115學測自然 第3題 詳解

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逐步解析

1. 1

   兩把判斷尺

   多波段天文觀測的題目，判斷工具只有兩把尺。第一把是「大氣窗」：電磁波依波長由短到長為 $\gamma$ 射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波，其中只有可見光與無線電波（以及少數幾段紅外線）能穿透大氣抵達地面，其餘會被大氣吸收。第二把是維恩位移定律 $\lambda_{\max}\,T =$ 定值：天體溫度越低，輻射最強的波長越長。五個選項全部用這兩把尺量。
2. 2

   大氣窗指波段

   (A) 錯。大氣窗指的是「特定波段」的電磁波能夠穿透大氣層抵達地面，例如可見光窗與無線電波窗，跟地點、地區完全無關。而且如果真有地方讓各種波長都通過，紫外線、X 射線與 $\gamma$ 射線就會直接打到地面，地表生物根本無法生存。把「波段」誤植成「地區」，又加上「各種波長」，這句話兩處都不成立。
3. 3

   冷星雲發紅外

   (B) 錯。由維恩位移定律，溫度越低，輻射最強的波長越長。星雲的溫度往往只有數十 K，輻射集中在紅外線與無線電波波段，所以觀測低溫星雲要靠紅外線與電波望遠鏡。$\gamma$ 射線是波長最短、能量最高的電磁波，來自超新星爆炸、脈衝星、黑洞吸積這類極高能過程；拿它去看冷星雲，等於用最高音的頻道去聽最低音，什麼訊號也收不到。
4. 4

   行星不能看色

   (C) 錯，錯在那個「都」字。恆星靠核融合自己發光，輻射接近黑體，表面溫度越高顏色越偏藍、越低越偏紅，所以恆星確實可以用顏色估表面溫度。但行星本身不發可見光，我們看到的是它反射的太陽光，顏色由大氣與地表的成分決定——天王星偏藍是甲烷吸收紅光，火星偏紅是地表氧化鐵——與表面溫度無關。行星的表面溫度要靠紅外線輻射或探測器實測。
5. 5

   臭氧在平流層

   (E) 錯在位置。臭氧吸收紫外線這件事是對的，但臭氧層主要分布在平流層（同溫層）約 $20$ 至 $30$ 公里的高度，臭氧吸收紫外線後放出的熱，正是平流層氣溫隨高度上升的原因。中氣層位在平流層之上，約 $50$ 至 $80$ 公里，那裡臭氧稀少，氣溫是隨高度下降的。把臭氧層搬到中氣層，等於把平流層增溫的機制一起搬走了。
6. 6

   紅外線要上太空

   (D) 正確。大氣中的水氣、二氧化碳等溫室氣體吸收的正是紅外線波段，這也是溫室效應的成因；在地面架紅外線望遠鏡，天體訊號還沒進鏡筒就先被吃掉大半。再加上大氣本身與望遠鏡結構都有溫度、也會發出紅外線，形成強烈的背景雜訊。把紅外線望遠鏡送上太空，就同時解決吸收與背景兩個問題。答案選 (D)。

關鍵觀念：#大氣窗 #電磁波譜 #紅外線天文 #臭氧層

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