環境能源

湖泊的翻騰作用（Overturn）
新竹市私立光復高中生物科呂佳毓老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

溫帶地區，湖水會因季節溫度的變化，造成湖水層的移動，使得溶氧量較高的表層湖水下沉，而和底部營養鹽豐富的湖水混合，形成水層上下的循環，此現象稱為湖泊的翻騰作用（Overturn），這種現象特別常發生於冬季會結冰的湖泊，且經常發生的季節是在春秋兩季。湖泊經過翻騰作用後，整個湖水的溶氧量會增加、而營養鹽會由在湖底沉澱變成整體分布，因此會影響湖泊的初級生產量，那麼湖水在哪個季節翻滾後，再加上日照長，光合作用旺盛，初級生產力會因此提升呢？

A.春季。春季湖面的冰層融化，上下層的水皆為4℃，湖面風的吹拂使上層含氧豐富的水往下沉，而湖底帶有豐富營養鹽的水便對流往上移動，此為湖泊的春季翻騰作用（spring overturn）。

B.夏季。夏季湖泊因受熱由上往下垂直形成三層：上層（upper layer）是溫暖而含氧量豐富的水層、躍溫層（thermocline）是溫度下降很快的薄水層、深水層（deep water）則是水溫低（約4℃）、密度高且缺氧的水層。上層和深水層的水體彼此不會混合，因為有躍溫層隔絕的關係。

C.秋季。上層水冷卻後往下沉，混合消除了躍溫層。垂直水流混合了夏季時形成的三層，使湖水溫度一致，受風吹襲，含氧水往下沉而湖底帶有豐富營養鹽的水便對流往上移動，此為湖泊的秋季翻騰作用（fall overturn）。

D.冬季。冬季湖泊的上層為冰層所覆蓋。密度最高4℃的水位於底部，風不影響冰層下的水，因此水體沒有什麼流通。

海洋酸化（Ocean Acidification）
台北縣中平國中自然與生活科技領域李佟位老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

由於石油、煤炭等化石燃料的使用，加上林地的大量砍伐和開發，大氣中二氧化碳的濃度在過去250年間增加了近40％，其後續所導致的全球暖化、氣候變遷等效應，也已成為全人類需共同面對的問題；但當我們將注意力集中在難以捉摸的新氣候模式時，殊不知另一場風暴，正在海洋中悄悄的形成。

由於CO₂略溶於水，百年來人為所排放的二氧化碳中，便有約1/3～1/2為海水所吸收。

如上列方程式所示，二氧化碳溶解後形成碳酸（H₂CO₃），接著分解為碳酸氫根（HCO₃^–），或進一步解離為碳酸根（CO₃^2-）。過程中釋出的氫離子（H⁺）使得海水pH值下降，接著影響整體的化學平衡，稱為「海洋酸化」（Ocean acidification）。

自工業革命以來，海洋的平均酸鹼值已從8.21降至現代的8.10，目前還正以每十年約0.02單位的速度酸化中。那麼，原本呈現微鹼性的海水變得「比較不鹼」，會對海洋生態造成什麼影響呢？

全球變暗現象（Global Dimming）-下
台北縣碧華國民中學自然領域張世玪老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

三、日光減弱現象在不同地點及時間的差異
研究人員發現，在不同的時間和地點測量日光減弱現象時，會有不同的結果：
1.地點的差異：
因日光減弱而導致全球變暗的研究，主要集中在北半球，根據研究資料顯示，在大城市中日光減弱會特別明顯，主要原因是在這些地區中，通常空氣污染的程度較為嚴重。
舉例來說，在過去的50年中，美國的照光量約下降10％，部分英國地區約減少16％，以色列減少22％，俄羅斯的部分地區，光照量甚至可下跌接近30％。

2.時間的差異：
由於懸浮微粒和雲層的攔截作用，在白天會造成日光減弱，使地球溫度下降，反之，在夜晚會使地表的熱輻射減緩，減少地表熱量的散失，因此能保持地球的溫度。

四、日光減弱現象對環境的影響
由於日光減弱現象而產生的全球變暗效應，對地球環境主要有下列的影響：
1.由於全球變暗的情形日益嚴重，影響到地表水的蒸發量，會干擾到全球的水循環，使某些地區的降雨量減少，甚至可能因而導致旱災的發生。

全球變暗現象（Global Dimming）-上
台北縣碧華國民中學自然領域張世玪老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

近年來科學家發現，自二十世紀五十年代開始，地球表面所接受到的陽光愈來愈少，產生「日光減弱」的現象（solar dimming），隨著光照量逐漸減少，導致地球變得越來越暗，這種情形則稱為「全球變暗」（Global dimming）。

根據估計，全球的光照量在60～90年代間，平均每10年大約下跌2～3％。

一、造成日光減弱現象的原因
由於燃燒化石燃料和其他能源所產生的懸浮微粒，如煤煙、粉塵或二氧化硫等，除了造成空氣污染之外，也會造成日光減弱的情形，其主要原因如下：
1.大量的懸浮微粒會使得能見度降低，減少日光到達地球表面的總量。

2.懸浮微粒會吸收太陽的能量，減少地表的光照量。

3.空氣中懸浮粒子增加，會使陽光折射而無法到達地面。

4.懸浮微粒會成為雲中小水滴的核心，當水量相等時，空氣中的懸浮微粒愈多，會凝聚成更多體積較小的小水滴，使雲量增多，但降雨反而減少，會將更多的陽光反射回太空。

逆溫與灰霾 (Thermal Inversion and Gray Haze) -下
台北縣天主教聖心女子高級中學生物科許家榕老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

1952年12月的倫敦發生了一項嚴重的空氣污染事件。12月4日因反氣旋到來而無風，逆溫現象導致非常寒冷，為了燃煤作為保暖，又加上市區內還分佈了許多以煤為主要能源的火力發電站，空氣中充滿來自燃煤後的污染物(二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、粉塵)，形成一層很厚的灰霾籠罩在倫敦上空(存在的柏油顆粒、煙塵、煙霧使其呈黃黑的顏色，因此又稱“pea souper “）。

從12月5日持續了5天至9日，而後就迅速地因天氣改變而消失。

期間由於毒霧的影響，不僅大批航班取消，甚至白天汽車在公路上行駛都必須打開大燈。倫敦雖然已經經歷許多次煙霧事件，本來不以為意。但接下來的數週中，醫療統計造成超過4000人死亡、超過10萬人因此罹患呼吸道疾病。甚至有最近的研究表明，死亡人數可能超過12000人。此一事件並推動了英國環境保護立法的進程。

逆溫與灰霾 (Thermal Inversion and Gray Haze) -中
台北縣天主教聖心女子高級中學生物科許家榕老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

(5)地面逆溫：在近地面100公尺的逆溫是常發生的，尤其在晴朗的夜晚，強烈的長波輻射作用常使近地表面的氣溫下降的比較高層大氣為快，因此逆溫層也就形成了。山谷逆溫即屬地面逆溫。在冬季山區，夜間山坡上的空氣冷卻很快，冷空氣重，於是順坡下沈聚到谷底，把谷地中原來的暖空氣抬擠上升，而形成上暖下冷的逆溫現象。

逆溫的形成常常是幾種原因共同作用的結果。無論是怎樣形成的，只要逆溫出現，對天氣均有一定影響。

逆溫層阻礙空氣的垂直運動，使得大量煙霧、水氣等聚集在逆溫層下面，使能見度降低，造成大氣污染。因為地面熱氣上升後，地面就會變冷，這種現象常常會影響該區域熱帶經濟作物，使枯萎甚至傷亡。再者，逆溫層現象像蓋一頂帽子阻止空氣對流或擴散，如果這頂帽子被任何因素破壞了，突然釋放積壓了的對流能量，加上當時的水氣，將可能發生暴風雨，甚至在寒冷氣候下可能下凍雨或造成冰暴的災害。在美國中西部，這種現象也可能發生在龍捲風之前。

另外，因為較高的暖空氣覆蓋著較低的冷空氣，可能會導致空氣汙染物無法散出，影響生物的健康。

逆溫與灰霾 (Thermal Inversion and Gray Haze) -上
台北縣天主教聖心女子高級中學生物科許家榕老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

逆溫現象是氣象學上描述大氣對流層中的溫度隨著高度增加而遞增的現象，這與高度越高、溫度越低的正常現象相反，是對流層中氣溫垂直分佈的一種特殊現象。

主要是因為地表溫度較低，由較暖較輕的空氣推動較冷較重的空氣。這類型的逆溫現象發生在溫暖地帶附近，也發生在海水湧升區(upwelling)，有足夠濕氣的較冷空氣層，而煙霧就像是一頂帽子蓋住下方形成逆溫層，例如加州海岸。

逆溫的種類有：(1)輻射逆溫 (2)平流逆溫 (3)下沉逆溫 (4)鋒面逆溫 (5)地面逆溫。