Энергетический бюджет Земли - Earth's energy budget

Климат Земли во многом определяется энергетическим балансом планеты , то есть балансом приходящей и исходящей радиации . Он измеряется спутниками и отображается в Вт / м 2 .

Энергетический бюджет Земли учитывает баланс между энергией, которую Земля получает от Солнца, и энергией, которую Земля излучает обратно в космическое пространство . Учитываются меньшие источники энергии, такие как внутреннее тепло Земли, но они вносят незначительный вклад по сравнению с солнечной энергией. Энергетический бюджет также учитывает то, как энергия проходит через климатическую систему . Поскольку Солнце нагревает экваториальные тропики больше, чем полярные регионы , полученное солнечное излучение распределяется неравномерно. По мере того, как энергия стремится к равновесию на всей планете, она стимулирует взаимодействие в климатической системе Земли, то есть в воде , льду , атмосфере , твердой корке и всех живых существах Земли . Результат - климат Земли .

Энергетический баланс Земли зависит от многих факторов, таких как атмосферные аэрозоли , парниковые газы , альбедо поверхности планеты (отражательная способность), облака , растительность, характер землепользования и многое другое. Когда входящие и исходящие потоки энергии уравновешены, Земля находится в радиационном равновесии, и климатическая система будет относительно стабильной. Глобальное потепление происходит, когда Земля получает больше энергии, чем она возвращает в космос, а глобальное похолодание происходит, когда исходящая энергия больше.

Когда изменяется энергетический баланс, происходит задержка до того, как средняя глобальная температура поверхности существенно изменится. Это происходит из - за тепловую инерцию из океанов и криосферы . Точное моделирование климата Земли требует количественной оценки этих количеств.

Энергетические потоки Земли

Входящие , топ атмосферы (TOA) коротковолновый поток излучения, показывает энергия , получаемая от солнца (26-27 янв 2012).

Несмотря на огромную передачу энергии на Землю и от нее, она поддерживает относительно постоянную температуру, потому что в целом чистая прибыль или убытки незначительны: Земля излучает атмосферное и земное излучение (смещенное в сторону более длинных электромагнитных волн) в космос. примерно столько же энергии, сколько получает через солнечную инсоляцию (все формы электромагнитного излучения).

Входящая лучистая энергия (коротковолновая)

Общее количество энергии, получаемой в секунду в верхней части атмосферы Земли (TOA), измеряется в ваттах и выражается как солнечная постоянная, умноженная на площадь поперечного сечения Земли, соответствующую излучению. Поскольку площадь поверхности сферы в четыре раза больше площади поперечного сечения сферы (т. Е. Площади круга), средний поток TOA составляет одну четверть солнечной постоянной и, следовательно, составляет приблизительно 340 Вт / м 2 . Поскольку поглощение изменяется в зависимости от местоположения, а также от суточных, сезонных и годовых колебаний, приведенные числа являются долгосрочными средними значениями, обычно усредненными по результатам нескольких спутниковых измерений.

Из ~ 340 Вт / м 2 солнечного излучения, полученного Землей, в среднем ~ 77 Вт / м 2 отражается обратно в космос облаками и атмосферой, а ~ 23 Вт / м 2 отражается альбедо поверхности , оставляя ~ 240 Вт / м 2 солнечной энергии, поступающей в энергетический бюджет Земли. Это количество называется поглощенной солнечной радиацией (ASR). Это подразумевает среднее чистое альбедо Земли (в частности, ее альбедо Связи) 0,306.

Исходящее длинноволновое излучение

Уходящее длинноволновое излучение в верхних слоях атмосферы (26–27 января 2012 г.). Тепловая энергия, излучаемая Землей (в ваттах на квадратный метр), показана оттенками желтого, красного, синего и белого цветов. Ярко-желтые области являются самыми горячими и излучают больше всего энергии в космос, в то время как темно-синие области и яркие белые облака намного холоднее и излучают меньше всего энергии.

Исходящее длинноволновое излучение (OLR) обычно определяется как исходящая энергия, покидающая планету, большая часть которой находится в инфракрасном диапазоне . Обычно поглощенная солнечная энергия преобразуется в различные формы тепловой энергии. Часть этой энергии излучается в виде OLR непосредственно в космос, тогда как остальная часть сначала переносится через климатическую систему в виде лучистой и других форм тепловой энергии. Например, косвенные выбросы происходят в результате переноса тепла от поверхностных слоев планеты (суша и океан) в атмосферу через эвапотранспирацию и скрытые тепловые потоки или процессы теплопроводности / конвекции . В конечном итоге вся исходящая энергия излучается в виде длинноволнового излучения обратно в космос.

Несмотря на множество других влияний, закон излучения Стефана-Больцмана описывает фундаментальную зависимость OLR от температуры кожи на поверхности Земли (T skin ):

T- кожа была измерена во всем мире на основе спутниковых наблюдений OLR в инфракрасном и микроволновом диапазонах. Сильная (четвертая степень) температурная чувствительность способствует поддержанию баланса между исходящим потоком энергии и входящим потоком за счет небольших изменений абсолютной температуры .

Внутренние источники тепла Земли и другие небольшие эффекты

Поток геотермального тепла из недр Земли, по оценкам, 47 тераватт (TW) и разделить примерно поровну между радиогенным теплом и теплом остатками от образования Земли. Это соответствует среднему потоку 0,087 Вт / м 2 и составляет всего 0,027% от общего энергетического баланса Земли на поверхности, что меньше 173 000 ТВт приходящей солнечной радиации .

Производство энергии человеком еще ниже - около 160 000 ТВт-часов за весь 2019 год. Это соответствует среднему непрерывному тепловому потоку около 18 ТВт.

Фотосинтез имеет больший эффект: по оценкам, 140 ТВт (или около 0,08%) падающей энергии улавливается фотосинтезом, давая растениям энергию для производства биомассы . Подобный поток тепловой энергии выделяется в течение года, когда растения используются в качестве пищи или топлива.

Другие второстепенные источники энергии обычно игнорируются в расчетах, включая аккрецию межпланетной пыли и солнечного ветра , свет от звезд, отличных от Солнца, и тепловое излучение из космоса. Ранее Джозеф Фурье утверждал, что радиация дальнего космоса имеет большое значение в статье, которую часто называют первой, посвященной парниковому эффекту .

Бюджетный анализ

Сэнка диаграмма , иллюстрирующая энергетический баланс Земли описана в этом разделе - толщина линии линейно пропорциональна относительное количество энергии.

Проще говоря, энергетический бюджет Земли уравновешивается, когда входящий поток равен исходящему. Поскольку часть поступающей энергии отражается напрямую, баланс также можно определить как поглощенное входящее солнечное (коротковолновое) излучение, равное исходящему длинноволновому излучению:

Анализ внутреннего потока

Чтобы описать некоторые внутренние потоки в рамках бюджета, пусть инсоляция, полученная в верхней части атмосферы, будет составлять 100 единиц (= 340 Вт / м 2 ), как показано на прилагаемой диаграмме Сэнки. Названное альбедо Земли, около 35 единиц в этом примере отражаются обратно в космос: 27 - от вершины облаков, 2 - от снежных и ледяных областей и 6 - от других частей атмосферы. Остальные 65 единиц (ASR = 220 Вт / м 2 ) поглощаются: 14 в атмосфере и 51 на поверхности Земли.

51 единица, достигающая и поглощаемая поверхностью, излучается обратно в космос с помощью различных форм земной энергии: 17 непосредственно излучаются в космос и 34 поглощаются атмосферой (19 - за счет скрытой теплоты испарения , 9 - за счет конвекции и турбулентности, а 6 - за счет поглощения. инфракрасное излучение парниковых газов ). 48 единиц, поглощенных атмосферой (34 единицы от земной энергии и 14 от инсоляции), наконец, излучаются обратно в космос.

В конечном итоге 65 единиц (17 с земли и 48 из атмосферы) испускаются как OLR. Они приблизительно уравновешивают 65 единиц (ASR), поглощаемых Солнцем, чтобы поддерживать нулевой прирост энергии Землей.

Роль парникового эффекта

Количественный анализ: потоки энергии между космосом, атмосферой и поверхностью Земли, при этом парниковые газы в атмосфере захватывают значительную часть тепла, отраженного от поверхности Земли.

Основные атмосферные газы ( кислород и азот ) прозрачны для поступающего солнечного света, но также прозрачны для исходящего длинноволнового (теплового / инфракрасного) излучения. Однако водяной пар , углекислый газ , метан и другие следовые газы непрозрачны для многих длин волн теплового излучения.

Когда молекулы парниковых газов поглощают тепловую инфракрасную энергию, их температура повышается. Затем эти газы излучают увеличенное количество тепловой инфракрасной энергии во всех направлениях. Тепло, излучаемое вверх, продолжает встречаться с молекулами парниковых газов; эти молекулы также поглощают тепло, и их температура повышается, а количество тепла, которое они излучают, увеличивается. С высотой атмосфера становится тоньше , и примерно на 5–6  км концентрация парниковых газов в вышележащей атмосфере настолько мала, что тепло может уйти в космос.

Поскольку молекулы парниковых газов излучают инфракрасную энергию во всех направлениях, часть ее распространяется вниз и в конечном итоге возвращается на поверхность Земли, где поглощается. Таким образом, температура поверхности Земли выше, чем если бы она нагревалась только прямым солнечным нагревом. Это дополнительное отопление является естественным парниковым эффектом. Это как если бы Земля покрыта одеялом, которое позволяет проникать высокочастотному излучению (солнечному свету), но замедляет скорость, с которой уходит длинноволновое инфракрасное излучение.

В конечном итоге температура поверхности повышается до тех пор, пока не будет восстановлен баланс ASR = OLR.

Анализ скорости нагрева / охлаждения

В более общем смысле, изменения баланса потока энергии Земли являются результатом внутренней изменчивости системы , внешних воздействий (как радиационных, так и неизлучающих) и обратных связей системы . В первую очередь они выражаются как наблюдаемые изменения температуры (T), облаков (C), водяного пара (W), аэрозолей (A), следовых парниковых газов (G), отражательной способности суши / океана / поверхности льда (S) и как незначительные сдвиги инсолатона (I) среди других возможных факторов. Скорость нагрева / охлаждения Земли (ΔE) затем следует как чистое изменение энергии, связанное с этими атрибутами:

.

Абсолютные и относительные скорости, выведенные из измерений дисбалансов, также сравниваются с теми, которые получены из моделирования земной системы, с целью дальнейшего улучшения климатических моделей и понимания. Принуждение к изменению климата является сложным, поскольку оно может производить обратную связь, которая усиливает ( положительная обратная связь ) или ослабляет ( отрицательная обратная связь ) исходное воздействие. Например, потеря арктического льда делает регион менее отражающим, что приводит к большему поглощению энергии и даже более высокой скорости таяния льда, известной как положительная обратная связь между ледяным альбедо .

Энергетический дисбаланс Земли

Схематическое изображение избыточного количества тепла Земли, связанного с энергетическим дисбалансом планеты за два последних периода времени.

Если входящий поток энергии Земли больше или меньше исходящего потока энергии, то планета будет получать или терять чистую тепловую энергию в соответствии с законом сохранения энергии :

.

Когда дисбаланс в глобальных потоках энергии смещается на достаточно большую величину, его можно напрямую измерить с помощью радиометрических инструментов спутникового базирования . Дисбаланс, который не может измениться с течением времени, также будет приводить к долгосрочным изменениям температуры в атмосферном, океаническом, наземном и ледовом компонентах климатической системы . Таким образом, изменения температуры и связанные с ними эффекты могут служить косвенными показателями дисбаланса. С середины 2005 до середины 2019 года спутниковые наблюдения и наблюдения за температурой океана независимо друг от друга показали приблизительное удвоение энергетического дисбаланса Земли (EEI = ΔE).

Прямое измерение

Анимация орбит флота обсерваторий дистанционного зондирования Земли НАСА 2011 года.

Несколько спутников непосредственно измеряют энергию, поглощаемую и излучаемую Землей, и, таким образом, выводим энергетический дисбаланс. В проекте НАСА « Эксперимент по оценке радиационного баланса Земли» (ERBE) задействованы три таких спутника: спутник для расчета радиационного баланса Земли (ERBS), запущенный в октябре 1984 г .; NOAA-9, запущен в декабре 1984 г .; и NOAA-10, запущенный в сентябре 1986 года.

Приборы НАСА « Облака» и «Система радиантной энергии Земли» (CERES) являются частью Системы наблюдения за Землей (EOS) НАСА с 1998 года. CERES предназначен для измерения как отраженного от Солнца (коротковолнового), так и испускаемого Землей (длинноволнового) излучения. Анализ данных CERES его главными исследователями показал , линейно возрастающую тенденцию в EEI, от +0.42 Вт м -2  (+/- 0,48 Вт м -2 ) в 2005 г. до +1.12 Вт м -2  (+/- 0,48 Вт м - 2 ) в 2019 году. Попытка смоделировать поведение с помощью климатических моделей пришла к выводу, что вероятность того, что внутренняя изменчивость климата вызвала эту тенденцию, составляет менее 1%.

Другие исследователи использовали данные CERES, AIRS , CloudSat и других инструментов EOS для поиска тенденций радиационного воздействия, встроенных в данные EEI. Их анализ данных показал форсирующий рост на +0,53 Вт м -2  (+/- 0,11 Вт м -2 ) с 2003 по 2018 год. Около 80% увеличения было связано с повышением концентрации парниковых газов, которое уменьшило исходящую длинноволновую волну. радиация.

Спутниковые наблюдения также указали на дополнительные осадки, которые поддерживаются увеличением энергии, уходящей с поверхности в результате испарения (скрытый тепловой поток), что частично компенсирует увеличение длинноволнового парникового потока к поверхности.

Примечательно, что погрешности радиометрической калибровки ограничивают возможности спутниковых приборов текущего поколения, которые в остальном являются стабильными и точными . В результате относительные изменения EEI поддаются количественной оценке с точностью, которая также недостижима для любого отдельного измерения абсолютного дисбаланса.

Косвенные измерения

Глобальная температура поверхности (GST) рассчитывается путем усреднения атмосферных температур, измеренных над поверхностью моря, вместе с температурами, измеренными над сушей. Надежные данные, относящиеся как минимум к 1880 году, показывают, что с 1970 года GST неуклонно растет примерно на 0,18 ° C за десятилетие.

Воды океана являются особенно эффективными поглотителями солнечной энергии и обладают гораздо большей общей теплоемкостью, чем атмосфера. Исследовательские суда и станции собирали образцы температуры моря по всему миру с до 1960 года. Кроме того, после 2000 года расширяющаяся сеть из более чем 3000 роботизированных поплавков Argo измерила температурную аномалию или, что эквивалентно, изменение теплосодержания океана (OHC). По крайней мере, с 1990 года показатель OHC увеличивался с постоянной или ускоряющейся скоростью. Изменения OHC являются наиболее надежным косвенным показателем EEI, поскольку океаны поглощают 90% избыточного тепла.

Протяженность плавающего и приземленного льда измеряется со спутников, а изменение массы затем выводится из измеренных изменений уровня моря в сочетании с вычислительными моделями, которые учитывают тепловое расширение и другие факторы. Наблюдения с 1994 года показывают, что лед отступает со всех частей Земли с ускоренной скоростью.

GST с 1850 г.
OHC с 1958 года на высоте 2000 метров
Глобальная потеря льда с 1994 г.

Важность как показатель изменения климата

Кевин Тренберт , Джеймс Хансен и его коллеги, давно занимающиеся исследованием климата , определили мониторинг энергетического дисбаланса Земли как императив, который поможет политикам управлять темпами планирования адаптации к изменению климата . Измерения EEI отопления в локальном и глобальном масштабе могут прогнозировать изменения, которые находятся «в разработке». EEI является лучшим показателем по сравнению с радиационным воздействием для этой цели, потому что он количественно определяет фактические чистые скорости планетарного нагрева; включая все обратные связи, такие как температура, водяной пар и облака.

В 2012 году ученые НАСА сообщили, что для прекращения глобального потепления концентрация CO 2 в атмосфере должна быть снижена до 350 ppm или менее, если все другие климатические воздействия будут устранены. По состоянию на 2020 год содержание CO 2 в атмосфере достигло 415 частей на миллион, а содержание всех долгоживущих парниковых газов превысило 500 частей на миллион CO.
2
-эквивалентная
концентрация из-за продолжающегося роста выбросов человека.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Дополнительная библиография к цитируемым источникам

Отчет Рабочей группы I ДО5 МГЭИК

внешние ссылки