[問題] 地勢越高越冷的原因?? - 精華區TY_Research
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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 ...
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作者Evance(醉青樓)看板TY_Research標題[問題]地勢越高越冷的原因??時間ThuOct1917:09:242006
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
如果要回答請回到我的信箱謝謝
--
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◆From:140.115.123.237
→mtdas:回信箱其他也想知道的人就不能知道了/_\10/1917:30
推pacity:記得是因為空氣稀薄的關係不能保暖~~10/1918:29
推wedgewu:我也記得是空氣的關係10/1918:40
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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:ThuOct1919:54:102006
※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10/2009:17
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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:FriOct2013:30:492006
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=.=10/2015:46
推dpFish:「分子量」是指(一莫耳)分子的重量...10/2015:49
→dpFish:和空氣稀不稀薄沒有任何關係啊....|||||10/2015:50
→dpFish:而且4000公尺大概相當於630hPa左右...10/2015:51
→dpFish:不會「80%的氧都在4000公尺以下」.....=.=10/2015:53
推Evance:感謝您的回答那你要不要順便幫我"中文化"louis30的解答><10/2016:11
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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:FriOct2016:23:212006
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(10/2016:31)
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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:FriOct2016:50:572006
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10/2017:03
→vine1112:平流層因有臭氧吸收紫外線隨高度增高溫度~10/2017:09
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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:SatOct2103:10:042006
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=σx(Ts)^4（註2）
---從z=0到z=0.5km的大氣，吸收了σx(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σx(T2)^4，向下也放出σx(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
σx(Ts)^4=2xσx(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=T2x(2)^0.25=1.18xT2
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(σx(T2)^4），雖然最後還是要
跟地面放出的σx(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σx(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σx(T1)^4，因此
T2=1.18xT1-->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σx(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σx(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=5.67x10^-8W/m^2K^4）
註3--入射的太陽能量是S0x(1-a)/4（S0=太陽常數=1367W/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=T1x(3)^0.25=335K
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....
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◆From:69.234.99.237
※編輯:Waitingchen來自:69.234.99.237(10/2103:13)
推dennis699:推~~10/2107:01
推vine1112:推補充的很清楚~10/2108:20
推dream123:推～10/2110:08
推going70:推10/2114:31
推faceQ:推^^10/2117:45
推z1288:推10/2121:58
推dsilver:推薦這篇文章10/2214:02
推LOUIS30:謝謝維婷學姐^^10/2313:40
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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:SunOct2202:41:342006
※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
--
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◆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:SunOct2203:31:462006
※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10/2214:34
推reverence:推最後面10/2302:00
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…10/2317:23
