→ mtdas:回信箱 其他也想知道的人就不能知道了 /_\ 10/19 17:30
推 pacity:記得是因為空氣稀薄的關係 不能保暖~~ 10/19 18:29
推 wedgewu:我也記得是空氣的關係 10/19 18:40
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作者: LOUIS30 (波吉) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Thu Oct 19 19:54:10 2006
※ 引述《Evance (醉青樓)》之銘言：
: 我教家教學生問我這個問題
: 所以我就問我周邊的朋友 為什麼
: 我朋友說太陽照在地表輻射 所以接近地表比較熱
: 因為短波輻射不能滿足我的答案
: 高地也是有接收輻射 難道高山就不算地球表面嗎? 為什麼會比較少??
: 有人說是因為高山面積比較小的關係
: 可是青康藏高原面積那麼大 怎麼還是比平地的平原冷?
: 我大氣系的朋友說 壓力的影響很小 溫室效應氣體也很小
我來統合推文版友的意見和我的拙見好了，
假設地球沒有大氣的話，短波反照率為0.3，
依此計算出來的地表平衡溫度是255K。
我相信如果沒有大氣的話，高山和地表的溫度應該是一樣的。
但是垂直空氣的分佈(版友們所指出的)確實會影響輻射能量的收支，
假設大氣對短波的吸收率為0，而對長波(地表長波輻射或是大氣的)
為黑體的兩層模式(如此的假設是可以被認為適當的描述地球大氣的輻射特徵)，
如下圖。
如此計算出來的地表溫度將近會到335K，而高山的溫度就不會如此高。
，不過這是沒考慮到潛熱和可感熱效應的結果，所以算出來的溫度比
觀測到的溫度(288K)來的高。
↓ σTe^4
z=∞ ---------------------------
↑ σT1^4
z=2km ---------------------/\
↓ / \
↑ σT2^4 / \
z=0.5km------------------/ \
↓ / \
↑σTs4 / \
z=0 ---------------/ 山 \
--
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◆ From: 140.112.66.36
推 brabra:推一個～板主放精華區吧 10/20 09:17
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作者: Evance (醉青樓) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Fri Oct 20 13:30:49 2006
嗯....我可以說我看不懂嗎XD 請說中文 哈哈哈 我的學生是國中生
我大氣系的朋友叫我不要跟學生解釋這個 我想說總不能連我都不懂吧^^"
關於空氣稀薄的理由 借用一張從奇摩知識的圖
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1305091203345
0~100KM 其實空氣的分子量都差不多 所以氣壓的理論可以消除
不過我尚未證實這張圖的真實性 所以如果有錯誤請告訴我
※ 引述《LOUIS30 (波吉)》之銘言：
: 但是垂直空氣的分佈(版友們所指出的)確實會影響輻射能量的收支，
^^^^^^^^^^^^^^是指氣體的密度分佈 還是指氣體的性質不同的分布
: 假設大氣對短波的吸收率為0，而對長波(地表長波輻射或是大氣的)
: 為黑體的兩層模式(如此的假設是可以被認為適當的描述地球大氣的輻射特徵)，
^^^^^^^^^^^^^^這是什麼東西 可以大概解釋一下嗎?
還有關於下圖的公式可以表示出來嗎??
還有你公式裡面的符號可以幫忙標一下意義嗎??
: 如下圖。
: 如此計算出來的地表溫度將近會到335K，而高山的溫度就不會如此高。
: ，不過這是沒考慮到潛熱和可感熱效應的結果，所以算出來的溫度比
: 觀測到的溫度(288K)來的高。
: ↓ σTe^4
: z=∞ ---------------------------
: ↑ σT1^4
: z=2km ---------------------/\
: ↓ / \
: ↑ σT2^4 / \
: z=0.5km------------------/ \
: ↓ / \
: ↑σTs4 / \
: z=0 ---------------/ 山 \
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◆ From: 140.115.123.237
推 dpFish:那張圖可能是對的..但是那篇所謂的「最佳解答」錯誤百出=.= 10/20 15:46
推 dpFish:「分子量」是指 (一莫耳) 分子的重量... 10/20 15:49
→ dpFish:和空氣稀不稀薄沒有任何關係啊.... ||||| 10/20 15:50
→ dpFish:而且 4000 公尺大概相當於 630 hPa 左右... 10/20 15:51
→ dpFish:不會「80 % 的氧都在 4000 公尺以下」..... =.= 10/20 15:53
推 Evance:感謝您的回答 那你要不要順便幫我"中文化"louis30的解答>< 10/20 16:11
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作者: dpFish () 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Fri Oct 20 16:23:21 2006
我試著回答一下... 有錯還請指正... @@
LOUIS30 板友用輻射平衡溫度的概念來計算，
是相當好的回答，
不過有些細節和假設沒有交代清楚，
所以一般人可能比較難看懂。
我想他簡單的概念還是：
因為大氣對輻射的吸收量平均僅約 20 % ，
（參見這張圖： http://tinyurl.com/y644c5 ）
所以大部分的能量還是由地表吸收，
可以說對流層的熱源主要就是地面，（平流層則有臭氧）
熱量由地面往上傳送，
當然對流層的大氣越往上會越冷。
以上這也與大部分的人的理解相似，
對國中生應該也只需要講清楚這個概念就以了。
不過原 po 提出了一個相當好的問題：
「難道高山就不算地球表面嗎？」
我的回答是： （不確定是對的 @@）
因為大氣中有強烈的水平運動，（相較於垂直運動而言）
在水平運動的混合下，
同一水平面上的溫度大致上還是會保持相仿的。
一般高山的面積再大，相較於平地還是小很多，
能為那個高度提供的熱實在是很少，
所以溫度還是比平地低。
而青藏高原真的算是個特例，（面積很大）
也的確影響東亞地區的大氣環流甚鉅。
相信有關心大氣的人都知道：
天氣圖上的等壓線在青藏高原幾乎沒辦法畫，
在有日照的時候青藏高原算是個熱源（在那個高度上），
而無日照的時候又算是個冷源，
造成許多天氣要素在那邊有不連續的現象。
--
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◆ From: 140.112.243.130
※ 編輯: dpFish 來自: 140.112.243.130 (10/20 16:31)
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作者: vine1112 (改變~) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Fri Oct 20 16:50:57 2006
試著回答一下:) 以比較白話的說法 [因為其實已有人回答出來嚕]
※ 引述《Evance (醉青樓)》之銘言：
: 我教家教學生問我這個問題
: 所以我就問我周邊的朋友 為什麼
: 我朋友說太陽照在地表輻射 所以接近地表比較熱
基本上 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 這就是主因
入射地球的太陽光 經過大氣層時 約只有五分之一的熱量會被水氣 臭氧 二氧化碳等吸收
其餘大部分被地表吸收
#由於地表比熱小 受熱後溫度收身幅度明顯 連帶使地面氣溫較高空氣溫高
地表吸收的太陽熱量除了加熱近地表的空氣外 也會將近部分熱量傳送給大氣
加熱高層大氣
#由於地表輻射在傳遞過程中，逐漸被大氣吸收而減弱，距地表越遠的地方
氣體吸收的地表輻射越少 氣溫因而較低
[這也就是那個複雜的圖所說的內容]
降溫主要原因等同:
#離地表越遠,受地球輻射的影響就越來越少,溫度自然會隨著高度而自然的下降
: 因為短波輻射不能滿足我的答案
: 高地也是有接收輻射 難道高山就不算地球表面嗎? 為什麼會比較少??
: 有人說是因為高山面積比較小的關係
: 可是青康藏高原面積那麼大 怎麼還是比平地的平原冷?
: 我大氣系的朋友說 壓力的影響很小 溫室效應氣體也很小
: 如果要回答 請回到我的信箱 謝謝
--
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◆ From: 140.112.66.200
推 seeback:但這無法回答平流層的溫度問題 10/20 17:03
→ vine1112:平流層因有臭氧吸收紫外線 隨高度增高溫度~ 10/20 17:09
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作者: Waitingchen (Rejoyce ) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Sat Oct 21 03:10:04 2006
我來試著補充一下LOUIS30大大的意見喔
首先有三點基本觀念要提一下，有助於後面的解釋--
1) 除了絕對零度以外的物體，都會往外放出電磁波，這是一種能量釋放的管道，
2) 溫度高的物體，放出電磁波的「總能量」比較強，而且能量會集中在「短波
長」的電磁波段
3) 物體除了會放出電磁波，也會吸收電磁波，如果吸收的總能量大於放射，物
體溫度會升高，放射大於吸收的話溫度就降低
從以上這三點可以發現一件事--一個東西的溫度跟它吸收和放射的電磁波總能
量是「互相影響」的。
※ 引述《LOUIS30 (波吉)》之銘言：
: 我來統合推文版友的意見和我的拙見好了，
: 假設地球沒有大氣的話，短波反照率為0.3，
: 依此計算出來的地表平衡溫度是255K。
大氣科學裡面，把太陽光叫做「短波輻射」--大致包括紫外線、可見光等電磁波，
而地球上的所有東西，包括地面、大氣、雲、你、我、小強、企鵝，放出的電磁波
都屬於「長波輻射」--也就是紅外線。（註1)
如果沒有大氣，所有太陽來得能量都會直接來到地面，但是地面也不是乖乖的照單
全收，像是雪地、沙漠這種材質，大部份的陽光都會被反射回太空，如果是水泥、
土壤，大部份陽光都會被吃下來。以整個地球平均來看，大概有70%的太陽能量會
被地面吸收，另外30%就被踹進宇宙裡了--這個地面反射陽光的能力就是「反照率」
所以說，70%的太陽輻射被地面吸收了，地面被加熱的同時，也會向外放出屬於自
己的長波輻射，在能量平衡、進等於出的狀況下，如果沒有大氣，地面的
溫度會是255K= -18C 這是太陽的加熱能力與地面輻射冷卻能力平衡後的結果--一
個冷的不能住人，勉強可以住企鵝和小強的地球。
所以說，請感謝大氣，特別是大氣裡現在惡名昭彰的溫室氣體，我們才會有看著
外頭溫度計爆表，悠閒在冷氣房裡吃冰的樂趣....XD
: 我相信如果沒有大氣的話，高山和地表的溫度應該是一樣的。
: 但是垂直空氣的分佈(版友們所指出的)確實會影響輻射能量的收支，
: 假設大氣對短波的吸收率為0，而對長波(地表長波輻射或是大氣的)
: 為黑體的兩層模式(如此的假設是可以被認為適當的描述地球大氣的輻射特徵)，
: 如下圖。
: 如此計算出來的地表溫度將近會到335K，而高山的溫度就不會如此高。
: ，不過這是沒考慮到潛熱和可感熱效應的結果，所以算出來的溫度比
: 觀測到的溫度(288K)來的高。
: ↓ σTe^4
: z=∞ ---------------------------
: ↑ σT1^4
: z=2km ---------------------/\
: ↓ / \
: ↑ σT2^4 / \
: z=0.5km------------------/ \
: ↓ / \
: ↑σTs4 / \
: z=0 ---------------/ 山 \
雖然知道大氣對於地面保溫很重要，但還是沒有回答為什麼越往高處越冷。
（先澄清一下，我們這裡所說的越往高處越冷指的是「氣溫」)
地球的大氣基本上是不吸收太陽光的--除了少部份的紫外線會被電離層的氧氣
與平流層的臭氧吸收之外，幾乎所有的可見光都可以穿透大氣到達地面。
所以在太陽輻射的部份，有大氣跟沒大氣一樣。
但是地面放出的長波輻射在有大氣的狀況下，命運就很「曲折」了，因為水氣
、二氧化碳、甲烷、臭氧，都分別會吸收不同波段的紅外線，聯手擋下地面向
外散逸的輻射能量。
但就像出來跑總是要還的，有吸收總是要放射的，這些氣體吸收了地表來的紅
外線，自己也會放出紅外線，這個時候LOUIS30大大精美的示意圖就很好用了，
我們先假設只有一層大氣（z=0到z=0.5km)：
--- 如果地面溫度是Ts，地面向上放出的紅外線總能量= σ x (Ts)^4 （註2）
--- 從z=0到z=0.5km的大氣，吸收了σ x (Ts)^4，這個能量要跟大氣自己放出
的能量相等（能量收支平衡嘛），假設這一層大氣溫度叫T2，大氣向上
放出σ x (T2)^4，向下也放出σ x (T2)^4，（沒辦法，人家是大氣，
上有高堂下有妻小，通通都要養），我們馬上就得到一個等式
σ x (Ts)^4 = 2 x σ x (T2)^4
把常數σ消掉，兩邊開四次根號（也就是0.25次方），你就會發現
Ts =T2 x (2)^0.25= 1.18 x T2
看到了嗎？地面溫度Ts比大氣溫度T2多1.18倍（請用K當溫度單位）
--- 那地面溫度是多少呢？我們先不解它，但是在加上大氣之後，地面除了
吸收太陽輻射，還多了大氣向下的輻射(σ x (T2)^4），雖然最後還是要
跟地面放出的σ x (Ts)^4 平衡，但是Ts一定會比沒有大氣時的255K來
得高（因為人家有更多家產可以揮霍了....），這就是大氣溫室效應的
神奇，薄薄一層，讓你無冰凍之憂啊...
再加上一層大氣，狀況也還是類似的，
--- 從z=0.5到z=2的大氣，吸收下面那層大氣向上的σ x (T2)^4
（因為下面那層已經把地面輻射都吸走了，所以上面這層只有吸收大氣
輻射的份），自己又向上跟向下放出σ x (T1)^4，因此
T2 = 1.18 x T1 --> T2又比T1多，也就是溫度越往高處越低....
--- 不過加上這層大氣之後，底下那層大氣也多了一個可吸收的輻射，就是
從上面下來的σ x (T1)^4，所以它也多了可揮霍的家產，T2也會比之前
只有一層大氣的時候高。
--- 連帶地面的Ts又會再變高，因為σ x (T2)^4變大。
溫室效應的威力就此顯現，就是因為溫度與輻射能量互相影響，效應可以
一直往下傳遞，加越多層，地面溫度越高 -- 但越高層大氣的溫度一定比
較冷
--- LOUIS30大大已經提到，用兩層大氣解出來的地面溫度會是335K（註3）
所以，其實簡單的解釋好幾位大大都已經提過了，就是太陽加熱地面，地面變成
了大氣的「輻射熱源」，因為大氣會吸收來自地面向上的長波輻射，再向上與向
下放射出自己的長波輻射，能量守恆的結果，就是越往高處的大氣溫度越低。
註1--其實所有的物體放出的電磁波都會涵蓋所有的波段，只是強度集中在哪個
區段的問題，太陽溫度6000K，太陽輻射也是有紅外線的部份，但是跟可見
光部份相比實在是微不足道，同樣的，地球溫度255K，也是有紫外線的部份
，但能量主要集中在紅外線。
請看示意圖http://www.divinewindbook.com/figures/image013.htm
註2--這個叫Stefan-Boltzmann定律，一個平面物體，向上或向下其中一個方向，
單位面積放射出的電磁波總能量，是σ乘上溫度T的四次方，單位是W/m^2
(σ叫Stefan-Boltzmann常數=5.67 x 10^-8 W/m^2K^4）
註3--入射的太陽能量是S0x(1-a)/4 （S0=太陽常數=1367 W/m2, a=反照率=0.3)
先把地球看成一個系統（站在最外面看）整個地球的輻射平衡是（進=出）
S0x(1-a)/4 = σx(T1)^4 --> T1 = 255K
最上層大氣的能量平衡已經提過，
σx(T2)^4 = 2xσx(T1)^4 --> T2 = 1.18xT1 = 305K
最底層大氣的能量平衡是
σx(Ts)^4 + σx(T1)^4 = 2xσx(T2)^4
地面的能量平衡是
S0x(1-a)/4 + σx(T2)^4 = σx(Ts)^4
隨便用那一個都可以解出 Ts = T1 x (3)^0.25 = 335 K
335K (62C) 當然比實際全球平均地表溫度(~15C)高很多，因為我們沒有考慮
大氣的對流--底下這麼熱的空氣一定要上升的啊....
所以，還要感謝大氣的流動，不然地球上大概連小強都不會有吧....
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 69.234.99.237
※ 編輯: Waitingchen 來自: 69.234.99.237 (10/21 03:13)
推 dennis699:推~~ 10/21 07:01
推 vine1112:推 補充的很清楚~ 10/21 08:20
推 dream123:推～ 10/21 10:08
推 going70:推 10/21 14:31
推 faceQ:推^^ 10/21 17:45
推 z1288:推 10/21 21:58
推 dsilver:推薦這篇文章 10/22 14:02
推 LOUIS30:謝謝維婷學姐^^ 10/23 13:40
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作者: biostar (澎湖小雲雀) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Sun Oct 22 02:41:34 2006
※ 引述《Waitingchen (Rejoyce )》之銘言：
: 335K (62C) 當然比實際全球平均地表溫度(~15C)高很多，因為我們沒有考慮
: 大氣的對流--底下這麼熱的空氣一定要上升的啊....
: 所以，還要感謝大氣的流動，不然地球上大概連小強都不會有吧....
最主要還要感謝海洋與水的高氣化熱吧......
空氣能上下對流... 大部份都要感謝水那種高潛熱吧...
地表有 71% 是海洋... 水蒸發吸走很多熱量...
所以地表沒有 335K (62C) ...
上空也沒有理論值那麼低... 水蒸氣凝結時釋出很多潛熱...
記得乾燥空氣是每上升一千公尺降低10度
潮溼空氣是每上升一千公尺降低6度
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 218.172.152.87
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作者: Waitingchen (Rejoyce ) 看板: TY_Research
標題: Re: [問題] 地勢越高越冷的原因??
時間: Sun Oct 22 03:31:46 2006
※ 引述《biostar (澎湖小雲雀)》之銘言：
: ※ 引述《Waitingchen (Rejoyce )》之銘言：
: : 335K (62C) 當然比實際全球平均地表溫度(~15C)高很多，因為我們沒有考慮
: : 大氣的對流--底下這麼熱的空氣一定要上升的啊....
: : 所以，還要感謝大氣的流動，不然地球上大概連小強都不會有吧....
: 最主要還要感謝海洋與水的高氣化熱吧......
: 空氣能上下對流... 大部份都要感謝水那種高潛熱吧...
: 地表有 71% 是海洋... 水蒸發吸走很多熱量...
: 所以地表沒有 335K (62C) ...
: 上空也沒有理論值那麼低... 水蒸氣凝結時釋出很多潛熱...
: 記得乾燥空氣是每上升一千公尺降低10度
: 潮溼空氣是每上升一千公尺降低6度
biostar大大補充的好
如果看實際的觀測資料，會發現整個地球平均而言
上升一公里約降6.5度 --> 這正是理論推導出來濕空氣上升所應該出現的降溫率
會這麼「剛好」的原因就是
1.前面推導出來太陽加熱地表和溫室效應會讓溫度隨高度遞減。
如果用很詳細的方法去計算，會發現溫度在地表非常高，在上空卻太低
-->靠近地面的空氣是不穩定的，所以一定會產生對流
2.我們很幸運有水，而且地球的溫度壓力正好是水的三相都可以存在的範圍。
液態水蒸發會吸走地面的熱，上升到一定高度後凝結又會放出熱，
所以效應是幫助地面冷卻，高空增溫-->跟1.的效應相反。
不過，因為同樣要遵守能量守恆，除了考慮凝結釋放的熱，還要扣掉壓力減小
氣體體積膨脹的冷卻效應，經過熱力學推導之後，含有水氣的空氣
上升一公里溫度還是會降6.5度。
（但已經比1.的溫度遞減率來得小，而且地面溫度也降低。）
3.更幸運的是我們有很多的水，大部份的地方都可以有水氣，
所以到處都是濕空氣對流，也因此實際的大氣溫度會很靠近2.的結果。
最後再說明一下，上面提到的都是全球平均的狀況，如果看局部地區，
溫度隨高度的遞減率會受到天氣系統與局部能量平衡的影響，而偏離平均狀態。
像是晚上，地面冷卻得比大氣快，反而會變成靠近地面有一層溫度隨高度增加，
這個叫「夜間逆溫層」，這種狀況下大氣非常穩定，如果有工廠在晚上排放廢氣，
污染物就會一直被困在這個逆溫層裡，沒有辦法跟高空混合。
等到太陽出來，地面溫度慢慢上升，近地面開始有小小的對流，
但上面還是蓋著「殘留」的逆溫層，
這些污染物就會先「燻」到地面，如果有一些化學物是吸收陽光進行化學反應的，
還會有很多噁心的東西生成（ex:臭氧），所以清晨的空氣未必是最乾淨的，
如果附近有工廠會在夜間趕工的，你就有理由睡晚一點，等逆溫層完全消失，
近地面可以跟高空順利混合的時候再出門吧....
（最後面整個離題...Orz)
--
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◆ From: 69.234.99.237
推 faceQ:推 10/22 14:34
推 reverence:推最後面 10/23 02:00
推 blc:印象中濕絕熱降溫率是5.5度/km…6.5度/km是盛行降溫率… 10/23 17:23