高中地球科學/大氣中的能量

風和降水，變暖和變冷取決於大氣中的能量多少以及能量的位置。到達低緯度（靠近赤道）的太陽能比到達高緯度（靠近極地）的太陽能多。這些能量差異導致風，影響氣候，甚至驅動洋流。溫室氣體將熱量保留在大氣中。

課程目標

描述能量是如何傳遞的。
描述地球的熱量平衡，以及太陽能的去向。
討論對流在大氣中的重要性。
描述行星的熱量平衡如何保持平衡。
描述溫室效應及其對地球生命的重要性。

能量，溫度和熱量

**圖 15.9**: 波。最高點是波峰，最低點是波谷。波長是兩個波峰之間的距離。

每種材料都具有能量：其中的所有分子都在振動。在相同溫度和壓力條件下，氣體分子比相同數量的液體分子具有更高的能量，並且可以自由移動。液體分子比固體分子具有更高的能量，並且比固體分子更自由地移動。

能量穿過空間或材料。您知道這一點，因為您可以站在火附近並感覺到溫暖。在這種情況下，能量以肉眼看不見的波的形式傳遞，這些波可以穿過空氣，玻璃甚至外太空的真空。這些波具有電磁特性，因此被稱為電磁波。透過電磁波將能量從一個物體轉移到另一個物體的過程稱為輻射。不同型別的電磁波具有不同的波長。波長是兩個相鄰波的波谷到波谷或波峰到波峰之間的水平距離（圖 15.9）。

人類能夠看到某些波長的光，這些波長被稱為“可見光”。這些波長在我們看來就像彩虹的顏色（圖 15.10）。可見光中最長的波長呈紅色，最短的波長呈紫色。比可見紅色更長的波長是紅外線。蛇可以看見紅外能量。我們可以用特殊裝置記錄它。比紫色更短的波長是紫外線。紅外線和紫外線波長的能量與可見光波長的能量一樣重要；我們只是看不見它們。

某些物體在可見光譜中發射電磁波。兩個熟悉的來源是太陽和燈泡。某些物體以我們無法看見的波長髮射電磁波。例如，坐在您旁邊的水杯不會發射可見光，但它會發射少量熱量。

您應該知道，某些物體似乎在發射可見光，但實際上並沒有。例如，月球和行星本身不會發光。它們反射太陽的光。反射是指光從表面反射回來。反照率是衡量表面反射光的能力的指標。反射了照射在其上的大部分光的表面具有較高的反照率，而反射了少量光的表面具有較低的反照率。

需要記住的一點是，能量既不能創造也不能毀滅。它只能從一種形式轉換成另一種形式。例如，在光合作用中，植物將太陽能轉化為食物能量。它們不會產生新的能量。當能量發生轉化時，通常會有一部分轉化為熱量。熱量很容易在材料之間傳遞，從較熱的物體傳遞到較冷的物體。如果沒有更多的熱量新增，最終所有材料都會達到相同的溫度。

溫度是衡量材料中原子振動速度的指標。高溫粒子的振動速度快於低溫粒子。快速振動的原子互相碰撞，產生熱量。當材料冷卻時，原子振動得更慢，碰撞也更少。結果，它們釋放的熱量更少。

熱量和溫度之間的區別是什麼？溫度測量材料中原子振動速度。熱量測量材料的總能量。想想一根蠟燭火焰和一桶熱水。哪一個具有更高的熱量，哪一個具有更高的溫度？令人驚訝的是，火焰的溫度更高，但熱量卻少得多，因為高溫區域很小。浴缸的溫度較低，但熱量卻高得多，因為它包含更多振動原子。即使浴缸的溫度較低，但它具有更大的總能量。

當物體改變狀態時，即從氣體變為液體或從液體變為固體時，熱量被吸收或釋放。這種熱量稱為潛熱。當物質改變狀態時，潛熱會釋放或吸收。改變物質狀態的物質不會改變溫度。釋放或吸收的所有能量都用於改變材料的狀態。

例如，想象一下爐子上的一鍋沸水：水的溫度為 100 °C（212 °F）。如果廚師增加鍋底加熱器的溫度，更多的熱量進入水中。但水仍然保持沸騰溫度。額外的能量用於將水從液體變為氣體。這使水能更快地蒸發。當水從液體變為氣體時，它會吸收熱量。由於蒸發吸收熱量，因此被稱為蒸發冷卻。蒸發冷卻是一種在炎熱乾燥地區為房屋降溫的廉價方法。

物質在比熱方面也存在差異，即使 1 克材料的溫度升高 1.0 °C（1.8 °F）所需的能量。水的比熱非常高，這意味著改變水的溫度需要大量的能量。例如，讓我們比較一下水坑和瀝青。如果您赤腳走在陽光明媚的日子，您更願意走過淺水坑還是瀝青停車場？由於水的比熱很高，即使水吸收了相同的太陽輻射量，它仍然比瀝青涼爽。

來自太陽的能量

到達地球表面的大部分能量來自太陽。太陽以連續的波長流發射能量（圖 15.11）。這些波長包括可見光，紅外線，紫外線輻射等。大約 44% 的太陽輻射位於可見光波長中。當一起觀察時，所有可見光的波長看起來都是白色的。但例如，稜鏡或水滴可以將白光分解成不同的波長，這樣您就可以看到不同的顏色（圖 15.12）。

**圖 15.12**: 稜鏡透過波長將白光分解，這樣您就可以看到彩虹的所有顏色。

**圖 15.13**: 用紅外線感測器拍攝的狗的影像。影像顯示了從狗身上輻射的不同熱量。

只有大約 7% 的太陽輻射位於紫外線 (UV) 波長中。在到達外層大氣的太陽能中，UV 波長的能量最大。有三種類型的 UV 能量：UVC 的波長最短，能量最高；UVA 的波長最長，能量最低；UBV 介於兩者之間。UV 輻射會使人類皮膚曬黑或曬傷。剩餘的太陽輻射是波長最長的紅外線。大多數物體都會輻射紅外線能量，我們將其感覺到熱量（圖 15.13）。

穿過大氣層的某些太陽輻射波長可能會因被各種氣體吸收而消失（圖 15.14）。例如，臭氧會完全消除來自入射陽光的 UVC、大多數 UVB 和一些 UVA。O₂、CO₂ 和 H₂O 也會濾除來自太陽能的其他波長。

地球的不同部分接收到的太陽輻射量不同。這是因為太陽光線最直接地照射赤道地區。隨著你遠離赤道，你會注意到不同的地區在不同的季節也接收到的陽光量不同。但是什麼導致了季節變化呢？

地球繞太陽公轉一圈需要一年時間，自轉一圈需要一天時間。這個自轉軸相對於它繞太陽執行的軌道平面傾斜了 23.5°。自轉軸恰好指向北極星。當地球繞太陽執行時，地球自轉軸的傾斜方向始終與北極星保持一致。這意味著北極指向太陽，太陽光線在夏季更直接地照射北半球。在夏至日，即每年的 6 月 21 日或 22 日，太陽光線最直接地照射在北迴歸線上。北迴歸線是赤道以北 23.5° 的緯線圈。當北半球是夏季的時候，南半球是冬季。北半球的冬至日發生在 12 月 21 日或 22 日。地球自轉軸在冬季遠離太陽，太陽光線最直接地照射在南迴歸線上（圖 15.15）。南迴歸線是赤道以南 23.5° 的緯線圈。來自太陽的光線散佈在更大的區域，因此該區域沒有被加熱那麼多。冬季的白晝時間也更短，因此太陽加熱該區域的時間也更短。當北半球是冬季的時候，南半球是夏季。

**圖 15.15**：北極冬季至日。太陽光線直接照射在南迴歸線上。陽光照射到南極，但它被分散了。沒有陽光到達北極。

在兩次至日之間，太陽光線最直接地照射在赤道上。我們將這些時間稱為“晝夜平分點”（圖 15.16）。在晝夜平分點，白天和黑夜的時間完全相等。秋分日發生在 9 月 22 日或 23 日，春分日發生在 3 月 21 日或 22 日（北半球）。因此，季節是由地球自轉軸相對於太陽的指向方向造成的。

**圖 15.16**：陽光在春分、夏至、秋分和冬至到達的位置。時間為格林尼治標準時間下午 9 點，地點為英國格林尼治。

大氣中的熱量傳遞

熱量可以透過三種不同的方式傳遞。我們已經研究了輻射，其中電磁波在兩個物體之間傳遞熱量。傳導是一種熱傳遞方式，當熱量透過直接接觸從高溫區域傳遞到低溫區域時發生。較熱分子的振動速度比較冷分子快。它們直接與附近的其他分子發生碰撞，將部分能量傳遞給它們，從而傳遞熱量。當所有分子的運動速度都相同時，物質的溫度在整個過程中都是相同的。大氣中的熱量透過傳導傳遞。這在低海拔地區更為有效，因為空氣分子在這些地區更密集地聚集在一起。傳導可以將熱量向上傳遞到分子分佈更稀疏的地方。它也可以將熱量從較熱的地方橫向傳遞到較冷的地方，在那裡分子的運動速度較慢。

大氣中熱量傳遞的最重要方式是透過對流。對流是指透過加熱物質的運動來傳遞熱量。地面輻射的熱量使上面的空氣變暖。這股暖空氣密度小於上面的空氣，因此它會上升。隨著加熱的空氣上升，它開始冷卻，因為它離熱源更遠。隨著它冷卻，它會收縮，密度增加，然後下沉。空氣在上升的暖空氣和下沉的冷空氣之間橫向移動。整個結構被稱為對流單元。

地球表面的熱量

並非所有來自太陽的能量都能到達地球表面。大約一半被大氣層過濾掉。除了被氣體吸收外，能量還會被雲反射或散射。散射是指光波撞擊粒子並以其他方向反彈的情況。到達地面的能量中，大約 3% 被反射回大氣層。其餘的能量會加熱它所到達的土壤、岩石或水。部分被吸收的能量會以熱量的形式重新輻射回空氣。這些紅外波長只能被紅外感測器看到。

你可能會想到，如果太陽能持續進入地球大氣層和地面，那麼地球肯定一直在變熱。事實並非如此，因為地球的能量會透過大氣層頂端逃逸到太空中，就像來自太陽的能量透過大氣層頂端進入一樣。如果出去的量等於進來的量，那麼全球平均氣溫就不會上升或下降。這意味著地球的熱量收支是平衡的。如果進來的能量多於出去的能量，地球就會變暖。如果出去的能量多於進來的能量，地球就會變冷。

說地球的熱量收支是平衡的忽略了一個重要的點。到達地球不同緯度的太陽能輸入量不同（圖 15.17）。這部分是由於季節變化造成的。在赤道地區，一年四季白天長度大致相同，太陽位於天空中的位置很高。到達赤道附近的區域的陽光更多，氣溫也更高。在極地地區，太陽每年有幾個月不會升起。即使在夏季，太陽全天照射，但它在天空中的角度非常低。這意味著到達極地附近地面的太陽輻射量很少。因此，在一年中的大部分時間裡，極地地區都被冰雪覆蓋。這些明亮的白色物質具有很高的反照率，會將太陽能反射回大氣層。由於所有這些原因，赤道附近的地區比極地地區的溫度高得多。

地球不同緯度接收到的太陽能輸入量不同，這驅動了地球表面發生的大部分活動。包括風、水迴圈和洋流。全球太陽能分佈的差異驅動著大氣迴圈的方式。

溫室效應

地球熱量收支中的剩餘因素是溫室氣體的作用。溫室氣體透過捕獲熱量使大氣變暖。陽光照射到地面，轉化為熱量，然後重新輻射回低層大氣。部分熱量被對流層中的溫室氣體捕獲，無法逸散到太空中。就像睡在人身上的毯子一樣，溫室氣體充當了地球的絕緣體。由於溫室氣體造成的絕緣作用使大氣變暖被稱為溫室效應（圖 15.18）。

溫室效應非常重要，因為如果沒有它，大氣的平均氣溫將大約為 -18 °C (0 °F)。有了溫室效應，大氣的平均氣溫則為宜人的 15 °C (59 °F)。如果沒有絕緣，白天溫度會很高，夜間溫度會極低。這就是所有沒有大氣的行星和衛星的情況。如果地球沒有絕緣，溫度可能會太低且變化太大，無法支援複雜的生命形式。

大氣中有很多重要的溫室氣體，包括 CO₂、H₂O、甲烷、O₃、氮氧化物 (NO 和 NO₂) 以及氟氯烴 (CFC)。除了人為製造的氟氯烴外，所有這些氣體都是大氣層的正常組成部分。然而，人類活動顯著提高了許多這些氣體的濃度；例如，由於人類活動，甲烷濃度大約高出 2.5 倍。表 15.2 顯示了每種溫室氣體是如何自然進入大氣的。

表 15.2：溫室氣體的來源
溫室氣體	來源
二氧化碳	呼吸作用、火山爆發、植物材料分解、化石燃料燃燒
甲烷	在某些條件下植物材料分解，胃中的生化反應
氮氧化物	由細菌產生
臭氧	大氣過程
氟氯烴	非天然存在的；由人類製造的

不同的溫室氣體具有不同的捕獲熱量的能力。例如，一個甲烷分子可以捕獲的熱量是二氧化碳分子（CO₂）的 23 倍。一個 CFC-12 分子（一種 CFC）可以捕獲的熱量是二氧化碳分子的 10600 倍。儘管如此，二氧化碳仍然是一種非常重要的溫室氣體，因為其在大氣中的含量遠超其他溫室氣體。

溫室效應還有另一個非常重要的原因。如果大氣中的溫室氣體增加，它們會捕獲更多的熱量，從而使大氣變暖。如果大氣中的溫室氣體減少，捕獲的熱量就會減少，大氣就會變冷。大氣中溫室氣體的增加或減少會影響全球的氣候和天氣。

課程總結

所有物質都包含能量，這些能量可以透過空間以電磁波的形式輻射。來自太陽的能量波長包括可見光，看起來是白色的，但可以分解成多種顏色。
紫外線波具有很高的能量。能量最高的紫外線，UVC 和一些 UVB，會被臭氧過濾掉，不會到達地面。
更多的太陽能到達低緯度地區，對流的熱量再分配驅動著地球的氣流。

複習問題

溫度和熱量有什麼區別？
從波長和能量的角度，完整描述紅外線、可見光和紫外線的三個能量類別，並比較它們之間的關係。
為什麼極地地區具有高反照率？
舉一個“能量既不會被創造也不會被消滅”的例子。
描述當爐灶旋鈕從不加熱狀態到最高熱量狀態時，一鍋水的溫度和狀態會發生什麼變化。
描述夏至、秋分、冬至和春分時，太陽相對於地球的位置。6 月 21 日北極接受多少陽光？同一天南極接受多少陽光？
傳導和對流有什麼區別？
什麼是行星的熱量收支？地球的熱量收支是平衡的還是不平衡的？
在年平均氣溫地圖上，為什麼低緯度地區比高緯度地區溫暖得多？
為什麼二氧化碳是最重要的溫室氣體？
大氣中溫室氣體的含量如何影響大氣的溫度？

詞彙

反照率: 從表面反射回的光量；雪和冰具有高反照率。
傳導: 運動的分子之間的熱量傳遞。
對流: 透過氣流運動傳遞熱量。
對流單元: 一個熱量傳遞單元，其中暖物質上升，冷物質下降，物質在兩者之間移動形成一個單元。
電磁波: 輻射透過電磁波傳播；同時具有電性和磁性的波。
能量: 做功的能力；能量既不會被創造也不會被消滅，但可以從一種形式轉化為另一種形式。
溫室效應: 大氣中的溫室氣體捕獲從地球表面輻射出的熱量，調節了行星的溫度。
絕緣: 一種抑制熱量或電氣傳導的材料，使被絕緣物體保持當前溫度更長時間。
潛熱: 物質從固態變為液態或從液態變為氣態時吸收或釋放的能量。
輻射: 能量透過材料或空間的運動，以電磁波的形式傳播。
反射: 波從表面的返回，例如光波從鏡子的返回。
比熱: 使 1 克物質升溫 1 °C（1.8 °F）所需的能量。

思考點

到達低緯度和高緯度地區的太陽輻射差異如何解釋大氣環流的方式？
大氣如何保護地球上的生命免受有害輻射和極端溫度的影響？
如果地球的整體熱量收支不平衡，會有什麼後果？

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