五　　大氣輻射及熱力學

 

日照加熱的季度差異

地球自轉軸相對垂直於自轉平面的線，傾斜23.5度，因此地球表面受到的加熱會隨著季節變化。極區有某段時間會全日無陽光，也會有段時間全日有陽光。總體來說，低緯所受陽光強度比其他地方為高。不計其他因素，南北緯37度之間的地區全年受熱多於散熱，其他地方則會出現淨失熱。實際上，如長江以南的陸地，淨受熱遠低於同緯地區。

        從以上資料可得知，如無其他因素，地球各半球應只有一個環流──哈德萊環流：冷空氣於地面由極區向赤道流動，然後加熱上升，再在高空返回極區。這個猜測是很正常，但忽略了地球自轉。

        數據顯示，進入地球的輻射，平均有6%被大氣層反射，有20%被雨雲反射，有4%被地面反射，另有19%在空中被吸收，剩餘的51%才被地面吸收，成為熱能來源。地面散失的能量，大部分靠紅外線輻射，其次為蒸發作用，最小為對流運動。

        乾空氣溫度隨著高度而變化的速率(lapse rate)為 – 9.76K/km。為何常聽見海拔1000米高空比地面低6度的說法？這就和空氣並非潮濕，以及陸地影響有關。

        在其他濕度時，該變化速率為：

        dT/dz = -9.76 x [1+(a1rs/T)]/[1+(a2rs/T2)]

 

        可見該速率常低於乾空氣的變化速率，亦即，一般空氣上升時，會變冷較慢。

 

        有時為了方便計算，會定義出勢溫度：

        θ = T(1000/p)κ

        其中        κ = 0.286

                        p是氣壓(百帕)

 

        熱力學常用「熵」的概念。熵(s)與勢溫度的關係如下：

        s = cp ln(θ) + 常數

 

水在大氣的三態

 

        在大氣，水也有固態、液態和氣態三種。三態轉換時，能量就在空間和水分子之間交換。

 

相對濕度

       

天氣報告中說的相對濕度是甚麼？難道有絕對濕度？

 

        在不同溫度，空氣可容納的水分子有不同。溫度愈高，空氣就能容納愈多水分子。設e為大氣中的水氣，那麼在溫度T，最多水氣納量為es：

        es(T) = e0 exp[(L/Rv)(1/T0-1/T)]

        相對濕度 = e/es x 100%

        其中        e0 = 611帕

                        L = 2.5 x 106 J / kg

                        Rv = 461J / kg K

                        T0 = 273.15K

                        K 為克氏度

 

        當e 和es 等值時，濕度升至100%，此時的溫度即為露點，如果溫度再下降，水份開始凝結，就會出現露水，在大範圍則表現為霧。霧是雲在近地時的同義詞。可以想像，在高空某些地方，相對濕度常在100%。

 

雲的形成和焚風

 

        雲形成的機制亦類似：空氣上升時，溫度下降（約6度/1000米），露點亦下降（但較慢），最後溫度和露點重合，水開始凝結，形成雲。當雲中水點增大時，空氣阻力不足上阻止水點下降，便形成雨水。在山脈向風面，空氣被迫抬升並將水氣大部以雨水形式釋出。過山後，在下風處，露點上升得慢，溫度卻以比上山時更快的速度更快上升（約11度/1000米，因為水氣較少），結果山下的溫度急升且濕度急降，易引起火災，故被稱為焚風。

 

        這可以解釋台灣東部雨量遠多於西部（盛行風為東風）。

 

        雲形成的另一因素是大氣不穩定，使低層空氣持續上升至高空。此情況得以維持，是因為低層空氣團在上升過程，密度持續低於周圍空氣，亦即暖於周圍空氣。如果空氣團比較濕，上升時溫度下降不明顯，就很容易暖於周圍的空氣。

 

        大氣絕對不穩定，指某大氣溫度隨高度下降速度高於乾濕空氣，使乾濕空氣都能持續抬升而導致最後水份凝結；大氣選擇性不穩定，指某大氣溫度隨高度下降速度高於濕空氣，但低於乾空氣，只能使濕空氣抬升；大氣絕對穩定，指某大氣溫度隨高度下降速度低於乾濕空氣，以致所有氣團都有下沉傾向。如大氣溫度隨高度下降的速度等於某氣團隨高度下降的速度，那種情況叫大氣穩定度中性。

 

大氣在高空的震盪

 

        大氣對某種氣團於某高度有浮力，與重力平衡，使其停留於某高度。但大氣有很多細微擾動使氣團稍為向上升或向下降。當大氣溫度隨高度下降速度低於某氣團的溫度隨高度下降速度時，氣團就會以該高度為中心，作上下擺動，而這種擺動符合簡單和諧運動，有特定的頻率。

 

        這種微弱擾動可來自地形（如山脈）。實際上，也可以看高山後出現相距相等的片狀雲，就是由這些大氣波動形成的雲。這些雲所處的位置是波峰（即是波中高度最高的位置），有利水氣凝結。在低層，受地形影響，更可出現橫向旋渦。

 

逆溫層

        在深冬或初春時，受輻射冷卻影響，低空空氣溫度往往遠高於地表溫度，不利近地空氣向上升，而當中的污染物便不能透過空氣上升運動而散開，造成空氣污染特別嚴重。這種情況可維持數天。逆溫層可從溫熵圖（Tephigram）中看到。

 

輻射轉送

        從地表至高空，都不斷有紅外線等電磁波向外太空傳送。從史瓦西方程（不另推導）可看出，波的強度變化可自兩部分貢獻：吸收和釋放。例如地面有釋放紅外線，但隨著它們經過空氣，不少會被空氣再吸收；而中層大氣也會釋放紅外線，數量較小但經過的空氣粒子會比地面為小，所以吸收也少。

 

        在外太空所看到的從地球而來的紅外線，是各層未經大氣吸收的紅外線的總和，可由積分導出。由於希望只看某些層數的紅外線，所以積分常被乘以加權。紅外線代表某層溫度，故外太空衛星所收集到的數據，可用來分析高空天氣，也可以用來製作衛星雲圖。

 

        氣象衛星分為主動和被動兩種：主動者，衛星會發出特定波段紅外線，再收集反射的射線作分析；被動者，則不發出任何信號，只接收地球發出的射線。