溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

Radiation (輻射) 任何大於絕對零度之物體皆有輻射 輻射之波長主要取決於物體之溫度,波長服從 Wien’s law,λ=constant/T 物體產生之總輻射能與溫度四次方成正比(Stefan- Boltzmann Law),即 E=σT4 Radiation (輻射) FIGURE 2.6 Radiation characterized according to wavelength. As the wavelength decreases, the energy carried per wave increases.

The Sun’s electromagnetic spectrum FIGURE 2.7 The sun’s electromagnetic spectrum and some of the descriptive names of each region. The numbers underneath the curve approximate the percent of energy the sun radiates in various regions.

高能量之有害電磁波被隔絕於大氣層之外 進入平流層之太陽輻射主要為

FIGURE 2.8 The hotter sun not only radiates more energy than that of the cooler earth (the area under the curve), but it also radiates the majority of its energy at much shorter wavelengths.(The area under the curves is equal to the total energy emitted, and the scales for the two curves differ by a factor of 100,000.)

太陽輻射能的吸收 reflected: atmosphere: earth=3:2:5 單位:Solar constant =3.42W/m2 FIGURE 2.13 On the average, of all the solar energy that reaches the earth’s atmosphere annually, about 30 percent(30 ⁄ 100) is reflected and scattered back to space, giving the earth and its atmosphere an albedo of 30 percent. Of the remaining solar energy, about 19 percent is absorbed by the atmosphere and clouds, and 51 percent is absorbed at the surface. reflected: atmosphere: earth=3:2:5

地球-大氣的熱收支平衡(所有緯度平均) Gain=Loss at any layers Green house effect 總收入=70 總支出=70 總收入=160 Green house effect 總支出=160 FIGURE 2.14 The earth-atmosphere energy balance. Numbers represent approximations based on surface observations and satellite data. While the actual value of each process may vary by several percent, it is the relative size of the numbers that is important. 總支出=147 總收入=147

緯度別之年總輻射熱收支比較 by atmospheric and oceanic circulations) 收入(太陽輻射) 支出(地球輻射) 緯度別之年總輻射熱收支比較 by atmospheric and oceanic circulations) FIGURE 2.21 The average annual incoming solar radiation (red line)absorbed by the earth and the atmosphere along with the average annual infrared radiation (blue line) emitted by the earth and the atmosphere.

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

selective absorbers 大氣充滿selective absorbers,幾乎不吸收太陽的短波輻射,卻選擇性吸收地球的長波輻射(紅外線),阻擋大氣熱能的逸散,使大氣溫度提高,稱為溫室效應(greenhouse effect) sun earth FIGURE 2.9 Absorption of radiation by gases in the atmosphere. The shaded area represents the percent of radiation absorbed. The strongest absorbers of infrared radiation are water vapor and carbon dioxide.

大氣窗(atmospheric window): 8~11μm範圍是被吸收最少的波長範圍,好像大氣被開了一扇窗,在此波長範圍的地球長波輻射能透過扇窗返回太空 夜間地面溫度多雲時較無雲時來得溫暖,日間多雲阻擋了太陽輻射熱,降低了地面的溫度,故雲的存在降低了日夜的溫差

大氣分子吸收不同波長之太陽輻射能量,使地表溫度平均升高了33攝氏度 這些加溫的氣體通稱為溫室氣體 紅外線大氣窗8~12 um (Infrared Windows) (圖取自Graedel and Crutzen, 1995)

Radiative equilibrium Absorption =Emission 若無大氣,地球輻射平衡溫度(radiative equilibrium temperature) =255°K (-18°C) selective absorbers 將大氣溫度提升至288°K (15°C)。

影響最大的溫室氣體是水汽，它貢獻了60%的溫室效應，不僅決定了大氣溫度的垂直分布，也創造了溫暖的地球氣候。相對而言，二氧化碳只是使氣候變得更暖和。

列入減量規劃之溫室氣體 1. 二氣化碳(CO2) 2. 甲烷(CH4) 3. 氧化亞氮(N2O) 4. 氫氟碳化物(HFCS) 5. 磷氟碳化物(PFCS) 6. 六氟化硫(SF6) 由於水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大,因此進行規劃減量措施規劃時, 一般都不將這兩種氣體列入考慮。

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

溫室氣體(1): CO2 (carbon dioxide) Year=1998 65年 /年

溫室氣體(2): CH4 (methane 甲烷) Year=1998

溫室氣體(3): N2O (nitrous oxide 氧化亞氮, 笑氣) Year=1998 /年

溫室氣體的另一個特性是它們在大氣中停留的時間(亦即，生命期)相當的長: 這些氣體一旦進入大氣，幾乎無法回收，只有靠自然的過程讓它們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期，溫室氣體的影響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣的二氧化碳分子，在它長達100年的生命期中，有機會遨遊世界各地，影響各地的氣候。即使，人類立刻停止所有的人造溫室氣體的排放，從工業革命之後，累積下來的溫室氣體仍將繼續發揮它們的溫室效應，影響地球的氣候。 CO2 CH4 N2O CFC-11 HFC-23 CF4 工業革命前 280 ppm 700 ppb 270 ppb 40 ppt 2015 > 400 ppm 1745 ppb 314 ppb 268 ppt 14 ppt 80 ppt 累積速率 1.5 ppm/yr 7.0 ppb/yr 0.8 ppb/yr -1.4 ppt/yr 0.55 ppt/yr 1 99ppt/yr 存活週期 5~200 yr 12 yr 114 yr 45 yr 260 yr >50,000yr

一萬年來大氣溫室氣體變動 南極冰蕊紀錄 and 近年儀器測量值 (IPCC 2007) 5000 0 Time (before 2005)

目前大氣CO2及CH4濃度遠高於65萬年來任何一時期 IPCC 2007

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

目前大氣CO2及CH4濃度遠高於80萬年來任何一時期 IPCC 2013

溫室氣體與大氣溫度的高度相關性

溫室氣體與大氣溫度的高度相關性

各種溫室氣體輻射作用量(Radiative forcing)所佔比例 (IPCC 1995) CO2 : CH4 : NO2 : CFCs 1 : 21 : 206 : 103~104 單一分子之溫室效應

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

懸浮微粒(Aerosol ) 懸浮微粒(Aerosol) 懸浮微粒： 飄浮在空氣中的微小顆粒( 直徑在0.001～10μm之間 )的總稱，有自然及人造的。 自然懸浮微粒：有火山灰、塵灰( soil dust；大部份產自北非及亞洲的沙漠地區 )、海鹽懸浮微粒( sea salt aerosol )等。 人造懸浮微粒：有工業灰塵( industrial dust；大多為燃燒不完全產生的雜質 )，煤煙( soot )，硫酸鹽( sulfate )及硝酸鹽( nitrate )懸浮微粒等。

人類健康的殺手： 細懸浮微粒(PM 2.5)

北京霧霾

北京霧霾

香港霧霾

台北霧霾

人類健康的殺手：細懸浮微粒(PM 2.5) 來源：FB社團 (PM2.5 自救會：資訊應公開，拒絕髒空氣) https://www.facebook.com/pm2.5taiwan

人類健康的殺手：細懸浮微粒(PM 2.5) 來源：FB社團 (PM2.5 自救會：資訊應公開，拒絕髒空氣)

找到元凶了！！！

埔里竟然是受PM2.5汙染最嚴重的城市！

空氣污染指標 PSI 空 氣 污 染 指 標 為 依 據 監 測 資 料 將 當 日 空 氣 中 懸 浮 微 粒 (PM10)( 粒 徑 10 微 米 以 下 之 細 微 粒 ) 、 二 氧 化 硫 (SO2) 、 二 氧 化 氮 (NO2) 、 一 氧 化 碳 (CO)  及 臭 氧 (O3) 濃 度 等 數 值 ， 以 其 對 人 體 健 康 的 影 響 程 度 ， 分 別 換 算 出 不 同 污 染 物 之 副 指 標 值 ， 再 以 當 日 各 副 指 標 值 之 最 大 值 為 該 測 站 當 日 之 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) 。 污 染 物 濃 度 與 污 染 副 指 標 值 對 照 表 如 下 ：

空氣污染指標 PSI 空 氣 污 染 指 標 為 依 據 監 測 資 料 將 當 日 空 氣 中 懸 浮 微 粒 (PM10)( 粒 徑 10 微 米 以 下 之 細 微 粒 ) 、 二 氧 化 硫 (SO2) 、 二 氧 化 氮 (NO2) 、 一 氧 化 碳 (CO)  及 臭 氧 (O3) 濃 度 等 數 值 ， 以 其 對 人 體 健 康 的 影 響 程 度 ， 分 別 換 算 出 不 同 污 染 物 之 副 指 標 值 ， 再 以 當 日 各 副 指 標 值 之 最 大 值 為 該 測 站 當 日 之 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) 。

Ｐ Ｓ Ｉ 值 與 健 康 影 響

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

懸浮微粒對氣候變遷之作用 影響氣候最大的懸浮微粒的直徑大約在 0.1～1μm之間，對響太陽輻射作用的主要影響為冷卻作用： -懸浮微粒所在的高度附近氣溫可能升高，其他區域則變冷，主要為冷卻作用，對大氣輻射的淨效應與溫室氣體相反(煤煙除外) 。 -造成雲內雲滴數增加，雲滴尺寸偏小，不易形成降雨， 雲的生命週期變長， 太陽反照率增加 。 (世界各地沙塵暴作用的增加，大量輸送沙塵至海洋，對海洋產生施肥作用，進而增強海洋生物之光合作用，吸收吸收更多的CO2，減緩溫室效應)

自然懸浮微粒(沙塵) Total Aerosol Optical Depth

自然懸浮微粒(沙塵) Radiative forcing(W/m2)

自然懸浮微粒(火山爆發) 火山爆發向大氣注入大量的火山灰外，以及H2O, CO2及SO2

1991/6皮納度波火山爆發將大量之SO2注入平流層 1991/9高層大氣研究衛星測量到的SO2濃度分布 單位體積百萬分比(ppmv) 1991/6皮納度波火山爆發將大量之SO2注入平流層 1991/9高層大氣研究衛星測量到的SO2濃度分布

溫室氣體與懸浮微粒的差異 溫室氣體產生溫室效應，懸浮微粒產生冷卻效應。 溫室氣體具有長生命期，懸浮微粒生命期很短。 溫室氣體的分布是均勻、全球性的，懸浮微粒的分布卻是不均勻、區域性的。

溫室氣體與懸浮微粒分佈與高度之關係 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Aerosols

人造硫酸鹽懸浮微粒之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992) 單位=W/m2 人造硫酸鹽懸浮微粒之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

單位=W/m2 二氧化碳之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

單位=W/m2 前兩者總和之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

變暗的地球 (60~90年期間) 美國哥倫比亞大學的氣候學家李伯特（Beate Liepert）和同事的另一種分析結果則顯示，1961~90年間的太陽輻射減弱率為每10年1.3%，且在北美洲減弱的程度最大。這相當於在地表每平方公尺的面積內，總共減少了高達18瓦特的太陽輻射，而到達地球表面的太陽輻射大約不過只有每平方公尺200瓦特左右而已。此現象被稱為「全球漸暗」的「日光減弱」現象。科學家認為這是60~90年全球氣溫變冷的重要原因。

變暗的地球 (60~90年期間) 令一些科學家相當意外的，他們發現抵達地表的陽光在60~90年期間變弱了。然而這並非只意味著太陽變暗了，也是地球大氣污染物和懸浮微粒造成的結果。 史坦希爾與科恩察覺到的日光減弱速率，在1958~92年之間，每10年高達2.7%。換句話說，這相當於抵達地表的太陽輻射，每年在每平方公尺的面積內減少了0.5瓦特之多，或是抵消了地球大氣中二氧化碳所造成的暖化作用的1/3大小。

溫室氣體與懸浮微粒 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒與空氣汙染 懸浮微粒對氣候的影響 輻射作用量

輻射作用量(radiative forcing)：指大氣特性(如二氧化碳含量、雲量等)有所變化時，相對應的淨輻射的改變量。 在不受異常干擾(Ex.空氣污染，火山爆發)的情況下，地球大氣應處於輻射平衡狀態，亦即淨輻射量為零(放射的輻射量等於吸收的輻射量)。 一旦不平衡，地球大氣的溫度勢必升高( 如果，淨輻射量為正 )或降低( 如果，淨輻射量為負 )，直到調整至另一個輻射平衡的溫度。

收入 溫室效應 支出 安全閥 (異常氣候or災難)

Summary 人造溫室氣體產生的溫室效應在許多地區因為懸浮微粒的冷卻效應，可能被低估了。 假設人類立即停止燃燒化石燃料，懸浮微粒含量將立即下降至自然含量，地球暖化反而可能加劇。 科學家對懸浮微粒輻射作用量的大小了解較少，較不確定它對氣候的淨效應。任何一個區域內的懸浮微粒冷卻效應所引發的大氣擾動，也可能影響到其他地區的氣候。 根據衛星觀測資料，雲的輻射作用量為-17Wm-2，雲量的些許變化所造成的輻射作用量與溫室氣體的溫室效應相當( 過去100年為2.45 Wm-2)。低雲傾向於冷卻對流層，但高雲則具增溫作用。如果二氧化碳加倍，大氣中的水汽含量可能增加，雲的分布會有何種變化將是關鑑。

物理吸收、物理吸附、低溫冷凝及薄膜分離法 溫室氣體回收與隔離 CO2回收技術 物理吸收、物理吸附、低溫冷凝及薄膜分離法 CO2海洋隔離技術(物理吸收) - 直接注入法、鐵肥施肥法…..

可能為生物的調節(浮游植物大量發生)