Фундаментальная концепция энергетического бюджета Земли

Энергетический бюджет Земли представляет собой тонкий баланс между поступающей энергией от Солнца и исходящей энергией, излучаемой обратно в космос. Этот баланс регулирует климат и температурную стабильность планеты в течение длительных периодов. По сути, количество солнечного излучения, поглощаемого Землей, должно быть примерно равно тепловому инфракрасному излучению, испускаемому планетой для поддержания относительно стабильного климата. Когда это равновесие нарушается, планета испытывает тенденции потепления или охлаждения - ключевые факторы изменения климата.

Солнечное излучение достигает вершины атмосферы Земли в среднем около 1361 Вт на квадратный метр (W/m2), постоянная, известная как солнечная постоянная . Однако, поскольку Земля сферическая, эта энергия распределяется по всей площади поверхности, в результате чего в среднем около 340 Вт/м2. Из этого примерно 30%, или около 100 Вт/м2, отражается обратно в космос облаками, аэрозолями и яркими поверхностями, такими как лед и снег — свойство, известное как альбедо . Оставшиеся 240 Вт/м2 поглощается атмосферой, океанами и земными массами, питая атмосферную циркуляцию, океанские течения и глобальный водный цикл.

Земля излучает энергию обратно в космос в основном в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Однако парниковые газы в атмосфере, включая водяной пар, углекислый газ и метан, поглощают и повторно излучают часть этого излучения, улавливая тепло и нагревая поверхность — явление, известное как естественный парниковый эффект . Этот эффект повышает среднюю температуру поверхности Земли примерно до 15 ° C (59 ° F) по сравнению с предполагаемым -18 ° C (0° F), если парниковые газы не присутствуют. Сдвиги в солнечной выработке, концентрации парниковых газов или поверхностной отражательной способности изменяют этот энергетический баланс, вызывая радиационное воздействие, которое приводит к изменению климата.

Солнечное излучение: основной движущий фактор климата

Солнечное излучение является основным источником энергии, управляющим климатической системой Земли. Оно охватывает широкий спектр электромагнитного спектра, причем большая часть энергии сосредоточена в видимом свете, а также ультрафиолетовом (УФ) и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Изменения в солнечной энергии происходят в течение нескольких временных масштабов, от примерно 11-летнего солнечного цикла до более долгосрочных изменений, связанных с орбитальными параметрами Земли.

Хотя 11-летний солнечный цикл вызывает колебания солнечного излучения около 0,1%, эти изменения относительно незначительны по сравнению с антропогенными влияниями на климат. И наоборот, изменения орбиты Земли и осевого наклона, известные как циклы Миланковича, изменяют распределение и интенсивность солнечного излучения в течение десятков - сотен тысяч лет. Эти орбитальные изменения сыграли важную роль в запуске ледниковых и межледниковых периодов на протяжении всей истории Земли.

Альбедо и отражение поверхности

Альбедо определяет долю солнечного излучения, отраженного поверхностью Земли и атмосферой. Оно широко варьируется в зависимости от типа поверхности и условий. Свежий снег и лед могут отражать до 90% поступающего солнечного света, тогда как густые леса отражают только около 10-15%, а открытые океаны отражают примерно 6-10%. Более темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, способствуя потеплению поверхности.

По мере повышения глобальной температуры, площадь снега и льда уменьшается, обнажая темные поверхности суши или океана. Это увеличивает поглощение солнечной радиации, усиливая потепление в петле положительной обратной связи, называемой обратной связью лед-альбедо. Эта обратная связь значительно способствует усилению Арктики, где полярные регионы нагреваются примерно в два раза быстрее, чем в среднем по миру, с глубокими последствиями для размера морского льда и глобальных климатических моделей.

Облака и аэрозоли: сложные модуляторы

Облака и аэрозоли оказывают сложное влияние на энергетический бюджет Земли, действуя как агенты охлаждения и потепления в зависимости от их свойств и высоты. Низкие, толстые облака, как правило, отражают значительную часть поступающего солнечного излучения, тем самым охлаждая поверхность. Напротив, высокие, тонкие перистые облака позволяют большинству солнечного излучения проходить через, но ловят исходящее длинноволновое излучение, способствуя потеплению.

В целом, чистый эффект облаков в настоящее время приводит к незначительному охлаждению планеты. Однако изменение климата может изменить характеристики облаков, охват и распределение, внося значительную неопределенность в будущие климатические прогнозы. Например, сдвиги высоты или типа облаков могут либо усилить, либо смягчить тенденции потепления.

Аэрозоли — мельчайшие частицы, взвешенные в атмосфере — происходят из природных источников, таких как извержения вулканов, пыль пустыни и морской спрей, а также деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива и сжигание биомассы. Некоторые аэрозоли, такие как сульфаты, непосредственно отражают солнечный свет и усиливают отражательную способность облаков, тем самым охлаждая атмосферу. Другие, особенно черный углерод (сажа), поглощают солнечное излучение, нагревают атмосферу и уменьшают поверхностную солнечную энергию. Короткий срок службы атмосферы и неравномерное пространственное распределение аэрозолей усложняют их представление в климатических моделях и способствуют неопределенности в количественной оценке их чистого радиационного эффекта.

Парниковый эффект и радиационное воздействие

Парниковый эффект имеет жизненно важное значение для поддержания обитаемого климата Земли. Пар воды является наиболее распространенным парниковым газом, за которым следуют углекислый газ (CO2), метан (CH4), закись азота (N2O) и озон (O3). Эти газы поглощают наземное инфракрасное излучение на определенных длинах волн и повторно излучают энергию во всех направлениях, включая обратно к поверхности, эффективно улавливая тепло в нижней атмосфере.

Со времени промышленной революции антропогенные выбросы существенно увеличили концентрации CO2, CH4 и N2O. Это усиление природного парникового эффекта является основной причиной недавнего глобального потепления. Изменения в других парниковых газах, таких как хлорфторуглероды (ХФУ) и их замена (ГХФУ), также способствуют радиационному воздействию, хотя и в меньшей степени.

Радиационное воздействие количественно оценивает изменение потоков энергии в верхней части атмосферы, вызванное изменениями в парниковых газах, аэрозолях или солнечном излучении, измеренное в ваттах на квадратный метр (W/m2). Согласно Шестой доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), чистое антропогенное радиационное воздействие с 1750 по 2019 год оценивается примерно в 2,72 Вт/м2. Только на углекислый газ приходится примерно 2,16 Вт/м2, что делает его доминирующим драйвером, при этом метан способствует примерно 0,54 Вт/м2 и закись азота примерно 0,21 Вт/м2.

Обратная связь в климатической системе

Первоначальная радиационная сила запускает каскад механизмов обратной связи, которые либо усиливают (положительные обратные связи), либо уменьшают (отрицательные обратные связи) результирующий климатический ответ.Одной из самых сильных положительных обратной связи является обратная связь водяного пара : по мере нагревания атмосферы она удерживает больше водяного пара, который сам по себе является мощным парниковым газом, что приводит к дальнейшему потеплению.

ледяная обратная связь также усиливает потепление, так как таяние льда снижает отражательную способность поверхности и увеличивает поглощение Солнца.Планковая обратная связь действует как стабилизирующая отрицательная обратная связь; по мере повышения температуры поверхности Земли она излучает больше инфракрасного излучения в космос, частично компенсируя дальнейшее потепление.

Дополнительные обратные связи включают углеродный цикл. Например, таяние вечной мерзлоты высвобождает накопленный углекислый газ и метан, усиливая потепление. Аналогичным образом, потепление океанов может поглощать меньше CO2, уменьшая их роль в качестве поглотителей углерода. Эти обратные связи вносят нелинейности и неопределенности в климатические прогнозы, но имеют решающее значение для понимания потенциальных будущих климатических траекторий.

Природные и антропогенные факторы, влияющие на баланс

На энергетический бюджет Земли влияет сочетание естественной изменчивости и человеческой деятельности. Расчленение этих влияний имеет важное значение для исследований в области определения климата и разработки эффективных стратегий смягчения последствий.

Естественная изменчивость

Извержения вулканов могут временно изменить энергетический баланс, вводя диоксид серы в стратосферу, где он образует отражающие сульфатные аэрозоли, уменьшающие поступающее солнечное излучение.Например, извержение вулкана Пинатубо 1991 года вызвало глобальное снижение температуры примерно на 0,5 °C в течение последующих нескольких лет.

Солнечное излучение немного изменяется в течение 11-летнего солнечного цикла, но эти изменения незначительны и недостаточны для объяснения последних тенденций потепления. Действительно, с 1960-х годов, солнечная выработка продемонстрировала небольшую тенденцию к снижению, как документально подтверждено наблюдениями климата НАСА . Внутренние явления изменчивости климата, такие как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), перераспределяют тепло в климатической системе, но не вызывают долгосрочный энергетический дисбаланс.

Антропогенные водители

Деятельность человека резко изменила энергетический бюджет, прежде всего за счёт выбросов долгоживущих парниковых газов от сжигания ископаемого топлива, обезлесения, сельского хозяйства и промышленных процессов. Изменения в землепользовании также влияют на поверхностное альбедо; например, замена лесов сельскохозяйственными полями в целом повышает отражательную способность, что может оказывать умеренный охлаждающий эффект. Однако этот эффект затмевается потеплением, вызванным выбросами парниковых газов.

Кроме того, частицы черного углерода от неполного сгорания поглощают солнечный свет и нагревают атмосферу напрямую. Загрязнение аэрозолем от сжигания угля и биомассы частично компенсирует потепление, отражая солнечный свет, но этот эффект маскировки является временным и, как ожидается, уменьшится, поскольку правила качества воздуха уменьшают выбросы аэрозолей. В целом, чистое антропогенное радиационное воздействие является сильно положительным, что приводит к наблюдаемому изменению климата.

Океан: самый большой термальный буфер Земли

Покрывая 71% поверхности Земли, океаны обладают массивной тепловой инерцией и служат основным тепловым резервуаром планеты.Верхние слои океана хранят столько же тепла, сколько вся атмосфера, что позволяет им поглощать и перераспределять огромные количества энергии.

С 1970-х годов океаны поглощали более 90% избыточного тепла, захваченного повышенными концентрациями парниковых газов, как сообщает Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA). Это поглощение тепла смягчает потепление атмосферы, но имеет значительные последствия: тепловое расширение способствует повышению уровня моря, потепление воды приводит к обесцвечиванию кораллов и нарушению морской экосистемы, а изменения в циркуляции океана влияют на погодные и климатические модели во всем мире.

Транспорт океанской жары и глобальный климат

Океанские течения играют решающую роль в перераспределении тепла от экваториальных регионов к полюсам, тем самым влияя на региональный климат. Атлантическая меридиональная циркуляция (AMOC) является ключевым компонентом, транспортируя теплые поверхностные воды на север и возвращая холодную, плотную воду на юг на глубине. Эта циркуляция смягчает климат Европы и влияет на глобальный энергетический баланс.

Проект климатических моделей, который увеличивает приток пресной воды из-за таяния ледяных щитов Гренландии, может ослабить или нарушить AMOC. Такое изменение может вызвать резкое региональное похолодание в Северной Атлантике, несмотря на продолжающееся глобальное потепление, иллюстрируя сложное взаимодействие между динамикой океана и энергетическим бюджетом Земли.

Последствия неравномерного энергетического бюджета

Нынешний положительный энергетический дисбаланс в верхней части атмосферы, оцениваемый примерно в 0,9 Вт/м2, вызывает глубокие и широкомасштабные изменения в климатической системе. Эти изменения включают повышение средних глобальных температур, более частые и тяжелые экстремальные погодные явления, таяние ледяных щитов и ледников, повышение уровня моря и нарушения экосистем во всем мире.

Повышение температуры и экстремальная погода

Глобальные температуры поверхности поднялись примерно на 1,1 °C выше доиндустриальных уровней, при этом площадь суши нагревается быстрее, чем океаны, а высокие широты нагреваются быстрее, чем тропические регионы.Дополнительная энергия усиливает гидрологический цикл, приводя к более сильным осадкам и усилению наводнений в одних районах, вызывая при этом более сильные засухи в других.

Тепловые волны становятся все более жаркими и продолжительными, а частота интенсивных тропических циклонов (категории 4 и 5 ураганов) увеличилась, чему способствовали более высокие температуры поверхности океана.В Шестом докладе об оценке МГЭИК с высокой степенью уверенности говорится, что эти изменения в значительной степени связаны с радиационным воздействием, вызванным человеком.

Повышение уровня моря и разрушение экосистем

Повышение уровня моря обусловлено в первую очередь двумя процессами: тепловым расширением морской воды по мере ее нагревания и таянием наземных льдов, таких как ледники и ледяные щиты в Гренландии и Антарктиде. С 1993 года глобальный средний уровень моря поднимался со средней скоростью около 3,3 миллиметра в год, причем ускорение наблюдалось в последние десятилетия. Этот рост угрожает прибрежным общинам усилением наводнений, эрозией и вторжением соленой воды.

Подкисление океана, еще одно последствие увеличения атмосферного CO2, снижает доступность ионов карбоната, необходимых для кальцификации организмов, таких как кораллы, моллюски и некоторые виды планктона.Более частые и тяжелые события обесцвечивания кораллов опустошили экосистемы рифов, которые поддерживают примерно четверть всех морских видов и предоставляют критически важные экосистемные услуги, включая рыболовство и защиту прибрежных районов.

Смягчение дисбаланса: шаги к стабильности

Восстановление энергетического баланса Земли требует значительного сокращения чистого положительного радиационного воздействия путем сокращения выбросов парниковых газов. Переход на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая, гидроэлектростанция и геотермальная энергия, является центральным элементом этих усилий и ускоряется во всем мире. Дополнительные стратегии включают повышение энергоэффективности, электрификацию транспорта и отопления, а также разработку технологий улавливания и хранения углерода.

Не менее важно и укрепление естественных поглотителей углерода. Охрана и устойчивое управление лесами, восстановление водно-болотных угодий, внедрение регенеративных методов ведения сельского хозяйства и восстановление лесов на деградированных землях увеличивают поглощение атмосферного CO2, помогая компенсировать выбросы.

Международные соглашения, такие как Парижское соглашение, направлены на ограничение глобального потепления до уровня ниже 2 ° C, в идеале 1,5 ° C выше доиндустриального уровня. Достижение этих целей требует достижения чистого нуля выбросов CO2 примерно к 2050 году. Однако из-за длительного срока службы CO2 в атмосфере и прошлых выбросов некоторые дополнительные потепления неизбежны, что делает меры по адаптации необходимыми.

Стратегии адаптации включают создание устойчивой инфраструктуры для защиты от экстремальных погодных условий, разработку засухоустойчивых и жароустойчивых культур для обеспечения продовольственных поставок, защиту прибрежных экосистем путем восстановления и устойчивого управления и совершенствование управления водными ресурсами. Интеграция усилий по смягчению последствий и адаптации имеет решающее значение для управления рисками, связанными с несбалансированным энергетическим бюджетом и поддержанием человеческих и природных систем в будущем.