stringtranslate.com

Энергетический бюджет Земли

Энергетический баланс и дисбаланс Земли, показывающий, куда уходит избыток энергии: Исходящая радиация уменьшается из-за увеличения содержания парниковых газов в атмосфере, что приводит к энергетическому дисбалансу Земли примерно в 460 ТВт. [1] Также указан процент, поступающий в каждую область климатической системы .

Энергетический бюджет Земли (или энергетический баланс Земли ) — это баланс между энергией , которую Земля получает от Солнца , и энергией, которую Земля теряет обратно в космическое пространство . Меньшие источники энергии, такие как внутреннее тепло Земли, принимаются во внимание, но вносят крошечный вклад по сравнению с солнечной энергией. Энергетический бюджет также учитывает, как энергия движется через климатическую систему . [2] : 2227  Солнце нагревает экваториальные тропики больше, чем полярные регионы . Поэтому количество солнечного излучения, получаемого определенным регионом, распределяется неравномерно. Поскольку энергия стремится к равновесию по всей планете, она управляет взаимодействиями в климатической системе Земли, то есть водой Земли , льдом , атмосферой , каменистой корой и всеми живыми существами . [2] : 2224  Результатом является климат Земли .

Энергетический бюджет Земли зависит от многих факторов, таких как атмосферные аэрозоли , парниковые газы , альбедо поверхности , облака и модели землепользования . Когда входящие и исходящие потоки энергии находятся в равновесии, Земля находится в радиационном равновесии , и климатическая система будет относительно стабильной. Глобальное потепление происходит, когда Земля получает больше энергии, чем отдает обратно в космос, а глобальное похолодание происходит, когда исходящая энергия больше. [3]

Многочисленные типы измерений и наблюдений показывают дисбаланс потепления, начиная по крайней мере с 1970 года. [4] [5] Скорость нагревания в результате этого антропогенного события не имеет прецедентов. [6] : 54  Основной причиной изменений в энергетике Земли являются антропогенные изменения в составе атмосферы. [1] В период с 2005 по 2019 год дисбаланс энергии Земли (EEI) в среднем составлял около 460  ТВт или в глобальном масштабе0,90 ± 0,15 Вт/м 2 . [1]

Требуется время, чтобы любые изменения в энергетическом бюджете привели к каким-либо значительным изменениям в глобальной температуре поверхности . Это происходит из-за тепловой инерции океанов , суши и криосферы . [7] Большинство климатических моделей делают точные расчеты этой инерции, потоков энергии и объемов хранения.

Определение

Энергетический бюджет Земли включает «основные потоки энергии, имеющие значение для климатической системы». [2] Это «энергетический бюджет верхней части атмосферы; поверхностный энергетический бюджет; изменения в глобальном энергетическом запасе и внутренние потоки энергии в климатической системе». [2] : 2227 

Энергетические потоки Земли

Входящий поток коротковолнового излучения верхней части атмосферы (TOA) показывает энергию, полученную от Солнца, как следует из измерений CERES (26–27 января 2012 г.). Самые яркие белые области показывают самую высокую отражательную способность (наименьшее поглощение) солнечной энергии, в то время как самые темные синие области показывают самое большое поглощение.

Несмотря на колоссальные потоки энергии, поступающие на Землю и от нее, она сохраняет относительно постоянную температуру, поскольку в целом чистый прирост или потеря незначительны: Земля излучает в космос через атмосферное и земное излучение (смещенное в сторону более длинных электромагнитных волн) примерно такое же количество энергии, какое она получает через солнечную инсоляцию (все формы электромагнитного излучения).

Основным источником изменений в энергетике Земли являются изменения в составе атмосферы, вызванные деятельностью человека, которые составляют около 460 ТВт или в глобальном масштабе.0,90 ± 0,15 Вт/м 2 . [1]

Поступающая солнечная энергия (коротковолновое излучение)

Общее количество энергии, полученной в секунду в верхней части атмосферы Земли (TOA), измеряется в ваттах и ​​определяется 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), глобальный и годовой усредненный поток TOA составляет одну четверть солнечной постоянной и, таким образом, приблизительно 340 ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ). [8] [9] Поскольку поглощение меняется в зависимости от местоположения, а также с суточными, сезонными и годовыми колебаниями, приведенные числа являются многолетними средними, полученными из нескольких спутниковых измерений. [8]

Из ~340 Вт/м 2 солнечной радиации, получаемой 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). Оно подразумевает значение около 0,3 для среднего чистого альбедо Земли, также называемого ее альбедо Бонда (A): [8]

Исходящее длинноволновое излучение

Исходящее длинноволновое излучение в верхней части атмосферы (26–27 января 2012 г.). Тепловая энергия, излучаемая Землей (в ваттах на квадратный метр), показана оттенками желтого, красного, синего и белого цветов. Самые яркие 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.

Тепловая энергия покидает планету в форме исходящего длинноволнового излучения (OLR). Длинноволновое излучение — это электромагнитное тепловое излучение, испускаемое поверхностью и атмосферой Земли. Длинноволновое излучение находится в инфракрасном диапазоне . Но эти термины не являются синонимами, поскольку инфракрасное излучение может быть как коротковолновым, так и длинноволновым . Солнечный свет содержит значительное количество коротковолнового инфракрасного излучения. Иногда для различения длинноволнового и коротковолнового излучения используется пороговая длина волны в 4 микрона.

Как правило, поглощенная солнечная энергия преобразуется в различные формы тепловой энергии. Часть солнечной энергии, поглощенной поверхностью, преобразуется в тепловое излучение на длинах волн в « атмосферном окне »; это излучение способно беспрепятственно проходить через атмосферу и напрямую выходить в космос, способствуя OLR. Оставшаяся часть поглощенной солнечной энергии переносится вверх через атмосферу с помощью различных механизмов теплопередачи, пока атмосфера не испустит эту энергию в виде тепловой энергии, которая может выходить в космос, снова способствуя OLR. Например, тепло переносится в атмосферу посредством эвапотранспирации и скрытых тепловых потоков или процессов проводимости / конвекции , а также посредством лучистого переноса тепла. [8] В конечном итоге вся исходящая энергия излучается в космос в виде длинноволнового излучения.

Перенос длинноволнового излучения с поверхности Земли через ее многослойную атмосферу регулируется уравнениями переноса излучения, такими как уравнение Шварцшильда для переноса излучения (или более сложными уравнениями, если присутствует рассеяние), и подчиняется закону Кирхгофа для теплового излучения .

Однослойная модель дает приблизительное описание OLR, которое дает температуры на поверхности (T s =288  Кельвинов ) и в середине тропосферы ( T a =242 К), которые близки к наблюдаемым средним значениям: [10]

В этом выражении σ — постоянная Стефана–Больцмана , а ε представляет собой излучательную способность атмосферы, которая меньше 1, поскольку атмосфера не излучает в диапазоне длин волн, известном как атмосферное окно .

Аэрозоли, облака, водяной пар и следы парниковых газов вносят вклад в эффективное значение около ε = 0,78 . Сильная (четвертая степень) температурная чувствительность поддерживает почти баланс исходящего потока энергии и входящего потока посредством небольших изменений абсолютных температур планеты .

Увеличение необлачного парникового эффекта Земли (2000–2022 гг.) по спутниковым данным.

Если смотреть из окружающего Землю пространства, парниковые газы влияют на излучательную способность атмосферы планеты ( ε ). Изменения в составе атмосферы могут, таким образом, сместить общий баланс радиации. Например, увеличение удержания тепла растущей концентрацией парниковых газов (т. е. усиление парникового эффекта ) вызывает уменьшение OLR и согревающий (восстановительный) энергетический дисбаланс. [11] В конечном итоге, когда количество парниковых газов увеличивается или уменьшается, температура поверхности на месте повышается или понижается до тех пор, пока поглощенная солнечная радиация не сравняется с исходящей длинноволновой радиацией, или ASR не сравняется с OLR.

Внутренние источники тепла Земли и другие незначительные эффекты

Геотермальный тепловой поток из недр Земли оценивается в 47 тераватт (ТВт) [12] и делится примерно поровну между радиогенным теплом и теплом, оставшимся от формирования Земли. Это соответствует среднему потоку 0,087 Вт/м 2 и представляет собой всего 0,027% от общего энергетического бюджета Земли на поверхности, будучи ничтожным по сравнению с173 000  ТВт приходящей солнечной радиации . [13]

Производство энергии человеком еще ниже — в среднем 18 ТВт, что соответствует оценочным 160 000 ТВт-ч за весь 2019 год. [14] Однако потребление быстро растет, а производство энергии с использованием ископаемого топлива также приводит к увеличению выбросов парниковых газов в атмосферу, что приводит к более чем 20-кратному увеличению дисбаланса входящих/исходящих потоков, обусловленных солнечной радиацией. [15]

Фотосинтез также оказывает значительное влияние: по оценкам, 140 ТВт (или около 0,08%) падающей энергии улавливается фотосинтезом, давая энергию растениям для производства биомассы . [16] Аналогичный 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 излучение в глубоком космосе имеет важное значение в работе, часто цитируемой как первая работа о парниковом эффекте . [17]

Анализ бюджета

Диаграмма Сэнки, иллюстрирующая сбалансированный пример энергетического бюджета Земли. Толщина линии линейно пропорциональна относительному количеству энергии. [18]

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

Анализ внутреннего потока

Чтобы описать некоторые внутренние потоки в пределах бюджета, пусть инсоляция, полученная в верхней части атмосферы, будет 100 единиц (= 340 Вт/м 2 ), как показано на прилагаемой диаграмме Санки. Называемое альбедо Земли, около 35 единиц в этом примере напрямую отражаются обратно в космос: 27 от верхней части облаков, 2 от областей, покрытых снегом и льдом, и 6 другими частями атмосферы. 65 оставшихся единиц (ASR = 220 Вт/м 2 ) поглощаются: 14 внутри атмосферы и 51 поверхностью Земли.

51 единица, достигшая поверхности и поглощенная ею, излучается обратно в космос посредством различных форм земной энергии: 17 напрямую излучаются в космос и 34 поглощаются атмосферой (19 через скрытую теплоту испарения , 9 через конвекцию и турбулентность и 6 как поглощенное инфракрасное излучение парниковыми газами ). 48 единиц, поглощенных атмосферой (34 единицы из земной энергии и 14 из инсоляции), затем в конечном итоге излучаются обратно в космос. Этот упрощенный пример не учитывает некоторые детали механизмов, которые рециркулируют, хранят и, таким образом, приводят к дальнейшему накоплению тепла вблизи поверхности.

В конечном итоге 65 единиц (17 из земли и 48 из атмосферы) выбрасываются как OLR. Они приблизительно уравновешивают 65 единиц (ASR), поглощаемых от солнца, чтобы поддерживать чистый нулевой прирост энергии Землей. [18]

Резервуары для хранения тепла

Растущее накопление энергии в океанических, наземных, ледяных и атмосферных компонентах климатической системы Земли с 1960 года. [5]

Земля, лед и океаны являются активными материальными составляющими климатической системы Земли наряду с атмосферой. Они имеют гораздо большую массу и теплоемкость , и, следовательно, гораздо большую тепловую инерцию . Когда излучение поглощается напрямую или температура поверхности изменяется, тепловая энергия будет течь как явное тепло либо в, либо из основной массы этих компонентов посредством процессов теплопередачи проводимости/конвекции . Преобразование воды между ее твердым/жидким/парообразным состоянием также действует как источник или сток потенциальной энергии в форме скрытого тепла . Эти процессы буферизуют условия поверхности против некоторых быстрых радиационных изменений в атмосфере. В результате разница дневных и ночных температур поверхности относительно невелика. Аналогично, климатическая система Земли в целом медленно реагирует на сдвиги в балансе атмосферной радиации. [19]

Верхние несколько метров океанов Земли содержат больше тепловой энергии, чем вся ее атмосфера. [20] Подобно атмосферным газам, жидкие океанские воды переносят огромные объемы такой энергии по поверхности планеты. Явное тепло также перемещается в большие глубины и из них в условиях, которые благоприятствуют нисходящему или восходящему течению . [21] [22]

Более 90 процентов дополнительной энергии, которая накопилась на Земле из-за продолжающегося глобального потепления с 1970 года, была сохранена в океане . [20] Около одной трети распространилось на глубины ниже 700 метров. Общая скорость роста также возросла за последние десятилетия, достигнув около 500 ТВт (1 Вт/м 2 ) по состоянию на 2020 год. [23] [5] Это привело к примерно 14  зеттаджоулям  (ЗДж) прироста тепла за год, что превышает 570  эксаджоулей (=160 000 ТВт-ч [14] ) общей первичной энергии, потребляемой людьми, по крайней мере в 20 раз. [15]

Анализ скорости нагрева/охлаждения

В общем, изменения в балансе потока энергии Земли можно рассматривать как результат внешних воздействий (как естественных, так и антропогенных, радиационных и нерадиационных), системных обратных связей и внутренней системной изменчивости . [24] Такие изменения в первую очередь выражаются в наблюдаемых сдвигах температуры (T), облаков (C), водяного пара (W), аэрозолей (A), следов парниковых газов (G), отражательной способности поверхности земли/океана/льда (S) и в незначительных сдвигах инсоляции (I) среди других возможных факторов. Затем скорость нагрева/охлаждения Земли можно проанализировать в выбранных временных рамках (Δt) как чистое изменение энергии (ΔE), связанное с этими атрибутами:

Здесь член ΔE T , соответствующий ответу Планка , имеет отрицательное значение при повышении температуры из-за его сильного прямого влияния на OLR. [25] [23]

Недавнее увеличение следов парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта и, таким образом, к положительному форсирующему члену ΔE G . Напротив, крупное извержение вулкана (например, вулкан Пинатубо 1991 г. , Эль-Чичон 1982 г.) может выбрасывать серосодержащие соединения в верхние слои атмосферы. Высокие концентрации стратосферных серных аэрозолей могут сохраняться в течение нескольких лет, что приводит к отрицательному форсирующему вкладу в ΔE A . [26] [27] Различные другие типы антропогенных аэрозольных выбросов вносят как положительный, так и отрицательный вклад в ΔE A . Солнечные циклы создают ΔE I меньшие по величине, чем недавние тенденции ΔE G от человеческой деятельности. [28] [29]

Климатические воздействия сложны, поскольку они могут вызывать прямые и косвенные обратные связи , которые усиливают ( положительная обратная связь ) или ослабляют ( отрицательная обратная связь ) исходное воздействие. Они часто следуют за температурной реакцией. Тенденции водяного пара как положительная обратная связь относительно изменений температуры из-за сдвигов испарения и соотношения Клаузиуса-Клапейрона . Увеличение водяного пара приводит к положительной ΔE W из-за дальнейшего усиления парникового эффекта. Более медленная положительная обратная связь - это обратная связь лед-альбедо . Например, потеря арктического льда из-за повышения температуры делает регион менее отражающим, что приводит к большему поглощению энергии и еще более быстрым темпам таяния льда, таким образом, положительно влияя на ΔE S . [30] В совокупности обратные связи имеют тенденцию усиливать глобальное потепление или похолодание. [31] : 94 

Облака отвечают примерно за половину альбедо Земли и являются мощным выражением внутренней изменчивости климатической системы. [32] [33] Они также могут действовать как обратная связь к воздействиям и сами могут быть воздействиями, например, в результате засева облаков . Вклад в ΔE C варьируется в зависимости от региона и типа облаков. Измерения со спутников собираются совместно с моделированием моделей в целях улучшения понимания и снижения неопределенности. [34]

Энергетический дисбаланс Земли (ЭЭЗ)

Энергетический бюджет Земли (в Вт/м 2 ) определяет климат. Это баланс входящей и исходящей радиации , который можно измерить с помощью спутников. Энергетический дисбаланс Земли — это «чистое поглощенное» количество энергии, которое выросло с +0,6 Вт/м 2 (оценка 2009 г. [8] ) до более чем +1,0 Вт/м 2 в 2019 г. [23]

Энергетический дисбаланс Земли (ЭДЗ) определяется как «постоянный и положительный (нисходящий) чистый верхний предел потока энергии в атмосфере, связанный с воздействием парниковых газов на климатическую систему». [2] : 2227 

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

.

Положительный EEI, таким образом, определяет общую скорость планетарного нагрева и обычно выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). В период с 2005 по 2019 год энергетический дисбаланс Земли в среднем составлял около 460 ТВт или в глобальном масштабе 0,90 ± 0,15 Вт на м 2 . [1]

Когда энергетический дисбаланс Земли (EEI) смещается на достаточно большую величину, этот сдвиг можно измерить с помощью орбитальных спутниковых приборов. [27] [35] Дисбалансы, которые не восстанавливаются со временем, также будут приводить к долгосрочным изменениям температуры в атмосферных, океанических, наземных и ледяных компонентах климатической системы. [36] Температура, уровень моря, масса льда и связанные с ними сдвиги, таким образом, также являются мерами EEI. [5]

Самые большие изменения в EEI возникают из-за изменений в составе атмосферы из-за деятельности человека, тем самым вмешиваясь в естественный поток энергии через климатическую систему. [1]  Основные изменения происходят из-за увеличения содержания углекислого газа и других парниковых газов, которые производят нагрев (положительный EEI), и загрязнения. Последнее относится к атмосферным аэрозолям различных видов, некоторые из которых поглощают энергию, а другие отражают ее и производят охлаждение (или более низкий EEI).  

Пока (пока) невозможно измерить абсолютную величину EEI непосредственно в верхней части атмосферы, хотя изменения с течением времени , наблюдаемые с помощью спутниковых приборов, считаются точными. Единственный практический способ оценить абсолютную величину EEI — провести инвентаризацию изменений энергии в климатической системе. Самым большим из этих резервуаров энергии является океан. [1]

Оценка энергозатрат

Планетарное содержание тепла, которое находится в климатической системе, может быть скомпилировано с учетом теплоемкости, плотности и распределения температуры каждого из ее компонентов. Большинство регионов в настоящее время достаточно хорошо опробованы и отслеживаются, причем наиболее значительным исключением является глубокий океан. [38]

Схематическое изображение избыточного теплового запаса Земли и энергетического дисбаланса за два недавних периода времени. [5]

Оценки абсолютной величины EEI также были рассчитаны с использованием измеренных изменений температуры в течение последних многодесятилетних интервалов времени. Для периода с 2006 по 2020 год EEI был около+0,76 ± 0,2 Вт/м 2 и показал значительное увеличение выше среднего значения+0,48 ± 0,1 Вт/м 2 за период с 1971 по 2020 гг. [5]

EEI был положительным, потому что температуры увеличились почти везде за последние 50 лет. Глобальная температура поверхности (GST) рассчитывается путем усреднения температур, измеренных на поверхности моря, вместе с температурами воздуха, измеренными над сушей. Надежные данные, охватывающие по крайней мере 1880 год, показывают, что GST претерпела устойчивый рост примерно на 0,18 °C за десятилетие примерно с 1970 года. [39]

Океанические воды являются особенно эффективными поглотителями солнечной энергии и имеют гораздо большую общую теплоемкость , чем атмосфера. [40] Научно-исследовательские суда и станции измеряли температуру моря на глубине и по всему миру еще до 1960 года. Кроме того, после 2000 года расширяющаяся сеть из почти 4000 роботизированных поплавков Argo измерила температурную аномалию или, что эквивалентно, изменение теплосодержания океана (ΔOHC). По крайней мере с 1990 года OHC увеличивался с постоянной или ускоряющейся скоростью. ΔOHC представляет собой наибольшую часть EEI, поскольку океаны до сих пор поглотили более 90% чистой избыточной энергии, поступающей в систему с течением времени (Δt): [41] [42]

.

Внешняя кора Земли и толстые ледяные области поглотили относительно немного избыточной энергии. Это связано с тем, что избыточное тепло на их поверхностях течет внутрь только посредством теплопроводности и, таким образом, проникает только на несколько десятков сантиметров в суточном цикле и только на несколько десятков метров в годовом цикле. [43] Большая часть поглощенного тепла идет либо на таяние льда и вечной мерзлоты, либо на испарение большего количества воды из почв.

Измерения в верхней части атмосферы (TOA)

Несколько спутников измеряют энергию, поглощаемую и излучаемую Землей, и таким образом, делают вывод об энергетическом дисбалансе. Они расположены в верхней части атмосферы (TOA) и предоставляют данные, охватывающие весь земной шар. Проект NASA Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) включал три таких спутника: Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), запущенный в октябре 1984 года; NOAA-9, запущенный в декабре 1984 года; и NOAA-10, запущенный в сентябре 1986 года. [44]

Рост энергетического дисбаланса Земли по данным спутниковых и натурных измерений (2005–2019). Скорость +1,0 Вт/м 2 , суммированная по поверхности планеты, соответствует непрерывному поглощению тепла около 500  тераватт (~0,3% падающего солнечного излучения). [23] [45]

Инструменты NASA Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) являются частью Системы наблюдения за Землей (EOS) с марта 2000 года. CERES предназначен для измерения как отраженного солнцем (коротковолнового), так и испускаемого Землей (длинноволнового) излучения. [46] Данные CERES показали увеличение EEI от+0,42 ± 0,48 Вт/м 2 в 2005 г.+1,12 ± 0,48 Вт/м2 в 2019 году. Факторы, способствовавшие этому, включали больше водяного пара, меньше облаков, увеличение парниковых газов и сокращение льда, что было частично компенсировано ростом температур. [23] [45] Последующее исследование поведения с использованием климатической модели GFDL CM4/AM4 пришло к выводу, что вероятность того, что внутренняя изменчивость климата сама по себе вызвала эту тенденцию, составляет менее 1%. [47]

Другие исследователи использовали данные CERES, AIRS , CloudSat и других инструментов EOS для поиска тенденций радиационного воздействия, встроенных в данные EEI. Их анализ показал рост воздействия+0,53 ± 0,11 Вт/м 2 с 2003 по 2018 гг. Около 80% прироста было связано с ростом концентрации парниковых газов, что снизило исходящую длинноволновую радиацию. [48] [49] [50]

Дальнейшие спутниковые измерения, включая данные TRMM и CALIPSO, указали на дополнительные осадки, которые поддерживаются увеличением энергии, покидающей поверхность через испарение (скрытый тепловой поток), компенсируя некоторое увеличение длинноволнового парникового потока на поверхность. [51]

Примечательно, что неопределенности радиометрической калибровки ограничивают возможности текущего поколения спутниковых приборов, которые в остальном стабильны и точны . В результате относительные изменения в EEI поддаются количественной оценке с точностью , которая также недостижима для любого отдельного измерения абсолютного дисбаланса. [52] [53]

Геодезические и гидрографические изыскания

Оценки нагрева Земли, полученные с помощью комбинации космической альтиметрии и космической гравиметрии . [54]

Наблюдения с 1994 года показывают, что лед отступает со всех уголков Земли с ускоренной скоростью. [55] Средний уровень мирового океана также повысился в результате таяния льда в сочетании с общим повышением температуры океана. [56] Эти сдвиги привели к измеримым изменениям геометрической формы и гравитации планеты.

Изменения в распределении массы воды в гидросфере и криосфере были выведены с использованием гравиметрических наблюдений с помощью спутниковых инструментов GRACE . Эти данные были сопоставлены с топографией поверхности океана и дальнейшими гидрографическими наблюдениями с использованием вычислительных моделей, которые учитывают тепловое расширение, изменения солености и другие факторы. Оценки, полученные таким образом для ΔOHC и EEI, согласуются с другими (в основном) независимыми оценками в пределах неопределенностей. [54] [57]

Важность как показателя изменения климата

Климатологи Кевин Тренберт , Джеймс Хансен и коллеги определили мониторинг энергетического дисбаланса Земли как важный показатель, помогающий политикам направлять темпы мер по смягчению и адаптации . Из-за инертности климатической системы долгосрочные тенденции EEI (энергетического дисбаланса Земли) могут предсказывать дальнейшие изменения, которые «на подходе». [36] [58] [59]

Ученые обнаружили, что EEI является наиболее важным показателем, связанным с изменением климата. Это чистый результат всех процессов и обратных связей, действующих в климатической системе. [1] Знание того, сколько дополнительной энергии влияет на погодные системы и количество осадков, жизненно важно для понимания растущих экстремальных погодных явлений. [1]

В 2012 году ученые НАСА сообщили, что для прекращения глобального потепления необходимо снизить концентрацию CO 2 в атмосфере до 350 ppm или менее, при условии, что все остальные климатические воздействия будут зафиксированы. [60] По состоянию на 2020 год концентрация CO 2 в атмосфере достигла 415 ppm, а все долгоживущие парниковые газы превысили концентрацию, эквивалентную CO 2, в 500 ppm из-за продолжающегося роста выбросов в результате деятельности человека. [61]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghi Тренберт, Кевин Э.; Ченг, Лицзин (1 сентября 2022 г.). «Взгляд на изменение климата с точки зрения энергетического дисбаланса Земли». Исследования окружающей среды: Климат . 1 (1): 013001. doi : 10.1088/2752-5295/ac6f74 . ISSN  2752-5295. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  2. ^ abcde МГЭИК, 2021: Приложение VII: Глоссарий [Мэтьюз, Дж. Б. Р., В. Мёллер, Р. ван Димен, Дж. С. Фуглестведт, В. Массон-Дельмотт, К. Мендес, С. Семенов, А. Рейзингер (ред.)]. В Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Мэссон-Дельмотт, В., П. Чжай, А. Пирани, С. Л. Коннорс, К. Пеан, С. Бергер, Н. Код, И. Чен, Л. Гольдфарб, М. И. Гомис, М. Хуан, К. Лейтцелл, Э. Лонной, Дж. Б. Р. Мэтьюз, ТК. Мейкок, Т. Уотерфилд, О. Йелекчи, Р. Ю и Б. Чжоу (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, стр. 2215–2256, doi:10.1017/9781009157896.022.
  3. ^ «Климат и энергетический бюджет Земли». earthobservatory.nasa.gov . 14 января 2009 г. Получено 5 августа 2019 г.
  4. ^ Тренберт, Кевин Э.; Фасулло, Джон Т.; фон Шукманн, Карина; Ченг, ЛиДжинг (2016). «Взгляд на энергетический дисбаланс Земли из нескольких источников». Журнал климата . 29 (20): 7495–7505. Bibcode : 2016JCli...29.7495T. doi : 10.1175/JCLI-D-16-0339.1. OSTI  1537015. S2CID  51994089.
  5. ^ abcdef фон Шукманн, Карина; Миньер, Одри.; Гас, Флора; Куэста-Валеро, Франсиско Хосе; Кирхенгаст, Готфрид; Адусумилли, Сушил; Странео, Фламметта; и др. (17 апреля 2023 г.). «Тепло, накопленное в системе Земля 1960-2020 годы: куда уходит энергия?». Данные науки о системе Земли . 15 (4): 1675–1709 гг.Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International. doi : 10.5194/essd-15-1675-2023 .
  6. ^ Allen, MR, OP Dube, W. Solecki, F. Aragón-Durand, W. Cramer, S. Humphreys, M. Kainuma, J. Kala, N. Mahowald, Y. Mulugetta, R. Perez, M. Wairiu и K. Zickfeld, 2018: Глава 1: Обрамление и контекст. В: Глобальное потепление на 1,5 °C. Специальный доклад МГЭИК о последствиях глобального потепления на 1,5 °C выше доиндустриального уровня и связанных с ним глобальных путях выбросов парниковых газов в контексте усиления глобального реагирования на угрозу изменения климата, устойчивого развития и усилий по искоренению нищеты [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Портнер, Д. Робертс, Дж. Ски, П. Р. Шукла, А. Пирани, В. Муфума-Окиа, К. Пеан, Р. Пидкок, С. Коннорс, Дж. Б. Р. Мэтьюз, Ю. Чен, X. Чжоу, М. И. Гомис, Э. Лонной, Т. Мэйкок, М. Тиньор и Т. Уотерфилд (ред.)]. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, стр. 49–92. https://doi.org/10.1017/9781009157940.003.
  7. ^ Previdi, M; et al. (2013). «Чувствительность климата в антропоцене». Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 139 (674): 1121–1131. Bibcode : 2013QJRMS.139.1121P. CiteSeerX 10.1.1.434.854 . doi : 10.1002/qj.2165. S2CID  17224800. 
  8. ^ abcde "Плакат NASA Earth's Energy Budget". NASA. Архивировано из оригинала 21 апреля 2014 года . Получено 20 апреля 2014 года .
  9. ^ Wild, Martin; Folini, Doris; Schär, Christoph; Loeb, Norman; Dutton, Ellsworth G.; König-Langlo, Gert (2013). «Глобальный энергетический баланс с точки зрения поверхности» (PDF) . Climate Dynamics . 40 (11–12): 3107–3134. Bibcode : 2013ClDy...40.3107W. doi : 10.1007/s00382-012-1569-8. hdl : 20.500.11850/58556 . ISSN  0930-7575. S2CID  129294935.
  10. ^ "ACS Climate Science Toolkit – Atmospheric Warming – A Single-Layer Atmosphere Model". Американское химическое общество. Архивировано из оригинала 25 мая 2023 года . Получено 30 сентября 2022 года .
  11. ^ "ACS Climate Science Toolkit - Radiative Forcing - How Atmospheric Warming Works". Американское химическое общество . Получено 30 сентября 2022 г.
  12. ^ Дэвис, Дж. Х.; Дэвис, Д. Р. (22 февраля 2010 г.). «Поток тепла на поверхности Земли». Solid Earth . 1 (1): 5–24. Bibcode : 2010SolE....1....5D. doi : 10.5194/se-1-5-2010 . ISSN  1869-9529.Дэвис, Дж. Х. и Дэвис, Д. Р. (2010). Поток тепла на поверхности Земли. Solid Earth, 1(1), 5–24.
  13. ^ Арчер, Дэвид (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза, 2-е издание (2-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-94341-0.
  14. ^ ab Hannah Ritchie ; Max Roser (2020). "Глобальное прямое первичное потребление энергии". Our World in Data . Опубликовано онлайн на OurWorldInData.org . Получено 9 февраля 2020 г. .
  15. ^ ab Chelsea Harvey (12 января 2022 г.). «Океаны бьют рекорды тепла третий год подряд». Scientific American .
  16. ^ "Поток энергии Земли - Энергетическое образование". energyeducation.ca . Получено 5 августа 2019 г. .
  17. ^ Флеминг, Джеймс Р. (1999). «Жозеф Фурье, «парниковый эффект» и поиски универсальной теории земных температур». Endeavour . 23 (2): 72–75. doi :10.1016/S0160-9327(99)01210-7.
  18. ^ ab Sharma, PD (2008). Экологическая биология и токсикология (2-е изд.). Rastogi Publications. стр. 14–15. ISBN 9788171337422.
  19. ↑ Мишон Скотт (24 апреля 2006 г.). «Большой тепловой ковш Земли». NASA Earth Observatory.
  20. ^ ab "Жизненно важные признаки растения: содержание тепла в океане". NASA . Получено 15 ноября 2021 г.
  21. ^ "Взаимодействие воздуха и моря: руководство для учителя". Американское метеорологическое общество . 2012. Получено 15 ноября 2021 г.
  22. ^ "Движение океана: Определение: Ветровые поверхностные течения — апвеллинг и даунвеллинг" . Получено 15 ноября 2021 г.
  23. ^ abcde Loeb, Norman G.; Johnson, Gregory C.; Thorsen, Tyler J.; Lyman, John M.; et al. (15 июня 2021 г.). «Спутниковые и океанические данные показывают заметное увеличение скорости нагрева Земли». Geophysical Research Letters . 48 (13). Bibcode : 2021GeoRL..4893047L. doi : 10.1029/2021GL093047 .
  24. ^ Национальный исследовательский совет (2005). Радиационное воздействие изменения климата: расширение концепции и устранение неопределенностей . The National Academic Press. doi : 10.17226/11175. ISBN 978-0-309-09506-8.
  25. ^ Торсен, Тайлер Дж.; Като, Сейджи; Лёб, Норман Г.; Роуз, Фред Г. (15 декабря 2018 г.). «Разложение радиационных возмущений и радиационных ядер на основе наблюдений». Журнал климата . 31 (24): 10039–10058. Bibcode : 2018JCli...3110039T. doi : 10.1175/JCLI-D-18-0045.1 . ISSN  0894-8755. PMC 8793621. PMID 35095187  . 
  26. ^ Робок, Алан (1 мая 2000 г.). «Вулканические извержения и климат». Обзоры геофизики . 38 (2): 191–219. Bibcode : 2000RvGeo..38..191R. doi : 10.1029/1998RG000054 . S2CID  1299888.
  27. ^ ab Allan, Richard P.; Liu, Chunlei; Loeb, Norman G.; Palmer, Matthew D.; et al. (18 июля 2014 г.). «Изменения в глобальном чистом радиационном дисбалансе 1985–2012 гг.». Geophysical Research Letters . 41 (15): 5588–5597. Bibcode : 2014GeoRL..41.5588A. doi : 10.1002/2014GL060962 . PMC 4373161. PMID  25821270 . 
  28. ^ Гарет С. Джонс, Майк Локвуд, Питер А. Стотт (16 марта 2012 г.). «Какое влияние окажут будущие изменения солнечной активности в течение 21-го века на прогнозируемые глобальные изменения температуры вблизи поверхности?». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 117 (D5): н/д. Bibcode : 2012JGRD..117.5103J. doi : 10.1029/2011JD017013 .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  29. ^ «Какова роль Солнца в изменении климата?». NASA. 6 сентября 2019 г.
  30. ^ Линдси, Ребекка (14 января 2009 г.). «Климат и энергетический бюджет Земли (часть 7 — Климатические воздействия и глобальное потепление)». earthobservatory.nasa.gov . Обсерватория Земли, часть Научного офиса проекта EOS, расположенная в Центре космических полетов имени Годдарда в НАСА . Получено 5 августа 2019 г.
  31. ^ Ариас, Пенсильвания, Н. Беллуэн, Э. Коппола, Р.Г. Джонс, Г. Криннер, Дж. Мароцке, В. Найк, М.Д. Палмер, Г.-К. Платтнер, Дж. Рогель, М. Рохас, Дж. Силманн, Т. Сторелвмо, П. В. Торн, Б. Тревин, К. Ачута Рао, Б. Адхикари, Р. П. Аллан, К. Армор, Г. Бала, Р. Барималала, С. Бергер, Дж. Канаделл, К. Кассу, А. Черчи, В. Коллинз, У. Д. Коллинз, С. Л. Коннорс, С. Корти, Ф. Круз, Ф. Дж. Дентенер, К. Деречински, А. Ди Лука, А. Дионге Нианг, Ф. Дж. Доблас-Рейес, А. Дозио, Х. Дувиль, Ф. Энгельбрехт, В. Айринг, Э. Фишер, П. Форстер, Б. Фокс-Кемпер, Дж. С. Фуглеведт, Дж. К. Файф и др. 2021: Техническое резюме. В Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Массон-Дельмотт, В., П. Чжай, А. Пирани, С. Л. Коннорс, К. Пеан, С. Бергер, Н. Код, Й. Чен, Л. Гольдфарб, М.И. Гомис, М. Хуан, К. Лейтцелл, Э. Лонной, Дж. Б. Р. Мэтьюз, ТК. Мейкок, Т. Уотерфилд, О. Йелекчи, Р. Ю и Б. Чжоу (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, стр. 33–144. doi:10.1017/9781009157896.002.
  32. ^ Stephens, Graeme L.; O'Brien, Denis; Webster, Peter J.; Pilewski, Peter; Kato, Seiji; Li, Jui-lin (25 января 2015 г.). «Альбедо Земли». Reviews of Geophysics . 53 (1): 141–163. Bibcode : 2015RvGeo..53..141S. doi : 10.1002/2014RG000449. S2CID  12536954. Архивировано из оригинала 24 мая 2021 г. Получено 24 мая 2021 г.
  33. ^ Датсерис, Джордж; Стивенс, Бьорн (11 августа 2021 г.). «Альбедо Земли и его симметрия». AGU Advances . 2 (3): 1–13. Bibcode : 2021AGUA....200440D. doi : 10.1029/2021AV000440. S2CID  238722349. Получено 7 декабря 2021 г.
  34. ^ «Облака и глобальное потепление». NASA Earth Observatory. 10 июня 2010 г.
  35. ^ Murphy, DM; Solomon, S.; Portmann, RW; Rosenlof, KH; et al. (9 сентября 2009 г.). "Энергетический баланс Земли, основанный на наблюдениях с 1950 г.". Journal of Geophysical Research: Atmospheres . 114 (D17). Bibcode : 2009JGRD..11417107M. doi : 10.1029/2009JD012105 .
  36. ^ ab Trenberth, Kevin E. (1 октября 2009 г.). «Необходимое условие для планирования изменения климата: отслеживание глобальной энергии Земли» (PDF) . Current Opinion in Environmental Sustainability . 1 (1): 19–27. Bibcode : 2009COES....1...19T. doi : 10.1016/j.cosust.2009.06.001.
  37. ^ Форстер, Пирс М.; Смит, Крис; Уолш, Тристрам; Лэмб, Уильям Ф.; Ламболл, Робин; и др. (2024). «Индикаторы глобального изменения климата 2023: ежегодное обновление ключевых индикаторов состояния климатической системы и влияния человека». Earth System Science Data . 16 (6): 2625–2658. doi : 10.5194/essd-16-2625-2024 .
  38. ^ "Deep Argo Mission". Институт океанографии Скриппса, Калифорнийский университет в Сан-Диего . Получено 26 ноября 2023 г.
  39. ^ "Глобальное изменение среднегодовой температуры приземного воздуха". NASA . Получено 23 февраля 2020 г.
  40. ^ ЛуЭнн Дальман и Ребекка Линдси (17 августа 2020 г.). «Изменение климата: содержание тепла в океане». NOAA.
  41. ^ Ченг, Лицзин; Фостер, Грант; Хаусфатер, Зик; Тренберт, Кевин Э.; Абрахам, Джон (2022). «Улучшенная количественная оценка скорости потепления океана». Журнал климата . 35 (14): 4827–4840. Bibcode : 2022JCli...35.4827C. doi : 10.1175/JCLI-D-21-0895.1 .
  42. ^ Абрахам, Дж. П.; Барингер, М.; Биндофф, Н. Л.; Бойер, Т.; и др. (2013). «Обзор глобальных наблюдений за температурой океана: последствия для оценок содержания тепла в океане и изменения климата». Обзоры геофизики . 51 (3): 450–483. Bibcode :2013RvGeo..51..450A. CiteSeerX 10.1.1.594.3698 . doi :10.1002/rog.20022. hdl :11336/25416. S2CID  53350907. 
  43. ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики . Кембридж: CUP, 2-е изд.
  44. ^ "GISS ICP: Влияние энергии Солнца на океан и атмосферу". icp.giss.nasa.gov . Архивировано из оригинала 7 июля 2019 г. . Получено 5 августа 2019 г. .
  45. ^ Джозеф Аткинсон (22 июня 2021 г.). «Земля имеет значение: радиационный баланс Земли не сбалансирован». NASA Earth Observatory.
  46. ^ Велицкий, Брюс А.; Харрисон, Эдвин Ф.; Сесс, Роберт Д.; Кинг, Майкл Д.; Рэндалл, Дэвид А.; и др. (1995). «Миссия на планету Земля: роль облаков и радиации в климате». Бюллетень Американского метеорологического общества . 76 (11): 2125–2153. Bibcode : 1995BAMS...76.2125W. doi : 10.1175/1520-0477(1995)076<2125:mtpero>2.0.co;2 . ISSN  0003-0007.
  47. ^ Рагхураман, С. П.; Пэйнтер, Д.; Рамасвами, В. (28 июля 2021 г.). «Антропогенное воздействие и реакция дают наблюдаемую положительную тенденцию в энергетическом дисбалансе Земли». Nature Communications . 12 (4577): 4577. Bibcode :2021NatCo..12.4577R. doi :10.1038/s41467-021-24544-4. PMC 8319337 . PMID  34321469. 
  48. ^ Kramer, Ryan J.; He, Haozhe; Soden, Brian J.; Oreopoulos, Lazaros; et al. (25 марта 2021 г.). «Наблюдательные свидетельства увеличения глобального радиационного воздействия». Geophysical Research Letters . 48 (7). Bibcode : 2021GeoRL..4891585K. doi : 10.1029/2020GL091585. S2CID  233684244.
  49. ^ Сара Хансен (12 апреля 2021 г.). «Райан Крамер из UMBC впервые подтвердил антропогенное изменение климата прямыми доказательствами». Университет Мэриленда, округ Балтимор.
  50. ^ «Прямые наблюдения подтверждают, что люди выводят энергетический бюджет Земли из равновесия». phys.org . 26 марта 2021 г.
  51. ^ Стивенс, Грэм Л.; Ли, Джуилин; Уайлд, Мартин; Клейсон, Кэрол Энн; и др. (2012). «Обновление энергетического баланса Земли в свете последних глобальных наблюдений». Nature Geoscience . 5 (10): 691–696. Bibcode : 2012NatGe...5..691S. doi : 10.1038/ngeo1580. ISSN  1752-0894.
  52. ^ Лёб, Норман Г.; Лайман, Джон М.; Джонсон, Грегори К.; Аллан, Ричард П.; и др. (22 января 2012 г.). «Наблюдаемые изменения в излучении верхней части атмосферы и нагреве верхнего слоя океана согласуются с неопределенностью». Nature Geoscience . 5 (2): 110–113. Bibcode :2012NatGe...5..110L. doi :10.1038/ngeo1375.
  53. ^ Лёб, Норман Г.; Дёллинг, Дэвид Р.; Хайлан, Ванг; Су, Вэньлин; и др. (15 января 2018 г.). «Облака и система лучистой энергии Земли (CERES) Energy Balanced and Filled (EBAF) Top-of-Atmosphere (TOA) Edition-4.0 Data Product». Журнал климата . 31 (2): 895–918. Bibcode : 2018JCli...31..895L. doi : 10.1175/JCLI-D-17-0208.1 .
  54. ^ ab Marti, Florence; Blazquez, Alejandro; Meyssignac, Benoit; Ablain, Michaël; Barnoud, Anne; et al. (2021). «Мониторинг изменения содержания тепла в океане и дисбаланса энергии Земли с помощью космической альтиметрии и космической гравиметрии». Earth System Science Data . doi : 10.5194/essd-2021-220 .
  55. ^ Слейтер, Томас; Лоуренс, Изобель Р.; Отосака, Инес Н.; Шеперд, Эндрю; и др. (25 января 2021 г.). «Обзорная статья: дисбаланс льда Земли». Криосфера . 15 (1): 233–246. Bibcode : 2021TCry...15..233S. doi : 10.5194/tc-15-233-2021 . ISSN  1994-0416. S2CID  234098716.
  56. ^ Группа по бюджету глобального уровня моря WCRP (2018). «Бюджет глобального уровня моря с 1993 г. по настоящее время». Earth System Science Data . 10 (3): 1551–1590. Bibcode : 2018ESSD...10.1551W. doi : 10.5194/essd-10-1551-2018 .
  57. ^ Хакуба, МЗ; Фредерикс, Т.; Ландерер, ФВ (28 августа 2021 г.). «Энергетический дисбаланс Земли с точки зрения океана (2005–2019 гг.)». Geophysical Research Letters . 48 (16). doi : 10.1029/2021GL093624 .
  58. ^ фон Шукман, К .; Палмер, МД; Тренберт, К.Э.; Казенав, А.; и др. (27 января 2016 г.). «Необходимо контролировать энергетический дисбаланс Земли». Nature Climate Change . 6 (2): 138–144. Bibcode : 2016NatCC...6..138V. doi : 10.1038/NCLIMATE2876 .
  59. ^ Хансен, Дж.; Сато, М.; Хареча, П.; фон Шукманн, К. (22 декабря 2011 г.). «Энергетический дисбаланс Земли и его последствия». Атмосферная химия и физика . 11 (24): 13421–13449. arXiv : 1105.1140 . Bibcode :2011ACP....1113421H. doi : 10.5194/acp-11-13421-2011 . S2CID  16937940.
  60. ^ Хансен, Джеймс; Сато, Макико; Хареча, Пушкар; фон Шукманн, Карина (январь 2012 г.). «Энергетический дисбаланс Земли». НАСА. Архивировано из оригинала 4 февраля 2012 г.
  61. ^ "Ежегодный индекс парниковых газов NOAA (Введение)". NOAA . Получено 4 августа 2021 г. .

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Энергетический бюджет Земли» .