溫室效應與全球能量收支
我們常說地球是顆溫暖宜居的行星，但你有沒有想過，地球是如何在寒冷的宇宙中「保溫」的？簡單嘛！當然是因為溫室效應（Greenhouse Effect），但溫室效應細說起來究竟是怎麼回事呢？我們得先從物理學中一個看似神祕、實則無處不在的概念：黑體輻射（Blackbody Radiation）說起。
宇宙中任何物體，包括你跟我，都會釋放電磁波；電磁波能量由高到低（波長由短到長）分別是Gamma rays、X rays、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波。
一個顯而易見的現象是，當在室內把燈關掉、窗簾拉上時，你就什麼也看不見了，也就是說我們周遭的物體釋放的輻射波段並不可見光內；而天上的太陽則每分每秒都在釋放可見光──到底是什麼因素決定了黑體輻射的波段呢？
答案是溫度！一個物體所釋放的能量最強的峰值波長與溫度成反比，這就是著名的韋恩定律（Wien’s Law），簡單說越冷的物體，放出電磁波的波長越長；反之則越短，聽不懂沒關係，以下舉例。
一個室溫下的金屬，他所放出的電磁波落在紅外線波段，因為人類的眼睛無法偵測紅外線所以你是看不見的（你能看見它是因為金屬反射周遭的可見光，並非看見了它所釋放的紅外線）。當這金屬被加熱後，溫度慢慢升高，你會看見金屬開始放出紅光，這是因為隨溫度升高，釋放的波長越來越短，從紅外線移到可見光當中的紅光波段，這就是一個韋恩定律的例子。
還有一個例子便是夜晚的星光，仔細觀察星星有藍有紅，想必你也猜到了，藍色的星星表示它所釋放的波長短，表面溫度較高；紅色的星星表面反之，表面溫度較低。即使這些恆星距離我們幾光年遠，我們還是可以僅憑肉眼就知道哪個星星熱、哪個星星冷，是不是很amazing？
關於黑體輻射就先講到這裡，以上只是很基礎的知識，其實這門學問在20世紀初間接地踹開了量子力學的大門，用踹這個字是因為普朗克（Max Planck）當年的操作真的很暴力（？），但那又是另外一個主題了，有空再為大家講這個故事（挖坑）。
現在我們來看看太陽與地球所釋放的黑體輻射長什麼樣子，因為太陽溫度高（約6000K），其波長主要落在可見光；而地球溫度（288K）跟你我差不多（310K），因此主要釋放紅外線，參考下圖：
橫軸為波長、縱軸為每個波長的輻射強度。
可以看到，兩者的波段幾乎不重疊，在大氣科學裡，我們很乾脆地稱太陽的輻射為短波（shortwave），地球的輻射為長波（longwave），沒錯，科學家的命名就是這麼簡單暴力。
另外要注意的是為了讓兩者同框，這張圖裡的太陽強度被除以1000000倍──兩者所釋放的能量不在同一個量級啊！
這邊你可能又感嘆道：太陽所釋放的能量也大太多了吧！
沒錯一個黑體所釋放的總能量還是由溫度所決定，精確來說，與溫度的4次方成正比，這就是著名的史蒂芬波茲曼定律（Stefan-Boltzmann law），懶人包就是輻射強度與溫度相關，越熱越強。
終於，有了以上背景知識後我們可以來個能量旅行了！
首先，太陽是地球能量的唯一來源*，它發射的是短波輻射，地球大氣對短波是相當「透明」的，大部分短波能直接穿透大氣，被地表吸收。當然還有部分被雲、海冰、沙漠等等物體反射回太空，這些可憐的光子就與地球無緣了。
然後呢？然後地表就越來越熱了，但顯然不會無止盡的升溫，隨著地表溫度增加，其所釋放的長波輻射會加強以達到散熱的目的（史蒂芬波茲曼定律），直到地表吸收的短波與釋放到太空的長波達成平衡。
如果你到此都還聽得懂，恭喜你！你已經建立了最簡單的氣候模型。
但事情沒有那麼簡單，稍早提到，地球大氣對短波相當「透明」，但對長波就不是這麼回事了，因為大氣層中有許多溫室氣體（Greenhouse Gas），如水氣、二氧化碳、甲烷等等，這些傢伙因為獨特的分子結構，對長波情有獨鍾。當溫暖的地表試圖把長波輻射射向太空散熱時，這群溫室氣體會捕獲這些光子，之後他們會再次向外發射長波輻射，由於氣體分子的發射是全方位（隨機）的，這意味著一部分能量會繼續往上射向太空，但有一大部分卻會往回射向地表。
對地表來說，這簡直是額外的紅利（或者說是負擔）。地表除了接收來自太陽的「第一手」能量，還得接收來自大氣層「回贈」的「二手」能量。
也就是說地表必須變得更熱，才能發出足夠強大的長波輻射，穿過重重攔截，最終讓逃到外太空的能量與進來的太陽能達成平衡，這就是溫室效應（Greenhouse Effect）。
好了，接下來讓我看看下面這張在所有大氣科學、大氣輻射學和氣候學教科書中都會看到的，我已經看了不下1000遍的經典全球能量收支圖：
箭頭代表能量的大小，左邊黃色箭頭是短波、右邊米色箭頭是長波，我們來一次完整的能量旅行吧！
太陽釋放的光子，在經過8分鐘的旅行後到達地球，成為這張圖上的太陽入射（Incoming Solar Radiation），它有可能被反射回太空（Reflected Solar Radiation），也有可能被大氣吸收（Absorbed by Atmosphere）。哦這邊我先暫停一下，前面說過地球大氣對短波相當「透明」，我偷偷簡化了現象，但其實約有20%會被大氣吸收，但這些能量相對於右邊長波的粗大箭頭簡直是小巫見大巫。
接著那些沒有被反射或吸收的太陽光子終於抵達地表，而地表吸收短波後會釋放長波，接著旅行來到了右邊的米色箭頭──地表向上釋放了大量的長波（Surface Radiation），但是僅有少部分直接放射到了外太空，其餘大部分都被大氣中的溫室氣體所吸收了，而它們會重新釋放向上和向下的長波，在能量收支圖上，這個向下的長波就是所謂的溫室效應，其數值非常龐大，約330 W/m2，量級不遜於太陽的短波入射341 W/m2。
好啦這集科普就講到這裡吧！最後提一下溫室效應和全球暖化是兩個不同的名詞，其實溫室效應本效應還是不錯的，它把地表平均溫度從-18°C提升到了充滿生機的15°C，這是一個容許液態水存在的溫度，對生命還是很友善的。而所謂全球暖化的困境指的是人類活動增加大氣中的二氧化碳，增強了溫室效應，也就是收支圖裡右邊那個向下的箭頭，地表為了達到新的平衡，只能被迫繼續升溫，仔細看的話，圖中還有一個淨吸收（Net Absorbed），約1 W/m2，也就是全球暖化，就是這個小小的數字，影響了整個地球的生態系。
其實這張能量收支圖還有很多可以講的，例如短波被吸收的20%是被誰吸收了？圖中央的那兩個不屬於短波和長波的向上箭頭又是什麼？就改天再說吧！（坑越挖越多的感覺？）
*太陽是地球能量的唯一來源：在科普文章中這句還行啦！但嚴格意義上來說不是，除了太陽，還有地熱（包含地球形成初期的原始熱能、放射性元素衰變釋放的能量等等）、潮汐能（引力的摩擦力）、以及來自其他恆星和宇宙背景的輻射。當然這些東西相比太陽能量（占所有能量來源的99.97%）可以無視。
注意如果是在探討其他星球可能就不適用了，如木星、土星等距離太陽較遠，內部熱源又高，因此內部能量完全不可忽略。
圖片來源：
太陽與地球的黑體輻射：https://scienceofdoom.com/2010/06/01/the-sun-and-max-planck-agree/
大氣能量收支：Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., & Kiehl, J. (2009). Earth's global energy budget. Bulletin of the american meteorological society, 90(3), 311-324.
