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第二章：地球的能量與溫度 大氣熱傳過程:傳導、對流、輻射 太陽輻射與大地輻射 地球與大氣和太空間之能量平衡; 地球表面和大氣間之能量平衡
溫室氣體與溫室效應 季節的成因
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一些問題 地球表面平均溫度為何年與年間的變化非常小?近年來全球增溫問題愈來愈嚴重,請問這個問題產生的緣由為何?
什麼是輻射平衡溫度?地球之輻射平衡溫度和實際觀測之地球平均溫度相差超過30°K,為什麼呢? 什麼是溫室氣體?什麼是選擇性吸收體?什麼是大氣窗區?
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名詞解釋 溫度(temperature):分子或原子平均移動速度(動能)之量度.一般而言高溫對應有較快速度的分子或原子.
熱(能)(heat):有溫度差之兩物體, 從某一物體傳送至另一物體的能量稱之. 在地球大氣,這種能量傳送過程包括:傳導(conduction),對流(convection),輻射(radiation). 可感熱(sensible heat):可以用溫度計量度之熱. 潛熱(latent heat):一個物體,當改變其相態,所需要釋出或吸收之熱能稱之.
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名詞解釋 傳導:在一物體內,分子和分子間熱傳送過程稱之.其熱傳導速率和物體之分子結構有關.空氣的熱傳導是非常差的.在靜風情況地表受熱增溫大氣僅有接近地表數公分之大氣受到影響. 熱泡 (thermal) 為一種大氣熱對流, 可以很有效的將地表的熱量帶入近地表的大氣中。 不同物質的熱傳導係數顯示分子運動的特性 對流:流體的移動(風)所造成的熱傳送過程稱之.前者被加熱空氣會膨脹,變的比較輕,得以上升(形成熱泡thermals);周圍未被加熱空氣,相對較冷,會下沉(或流入填補上升之空氣). 輻射:能量從一物體傳遞至另一物體,但卻不會加熱兩物體間之空間的熱傳送過程稱之.
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輻射 地球大氣最重要的能量傳遞方式是經由電磁輻射。電磁輻射以光速 (2.99 x 108 m s-1)在大氣中傳播,其中C = f。為波長,f為頻率. 當電磁輻射通過某一物體時會被穿透、吸收、或散射。物體對電磁輻射的反應是物體本身的基本物理特性。 當物體分子吸收某一波長之電磁輻射, 此物體也將以同一波長往外發射電磁輻射. 發射量的大小與物體的溫度和波長有關 (Kirchhoff’s law) E(T, ). 若一物體吸收且發射所有波長之電磁輻射, 此物體稱之為黑體(black body).
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太陽輻射Solar radiation 太陽輻射到達地球大氣頂之電磁波譜各波段名稱以及各波段電磁輻射能所佔百分比。紅色曲線代表溫度為接近6000°K之黑體輻射譜, 曲線下面積為總輻射能量,黑體之總輻射量與物體溫度四次方成正比 I = T4, 此為史蒂芬包茲曼定律,其中史蒂芬包茲曼常數 =5.67 x 10-8Wm-2°K-4 ,另外黑體輻射最大輻射強度所在波長與溫度成反比, 此關係稱之韋恩位移定律, max = 2897/T ,太陽輻射最大之波長大約在0.475m 相當於藍色光,利用韋恩位移定律可知太陽的“色溫”約為6100°K.
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太陽輻射與大地輻射 solar and terrestrial radiation
由韋恩位移定律可知太陽輻射集中在可見光和近紅外光, 而大部分的行星和他們的大氣之輻射都集中在紅外光,兩者幾乎沒有重疊. 因此在處理輻射問題時, 兩者可以分開處理. 又分別稱之為短波輻射和長波輻射.
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The Sun 太陽 The nature of sunspots was put on firmer physical grounds at the beginning of the 20th century, when it was determined spectroscopically that sunspots were the seat of strong, concentrated magnetic fields. The image on the right is a magnetogram. Magnetograms are synthetic images constructed by measuring the magnetic field along the line of sight at a given location on the solar surface, and assigning a color according to the field strength; the pink-red-yellow sequence corresponds to increasingly strong positive normal magnetic field component, or magnetic fieldlines pointing away from the Sun, and the purple-blue-light blue sequence to increasingly strong negative field, i.e. magnetic fieldlines pointing into the Sun. Upon comparing this magnetogram to the Calcium image on the left, one sees that regions of strongest magnetic fields (yellow and light blue on the magnetogram) always coincide with sunspots.
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太陽常數與輻射平衡 太陽常數(solar constant)，又稱總太陽輻射强度(total solar irradiance=TSI):單位時間單位面積地球大氣頂所接收到的太陽輻射強度 S0 = 1368 W m-2 (accuracy of 0.2%). 假如沒有其他熱傳送過程,當地球和大氣所吸收之太陽輻射量等於地球和大氣所發射的長波輻射量,此時稱地球和大氣系統達到輻射平衡(radiative equilibrium)狀態.
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地球之相當黑體溫度(equivalent blackbody temperature)
150M Km 假設地球之行星反照率為0.3。 假設地球處於輻射平衡狀態，因此沒有淨輻射能量收支。 So • Re2 (1- A) = Ei • 4 Re2 TE4 = Ei TE : 輻射平衡溫度radiative equilibrium temperature
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地球大氣之輻射效應 選擇性吸收體 大氣溫室氣體 大氣窗區 行星反照率
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大氣溫室效應 太陽在白天加熱地表,而地面白天和晚上都不斷發射紅外線輻射。(a)接近地表若有水汽,二氧化碳和其他溫室氣體將吸收地表發射之紅外線輻射,並再發射回地面,此一過程使地表溫度可以維持在15°C。(b)當沒有水汽,二氧化碳或其他溫室氣體存在大氣中時,地表仍不斷發射紅外線長波輻射,地表溫度要較現在低很多。
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太陽輻射在地球和大氣的分布 平均而言，每年入射地球的太陽輻射約30 %由地球和大氣反射和散射回太空（地球之行星反照率0.3），19 %被大氣選擇性吸收，51 %被地表吸收。
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地球-大氣系統之能量收支與平衡 數字的絕對值並不重要,注意他們之間相對大小.
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季節與太陽輻射 左圖, 地球繞日的橢圓軌道，地球在1月比7月靠近太陽。
地球的季節主要受太陽輻射變動的影響, 影響太陽輻射強度的因素主要為日照角度和日照時間. 太陽光斜射時,所照射面積較直射大,但能量強度較小.
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Sun-Earth relationship 日地關係與季節
夏季太陽直射北半球，日射必須經過較厚的大氣才能到達較高緯度地區(光程)。 地球自轉軸和繞日軌道有23.5度的夾角，六月時北半球較傾向太陽，接收較多的日射，白天較長，故天氣較暖，十二月則相反。
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Daylight hours 日照時間
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輻射平衡與緯度 年平均地球與大氣隨緯度變化之入太陽輻射和出紅外輻射分布。淨輻射過程使得地球高緯度地區愈冷, 彽緯度地區愈熱, 大氣變的更加不穩定。 北半球中緯度地區因太陽位置隨季節的改變對於局部地區生活的影響。例如冬季向南的房子有較多的日照。
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氣溫的日變化 氣溫的日變化主要受地表日夜溫差的影響，而地表溫度的日變化和入太陽輻射以及出地球能量兩者差值有關。
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高溫低溫之世界紀錄
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局部地形對氣溫的影響 在寒冷無風的夜晚，冷空氣沉澱在山谷，造成谷底較斜坡冷的情形。在中緯度此較暖的斜坡區稱之為『溫度帶』(thermal belts), 可避免農作物遭霜害或凍傷。 果樹加熱器透過對流使上下空氣循環，加熱地表溫度。混合下冷上暖空氣的風機。
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近海平面一月(左)和七月(右)全球氣溫分布
決定某地氣溫的控制因子包括緯度、海陸分布、洋流、以及離海平面高度。
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日均溫與年均溫
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加熱日 heating degree-day：低於65oF; 冷卻日 cooling degree-day：高於65oF; 穀物生長日 growing degree-day：不同穀物有不同基本氣溫
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氣溫與舒適度 感覺溫度 Sensible temperature 風寒因子 wind chill factor
風寒相當溫度 wind chill equivalent temperature 凍瘡 frostbite 體溫過低 hypothermia
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氣溫的量度
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