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第三章 大氣的能量

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第三章 大氣的能量

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  1. 第三章 大氣的能量 本章重點整理 3-1 能量的收支平衡 3-2 氣溫的變化 3-3 氣候變化 回總目錄

  2. 本章重點整理 • 能量的收支平衡 • (1)輻射平衡溫度 • (2)溫室效應與地表溫度 • 氣溫的變化 • (1)時間變化:日夜變化與季節變化 • (2)空間變化:水平變化與垂直變化 • 氣候變化 • (1)影響氣候變化的原因包括聖嬰現象、火山爆發、 地球公轉軌道的變化、板塊運動、大型隕石撞 擊和太陽亮度的變化等。 • (2)二氧化碳和甲烷的增加可能造成全球增溫。

  3. 3-1 能量的收支平衡 • 太陽輻射能是地球大氣的主要來源 • (1)太陽輻射能量多集中在可見光波段,此外 還包括紅外線和紫外線。 • (2)地球的反照率為0.31,也就是太陽輻射能 約有31%被反射回太空;雲是最重要的反 射體,其餘則是被地表、空氣和氣懸粒子 所反射。 • (3)大氣吸收了20%的太陽輻射能;地表則吸 收49%。 • 地表會以紅外線的形式向外輻射能量,和太陽的短波輻射相比,紅外線波長較長,因此也稱為長波輻射。 見圖示 下一頁

  4. 圖3-1 資料來源:Ahrens,C.D.,1994:Meteorology Today,Fifth Edition,West Publishing,p. 39,Fig. 2.7。

  5. 能量的收支平衡 • 輻射平衡溫度 • 溫室效應

  6. 輻射平衡溫度 • 在長期平均下,地球向外輻射能與所接收的太陽輻射能是處於平衡狀態,此種狀況下地表的溫度應為 –18℃,稱為輻射平衡溫度。 • 地表實際平均表面溫度約15℃,比輻射平衡溫度高出33℃,主要是因為溫室效應所致。

  7. 溫室效應 • 溫室氣體會吸收地表發出的紅外線輻射,同時也會向四面八方發出紅外線,因此有一部分的能量又會被地表吸收;也就是有大量的能量在大氣與地表間循環、重複使用,造成地表能保有較高的氣溫。 • 地球最重要的溫室氣體是水氣和二氧化碳,其他如甲烷、氧化亞氮、臭氧和氟氯碳化物等,也具有吸收紅外線的能力。 見圖示

  8. 小百科 圖一 資料來源:改繪自Graedel,T.E.,and Paul J. Grutzen著,陳正平譯,1997:變色的天空—大氣與氣候變遷的故事,遠哲科學教育基金會,p. 19, Fig. 2.5。 見圖示

  9. 小百科 圖二 資料來源:改繪自Graedel,T.E.,and Paul J. Grutzen著,陳正平譯,1997:變色的天空—大氣與氣候變遷的故事,遠哲科學教育基金會,p. 19,Fig. 2.5。

  10. 3-2 氣溫的變化 • 時間變化 • (1)日夜變化:地球自轉所致 • (2)季節變化:地球公轉且地軸傾斜所致 • 空間變化 • (1)水平變化:緯度、海陸分布、洋流效應造 成各地溫度的差異。 • (2)垂直變化:對流層、平流層、中氣層和增 溫層(熱氣層)的氣溫隨高度呈現多樣的 變化。 下一頁

  11. 氣溫的變化 • 日夜變化 • 季節變化 • 水平變化 • 垂直變化 • 逆溫現象

  12. 日夜變化 • 地球自轉造成氣溫的日夜變化 • 滯後現象 • (1)一天當中的最高與最低溫分別出現在正午 和日出之後。 • (2)正午以後太陽輻射開始減少,但仍比地表 長波輻射高,因此氣溫仍繼續上升,直到 下午二、三時以後地表輻射才會超過太陽 輻射,此時氣溫才開始下降。 • 水氣含量較高的地方,受到溫室效應影響,氣溫的日夜變化會比較小。 見圖示

  13. 圖3-2 見圖示

  14. 圖3-3 見圖示

  15. 小百科 圖三 資料來源:Ahrens,C.D.,1994:Meteorology Today,Fifth Edition,West Publishing,p. 42,Fig. 2.9。

  16. 季節變化 • 日照角度的變化 • (1)夏季時中高緯度地區的太陽入射角較 小(仰角較大),單位面積的輻射量 較多而地表溫度較高;冬季時則恰恰 相反。 • (2)赤道地區除了春、秋分仍是直射外, 夏、冬季入射角均變大。 • 日照時數的變化 • (1)赤道終年晝夜等長,其餘地區則夏天 晝長夜短、冬天晝短夜長,緯度愈高 愈明顯。 • (2)極圈以內的區域還會發生永晝或永夜 現象。 見圖示

  17. 圖3-4 資料來源:Ahrens,C.D.,1994:Meteorology Today,Fifth Edition,West Publishing,p. 59,Fig. 3.3。 見圖示

  18. 圖3-5 資料來源:Ahrens,C.D.,1994:Meteorology Today,Fifth Edition,West Publishing,p. 61,Fig. 3.6。

  19. 水平變化 • 緯度效應 • 地表氣溫大致上在赤道附近比較高,然後往兩極遞 • 減。 • 海陸效應 • (1)仔細觀察等溫線的分布,在北半球彎曲得很厲害, 同一緯度的氣溫因海陸分布而不同。 • (2)由於海水比熱較陸地大,加上海水會流動,因此 溫度不容易發生變化,冬夏溫差比較小。 • 洋流效應 • 表面洋流會使流經區域氣候受冷流或暖流的影響; • 湧升流也會使得海面氣溫較低。 見圖示

  20. 圖3-6 見圖示 資料來源:陳永明提供

  21. 圖3-7 見圖示 資料來源:陳永明提供

  22. 圖3-8

  23. 垂直變化 • 對流層 • 氣溫隨高度遞減,主要和地面加熱作用與空氣 • 垂直運動有關。 • 平流層 • 臭氧吸收紫外線加熱空氣,氣溫隨高度遞增。 • 中氣層 • 臭氧分子數漸少,氣溫向上遞減。 • 增溫層 • 受能量高的短波紫外線游離作用,溫度向上遞 • 增,但因空氣極為稀薄,實際熱量相當低。 見圖示

  24. 圖3-9

  25. 逆溫現象 • 泛指氣溫向上遞增的現象。 • 逆溫層裡的空氣很穩定,不容易上升或下降,因此不會產生劇烈的天氣現象。 • 對流層內也會出現逆溫層,通常發生於晴朗的夜晚,或是冷暖氣團相遇時;逆溫層內空氣穩定,污染物不易對流擴散,容易造成嚴重的空氣污染。 見圖示

  26. 小百科 圖四 資料來源:改繪自Ahrens,C.D.,1994:Meteorology Today,Fifth Edition,West Publishing,p. 462,Fig. 17.10。 見圖示

  27. 小百科 圖五 資料來源:陳正平攝。

  28. 3-3 氣候變化 • 氣候是指長時間的天氣規律,譬如冰河時期與間冰期這種比季節更長週期的氣溫變化,稱為氣候變化。 • 造成氣候變化的因素很多,可能是地球本身能量收支的平衡問題(例如地球公轉軌道的變化),也可能是偶發事件所造成(例如大型隕石撞擊)。 下一頁

  29. 氣候變化 • 短期變化(年際變化) • 萬年的變化 • 千萬年的變化 • 人為影響

  30. 短期變化(年際變化) • 聖嬰現象 • 由於海洋與大氣的交互作用,每隔二至 • 七年海面溫度異常增溫的現象。 • 火山爆發 • 火山爆發時將大量的氣懸粒子噴到平流 • 層裡,並藉高空高速氣流環繞全球,氣 • 懸粒子具有反射陽光的能力,而使地表 • 氣溫降低。 見圖示

  31. 圖3-10 資料來源:Graedel,T.E.,and Paul J. Grutzen著,陳正平譯,1997:變色的天空—大氣與氣候變遷的故事,遠哲科學教育基金會,p. 35,Fig. 2.18。

  32. 萬年的變化 • 冰期和間冰期的週期大約在數萬到十萬年之間。 • 地球軌道的變動會直接影響到地球接收到的太陽輻射量,進而影響地球的氣候,大冰期的出現可能與它有關。 • 根據計算,地球所接收的太陽輻射正逐漸減少,若無其他因素的影響,可能在五、六萬年後進入一個大冰期。 見圖示

  33. 圖3-11

  34. 千萬年的變化 • 板塊運動造成的海陸變遷和山脈隆起,影響大氣和海流循環,進而導致氣候變化。 • 大型隕石或彗星撞擊也可能會造成空氣污染和氣候變化。 • 除了太陽黑子週期會影響地球氣候,太陽的亮度也可能有長時間的變化,造成地球氣候受到影響而變動。

  35. 人為影響 • 根據古氣候資料顯示,過去地球氣溫的變化與二氧化碳和甲烷濃度變化有密切關聯。 • 近代人類文明發展使得二氧化碳和其他溫室氣體濃度增加,這種人為的溫室效應如果持續下去,可能會造成全球增溫現象,導致數十年至百年期間的氣候變遷。 見圖示

  36. 圖3-12 資料來源:Graedel,T.E.,and Paul J. Grutzen著,陳正平譯,1997:變色的天空—大氣與氣候變遷的故事,遠哲科學教育基金會,p. 96,Fig. 5.3。

  37. 物質科學地球科學篇(下)總目錄 第一章 氣象學與人類文明 第二章 大氣的成分 第三章 大氣的能量 第四章 潮溼的大氣 第五章 大氣的運動 第六章 氣團與鋒面 第七章 熱帶氣象與颱風 第八章 氣象學的應用