- 作者 / 林子平
太陽射出短波，加熱物質使表面升溫、釋放長波。
不只是太陽，任何物體皆會發出熱輻射，當表面溫度愈高，釋放的熱輻射就愈強。太陽表面溫度極高，會釋放出能量較強的熱輻射，我們稱為太陽輻射，因其波長較短也稱為短波輻射；當太陽照射在地表或物體上後，地表及物體材料會吸收短波並使表面溫度上升，釋放出能量較弱的長波輻射。因短波含有可見光，所以人眼能夠看得到太陽投射到地上的日光，而長波只有蝙蝠和蛇類等少數動物才看得到。
從房間來了解熱輻射理論
想像一個有大面天窗的房間中，太陽短波輻射穿透了玻璃投射到室內地面，有一部分短波會被反射，繼續以短波的形式前進，再度穿透玻璃返回天空，或碰到天花板再次反射回地面。其餘短波則會在房間內的地板、牆面、天花板之間來回反射並且被室內的不同材料吸收，使表面溫度上升。
而室內較高溫的地板，會放射出較多能量的長波，並在室內進行多次的吸收及放射現象。值得一提的是，短波來自太陽，只有在白天的時候才有，而長波來自所有的材料表面，不論白天或夜間都會釋放。
材料與波的特性，對熱環境有極大的影響
短波具有方向性，就像手電筒光線投射到鏡子一樣，反射光會和入射光角度相同，且反射後其性質不變，仍是短波。材料對於短波入射及反射的比例稱為反射率（有些領域亦稱反照率），很黑的材料反射率接近 0，鏡子的反射率則接近 1，數值愈高代表材料反射短波的比例愈高。如果是不透明材料，那麼材料對短波的吸收率加上反射率等於 1，這代表進入材料的短波被反射後的剩餘部分，會完全被物體吸收。也就是說，當材料反射率愈低，就會吸收愈多太陽熱量，造成高溫化問題。
長波則無方向性，就像石頭掉入水面產生漣漪一樣，長波會由物體表面往四面八方放射。我們以放射率來定義材料在特定波長及溫度下輻射放射的效率，數值愈高代表放射效率愈好。但比較特殊的是，材料對特定波長的吸收率恰等於放射率，也就是物體對長波吸收效率愈好，其放射的效率也愈好。標準的黑體其放射率為 1，代表 100% 地吸收及放射輻射。地球上除了少數表面光滑的物體之外，大部分物質的放射率都在 0.9 至 0.95 左右，差異不大。
長波輻射會加熱空氣使氣溫上升
短波與長波對表面溫度及空氣溫度的影響也截然不同。短波能量很強，被物體吸收後表面溫度會快速上升，然而，它的特性是幾乎不會加熱空氣，如果能在第一時間被高反射材料反射回天空，對都市蓄熱的影響其實不大。相反的，長波能量雖弱，對表面溫度的增加並不明顯，但它的問題便是會加熱空氣，使空氣溫度上升，不能輕忽。
讓我們再回到前面說的房間，看看長短波輻射如何聯手影響表面及空氣溫度。在這個房間的天窗下方因為有太陽短波抵達，這些短波會在室內複雜的地面、牆面、屋頂、傢俱之間來回吸收及反射，提高材料表面溫度。材料溫度上升後會放射長波，並在材料之間來回吸收及放射大量長波輻射，並加熱空氣，使空氣溫度也持續上升。相對的，陰影區因為有不透光屋頂面的阻擋，或天窗上遮陽板及戶外植栽的遮蔽，所以接收到的短波極少，使得表面溫度較低而減少了長波輻射，空氣溫度會比較低，由此可知，陰影對於表面溫度及空氣溫度降低十分重要！
地球熱輻射與溫室效應
如果把地球想像成前述房間的延伸，這個大房間的隱型屋頂及牆壁——即大氣層中的氣體（氮、氧、二氧化碳⋯⋯）、液體（雲、雨）、固體（粉塵、懸浮微粒）等，再加上它變化萬千的地板——即冰層、陸地、森林、海洋、河川等，決定了輻射在大氣層內的穿透、反射、吸收、放射等變化。
太陽輻射進到大氣層後，對於生物危害較大、波長最短的一部分紫外線，會被氧氣及臭氣吸收，抵達地表的短波包含其它紫外線、可見光，以及紅外線三個部分。在到達地表的過程中，雲就像地球這個大房間的高反射窗簾，可將大量的短波反射回到外太空。如果我們將太陽進入大氣層的全年平均輻射能量當作 100%，其中大約有 22% 的短波會被大氣反射回外太空。短波輻射繼續往下到達地面時，會受到不同地表材料的反射率影響，大約有 7% 的短波會被地表反射回外太空。合計有 29% 的短波被大氣及地表反射。
而剩餘的 71% 短波輻射則被大氣和地表合力吸收，如同小房間的牆面、地板接收到短波後表面溫度會上升一樣，地球的大氣及地表也會升溫並釋放長波輻射量。這些長波輻射中，10-4 奈米以上的長波輻射幾乎都會被水蒸氣吸收，其它像二氧化碳、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、臭氧等也都會吸收特定波長的長波輻射。然而，就像之前小房間提到地板與牆面之間重複的吸收及放射長波過程一樣，這些氣體吸收了長波輻射後還會再向地表放射長波輻射，亦即逆輻射。這種大氣和地表之間輻射能量的重複應用，是十分高效率的能量循環，可讓地球氣溫提升，這個現象就稱為溫室效應，而上述這些氣體我們就稱為溫室氣體。溫室效應使地表的氣溫維持在 15℃，若沒有大氣，地表溫度將會是 -18℃。也就是說，溫室效應的存在，讓地球保持一個生物能生存的環境，具有其重要性。
然而，隨著工業化發展，人為排放的溫室氣體急劇增加，也強化了上述大氣和地表之間輻射能量循環。IPCC 氣候變遷的報告也指出，人類活動排放的溫室氣體是造成當前地球暖化之主因。這顯示出，溫室效應原本是讓生物得以生存在地球的利器，如今卻轉變為造成環境衝擊的殺手。這對於都市熱島這個議題，具有兩種意義。首先，隨著都市熱島問題的惡化，包含地貌改變造成地表反射率降低，以及人工發熱增加時也可能連帶使溫室氣體排放增加，這都會增加地球暖化的問題。再者，地球暖化可能造成未來市區與郊區的溫差更大，也可能使市區與郊區的整體溫度都上升，這都將使都市熱島的問題更加複雜及惡化。由此可見，都市熱島與全球暖化是緊密相依的議題，當我們解決都市熱島問題的同時，也有助於全球暖化的減緩。
阿甫
