環境工程科學概論 第八章 全球大氣變遷

1. 環境工程科學概論 第八章 全球大氣變遷 Ref:葉欣誠 譯，環境工程與科學概論， 五南圖書出版股份有限公司，2004 簡報人: 陳炳宏

2. 簡報內容 • 8.1 引言 • 8.2 地球大氣 • 8.3 全球溫度 • 8.4 溫室效應 • 8.5 全球能源平衡 • 8.6 氣候變遷之輻射力 • 8.7 自前工業時代起之輻射力 • 8.8 輻射的飽和效果

3. 8.1 引言 1987: UNEP於蒙特婁議定書，規範臭氧耗竭物質 1988: UNEP設立氣候變遷國際委員會IPCC: 科學評估氣候，規劃因應策略 1992: UN環境與發展會議在里約熱內盧舉行 50/150國共同簽署UN氣候變遷綱要公約 將大氣中的溫室效應氣體穩定在防止對氣候系統造成危險性干擾的水準 生效日期:1994/3/21

4. 8.2 地球大氣 46億年前: 氦、氫  火山 CO2、H2O、N2、S  O2 (光合作用)  O3 (吸收UV) 對流層+平流層 = 99.9%大氣層，厚度<50km(<1%地球半徑) 中溫層: 快速混合層 增溫層: 氧原子吸收太陽輻射，含高密度離子，又稱電離層(可將無線電波反射回地球)

5. 8.2 地球大氣

6. 8.2 地球大氣

7. 8.3 全球溫度 全球在冰河期時 O16存於冰河中  海水濃縮O18 海底甲殼CaCO3的O成分 = 過去的溫度 Eq. 8.1 氧同位素比值 δ18O(%) ={ [(O18/O16)樣本 - (O18/O16)標準]/ (O18/O16)標準}x10^3

8. 8.3 全球溫度 深海地核取得氧同位素之紀錄結果

9. 8.3 全球溫度 分析冰河所封存的氣體=當時的大氣組成 蘇聯在南極Vostok地區研究一長為2083m之冰核 提供連續16萬年的溫度紀錄 CO2與CH4的濃度隨冰河期的溫度而變化 由Vostok資料無法確認是溫室氣體CO2/CH4造成冰間期的溫度上升?

10. 8.3 全球溫度

11. 8.3 全球溫度 圖8.4顯示中緯度區域之溫度 上次冰河距今85萬年(北美冰河期) 目前的地球溫度是85萬年來的高溫 但是相較於上次冰河期的溫度，地球溫度僅僅緩和上升 因此溫度稍微改變就會使氣候有很大的變化 距今0.65-2億年前的恐龍時期的溫度較現今溫度高出10度C

12. 8.3 全球溫度

13. 8.3 全球溫度 1856年開始有全球溫度的測量 1856-1960: 上升0.3-0.6度 1955-1995: 上升0.2-0.3度 1991: 菲律賓皮諾土波火山爆發 火山灰使全球溫度下降

14. 8.3 全球溫度

15. 8.3 全球溫度

16. 8.3 全球溫度 軌道變化與太陽黑子 米蘭科威奇擺動 離心率: 橢圓形擺動到圓形軌道 斜度: 地球自轉軸斜角自21.5度擺動到24.5度 歲差: 旋轉軸的擺動 以上變化僅僅改變日照量的0.1% 對季節/海洋大氣的熱分布之影響較大 太陽黑子 阻斷太陽輻射的比較冷的區域 每11年循環一次 比較亮處稱為光斑

17. 8.3 全球溫度

18. 8.3 全球溫度 簡單的全球溫度模型

19. 8.3 全球溫度 T = 地球的有效黑體溫度

20. 8.3 全球溫度 根據能量守衡:Eq.8.6 (太陽入射能量=地球散熱量) SπR2(1-α) = σ4πR2T4 T=[S(1-α)/4σ]0.25= 254度K = -19度C S: 1370W/m2 α: 0.31 σ = 史蒂芬-波茲曼常數 = 5.67e-8 W/m2-K4 若沒有溫室效應； 地球溫度僅僅-19度C

21. 8.4 溫室效應 Eq.8.8 黑體光波長尖峰值 λmax = 2898/T --- (K) 太陽溫度5800K  λmax = 0.5μm(入射大氣窗) 地球溫度288K  λmax = 10μm(散熱大氣窗)

22. 8.4 溫室效應

23. 8.4 溫室效應 溫室氣體對能量的吸收性

24. 8.4 溫室效應

25. 8.4 溫室效應 利用上述觀念 金星 大氣壓約100倍 CO2佔97%  溫室效應很高  Ts地表溫度很高(750度K) 若無溫室效應  高反照使金星溫度低於地球  有效溫度Te=229<254度K 火星 大氣層稀薄  無明顯溫室效應  溫度較地球低

26. 8.4 溫室效應

27. 8.5 全球能源平衡 太陽入射平均輻射值 =太陽輻射/地球表面積=SpiR2/4piR2 = S/4 =1370/4=342 W/m2

28. 8.5 全球能源平衡

29. 8.6 氣候變遷之輻射力 Eq. 8.16 輻射力 △ F = △ Qrad – △Qabs Eq.8.17 氣候敏感度參數 △ Ts = λ△F 氣候敏感度λ的估測範圍很大(很難確定其值) 因為尚未充分了解相關的回饋因子 例如 CO2增加 使溫度升高 (正回饋) 升高溫度使水蒸氣增加 增加水蒸氣會增加反射率而使地表溫度下降(負回饋)

30. 8.6 氣候變遷之輻射力

31. 8.6 氣候變遷之輻射力 Ex.8.3 若冰河融化造成地球的反照率由0.31變成0.3，若氣候敏感因子介於0.34-1.03 C/Wm2，求地表溫度範圍? Sol: 由eq.8.12 ΔF=Δ [S(1-α)/4]=342[(1-0.31)-(1-0.3)] =-3.42W/m2 溫度變化範圍 ΔTs = 3.42x0.34=1.16oC ΔTs = 3.42x1.03=3.52oC

32. 8.6 氣候變遷之輻射力 由平衡溫度到實現溫度需有一段延遲時間

33. 8.7 自前工業時代起之輻射力 氣候變遷之輻射力 溫室效應氣體之累積 正趨力:暖化 負驅力: 變冷 以氣膠為例 直接影響: 氣膠吸收太陽輻射 間接影響: 氣膠為造雲核心，多雲引起太陽反射

34. 8.7 自前工業時代起之輻射力 溫室氣體輻射力=氣體累積濃度的指標

35. 8.7 自前工業時代起之輻射力 直接輻射驅力 FCO2 = 1.56 W/m2 FCH4 = 0.47 W/m2 因FCO2 >> FCH4 [CO2] >> [CH4] CO2 64% > CH4 19%

36. 8.7 自前工業時代起之輻射力 CO2趨勢 自1958年以來逐年上升 光合作用使CO2下降

37. 8.7 自前工業時代起之輻射力 CO2: 由280升至360ppm

38. 8.7 自前工業時代起之輻射力 CH4: 由750升至1560ppm

39. 8.7 自前工業時代起之輻射力 人為CH4排放量3.75億噸/年

40. 8.7 自前工業時代起之輻射力 鹵碳化合物(CFC) CFC: 50-100年 增加水解  HCFC 生命週期仍高 蒙特婁公約 命名 Ex. CFC-12 90+12=102 1C/0H/2F Cl=nCx2+2-mF =4-2=2 CF2Cl2 Ex. H-1211 =CF2ClBr

41. 8.7 自前工業時代起之輻射力 CFC-11: 因1987年蒙特婁公約而減緩上升

42. 8.7 自前工業時代起之輻射力 氣膠與油煙: -F與 +F

43. 8.7 自前工業時代起之輻射力 火山爆發後之光學深度變化

44. 8.7 自前工業時代起之輻射力 溫室氣體與氣膠對全球溫度的影響 含氣膠之模型  因-F而預測較準

45. 8.7 自前工業時代起之輻射力 全球輻射驅力平均值

46. 8.7 自前工業時代起之輻射力 全球淨暖化之計算

47. 8.8 輻射的飽和效果 吸收帶趨近飽和 大氣中氣體雖逐步增加，而其影響力卻逐步下降 鹵碳化合物 大氣中濃度低，吸收量與濃度成正比 CH4/N2O 吸收量與濃度的平方根成正比 CO2 吸收量隨濃度的對數之增加而增加

48. 8.8 輻射的飽和效果

49. 8.8 輻射的飽和效果 輻射力變化量與濃度的飽和度有關

50. 8.8 輻射的飽和效果 CO2倍增之溫度變化