細說從頭:為什麼要觀測雲?

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  太陽的輻射能就像是是燃料,驅動著地球的氣候引擎。正如下圖所示,地球的大氣系統總試圖在「從太陽到達地球的能量」和「地球自身反射至太空的能量」之間維持平衡。

  地球從太陽獲得的大部分能量為電磁波譜中的可見光 (透過大氣的短波輻射) 部分。約30%的太陽能量在到達地球後,又被反射至太空。反射和入射的能量比例被稱為「反照率 (albedo)」。太陽輻射被地球吸收,導致地球系統溫度上升,直到其散發(或放射) 同樣多的能量回太空。地球熱量放射出的輻射,大部份是光譜上的紅外線 (透過大氣的長波輻射),出入能量之間的平衡被稱為「地球的輻射收支」(Earth's Energy Budget)。

  地球系統的構成要素,是輻射預估中最重要的,包含地表、大氣和雲。其中瞭解哪裡有雲的存在以及它們的特性,是瞭解氣候變化的關鍵所在。雲對地球輻射平衡的影響究竟是如何測得的呢?例如測量無雲的晴天及滿布雲層的陰天之間的輻射差異,就可以視為雲的輻射量。

  據目前所知, 氣候對雲的變化有相當大的敏感度,現在就來看看雲是如何對氣候產生影響:如上圖所示,地球的能量是來自太陽,所有進入大氣層的能量必須和反射回太空的相等,地球才能保持總能量的恆定,也才能維持穩定的氣溫,而在圖中我們很容易會發現到,雲是控制氣溫的重要因素。舉個例子來說,當低層雲量增加時,地表氣溫也會隨之升高,因為這些雲會阻擋地表反射回太空的輻射。

  就整個大氣而言,不同的雲可能會造成地球整體的暖化或降溫。

  雲的溫度及雲在視覺上的厚度 (稠密度) 會影響雲的明暗度,我們可由明暗度的變化來看雲對地表熱輻射的影響。所謂視覺上的厚度是對雲或大氣阻止陽光通過量的籠統測量。

  從地表看來濃厚的低層雲能阻擋與反射更多的太陽短波輻射,如此一來,可用於加熱地表和大氣的太陽能就少了,因此低層雲對地球溫度而言就扮演降溫的角色。

  雲的頂端通常較地表冷得多,高空的低溫雲通常很單薄且不具什麼反射能力,如果其下方為晴空,它們會讓絕大部分的太陽輻射進入大氣層,然而地表的長波輻射仍不易穿過雲而發散至太空,很多能量因而被吸收並發散回地球,而增加地表和大氣層的溫度。因此,高處稀薄的雲層就有所謂的保暖效應。

  至於濃厚的對流性雲如雷雨雲,則既不造成暖化也不冷卻,因為此種雲雖然有很廣泛的長波輻射吸收能力,但它也對太陽短波輻射有較高的反照率,兩相抵消,效應反而近乎平衡。

  這樣看來,雲種的分布與雲量都會對大氣能量的均衡產生很大的影響,欲瞭解氣候當然不能忽略此一重要變因。

(資料來源:CERES/NASAS'COOL/CERES/NASA

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