地球氣象備課/溫度與溫度傳遞

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活性的強度，而溫標則是為分子活性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，指分子活性強度完全歸零的狀態，基本上就是分子不再具有活性，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？

• 溫度由分子活性而產生，基本上也可以透過給予分子熱能來使分子產生活性，這個過程從理論上搬到現實中，就是所謂的溫度傳遞，然而這個溫度傳遞模型只適用於傳導。
• 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)。
• 第一種傳遞方式：傳導(固體)
  • 傳導適用上述的溫度傳遞模型。某分子加熱後給予另一個分子加熱。
• 第二種傳遞方式：對流(氣體、液體)
  • 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活性，所以當溫度上升時，分子活性提高，而分子活性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，使分子活性回歸原本，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：欸？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。
• 第三種傳遞方式：輻射(沒有介質)
  • 輻射是一種不透過介質的傳導方式，它是透過電磁波的熱度來加熱，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，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。

檔案:Wavelength-zh.svg

兩個波鋒(波的最高點)或兩個波谷(波的最低點)之間的距離就是波長

• • 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，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反射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反射回地表，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)」。