懸浮微粒

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溫室氣體與懸浮微粒
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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(StefanBoltzmann Law),即 E=σT4
The Sun’s electromagnetic spectrum
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
太陽輻射能的吸收
單位:Solar constant
=3.42W/m2
reflected: atmosphere: earth=3:2:5
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
Green house effect
總支出=147
總支出=160
總收入=147
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)
溫室氣體與懸浮微粒
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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
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.
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)。
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)
sun
earth
•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
•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
(圖取自Graedel and Crutzen, 1995)
紅外線大氣窗8~12 um
(Infrared Windows)
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。
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。
溫室氣體與懸浮微粒
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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
觀察GHG變化容易,
掌握變化的根源不容易!
20
溫室氣體(1): CO2 (carbon dioxide)
65年
/年
Year=1998
溫室氣體(2): CH4 (methane 甲烷)
Year=1998
溫室氣體(3): N2O (nitrous oxide 氧化亞氮, 笑氣)
Year=1998
/年
溫室氣體具有很長的生命期,讓問題變得很棘手!
CO2
CH4
N2O
工業革命前
280 ppm
700 ppb
270 ppb
0
0
40 ppt
2007
375 ppm
1745 ppb
314 ppb
268 ppt
14 ppt
80 ppt
1.5 ppm/yr 7.0 ppb/yr
0.8 ppb/yr
-1.4 ppt/yr 0.55 ppt/yr
1 99ppt/yr
累積速率
存活週期
5~200 yr
12 yr
114 yr
CFC-11
HFC-23
45 yr
CF4
260 yr
>50,000yr
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。
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)
10000
5000
Time (before 2005)
0
目前大氣CO2及CH4濃度遠高於65萬年來任何一時期
IPCC 2007
溫室氣體與懸浮微粒
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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
溫室氣體與大氣溫度的高度相關性
IPCC 2007
溫室氣體與大氣溫度的高度相關性
各種溫室氣體輻射作用量(Radiative forcing)所佔比例
(IPCC 1995)
單一分子之溫室效應 CO2 : CH4 : NO32 : CFCs
1 : 21 : 206 : 10 ~104
溫室氣體與懸浮微粒
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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
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:
PSI值與健康影響
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 。
自然懸浮微粒(沙塵)
Total Aerosol Optical Depth
自然懸浮微粒(沙塵)
Radiative forcing(W/m2)
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
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
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。
溫室氣體與懸浮微粒分佈與高度之關係
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Aerosols
10-2
10-1
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)
單位=W/m2
二氧化碳之輻射作用量空間分布圖
(來源:IPCC,1992)
單位=W/m2
前兩者總和之輻射作用量空間分布圖
(來源:IPCC,1992)
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。
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。
溫室氣體與懸浮微粒
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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
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。
1750年至今(2005)全球平均輻射作用量變化
(IPCC AR5,2013)
收入
溫室效應
支出
安全閥
(異常氣候or災難)
溫室氣體與懸浮微粒
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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 (Summary)
Summary
• 人造溫室氣體產生的溫室效應在許多地區因為懸浮微
粒的冷卻效應,可能被低估了。
• 假設人類立即停止燃燒化石燃料,懸浮微粒含量將立
即下降至自然含量,地球暖化反而可能加劇。
• 科學家對懸浮微粒輻射作用量的大小了解較少,較不
確定它對氣候的淨效應。任何一個區域內的懸浮微粒
冷卻效應所引發的大氣擾動,也可能影響到其他地區
的氣候。
• 根據衛星觀測資料,雲的輻射作用量為-17Wm-2,雲
量的些許變化所造成的輻射作用量與溫室氣體的溫室
效應相當( 過去100年約為2.5 Wm-2)。低雲傾向於冷
卻對流層,但高雲則具增溫作用。如果二氧化碳加倍,
大氣中的水汽含量會增加,雲的分布變化是關鑑因素。
溫室氣體回收與隔離
CO2回收技術
- 物理吸收、物理吸附、低溫冷凝及薄膜分離法
CO2海洋隔離技術(物理吸收)
- 直接注入法、鐵肥施肥法…..
可能為生物的調節(浮游植物大量發生)

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