2013年10月4日 星期五

臭氧洞與溫室效應有關聯嗎?



合乎邏輯,未必是對的。

一直有同學認為溫室效應產生的暖化現象與臭氧層變稀(俗稱臭氧洞)後,入射到低層大氣的紫外線增加有關。也許這樣的誤解是來自大家都知道光是能量的一種型態,且溫室效應既然是溫室氣體吸收了紅外線的能量而導致大氣溫度上升,又紫外線的能量比紅外線更強,那麼,臭氧洞造成的紫外線入射量增加,自然也會加強大氣的暖化,這樣的邏輯不也順理成章嗎?
請大家先看一段維基百科有關紅外線發現過程的說明:
1800424英國倫敦皇家學院的WILLIAM HERSCHEL爵士發表太陽光在可見光譜的紅光之外還有一種不可見的延伸光譜具有熱效應。他所使用的方法很簡單,用一支溫度計測量經過稜鏡分光後的各色光線溫度,由紫到紅,發現溫度逐漸增加,可是當溫度計放到紅光以外的部份,溫度仍持續上昇,因而斷定有紅外線的存在。在紫外線的部份也做同樣的測試,但溫度並沒有增高的反應。(如下圖)

這個資料顯示紅外線可以使物體溫度增高,但是紫外線卻不會。問題是波長愈長、頻率越低、能量愈小,紅外線的能量要比可見光低,比紫外線更低。為什麼能量較弱的紅外線,反而能引起比較強的升溫效應呢?
答案是,物質吸收光能後的反應不一樣,且不同物質能吸收的光能也不一樣。
        溫度是物質分子運動劇烈程度的指標,換言之,物質吸收光能後必須能使該物質的運動幅度變大;不論是移動、轉動或是震動,才有提升溫度的效果。以乙醛的分子結構為例(如下圖)


由於分子本身的鍵結就存在震動現象,當相同頻率的光能射入時,其能量會被此鍵結吸收而產生更劇烈的運動(共振現象),經測量乙醛分子的鍵結振動頻率便落在紅外線光譜範圍內,因此乙醛可吸收紅外線而增溫。其他溫室氣體如二氧化碳與水氣也都是相同原理,這些分子吸收的紅外線波長如下圖所示。


那紫外線呢?由於紫外線的能量比紅外線強得多,因此它可不是只會推擠分子,造成分子運動量增加而已,紫外線會被分子內的電子吸收,結果不是促成化學反應的發生,例如氧分子吸收紫外線轉變成兩個氧原子,再進一步反應產生臭氧;要不就是發生電子躍遷現象最終以螢光釋出其從紫外線吸收得來的能量。不論是哪一種過程都不會有效提升分子運動程度,因此無明顯熱效應。

對了,也許還有一種更簡單的解釋。太陽照射到地表的輻射當中,具有熱效應的,紅外線佔了53%,可見光是44%,紫外線則只有3%,因此對溫室效應的影響有限。

為了讓同學能理解前段有關電子躍升的敘述,相關知識說明如下:
物質皆由原子組成,原子由中心帶正電荷的原子核(內含帶正電荷的質子與不帶電的中子,二者之和稱為質量數)與外圍帶負電荷的電子(電子數與核內質子數相等;此數字為原子序,因質子與電子各帶一個電荷,但電性向反,故原子靜電荷為0即呈現電中性)組成。不同原子的外圍有不同數量的電子在特定軌域(原子核外的空間,電子越接近原子核,其所屬軌域的能階越低)內繞著原子核旋轉,當電子吸收特定能量後,可以從低能階的軌域,躍升到高能階,這些能階不連續,電子必須吸收恰好為兩能階差的能量才會發生躍升現象;科學家稱此時原子由基態躍升為激發態,激發狀態下的原子不穩定,其電子須從高能階降回低能階才能恢復原子的穩定性,電子回降過程中釋放的能量將以光的形式呈現。(如下圖)

 
如果還是不懂,沒關係,學了理化後慢慢地就會理解的。
 

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