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CH20, 包覆地球的大氣圈與氣候, P1-P43, 2022.06.02.THU. - Coggle Diagram
CH20
相對濕度
空氣水含量是由相對濕度描述
最大空氣中水含量之比(%)
乾空氣為低相對濕度
潮濕空氣為高相對濕度
空氣中相對濕度100%稱為飽和
未飽和空氣,相對濕度低於100%
空氣含有不同量的水
乾燥沙漠
潮濕的熱帶雨林
露點溫度以下
於葉表面水形成露滴
或水凍結成霜
空氣最大水含量隨溫度而變動
冷空氣握有較少水氣;暖空氣則較高
暖但未飽和的空氣,遇冷時,會達飽和狀態
此飽和時的溫度稱露點溫度
上升空氣的絕熱冷卻會形成微小水滴
數以百萬計的微小水滴結合在一起,形成雲
雲也可能因絕熱加熱消散
氣團
白吉龍、韋立脫分類,依氣團源地所在緯度的高低
極地氣團(P)
影響較大
熱帶氣團(T)
影響較大
北極氣團(A)
赤道氣團(E)
氣團離開源地後和經過地表面的冷熱加以比較,而分成冷(K)或暖(W)氣團
冷季極地大陸氣團南移,它較地表面來得冷
稱為極地大陸冷氣團(cPk)
夏季臺灣則為太平洋暖氣團(mTw)所影響。
範圍橫跨至少有1500公里
它們行經謀區域的速率是以數天來計算
為一團中具獨特,可識別其特性的相似空氣
其特徵可反映空氣原始位置和變動
當氣團變化,天氣即急劇變化
溫度和濕度在水平分布比較均勻且為大範圍的空氣團
氣團會移動,移動後會可能發生結構上的變化,此稱氣團變性(N)
這四種氣團又按形成於陸地(C)或海洋(M)加以區分
大氣的形成
地球的大氣隨時間進展而改變
大氣組成份也同時伴隨生物演化而變化
透過火山作用發展出二次大氣圈層
火山氣體占主導地位
Water (H2O)
Carbon dioxide (CO2)
Sulfur dioxide (SO2)
Nitrogen (N2)
Ammonia (NH3)
Free oxygen (O2) was absent
行星形成時形成第一次大氣圈層
4.57 Ga
氫和氦
被太陽風迅速剝離地球
為當地球冷卻後,發展出二次的大氣圈層
因冷凝使大氣水成雨水降落成為海洋
大氣CO2與水結合降落而溶入海水,而使大氣CO2濃度減小
CO2是功能強大的吸熱(溫室)氣體
因二氧化碳移除,使大氣溫度冷卻
此時穩定性高的氮氣,相對豐度增加
35億年,行光合作用之藍綠藻加入無O2 的環境
使大氣O2 開始累積
20億年前O2 僅達現今濃度值的1%
真核細胞的綠藻(16億年)加速O2 的產生
約6億年O2已達20%的濃度值
65百萬年達現今(21%)濃度值
O2積累使得生命更多樣化
有氧(氧化)呼吸更節能
有氧呼吸促使多細胞生命演化
大氣O2促使陸棲生物可能性產生
充足的O 2使臭氧層形成
臭氧吸收致命的紫外線(UV)
臭氧層建造之前,大地暴露於紫外線下
能量輸入
空氣從一處移動到另一處稱風
這運動導因於熱對流
暖空氣膨脹,密度變小,而浮升
此空氣被側向下沉,較冷,較大密度空氣所取代
太陽能照射地球是不平均分配
太陽的垂直照射區域獲得較多的能量
斜射區域獲得較少的能量
對流因太陽加熱不均所驅動
太陽能=日照,或入射太陽輻射
熱帶地區(垂直照射)獲得較多能量=所以較熱
兩極(斜射照射)獲得能量較少=所以較冷
科氏效應
偏轉作用取決於
運動的初始方向
相對於赤道位置
北半球
向北移動的風出現偏右向東
向南移動的風出現偏右向西
南半球
向南移動的風出現偏左向東
向北移動的風出現偏左向西
地球的自轉導致盛行風的發生偏轉
科氏(科里奧利)效應偏轉可以在旋轉木馬輪進行模擬
地表風和高空風都受到影響
大氣運動
不旋轉地球大氣環流會產生2個循環對流胞
在赤道加熱最大=上升氣流
上升空氣被推往北與南
冰冷極區空氣由下填補這個空缺
使對流層分為六個循環對流胞
哈德萊對流胞
在赤道上升的空氣產生低壓
北半球的空氣往南流
南半球的空氣往北流
半球兩邊的哈德萊環流(地表)氣流向西偏轉
在赤道形成輻合帶
氣團移動聚合
聚合空氣產生上升力
這種上升在赤道高空,空氣冷卻和冷凝
水氣凝結聚合成雨
空氣在高空向北或南移動
費雷爾對流胞
極區對流胞
從熱帶地區移到30°N或S緯度後
往北或南的高空風偏右往東
冷卻(力)作用,使高空空氣下沉
在地表面上,輻散區使空氣分開流動
一些流動往北流向極區
一些流動往南流向赤道
科里奧利效應使簡單的對流複雜化
科里奧利效應使熱帶高空風發生偏轉
前言
大氣層特性決定天氣的物理條件
溫度
壓力
含水分量
風速
風向
密度和壓力變化引起空氣運動形成
風
地球有發展良好大氣圈層
大氣層由數種氣體混合組成所謂的空氣
氣候是天氣情況的長期(30Yr) 平均性質狀態
大氣層
大氣層因熱分層
對流層
0 to 9 to 12 km
混合層
天氣現象發生處
極區最薄
9 km
赤道最厚
12 km
溫度遂高程可低至-55ºC
對流層頂
9 to 12 km
溫度穩定
平流層
12 to 30 km
不對流
至10Km處溫度保持不變
然後,T升高至0ºC
熱氣層
大於82 km
最外圈大氣層
氣體濃度稀疏
中氣層頂
82 km
溫度梯度轉變
中氣層
47 to 82 km
溫度降至 –85°C
流星開始燃燒
平流層頂
47 km
氣層之均質性
均質
中氣層頂以下
異質
中氣層頂以上
電離層產生極光
從太陽耀斑的帶電粒子與電離層相互作用
因地球磁場於兩極呈漏斗狀
北極光
南極光
地球有四大守護神
磁層
阻擋太陽風
電離層
阻隔X光、超紫外光和紫外光
大氣層
阻擋隕石
臭氧層
阻隔紫外光
電離層位於60公里到400公里間
多數位於中氣層
及分佈於熱氣層之下部
太陽藉由剝離N和O的電子,產生正離子
北極震盪
正相位
北極圈比平常更低的氣壓,令高緯度地區大氣層西風更強
強勁的的西風令寒冷的北極風停留在北方,令美國的冬天較暖
大西洋中部出現高於正常水平的氣壓,令強勁的西風將溫暖空氣和暴雨推向北歐
更強的信風吹襲雅熱帶地區
AO指數為正值
極區的氣壓比較低
中高緯度的氣壓比較高
高空西風噴流較強
天氣系統傾向東西向移動
極區冷空氣較不容易南下影響中緯度地區的天氣
北美容易出現偏暖的天氣
地中海區域的國家容易出現乾旱
北歐的國家則出現偏暖和降雨的情形
負相位
北極圈比平時更高的氣壓,令高緯度地區大氣層西風更弱
西風轉弱令寒冷的北極風來到更南緯度,令美國冬天更冷
北歐及亞洲受北極冷空氣吹襲
受大西洋中部氣壓偏低及歐洲北部弱西風影響,地中海地區形成風暴
AO指數為負值
極區的氣壓比較高
中緯度的氣壓比較低
西風噴流也會較弱
天氣系統比較容易有南北方向的移動
極區冷空氣便更容易南下影響中緯度地區的天氣
戲稱為高空噴流耍脾氣
北美容易出現偏冷的天氣
地中海區域國家出現降雨偏多
北歐及亞洲地區的國家出現偏冷的天氣
成因
科學界還沒有明確的答案
它可能是單純的地球大氣內部的自然律動現象
也可能是受海溫變化所影響
簡稱AO
北半球北緯20度以北地區,大氣最顯著的現象之一
通常在冬季它的變化幅度會較明顯
P40
壓力與溫度
壓力(P)和溫度(T)隨海拔變化
壓力越接近地表壓力較高;在高空則較低
當空氣從較高壓處移到低壓處時
空氣發生舉升作用
膨脹、升高冷卻、產生降水(放水)
空氣從較低壓處移下移到較高壓處
空氣發生下沈作用
壓縮、下沈變暖和吸水
此謂絕熱冷卻和加熱
潛熱
空氣的水發生狀態變化
液體變氣體
氣體變液體
狀態的變化,氣溫也隨之改變
溫度改變不是由於外部的能量;而是,“潛熱”。
換言之,它源於狀態的變化
蒸發水吸收空中熱量,使空氣冷卻
水冷凝釋放熱量空氣中,使空氣溫暖
大氣環流
風環流有區域性與全球性
區域--跨越數萬公里
全球性--運作尺度為整個行星體
對流層空氣幾乎是經歷持續性的運動
空氣從一處移動到另一處稱風
風速變化,從0到 > 100公里/小時
高空風
在極鋒和馬緯度區域的高空,不同溫度氣團相接觸
形式陡峭壓力梯度
結果,西風帶高空空氣快速流動
此被稱為“噴流”,它們以200〜400公里/小時運動
大氣的組成份
Nitrogen
78%
Oxygen
21%
Other gases
1%
Argon(氬氣)
Carbon dioxide(二氧化碳)
Methane(甲烷)
Sulfur dioxide(二氧化硫)
Ozone(臭氧)
Radon(氡)
大氣著色
大氣的顏色是由於光能量的延散作用
當光通過大氣,大氣顆粒使光被散射
部分光穿透大氣返回太空
天空為什麼是紅色的?
夕陽時光線穿越較厚的大氣圈層
較多的藍色光被散射到太空,留下紅光
天空為什麼是藍色的?
當太陽在天頂,氣體會散射出藍色光
壓力與密度
大氣壓力--上覆空氣的重量
壓力最大於地表之處
高程向上時壓力逐漸遞減
海平面氣壓的國際單位是「atm」
一個標準大氣壓即是1atm
1個標準大氣壓等於101325帕(Pa)
1.01325巴,或者76公分水銀柱
大氣(空氣)密度—空氣質量/體積
海平面處最大
高程向上時密度逐漸遞減
此兩者成比例性變化
天氣
區域尺度條件的T,P,濕度和風速(向)
受盛行風和地形,水域和植被分佈影響
天氣系統會影響區域一段週期的天氣變化
大氣的污染物
人類排放使增加溫室氣體和氣溶膠在大氣中
化石燃料燃燒
工業製程
通常,這些排放增加造成環境危害
酸雨,硫酸鹽和硝酸鹽酸化沉澱
溫室氣體 - 二氧化碳和甲烷會捕獲大氣中的熱量
壓力
空氣壓力相同點被套繪成等壓線
大氣壓力相同點之連線
等壓線無法被跨越
空氣從高P流向低P,垂直等壓線
梯度較陡處,氣流動的較快
側向大氣壓力差驅動風水平運動
季節
由於地球繞太陽運動
半球指向太陽時為夏天
半球指向遠離太陽時冬天
地球軸線以傾斜23.5度做旋轉,導致從四季
表面盛行風系
全球大氣環流支配一致的風向
一致風向的表面氣流被稱為盛行風
盛行風可能因局部變異,需加以修正
包覆地球的大氣圈與氣候
P1-P43
2022.06.02.THU.