第五課：大氣能量傳遞。
一、前言：關於能量的傳遞，它須遵守下列定律：
1. 熱力學第一定律：又稱能量守恆定律，即熱力系內物質的能量可以傳遞，其形式可以轉換，在轉換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變。
2. 熱力學第二定律： 熵增原理(不可逆原理)，閉合系統中熱力增加時熵(混亂度)也增加，故熵總是隨時間增加；即不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響 。
二、大氣中能量傳遞：
能量傳遞三種主要方式： 傳導、對流、輻射。
1. 傳導： 熱從較熱的部份傳遞到較冷的部份， 藉分子的直接接觸。
水是熱的優良導體，空氣與冰則否。
例如： 愛司吉摩(eskimo)人住於冰屋(igloo) ，室內溫度攝氏二十餘度， 冰屋一日可完成。
湖面冬日結冰，其下水族得保生存： 湖水一年兩次循環，秋季，表面冷卻引起湖水循環，湖水上下層溫差與密度差逐漸減小，當上層水溫接近4o c時，形成同溫現象﹔ 冬季﹐當溫度降至4o c以下，表層水溫較低，底層較高，但不高於4o c ， 因此湖冰浮於表面並隔冷氣，表面浮冰隔絕冷氣，水族得保生存。
冰釣。2. 對流：
是指流體內部的分子運動，是熱傳與質傳的主要模式之一，通常發生在流體內或流體和容器之間有溫度差時，因為溫度的差異會使得流體之間密度不同。質傳方面的例子如不同的鹽分密度不均，也會引起對流。在大氣中、海洋內、以及行星的地函與外核裡，也都有對流在發生。
3. 輻射 (radiation):不同於傳導與對流，輻射熱能係以電磁波方式放出，故高溫物體與低溫系統間無需有物理性接觸，兩者間也無需介質。
1). 認識電磁波： 電磁波（又稱電磁輻射）是由同相振盪且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，以傳遞能量。
電磁波可以按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括有無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、x-射線和γ射線等。
2)維恩定理(ｗien’s law) :
黑體輻射最大波長（μm)=2900 /物體之溫度（ok)
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幾乎是黑體。
例如太陽表面溫度 5000 ok，故最大波長越等於 0.5 μm (下圖)（可見光範圍為 0.4-0.7 μm ）。
3)認識光譜
(a)任何一種光線或熱能都可看作是一種波的輻射， 其波長的範圍如圖。
(b)太陽光的輻射是一種短波輻射，其輻射範圍包括紫外線 (0.2 to 0.4微米) 、可見光 (0.4 to 0.7 微米) 及紅外線等。
(c) 當陽光照射地表一段時間後，地表被加熱而放射熱輻射或稱長波輻射，波長為 4 至100微米。
(d)長波輻射被大氣中的氣體如氧 (o2) 、臭氧 (o3) ，水蒸氣及二氧化碳(co2) 吸收。
三、 水文循環 (the hydrological cycle)
1.水文循環指水從海洋及其他水覆蓋區域運行至大氣再回歸地表之循環，包括以下步驟(水有三相) 。
(1). 蒸發(evaporation) :水從液態改變為氣態的水蒸氣。
(2). 蒸散(transpiration) :水從植物樹葉表面釋放為蒸氣。
(3). 冷凝(condensation): 水亦可從氣態(雲、霧、露水等) 改變為液態。
(4). 降雨(precipitation):藉雨， 雪， 霙，凍雨， 冰雹等方式返回地表。
(5). 地下水(groundwater): 在地下流動，雖運行緩慢(每日流動幾公分到幾公尺)，但因作用面積廣大，所以也是水文循環中的重要步驟。
2.潛熱(latent heat):水的相位(phase)變化所需熱量(例： 夏天人體流汗以保持體溫) 。
(1) 溶化(melting)潛熱：冰化成水所需熱量(80卡/公克)
(2) 凝固(freezing)潛熱：水結成冰所釋放熱量(-80卡/公克)
(3) 汽化(vaporization)潛熱：水從液態變為氣態所需熱量(540卡/公克)
(4) 液化(condensation)潛熱：水從氣態變為液態所釋放熱量(-540卡/公克)
(5) 昇華(sublimation)潛熱：水從固態變為氣態所需熱量(540卡/公克)
3 . 絕熱過程與非絕熱過程：
絕熱過程(adiabatic process):是一個絕熱體系的變化過程，即是指任一氣體與外界無熱量交換時的狀態變化過程。大氣層中的許多重要現像都和絕熱變化有關。
(乾空氣 1oc/100公尺)
非絕熱過程(diabatic process):如果一個受到增溫作用或降溫作用的系統通過輻射和傳導與周圍發生熱量交換，那麼就稱之為非絕熱過程。(濕空氣 0.6oc/100公尺)
玉山標高公尺，請計算一下玉山。
絕熱冷卻或增溫與非絕熱冷卻或增溫。
絕熱冷卻或增溫(adiabatic cooling or warming):氣塊上升，外界氣壓逐漸降低，氣塊體積膨脹作功消耗內能而降溫，叫“絕熱冷卻”；氣塊下沉，外界氣壓逐漸加大，氣塊體積因外力作功被壓縮，使其內能增加而升溫，叫“絕熱增溫”。
非絕熱冷卻或增溫(diabatic cooling or warming):上升空氣的冷卻作用和下沉空氣的增溫作用主要是由於空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結果。如果一個受到增溫作用或冷卻作用的系統通過輻射和傳導與周圍發生熱量交換，那麼就稱之為非絕熱過程。
4. 上升空氣的冷卻作用和下沉空氣的增溫作用實例：
地形雨： 由海上來的氣流遇到山脈被抬升，其所帶來的水氣在高空遇冷凝結成雲，在山麓處降下豐厚雨量。
焚風： 超過某一高度後，空氣中水汽含量已大為減少，而降水量漸減。越過山頂，背風坡乾燥少雨，甚至出現焚風。
四、大氣能量收支。
1. 能量收支平衡： 全球平均而言，大氣及地表的能量收支平衡狀態，以下為解說及圖解說明。
地球-大氣系統輻射收支大致平衡，否則地球溫度會上升或下降。平衡狀況：
1)太陽短波輻射( 342 wm-2 )
氣體吸收：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%
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 %
對大氣而言：
吸收 = 16 + 3 + 15 = 34 %
放射 = 38 + 26 = 64 %
所以損失30 %的能量。此30 %的能量，則由對流層內的對流及熱傳導將能量由地面傳入大氣。比如，熱空氣上升，冷空氣下降，所以將熱氣往高處送；或水汽上昇，溫度下降，凝結成水(潛熱)，甚至進一步結冰(潛熱) ，而釋放出大量潛熱。
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 %
對大氣而言：
吸收 = 16 + 3 + 15 = 34 %
放射 = 38 + 26 = 64 %
所以損失30 %的能量。此30 %的能量，則由對流層內的對流及熱傳導將能量由地面傳入大氣。比如，熱空氣上升，冷空氣下降，所以將熱氣往高處送；或水汽上昇，溫度下降，凝結成水(潛熱)，甚至進一步結冰(潛熱) ，而釋放出大量潛熱。
2. 輻射與溫度變化。
1)季節變化。
地球繞太陽公轉的路徑近似圓形，但為一橢圓形。近日點至太陽的距離為147×106km；遠日點至太陽距離為152×106km。由計算可知在近日點整個地球接收的太陽輻射為在遠日點的1.
07倍。照理說，在近日點應比在遠日點時溫度高。但目前，地球經過近日點時約為1月3日，在遠日點約為7月4日。
前者為北半球冬天，後者為夏天。事實上，四季的形成是因為地球自轉軸並不與地球公轉平面（稱為黃道面）垂直，而是呈66.5度交角。
夏至（6月22日），太陽直射北緯23.5度；冬至（12月22日），南緯23.5度；春分及秋分時，太陽直射赤道。
太陽直射時，地球每單位面積輻射量比斜射大，而此項差值比近日點、遠日點之間的差值(7%)來得大。
此一傾斜角度，也使每一緯度日夜長短不一致。例如，夏至時，在赤道，日夜各12小時；30on，白天為13.9小時；66.
5on以北，24小時(永晝)。設若自轉軸與黃道面垂直，則太陽永遠直射赤道。地球每一角落不論哪一個季節都接收同量的輻射，因而沒有四季。
因為日照長短隨緯度不同，所以地球會有較明顯的四季。
2. 輻射與溫度變化。
2)南北方向。
一般而言，溫度往極區遞減。因為同樣強度的輻射，照在高緯度時面積較在低緯度時大，因此低緯度地區每單位面積接收較多太陽輻射(圖)。
低緯度地區因照射時間較長(能量過剩) ，吸收的短波輻射量，多於放射出去的長波輻射，高緯度地區則相反(能量不足) 。因此，低緯度地區是大氣能量的主要來源，大氣運動則不斷將低緯與高緯地區空氣混合（暖空氣往北，冷空氣往南），使它們界對流運動達於平衡。
五、溫室效應(greenhouse effect)
(a) 二氧化碳 (co2)and 水汽(h2o) 有吸收熱能之功能，使空氣暖和，這就是溫室效應(圖9.38) 。甲烷 (ch4)，二氧化氮(no2) 與氟氯碳化物(cfcs )也都能吸收熱能，這些合稱溫室氣體。
b)全球暖化：
十九世紀始工業開發以後，大量燃燒汽油，產生二氧。
化碳：有許多數據證明全球暖化現像，這使海平面上升。
下面是一些數據：
2024年是過去400年最熱的一年，平均溫度是58of,高。
於一個世紀前 1of
從 2024年至 2005 年的記錄顯示， 從 1990 年至。
2005 年，有十年溫度列前十名。
預測至2100 年地表溫度將上升1 至 3.5 ℃。
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