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Lecture 4: 溫室氣體及懸浮微粒
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為何只有地球氣溫適合生物生存？ 可能原因：
適當的日地距離？ 溫室效應？
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Rare Earth: Why complex life is uncommon in the Universe
延伸閱讀：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 本書所探討的主題，橫跨地質學、古生物學、演化論、天文與天體生物學等領域，透過作者旁徵博引、精采而嚴謹的論證，我們得以上天下地，認識深至地球海底火山口的熱泉、遠至木星長年冰封的木衛二表面，去探索其中的生命痕跡，並對自身的存在與所生存的大環境，有更廣闊且更深刻的理解與體會。
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太陽輻射 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
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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
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電磁波示意圖
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Electromagnetic spectrum diagram
Source:
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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，輻射線頻率較低，波長較長，例如：紅外線
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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 涵蓋波長範圍包括紫外射線、可見光、紅外線、微波、電視及電台波段 --最大能量強度集中在可見光
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太陽短波輻射和地球長波輻射 (圖片來源：Ahrens, p. 34, Fig. 2.8)
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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」！
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可見光(3) 人類眼球結構的發展顯然與太陽輻射分佈有關。如果人類是穴居動物，我們的「可見光」可能就必須定義在紅外線波段！
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淺談紫外線 紫外線一般分為 UV-A（波長 nm）、 UV-B（波長 nm）及 UV-C（波長 nm）三種。 1 nm = 10-9 m) UV-A 雖不致引起急劇的傷害，但因到達地表的輻射量佔高達98.9% ，長久曝曬下會導致皮膚老化、皺紋及白內障等，且會穿透玻璃進入室內。 UV-B 比 UV-A 強，雖然到達地表的輻射量僅佔 1.1% ，但對人體與生物的傷害力最為顯著，不僅會引起皮膚曬黑與曬傷，且較容易誘發皮膚癌、引發眼球傷害與免疫系統的疾病、降低植物的生長及危害動物的健康等。 UV-C 是最強的紫外線，具有致命性，但對地球的生物卻無影響。(因 UV-C 會被大氣層中的臭氧與氧所吸收而使其到達地球表面的輻射量幾乎為零)
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認識黑體輻射(Black-body radiation)
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
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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: Eλ隨波長變化而變化的規律，可用普朗克定律(Planck’s law)描述： λ：波長(m)，T：溫度(K) 兩個常數: C1=3.74×10-16 W m2， C2=1.44×10-2 m K
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? ? ? 黑體在不同溫度下所輻射出的能量頻譜
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韋恩定律(或汾因定律)(Wien’s law)
微分普朗克定律，就可求得發射能量峰值的波長λmax 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
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史蒂芬-波玆曼定律 若對普朗克定律積分，則得到史蒂芬-波玆曼定理(Stefan-Boltzmann law)： E =σ T 4
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!!
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太陽短波輻射和地球長波輻射 (圖片來源：Ahrens, p. 34, Fig. 2.8)
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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(short wave radiation)，地球輻射為長波輻射(long wave radiation)、地表輻射(terrestrial radiation)或紅外輻射(infrared radiation)
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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 假設地球沒有大氣層 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)
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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!）
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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? 這是太陽公公 ↗
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！
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溫室效應示意圖
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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
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One-layer Atmospheric model
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 = 2Te4 Ts = 21/4Te 如果Te = 255K Ts = 303K
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主要的溫室氣體
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大氣不同成份氣體的輻射吸收帶 (圖片來源：Ahrens，p.38，Fig. 2.11)
氧化亞氮 甲烷 氧與臭氧 吸收率 水氣 二氧化碳 大氣的所有氣體 大氣不同成份氣體的輻射吸收帶 (圖片來源：Ahrens，p.38，Fig. 2.11)
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金星、地球、火星的大氣溫室效應(來源：IPCC,1990)
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distance + albedo + greehouse
Global Temperature distance + albedo + greehouse distance only distance + albedo
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水氣+二氧化碳 水氣 水氣+二氧化碳+臭氧 在對流層,水氣是最重要的溫室氣體！
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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）
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“Those who have seen the green flash will never err in the matters of love.”
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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
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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
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淨效應?
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臭氧濃度
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金星的大氣溫度結構
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火星的大氣溫度結構
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木星的大氣溫度結構
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土星的大氣溫度結構
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海王星的大氣溫度結構
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天王星的大氣溫度結構
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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)
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行星能量平衡準則: 長期平均後, 大氣層頂處, 淨向下太陽輻射通量 = 淨向上行星長波輻射
平衡狀況: 太陽短波輻射(100) 氣體吸收:16 雲吸收: 3 被空氣散射回太空: 6 被雲反射:20 被地面反射: 4 地面吸收:51 出去短波 (c) 對大氣而言: 吸收 = = 34 放射 = = 64 不夠的量 = 30 (b) 長波輻射(進入太空的量) 地面放射:21 (其中15被氣體吸收, 只有6直接進入太空) 大氣放射:38 雲放射:26 出去的長波輻射 行星能量平衡準則: 長期平均後, 大氣層頂處, 淨向下太陽輻射通量 = 淨向上行星長波輻射
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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)
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雲的影響
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Climate feedbacks Snow/ice albedo feedback Water vapor feedback
IR flux temperature feedback
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用同位素18O含量來判斷溫度（氣候）變化 海洋浮游生物遺骸（ CaCO3 ）含 18O，沈積於海底，分析海底沈積物中18O的含量，可以判斷溫度變化。 因為： 海水越冷， 18O越能留在CaCO3中。因此， CaCO3中 18O / 16O （ 18O）比例越高。 H216O 比較容易從海面蒸發至大氣。 H218O 比 H216O 容易凝結，因此降水中的 18O 含量比 16O高。
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冷期：較多的18O在海中，浮游生物遺骸含較多的18O; 相反地，較多的16O在冰層中
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南北溫差大，大氣環流較強，砂石傳送量較大 冰芯含砂量較多
另一種方法：冰芯中的含砂量 冷期： 較乾旱 南北溫差大，大氣環流較強，砂石傳送量較大 冰芯含砂量較多 現象：冷暖期的轉換只需幾十年。 ，砂石傳送量較大
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人造硫酸鹽懸浮微粒含量的分布圖
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結論1 溫室氣體的影響長遠而且是全球性的，懸浮微粒的影響則是短暫而且是區域性的。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。在此種情況下，出現了一種吊詭的可能性。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，它的冷卻效應也將停止作用；而以往遺留下來的人造溫室氣體仍舊繼續發揮其溫室效應，暖化地球。在此種情況下，我們無法排除地球暖化反而加劇的可能性。 科學家不僅不確定懸浮微粒輻射作用量的大小，更不確定它對氣候的淨效應。即使，溫室氣體的溫室效應恰好與懸浮微粒的冷卻效應平衡，淨輻射作用量為零。它們對氣候是否就毫無影響﹖答案是否定的。因為氣候的運作並不取決於全球淨輻射量的大小。任一地區，因為能量不平衡產生的擾動都可能影響全球氣候。譬如，青康藏高原在夏季是北半球的一個大熱源，它的影響遍及世界各地。同樣的，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。
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結論2 科學家懷疑近百年來全球平均溫度的上升與溫室氣體含量增加有關。理論上，這當然是可能發生的。但是，若從嚴謹的科學角度看，我們可以輕易發現許多令人迷惑之處。譬如，本章中提到的懸浮微粒的冷卻作用，它到底有多強﹖淨效應為何﹖又如，如果比較18世紀以來的溫室氣體含量與全球平均溫度的變化曲線，我們發現兩者雖然大趨勢類似，卻有許多不一致的細節。比如，工業革命以後，大氣二氧化碳含量就快速增加，但是為何溫度在19世紀末才明顯上升？小冰期這一自然的氣候變遷有何影響﹖又如，1950年代以來，溫室氣體含量增加速率更快，但為何 年代的溫度偏低？ 另外氣候是由數不清的物理過程交互作用而形成的。目前，科學界對許多問題仍不甚了解。根據衛星觀測資料，雲的輻射作用量為-17Wm-2。亦即，如果沒有雲，氣候可能更暖。雲量的些許變化所造成的輻射作用量就已經與溫室氣體的溫室效應相當( 過去100年為2.45 Wm-2)。近10年來，經由衛星觀測，科學界對雲/輻射關係的了解與日俱增，但仍有限。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，那麼雲的分布會有何種變化呢﹖不同雲類的增減，對氣候可能有完全不同的影響。而雲的影響只是諸多我們不甚了解的物理過程之一。
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臺北暖夜90%
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臺北熱日90%
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臺北日較差
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