Transcript 懸浮微粒
溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 •任何大於絕對零度之物體皆有輻射 •輻射之波長主要取決於物體之溫度,波長服從 Wien’s law,λ=constant/T •物體產生之總輻射能與溫度四次方成正比(StefanBoltzmann Law),即 E=σT4 The Sun’s electromagnetic spectrum 高能量之有害電磁波被隔絕於大氣層之外 進入平流層之太陽輻射主要為 太陽輻射能的吸收 單位:Solar constant =3.42W/m2 reflected: atmosphere: earth=3:2:5 地球-大氣的熱收支平衡(所有緯度平均) Gain=Loss at any layers 總收入=70 總支出=70 總收入=160 Green house effect 總支出=147 總支出=160 總收入=147 收入(太陽輻射) 支出(地球輻射) 緯度別之年總輻射熱收支比較 by atmospheric and oceanic circulations) 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 Any object that is a perfect absorber and emitter is called blackbody (黑體). Sun and earth both has blackbodies, but atmosphere are full of selective absorbers. Radiative equilibrium Absorption =Emission 若無大氣,地球輻射平衡溫度(radiative equilibrium temperature) =255°K (-18°C) selective absorbers 將大氣溫度提升至 288°K (15°C)。 selective absorbers •大氣充滿selective absorbers,幾乎 不吸收太陽的短波輻射,卻選擇性吸 收地球的長波輻射(紅外線),阻擋大 氣熱能的逸散,使大氣溫度提高,稱 為溫室效應(greenhouse effect) sun earth •大氣窗(atmospheric window): 8~11μm範圍是被吸收最少的波 長範圍,好像大氣被開了一扇窗,在此波長範圍的地球長波輻射 能透過扇窗返回太空 •雲可吸收波長8~11μm的輻射,是影響大氣窗效應的關鍵,大氣 窗關閉則會導致溫室效應的加強,猶以厚實的低雲為甚 •夜間地面溫度多雲時較無雲時來得溫暖,日間多雲阻擋了太陽 輻射熱,降低了地面的溫度,故雲的存在降低了日夜的溫差 •大氣分子吸收不同波長 之太陽輻射能量,使地表 溫度平均升高了33攝氏 度 •這些加溫的氣體通稱為 溫室氣體 (圖取自Graedel and Crutzen, 1995) 紅外線大氣窗8~12 um (Infrared Windows) 影響最大的溫室氣 體是水汽，它貢獻 了60%的溫室效應， 不僅決定了大氣溫 度的垂直分布，也 創造了溫暖的地球 氣候。相對而言， 二氧化碳只是使氣 候變得更暖和。 列入減量規劃之溫室氣體 1. 二氣化碳(CO2) 2. 甲烷(CH4) 3. 氧化亞氮(N2O) 4. 氫氟碳化物(HFCS) 5. 磷氟碳化物(PFCS) 6. 六氟化硫(SF6) 由於水蒸氣及臭氧的時空分布變化較大, 因此進行規劃減量措施規劃時, 一般都不 將這兩種氣體列入考慮。 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 觀察GHG變化容易， 掌握變化的根源不容易！ 20 溫室氣體(1): CO2 (carbon dioxide) 65年 /年 Year=1998 溫室氣體(2): CH4 (methane 甲烷) Year=1998 溫室氣體(3): N2O (nitrous oxide 氧化亞氮, 笑氣) Year=1998 /年 溫室氣體具有很長的生命期，讓問題變得很棘手！ CO2 CH4 N2O 工業革命前 280 ppm 700 ppb 270 ppb 0 0 40 ppt 2007 375 ppm 1745 ppb 314 ppb 268 ppt 14 ppt 80 ppt 1.5 ppm/yr 7.0 ppb/yr 0.8 ppb/yr -1.4 ppt/yr 0.55 ppt/yr 1 99ppt/yr 累積速率 存活週期 5~200 yr 12 yr 114 yr CFC-11 HFC-23 45 yr CF4 260 yr >50,000yr 氣體一旦進入大氣，幾乎無法回收，只有靠自然的過程讓它 們逐漸消失。由於它們在大氣中的長生命期，溫室氣體的影 響是長久的而且是全球性的。從地球任何一角落排放至大氣 的二氧化碳分子，在它長達100年的生命期中，有機會遨遊 世界各地，影響各地的氣候。即使，人類立刻停止所有的人 造溫室氣體的排放，從工業革命之後，累積下來的溫室氣體 仍將繼續發揮它們的溫室效應，影響地球的氣候。 一萬年來大氣溫室氣體變動 南極冰蕊紀錄 and 近年儀器測量值 (IPCC 2007) 10000 5000 Time (before 2005) 0 目前大氣CO2及CH4濃度遠高於65萬年來任何一時期 IPCC 2007 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 溫室氣體與大氣溫度的高度相關性 IPCC 2007 溫室氣體與大氣溫度的高度相關性 各種溫室氣體輻射作用量(Radiative forcing)所佔比例 (IPCC 1995) 單一分子之溫室效應 CO2 : CH4 : NO32 : CFCs 1 : 21 : 206 : 10 ~104 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 空氣污染指標 PSI 空氣污染指標為依據監測資料將當日空氣中懸浮微粒 (PM10)( 粒 徑 10 微 米 以 下 之 細 微 粒 ) 、 二 氧 化 硫 (SO2) 、 二 氧 化 氮 (NO2) 、 一 氧 化 碳 (CO) 及 臭 氧 (O3) 濃 度 等 數 值 ， 以其對人體健康的影響程度，分別換算出不同污染物 之副指標值，再以當日各副指標值之最大值為該測站 當 日 之 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) 。 污染物濃度與污染副指標值對照表如下： ＰＳＩ值與健康影響 懸浮微粒及其對太陽輻射之作用 •懸浮微粒：飄浮在空氣中的微小顆粒( 直徑在0.001～10μm之 間 )的總稱，有自然及人造的。影響氣候最大的懸浮微粒的直 徑大約在 0.1～1μm之間。 •自然懸浮微粒：有火山灰、塵灰( soil dust；大部份產自北非 及亞洲的沙漠地區 )、海鹽懸浮微粒( sea salt aerosol )等。 •人造懸浮微粒：有工業灰塵( industrial dust；大多為燃燒不完 全產生的雜質 )，煤煙( soot )，硫酸鹽( sulfate )及硝酸鹽 ( nitrate )懸浮微粒等。 •作用：冷卻作用 -懸浮微粒所在的高度附近氣溫可能升高，其他區域則變冷， 主要為冷卻作用，對大氣輻射的淨效應與溫室氣體相反(煤 煙除外) 。 -造成雲內雲滴數增加，雲滴尺寸偏小，不易形成降雨， 雲的生命週期變長， 太陽反照率增加 。 自然懸浮微粒(沙塵) Total Aerosol Optical Depth 自然懸浮微粒(沙塵) Radiative forcing(W/m2) 自然懸浮微粒(火山爆發) 火山爆發向大氣注入大量的火山 灰外，以及H2O, CO2及SO2 單位體積百萬分比(ppmv) 1991/6皮納度波火山爆發將大量之SO2注入平流層 1991/9高層大氣研究衛星測量到的SO2濃度分布 溫室氣體與懸浮微粒的差異 • 溫室氣體產生溫室效應，懸浮微粒產生 冷卻效應。 • 溫室氣體具有長生命期，懸浮微粒生命 期很短。 • 溫室氣體的分布是均勻、全球性的，懸 浮微粒的分布卻是不均勻、區域性的。 溫室氣體與懸浮微粒分佈與高度之關係 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 Aerosols 10-2 10-1 單位=W/m2 人造硫酸鹽懸浮微粒之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992) 單位=W/m2 二氧化碳之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992) 單位=W/m2 前兩者總和之輻射作用量空間分布圖 (來源：IPCC，1992) 變暗的地球 (60~90年期間) •美國哥倫比亞大學的氣候學家李伯特（Beate Liepert）和同事的另一種分析結果則顯示， 1961~90年間的太陽輻射減弱率為每10年1.3%，且 在北美洲減弱的程度最大。這相當於在地表每平 方公尺的面積內，總共減少了高達18瓦特的太陽 輻射，而到達地球表面的太陽輻射大約不過只有 每平方公尺200瓦特左右而已。此現象被稱為「全 球漸暗」的「日光減弱」現象。科學家認為這是 60~90年全球氣溫變冷的重要原因。 變暗的地球 (60~90年期間) •令一些科學家相當意外的，他們發現抵達地表 的陽光在60~90年期間變弱了。然而這並非只 意味著太陽變暗了，也是地球大氣污染物和懸 浮微粒造成的結果。 •史坦希爾與科恩察覺到的日光減弱速率，在 1958~92年之間，每10年高達2.7%。換句話說 ，這相當於抵達地表的太陽輻射，每年在每平 方公尺的面積內減少了0.5瓦特之多，或是抵 消了地球大氣中二氧化碳所造成的暖化作用的 1/3大小。 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 輻射作用量(radiative forcing)：指大氣特性 (如二氧化碳含量、雲量等)有所變化時，相對應 的淨輻射的改變量。 在不受異常干擾(Ex.空氣污染，火山爆發)的情況 下，地球大氣應處於輻射平衡狀態，亦即淨輻射 量為零(放射的輻射量等於吸收的輻射量)。 一旦不平衡，地球大氣的溫度勢必升高( 如果， 淨輻射量為正 )或降低( 如果，淨輻射量為負 )， 直到調整至另一個輻射平衡的溫度。 1750年至今(2005)全球平均輻射作用量變化 (IPCC AR5,2013) 收入 溫室效應 支出 安全閥 (異常氣候or災難) 溫室氣體與懸浮微粒 • • • • • • • 輻射的特性 溫室氣體與溫室效應 變化中的溫室氣體含量 溫室氣體的影響 懸浮微粒 輻射作用量 對氣候的影響 (Summary) Summary • 人造溫室氣體產生的溫室效應在許多地區因為懸浮微 粒的冷卻效應，可能被低估了。 • 假設人類立即停止燃燒化石燃料，懸浮微粒含量將立 即下降至自然含量，地球暖化反而可能加劇。 • 科學家對懸浮微粒輻射作用量的大小了解較少，較不 確定它對氣候的淨效應。任何一個區域內的懸浮微粒 冷卻效應所引發的大氣擾動，也可能影響到其他地區 的氣候。 • 根據衛星觀測資料，雲的輻射作用量為-17Wm-2，雲 量的些許變化所造成的輻射作用量與溫室氣體的溫室 效應相當( 過去100年約為2.5 Wm-2)。低雲傾向於冷 卻對流層，但高雲則具增溫作用。如果二氧化碳加倍， 大氣中的水汽含量會增加，雲的分布變化是關鑑因素。 溫室氣體回收與隔離 CO2回收技術 - 物理吸收、物理吸附、低溫冷凝及薄膜分離法 CO2海洋隔離技術(物理吸收) - 直接注入法、鐵肥施肥法….. 可能為生物的調節(浮游植物大量發生)