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溫室氣體與懸浮微粒

Greenhouse gases. Aerosols. 溫室氣體與懸浮微粒. 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響. 任何大於絕對零度之物體皆有輻射 輻射之波長主要取決於物體之溫度 , 波長服從 Wien’s law, λ =constant/T 物體產生之總輻射能與溫度四次方成正比 (Stefan- Boltzmann Law), 即 E= σ T 4. Radiation ( 輻射 ). The Sun’s electromagnetic spectrum.

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溫室氣體與懸浮微粒

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  1. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  2. 任何大於絕對零度之物體皆有輻射 • 輻射之波長主要取決於物體之溫度,波長服從 • Wien’s law,λ=constant/T • 物體產生之總輻射能與溫度四次方成正比(Stefan- • Boltzmann Law),即 E=σT4 Radiation (輻射)

  3. The Sun’s electromagnetic spectrum

  4. 高能量之有害電磁波被隔絕於大氣層之外 進入平流層之太陽輻射主要為

  5. 太陽輻射能的吸收 單位:Solar constant =3.42W/m2 reflected: atmosphere: earth=3:2:5

  6. 地球-大氣的熱收支平衡(所有緯度平均) Gain=Loss at any layers 總收入=70 總支出=70 總收入=160 總支出=160 Green house effect 總支出=147 總收入=147

  7. 收入(太陽輻射) 支出(地球輻射) 緯度別之年總輻射熱收支比較 by atmospheric and oceanic circulations)

  8. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  9. Any object that is a perfect absorber and emitter is called blackbody (黑體). Sun and earth both has blackbodies, but atmosphere are full of selective absorbers.

  10. Radiative equilibrium Absorption =Emission 若無大氣,地球輻射平衡溫度(radiative equilibrium temperature) =255°K (-18°C) selective absorbers將大氣溫度提升至288°K (15°C)。

  11. selective absorbers • 大氣充滿selective absorbers,幾乎不吸收太陽的短波輻射,卻選擇性吸收地球的長波輻射(紅外線),阻擋大氣熱能的逸散,使大氣溫度提高,稱為溫室效應(greenhouse effect) earth sun

  12. 大氣窗(atmospheric window): 8~11μm範圍是被吸收最少的波長範圍,好像大氣被開了一扇窗,在此波長範圍的地球長波輻射能透過扇窗返回太空 • 雲可吸收波長8~11μm的輻射,是影響大氣窗效應的關鍵,大氣窗關閉則會導致溫室效應的加強,猶以厚實的低雲為甚 • 夜間地面溫度多雲時較無雲時來得溫暖,日間多雲阻擋了太陽輻射熱,降低了地面的溫度,故雲的存在降低了日夜的溫差

  13. 大氣分子吸收不同波長之太陽輻射能量,使地表溫度平均升高了33攝氏度大氣分子吸收不同波長之太陽輻射能量,使地表溫度平均升高了33攝氏度 • 這些加溫的氣體通稱為溫室氣體 紅外線大氣窗8~12 um (Infrared Windows) (圖取自Graedel and Crutzen, 1995)

  14. 影響最大的溫室氣體是水汽，它貢獻了60%的溫室效應，不僅決定了大氣溫度的垂直分布，也創造了溫暖的地球氣候。相對而言，二氧化碳只是使氣候變得更暖和。影響最大的溫室氣體是水汽，它貢獻了60%的溫室效應，不僅決定了大氣溫度的垂直分布，也創造了溫暖的地球氣候。相對而言，二氧化碳只是使氣候變得更暖和。

  15. 列入減量規劃之溫室氣體 1. 二氣化碳(CO2) 2. 甲烷(CH4) 3. 氧化亞氮(N2O) 4. 氫氟碳化物(HFCS) 5. 磷氟碳化物(PFCS) 6. 六氟化硫(SF6) 由於水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大,因此進行規劃減量措施規劃時, 一般都不將這兩種氣體列入考慮。

  16. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  17. 觀察GHG變化容易， 掌握變化的根源不容易！

  18. 溫室氣體(1): CO2 (carbon dioxide) Year=1998 65年 /年

  19. 溫室氣體(2): CH4 (methane 甲烷) Year=1998

  20. 溫室氣體(3): N2O (nitrous oxide 氧化亞氮, 笑氣) Year=1998 /年

  21. 溫室氣體具有很長的生命期，讓問題變得很棘手！溫室氣體具有很長的生命期，讓問題變得很棘手！ 氣體一旦進入大氣，幾乎無法回收，只有靠自然的過程讓它們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期，溫室氣體的影響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣的二氧化碳分子，在它長達100年的生命期中，有機會遨遊世界各地，影響各地的氣候。即使，人類立刻停止所有的人造溫室氣體的排放，從工業革命之後，累積下來的溫室氣體仍將繼續發揮它們的溫室效應，影響地球的氣候。

  22. 一萬年來大氣溫室氣體變動 南極冰蕊紀錄 and 近年儀器測量值 (IPCC 2007) • 5000 0 • Time (before 2005)

  23. 目前大氣CO2及CH4濃度遠高於65萬年來任何一時期目前大氣CO2及CH4濃度遠高於65萬年來任何一時期 IPCC 2007

  24. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  25. 溫室氣體與大氣溫度的高度相關性 IPCC 2007

  26. 溫室氣體與大氣溫度的高度相關性

  27. 各種溫室氣體輻射作用量(Radiative forcing)所佔比例 (IPCC 1995) CO2 : CH4 : NO2 : CFCs 1 : 21 : 206 : 103~104 單一分子之溫室效應

  28. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  29. 空氣污染指標 PSI 空 氣 污 染 指 標 為 依 據 監 測 資 料 將 當 日 空 氣 中 懸 浮 微 粒 (PM10)( 粒 徑 10 微 米 以 下 之 細 微 粒 )、 二 氧 化 硫 (SO2)、 二 氧 化 氮 (NO2)、 一 氧 化 碳 (CO) 及 臭 氧 (O3)濃 度 等 數 值 ， 以 其 對 人 體 健 康 的 影 響 程 度 ， 分 別 換 算 出 不 同 污 染 物 之 副 指 標 值 ， 再 以 當 日 各 副 指 標 值 之 最 大 值 為 該 測 站 當 日 之 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) 。 污 染 物 濃 度 與 污 染 副 指 標 值 對 照 表 如 下 ：

  30. Ｐ Ｓ Ｉ 值 與 健 康 影 響

  31. 懸浮微粒及其對太陽輻射之作用 • 懸浮微粒：飄浮在空氣中的微小顆粒( 直徑在0.001～10μm之間 )的總稱，有自然及人造的。影響氣候最大的懸浮微粒的直徑大約在 0.1～1μm之間。 • 自然懸浮微粒：有火山灰、塵灰( soil dust；大部份產自北非及亞洲的沙漠地區 )、海鹽懸浮微粒( sea salt aerosol )等。 • 人造懸浮微粒：有工業灰塵( industrial dust；大多為燃燒不完全產生的雜質 )，煤煙( soot )，硫酸鹽( sulfate )及硝酸鹽( nitrate )懸浮微粒等。 • 作用：冷卻作用 • -懸浮微粒所在的高度附近氣溫可能升高，其他區域則變冷，主要為冷卻作用，對大氣輻射的淨效應與溫室氣體相反(煤煙除外) 。 • -造成雲內雲滴數增加，雲滴尺寸偏小，不易形成降雨， 雲的生命週期變長， 太陽反照率增加 。

  32. 自然懸浮微粒(沙塵) Total Aerosol Optical Depth

  33. 自然懸浮微粒(沙塵) Radiative forcing(W/m2)

  34. 自然懸浮微粒(火山爆發) 火山爆發向大氣注入大量的火山灰外，以及H2O, CO2及SO2

  35. 單位體積百萬分比(ppmv) 1991/6皮納度波火山爆發將大量之SO2注入平流層 1991/9高層大氣研究衛星測量到的SO2濃度分布

  36. 溫室氣體與懸浮微粒的差異 • 溫室氣體產生溫室效應，懸浮微粒產生冷卻效應。 • 溫室氣體具有長生命期，懸浮微粒生命期很短。 • 溫室氣體的分布是均勻、全球性的，懸浮微粒的分布卻是不均勻、區域性的。

  37. 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒分佈與高度之關係

  38. 單位=W/m2 人造硫酸鹽懸浮微粒之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

  39. 單位=W/m2 二氧化碳之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

  40. 單位=W/m2 前兩者總和之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992)

  41. 變暗的地球 (60~90年期間) • 美國哥倫比亞大學的氣候學家李伯特（Beate Liepert）和同事的另一種分析結果則顯示，1961~90年間的太陽輻射減弱率為每10年1.3%，且在北美洲減弱的程度最大。這相當於在地表每平方公尺的面積內，總共減少了高達18瓦特的太陽輻射，而到達地球表面的太陽輻射大約不過只有每平方公尺200瓦特左右而已。此現象被稱為「全球漸暗」的「日光減弱」現象。科學家認為這是60~90年全球氣溫變冷的重要原因。

  42. 變暗的地球(60~90年期間) • 令一些科學家相當意外的，他們發現抵達地表的陽光在60~90年期間變弱了。然而這並非只意味著太陽變暗了，也是地球大氣污染物和懸浮微粒造成的結果。 • 史坦希爾與科恩察覺到的日光減弱速率，在1958~92年之間，每10年高達2.7%。換句話說，這相當於抵達地表的太陽輻射，每年在每平方公尺的面積內減少了0.5瓦特之多，或是抵消了地球大氣中二氧化碳所造成的暖化作用的1/3大小。

  43. Greenhouse gases Aerosols 溫室氣體與懸浮微粒 • 輻射的特性 • 溫室氣體與溫室效應 • 變化中的溫室氣體含量 • 溫室氣體的影響 • 懸浮微粒 • 輻射作用量 • 對氣候的影響

  44. 輻射作用量(radiative forcing)：指大氣特性(如二氧化碳含量、雲量等)有所變化時，相對應的淨輻射的改變量。 在不受異常干擾(Ex.空氣污染，火山爆發)的情況下，地球大氣應處於輻射平衡狀態，亦即淨輻射量為零(放射的輻射量等於吸收的輻射量)。 一旦不平衡，地球大氣的溫度勢必升高( 如果，淨輻射量為正 )或降低( 如果，淨輻射量為負 )，直到調整至另一個輻射平衡的溫度。

  45. 1750年至今(2005)全球平均輻射作用量變化 (IPCC AR5,2013)

  46. 收入 溫室效應 支出 安全閥 (異常氣候or災難)

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