地球科学领域开发高中教材及高中生研习活动.ppt

地球科學領域開發高中教材及高中生研習活動,教育部92-95基礎科學教育改進計畫 九十二會計年度 主持人：許晃雄 協同主持人：吳清吉、林博雄 執行期限：自92年01月01日至95年12月31日止 參與科系所：國立台灣大學大氣科學系,影響氣候因子和近千年來的氣候變遷,五大自然系統：氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈 人類,氣候變遷,環境變遷,人類變遷,人為 vs. 自然,複雜的三角關係,天氣與氣候,天氣 -影響人類生活和活動的大氣狀態 -為大氣短時間(數分鐘至數天)變化 氣候 -大氣-水圈-陸面系統緩慢變化的形勢(aspects) -為每日或季節性天氣的長期間累積,氣侯與文明,氣候的定義,氣候為長達數十年期間，大氣-海洋-陸地系統狀態的統計特性- (Monin) 非任何時刻的確切狀態,氣候的特性,具有多重時間尺度 對於應取多長的時間來計算氣候特性，科學家有許多不同的看法 世界氣象組織( World Meteorology Organization)則將之定義為30年,氣候變遷的證據,氣候變遷的多重時間尺度,地球自從在46億年前誕生以來，歷經了35次冰期 過去8億年間，冷暖氣候多次地交替出現,過去100萬年 氣溫度變化曲線，有許多大大小小起起伏伏(圖a),過去1萬年 -自從上一個冰期之後，大氣溫度明顯上升 -但是仍舊冷暖氣候交互出現 -地球氣候經歷了4次冷暖變化，溫度變化達45之多(圖b),過去1千年 -最近的一次冷期為小冰河期，大約發生 於15世紀至19世紀初 (圖c) -脫離小冰河期之後，氣候又逐漸回暖 -小冰河期之前為中世紀暖期,。19世紀末-1940年，溫度持續上升，在1940年代相當暖和 。19501970年代卻又持續下降 。1980年代至今，又節節上升 。1995年全球平均溫度比19611990的平均溫度高出0.4 。許多科學家預測，全球平均溫度未來仍將持續上升,1911-2002年 6-8月台灣氣溫,氣候瞬變 長期氣候變遷,預估未來海面變化,/hottopics/climate/climatetrends.jsp,氣候的使者-大氣環流,大氣環流 -扮演氣候信差的角色 -負責傳送各地氣候變化的訊息 大氣運動所需的能量，源自太陽,能量收支平衡和不均勻加熱 -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,輻射能量分布不均勻 -產生大氣運動，重新分配能量,冷空氣吹向低緯度，暖空氣吹向高緯度 降低南北溫差; 冷空氣下降，暖空氣上升 調降垂直溫度遞減率 輻射能量 轉換成動能為摩擦所耗損 轉換成潛熱、可感熱改變氣溫分布,輻射能量重新分配的過程中，產生劇烈天氣，如颱風、龍捲風等,洋流 -能量往高緯度傳送，調節高緯度地區大氣溫度變化 大氣的南北運動 -將暖空氣往高緯度傳，冷空氣往低緯度傳，減少南北氣溫梯度 水氣隨大氣南北運動 -在中、高緯度地區低壓中心附近上升，冷卻凝結而釋放出能量，達到潛熱傳送效果,大氣：30-60度之間 海洋：10-40度之間,三胞垂直環流,哈德里胞(Hadley cell，0 o -30o) 佛雷爾胞( Ferrel cell，30 o -60 o) 極胞( polar cell，60 o -90 o),地面氣壓分布,地表空氣輻合地區(低壓區) -赤道 -中緯度低壓帶-極鋒 地表空氣輻散地區(高壓區) -馬緯無風帶 較少劇烈的天氣現象發生，經常風平浪靜,水平環流,水平環流結構明顯地受到海陸分布的影響 -陸地、海洋特性的差異造成氣壓分布的海陸差異,(北半球)冬季氣壓場 海平面 中緯度海洋主要為低壓系統 如北太平洋的阿留申低壓 北大西洋的冰島低壓 低緯度海洋則為微弱的副熱帶 高壓系統,陸地上 多為冷高壓系統 以西伯利亞高壓最明顯,夏季氣壓場 情形相反 海洋上的主要系統為副熱帶高壓 陸地上則為低壓,影響氣候的因子,外在因素 大氣的運作對這些影響因子並無回饋作用，無交互作用 -如太陽輻射量改變、火山爆發、板塊飄移 內在因素 這些影響因子存在於地球本身，而且與大氣的運作發生交互作用 -如大氣與海洋、生物圈、陸地之間的交互作用 人類因素,外在因素,(i) 日-地關係 (ii) 太陽黑子 (iii) 板塊漂移，地形變化 (iv) 火山爆發,(i) 日-地關係,太陽與地球之間的距離 太陽輻射入射角的改變 地球所吸收到的太陽輻射隨之而變,主要的影響因素有三種: 地球公轉軌道的偏心率變化(eccentricity) 黃、赤交角變化(obliquity) 歲差( 或攝動，precession ),(i)偏心率(Eccentricity) 。目前為 0.018 。過去五百萬年之中變化的範圍 0.000483-0.060791 。週期約為100,000年,(ii)黃赤交角(Obliquity) -地球自轉軸與黃道面法線之間夾角 。目前為23.5度 。介於22度與24.5度之間 。變動週期為 40,000年,(iii)攝動(preccession) 。週期22,000年,偏心率 -偏心率影響近日和遠日時，太陽入射地球輻射量差異的變化 -偏心率越大，輻射量差異越大 -反之亦然 -但是，變化相當小 比如，上述偏心率的變化，造成的變化為0.014% 到 -0.12%。,黃赤交角 黃赤交角的變動，不會影響地球攔截太陽輻射的總量 如果角度較大，則一年中太陽直射可達的緯度較高 夏季太陽輻射量較大，冬季較小 季節變化因此變大，四季更明顯 相反的，如果角度較小，則季節變化較小，四季較不明顯,攝動(歲差),地球自轉軸路徑宛若一圓錐體，繞完一圈約22,000年 目前地球經過近日點為一月，經過遠日點為七月 約11,000年之後，地球經過近日點為七月，經過遠日點為一月 那時的七月，太陽直射北半球,米蘭科維奇(Milankovitch) 日-地關係變化造成冰期與間冰期交替出現主因,冰期形成主要原因 夏季（不是冬季）的太陽輻射量變弱，不足以溶化上一冬季留下的冰雪 冰雪覆蓋區域逐年往低緯度區擴展,較廣的冰雪覆蓋區反射較多的太陽輻射，地表吸收的太陽輻射變少 因此冰雪溶化量更形減少 冰-反照率機制產生的正回饋，使得冰雪覆蓋區逐年擴大,適合冰期發展 較小的黃赤交角及 位於遠日點的夏季,適合間冰期發展 較大的黃赤交角及位於近日點的夏季,(ii) 太陽黑子,如果太陽活動的週期性變化對地球氣候有所影響 我們只須監測太陽的活動即可預測氣候,週期性 11年 22年 80-100年,太陽黑子數在19世紀之前隨時間的變化 13世紀紀開始三個低值期恰好發生於小冰河期,從學理上，科學家無法理解太陽黑子如何影響氣候 太陽黑子活躍時，太陽輻射增強的部分都屬於極短的波段(如紫外線、X及射線)，因此所增加的能量不多 這些輻射一進入大氣時，立即為高層大氣的氣體吸收，因此對地表氣候影響甚小 目前也無任何理論可以解釋高層大氣溫度的變化會影響到地表附近的氣候,(iii) 板塊漂移，地形變化,海陸分布及地形高低對氣候有很大的影響 比如，季風主要導因於海陸分布產生的,科學家利用大氣環流模式模擬季風的成因 青藏高原的形成，加強了上昇氣流與降水 -因此加強季風 而且區域之間的氣候差異也變大,目前大部份陸地集中在北半球，尤其在北緯30度到60度之間 因此北半球中緯度冬季氣溫比南半球偏冷，而且年溫差大了許多。,海陸分布也影響海洋環流，間接影響氣候 比如，有些科學家認為，原來相連的南美洲與南極洲大約在三千萬年前分開 -兩者之間於是形成了繞南極的洋流 -原本來自熱帶的洋流被截斷，無法繼續將由熱帶地區帶來的熱能傳送至南極大陸附近海域 -缺乏海洋調節氣候的功能，南極大陸氣溫因此下降，冰河逐漸形成,亞洲南部高地（青藏高原）的隆起，才使得北半球在約五百萬年前，開始有大量冰河的出現,(iv) 火山爆發,火山爆發，幾個月之後，懸浮微粒雲 (aerosol cloud)的影響達到最高點 -懸浮微粒反射太陽輻射，同時吸收地球的長波輻射 由於它吸收紅外線的效率較高 因此含懸浮微粒的平流層溫度會昇高,懸浮微粒對對流層氣候的影響就比較複雜,小顆粒( 半徑2m )，吸收地球長波輻射的能力較強，具有增溫作用,淨效應-冷卻作用，使地表溫度 下降,留在平流層的懸浮微粒含量決定火山爆發對氣候影響的程度 一般而言，停留在平流層中的懸浮微粒會因重力牽引，逐漸沈降至對流層而後消失 停留在大氣的時間頂多2-3年 單一火山爆發對氣候的影響只是短短幾年,科學家估計1991年6月菲律賓的皮納吐波火山爆發,造成了4 Wm-2的輻射冷卻 使全球溫度下降了約0.5 達兩年之久 原本上升的溫度在1991年之後止昇回跌 直到1994年才恢復上升的趨勢。 在短期之內的影響，遠比工業革命以來溫室氣體增加，造成的溫室效應還要劇烈,如果年年有大型火山爆發，對較長時期的氣候變化是否有影響呢,科學家分析格陵蘭冰芯的酸鹼度 -它記錄了歷史上已知的火山爆發 -也記錄了許多可能不曾為人知的火山爆發事件,冰芯酸度( acidity )的變化，與北半球溫度的變化呈現高度的一致性 酸度高則溫度低；反之亦然,內在因素,(i) 大氣氣體成分的變化 (ii) 地表狀態的變化 (iii) 海洋 (iv) 雲 (v) 大氣內部動力,(i)大氣氣體成分的變化,工業革命以來，人造溫室氣體 快速增加，提昇大氣暖化的可能性 大氣中的懸浮微粒也增加，具有冷卻作用,對溫室氣體與懸浮微粒的淨輻射作用量已經有了初步的了解 -但是還不甚清楚它們的淨效應將如何改變地球的氣候及大氣環流,(ii) 地表狀態的變化,地表狀態變化會影響： 地表吸收的太陽輻射量 大氣/陸地之間的潛熱及可感熱通量交換 地表狀態變化會改變能量收支及區域的水循環,-沙漠、冰雪覆蓋區 比綠地反射較多的太陽輻射 吸收較少的太陽輻射,沙漠化( desertification ),沙漠邊緣地區(如撒哈拉沙漠南緣的 Sahel) -這些地區的水循環系統非常脆弱 -很容易受到氣候變化及人為影響的干擾，使得乾旱更加嚴重沙漠化,森林減少,/hottopics/climate/climatetrends.jsp,植被覆蓋面積縮小 因半乾旱地區雨量減少，或因為過度放牧,其一為地表反照率變大 地表吸收之太陽輻射減少 地表溫度因此下降 對流不易形成，降水因而減少 植被覆蓋面積進一步縮小,另一種可能為植被覆蓋面積縮小 逕流增加土壤含水量減少 地表吸收的太陽輻射多用來直接加熱地表 地表溫度因此上升 可能更不適合植物生長,上述二種反應過程不一樣 但都可能導致降水量減少，形成一惡性循環 使得沙漠化加劇 熱帶雨林的砍伐也會造成類似的結果,亞馬遜河流域實驗,熱帶雨林樹根平均深達4公尺，鄰近牧草地植物的根部深度只有1.5-2公尺。 前者的樹葉面積比後者大了許多,如果砍伐熱帶雨林將之變成經濟產值較高的牧場 (i)將破壞森林涵養水分的功能 (ii)將大幅減少蒸發量（約三分之一） 此二作用皆將破壞當地的水循環系統，進一步改變地表溫度及大氣環流,(iii) 海洋,海洋是大氣中水氣的主要來源 水循環的主要驅動者 大氣所需能量的主要來源之一,調節氣候，降低高緯度地區季節變化幅度 與大氣交互作用 -影響短期氣候變化，如，聖嬰-南方震盪 -長期氣候變化，如，溫鹽環流的影響,(iv) 雲,太陽輻射有20% 被雲反射回外太空 雲同時具有反射太陽輻射及吸收地球輻射的功能 -前者產生冷卻作用，後者為加熱作用 無雲的夜晚溫度經常較低，那是因為輻射冷卻的關係,大體而言，高雲吸收地球輻射的能力較強，低雲則是反射太陽輻射的能力較強 -因此較多的高雲將使地表增溫，較多的低雲則使地表降溫,如果二氧化碳加倍,大氣中的水氣含量可能增加，那麼雲的分布會有何種變化呢 如果低雲量明顯增加，冷卻效應大於高雲的暖化效應，則將產生負回饋作用，地球反而變冷 如果，增加的主要是高雲，將產生正回饋作用，全球暖化可能因此更加嚴重,西元10002001年全球二氧化碳成長趨勢,/hottopics/climate/climatetrends.jsp,(v) 大氣內部動力,大氣是一非線性流體 Lorenz研究一個只含三個變數的非線性動力系統時發現 -只要初始條件有些不