高中地球科学/大气中的能量

风和降水，变暖和变冷取决于大气中的能量多少以及能量的位置。到达低纬度（靠近赤道）的太阳能比到达高纬度（靠近极地）的太阳能多。这些能量差异导致风，影响气候，甚至驱动洋流。温室气体将热量保留在大气中。

课程目标

描述能量是如何传递的。
描述地球的热量平衡，以及太阳能的去向。
讨论对流在大气中的重要性。
描述行星的热量平衡如何保持平衡。
描述温室效应及其对地球生命的重要性。

能量，温度和热量

**图 15.9**: 波。最高点是波峰，最低点是波谷。波长是两个波峰之间的距离。

每种材料都具有能量：其中的所有分子都在振动。在相同温度和压力条件下，气体分子比相同数量的液体分子具有更高的能量，并且可以自由移动。液体分子比固体分子具有更高的能量，并且比固体分子更自由地移动。

能量穿过空间或材料。您知道这一点，因为您可以站在火附近并感觉到温暖。在这种情况下，能量以肉眼看不见的波的形式传递，这些波可以穿过空气，玻璃甚至外太空的真空。这些波具有电磁特性，因此被称为电磁波。通过电磁波将能量从一个物体转移到另一个物体的过程称为辐射。不同类型的电磁波具有不同的波长。波长是两个相邻波的波谷到波谷或波峰到波峰之间的水平距离（图 15.9）。

人类能够看到某些波长的光，这些波长被称为“可见光”。这些波长在我们看来就像彩虹的颜色（图 15.10）。可见光中最长的波长呈红色，最短的波长呈紫色。比可见红色更长的波长是红外线。蛇可以看见红外能量。我们可以用特殊设备记录它。比紫色更短的波长是紫外线。红外线和紫外线波长的能量与可见光波长的能量一样重要；我们只是看不见它们。

某些物体在可见光谱中发射电磁波。两个熟悉的来源是太阳和灯泡。某些物体以我们无法看见的波长发射电磁波。例如，坐在您旁边的水杯不会发射可见光，但它会发射少量热量。

您应该知道，某些物体似乎在发射可见光，但实际上并没有。例如，月球和行星本身不会发光。它们反射太阳的光。反射是指光从表面反射回来。反照率是衡量表面反射光的能力的指标。反射了照射在其上的大部分光的表面具有较高的反照率，而反射了少量光的表面具有较低的反照率。

需要记住的一点是，能量既不能创造也不能毁灭。它只能从一种形式转换成另一种形式。例如，在光合作用中，植物将太阳能转化为食物能量。它们不会产生新的能量。当能量发生转化时，通常会有一部分转化为热量。热量很容易在材料之间传递，从较热的物体传递到较冷的物体。如果没有更多的热量添加，最终所有材料都会达到相同的温度。

温度是衡量材料中原子振动速度的指标。高温粒子的振动速度快于低温粒子。快速振动的原子互相碰撞，产生热量。当材料冷却时，原子振动得更慢，碰撞也更少。结果，它们释放的热量更少。

热量和温度之间的区别是什么？温度测量材料中原子振动速度。热量测量材料的总能量。想想一根蜡烛火焰和一桶热水。哪一个具有更高的热量，哪一个具有更高的温度？令人惊讶的是，火焰的温度更高，但热量却少得多，因为高温区域很小。浴缸的温度较低，但热量却高得多，因为它包含更多振动原子。即使浴缸的温度较低，但它具有更大的总能量。

当物体改变状态时，即从气体变为液体或从液体变为固体时，热量被吸收或释放。这种热量称为潜热。当物质改变状态时，潜热会释放或吸收。改变物质状态的物质不会改变温度。释放或吸收的所有能量都用于改变材料的状态。

例如，想象一下炉子上的一锅沸水：水的温度为 100 °C（212 °F）。如果厨师增加锅底加热器的温度，更多的热量进入水中。但水仍然保持沸腾温度。额外的能量用于将水从液体变为气体。这使水能更快地蒸发。当水从液体变为气体时，它会吸收热量。由于蒸发吸收热量，因此被称为蒸发冷却。蒸发冷却是一种在炎热干燥地区为房屋降温的廉价方法。

物质在比热方面也存在差异，即使 1 克材料的温度升高 1.0 °C（1.8 °F）所需的能量。水的比热非常高，这意味着改变水的温度需要大量的能量。例如，让我们比较一下水坑和沥青。如果您赤脚走在阳光明媚的日子，您更愿意走过浅水坑还是沥青停车场？由于水的比热很高，即使水吸收了相同的太阳辐射量，它仍然比沥青凉爽。

来自太阳的能量

到达地球表面的大部分能量来自太阳。太阳以连续的波长流发射能量（图 15.11）。这些波长包括可见光，红外线，紫外线辐射等。大约 44% 的太阳辐射位于可见光波长中。当一起观察时，所有可见光的波长看起来都是白色的。但例如，棱镜或水滴可以将白光分解成不同的波长，这样您就可以看到不同的颜色（图 15.12）。

**图 15.12**: 棱镜通过波长将白光分解，这样您就可以看到彩虹的所有颜色。

**图 15.13**: 用红外线传感器拍摄的狗的图像。图像显示了从狗身上辐射的不同热量。

只有大约 7% 的太阳辐射位于紫外线 (UV) 波长中。在到达外层大气的太阳能中，UV 波长的能量最大。有三种类型的 UV 能量：UVC 的波长最短，能量最高；UVA 的波长最长，能量最低；UBV 介于两者之间。UV 辐射会使人类皮肤晒黑或晒伤。剩余的太阳辐射是波长最长的红外线。大多数物体都会辐射红外线能量，我们将其感觉到热量（图 15.13）。

穿过大气层的某些太阳辐射波长可能会因被各种气体吸收而消失（图 15.14）。例如，臭氧会完全消除来自入射阳光的 UVC、大多数 UVB 和一些 UVA。O₂、CO₂ 和 H₂O 也会滤除来自太阳能的其他波长。

地球的不同部分接收到的太阳辐射量不同。这是因为太阳光线最直接地照射赤道地区。随着你远离赤道，你会注意到不同的地区在不同的季节也接收到的阳光量不同。但是什么导致了季节变化呢？

地球绕太阳公转一圈需要一年时间，自转一圈需要一天时间。这个自转轴相对于它绕太阳运行的轨道平面倾斜了 23.5°。自转轴恰好指向北极星。当地球绕太阳运行时，地球自转轴的倾斜方向始终与北极星保持一致。这意味着北极指向太阳，太阳光线在夏季更直接地照射北半球。在夏至日，即每年的 6 月 21 日或 22 日，太阳光线最直接地照射在北回归线上。北回归线是赤道以北 23.5° 的纬线圈。当北半球是夏季的时候，南半球是冬季。北半球的冬至日发生在 12 月 21 日或 22 日。地球自转轴在冬季远离太阳，太阳光线最直接地照射在南回归线上（图 15.15）。南回归线是赤道以南 23.5° 的纬线圈。来自太阳的光线散布在更大的区域，因此该区域没有被加热那么多。冬季的白昼时间也更短，因此太阳加热该区域的时间也更短。当北半球是冬季的时候，南半球是夏季。

**图 15.15**：北极冬季至日。太阳光线直接照射在南回归线上。阳光照射到南极，但它被分散了。没有阳光到达北极。

在两次至日之间，太阳光线最直接地照射在赤道上。我们将这些时间称为“昼夜平分点”（图 15.16）。在昼夜平分点，白天和黑夜的时间完全相等。秋分日发生在 9 月 22 日或 23 日，春分日发生在 3 月 21 日或 22 日（北半球）。因此，季节是由地球自转轴相对于太阳的指向方向造成的。

**图 15.16**：阳光在春分、夏至、秋分和冬至到达的位置。时间为格林尼治标准时间下午 9 点，地点为英国格林尼治。

大气中的热量传递

热量可以通过三种不同的方式传递。我们已经研究了辐射，其中电磁波在两个物体之间传递热量。传导是一种热传递方式，当热量通过直接接触从高温区域传递到低温区域时发生。较热分子的振动速度比较冷分子快。它们直接与附近的其他分子发生碰撞，将部分能量传递给它们，从而传递热量。当所有分子的运动速度都相同时，物质的温度在整个过程中都是相同的。大气中的热量通过传导传递。这在低海拔地区更为有效，因为空气分子在这些地区更密集地聚集在一起。传导可以将热量向上传递到分子分布更稀疏的地方。它也可以将热量从较热的地方横向传递到较冷的地方，在那里分子的运动速度较慢。

大气中热量传递的最重要方式是通过对流。对流是指通过加热物质的运动来传递热量。地面辐射的热量使上面的空气变暖。这股暖空气密度小于上面的空气，因此它会上升。随着加热的空气上升，它开始冷却，因为它离热源更远。随着它冷却，它会收缩，密度增加，然后下沉。空气在上升的暖空气和下沉的冷空气之间横向移动。整个结构被称为对流单元。

地球表面的热量

并非所有来自太阳的能量都能到达地球表面。大约一半被大气层过滤掉。除了被气体吸收外，能量还会被云反射或散射。散射是指光波撞击粒子并以其他方向反弹的情况。到达地面的能量中，大约 3% 被反射回大气层。其余的能量会加热它所到达的土壤、岩石或水。部分被吸收的能量会以热量的形式重新辐射回空气。这些红外波长只能被红外传感器看到。

你可能会想到，如果太阳能持续进入地球大气层和地面，那么地球肯定一直在变热。事实并非如此，因为地球的能量会通过大气层顶端逃逸到太空中，就像来自太阳的能量通过大气层顶端进入一样。如果出去的量等于进来的量，那么全球平均气温就不会上升或下降。这意味着地球的热量收支是平衡的。如果进来的能量多于出去的能量，地球就会变暖。如果出去的能量多于进来的能量，地球就会变冷。

说地球的热量收支是平衡的忽略了一个重要的点。到达地球不同纬度的太阳能输入量不同（图 15.17）。这部分是由于季节变化造成的。在赤道地区，一年四季白天长度大致相同，太阳位于天空中的位置很高。到达赤道附近的区域的阳光更多，气温也更高。在极地地区，太阳每年有几个月不会升起。即使在夏季，太阳全天照射，但它在天空中的角度非常低。这意味着到达极地附近地面的太阳辐射量很少。因此，在一年中的大部分时间里，极地地区都被冰雪覆盖。这些明亮的白色物质具有很高的反照率，会将太阳能反射回大气层。由于所有这些原因，赤道附近的地区比极地地区的温度高得多。

地球不同纬度接收到的太阳能输入量不同，这驱动了地球表面发生的大部分活动。包括风、水循环和洋流。全球太阳能分布的差异驱动着大气循环的方式。

温室效应

地球热量收支中的剩余因素是温室气体的作用。温室气体通过捕获热量使大气变暖。阳光照射到地面，转化为热量，然后重新辐射回低层大气。部分热量被对流层中的温室气体捕获，无法逸散到太空中。就像睡在人身上的毯子一样，温室气体充当了地球的绝缘体。由于温室气体造成的绝缘作用使大气变暖被称为温室效应（图 15.18）。

温室效应非常重要，因为如果没有它，大气的平均气温将大约为 -18 °C (0 °F)。有了温室效应，大气的平均气温则为宜人的 15 °C (59 °F)。如果没有绝缘，白天温度会很高，夜间温度会极低。这就是所有没有大气的行星和卫星的情况。如果地球没有绝缘，温度可能会太低且变化太大，无法支持复杂的生命形式。

大气中有很多重要的温室气体，包括 CO₂、H₂O、甲烷、O₃、氮氧化物 (NO 和 NO₂) 以及氟氯烃 (CFC)。除了人为制造的氟氯烃外，所有这些气体都是大气层的正常组成部分。然而，人类活动显著提高了许多这些气体的浓度；例如，由于人类活动，甲烷浓度大约高出 2.5 倍。表 15.2 显示了每种温室气体是如何自然进入大气的。

表 15.2：温室气体的来源
温室气体	来源
二氧化碳	呼吸作用、火山爆发、植物材料分解、化石燃料燃烧
甲烷	在某些条件下植物材料分解，胃中的生化反应
氮氧化物	由细菌产生
臭氧	大气过程
氟氯烃	非天然存在的；由人类制造的

不同的温室气体具有不同的捕获热量的能力。例如，一个甲烷分子可以捕获的热量是二氧化碳分子（CO₂）的 23 倍。一个 CFC-12 分子（一种 CFC）可以捕获的热量是二氧化碳分子的 10600 倍。尽管如此，二氧化碳仍然是一种非常重要的温室气体，因为其在大气中的含量远超其他温室气体。

温室效应还有另一个非常重要的原因。如果大气中的温室气体增加，它们会捕获更多的热量，从而使大气变暖。如果大气中的温室气体减少，捕获的热量就会减少，大气就会变冷。大气中温室气体的增加或减少会影响全球的气候和天气。

课程总结

所有物质都包含能量，这些能量可以通过空间以电磁波的形式辐射。来自太阳的能量波长包括可见光，看起来是白色的，但可以分解成多种颜色。
紫外线波具有很高的能量。能量最高的紫外线，UVC 和一些 UVB，会被臭氧过滤掉，不会到达地面。
更多的太阳能到达低纬度地区，对流的热量再分配驱动着地球的气流。

复习问题

温度和热量有什么区别？
从波长和能量的角度，完整描述红外线、可见光和紫外线的三个能量类别，并比较它们之间的关系。
为什么极地地区具有高反照率？
举一个“能量既不会被创造也不会被消灭”的例子。
描述当炉灶旋钮从不加热状态到最高热量状态时，一锅水的温度和状态会发生什么变化。
描述夏至、秋分、冬至和春分时，太阳相对于地球的位置。6 月 21 日北极接受多少阳光？同一天南极接受多少阳光？
传导和对流有什么区别？
什么是行星的热量收支？地球的热量收支是平衡的还是不平衡的？
在年平均气温地图上，为什么低纬度地区比高纬度地区温暖得多？
为什么二氧化碳是最重要的温室气体？
大气中温室气体的含量如何影响大气的温度？

词汇

反照率: 从表面反射回的光量；雪和冰具有高反照率。
传导: 运动的分子之间的热量传递。
对流: 通过气流运动传递热量。
对流单元: 一个热量传递单元，其中暖物质上升，冷物质下降，物质在两者之间移动形成一个单元。
电磁波: 辐射通过电磁波传播；同时具有电性和磁性的波。
能量: 做功的能力；能量既不会被创造也不会被消灭，但可以从一种形式转化为另一种形式。
温室效应: 大气中的温室气体捕获从地球表面辐射出的热量，调节了行星的温度。
绝缘: 一种抑制热量或电气传导的材料，使被绝缘物体保持当前温度更长时间。
潜热: 物质从固态变为液态或从液态变为气态时吸收或释放的能量。
辐射: 能量通过材料或空间的运动，以电磁波的形式传播。
反射: 波从表面的返回，例如光波从镜子的返回。
比热: 使 1 克物质升温 1 °C（1.8 °F）所需的能量。

思考点

到达低纬度和高纬度地区的太阳辐射差异如何解释大气环流的方式？
大气如何保护地球上的生命免受有害辐射和极端温度的影响？
如果地球的整体热量收支不平衡，会有什么后果？

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