Re: [問題] 為何在地球內愈靠近太陽,氣溫愈低？

[dpFish ()]

（原文刪光光）

這個問題過去應該被討論過不少次，也有很多板友幫忙回答了，
但似乎好像還是有那麼一點不夠清楚的地方，
我試著加上一些我個人的想法，重新整理一次。

如果要問最主要原因，或是要給出一個簡潔可以讓小學生懂的版本，
很簡單：

「因為大氣幾乎不會吸收太陽光，地表才會吸收太陽光，
  所以在對流層大氣中，熱源是在地表，
  太陽先加熱地表，熱量再往上傳遞至高空，這就是隨高度升高氣溫降低的原因。」

個人認為這個回答就解釋了主要的原因了，講太多可能反而會混淆重點。

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接下來用比較專業的詞彙來敘述。
大氣科學中，稱太陽輻射為「短波輻射」，主要能量在可見光波段。
地表或大氣放出的輻射稱為「長波輻射」，主要能量在紅外線波段。
大氣對短波輻射幾乎是透明的，因此太陽的能量無法直接加熱大氣，
反而是地表會吸收短波輻射的能量，然後以長波輻射的形式放出到大氣中，
大氣對長波輻射卻不是透明的，因此能量可透過長波輻射往上傳遞。
不過因為熱源是在地表，所以離地表越遠氣溫還是越低。

我暫且把這個過程稱為「輻射調整」。（不知道有沒有用錯詞 @@）
這一部份 Waitingchen 在 #15EF_JuW 這篇文章中解釋的非常詳盡清楚，
在此不再贅述，大家可以去參考。

  疑問一：為何太陽放出短波輻射、地球放出長波輻射？
  答：    因為溫度的關係，請查閱「黑體輻射」的介紹。

  疑問二：為何短波輻射無法直接加熱大氣？
  答：    因為大氣在可見光波段幾乎是透明的，也就是說不會吸收輻射的能量。
          （如果大氣對可見光不是透明，那我們的眼睛怎麼還能看到東西呢？）

  疑問三：為何高山上的溫度還是比平地低？
          高山的地表也會吸收太陽輻射，溫度不該跟平地差不多嗎？
  答：    這個就比較微妙了，一言難盡，請參閱下一段......

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如果地球沒有大氣的話，我相信地表溫度不管是平地還是高山上都是差不多的。
微妙的點是地球大氣雖然對短波輻射沒什麼作用（太陽直接加熱地表），
但是卻會調整能量在各處的分佈，
導致最後我們觀測到的溫度隨高度遞減的狀態。

在此先講一個事實：
在受到太陽加熱（白天、夏天）的時候，
高山地表附近的溫度的確是比其他區域「相同高度」的大氣還要高的。
地形的範圍越廣大，此效應越明顯，這在天氣圖上不難觀察到。
很有名的例子就是青藏高原在夏天是個大熱源，造成低壓，進而產生強烈的南亞季風。
因此高山地表的低溫並沒有違反我們之前的結論：地表吸收短波輻射，成為熱源。
高山上溫度雖然比海平面氣溫低，但在太陽加熱下還是會比相同高度的大氣高些，
只是其所吸收的太陽能量，在那個高度下，容易被大氣的調整過程給帶走。
也就是說生在那個高度，溫度就是要低。

  疑問四：為什麼主要是高山被其周圍的大氣調整，而不是相反呢？
  答：    因為高山的面積相對於全球地表還是只佔一小部份。

大氣調整能量分佈的方式主要有兩種，
一種透過輻射，上面已經概略介紹過輻射調整了。
第二種是透過對流，以下來講一下對流調整。
（傳導呢？大氣的熱傳導率很低，可以忽略）

以一杯水為例，起先溫度可能不均勻，拿起來搖一搖，
結果就是均勻混合，各處的溫度趨近於相同。
大氣對流也是一樣的意思，對流的結果會讓各處溫度相同.... 錯！
和水杯的例子很不一樣的一點是，大氣中氣壓隨高度上升而遞減，
氣體有個性質，就是當你和外界沒有熱量交換的時候（絕熱過程），
氣壓降低這件事本身就會讓溫度下降（稱為絕熱冷卻），
反之氣壓升高會讓溫度上升。
這個氣塊上升過程中因氣壓變化而造成的冷卻率是可以推導出來的，
在氣塊含水量未飽合的情況下，大約是每上升 1 公里下降 9.8 度，
此數值稱為「乾絕熱遞減率」。
而在氣塊飽和的情況下，因為還有水氣相態變化會放出額外的熱量，
上升過程的溫度變化率會有所不同，稱為「溼絕熱遞減率」，
此數值會比乾絕熱遞減率還要小，但不是定值（隨溫度而改變），
大約是在每上升 1 公里下降 4 ~ 7 度之間。
因此，由於存在這個絕熱冷卻 / 增溫的機制，
大氣在垂直方向上均勻混合（也就是對流）的結果，不是讓各處的溫度都一樣，
而是讓垂直溫度變化趨近於乾絕熱或溼絕熱遞減率（由大氣是否飽和而定），
因此對流這件事也會讓高層大氣的溫度比低層大氣低。

  註：我們可以定義一個量，稱為位溫（Potential temperature），
      它是氣溫和氣壓的函數。此數值在乾絕熱過程中保持不變，
      因此大氣對流的結果，會讓各處的位溫相同。

講到這邊有一個盲點：
對流會讓垂直溫度變化趨近於絕熱遞減率，但是大氣不一定要對流，
因此一個等同於絕熱遞減率的垂直大氣剖面是非必要的。
有趣的是，如果未飽和大氣的垂直溫度遞減率大於乾絕熱遞減率，
或是飽和大氣的垂直溫度遞減率大於溼絕熱遞減率，
大氣卻一定會產生對流，結果就是讓氣溫垂直變化率回歸到絕熱遞減率。
也就是說，大於絕熱遞減率的大氣剖面不允許存在，
但小於絕熱遞減率、甚至溫度不隨高度上升而下降、反而上升的剖面（稱為逆溫），
都是允許存在的。
絕熱遞減率給出的是大氣環境垂直遞減率的「上限」，
我們不會在大氣中看到下降更快的溫度垂直遞減率。

所以，完全用對流調整來解釋大氣溫度隨高度降低，個人認為並不是很適合。
因為這並沒有限制大氣溫度不能隨高度升高（因為不一定要有對流）。
最根本的原因還是因為熱源是在地表，
上述的輻射和對流調整的過程則是在決定最終溫度分佈上扮演著重要的角色。

  疑問五：為什麼大氣的垂直溫度遞減率大於絕熱遞減率就要產生對流？
  答：    因為在這個情況下，氣塊一旦上升，
          就會發現自己的溫度比周圍環境溫度還要高，密度則是較低，
          因此該氣塊會繼續加速上升，對流就產生了。

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最後稍微離題一下來講個或許不是很相關的課題。

就我所知，在很多人的觀念裡，
「（環境）每上升 1 公里，氣溫下降 XX （某個常數）度」好像是定理一般。
XX 有聽過是 9.8、6.5、6 或是其他數值。
這邊要特別提出來跟大家澄清的是，很遺憾地，這並不是一個定理，
只算是個經驗式，也可以說是氣候平均的值，
因為「環境」的溫度變化率，並沒有一定要是多少。

  註：實際上觀測平均的值，比較接近每上升 1 公里下降 6.5 度或是略小，
      並且會隨地區、季節、日夜而不一樣。

會認為有這個定值的人，
相信是把「氣塊」的絕熱遞減率和「環境」的遞減率混為一談了。
本文上面所述的乾絕熱或是溼絕熱遞減率，
都是描述「氣塊」在上升運動過程中自己會產生的溫度變化，
至於原先的環境具有什麼樣的溫度遞減率，是另外一回事。
而這其中的連結，上文也有提到，
由於高於絕熱遞減率的環境，會自動產生對流，使得環境遞減率回到絕熱遞減率，
因此絕熱遞減率可以看作是環境溫度遞減率的「上限」。
實際上因為氣塊上升過程中容易達到飽合，所以適用於溼絕熱遞減率的情況較多。

在地表是熱源、熱量由下往上傳遞的前提下，
環境大氣自然會趨近於這個值（溼絕熱遞減率），但非必要，
更小的環境垂直溫度遞減率、甚至是逆溫，都是有可能發生的。

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→ s93015a     :『主要能量在可見光波段』在對流層比較明顯
→ s93015a     :先說這句再說平流層臭氧吸收短波就變得怪怪的
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