地球科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高中教材及高中生研習(xí)活動(dòng).ppt

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地球科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高中教材及高中生研習(xí)活動(dòng),教育部「92-95基礎(chǔ)科學(xué)教育改進(jìn)計(jì)畫(huà)」九十二會(huì)計(jì)年度主持人：許晃雄協(xié)同主持人：吳清吉、林博雄執(zhí)行期限：自92年01月01日至95年12月31日止參與科系所：國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)大氣科學(xué)系,影響氣候因子和近千年來(lái)的氣候變遷,,五大自然系統(tǒng)：氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈＋人類(lèi),氣候變遷,環(huán)境變遷,人類(lèi)變遷,,,,人為vs.自然,複雜的三角關(guān)係,天氣與氣候,天氣-影響人類(lèi)生活和活動(dòng)的大氣狀態(tài)-為大氣短時(shí)間(數(shù)分鐘至數(shù)天)變化氣候-大氣-水圈-陸面系統(tǒng)緩慢變化的形勢(shì)(aspects)-為每日或季節(jié)性天氣的長(zhǎng)期間累積,氣侯與文明,氣候的定義,氣候?yàn)椤搁L(zhǎng)達(dá)數(shù)十年期間，大氣-海洋-陸地系統(tǒng)狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特性」-(Monin)非任何時(shí)刻的確切狀態(tài),氣候的特性,具有多重時(shí)間尺度對(duì)於應(yīng)取多長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)計(jì)算氣候特性，科學(xué)家有許多不同的看法世界氣象組織(WorldMeteorologyOrganization)則將之定義為30年,,氣候變遷的證據(jù),氣候變遷的多重時(shí)間尺度,˙地球自從在46億年前誕生以來(lái)，歷經(jīng)了35次冰期˙過(guò)去8億年間，冷暖氣候多次地交替出現(xiàn),?過(guò)去100萬(wàn)年氣溫度變化曲線(xiàn)，有許多大大小小起起伏伏(圖a),?過(guò)去1萬(wàn)年-自從上一個(gè)冰期之後，大氣溫度明顯上升-但是仍舊冷暖氣候交互出現(xiàn)-地球氣候經(jīng)歷了4次冷暖變化，溫度變化達(dá)4℃～5℃之多(圖b),?過(guò)去1千年-最近的一次冷期為小冰河期，大約發(fā)生於15世紀(jì)至19世紀(jì)初(圖c)-脫離小冰河期之後，氣候又逐漸回暖-小冰河期之前為中世紀(jì)暖期,。19世紀(jì)末-1940年，溫度持續(xù)上升，在1940年代相當(dāng)暖和。1950～1970年代卻又持續(xù)下降。1980年代至今，又節(jié)節(jié)上升。1995年全球平均溫度比1961～1990的平均溫度高出0.4℃。許多科學(xué)家預(yù)測(cè)，全球平均溫度未來(lái)仍將持續(xù)上升,1911-2002年6-8月臺(tái)灣氣溫,氣候瞬變長(zhǎng)期氣候變遷,,,,預(yù)估未來(lái)海面變化,﹕,氣候的使者-大氣環(huán)流,大氣環(huán)流-扮演氣候信差的角色-負(fù)責(zé)傳送各地氣候變化的訊息大氣運(yùn)動(dòng)所需的能量，源自太陽(yáng),能量收支平衡和不均勻加熱-低緯度地區(qū)吸收的短波輻射大於損失的長(zhǎng)波輻射-高緯度則相反,輻射能量分布不均勻-產(chǎn)生大氣運(yùn)動(dòng)，重新分配能量,冷空氣吹向低緯度，暖空氣吹向高緯度→降低南北溫差;冷空氣下降，暖空氣上升→調(diào)降垂直溫度遞減率輻射能量轉(zhuǎn)換成動(dòng)能→為摩擦所耗損轉(zhuǎn)換成潛熱、可感熱→改變氣溫分布,輻射能量重新分配的過(guò)程中，產(chǎn)生劇烈天氣，如颱風(fēng)、龍捲風(fēng)等,洋流-能量往高緯度傳送，調(diào)節(jié)高緯度地區(qū)大氣溫度變化大氣的南北運(yùn)動(dòng)-將暖空氣往高緯度傳，冷空氣往低緯度傳，減少南北氣溫梯度水氣隨大氣南北運(yùn)動(dòng)-在中、高緯度地區(qū)低壓中心附近上升，冷卻凝結(jié)而釋放出能量，達(dá)到潛熱傳送效果,大氣：30-60度之間海洋：10-40度之間,三胞垂直環(huán)流,哈德里胞(Hadleycell，0o-30o)佛雷爾胞(Ferrelcell，30o-60o)極胞(polarcell，60o-90o),地面氣壓分布,地表空氣輻合地區(qū)(低壓區(qū))-赤道-中緯度低壓帶--極鋒地表空氣輻散地區(qū)(高壓區(qū))-馬緯無(wú)風(fēng)帶較少劇烈的天氣現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)常風(fēng)平浪靜,水平環(huán)流,水平環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯地受到海陸分布的影響-陸地、海洋特性的差異造成氣壓分布的海陸差異,(北半球)冬季氣壓場(chǎng)海平面中緯度海洋主要為低壓系統(tǒng)如北太平洋的阿留申低壓北大西洋的冰島低壓低緯度海洋則為微弱的副熱帶高壓系統(tǒng),陸地上多為冷高壓系統(tǒng)以西伯利亞高壓最明顯,夏季氣壓場(chǎng)情形相反海洋上的主要系統(tǒng)為副熱帶高壓陸地上則為低壓,影響氣候的因子,外在因素大氣的運(yùn)作對(duì)這些影響因子並無(wú)回饋?zhàn)饔?，無(wú)交互作用-如太陽(yáng)輻射量改變、火山爆發(fā)、板塊飄移內(nèi)在因素這些影響因子存在於地球本身，而且與大氣的運(yùn)作發(fā)生交互作用-如大氣與海洋、生物圈、陸地之間的交互作用人類(lèi)因素,外在因素,(i)日-地關(guān)係(ii)太陽(yáng)黑子(iii)板塊漂移，地形變化(iv)火山爆發(fā),(i)日-地關(guān)係,太陽(yáng)與地球之間的距離太陽(yáng)輻射入射角的改變→地球所吸收到的太陽(yáng)輻射隨之而變,主要的影響因素有三種:地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化(eccentricity)黃、赤交角變化(obliquity)歲差(或攝動(dòng)，precession),(i)偏心率(Eccentricity)。目前為0.018。過(guò)去五百萬(wàn)年之中變化的範(fàn)圍0.000483-0.060791。週期約為100,000年,(ii)黃赤交角(Obliquity)-地球自轉(zhuǎn)軸與黃道面法線(xiàn)之間夾角。目前為23.5度。介於22度與24.5度之間。變動(dòng)週期為40,000年,(iii)攝動(dòng)(preccession)。週期22,000年,偏心率--偏心率影響近日和遠(yuǎn)日時(shí)，太陽(yáng)入射地球輻射量差異的變化--偏心率越大，輻射量差異越大--反之亦然--但是，變化相當(dāng)小比如，上述偏心率的變化，造成的變化為0.014%到-0.12%。,黃赤交角黃赤交角的變動(dòng)，不會(huì)影響地球攔截太陽(yáng)輻射的總量如果角度較大，則一年中太陽(yáng)直射可達(dá)的緯度較高→夏季太陽(yáng)輻射量較大，冬季較小→季節(jié)變化因此變大，四季更明顯相反的，如果角度較小，則季節(jié)變化較小，四季較不明顯,攝動(dòng)(歲差),地球自轉(zhuǎn)軸路徑宛若一圓錐體，繞完一圈約22,000年目前地球經(jīng)過(guò)近日點(diǎn)為一月，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)為七月約11,000年之後，地球經(jīng)過(guò)近日點(diǎn)為七月，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)日點(diǎn)為一月那時(shí)的七月，太陽(yáng)直射北半球,米蘭科維奇(Milankovitch)日-地關(guān)係變化→造成冰期與間冰期交替出現(xiàn)主因,冰期形成主要原因→夏季（不是冬季）的太陽(yáng)輻射量變?nèi)?，不足以溶化上一冬季留下的冰雪→冰雪覆蓋區(qū)域逐年往低緯度區(qū)擴(kuò)展,,→較廣的冰雪覆蓋區(qū)反射較多的太陽(yáng)輻射，地表吸收的太陽(yáng)輻射變少→因此冰雪溶化量更形減少『冰-反照率機(jī)制』產(chǎn)生的正回饋，使得冰雪覆蓋區(qū)逐年擴(kuò)大,適合冰期發(fā)展較小的黃赤交角及位於遠(yuǎn)日點(diǎn)的夏季,適合間冰期發(fā)展較大的黃赤交角及位於近日點(diǎn)的夏季,(ii)太陽(yáng)黑子,如果太陽(yáng)活動(dòng)的週期性變化對(duì)地球氣候有所影響→我們只須監(jiān)測(cè)太陽(yáng)的活動(dòng)即可預(yù)測(cè)氣候,週期性11年22年80-100年,太陽(yáng)黑子數(shù)在19世紀(jì)之前隨時(shí)間的變化13世紀(jì)紀(jì)開(kāi)始三個(gè)低值期恰好發(fā)生於小冰河期,從學(xué)理上，科學(xué)家無(wú)法理解太陽(yáng)黑子如何影響氣候太陽(yáng)黑子活躍時(shí)，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)的部分都屬於極短的波段(如紫外線(xiàn)、X及α射線(xiàn))，因此所增加的能量不多這些輻射一進(jìn)入大氣時(shí)，立即為高層大氣的氣體吸收，因此對(duì)地表氣候影響甚小目前也無(wú)任何理論可以解釋高層大氣溫度的變化會(huì)影響到地表附近的氣候,(iii)板塊漂移，地形變化,海陸分布及地形高低對(duì)氣候有很大的影響比如，季風(fēng)主要導(dǎo)因於海陸分布產(chǎn)生的,科學(xué)家利用大氣環(huán)流模式模擬季風(fēng)的成因青藏高原的形成，加強(qiáng)了上昇氣流與降水--因此加強(qiáng)季風(fēng)而且區(qū)域之間的氣候差異也變大,目前大部份陸地集中在北半球，尤其在北緯30度到60度之間因此北半球中緯度冬季氣溫比南半球偏冷，而且年溫差大了許多。,海陸分布也影響海洋環(huán)流，間接影響氣候比如，有些科學(xué)家認(rèn)為，原來(lái)相連的南美洲與南極洲大約在三千萬(wàn)年前分開(kāi)--兩者之間於是形成了繞南極的洋流--原本來(lái)自熱帶的洋流被截?cái)啵瑹o(wú)法繼續(xù)將由熱帶地區(qū)帶來(lái)的熱能傳送至南極大陸附近海域--缺乏海洋調(diào)節(jié)氣候的功能，南極大陸氣溫因此下降，冰河逐漸形成,亞洲南部高地（青藏高原）的隆起，才使得北半球在約五百萬(wàn)年前，開(kāi)始有大量冰河的出現(xiàn),(iv)火山爆發(fā),火山爆發(fā)，幾個(gè)月之後，懸浮微粒雲(yún)(aerosolcloud)的影響達(dá)到最高點(diǎn)--懸浮微粒反射太陽(yáng)輻射，同時(shí)吸收地球的長(zhǎng)波輻射由於它吸收紅外線(xiàn)的效率較高因此含懸浮微粒的平流層溫度會(huì)昇高,懸浮微粒對(duì)對(duì)流層氣候的影響就比較複雜,小顆粒(半徑2μm)，吸收地球長(zhǎng)波輻射的能力較強(qiáng)，具有增溫作用,淨(jìng)效應(yīng)--冷卻作用，使地表溫度下降,留在平流層的懸浮微粒含量→決定火山爆發(fā)對(duì)氣候影響的程度一般而言，停留在平流層中的懸浮微粒會(huì)因重力牽引，逐漸沈降至對(duì)流層而後消失停留在大氣的時(shí)間頂多2-3年單一火山爆發(fā)對(duì)氣候的影響只是短短幾年,科學(xué)家估計(jì)1991年6月菲律賓的皮納吐波火山爆發(fā),造成了4Wm-2的輻射冷卻使全球溫度下降了約0.5℃達(dá)兩年之久原本上升的溫度在1991年之後止昇回跌直到1994年才恢復(fù)上升的趨勢(shì)。在短期之內(nèi)的影響，遠(yuǎn)比工業(yè)革命以來(lái)溫室氣體增加，造成的溫室效應(yīng)還要?jiǎng)×?如果年年有大型火山爆發(fā)，對(duì)較長(zhǎng)時(shí)期的氣候變化是否有影響呢﹖,科學(xué)家分析格陵蘭冰芯的酸鹼度--它記錄了歷史上已知的火山爆發(fā)--也記錄了許多可能不曾為人知的火山爆發(fā)事件,冰芯酸度(acidity)的變化，與北半球溫度的變化呈現(xiàn)高度的一致性酸度高則溫度低；反之亦然,內(nèi)在因素,(i)大氣氣體成分的變化(ii)地表狀態(tài)的變化(iii)海洋(iv)雲(yún)(v)大氣內(nèi)部動(dòng)力,(i)大氣氣體成分的變化,工業(yè)革命以來(lái)，人造溫室氣體快速增加，提昇大氣暖化的可能性大氣中的懸浮微粒也增加，具有冷卻作用,對(duì)溫室氣體與懸浮微粒的淨(jìng)輻射作用量已經(jīng)有了初步的了解---但是還不甚清楚它們的淨(jìng)效應(yīng)將如何改變地球的氣候及大氣環(huán)流,(ii)地表狀態(tài)的變化,地表狀態(tài)變化會(huì)影響：地表吸收的太陽(yáng)輻射量大氣/陸地之間的潛熱及可感熱通量交換地表狀態(tài)變化會(huì)改變能量收支及區(qū)域的水循環(huán),--沙漠、冰雪覆蓋區(qū)→比綠地反射較多的太陽(yáng)輻射→吸收較少的太陽(yáng)輻射,沙漠化(desertification),沙漠邊緣地區(qū)(如撒哈拉沙漠南緣的Sahel)--這些地區(qū)的水循環(huán)系統(tǒng)非常脆弱--很容易受到氣候變化及人為影響的干擾，使得乾旱更加嚴(yán)重→沙漠化,森林減少,﹕,植被覆蓋面積縮小—因半乾旱地區(qū)雨量減少，或因?yàn)檫^(guò)度放牧,其一為地表反照率變大→地表吸收之太陽(yáng)輻射減少→地表溫度因此下降→對(duì)流不易形成，降水因而減少→植被覆蓋面積進(jìn)一步縮小,另一種可能為植被覆蓋面積縮小→逕流增加→土壤含水量減少→地表吸收的太陽(yáng)輻射多用來(lái)直接加熱地表→地表溫度因此上升→可能更不適合植物生長(zhǎng),上述二種反應(yīng)過(guò)程不一樣但都可能導(dǎo)致降水量減少，形成一惡性循環(huán)使得沙漠化加劇熱帶雨林的砍伐也會(huì)造成類(lèi)似的結(jié)果,亞馬遜河流域?qū)嶒?yàn),熱帶雨林樹(shù)根平均深達(dá)4公尺，鄰近牧草地植物的根部深度只有1.5-2公尺。前者的樹(shù)葉面積比後者大了許多,如果砍伐熱帶雨林將之變成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值較高的牧場(chǎng)(i)將破壞森林涵養(yǎng)水分的功能(ii)將大幅減少蒸發(fā)量（約三分之一）此二作用皆將破壞當(dāng)?shù)氐乃h(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步改變地表溫度及大氣環(huán)流,(iii)海洋,海洋是大氣中水氣的主要來(lái)源水循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者大氣所需能量的主要來(lái)源之一,調(diào)節(jié)氣候，降低高緯度地區(qū)季節(jié)變化幅度與大氣交互作用--影響短期氣候變化，如，聖嬰-南方震盪--長(zhǎng)期氣候變化，如，溫鹽環(huán)流的影響,(iv)雲(yún),太陽(yáng)輻射有20%被雲(yún)反射回外太空雲(yún)同時(shí)具有反射太陽(yáng)輻射及吸收地球輻射的功能---前者產(chǎn)生冷卻作用，後者為加熱作用無(wú)雲(yún)的夜晚溫度經(jīng)常較低，那是因?yàn)檩椛淅鋮s的關(guān)係,大體而言，高雲(yún)吸收地球輻射的能力較強(qiáng)，低雲(yún)則是反射太陽(yáng)輻射的能力較強(qiáng)--因此較多的高雲(yún)將使地表增溫，較多的低雲(yún)則使地表降溫,如果二氧化碳加倍,大氣中的水氣含量可能增加，那麼雲(yún)的分布會(huì)有何種變化呢﹖如果低雲(yún)量明顯增加，冷卻效應(yīng)大於高雲(yún)的暖化效應(yīng)，則將產(chǎn)生負(fù)回饋?zhàn)饔?，地球反而變冷如果，增加的主要是高?yún)，將產(chǎn)生正回饋?zhàn)饔茫蚺赡芤虼烁訃?yán)重,西元1000~2001年全球二氧化碳成長(zhǎng)趨勢(shì),,(v)大氣內(nèi)部動(dòng)力,大氣是一非線(xiàn)性流體Lorenz研究一個(gè)只含三個(gè)變數(shù)的非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)--只要初始條件有些不同，該系統(tǒng)可能進(jìn)入完全不同的「氣候」?fàn)顟B(tài),--這樣的系統(tǒng)對(duì)於小擾動(dòng)非常的敏感--任何氣候變化過(guò)程中的一點(diǎn)小變化，都可能使氣候變化趨勢(shì)來(lái)個(gè)大逆轉(zhuǎn)---譬如，變暖的過(guò)程中突然溫度驟降至另一個(gè)較冷的氣候---所謂的蝴蝶效應(yīng),氣候瞬變?cè)诘厍驓夂蚴分邪l(fā)生過(guò)許多次--地球的氣候系統(tǒng)是否屬於這類(lèi)的非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)，則仍是個(gè)待解之謎,結(jié)語(yǔ),內(nèi)在因素之間互相影響，形成正回饋或負(fù)回饋，使得情況更加複雜以生物的生命時(shí)間尺度而言，人為的影響是否已經(jīng)造成非自然的氣候變遷？我們必須瞭解氣候的自然變異，才能判斷人為因素的影響程度,人類(lèi)對(duì)氣候的自然變遷的理解仍舊十分幼稚,