述佛雷爾效應‧榮耀加身‧三胞環流模型‧橫衝直撞的飛行員‧驚險飛行‧超高速噴流現形

第二篇 庇佑萬物的天空

第五章 天空破洞的故事

淡藍臭氧和紫外線‧可敬又可怨的發明家‧氯氟烴露出馬腳‧戰力懸殊的攻防戰‧警醒世人的非常手段‧懸而未決的爭議‧南極天空的臭氧‧極地女英傑‧全球暖化和臭氧破洞

第六章 電離層：天空的反射鏡

第一具無線電‧「無線」商機‧信號橫越大西洋‧古怪科學家亥維賽‧天空的反射鏡‧船隻航海的守護神‧鐵達尼號葬身海底‧解開電離層之謎的關鍵人物‧電離層的白日與黑夜‧抵擋X射線的功臣

第七章 最後的邊疆

太空爭霸戰‧火箭氣球發射成功‧天空具有放射性‧不需火藥的電磁砲‧籌措資金困難重重‧無聲的極光‧舞動極光‧極地征途‧太陽黑子‧巨人隕落‧范艾倫帶和伯克蘭電流

尾聲

致謝詞

延伸閱讀

作者簡介

嘉貝麗．沃爾克Gabrielle Walker

得獎科學作家，擁有劍橋大學化學博士學位，並曾多次出席BBC廣播節目現身說法。她是《自然》雜誌氣候變遷題材的編輯，《新科學家》雜誌的專題報導編輯，也是普林斯頓大學的客座教授。定居倫敦。

譯者簡介

蔡承志

國內知名科普書譯者，獲獎無數。譯作有：《美夢是這樣完成的》、《讓大腦變年輕》、《數字的異想世界》、《我們都是機器人／人機合一的大時代》、《鳥類的祕密生活》、《恐龍與史前生物百科全書》、《是誰在操縱我們？》、《你要不要被複製？》、《始祖鳥、羽毛與鳥類進化之謎》、《狗狗知道你要回家？》、《當科技變成災難》、《螞蟻．螞蟻》、《約翰．惠勒自傳》、《領導基因》、《23對染色體》等。其他作品有：《劍橋百科全書》（編輯協力）、《阿毛的恐龍世界光碟》（審訂）、《恐龍大百科光碟》（審訂）。

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呼吸纯氧肯定感觉很好，却不见得有益健康。普利斯特利本人就注意到，“在这种纯净空气中，蜡烛的火力、生机更旺”，因此里面潜藏警讯。“由于蜡烛在（氧气）里面远比在普通空气里面更快烧光，”他推论表示，“我们也可能，或许可以说是，太快活完，而且待在这种纯净空气里面，动物的力量耗竭得太快。”

他说得对，呼吸纯氧太久是有危险的。在洛杉矶酒吧吸个半小时并不会有任何坏处，不过倘若呼吸纯氧太久，肺部充满血液，几天之后就会死亡。这是基于氧气造福于我们的必要性质，也正是最大的风险所在。我们必须呼吸的氧气，本身就是一个特殊的能量释放者，我们需要氧气的反应性能，以使我们精力充沛活跃度日，然而就算我们呼吸普通空气，即使吸入的是稀释氧，仍然会为身体带来老化的风险。

氧气会造成损伤，也是人类分为两种性别的原因之一。我们体内的每颗细胞，都拥有一批细小的动力来源，称为线粒体，氧燃烧现象全都发生在这种胞器里面。线粒体是直接面对自由基一切损害的前线部队，因此必须有绝对保障，务使传给下一代时不受老化影响而受损。女性的卵子，在她出生时已经存于体内，而且基本上终其一生都不消耗丝毫能量。卵子的线粒体都以原始状态封存，预备留给孩子使用，因此卵子只静待受精，并不主动搜寻精子。

同时，当男性每次重新制造精子，新生的精子所含线粒体就会老化些许。精子还要消耗大量能量（燃烧氧）四处泳动，寻找静止的卵子。找到之后（这就是聪明之处）精子会立刻抛弃线粒体，像火箭抛弃燃料烧完的分节，所有胚胎再由母亲遗传取得全新的线粒体，于是老化进程只会在胎儿开始形成之后才启动。倘若人类只有一种性别，这种作用就无缘出现。因此男女浪漫恋情的烦忧（和喜悦），其实都是源自于氧气的小小化学作用。

氧气的教训显示，许多令人振奋的好事都有风险伴随而来。我们生龙活虎，精力旺盛，这种生活的各方层面，全都要付出惨痛的代价。为了拥有灵活的头脑、强健的身体和两种性别，也为了运动本身所需的动力，我们必须接受不可逃避的老化和死亡。你吸入的每口氧气，都为你带来值得活下去的万般理由，然而到头来，这却要以付出生命为代价。氧化学作用和人类的核心处境紧密相系。

这是个重要因素，丁铎尔曾注意到个中原因，由于水蒸气本身就是非常有效的温室气体，因此水汽流失会让大气进一步降温。换言之，二氧化碳的小幅变动就会导致气候明显变化。（这凸显了一个重要观点，可以解释二氧化碳的含量水平是如何影响地球气候的。许多人质疑指出，水蒸气才是构成温室暖化大气的主要元凶：就以吸收效能而论，二氧化碳远远屈居第二。不过，阿列纽斯正确指出，只需略微改动二氧化碳含量，便可以大幅改变水蒸气含量，从而助长全面冲击。二氧化碳就是以这种手法挥出重拳，威力远超出本身的体重等级。）

我们头上有50亿吨臭氧在空中飘浮，捕获能量较高的紫外线，不让它们向下射达地表。能量较低的紫外线，也就是我们的臭氧前线卫队放过的种类，对人类十分有益。这类紫外线能促进皮肤制造维生素D，帮助我们预防软骨病和其他骨科疾病、还让某些人晒出古铜肤色。不过倘若臭氧所捕获的射线种类获准通行，自由射向地表，它们便要带来严重危害。这类紫外线碰到任何东西都径行攻击。它们会减弱人类免疫系统；它们会引致皮肤癌和白内障；它们还会杀死藻类，而藻类正是海洋食物链的最根本一环。

我们的臭氧层发挥着高超保护效能，让我们安心度日，结果我们几乎都不曾察觉，上空区区几公里外便暗藏危机。臭氧层就像地雷阵：每有紫外线碰触一颗臭氧分子，这种三氧分子便会爆炸，射出其中一颗氧原子。而且这处地雷阵还不断重新布阵。爆炸弹片（一颗散逸氧原子和一个普通氧分子）能重新组合，臭氧就这样重获新生。

阴极射线就不同了。当伯克兰把一块磁体摆在邻近位置，阴极射线会掉转方向，改朝磁体两极射去。这让他产生一种构想。他把一块带磁性物体涂上荧光涂料，接着对准那块物体发射一束阴极射线。结果一如预期，无形的射线突然现身，片片光辉在磁体的北极和南极部位闪现舞动。那种光芒有点像是北极光。

几世纪以来，世人早就知道两极上空会闪现鬼魅般的光辉，在空中映现出绿、红和白色的鼓荡光帘。许多人都曾经试行解释这种发光现象，各家的说法光怪陆离多不胜数。然而，当伯克兰在实验室中，凝神注视真空管内的发光磁体，他便心知肚明，恐怕真相只会比那些说法更显得古怪。太阳不断向我们放射阴极射线光束。接着，地球本身的磁场，便捕提这些光束并导向两极，由那里的空气吸收射线能量，从而映现耀眼光辉。

伯克兰产生这项观念过后一年，英国科学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）在1897年发现阴极射线其他更重要的现象。阴极射线根本不是射线，或起码并不是稳定移行的波动。其实那是种粒子束，其构成原料是成群的带负电纤细粒子一也就是如今我们所称的电子。

后来更证实这项发现重要无比。因为倘若伯克兰的见解正确，那就表示太阳正不断抛出电子，还可能连带向地球放射带正电的粒子。这种带电粒子正是我们见识过的可怕威胁：引人战栗的辐射，也是核爆所产生的产物。

书籍介绍

人類探索大氣的歷史

認識大氣科學的第一本書！

「空氣」對我們來說十分重要，沒有空氣，人類就會死掉，地球上的植物和動物也別想活下去。即使空氣如此重要，我們卻對它的認識很少。在《大氣：萬物的起源》一書中，作者嘉貝麗帶領我們進行一趟「空氣」之旅，讓我們對它有更多層面的認識，也見識到這個摸不著、看不到的它竟有對我們的生活有如此大的影響力。

首先，空氣是我們所有食物的來源。我們吃的所有的東西都來自於植物，而植物又是從哪裡來的呢？答案並不是土壤。植物在生長的過程中，它周邊的土壤品質並不會發生改變。實際上，植物每長一片葉片，所需的物質都是從周圍的空氣中獲取得來。地球環境中的大氣層為我們吸收了太陽帶給我們的熱能，這些熱能比原子彈爆炸的能量還要強大，同時也為我們阻擋了來自太陽的致命輻射，保護我們不受外太空寒冷的侵襲。此外，大氣層還扮演傳送帶的角色，將海洋上蒸發的水氣帶到高處，然後再讓內陸的乾旱地區普降甘霖。空氣還能將聲音通過震動傳送到我們的耳朵。如果沒有空氣，就算是一架加農炮轟隆隆推到你身邊，你也不會聽到什麼聲音。

事實上，我們根本不是生活在赤裸裸的星球表面上，而是生活在一個空氣的海洋中。作者在這本書中，為我們抽絲剝繭，讓我們看到這個海洋的方方面面。

義大利文藝復興時期的一位科學家發現了我們生活在大氣中的事實。他的研究表明，我們身邊的空氣其實非常重，舉個例子，卡內基音樂廳裡容納的空氣品質就高達七萬磅。

蘇格蘭一位醫師發現，空氣中的一種成分：二氧化碳，能對植物和樹木產生奇蹟般的作用，從而讓我們也從中受益。十九世紀的一位愛爾蘭人隨即發現，二氧化碳同時也像一條毯子，讓地球生活在溫暖的環境中。

哥倫布發現信風把自己帶到了美洲。而一個只有一隻眼睛的美國人發現在我們頭頂上五英里高的地方起了另一股風。還有美國一個窮農夫發現了颶風為什麼老是旋轉的祕密。

一位好心的發明家差點就把地球臭氧層破壞掉。兩個美國科學家（後獲諾貝爾獎）在沒有任何臭氧層破壞現象的時候就警告人們警惕破壞臭氧層的危害。一位抽菸斗的英國科學家在南極洲發現天空上的臭氧層空洞，另一位從來沒有實戰經驗的理論科學家來到南極和暴風雪鬥爭，想知道為什麼那兒的臭氧層會出現空洞。

馬可尼的無線電波能夠穿越大西洋，這件事情激發了一位數學天才的靈感，讓他認為我們的頭頂上有一層金屬飄浮層，這些金屬來自於流星和太陽。二十世紀，BBC電台的無線信號證明了這一層物質的存在，這層物質保護我們地球不受外太空射線以及隕石的攻擊。

挪威的一位科學家發現極光產生的原因，從太陽逸出的有害輻射微粒被地球吸引，導致了極光的發生。美國的一位火箭科學家因為在對蘇聯的戰爭中建功而成為英雄，他發現這些有害輻射微粒是在地球表層大氣高空就被俘獲。

在本書中，作者提供了多項有趣且被證實的案例，貼切地告訴我們空氣是如何在這個地球上運轉，而我們生活在這個充滿「空氣的海洋」的世界裡，又是如何受惠。