从水天一色谈温室效应

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1、從水天一色談溫室效應　劉廣定　　時令已入孟秋（註一），約一千四百年前王勃已寫下迄仍膾炙人口的名句，「落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色」，描述秋日從南昌滕王閣上觀賞到的景色。遙想當年，秋高氣爽，晴空萬里。間有白雲數點飄盪，偶見單飛之鳧，而清徹之贛江水與青天連為一色。這是沒有環境污染的好天氣所呈現之美景，不僅秋日，春季亦然。「春水碧於天，畫船聽雨眠」（註二）不也是寫水天一色嗎？　無雲的天空呈顯藍色，是由於可見光的紅、橙、黃、綠、藍、紫各色光中，藍光和紫光的波長短，頻率大，能量也大，空氣分子散射藍光和紫光的效率因而較好。一般人眼對藍光的敏感度超過紫光，所以我們看到的晴空，無論日夜，多是藍色。也

2、因此李商隱才吟出了「嫦娥應悔偷靈藥，碧海青天夜夜心」的千載絕唱！水為淡藍色江河之水為何是藍色的呢？一種說法是水中植物呈現的顏色，也可能是由於天空或水邊植物的「倒影」。所以説「高山青、澗水藍」。但是，即使滿天烏雲，海水還是藍的，這又為什麼呢？因為水本來就具淡藍色。或許有人會懷疑：教科書裡不是說「水是無色、無味、無嗅的液體」嗎？實際上，教科書錯了！若水無色，那麼深水（例如海水）為何常為藍色呢?1993年有兩位科學家證明水本來就是淺藍色，只是水不夠深時，一般肉眼看不出來罷了。（註三）他們用一垂直懸掛直徑4公分，長3公尺的鋁管，以透明無色壓克力片封閉一端。管中注以純水，管的下端放一白紙並令日光

3、照射其上。然後從水管上方觀察，果然「水是藍的」！其原因是水分子內O－H鍵振動的倍頻(overtone)組合吸收所造成。理論上，含n個原子的非直線形化學分子都有3n種基本運動模式：3種移動，3種轉動以及3n-6種振動。水（H2O）是非直線形分子，故其中O－H化學鍵有「對稱伸縮」，「不對稱伸縮」和「曲折」3種振動模式，會吸收在2.738，2.662與6.226微米(μm)的紅外線區光能，發生振動。但是水分子吸收光譜在波長760-660奈米（nm，即0.76-0.66微米）處又有微弱的倍頻(overtone)組合吸收（圖1為純水的部分吸收光譜，同註三），吸收紅色光而顯現其互補色──藍色。唯顏

4、色極淡，若不夠深，看不出來，以為是「無色」。[圖1.純水的部分吸收光譜]其實，在環境污染嚴重的21世紀仍常是「水天一色」，只不過天色昏暗，水質混濁，不是碧水青天罷了。圖2是從網路上找到一張2005年8月從1989年所重建的滕王閣上遠眺贛江的照片（註四），可見一斑。[圖2.現代的「秋水共長天一色」]空氣汙染與溫室效應水汙染，故水質混濁，似是理所當然。空氣汙染呢？酸雨、落塵原都不至於使天空長時昏暗。微小的顆粒（直徑約在0.01毫米以下）如煙塵、飛灰，本因地面空氣溫度較高空為熱而上升（如圖3），所謂文人筆下的「炊煙裊裊」或「大漠孤煙直」都是描寫這一現象。[圖3.]然而，近年來地球表面「溫室氣

5、體」大量增加，形成一個「熱空氣層」。許多顆粒微小的汙染物難以上升到高處，滯留在低空，使天空成為昏暗（如圖4）。但颱風過後，或有時一陣狂風之後，晴空又可再現。故溫室效應和空氣汙染是密切相關的。[圖4.]溫室效應的功與過一般人多以耳熟能詳的「溫室效應」是現代科技造成的禍害，也多能知道是大氣層中因二氧化碳(CO2)濃度不斷增加，造成全球暖化，氣溫增高，大氣環流變化等等。但或許較少人知道何以二氧化碳等會造成「溫室效應」？可能更少人知道水蒸汽也有「溫室效應」，或「溫室效應」對人類也是有恩惠的吧。如[圖5]所示，溫度很高的陽光白天透過大氣輻射到地面，使地面增暖。但地面，尤其是晚間也會向天空放出輻射

6、熱。唯其一部分熱量為大氣中因生物的活動和自然現象所產生的二氧化碳和水等物質所吸收，因而就如植物溫室的玻璃屋頂和窗戶一般，吸收了熱能，也就是說維持了地球表面的一定溫度。否則，地球表面平均溫度只有約零下15℃（258K），而非目前的15℃（288K）！人類如何生存？據估計，假設地球為半徑R之圓球形，已知到達地表的太陽能強度jE(Sun)為1000W/m2（瓦/平方公尺），故地球接受太陽能總量IE(a)＝πR2jE。按Stefan-Boltzmann輻射定律，地球放出輻射能量jE(Earth)=σTe4。因地球表面積為4πR2，地球放出總能量IE(e)＝4πR2σTe4。在穩恆狀態（Stea

7、dystate）下IE(a)＝IE(e)，或πR2jE=4πR2σTe4，其中σ=5.67×10-8W/m2K4即所謂Stefan-Boltzmann常數。由此計算出，如果沒有二氧化碳和水的溫室效應，全球地表平均溫度將為-15℃或絕對溫度258K。（註五）換言之，適當的溫室效應是當今地球上生命賴以生存的必要條件。所以說二氧化碳和水這兩種「溫室氣體」是有恩惠於人類的。[圖5]然自近一百多年來，由於人口激增、化石燃料燃燒量劇增，工業廢氣大量排放。再