2013年3月1日

對流層大氣能量的主要來源

作者/洪逸文(任教師大附中地球科學科)

「在對流層內氣溫會隨高度增加而降低」, 這個概念對於許多高中生而言,幾乎是一件天經地義的事情。可是當被問到為何離地越高氣溫會越低時,他們通常直接回答:「因為高空空氣較稀少」,這個答案就有點似是而非。如果再繼續追問下去,他們常常就是詞窮,無法再進一步解釋為何空氣稀少氣溫就會較低。如果換個方向來問這個問題,即「對流層大氣的能量主要是受太陽輻射或地球輻射的直接影響?」他們通常會直接回答:「太陽輻射」,因為白天有太陽,所以氣溫會較夜晚來得高。但再仔細一想,你會發現這個答案也是大有問題的,因為如果你去爬高山,到了離太陽較近的山頂,氣溫卻是較低。那對流層大氣的能量究竟主要是來自哪裡呢?

在深入討論這個問題之前,讓我們先回想一下最常見的大氣分層方式,從下到上分別是:對流層、平流層、中氣層與增溫層。那離地表最近為何被稱為「對流」層呢?那是因為對流層大氣中有許多上、下對流的垂直運動,發生垂直對流的原因則來自較底層大氣的溫度較高。那麼較底層的大氣為何有較高的溫度呢?要深入、仔細地回答此問題,我們就要使用《氣候變遷2007》 (Climate Change 2007)書中有一張更詳盡的圖來解釋(圖一),同時還得配合地球系統的概念才能深入探討其原因。


圖一:地球系統的能量收支示意圖。(修改自Climate Change 2007)

乍看之下,這張圖非常複雜,但如果你將圖分成左、右兩邊,就可以發現左邊最主要是闡明太陽輻射的變化,右邊則是地表輻射。如果想再進一步深入了解,則需利用地球系統的觀念,將上圖分解成三部分:首先是將地球視為一個整體的系統,包含大氣層頂以下到地表之上,即是 I區;其中又包含兩個子系統,分別是大氣(II區)與地表(III區)。整體而言,地球系統主要的能量來自太陽輻射,而兩個子系統除了會吸收部分的太陽輻射外,還會把部分的太陽輻射直接反射回到外太空。此外,兩個子系統也都會發出長波輻射,將能量傳遞到太空,整體地球系統因而能保持能量平衡,然而這一部分也是學生最容易產生迷思概念的地方。底下將分別就這三區的能量收支情形詳細討論。

就整體地球系統(I區)而言,能量的收支情形如下:
收入的部份:
太陽輻射的總量是342 Wm-2。支出的部份:整體直接反射的太陽輻射總量是107 Wm-2,其中77 Wm-2來自雲、氣溶膠 (或稱懸浮微粒)與大氣氣體的反射,另外30 Wm-2是來自於地表的反射。這兩部分反射的比率約佔太陽入射總量的30%,這個數值亦稱為地球的反照率(albedo)。

另外,地球系統整體往外的長波輻射總和是235 Wm-2,其中來自雲與大氣所發射的長波輻射分別是30與165 Wm-2,另外地表發射直接穿透大氣的紅外線輻射有40 Wm-2。因紅外線中某些波段的輻射不會被大氣吸收,亦即大氣對這些波段是透明的,所以這些波段又被稱為「大氣窗」(Atmospheric Window),通常落於在3.7和11微米附近。

所以對整體地球系統而言,能量收支情形為:342 = 107 + 235,可達到收支平衡。

對大氣子系統部分(II區)而言,能量的收支情況如下:
收入的部份:
來自太陽輻射67 Wm-2;來自地表的熱傳播與水氣蒸發所攜帶的潛熱分別是24與78 Wm-2;但來自地表發射的長波幅射是350 Wm-2,而非390 Wm-2,這是因為扣掉直接穿透大氣窗的40 Wm-2。

由此可知,大氣所吸收的太陽輻射量,不如想像中得多,這是因為太陽輻射主要是落在可見光波段,而大氣幾乎不吸收0.4~0.7微米波段的可見光。太陽輻射進入大氣後會先被高層大氣的氮、氧分子吸收,這些分子會光化解離成原子狀態。此外,這些分子或原子狀態的氮、氧會吸收波長短於0.2微米的紫外線,再進一步變為電離狀態,這也是大氣電離層的來源。波長在0.2~0.3微米間的紫外線幾乎會被平流層的臭氧完全吸收。而相當多的近紅外線波段(0.7~3微米)的太陽輻射,則會被大氣中的水氣、二氧化碳和雲所吸收,而造成這些分子的振動和轉動躍遷。這些被吸收的太陽紅外線波段輻射能量,不僅會使得大氣產生增溫的現象,再次釋放出來後,一樣會使得低層大氣與地球表面變暖,這也是大氣溫室效應的部分能量來源。

支出的部份:
整體大氣往外發射的長波輻射總量是165 Wm-2,雲發射的長波輻射是30 Wm-2。最後大氣還有324 Wm-2的長波輻射返回地表。由於大氣本身具有溫度,會往外輻射出紅外線的長波輻射。「往外」輻射指的是往大氣子系統以外,意即往太空與地面發射紅外線,但由於絕大部分的氣體會集中在地表附近,所以往地面的輻射量會比往太空來得多。

所以對大氣子系統而言,能量收支情形為:67 + 24 + 78 + 350 = 165 + 30 + 324,也是達到收支平衡。【更詳細的內容,請參閱第519期科學月刊】

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