4.2 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可以用圖4-1圖4-1解釋。若將在大氣層頂的太陽輻射的全球平均值( 342 Wm-2 )當作100單位,其中20單位為大氣吸收( 平流層3,對流層17 ),30單位被氣體分子、雲及地表反射或散射回外太空( 亦即,地球反照率為0.3 ),50單位則被地表吸收。地表向上放射的長波輻射量相當於110單位,其中98單位被對流層吸收,平流層吸收了另外2單位,最後只剩下10單位外逸至外太空。

地表只吸收了50單位的太陽輻射,卻放射110單位的長波輻射。它的能量補給來自大氣的溫室效應:對流層吸收了大量的長波輻射,卻也分別向地表及平流層放射89及60單位。向下的89單位全數為地表吸收。相對而言,平流層吸收長波輻射的能力不佳,只吸收了60單位中的6單位,外逸量高達54單位。平流層也分別向對流層及外太空放射5及6單位的長波輻射。

若只計算輻射能量,則大氣共吸收120( 即17+98+5 )單位能量,卻放射149單位能量。亦即,大氣不斷以29單位的速率損失能量。反觀地表( 包括海洋及陸地 )則吸收139(50+89)單位,放射110單位,因此以29單位的速率吸收能量。這些多餘的能量則以蒸發( LE,24單位 )或可感熱傳送( SH,5單位 )的形式進入地表附近大氣,再由大氣的水平及垂直運動傳送至其他部分的大氣,彌補大氣輻射冷卻損失的能量。蒸發的過程中,液態水吸收地表的熱量汽化進入大氣,無形中將地表的熱量傳送至大氣。如果水汽再度凝結成液態水,釋放出潛熱,加熱空氣,氣溫因此升高。可感熱傳送則可用下面例子比喻:涼風拂面而來,頓覺涼爽無比;蓋因吹拂在人體的涼風帶走了一些熱量,降低人體溫度。同樣的,因吸收輻射而過熱的地表,透過熱傳導及空氣運動將熱量傳入大氣。

圖4-1,我們知道,大部份的大氣並不處於輻射平衡狀態。平均而言,低緯度地區吸收的短波輻射大於損失的長波輻射,高緯度則相反( 圖4-2圖4-2 )。如果,這兩個區域在無大氣運動的情況下,達到輻射平衡狀態,則低緯度地區氣溫勢必不斷提高,直到地球外逸長波輻射量等於吸收的短波輻射量。相反的,高緯度地區則必然降溫至所謂的輻射平衡溫度。在此種情況下,低緯度地區變的太熱,高緯度地區則太冷。實際上,表面覆蓋著流體(如空氣、海水)的地球,無法維持這樣大的南北溫度梯度,卻仍舊保持空氣、海水靜止不動。劇烈的運動將在大氣及海洋發生,以降低溫度梯度。大氣及海洋環流就在此種驅動力之下,不斷的運動,也不斷的重新分配輻射能量,擴大適合生物生存的空間。在輻射能量重新分配的過程中,則難免產生劇烈天氣,如颱風、龍捲風等,反而威脅生物的生存。


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