הבנת היסודות של מערכות אקלים: סקירה של איזון האנרגיה של כדור הארץ

The Foundation of Our Living Planet

מערכות אקלים שולטות בכל היבט של החיים על פני כדור הארץ, המשפיעות על כל דבר מתנודות מזג אוויר יומיות לדפוסים ארוכי טווח המעצבים מערכות אקולוגיות, חקלאות וציביליזציה אנושית, מרכז המערכות הללו הוא מושג בסיסי: מאזן האנרגיה של כדור הארץ.השפי משקל עדין בין אנרגיה סולארית וקרינה תרמית מתמשכת קובע גם אם כדור הארץ חם, קרירות או נשאר יציב לאורך זמן.

מה זה האיזון של האנרגיה של כדור הארץ?

מאזן האנרגיה של כדור הארץ מתייחס להבדלים נטו בין האנרגיה שהפלנטה מקבלת מהשמש והאנרגיה שהיא פולטת בחזרה לחלל.עבור יציבות האקלים לאורך תקופות ארוכות, שתי פלוקסים אנרגיה אלה חייבים להיות שווים בערך.השמש מספקת כ-340 וואטים למטר רבוע (W/m2) לעליית האווירה של כדור הארץ.

כדור הארץ פולט אנרגיה בצורת קרינה אינפרא אדום (גל ארוך) כאשר קרינה גלית ארוכה יוצאת מתאמת את קרינה השמש הקצרה נספגת, הטמפרטורה של כדור הארץ נשארת יציבה.עם זאת, כל חוסר איזון מתמשך - בין אם אדם חיובי עם יותר אנרגיה הנכנסת מאשר לצאת, או שלילי עם יותר אנרגיה משאירה יותר אנרגיה מאשר כניסה - דלות לשינוי האקלים.

קרינה סולארית: מנוע האקלים

קרינה השמש היא מקור האנרגיה העיקרי המניע את מערכת האקלים של כדור הארץ.השמש פולטת קרינה אלקטרומגנטית על פני ספקטרום רחב, כולל אור גלוי, אינפרא אדום, אורכי גל אולטרה סגול.עם זאת, רק חלק של אנרגיה סולארית זו מגיע פני כדור הארץ; השאר נספג או מפוזר על ידי רכיבים אטמוספריים כגון גזים, אווירוסולים ועננים.

כמות האנרגיה הסולארית המגיעה לכל מקום נתון על פני כדור הארץ תלויה בעיקר בשלושה גורמים:

הפלט של השמש:0 (FLT:103) למרות יציב יחסית, תפוקת האנרגיה של השמש משתנה מעט יותר מ 11 שנים מחזורי שמש, המשפיעים על האנרגיה הסולארית הכוללת המתקבלת.
(ב) מרחק כדור הארץ מהשמש: FeloLT:1 בשל מסלולו האלפטי, מרחק כדור הארץ מהשמש משתנה לאורך כל השנה, מה שגורם לריאציות עונתיות בעוצמת השמש.
(FLT:0) זווית הzenith הסולארית: FLT:1 הזווית שבה השמש מכה את פני השטח משפיעה על עוצמת הקרינה הסולארית. ליד קו המשווה, אור השמש מכה יותר ישירות, בעוד ליד הקוטבים, אור השמש מגיע לזווית נמוכה יותר, להפיץ אנרגיה על פני שטח גדול יותר ולהפחית את עוצמתו.

וריאציות אלה בקרינת השמש עם רוחב יוצר את ⁇ הטמפרטורה הבסיסית שמניעה תבניות זרימת אטמוספריים ואוקיינוסיים חיוני כדי להפיץ מחדש חום ברחבי העולם.

סוגי קרינה סולארית ותפקידיהם

אור בלתי אפשרי: 0(FLT:1) שמשתף כ-43 של אנרגיה סולארית, אור גלוי חודר את האווירה לקרקע חמה ומשטחים מים ומעצמות פוטוסינתזה, הבסיס לחיים על פני כדור הארץ.
(FLT:0) קרינה אינפראמית: 1FLT חשבונאות עבור כ 53% של אנרגיה סולארית נכנסת, קרינה אינפרא אדום נספגת על ידי מים אטמוספריים ועננים, לתרום להתחממות אטמוספרית.
קרינה:0 (Ultraviolet קרינה:FLT:1 עושה רק 7% של אנרגיה סולארית, אולטרה סגול (UV) קרינה נספגת בעיקר על ידי שכבת האוזון בסטרטוספרה, מגן על אורגניזמים חיים מפני השפעות מזיקות כגון נזק DNA ושורפות שמש.השבר הקטן שמגיע אל פני השטח ממלא תפקיד בוויטמין D סינתזה בבני אדם.

אורביטל וריאציות שמש

מסלול כדור הארץ אינו מעגל מושלם; הוא עובר וריאציות תקופתיות הידועות מחזורי מילנקוביץ', הכוללים שינויים אקסצנטריות (צורה אוביט), הטיה אקסקלית (שלמות), וקדמה (המחזורים האלה פועלים על פני תקופות של עשרות עד מאות אלפי שנים ומשנה את ההפצה עונתית והחפוכה של קרינה השמש המגיעה אל פני כדור הארץ, הם נחשבים טבעיים של תאים כמו מחזורים קרח, כמו מחזורים קרח, כמו מחזורים קרח.

בעוד שריאציות מסלול אלה משפיעות על דפוסי האקלים ארוכי טווח, הם אינטראקציה עם רכיבים אחרים של מערכת האקלים, לפעמים מגבירים או לחות שינויים.הבנת אלה כוחות טבעיים עוזר למדענים להבחין בין יכולת אקלים טבעית לבין התחממות הנגרמת על ידי אדם, מתן ההקשר חיוני להערכות שינויי האקלים הנוכחיות.

אלבדו: הרהורים של כדור הארץ ו- Feedback Loops

אלבדו הוא מדד של כמה קרינה סולארית נכנסת משטח משקף בחזרה לחלל, המתבטא כערך בין 0 (לא השתקפות) ו 1 (השתקפות פנימית) אלבדו הממוצע של כדור הארץ הוא בערך 0.3, כלומר כ-30% של אנרגיה סולארית משתקף.

(ב) ⁇ :0 (ב) וגביע: 1:1 , 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) ,Forests and Oceans:FLT:1 הרבה יותר כהה, עם albedos החל מ 0.05 עד 0.15, סופג את רוב האנרגיה הסולארית.

וריאציות אלה באלבדו יוצרות מנגנוני משוב חזקים בתוך מערכת האקלים.לדוגמה, כאשר הטמפרטורות הגלובליות עולות, קרח ושפל שלג, חשוף אוקיינוס כהה או פני הקרקע מתחתיו.זה מקטין את אלבדו הכולל של כדור הארץ, מה שגורם ליותר אנרגיה סולארית להיספג, אשר מאיץ עוד יותר את ההתחממות - תהליך המכונה FLT:0ice-albedoFLT:1 זה חיובי אחד של משוב של אקלים חזק יותר, במיוחד.

גורמים המשפיעים על Albedo

(ב) ⁇ :0 (ב) ,0) , ריבועים שונים של אדמה כגון מדברי המדבר (אלבדו גבוה), יערות (אלבדו), צמחייה וגופי מים כל אחד מהם משקף כמויות שונות של קרינה סולארית.
(FLT:0Cloud Cover:BuildFLT:1) Clouds יכולים לשקף קרינה סולארית נכנסת, קירור פני השטח, ומלכודת קרינה אינפרא אדום מתמשכת, התחממות האווירה שלהם תלויה בגובה ענן, עובי, סוג.
שלג עונתי וקרח: FLT:1hil שער שלג בחורף יכול להכפיל באופן זמני את אלבדו של אזורי אמצע הגינות, המשפיע על דפוסי טמפרטורה עונתיים.
(FLT:0 Human Land-Use Changes:FLT:1 פעילויות כמו מחיקה, אורבניזציה וחקלאות לשנות פני השטח albedo - למשל, פיזור לעתים קרובות מפחית את albedo כאשר יערות מוחלפים על ידי יבולים כהים או מרעה, בעוד אזורים עירוניים עשויים להגדיל את albedo מעט בשל משטחים רפלקטיביים כמו בטון וגגות.

אפקט Greenhouse: Natural and Enhanced

אפקט החממה הוא תהליך אטמוספירי טבעי המחזק את טמפרטורת פני האדמה כ-3 ° C חם יותר מאשר זה יהיה ללא אווירה. גזים מסוימים באווירה, הנקרא גזי חממה (GHGs), סופגים קרינה אינפרא אדומה הנפלטת על ידי פני כדור הארץ ויתחילו אותו מחדש בכל הכיוונים, כולל חזרה אל פני השטח, לכידת חום ביעילות ושמירה על כדור הארץ חם מספיק כדי לתמוך בחיים.

ללא השפעה זו, הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ תחלוף קרוב ל-18 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותו בלתי-אפשרי עבור רוב צורות החיים הנוכחיות.עם זאת, מאז המהפכה התעשייתית, פעילות אנושית הגבירה את ריכוזי גזי חממה מרכזיים, מגבירה את אפקט החממה ולגרום לחוסר איזון אנרגיה חיובי נטו.

מפתח ירוק גזים ומקורם

(FLT:0)Carbon Dioxide (CO2): FIRLT:1) גז חממה רב-הטווח המושפע ביותר מושפע מבני אדם. רמות אטמוספיריות קדם-תעשייתיות היו כ-280 חלקים למיליון (ppm); כיום הם מעל 420 מקורות עיקריים כוללים הפסקת דלק מאובן, דה פורסטציה, ייצור מלט, שינויים בשימוש הקרקע.2 נשאר באווירה במשך מאות שנים, לתרום להתחממות לטווח ארוך.
(ב) [ה]מאטאן (CH4): FLT:1 [ב] מעל 25 פעמים יעיל יותר במלכוד חום מאשר CO2 מעל 100 שנים של זמן.הההעברות עולות מחיות מחמד, גידול אורז, יונקים, רטובים, ומיצוי דלק מאובנים.למרות שלמתאן יש חיים אטמוספיריים קצרים יותר (10 שנים), אפקט ההתחממות החזק שלו הופך אותו למטרה קריטית עבור נטייה.
(FLT:0) Oxide (N2O): Oxide (N2O): 1300 פעמים יותר חזק מ- CO2. שוחרר בעיקר משימוש בפרימה חקלאית, תהליכים תעשייתיים, וביומסה בוערת.
(FLT:0) מים Vapor (H2O): ראטל:1 (הגז המרחץ ביותר), אך הריכוז שלו נשלט בעיקר על ידי טמפרטורה ולא על ידי פליטות אנושיות ישירות. ווטר פועל כתגובה חיובית חזקה: אוויר חם מחזיק יותר לחות, מגביר את ההשפעות ההתחממות של גזי חממה אחרים.
(FLT:0) גזים מהונדסים: 1 גזים סינתטיים המשמשים בקירור, מיזוג אוויר ואלקטרוניקה, למרות נוכחות בריכוזים קטנים, כמה גזים מחוסנים יש פוטנציאל התחממות כדור הארץ אלפי פעמים גדול יותר מאשר CO2 ותקופות חיים אטמוספיריות ארוכות.

רדיטיבית: להגדיר את האיזון

מדעני אקלים משתמשים ב-FLT:0) ב-Firediative ForceFLT:1 כדי לכמת כיצד גורמים כגון גזי חממה, אווירוסולים, ושינויים בשימוש קרקע משנים את מאזן האנרגיה של כדור הארץ.

מאז 1750, כוחן קורנטיבי מגזי חממה מעורבים היטב גדל בכ- 3.0 W/m2, עם CO2 אחראי על שני שליש מהעלייה הזו.הכוח האנתרוגני הזה עולה כעת על השפעות טבעיות כמו התפרצויות געשיות וגמישות סולארית, מה שהופך אותו לנהג הדומיננטי של שינוי האקלים העכשווי.

אנרגיה: איך חום עובר על פני כדור הארץ

חימום סולארי הוא מבוזר באופן בלתי אחיד ברחבי כדור הארץ.הטרופיים מקבלים יותר אנרגיה סולארית מאשר הקטבים, יצירת ⁇ תרמי שמניע את התנועה של חום באמצעות מחזור אטמוספירי, זרמי האוקיינוס, ותחבורה מאוחרת של חום. תהליכים אלה פועלים יחד כדי להפיץ אנרגיה, מזג אוויר מתפתל ברחבי העולם ויצירת דפוסים מורכבים של מזג אוויר ואקלים שאנו רואים.

תאי בידוד אטמוספיריים

כדור הארץ מארח שלושה תאי מחזור אטמוספריים עיקריים בכל חצימה:

(ב) ⁇ :0 [החלל]: [החלל]: [ה] אוויר חם עולה ליד קו המשווה, נע בין אורכו בגובה גבוה, קרירים ושקעים בסביבות 30 מעלות לה, ואז זורם לאחור אל קו המשווה ליד פני השטח.
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ (ב) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ (ב) , ⁇ ) ⁇ אוויר קר (הקר) ליד הקוטב, זורם היישר אל פני השטח, עולה סביב 60 מעלות רוחב, וחוזרת אל תוך נפת הקוטב, המשפיעה על איסטריות הקוטביות.

אפקט קוריוליס, שנגרם על ידי סיבוב כדור הארץ, מסיט את זרימת האוויר האלה, מעצב תבניות רוח דומיננטיות המשפיעות על היווצרות ותנועת מערכות מזג האוויר.

Ocean Circulation ו-Hick Transport

אוקיינוסים ממלאים תפקיד מכריע בהפצת חום על ידי העברת מים חמים מאזורים אקווטוריים לעבר הקוטבים באמצעות זרמים בקנה מידה גדול הנקראים במשותף החגורה העולמית.תפוצה זו מונעת בעיקר על ידי הבדלים בצפיפות מים, אשר תלוי בטמפרטורה (מו) וסליניות (השורה), ומכאן המונח thermohaline.

מרכיב חשוב במערכת זו הוא ה-Atlanth Meridional Overturning Circulation (AMOC), אשר מעביר מים חמים פני השטח צפונה, שחרור חום לאטמוספירה על אירופה ומזג אווירי אזוריים. Disruptions ל- AMOC - מופעלת באופן בלתי אפשרי על ידי מים מתוקים זרם מגלי קרח מהיתוך - עלול לגרום לשינויים משמעותיים בדפוסי אקלים.

בנוסף, האוקיינוסים סופגים כ-90% מהחום העודף שנלכד על ידי גזי חממה, אשר מסייע להתחממות אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט

כאשר הטיפים של איזון: נקודות של אנרגיה מאוזנת

פעילויות אנושיות הפריעו לאיזון האנרגיה של כדור הארץ, מה שגורם להצטברות של אנרגיה במערכת האקלים בשיעור של כ-0.5-1.0 W/m2. אנרגיה עודף זו מניעה ארקייד של שינויים סביבתיים שכבר אינם ניתנים לערעור, והם צפויים להגביר את הסיכוי אם פליטת גזי החממה תמשיך ללא פגע.

התחממות גלובלית

התוצאה העיקרית של חוסר איזון אנרגיה היא עלייה בטמפרטורות פני השטח הממוצע בעולם מאז המאה ה -19, כדור הארץ התחמם בכ-1.2 מעלות צלזיוס, עם כמה אזורים, במיוחד הארקטי, חווים התחממות מהירה הרבה יותר - תופעה המכונה הגדלה הקוטבית.

עלייה צנועה זו בטמפרטורה כבר עברה דפוסי מזג אוויר, ירידה שלג וכיסוי קרח, מערכות אקולוגיות משתנות, והגבירה את התדירות, משך הזמן ועוצמת גלי החום ברחבי העולם.

אירועים מזג אוויר קיצוניים

אווירה חמה יותר מחזיקה יותר לחות ומכילה יותר אנרגיה, אשר מגבירה תופעות מזג אוויר קיצוניות רבות.הוריקן והקליונים הפכו להיות עוצמתיים יותר וארוכים יותר. הגדלת נפיחות במים אטמוספיריים מובילה לאירועים חמורים יותר של משקעים ושיטפונות באזורים מסוימים, בעוד אחרים סובלים בצורות חמורות יותר כמו התחממות מאיצה החלמה ואובדן לחות הקרקע.

מחקרים מדעיים קשרו את הסבירות המוגברת של גלי חום פורצי שיא וסערות אינטנסיביות ישירות לחוסר האיזון באנרגיה הנגרמת על ידי פליטות גזי חממה הנגרמות על ידי אדם, תוך הקטנת הצורך הדחוף בפעולה.

קרח וים עולה

גליונות קרח וקרחונים של הקוטב מתמסים בקצב מאיץ.הקרח הגרינלנדי והאנטארקטי חוו הפסד המוני משמעותי בעשורים האחרונים, ותרמו לעלייה ברמת הים העולמית.

כיום, רמות הים הגלובליות עולות בקצב ממוצע של כ- 3.4 מ"מ בשנה, מונעות על ידי היתוך והתרחבות תרמית של מי הים.אם גיליון הקרח של גרינלנד היה להמיס לחלוטין – תהליך שייקח מאות שנים – רמות הים יכולות לעלות בכ-7 מטרים, קהילות חוף מאיימים ברחבי העולם.

גילוי הפחמן Sinks

שוקי פחמן טבעיים כגון אוקיינוסים ויערות סופגים כיום כמחצית מפליטת CO2 המסוכנים, ועוזרים להאט את הצטברות האטמוספרית.עם זאת, יכולתם אינה מוגבלת.

בדומה לכך, מערכות אקולוגיות ארציות כמו יערות הגשם של אמזון מתמודדות עם מתח מבצורת ממושכת, מחיקה, ואש, שמאיים להפוך אותם מכוני פחמן למקורות פחמן.

תגובה אנושית: מייגציה והסתגלות

אחסון יתרת האנרגיה של כדור הארץ וייצוב האקלים דורש שתי אסטרטגיות משלימות: (FLT:0mitigationphFLT:1 ו-FLT:2adaptation FLT 3: 3) מייגציה כוללת צמצום פליטות גזי החממה ושיפור שוק הפחמן כדי להגביל את ההתחממות העתידית.הסתגלות מתמקדת בהתאמת ההשפעות של שינויי האקלים שכבר מתרחשים או בונים, עמידות במערכות טבעיות וטבעיות.

אסטרטגיות מייגציה כוללות מעבר למקורות אנרגיה מתחדשים, שיפור יעילות האנרגיה, הגנה ושיקום יערות, ופיתוח טכנולוגיות לכידת פחמן. התאמת אמצעים כרוכים בשיפורי תשתיות לעמוד בפני מזג אוויר קיצוני, ניהול מים בר קיימא, ושיטות חקלאיות המותאמים לשינוי תנאי האקלים.

שיתוף פעולה בינלאומי, מדיניות מושכלת ומעורבות ציבורית הם הכרחיים ליישום אסטרטגיות אלה ביעילות ולהימנע מההשלכות הקטסטרופליות ביותר של חוסר איזון האקלים.