關於此實驗
如果沒有大氣層，地球就會是一個溫度約為-18 °C的冰凍球體。陽光很容易穿過空氣並加熱地面，但受熱的地面會釋放紅外線輻射。水氣和二氧化碳等氣體會吸收其中的大部分，並將一部分輻射送回地面。這種溫室效應使地表平均溫度維持在約15 °C。追蹤能量流動、增加二氧化碳、改變陽光的反射量，觀察地表溫度如何升高並趨向新的平衡。
學習目標
- 描述太陽、大氣和地表之間太陽輻射與紅外線輻射的流動
- 解釋溫室氣體如何在不產生能量的情況下使地表變暖
- 解釋輻射平衡，以及為什麼行星會持續變暖，直到向外輻射的能量與吸收的陽光相等
- 解釋反照率和水氣回饋的作用
- 解讀二氧化碳濃度加倍時預期的暖化幅度
使用方法
- 1關閉大氣。地表溫度是多少？再開啟大氣。有大氣時，地球會暖多少？
- 2觀察平衡時的箭頭。確認到達地表的能量等於離開地表的能量。
- 3選擇「加倍（560 ppm）」。地表會升溫多少，需要多長時間？
- 4關閉水氣回饋並重複操作。升溫中有多少是由這種回饋造成的？
- 5將反照率提高到0.4，就像地球上有更多區域被冰或雲覆蓋一樣。會發生什麼？
- 6將二氧化碳濃度設為今日的水準。將升溫幅度與約從1850年以來觀測到的1.2 °C相比。
模型
假設
- 單一的大氣層會吸收地表紅外線中的 ε，並以自身溫度向上和向下放射相同的比例。它讓陽光直接穿過。
- 在工業化前的 CO₂ 濃度下，該層會吸收 77.9 % 的紅外線，使氣溫達到 15 °C。CO₂ 會改變這個比例，進而產生標準的輻射強迫。
- 水蒸氣回饋會使氣溫每升高 1 開爾文，紅外線吸收量額外增加 1 %。因此，CO₂ 濃度加倍會造成約 3 °C 的升溫，接近氣候科學的中心估計值。雲和冰僅以反照率滑桿表示。
- 熱容量相當於約 100 m 深的海洋。會使暖化延遲數百年的深海未納入其中。
在課堂上試試這個實驗
- Q1運用史蒂芬-波茲曼定律，說明沒有大氣層的地球溫度約為 255 K。
- Q2為什麼溫室氣體會使地表變暖，卻使高層大氣變冷？
- Q3解釋為什麼水蒸氣回饋會放大二氧化碳造成的暖化。
- Q4二氧化碳停止增加後，為什麼氣溫還會連續多年上升？
- Q5海冰融化會降低反照率。這是正回饋還是負回饋？請解釋。
常見問題
溫室效應會違反能量守恆定律嗎？
不會。地表接收到陽光以及來自大氣的向下輻射，因此必須升溫，才能將這些能量全部再次釋放出去。在大氣層頂端，地球釋放的能量仍與其吸收的能量完全相等。
為什麼二氧化碳的影響呈對數關係？
主要 CO₂ 吸收帶的中心已經幾乎不透射，因此增加更多氣體主要會拓寬吸收帶的邊緣。二氧化碳濃度每加倍，輻射強迫大致增加相同的數值，約為 3.7 W/m²。
單層模型有多符合實際？
它對自然溫室效應的大小以及 CO₂ 濃度加倍時的升溫幅度都估算得相當準確，因此是很好的教學模型。真實的氣候模型會解析許多層、雲、海洋和冰，並估計 CO₂ 濃度加倍時可能升溫 2.5 至 4 °C。