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《大氣：萬物的起源》An Ocean of Air

認識大氣科學的第一本書！

「空氣」對我們來說十分重要，因為沒有空氣，我們人類就會死掉。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。我們吃得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各方面。

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，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，讓我們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。而一個獨眼的美國人發現我們上方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秘密。

一位好心的發明家差點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作鬥爭，想知道為什麼那兒的臭氧層出現空洞。

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，讓他認為我們上方有一層金屬漂浮層，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了極光的產生原因，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。

「這個課題很熱門，這門科學很酷炫，沃爾克的文風比大氣更為清澈。」
──喬納森．維納（Jonathan Weiner），一九九五年普利茲獎得主，得獎作品《雀喙之謎》（The Beak of the Finch）

「有誰知道空氣竟然是這麼有趣？就像她筆下那群特立獨行的科學人物，沃爾克同樣能夠洞燭先機，看出在空若無物的空氣當中，藏有地球生命最耐人尋味，也最深邃的真相。這是科學著作的最佳典範：清晰、諧趣、切中要旨，妙趣橫生令人驚豔，這本書確實棒極了。」
──瑪莉?羅曲（Mary Roach），著有暢銷傑作《不過是具屍體》（Stiff: The Curious Lives of Human Cadavers）

「〔沃爾克提出〕顛覆直覺的清新觀點……這是研讀我們頂上世界的極佳入門著述。」
──《週日郵件報》（Mail on Sunday）（倫敦版）

「出類拔萃……筆下的科學家和他們的科學成就幾乎同樣有趣。」
──西蒙．辛格（Simon Singh），《每日電訊報》（The Daily Telegraph）（倫敦版）

令人崇敬的大氣與科學家們
──陳泰然國立台灣大學學術副校長、台大講座／大氣科學系特聘教授

筆者有幸，在本書中譯版問世之前就能先睹為快。日前商周出版徵詢是否可為本書寫些感想，因最近出國頻繁，擔心騰不出時間看，不能如期交卷耽誤出版時程，本來不敢答應，但本書係談及大氣，這是我三十多年來在台大教書、研究的專長領域，真想先看看這本書到底在寫些什麼？終於，我先看了。雖然書裡的人物很多都是過去在學校不同課程裡老師或課本曾經談的，但是本書針對眾多偉大科學家在解開大氣奧秘過程的細膩描述，特別是這些科學家的事跡和他們追求大氣真相的執著，使我內心有真正的感動。不僅如此，本書對每個人物的人格特質、思想、信仰及生活習慣之描寫可說淋漓盡致，對人物間之關係與異同科學見解相互影響之描述亦栩栩如生。作者對本書相關人事物故事的精密建構與妙筆生花的寫作技巧，帶動讀者有如科學家為揭開大氣奧秘的好奇心，一直想要知道故事的後續發展，讓人不忍釋手，是想一口氣看完的精彩科普著作。

書中談及十七世紀義大利自然哲學家伽利略、數學家托里切利和世家子弟科學家波以耳，三位皆終生未婚，終其一生研究空氣的存在、空氣的重量、空氣的組成、空氣的壓力，並發現聲音傳播需有空氣、燃燒需有空氣等，諸多對空氣性質突破性的了解，對他們三人在空氣研究的歷史聯繫，以及對科學思考與實驗的細節過程描寫，實在引人入勝、令人著迷。對於生性好問的普里斯特利，雖然貧窮無錢買實驗設備而需靠有錢人賞賜，但其對真理與真相追尋的過程與精神，使他發現空氣組成的二氧化碳與氧氣以及意外製造出的笑氣，讓人肅然起敬。拉瓦節鍥而不捨的生物呼吸實驗，終於證明呼吸是種燃燒過程，是為了燃燒我們身體的燃料，並認識到人會老化、死亡也是氧造成的，這在十八世紀科學界是何等的震撼。

書中處處充滿感人的故事，當談到貧困的美國農夫數學家佛雷爾對於氣流受地球轉動影響的突破性了解與偉大貢獻，而他卻是那麼的害羞與謙沖為懷。實際上，氣象裡的「白貝羅定律」實在應該稱為「佛雷爾效應」較為貼切，但因他的第一篇討論該問題之氣象論文卻發表在醫學雜誌，導致他的偉大貢獻較晚受到氣象界的認識，作者認為如今他的名字雖然較不為人所知，也依舊是美國歷來最了不起的科學家之一，筆者深有同感。過去在學校曾學過在大氣環流裡三胞環流模型，有個佛雷爾胞，看了本書使我對佛雷爾在氣象上的偉大貢獻與謙沖為懷的心胸產生莫名感動。

馬可尼無線電報的偉大發明，除了使氣象訊息傳遞無遠弗屆，開創天氣預報的可能性之外，當鐵達尼號撞上冰山發出馬可尼轄下公司的標準緊急求救訊號，遠在地平面之外、距離四小時航程的喀爾巴阡號接到訊息，努力趕來營救，在四小時過後不久喀爾巴阡號真的來了，折疊救生挺上的七百一十二位乘員全部獲救，本書描寫這個求救與營救的故事，看來比鐵達尼號電影所能表達的更扣人心弦。此次船難總計一千五百多人喪生，馬可尼原本計畫搭乘該航次赴紐約，卻由於公事而推遲行程改搭盧西塔尼號，逃過一劫。當然，如果馬可尼及時搭上鐵達尼號，或許他也可能是透過自己公司發出自己發明的求救訊號而獲救的一員。

近年來有關全球大氣的熱門話題，諸如南極臭氧破洞、工業革命後二氧化碳急速增加和全球暖化議題，作者更是抽絲剝繭的把每一事件的細節與先後關係一一呈現，其中所涉及的諸多科學家的直覺、洞見及為了解與解決問題所投入的心血，更是扣人心弦。對於科技發展帶來對大氣環境長遠的負面衝擊，以及各國為了減低與舒緩衝擊所付出的代價，更是發人深省。

作者治學態度嚴謹，所有人事物皆有所本、皆有出處，此為科學著作的普世要求，而人事物的呈現又能以有趣、動人的故事鋪陳，使本書具有科學的嚴謹性與正確性，亦具有科普書籍的知識性與動感性，也許您會和我一樣，想要先睹為快。

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  作者介紹

  
  
  
  
  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。她住在倫敦。
  
  





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  譯者介紹

  
  
  
  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）。
  
  
  
  

活靈活現的科學故事
──王國英國立中央大學大氣科學系專任教授

這本書讀起很舒服，將科學以生動活潑的方式呈現出來，並不會讓讀者覺得讀不下去或是枯燥乏味。我覺得這本書有趣的地方是作者將整個大氣（原文書名顧名思義）逐一介紹、按照時間序列的安排漸進鋪陳，從它所構成的氣體、人們是怎麼發現氣體開始，接著是歷來科學家利用這些氣體進而成就了更多、更深入的發現，甚至逼真的述說了科學家們的生平、個性。

這本書給我的感覺似乎是，讀完了就相當於讀完整個求學生涯中的基礎物理化學！不過這本書很神奇的地方是它引人入勝，會讓讀者想了解更多、想讀的更細，顯然作者不但科學知識豐富，還有值得再三玩味的寫作風格，這本書可以推薦給想對大氣有基礎認知的讀者，或是全國的國高中學生。

作者以開門見山法直接切入了我們大氣中，與我們最親近的氣體———空氣。她生動靈活的敘述，將文藝復興時期科學與大氣研究的初步發展，如莎士比亞筆下的舞台般精采呈現，以頑固任性的教會作為烘托，帶出科學家咬定青山的求知精神。接著戲劇性的一一描繪大氣及其組成分子，幾乎像是剝開層層洋蔥般的條理分明。作者這麼一講，讓讀者感受到科學並不是一個無生命跡象的匍伏動物，而是個風趣、多采多姿的生命體。

除了傳達科學知識外，很有意思的是，作者也經由歷史故事提供讀者許多以古鑑今的生活課題，看了書以後，讓人感覺做事情要謹慎並考慮周到，不要陷害他人或是與人交惡，否則遲早都會得到報應；書裡提供許多值得省思的例子，其中最令我印象深刻的是法國大革命期間的一位科學家拉瓦節（Antoine Lavoisier），他因為曾經拒絕了另一個科學家馬拉（Jean-Paul Marat）投過的一篇論述氧的習性的論文，而且阻止法國皇家學院給予馬拉認可，讓馬拉一直記恨在心，後來法革爆發，馬拉成為強勢份子，間接將當年駁回他論文的拉瓦節送上了斷頭台。不過另一方面，馬拉也為他的行為付出代價、下場淒慘，他在家裡的浴缸中被刺死，並成為膾炙人口的名畫「馬拉之死」的主角。

書中介紹行星風帶的開場白讓人對畫面充滿想像，宣稱「發現新大陸」為其彪炳功績的哥倫布，其實是一位面色蒼白、頭髮有著雪亮色澤的義大利冒險家，作者帶著我們從伊比利半島出發，頂著疾勁的東風經過加納利群島、橫越大西洋，終於抵達了西印度群島，開啟科學家對地球氣候調適劑———風帶———的研究與開拓。你曾經想過嗎，沒有風的地球會是如何惡劣的環境？那樣子的地球將有一半凍在冰天雪地、一半悶在火爐中；赤道帶平均溫度會比現在整整高上十四度，而極區會比目前均溫少二十五度。這種煉獄般的環境還能孕育出人類，甚而創造輝煌、華麗且毀滅性的文明嗎？

本書最大的特色是呈現了科學的連貫性，有因有果，許多研究發現奠定了後世研究的基礎。他還不斷提醒讀者地球的珍貴、地球的獨一無二，我們應該好好愛惜維護，藉由描述地球環境的多樣化而讓讀者切身感受到，每個人都應該珍惜人類獨有的資源。而這種觀念，除了普及大眾人人須知，更應該傳達給當今的各個當權人士，因為他們不僅影響力深遠，而且相較於一般人，他們的政策更容易決定地球上寶貴資源的存續。

前言

一九六○年八月十六日上午七點

約瑟夫．基廷格（Joe Kittinger）高懸在新墨西哥州上方三十多公里空中。十一分鐘過去了，他在吊艙裡面蓄勢待發。那是個開放式吊艙，掛在一顆龐大氦氣球底下緩慢旋轉。儘管太陽早就升起，周圍大氣依舊黝黑猶如午夜。遙望下方，地球的彎曲表面朝遠方延伸，構成一弧地平線，映襯漆黑太空、綻現一圈藍色光暈。

這道光圈就是大氣，地球擁有最寶貴的禮贈。地球的璨藍色澤不是得自海洋，而是染自天空。凡是見過那道細膩光暈的太空人，返航之後都會告訴我們：他們不敢相信，那讓地球顯得多麼嬌弱，卻又無比美麗。

回到地表，沒有了那種崇高視角，大家往往等閒看待我們的大氣層。然而，空氣是宇宙間最奇妙的物質之一。單憑這道黯淡藍線，就讓地球從荒涼岩塊，轉變為充滿生命的世界。而且在地表和要命的太空環境之間，也唯有靠這道屏障，保障脆弱的地球生靈。

基廷格卻越出了大氣保護圈。到了太空邊際高處，大氣十分稀薄，只要壓力衣失靈，不消幾分鐘他就會死亡。首先他的口水會冒泡，接著他的雙眼爆出、腹胃腫脹，最後血液也要開始沸騰。儘管他是美國空軍的試飛員，歷經種種凶險，然而這樣的危險處境卻也是有生以來第一遭。

他獨自待在吊艙裡面，對這種險境瞭然於胸。他有種奇妙感受，那裡的近真空似乎觸摸得到，彷彿有層毒氣團團包裹。黑暗景象令人心驚，他遙望下方雲層屏幕，卻看不穿障壁也完全瞧不見家鄉，這更令他不安。他用無線電和地面管制站通訊。他說：「我上方的天空很不友善，人類永遠不可能征服太空。或許可以到那裡居住，但想要征服卻是永無指望。」

他拖著腳步走向艙門，身負七十公斤重的保命裝備、儀器和攝影機，他的靴子略為伸出邊緣，在那裡站了一會兒。他雙腳下方十數公分處有塊標誌，上書「世上最高的階梯」。他從嚴密封合的頭盔裡吸了一口純氧。他說：「求主保守我，」接著便縱身躍下。

剛開始基廷格並不覺得自己向下墜落，他見得到腳下遠方的暴風雲渦漩，卻看不出雲層逐漸接近。由於周圍的空氣十分稀薄，他聽不到聲音，感受不到風吹，也毫無其他線索足以顯示，他正在人類有史以來最凶險的環境中向下急墜。他在空中攤開四肢，心中湧現幾可算是祥和的感受。他飄浮在一片虛無的海上。

儘管那裡的環境危險，卻仍在保護他。太空中的無壓力情況並非唯一風險，那裡還有大半來自太陽的密集輻射，它們不斷轟擊。太陽每天都為地球帶來光和熱，讓我們能夠生活在這裡，但它也同時釋出彩虹頻譜致命的那端———X射線和紫外光。

感謝我們的天空介入干預，這種輻射始終不會抵達地表。基廷格上方約八十公里處，少數空氣原子稀疏散布，它們發揮警戒哨的功能，負責攔截、吸收那批致命X射線。那批原子在這個過程中被撕扯擊碎，加熱到攝氏一千度。它們構成電離層，那層稀薄大氣的主導力量是電。那裡有龐然藍火從雷雨雲的頂部向上噴發，從地表卻見不到這種上下顛倒的雷霆閃電。來自太空的隕石在這裡灰飛煙滅、化為道道燦爛光芒，變成我們口中所說的流星。隕石帶來金屬在大氣中層層潑灑，從而使電流得以在地球上空四處飛竄。無線電廣播便由這處荷電表面反射，朝四面八方彈往全球各處。

再往上看，基廷格上方的空氣還要面對更猛烈的攻勢，那種打擊力量稱為太陽風。來自太陽的荷電粒子噴流以極高速度朝地球射來，時速超過一百六十萬公里，還趁勢劫掠我們的大氣、把氣層向地球後方推湧構成一道尾跡，讓地球看來就像顆龐大的彗星。

不過在此之前，太陽風必須先通過我們強固無雙的精銳防線：地球磁場。磁場拉動羅盤針指向北方，除了這項用途，我們在地表很少注意到它。但其實地球的彎拱磁場影響遠播，及於我們頭頂幾萬公里高空，磁場還迫使太陽風向四方繞道，就像水流受迫繞過船頭；基廷格上方遠處，道道磁性防護拱弧會導開太陽風，不致造成傷害。磁場防護十分周密，只有少數粒子漏網滲入兩極空域並與大氣對撞，帶來舞動極光，照耀南、北兩極。

儘管如此，我們的防護大氣幾乎全都位於地表上方幾公里範圍，而基廷格進行那次劃時代高空縱躍之時，大氣也大半位於他的下方。墜落幾秒鐘後，他踢腿扭身面朝上方，這時就可以見到他那顆白色飽脹渾圓氣球，以極端高速朝暗空直射而去。基廷格知道，這只是個錯覺。氣球仍然在他躍出的位置緩緩飄浮。其實是他自己以接近聲速，由高空向下墜落。

這時基廷格正翻滾穿越地球的另一道重要防護屏障：臭氧層。他的周圍散布一團無形氣體雲霧，所有溜過電離層的無形紫外線，全在這裡被吸收盡淨。臭氧是種奇妙的東西。地表附近的閃電和火星塞偶爾都會生成臭氧，它聞起來像電線失火，還會讓你氣噎。然而在上空高處，臭氧卻十分機敏又很容易再生。基廷格周圍的臭氧分子受紫外線轟擊分裂，接著便沈著重新構組。就像摩西遇見的著火樹叢，儘管烈燄不止，卻永遠不會燒毀。

兩萬五千公尺、兩萬公尺，繼續往下。壓力危機解除，這時就算壓力衣出現破洞，基廷格的血液也不會沸騰蒸散到空中。不過他還要面對最後一項危機：他已經抵達這趟下墜歷程的最寒冷階段，到了那裡，溫度已經降到零下七十二度左右，他的壓力衣加熱裝置也成為最重要元件。

接著就遇上雲層和氣流，基於種種跡象顯示基廷格終於逐漸接近老家了。一萬兩千公尺、一萬公尺，繼續往下。他就要下墜到聖母峰標高以下了。這時若有噴射機恰好飛經附近空域，就會看到一個身著古怪服裝的人，飛竄飆過窗口。他早先在吊艙見到的雲層，那時遮擋視線讓他見不到老家的屏障，現在便急速向他衝過來。儘管他知道雲朵只是一群觸摸不到的細小水滴，卻依舊蜷曲身體，雙腿上抬，下意識預備承受衝擊。他觸及雲朵那一剎那，降落傘同時開啟，這時他知道，自己可以活下去了。「四分鐘三十七秒自由下墜！」他對著語音記錄器發話，「啊～哇啊！」

這時基廷格已經安全下墜到大氣的最低層：對流層。這裡的大氣，與其說是一道防護屏障，倒不如說是促成地球轉變的契機，這是一層濃密的空氣厚毯，還有氣流和氣候現象，為我們的行星帶來生命，也把地球轉化為可居之所。基廷格越過了極度乾旱的太空，這時雲朵染上片片濕氣在他的面罩上。空氣逐漸濃密，他可以感受到那種拉扯。這時天空已經充滿生命，只是他還見不到它們。隨風攀升的菌群黏附於雲霧微滴，在遠離家鄉的地方搜尋新的侵染對象。昆蟲一路飄盪前往新的覓食場所，而種子則飄向更肥沃的土壤。

還有，謝天謝地，兩架搜救直升機就在附近盤旋。隨著地面迅速接近，基廷格持刀奮力切除他的重裝備套件好減輕著陸衝擊，然而最後一條管子，卻是怎麼切都切不斷，他放棄了，改打開頭盔護罩深吸一口新鮮空氣。空氣湧入他的肺部，氧氣躍過細胞膜進入血液細胞，讓它們轉呈帶了燦爛生機的血紅色澤。（其中有些氧氣則著手引發一場歷日曠久、從這輩子吸入第一口空氣開始，便延續不斷的狂躁歷程。這批無賴分子，還會繼續在基廷格臉上留下痕跡，拖累他的身體，持續我們所說的老化進程。）

最後，經過了十三分四十秒飛行時間，基廷格跌撞摔入矮樹叢中，著陸地點位於新墨西哥州土拉羅沙（Tularosa）以西約四十三公里處。醫事、地勤人員、後援隊伍和媒體記者，紛紛湧出直升機，趕往他著陸的地點。他的面罩開啟，對眾人露出笑容。他說：「我很高興回來和大家重逢。」儘管沙漠景致實在稱不上蒼翠，但在這個曾經超越大氣層的人眼中，絲蘭和灌木艾卻是充滿生機。後來他還說：「我在十五分鐘之前到了太空邊緣，而現在就我看來，自己是身處伊甸園。」

美國空軍上尉，約瑟夫．基廷格二世成為墜落地表生還的第一人。這項壯舉無人能及，他從太空邊陲出發，穿越稀薄空氣，進入濃密大氣並回返家園，彰顯出地球的若干非凡特色。太空幾乎近得觸摸得到。我們頭頂區區三十數公里以上，就是一片風險四伏的駭人環境，我們到了那裡就要被凍僵、燒焦，終至沸騰喪命。然而，我們的周遭大氣，卻提供那麼周延的防護，甚至讓我們對那些凶險都懵然無知。這就是基廷格那次飛行帶來的訊息，也是所有探測地球大氣的先驅人物留給我們的啟示：我們不只是住在大氣中。我們的生命都是拜它所賜。