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《新聞中的科學》極地渦旋 兩極「高空」冷空氣快速旋轉 北極震盪 靠近「地面」氣壓強弱消長北美急凍 誰闖的禍 【本報記者陳皓嬿】 今年一月初，一波來自北極的強大寒潮，讓北美地區極凍，不僅有地方低溫降到攝氏零下三十幾度，伴隨而來的大雪也造成嚴重的交通和電力供給問題，而媒體紛紛報導造成這般惡劣天氣的「元凶」，就是極地渦旋；然而過去幾年，媒體在報導北美寒潮時，卻說成因是北極震盪。 其實這兩個稱呼都不是新名詞，究竟極地渦旋和北極震盪有何差別？氣象專家們表示較一致的看法是，他們是一體兩面的現象，極地渦旋是「高空」的冷空氣快速旋轉現象，北極震盪則是描述「地面」附近的氣壓變化。 首先要有個觀念，就是「地面附近氣壓高，則高空（例如距離地面4、5公里處）的氣壓相對周遭較低」。 中央氣象局預報中心主任鄭明典解釋，由於兩極長期缺乏日照，聚集的都是冷空氣；冷空氣的密度大，沈降在離地面較近的地方，因此地面是高氣壓，但高空的空氣相對稀薄，氣壓比周遭低了許多，因此是低氣壓。 極地渦旋，是盤旋在星球兩極「高空」的低氣壓，當冷空氣溫度極低，高空便形成一個低壓為中心的渦旋（但中心下方接近地面處為高壓），周遭環繞著強烈的、以逆時針方向吹拂的西風，也就是所謂的「高空噴流」。 由於陸地較海洋適合冷空氣發展，所以地球南、北極的極地渦旋形狀不太一樣。南極是一整塊大陸，所以南極的極地渦旋多為一個中心，形狀也較接近圓形。 在北極，亞洲大陸、大西洋、北美洲和太平洋互相交錯，所以北極圈通常有兩個極地渦旋，一個中心位在加拿大上空，一個則在西伯利亞上空，形狀較狹長。 北極震盪則是指「極圈附近和中高緯度地區，靠近『地面』的氣壓強弱消長」，天氣風險管理公司氣象總監賈新興說，北極震盪就像「氣壓翹翹板」，有時北極附近氣壓明顯較高、中高緯度氣壓就相對低，有時北極周圍氣壓低、南邊氣壓就相對高，消長的情況即是「震盪」。 中央大學大氣系教授林沛練表示，北極震盪指數若為正值，就代表北極附近高壓較強，南北氣壓差距大，冷空氣被留在北極無法南下，因此中高緯度地區冬天比較暖。 北極震盪指數若為負值，就代表北極附近的高壓減弱，南北氣壓差距縮小，冷空氣往南下探，南方一些暖空氣也北上，於是周遭的西風強度也減弱，變成一圈帶著南北風、波浪狀的風帶，中高緯度地區也因此出現被「波谷」涵蓋的區域冷、被「波峰」涵蓋的區暖的現象。 賈新興比喻，極地渦旋就像一個冰箱，極渦夠強時，門是關著的，北極震盪指數通常為正；當極渦強度不夠時，門就被打開，冷氣隨之外洩、往南潰散，伴隨北極震盪指數為負，這時冰箱門正前方（波谷）很冷，門的兩邊（波峰）就相對暖許多。 這次美國中、東部正是波峰涵蓋範圍，冷空氣南探所以異常地冷，相較之下，美國西北部和阿拉斯加、俄羅斯地區同一時間正好被波峰覆蓋，反而出現暖冬。原文轉載自【2014-02-10/聯合報/AA3版/新聞中的科學】(原文來源網址：http://mag.udn.com/mag/edu/storypage.jsp?f_ART_ID=498333 )
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《新聞中的科學》 南極比北極嚴重極地渦旋太強 臭氧破洞難補 【本報記者陳皓嬿】 南極的臭氧層濃度較周遭稀薄，除了和人類排放的冷凝劑氟氯碳化物，會分解臭氧分子有關之外，極地渦旋也是造成臭氧層破洞的原因之一。 冬天時，如果南極大陸上空的溫度相當低（低於攝氏零下80度），則容易形成極區平流層雲，氟氯碳化物在大氣中經過化學反應後，會形成「氯儲存物質」如硝酸氯或鹽酸等，這些氯儲存物質會被吸附在極區平流層雲中，等到春天來臨，雲一經太陽照射，氯原子便被釋放出來，進而分解臭氧分子。 極地渦旋在當中扮演的角色，一是讓南極上空低溫夠低：極地渦旋強度必須夠強，冷空氣才能被鎖在極圈上方，讓南極上空的溫度能降到攝氏零下80度以下，並產生極區平流層雲。 另一方面，極區的臭氧往往都是從溫暖的熱帶補充而來，如果極地渦旋很強，那強勁的西風將繞著南極團團轉，使得低緯度地區富含臭氧的暖空氣無法進入南極圈，也就無法帶來補給。 極地渦旋和極區平流層雲之間還有著反饋機制，極地渦旋使極區溫度無法上升，而有助於極區平流層雲生成；極區平流層雲能吸收紫外線輻射，使大氣中溫暖的臭氧被分解，極地的氣溫下降，又使極地渦旋更加穩定，這麼一來一往，讓南極上空的臭氧含量，在每年十月左右到達最低點，直到春天來臨，極地渦旋瓦解，臭氧量才慢慢回升。 北極臭氧洞沒南極嚴重，因為北極的平流層溫度很少低於攝氏零下80度，另一方面因為北極的極地渦旋存在時間較短，通常在陽光出現前就已潰散，讓南方富含臭氧的空氣得以進來補充。原文轉載自【2014-02-10/聯合報/AA3版/新聞中的科學】(原文來源網址：http://mag.udn.com/mag/edu/storypage.jsp?f_ART_ID=498332&kdid=AR10&r=3 )
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《新聞中的科學》 用電需求創新高極端氣候肆虐 多元能源救命【本報記者陳皓嬿】 極地渦旋南下，為美國、加拿大帶來寒天凍地的大風雪，受到風雪影響，許多人只能待在家、把暖氣越開越強，全國用電需求大增的同時，電力公司卻受到極大的威脅。美國富比士雜誌認為，這次風暴，讓平常擔任主力發電的能源失效，也突顯了多元能源發電的重要性。 富比士雜誌引用電機電子工程學會月刊(IEEE Spectrum)內容，根據美國最大的電網公司PJM Interconnection資料顯示，今年一月六號到八號，也就是極地渦旋影響北美最劇的那段時間，用戶的用電需求創了冬天的新紀錄：141500百萬瓦。 然而達到這個用電新高紀錄的時間點，正是PJM公司「五分之一的發電廠無法運作」的當下，一月八日早上，將近40000百萬瓦的電，因為天氣太冷而「生」不出來。 IEEE月刊表示，低溫讓煤炭結凍、天然氣輸送管線也是，根據統計，燃煤電廠有一半以上都無法運作，柴油機則占到「無法運作第二名寶座」，因為氣溫太低導致無法發動。 不過核電和風力發電，在寒冷風大的環境下倒是運作得頗為順暢。根據哈佛商業週刊報導，新英格蘭州的核能發電廠在一月七號下午的供電量，占當地總供電量的29%，而平時占總供電量一半的天然氣發電，當時發電量只占全部的27%。 而北極渦旋帶來的強風，也讓風機貢獻許多電力，美國風能協會統計，寒潮侵襲美國上西部時，MISO電網的風機輸出約8000百萬瓦的電，在一般情況下可供應六百萬戶人家使用，而一月六號內布拉斯加州的風機則輸出近300百萬瓦的電，占當地總電力需求的13%。 清大工程與系統科學系教授曾繁根分析，煤除了低溫會結凍外，其占的體積大，消耗速度卻很快，冬天運輸系統碰上大風雪，也會讓煤炭斷源；天然氣運輸實為液態，所以也會碰到低溫結凍的問題，像俄羅斯要提供天然氣給西歐國家，沿途管線經過很冷的地方，都要特別加熱才能輸送。 核電由於使用燃料少，加上燃料棒置入反應爐後，可持續運作兩年，較不受天氣和交通狀態影響，且溫度低時，效率還會因系統和環境溫差大，而略為提升；至於風力發電，曾繁根說，基本上只要扇葉沒有被凍住，維持在運動狀態，即使低溫攝氏零下50度，風機仍可運轉發電。 另外，如果地區如冰島有活火山，則在冬天用地表附近的地熱發電，也是不錯的選擇，但像台灣的地熱被埋在數十公里的地面下，要使用地熱能源就困難許多。 總的來說，富比士雜誌再三強調使用多元能源的重要性，否則不管是遇到戰爭或是此等的天然災害，過度依賴單一能源，都可能造成電力供應中斷。原文轉載自【2014-02-10/聯合報/AA3版/新聞中的科學】(原文來源網址：http://mag.udn.com/mag/edu/storypage.jsp?f_ART_ID=498334&kdid=AR10&r=1 )
