111學測自然 第8題 詳解

溫室效應・判讀 · 多選 · 題目出處：111 學年度學科能力測驗 自然考科（大學入學考試中心）

答案(B)(E)看逐步解析 ↓

題目

（7-8 題為題組）圖 3 為簡化的地球氣候系統模型圖，實線代表進入系統的太陽輻射，虛線 $F_G^\uparrow$ 代表地面向上發出被大氣所吸收的熱輻射，$F_A^\uparrow$ 與 $F_A^\downarrow$ 分別代表大氣向外（上）與向內（下）的熱輻射。圖 4 上圖與下圖分別代表 $\mathrm{CO_2}$ 含量為 0 與 1000 ppm 時，模型預測大氣向外熱輻射功率隨頻率的變化。

若 ΔT（內） 與 ΔT（外） 分別代表因為溫室氣體 $\mathrm{CO_2}$ 增加導致大氣內與外之長期平均溫度的變化。依據圖 3 與圖 4 的模型預測，當大氣中的 $\mathrm{CO_2}$ 含量增加時，ΔT（內） 與 ΔT（外） 的關係式，哪些正確？（應選 2 項）
(A) ΔT（內）<0$(B) ΔT（內）>0$
(C) ΔT（內）=ΔT（外）=0$(D) ΔT（外）>0$
(E) ΔT（外）<0$

逐步解析

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   一、帶學生讀圖

   先看圖三：大氣分在上、下兩側，$\Delta T（外）=0$ 標在大氣與太空邊界之間，代表大氣外側；$\Delta T（內）=0$ 標在大氣與地面之間，代表大氣內側。再看圖四：$\mathrm{CO_2}=1000$ ppm 時，中段出現明顯向下凹陷，表示該頻段的大氣向外熱輻射功率被吸收而減少。
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   二、判讀物理意義

   向外熱輻射功率變少，依史帝芬－波茲曼關係，對應的大氣外側溫度下降，所以 $\Delta T（外）<0$。同時，被 $\mathrm{CO_2}$ 截留的能量留在系統內，使往地面側的回輻射增加，帶動大氣內側溫度上升，所以 $\Delta T（內）>0$。
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   三、逐選項判析

   (A) $\Delta T（內）<0$：錯。內側是升溫，不是降溫。
   (B) $\Delta T（內）>0$：對。能量被截留，內側溫度上升。
   (C) $\Delta T（內）=\Delta T（外）=0$：錯。圖四已顯示輻射分布改變，系統不可能仍維持零變化。
   (D) $\Delta T（外）>0$：錯。外側不是升溫，而是因有效發射高度上移、向外輻射減少而降溫。
   (E) $\Delta T（外）<0$：對。這正是圖四凹陷所代表的結果。
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   四、為何 (D) 最容易錯

   很多人會直覺想成「大氣要更熱，才能輻射更多」，所以誤選 (D)。但本題圖四明確指出的是：$\mathrm{CO_2}$ 增加後，向外輻射功率在特定頻段反而下降，代表有效發射高度上移到較冷的高層，因此外側溫度是下降，不是上升。
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   五、結論

   依圖三、圖四的模型預測，$\mathrm{CO_2}$ 增加時，$\Delta T（內）>0$、$\Delta T（外）<0$，所以正確選項是 (B)、(E)。

關鍵觀念：#輻射收支 #史帝芬－波茲曼定律 #溫室氣體吸收