Global Energy Balance: Chapter 3 Global Energy Balance: The Greenhouse Effect 為何地球氣溫適合生物生存？ 原因： 適當的日地距離？ 溫室效應？

延伸閱讀： 發燒地球200年 野人文化出版 Greenhouse: The 200-year of global warming by Gale E. Christianson 地球是孤獨的（珍稀地球） 貓頭鷹出版社 Rare Earth: Why complex life is uncommon in the universe by P. D. Ward and D. Brownlee

太陽輻射對地球的影響 太陽輻射直接或間接： 生命的發生、延續 自然界的色彩 溫度變化 雲、雨、暴風雨…等 太陽輻射--電磁波

電磁波譜(1) 電磁波依波長可分為： γ射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線與無線電波 --無線電波又可進一步細分成微波、超短波、短波和長波 --紅外線有時也細分為近紅外線、遠紅外線與次毫米波

電磁波示意圖

電磁波譜(2) 不同波長的電磁波，表現出的特色有明顯的差異 物體溫度較高時，輻射頻率較高，波長較短，例如：紫外線 物體溫度較低時，輻射頻率較低，波長較長，例如：紅外線

可見光(1) --人類眼睛可看到，其波長在0.4 μm~0.7 μm (可見光 ) (1μm =10-6m) --為什麼？ 與太陽輻射能量分佈有關 --太陽輻射相當於6000 K物體的輻射 涵蓋紫外射線、可見光、紅外線、… --最大能量集中在可見光

太陽短波輻射和地球長波輻射 (圖片來源：Ahrens, p. 34, Fig. 2.8)

可見光(2) 我們看到的色彩大多不是物體本身放射出來，而是反射陽光或照明設備 例如：紅色的書皮 --是書皮反射陽光中的紅色，吸收其他顏色 --將書帶到暗房就看不到書 --事實上，書也一直放射輻射，但因為溫度太低，放射的是紅外線，因而人類無法看到書的「本色」！

可見光(3) 人類眼球結構的發展顯然與太陽輻射分佈有關

黑體輻射 --黑體是一種理想物體或狀況 --自然界中大部分固體或液體都近乎黑體 --高溫物體幾乎在每個波段都會輻射能量 --每一曲線的峰值也因為溫度的不同而改變

普朗克定律(Planck’s law) 太陽輻射大多來自表面的光球部分，其能量E隨波長變化，可用普朗克定律(Planck’s law)描述： (3-1) λ：波長，T：溫度(K)， 常數C1=3.74×10-16 W m2，C2=1.44×10-2 m K

黑體在不同溫度下所輻射出的能量頻譜

韋恩定律(或汾因定律)(Wien’s law) --對方程式(3-1)微分，就可求得發射能量峰值的波長λmax (3-2) --溫度越高，λmax越短。 太陽溫度6000K， λmax = 0.5 μm 地球溫度300K， λmax 約等於 10 μm　

史蒂芬-波玆曼定律 --若對式(3-1)積分，則得到史蒂芬-波玆曼定理(Stefan-Boltzmann law)： E =σ T 4 (3-3) 史蒂芬-波玆曼常數σ = 5.67×10-8 W m-2 K-4 --溫度600 K的物體放射出的能量，是溫度300 K物體的16倍

太陽短波輻射和地球長波輻射 (圖片來源：Ahrens, p. 34, Fig. 2.8)

長波輻射與短波輻射 太陽溫度6000K，地球溫度300K 兩個星球的輻射波譜，重疊部份幾乎可以忽略 一般稱太陽輻射稱為短波輻射，地球輻射為長波輻射

沒有大氣的地球輻射平衡 (圖片來源：Ahrens，p.42，Figure 4) 輻射平衡與地球溫度 假設沒有大氣層 →地球接收的太陽短波輻射等於放射出去的長波輻射 →則地球平均溫度約為-18oC Te4 = S(1-A)/4 地球：A = 0.3, S = 1370 W/m2  Te = 255K 沒有大氣的地球輻射平衡 (圖片來源：Ahrens，p.42，Figure 4)

大氣效應 實際地球平均地面溫度是15oC，為什麼？ •大氣及雲會吸收部分地表放出的長波輻射 →再將一部份能量向下輻射 →為下層大氣或地表所吸收 •低層大氣吸收較多輻射， 所以大氣溫度隨高度遞減。 •此種作用稱為「大氣效應」( atmospheric effect)，俗稱「溫室效應」(greenhouse effect ) （錯誤的啦!）

這薄薄的一層是地球的大氣↘ 有些則會被地表或是大氣層 想知道地球的溫室效應 反射回太空去 是怎麼形成的嗎? 這是太陽 ↗ 大部分太陽輻射會直接穿透大氣層抵達地球表面 而有些卻被大氣層吸收然後再輻射回來 如此在地表和大氣層之間跑來跑去 想知道地球的溫室效應 是怎麼形成的嗎? 而從地球表面散出的紅外線輻射 有些會穿透過大氣層輻射出去 如此一來，地球就變熱了！

溫室效應示意圖

大氣效應-溫室效應 空氣不太吸收短波輻射，大部分太陽輻射為地面吸收 空氣吸收長波輻射 溫室內溫度較高，並不是玻璃只吸收長波，不吸收短波 真正原因--溫室內的空氣被加熱後，無法與外面較冷空氣混合 媒體以訛傳訛 →對一般人而言，大氣效應就是溫室效應

假設長波輻射全部被大氣吸收： 地表的輻射平衡： Ts4 = S(1-A)/4+Te4 大氣的輻射平衡： Ts4 = 2Te4  Ts = 21/4Te 如果Te = 255K  Ts = 303K

主要的溫室氣體 390 0.00048

Total : 30% (~100-200 TgCH4/year) Natural Sources OF CH4 Wetlands Oceans Hydrates Wild ruminants Termites + Total : 30% (~100-200 TgCH4/year) www.geo.uu.nl/Research/Geochemistry/jack/Methane.ppt

Anthropogenic Sources Agriculture (ruminants) Waste disposal Biomass burning Rice paddies + Total : 70% www.geo.uu.nl/Research/Geochemistry/jack/Methane.ppt

甲烷水合物 Methane Hydrates Burning ice: A melting lump of methane hydrate. As the hydrate dissociates, methane is released to feed a constant flame ("burning ice") while the escaping water drops off. World-wide distribution of marine and terrestial gas hydrate occurrences. Enormous amounts of gas hydrate were found in arctic regions of permafrost (green dots) and at submarine continental slopes revealed by seismic methods (red dots) or direct sampling (blue dots). 推薦小說：群 Yrr

主要的溫室氣體

大氣不同氣體的輻射吸收帶 (圖片來源：Ahrens，p.38，Fig. 2.11) 氧化亞氮 甲烷 吸收率 氧與臭氧 水氣 二氧化碳 大氣的所有氣體 大氣不同氣體的輻射吸收帶 (圖片來源：Ahrens，p.38，Fig. 2.11)

金星、地球、火星的大氣溫室效應 表4-1：金星、地球、火星的大氣溫室效應(來源：IPPC,1990)

水氣+二氧化碳 水氣 水氣+二氧化碳+臭氧 水氣是最重要的溫室氣體！

地球-大氣間的能量平衡示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.41，Fig. 2.13) 實際上能量的平衡，除了輻射能量以外，還有其他因素 地球-大氣間的能量平衡示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.41，Fig. 2.13)

輻射平衡下之大氣溫度垂直分布(虛線)及標準大氣溫度垂直分布(實線) (圖片來源：Wallace and Hobbs, 1997) 有大氣運動 沒有大氣運動 輻射平衡下之大氣溫度垂直分布(虛線)及標準大氣溫度垂直分布(實線) (圖片來源：Wallace and Hobbs, 1997)

氣體分子及小的懸浮微粒 • 氣體分子及小懸浮微粒--對波長愈短的入射波，散射愈厲害，對長波影響比較少 （Raleigh scattering) •例如：可見光的藍色波段比紅色波段更容易被大氣層散射 藍天--當我們望向天空(本來無色)，到處充滿被散射的藍光 黃昏時太陽成橘紅色--黃昏時當我門望向太陽，由於陽光中較短波長的可見光多被散射，到達我們眼睛的陽光中紅光含量最多 （以上解釋適用於晴天）

瑞立散射：顆粒小於可見光波長 散射強度與波長的四次方成反比

大懸浮微粒、小水滴 --大懸浮微粒、小水滴對每一波段產生均勻散射，所以天空呈現灰色 (Mie scattering) --此情況常見於天氣不好時，空氣污染嚴重時 米氏散射：顆粒大於可見光波長

臭氧濃度

其他行星的大氣溫度結構 金星 地球 http://hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course/index.htm

木星 土星

海王星 天王星

火星

大氣壓力隨高度變化 (圖片來源：Ahrens，p. 9，Fig. 1.8)

大氣壓力和空氣密度隨高度變化 (圖片來源：Ahrens，p.8，Fig. 1.7)

地球-大氣系統的輻射收支

平衡狀況(1) 太陽短波輻射(100個單位) --氣體（H2O，O3…）吸收：16 雲吸收：3 --散射回至太空：6 雲反射：20 地面反射：4 --地面吸收：51

平衡狀況(2) 長波輻射(進入太空的量) --地面發射：21 其中15為氣體吸收，只有6進入太空 --大氣發射：38 --雲發射：26  

平衡狀況(3) 對大氣而言 --吸收 = 16 （大氣：短波）+ 3（雲） + 15 （大氣：長波） = 34 --放射 = 38（大氣） + 26 （雲）= 64 所以損失30個單位的能量 此30個單位的能量--由對流及熱傳導由地面傳入大氣

雲的影響

Climate feedbacks Snow/ice albedo feedback Water vapor feedback IR flux temperature feedback

作業二 Chapter 3: Review Questions 5, 8, 12 Critical-Thinking Problem: 5, 6 繳交日期: 3/19, 下午五點之前