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「在對流層內氣溫會隨高度增加而降低」， 這個概念對於許多高中生而言，幾乎是一件天經地義的事情。可是當被問到為何離地越高氣溫會越低時，他們通常直接回答：「因為高空空氣較稀少」，這個答案就有點似是而非。如果再繼續追問下去，他們常常就是詞窮，無法再進一步解釋為何空氣稀少氣溫就會較低。如果換個方向來問這個問題，即「對流層大氣的能量主要是受太陽輻射或地球輻射的直接影響？」他們通常會直接回答：「太陽輻射」，因為白天有太陽，所以氣溫會較夜晚來得高。但再仔細一想，你會發現這個答案也是大有問題的，因為如果你去爬高山，到了離太陽較近的山頂，氣溫卻是較低。那對流層大氣的能量究竟主要是來自哪裡呢？

在深入討論這個問題之前，讓我們先回想一下最常見的大氣分層方式，從下到上分別是：對流層、平流層、中氣層與增溫層。那離地表最近為何被稱為「對流」層呢？那是因為對流層大氣中有許多上、下對流的垂直運動，發生垂直對流的原因則來自較底層大氣的溫度較高。那麼較底層的大氣為何有較高的溫度呢？要深入、仔細地回答此問題，我們就要使用《氣候變遷2007》 （Climate Change 2007 ）書中有一張更詳盡的圖來解釋（圖一），同時還得配合地球系統的概念才能深入探討其原因。

圖一：地球系統的能量收支示意圖。（圖片來源：修改自Climate Change 2007）

乍看之下，這張圖非常複雜， 但如果你將圖分成左、右兩邊，就可以發現左邊最主要是闡明太陽輻射的變化，右邊則是地表輻射。如果想再進一步深入了解，則需利用地球系統的觀念， 將上圖分解成三部分：首先是將地球視為一個整體的系統，包含大氣層頂以下到地表之上，即是I 區；其中又包含兩個子系統，分別是大氣（II區）與地表（III 區）。整體而言，地球系統主要的能量來自太陽輻射，而兩個子系統除了會吸收部分的太陽輻射外，還會把部分的太陽輻射直接反射回到外太空。此外，兩個子系統也都會發出長波輻射，將能量傳遞到太空，整體地球系統因而能保持能量平衡，然而這一部分也是學生最容易產生迷思概念的地方。底下將分別就這三區的能量收支情形詳細討論。

就整體地球系統（I 區）而言，能量的收支情形如下：
收入的部份：太陽輻射的總量是342 Wm^-2。
支出的部份：整體直接反射的太陽輻射總量是107 Wm^-2，其中77 Wm^-2來自雲、氣溶膠（或稱懸浮微粒）與大氣氣體的反射，另外30 Wm^-2是來自於地表的反射。這兩部分反射的比率約佔太陽入射總量的30％，這個數值亦稱為地球的反照率（albedo）。

另外，地球系統整體往外的長波輻射總和是235 Wm^-2，其中來自雲與大氣所發射的長波輻射分別是30 與165 Wm^-2，另外地表發射直接穿透大氣的紅外線輻射有40 Wm^-2。因紅外線中某些波段的輻射不會被大氣吸收，亦即大氣對這些波段是透明的，所以這些波段又被稱為「大氣窗」（Atmospheric Window），通常落於在3.7 和11 微米附近。

所以對整體地球系統而言，能量收支情形為：342 = 107 + 235，可達到收支平衡。

對大氣子系統部分（II 區）而言，能量的收支情況如下：收入的部份：來自太陽輻射67Wm^-2；來自地表的熱傳播與水氣蒸發所攜帶的潛熱分別是24 與78 Wm^-2；但來自地表發射的長波幅射是350 Wm^-2，而非390 Wm^-2，這是因為扣掉直接穿透大氣窗的40 Wm^-2。

由此可知，大氣所吸收的太陽輻射量，不如想像中得多，這是因為太陽輻射主要是落在可見光波段，而大氣幾乎不吸收0.4~0.7 微米波段的可見光。太陽輻射進入大氣後會先被高層大氣的氮、氧分子吸收，這些分子會光化解離成原子狀態。此外，這些分子或原子狀態的氮、氧會吸收波長短於0.2 微米的紫外線，再進一步變為電離狀態，這也是大氣電離層的來源。波長在0.2~0.3 微米間的紫外線幾乎會被平流層的臭氧完全吸收。而相當多的近紅外線波段（0.7~3 微米）的太陽輻射，則會被大氣中的水氣、二氧化碳和雲所吸收，而造成這些分子的振動和轉動躍遷。這些被吸收的太陽紅外線波段輻射能量，不僅會使得大氣產生增溫的現象，再次釋放出來後，一樣會使得低層大氣與地球表面變暖，這也是大氣溫室效應的部分能量來源。

溫室效應
一般人所熟知的溫室效應，主要是因地面的長波輻射進入大氣後，會被大氣某些分子吸收，即對大氣造成的加熱作用。其中最重要的能量吸收區域是6.3微米波段的水氣吸收帶、4.3 和15 微米波段的二氧化碳吸收帶以及9.6 微米波段的臭氧吸收帶。除了上述的水氣、二氧化碳與臭氧之外，大氣中的主
要溫室氣體另外還有甲烷、氮氧化物（主要是氧化二氮）和氟氯碳化物等。
另外，有個需要與「溫室效應」做出區隔的觀念是「全球暖化」。溫室氣體原本就存在於大氣中，溫室效應也是地球原本就存在的自然現象。但近年來，大氣中的溫室氣體濃度不斷地增加，大多是人為活動造成，例如：二氧化碳來自燃燒石化原料（石油、煤、天然氣等）；甲烷來自農業與畜牧業活
動；氮氧化物來自燃燒石化燃料、污水處理和農業活動。因這些溫室氣體的增加與地球氣溫的增加有著相同的趨勢，所以現在科學界大多認為人為的溫室氣體排放，加劇了溫室效應，進而造成了全球暖化。

支出的部份：
整體大氣往外發射的長波輻射總量是165 Wm^-2，雲發射的長波輻射是30 Wm^-2。最後大氣還有324 Wm^-2的長波輻射返回地表。由於大氣本身具有溫度，會往外輻射出紅外線的長波輻射。「往外」輻射指的是往大氣子系統以外，意即往太空與地面發射紅外線，但由於絕大部分的氣體會集中在地表附近，所以往地面的輻射量會比往太空來得多。

所以對大氣子系統而言，能量收支情形為：67 + 24 + 78 + 350 = 165 + 30 + 324，也是達到收支平衡。......【更詳細的內容，請參閱第519期科學月刊】

參考資料
1. 魏國彥、許晃雄，《全球環境變遷導論》，台北市，教育部，1997 年。
2. Bertalanffy, L., General system theory: Foundations, development, applications , New York, George Braziller Inc, 1969.
3. Solomon, S. et al., Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change , Cambridge University Press, 2007.
4. Sandquist, G. M.，戚萬伍譯，《系統科學概論》，台北市，科技圖書，1988 年。