地球氣象備課/溫度與溫度傳遞：修訂版本之間的差異

2014年5月21日 (三) 10:26的最新修訂版本

什麼是溫度？

• 就實用面來說，溫度是用來表示物體冷熱程度的量度，用來為溫度訂立測量標準的單位稱為溫標。
• 但溫度的本質其實是指物質分子動能的強度，而溫標則是為分子動能的強度訂立衡量標準。
• 絕對溫標是以-273.15℃為零點的溫標，其零點稱為絕對零度，指分子動能強度完全歸零的狀態，基本上就是分子不再具有動能，除非再次加溫。
• 在氣象學中，氣溫是影響絕大部分天氣現象的一個參數，它主要透過輻射與對流傳熱。

溫度是如何傳遞的？

• 溫度傳遞的基本規則：溫度的傳遞必定是由高能量處(溫度高)傳至低能量處(溫度低)。

傳導

• 溫度由分子動能而產生，基本上也可以透過給予分子熱能來使分子產生動能。
  • 傳導適用上述的溫度傳遞模型，不過這個模型也只適用於傳導，某分子加熱後給予另一個分子加熱。
  • 傳導熱的速度以物體的傳導係數為準，不同物體有不同的傳導係數，通常金屬的傳導速度會比非金屬要來的快。
  • 底下有一個影片，測試不同材質的熱傳導係數。
  • 熱傳導係數測試實驗

對流

• 對流有另外一個較為不同的溫度傳遞模型。
• 對流是一個循環過程。假設我身旁有一個杯子(在黑板畫圖)，杯子的底部有一個火源，在杯子內部放入水和茶葉，我們看到水被煮成茶了(誤)，不是，應該是茶葉會呈循環狀在杯子裡不斷繞圈，但是茶葉只是一個受害者，對流的主角不是它，而是水。
• 由於溫度的本質是分子動能，所以當溫度上升時，分子動能提高，而分子動能提高就會導致分子間互相碰撞，所以各個分子之間開始疏遠，於是密度就變低了。
• 那麼密度變低和對流有什麼關系呢？讓我們繼續看下去：
• 應該不少人知道，木頭之所以會浮在水面上，是因為木頭的密度較低，同樣的，我們看到因為加熱使密度變低的水上升到了杯頂。而杯頂的水因為杯頂溫度下降，使分子動能回歸原本，密度升高，開始往下掉，然後又因為在杯底被加溫而上升，可憐的茶葉就這麼跟著水上上下下。
• 相信此時已經有人發現疑點了：如果地球是杯子的話那麼杯底的熱度從何而來呢？這個問題我們放到待會再說，我們先來介紹第三種傳熱方式。
• 以下有一個熱對流實驗的實例，不同點在於杯子替換為試管，而茶葉被替換成染料。
• 熱對流實驗

輻射

• 輻射是一種不透過介質的傳導方式，它是透過電磁波的分子動能來加熱，就像太陽替地球加熱一樣，微波爐替食物加熱也是一樣的原理，這只是舉例，當然不是說太陽要吃掉我們。嗯…其實也算是啦，太陽身為一個星體會不斷的膨脹，最後會蓋住地球，不過那是50億年之後的事情。
• 輻射和上述地表的熱度有一定程度的密切關係。

電磁波

• 輻射的熱能是由電磁波所帶來，電磁波可以依照波長分成短波輻射與長波輻射，所謂可見光是指我們肉眼可見的電磁波，就是一般說的光，長波輻射指波長比可見光長的電磁波，例如紅外線和無線電波，而短波輻射則是波長比可見光短的電磁波，例如紫外線、X射線和伽瑪射線，波長較長的長波輻射能量較弱，而波長較短的短波輻射能量較強，也就是波長越短能量越強，波長越長能量越弱。
• 地表會吸收來自太陽的短波輻射如紫外線，放射出長波輻射，藉此使地表帶有溫度，於是空氣就被加熱，也能夠產生對流。

溫室效應的基本概念

• 剛剛我們知道了地表會放射出長波輻射，我們可以了解地球在溫度下降時是如何加溫的。
• 大氣中含有一些物質是可以吸收地表放射出的長波輻射的，其中最具代表性的便是二氧化碳(CO₂)，這些物質將長波輻射的熱能儲存在大氣中，使得地球被加溫，就如同在熱能不會外洩的溫室中一樣，這個過程就是所謂的「溫室效應(Greenhouse Effect)」。

溫度影響氣象的實例

• 天氣系統中，當冷氣團與暖氣團相遇，期間空氣便會產生對流，在兩氣團的接面產生一列對流雲系，這些對流雲系就是鋒面。
• 大氣層吸收長波輻射產生溫室效應，使地球溫度偏低時能夠有恢復平衡的熱能。