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科學實驗室 / 地球科學
地球科學實驗

能量平衡與溫室效應

把地球當成一顆會發熱的球:調太陽輻射、反照率與溫室氣體,看吸熱與散熱拉鋸到平衡溫度。加一點 CO₂,親眼看均溫上升——氣候變遷的最小模型。
t = 0.00 s

溫度趨向平衡

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

太陽輻射強度(× 現值)
反照率 α(反射回太空的比例)
溫室氣體強度 f(大氣對紅外的吸收)

能量收支

吸收太陽能(入)
W/m²
放出紅外線(出)
W/m²
目前溫度
°C
較無大氣(−18°C)增溫
°C

畫面符號圖例

  • 箭頭:太陽短波輻射入射、地表長波輻射射出
  • 「吸收」:大氣溫室氣體吸收長波輻射的比例(越高越保溫)

實驗任務

  1. 沒有大氣的地球:把溫室強度 f 設為 0(月球)。平衡溫度是多少? 和真實地球均溫 15°C 差了幾度?這 33°C 就是溫室效應的功勞。
  2. 加一點 CO₂:從「現今地球」把 f 從 0.77 慢慢調到 0.90,記錄平衡溫度。 升溫幾度?這就是溫室氣體增加的直接後果。
  3. 冰反照回饋:升溫融冰會讓反照率下降(α 從 0.6 → 0.1),地球吸更多熱。 手動模擬:先升溫、再調低 α,溫度又再升——這種「越熱越熱」的正回饋為什麼危險?
  4. 調暗太陽:把太陽輻射降到 0.7 倍(類似遠古「黯淡太陽」)。 要靠多強的溫室效應才能維持液態水(0°C 以上)?試著找出組合。

模型與假設

能量平衡模型:吸收=S(1−α)/4(S=1361 W/m² 太陽常數,/4 為球面平均); 放出=(1−f/2)·σ·T⁴(單層灰大氣,σ=5.67×10⁻⁸)。dT/dt=(吸收−放出)/C,趨向平衡溫度 T=[S(1−α)/(4σ(1−f/2))]^(1/4)。
對照:f=0 時得約 255 K(−18°C,無大氣);f≈0.77 得約 288 K(15°C,真實地球)。
簡化:單層大氣、忽略海洋熱容延遲、雲與氣膠細節;數值為教學示意。