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2018/09/05
地球發燒了?-溫度的量測

 

「現在為大家播報明天的天氣預報。明天北部地區的天氣上午為多雲到晴、高溫炎熱,預測明日高溫約36度,低溫約27度。中部地區多雲午後短暫雷陣雨,氣溫最高……」

每天的新聞報導結束之後,電視台緊接著會播報天氣預報,提供各地的天氣型態與高低氣溫等氣象資訊。氣溫通常是大家最關心的項目,因為我們會根據預報的氣溫,來考慮如何穿衣以及安排行程等日常活動。

氣象觀測上究竟如何量測氣溫呢?是使用一般的溫度計?還是有特殊的儀器?需要依循何種標準呢?現在就讓我們針對溫度的測量,做簡單的介紹。

氣溫的定義與測量方式

氣溫(Air Temperature)是氣象科學上最常被量測的指標,因為氣溫不只影響地球上生物的生長與繁衍,也與其他的氣象指標,如:蒸發率、相對濕度、降雨型態等有密切關係。

氣溫所代表的物理意義是空氣的冷熱程度;用更精確的方式來說,氣溫是描述「組成空氣之氣體分子動能的大小」。當氣體分子移動的速度越快(也就是說動能越大),則氣溫就越高。

依照1990年國際單位制(International System of Units, SI)規定,溫度的標準單位是攝氏(Celsius, ℃)或克氏(K);但有些國家仍舊使用華氏(Fahrenheit, ℉)。攝氏與華氏兩者之間的換算公式為

由於「氣溫」會受到許多因素的影響,例如:日照的多寡、所處位置的高度、測量時風速的大小等,因此氣象局等單位為了要獲得各地方、任何時間的正確氣溫數值,均依據世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)所制訂的測量標準。

氣溫的測量必須在百葉箱(又稱斯蒂芬生百葉箱,Stevenson Screen)中進行,且溫度計需距離地面1.25~2公尺的高度。溫度計置放在百葉箱內,不僅可避免日曬雨淋,同時也能減少受到太陽光的直接輻射影響,而且百葉箱內的空氣與周遭環境是流通,如此我們所量測的數據,即可代表自由大氣的溫度。此外,為了記錄每天溫度的極端值,所以百葉箱內也同時置放最高溫度計及最低溫度計。

氣溫的觀測儀器會放置在百葉箱內,可避免日曬雨淋,同時減少受到太陽光直接輻射的影響。

放置氣象儀器的百葉箱

氣溫測量儀器的發展歷史

現在我們可以使用各種先進的設備來測量溫度,然而在古代,除了利用身體感官之外,古人們究竟要如何得知溫度的高低呢?

在溫度計發明之前,人們只能透過經驗法則來判定溫度,例如:利用發熱金屬的顏色變化,來衡量溫度的高低;但依照這種方式也只能了解溫度相對高低的概念而已,無法得知實際溫度的數據。隨著科技的進步,科學家們開始研發能夠度量溫度變化的儀器。以下介紹有關溫度測量發展史的重要里程碑:

  1. 西元1592年:歷史上首度記載的溫度計是由義大利人伽利略(Galileo Galilei)發明,這個溫度計由玻璃圓筒、透明液體與不同密度的重物組成。
    伽利略發明之溫度計。伽利略溫度計
  2. 西元1612年:義大利人聖托里‧奧聖托里奧(Santorio Santorio)首次在溫度計上加註刻度,成為醫療溫度計的原型。
  3. 西元1654年:義大利人費迪南多二世(Ferdinando II de' Medici)發明我們所熟悉的酒精溫度計,利用被密封在玻璃管內的酒精受熱膨脹來測量溫度。
  4. 西元1714年:德國人華倫海(Daniel Gabriel Fahrenheit)是第一個使用水銀製作溫度計的人,他同時制訂了溫度度量的標準,也就是華氏溫標(Fahrenheit Scale ,℉)。
  5. 西元1731年:法國人瑞尼‧瑞歐莫(René Antoine Ferchault de Réaumur)制訂列氏溫標,定義水的冰點為0°、沸點為80°。
  6. 西元1742年:瑞典科學家攝爾司(Anders Celsius)制訂攝氏溫標(Celsius Scale, ℃),不過原本定義水的冰點為100°、沸點為0°,後來法國人尚皮耶(Jean-Pierre Christin)將此溫標反過來,成為我們今日熟知的攝氏溫標(水的冰點為0°、沸點為100°)。
  7. 西元1848年:英國人威廉湯姆森(William Thomson)將分子動能為零的溫度設為絕對零度,由於他後來受封為克耳文男爵(Lord Kelvin),因此我們稱此溫標為克氏溫標(Kelvin Scale, K)。

到了近代,為了可以獲得連續性且更準確的溫度觀測值,科學家陸續發明了雙金式自記溫度計(Recording Thermometer)、白金電阻溫度計、以及特殊用途的光學溫度計,讓現代測量溫度過程更為精準且便捷。

利用兩種不同膨脹係數的金屬片來測量溫度的雙金式溫度計。

雙金式自記溫度計

測量氣溫的儀器與原理

傳統上測量氣溫的原理都是利用物質熱脹冷縮的特性,所使用的感溫物質依照不同的相態,液態性的有酒精或是水銀,固態性的則有雙金屬片,而隨著科技的進步,現在也普遍使用利用電熱偶、或金屬電阻值隨溫度變化特性而發展出來的電子式溫度計。以下介紹目前氣象局常使用的溫度測量儀器與觀測原理:

1. 雙管溫度計(Sheathed Thermometer)
雙管溫度計的主要用途是測量氣溫,與一般單管溫度計的使用原理相同,都是利用圓型感應部內的液體,隨著溫度變化產生熱漲冷縮效應,使得玻璃管內的液面停留在不同刻度上,而得到溫度數值。
雙管溫度計在構造上最大的差異,是圓型感應部外會連接一個填入乾燥空氣的封閉外套管,不但可隔絕輻射熱的影響使量測更加準確,也能使刻度板與潮濕空氣隔離,避免水汽因冷熱而凝結在管壁上,以致影響溫度的讀數。

2. 白金電阻溫度計(Pt-Electrical Resistance Thermometer)
白金電阻溫度計是利用溫度變化造成電阻改變的材料做成的溫度感應器,使用的材料為鉑。結構上是將白金測溫電阻體包在不鏽鋼的保護管內,作成完全防水型式。測量時,溫度跟電阻的關係如下面方程式所示:

其中RT是溫度T時的電阻值(歐姆)、R0是0℃時的電阻(歐姆)、T是溫度(℃)、a為電阻的溫度係數、b為校正係數。
由上述方程式可知,測定白金線的電阻,換算之後就能知道溫度。使用白金電阻溫度計測量氣溫,必須使白金線的溫度與大氣溫度相同,因此需要使用通風筒。此外,白金電阻溫度計的保護管也盡量選用熱傳導度小、無腐蝕性的材料為佳。

白金電阻溫度計由保護管、防水螺絲、電纜所構成。
白金電阻溫度計外形

3. 最高溫度計(Maximum Thermometer)
最高溫度計主要是用來測量某一段時間內所出現的最高溫度值;它的觀測原理與以前家庭常用的水銀體溫計相同。最高溫度計所使用的感溫液為水銀,在水銀柱與感溫水銀球中間,則設計一處特別狹窄的通道,當溫度升高時水銀受熱膨脹,水銀便會擠過瓶頸而使水銀柱上升;但當溫度下降時,因為收縮水銀的表面張力很大,於是在瓶頸處的水銀被拉斷而不再相連,因此就能記錄最高溫度的數據。

最高溫度計在降溫時,因為水銀的表面張力而使水銀球與水銀柱拉斷不相連,所以能記錄最高溫度。

最高溫度的量測原理示意圖

最高溫度計會水平放置於百葉箱中,記錄過去時間(通常為一天)內曾出現的最高氣溫。觀測員記錄最高溫度的數值之後,需將溫度計取出,緊握溫度計上端再快速向下搖動,利用重力與離心力使水銀回到感溫球部後,便可以放回百葉箱內進行下一次的觀測。

百頁箱中放置的最高溫度計(上)與最低溫度計(下)。

置放於百葉箱內的最高溫度計(上層)

4. 最低溫度計(Minimum Thermometer)
最低溫度計的感溫液為酒精,設計上有三個重點:a. 管頂上方有一個儲存微量空氣的膨脹室,藉由氣壓的減少而使酒精蒸發;b. 玻璃管的管徑比水銀溫度計大,使得酒精液面因為表面張力與管壁附著力而呈現凹面;c. 玻璃管內有一根藍色指標,兩端成球狀,為了減少摩擦力,此指標的的中心軸部非常的細小;而這根指標能在酒精液中自由滑動。
最低溫度計的測量原理為,當溫度增加時,膨脹的酒精會繞過指標而上升,但指標不會被帶動向上移;而當溫度下降時,因為酒精的表面張力與附著力關係,酒精液面即會拖曳指標而下滑,因此就能記錄這段時間內(通常為一天)的最低溫度。

最低溫度計在溫度下降時,酒精液面會因為表面張力與附著力而拖曳指標下降,因而能記錄最低溫度。

最低溫度量測原理示意圖

最低溫度計也是水平放置於百葉箱內,觀測員記錄最低溫度的數據後,只要將溫度計倒置,讓指標受重力作用再度與酒精液面相接觸,即可放回百葉箱進行下一次的觀測。

百頁箱中放置的最高溫度計(上)與最低溫度計(下)。

置放於百葉箱內的最低溫度計(下層)

5. 黑球溫度計(Globe Thermometer)
當我們站在戶外時,有時候會覺得氣溫與身體感受到的溫度不一樣,或是在同樣的氣溫下,有時候覺得舒服,有時候卻覺得悶熱。這是由於空氣中的濕度、風速及日照等因素影響我們對溫度的感受,稱為「體感溫度」。然而一般的溫度計無法反應人體對熱的感覺,為了模擬對於當時環境「熱」的感受,可以利用「黑球溫度計」。
黑球溫度計主要是用來計算輻射熱的效應,其原理是利用「黑體輻射」的概念。所謂「黑體」是指物體在任何溫度下,可以完全吸收而不反射外來的輻射能。
黑球溫度計的構造,是將溫度計插入一個模擬黑體的黑色銅球中,銅球為中空且不反光;所測得的溫度則代表輻射熱效應的「黑球溫度」。將「黑球溫度」與一般大氣溫度比較,就能知道大氣輻射對溫度的加熱程度。

在氣象局觀測坪內所設置的百葉箱中,配置有溫濕度儀、最高溫度計與最低溫度計,以及乾濕球溫度計,可用來量測自由大氣中的各種氣象要素。

百葉箱中各種氣象儀器之配置

氣象科學觀測的溫度項目

除了即時的氣溫,氣象人員也需要收集地球表面各種與溫度相關的資訊,提供研究人員記錄與分析。一般需要收集的溫度資訊有:

1. 最高溫度(Maximum Temperature)
最高溫度代表一段時間內(通常是一天)所記錄的最高氣溫,通常每日的最高溫不會發生在正午,而是在午後2~3點。
這是因為大氣溫度加熱的熱源除了太陽輻射的直接加熱以外,地表面可經由輻射、對流、傳導等作用,將其所獲得的熱能傳遞給上方的空氣,進而增加其氣溫。正午的時候,地面散發的熱量還未達到最高數值;午後數小時內,雖然太陽輻射的直射熱能有稍微減小,但是地面散發的熱能已達到最高值,大氣溫度逐漸升到最高點,此時才是最高氣溫發生的時間。

太陽的短波輻射雖然在正午時達到最高點,但是地面的長波輻射要在午後才會上升到最高值,因此日最高溫會發生在下午2、3點左右。

一天之內的地面輻射、太陽輻射與氣溫之關係圖

2. 最低溫度(Minimum Temperature)
最低溫度代表一段時間內(通常是一天)所測量到的最低氣溫。空氣需要時間緩慢升溫,同樣也需要時間散發熱能而降溫,因此日最低溫一般發生在日出之前。這是由於地面與空氣在太陽下山後,才停止獲得太陽輻射熱能的供應,接著就不斷散失熱量直到清晨,此時即是最低溫度出現的時刻。

3. 土壤溫度(Soil Temperature)
土壤溫度指的是地面下不同深度處土壤的溫度,主要是提供給農業氣象使用。由於作物生長需要在適當的溫度範圍內,因此氣象人員主要測量的指標通常是淺層的土壤溫度。一般而言,氣象站的土壤溫度有5、10、20、30、50、100、200、300及500公分等不同深度的觀測值。
測量土壤溫度時,若深度小於30公分,通常是使用曲管地溫計(Angle Stem Earth Thermometer);至於測量深度超過50公分,則用鐵管地溫計。

用以測量土壤溫度的鐵管地溫計。

鐵管地溫計

4. 地表溫度(Ground Surface Temperature)
天氣預報所提到的溫度指的是大氣溫度,而地表溫度指的是地面的溫度。太陽的輻射熱能到達地球表面之後,一部分被反射,一部分會被地面吸收而使地面升溫,可藉由測量地表溫度將地面的溫度記錄下來,一般情況下地表溫度都會高於氣溫。地表溫度會因為所處地點環境的不同而有所變化,例如;測量地區的緯度、海拔的高度、植被的覆蓋與否、人口密度等,都會影響地表的溫度。

全球暖化

地球上幾乎每個地區都設有氣象觀測站來收集氣象要素,透過全世界數以千萬計的溫度計所測量的陸地與海面溫度值,再加上氣象衛星的觀測數據,氣象科學家就能估算出全球的平均氣溫。

從以往的觀測數據顯示,全球的平均氣溫正在逐漸升高;自1880年開始到2016年已經上升了0.99℃,同時2016年也成為目前歷史上最溫暖的一年。這種全球平均氣溫逐年升高的現象,我們稱之為「全球暖化」。

科學家從1950年代開始,觀測到許多過去未曾發生的現象,包括:平均氣溫上升、海洋溫度升高、平均海平面上升、冰河與冰山面積縮減、溫室氣體濃度增加等,這些都是「全球暖化」的證據。

「全球暖化」對人類有什麼樣的影響呢?根據研究報告指出,全球溫度升高將使傳染病更加猖獗;由於全球暖化導致的氣候變遷,將引起糧食減產、漁業崩解、甚至會引發搶奪資源戰爭;此外,海平面的上升,更可能直接淹沒許多島嶼國家,使得數以千萬計的人民需要遷徙重新安置。

導致全球暖化的主要原因是人類大量使用化石燃料,砍伐原始雨林用來開發土地、建造城市等,這些異常的人類活動均排放大量的二氧化碳與其他溫室氣體,使得地球溫室效應增強而導致全球溫度升高。

如果「全球暖化」的情形無法獲得緩解,未來甚至有可能毀滅人類;因此為了人類的永續發展著想,地球上的每一份子都應該立即採取行動,減少二氧化碳排放量,如此方能有效減緩全球暖化繼續的惡化。

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