Энергетический баланс Земли — фундаментальная концепция в понимании климатической системы нашей планеты. Он относится к равновесию между энергией, получаемой от Солнца, и энергией, излучаемой обратно в космос. Этот баланс имеет решающее значение для поддержания температуры Земли и поддержания жизни. Когда система находится в равновесии, средняя температура планеты остается относительно стабильной в течение длительных периодов. Однако даже небольшие изменения этого равновесия могут привести к значительным сдвигам в климате, погодных условиях и экосистемах. Ученые изучают энергетический бюджет с помощью спутниковых наблюдений, наземных измерений и сложных климатических моделей для отслеживания того, как энергия течет через атмосферу, океаны и поверхности суши.

Что такое энергетический баланс?

Энергетический баланс включает в себя два основных компонента: ввод энергии и выход энергии. Ввод в основном происходит от солнечного излучения, в то время как выход состоит из энергии, потерянной в результате различных процессов. Чистое излучение в верхней части атмосферы определяет, нагревается или охлаждается Земля. Входящее коротковолновое солнечное излучение (прежде всего видимый свет) либо поглощается поверхностью и атмосферой, либо отражается обратно в космос. Планета затем испускает исходящее длинноволновое инфракрасное излучение. При равновесии поступающей и исходящей энергии система находится в радиационном равновесии. Любая стойкая разница, называемая радиационным воздействием, приводит к изменению климата. Понимание этой динамики требует детального изучения каждого компонента.

Ввод энергии: солнечное излучение

Солнце является основным источником энергии для Земли. Солнечное излучение достигает атмосферы и поверхности Земли, где оно поглощается, отражается или передается. Понимание того, как эта энергия поглощается, имеет решающее значение для понимания энергетического баланса. Общее солнечное излучение в верхней части атмосферы составляет в среднем около 1361 Вт на квадратный метр (W/m2), известное как солнечная постоянная . Однако только около 340 Вт/м2 этой энергии достигает эффективного поперечного сечения Земли при учете сферической формы и вращения планеты. Эта энергия распределяется неравномерно по широтам, приводя к атмосферной и океанической циркуляции.

поглощение

Значительная часть солнечной энергии поглощается поверхностью Земли, нагревая землю, океаны и атмосферу. Около 48% поступающей солнечной радиации поглощается на поверхности, в то время как атмосфера поглощает еще 23%. Остальные 29% отражаются обратно в космос. Энергия, поглощаемая поверхностью, приводит к испарению, конвекции и длинноволновому излучению. Более темные поверхности, такие как леса и открытый океан, имеют низкое альбедо и поглощают больше энергии, тогда как более легкие поверхности, такие как лед и песок, отражают больше.

Размышления

Некоторая солнечная энергия отражается обратно в космос облаками, атмосферными частицами (аэрозольными) и поверхностью Земли, особенно льдом и снегом. Эта отражательная способность измеряется альбедо . Глобальное среднее альбедо составляет около 0,29, что означает, что отражается 29% поступающего солнечного излучения. Изменения ледяного покрова, облачности или землепользования непосредственно изменяют альбедо и, следовательно, энергетический баланс. Например, когда арктический морской лед тает, темная океаническая вода подвергается воздействию, уменьшая альбедо и вызывая дальнейшее потепление — положительная обратная связь.

передача

Солнечная энергия также может передаваться через атмосферу без поглощения или отражения. Большая часть ультрафиолетового и видимого света проходит через атмосферу, чтобы достичь поверхности, хотя озон поглощает большую часть ультрафиолета. Облака и водяной пар сильно влияют на передачу, при этом толстые облака блокируют большую часть солнечного света и тонкую циркулу, пропуская больше. Спектральное распределение солнечного излучения также имеет значение: около 44% видимо, 49% — около инфракрасное, а 7% — ультрафиолетовое.

Выход энергии: наземное излучение и потеря тепла

Как только Земля поглощает солнечную энергию, она в конечном итоге повторно излучает эту энергию обратно в космос в виде инфракрасного излучения. Этот процесс необходим для поддержания температуры Земли. Поверхность и атмосфера излучают длинноволновое излучение в соответствии с их температурой, следуя закону Стефана-Больцмана. Средняя температура поверхности около 288 К (15 ° C) производит пиковое излучение на уровне около 10 микрометров, в тепловой инфракрасной области.

инфракрасное излучение

Земля излучает энергию в виде инфракрасного излучения, которое улетучивается в космос, помогая охладить планету. Однако парниковые газы поглощают и повторно излучают часть этого исходящего излучения, улавливая тепло в нижней атмосфере. Этот естественный парниковый эффект повышает среднюю температуру поверхности Земли примерно на 33°C, от холодного -18°C до нынешних 15°C. Без него жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы. Баланс между испускаемым и захваченным излучением определяет чистую скорость охлаждения.

Конвекция и скрытое тепло

Тепло передается с поверхности Земли в атмосферу через конвекцию, где теплый воздух поднимается и остывает холодный воздух. Этот чувственный тепловой поток перемещает энергию непосредственно в атмосферу. Кроме того, испарительное охлаждение (скрытый тепловой поток) передает большое количество энергии, когда вода испаряется из океанов, озер и растительности. Когда этот пар конденсируется выше в атмосфере, он выделяет тепло, которое приводит к штормам и погодным условиям. Вместе конвекция и скрытое тепло составляют почти всю энергию, перемещаемую с поверхности в атмосферу.

Дальневолновое излучение

Парниковые газы и облака также излучают инфракрасное излучение обратно к поверхности - процесс, называемый нисходящим длинноволновым излучением. Это добавляет к энергии, поглощенной на поверхности, способствуя парниковому эффекту. Более теплая, более влажная атмосфера излучает больше нисходящего излучения, дополнительно нагревая поверхность. Эта обратная связь является центральным механизмом в чувствительности к климату.

Роль парниковых газов

Парниковые газы играют значительную роль в энергетическом балансе Земли. Они улавливают часть исходящего инфракрасного излучения, не давая ему ускользнуть в космос и тем самым согреть планету. Каждый газ имеет специфический спектр поглощения и время жизни в атмосфере, влияя на его вклад в радиационное воздействие. Наиболее важными антропогенными парниковыми газами являются углекислый газ, метан, закись азота и фторированные газы. Пар воды, будучи природным, также сильно усиливает потепление.

Диоксид углерода

Углекислый газ (CO2) выделяется из сжигания ископаемого топлива, обезлесения и других видов деятельности человека. Его концентрация увеличилась с примерно 280 ppm в доиндустриальные времена до более чем 420 ppm сегодня. CO2 является доминирующим долгоживущим парниковым газом, ответственным за примерно 66% общего радиационного воздействия от хорошо смешанных парниковых газов. Он остается в атмосфере на протяжении веков до тысячелетий, что делает его воздействие на климат длительным. Шестой оценочный доклад МГЭИК подтверждает, что выбросы CO2, вызванные человеком, являются основным фактором недавнего глобального потепления.

метан

Метан (CH4) выделяется при добыче и транспортировке угля, нефти и природного газа, а также от животноводства и других сельскохозяйственных практик. Его атмосферная концентрация более чем удвоилась с доиндустриальных времен. Хотя метан имеет более короткий срок жизни (около 12 лет), чем CO2, его потенциал глобального потепления за 100 лет примерно в 28 раз больше. Сокращение выбросов метана предлагает мощный краткосрочный рычаг для замедления потепления. Основные источники включают водно-болотные угодья (природные), переваривание скота, рисовые поля и добычу ископаемого топлива.

водяной пар

Водяной пар является наиболее распространенным парниковым газом, и его концентрация увеличивается по мере повышения температуры Земли. Это создает положительную обратную связь: более теплый воздух удерживает больше водяного пара, что удерживает больше тепла, что приводит к еще большему потеплению. В отличие от CO2, концентрации водяного пара быстро приспосабливаются к изменениям температуры, поэтому он считается обратной связью, а не прямым воздействием. Он усиливает первоначальное потепление, вызванное другими парниковыми газами.

Оксид азота и другие газы

Закись азота (N2O) выделяется из сельскохозяйственных удобрений и промышленных процессов. Его потенциал потепления примерно в 265 раз превышает потенциал CO2 за 100 лет, и он остается в атмосфере более века. Фторированные газы, такие как гидрофторуглероды (ГФУ) и перфторуглероды (ПФУ), являются синтетическими и чрезвычайно мощными - в несколько тысяч раз сильнее, чем CO2 - но присутствуют в гораздо меньших количествах. Глобальная лаборатория мониторинга NOAA предоставляет подробные измерения всех основных парниковых газов.

Факторы, влияющие на энергетический баланс

Несколько факторов влияют на энергетический баланс Земли, в том числе природные процессы и деятельность человека. Понимание этих факторов помогает прогнозировать изменения климата и погодных условий. Их можно сгруппировать в радиационные воздействия (водители, которые изменяют чистое излучение) и обратные связи (ответы, которые усиливают или ослабляют изменения).

Эффект Альбедо

Отражательная способность поверхности Земли влияет на то, сколько солнечной энергии поглощается. Темные поверхности поглощают больше энергии, в то время как светлые поверхности отражают ее. Изменения в покрове суши из-за обезлесения, сельского хозяйства или урбанизации могут изменить региональное и глобальное альбедо. Например, преобразование леса в пахотные земли увеличивает альбедо в некоторых регионах, но уменьшает его в других в зависимости от снежного покрова. Криосфера — лед и снег — имеет самое высокое альбедо, но его быстрое снижение из-за потепления снижает общую отражательную способность Земли.

Облачный покров

Облака могут отражать солнечное излучение (эффект охлаждения) и улавливать тепло (эффект нагревания), влияя как на ввод, так и на выход энергии. Чистый эффект облаков на энергетический баланс является небольшим охлаждением в целом, но это результат тонкого баланса между коротковолновым отражением и длинноволновым захватом. Низкие, толстые облака (например, стратокумулус) имеют тенденцию охлаждаться, в то время как высокие тонкие облака циркуса теплые. Изменения в облачных моделях из-за изменения климата являются основным источником неопределенности в будущих прогнозах. Обсерватория Земли НАСА предлагает отличный обзор того, как облака модулируют энергетический бюджет.

Деятельность человека

Урбанизация, обезлесение и загрязнение изменяют природный энергетический баланс путем изменения землепользования и увеличения выбросов парниковых газов. Городские тепловые острова повышают местные температуры, заменяя растительные поверхности темными, поглощающими тепло материалами. Аэрозоли от промышленных выбросов и сжигания биомассы могут либо охлаждать климат (сульфатные аэрозоли отражают солнечный свет), либо нагревать его (черный углерод поглощает излучение). Изменения в землепользовании также изменяют шероховатость поверхности и скорость эвапотранспирации, влияя на потоки тепла и влаги.

Естественные принуждения

Вулканические извержения впрыскивают диоксид серы в стратосферу, образуя сульфатные аэрозоли, которые отражают солнечный свет и вызывают временное охлаждение. Крупные извержения, как гора Пинатубо в 1991 году, снижали глобальные температуры примерно на 0,5 °C в течение нескольких лет. Изменения в солнечной выработке из-за циклов солнечных пятен также влияют на энергетический баланс, но величина небольшая (около 0,1 Вт / м2) по сравнению с антропогенными воздействиями (около 2,8 Вт / м2 с 1750 года). Орбитальные изменения Земли (циклы Миланковича) приводят к долгосрочным изменениям климата в течение десятков тысяч лет, включая циклы ледникового периода.

Измерение энергетического дисбаланса Земли

Точное количественное определение энергетического баланса планеты требует набора инструментов. Спутниковые миссии, такие как Облака НАСА и Радиационная энергетическая система Земли (CERES), измеряют излучение в верхней части атмосферы и на поверхности. Измерения содержания тепла в океане от поплавков Argo показывают, что более 90% избыточной энергии, захваченной парниковыми газами, уходит на потепление океанов. Текущие оценки указывают на энергетический дисбаланс от 0,7 до 1,0 Вт / м2, что означает, что Земля поглощает больше энергии, чем она излучает. Этот чистый прирост стимулирует долгосрочное потепление, повышение уровня моря и таяние льда. Жизненно важные признаки НАСА на энергетическом дисбалансе [FLT: 1]] предоставляет данные в реальном времени и контекст.

Последствия энергетического дисбаланса

Дисбаланс в энергии Земли может привести к значительным последствиям, включая изменение климата, экстремальные погодные явления и сдвиги в экосистемах.Постоянная чистая энергия за последние несколько десятилетий уже произвела наблюдаемые эффекты.

Глобальное потепление

Увеличение выбросов парниковых газов приводит к тому, что в атмосфере оказывается больше тепла, что повышает глобальные температуры. Средняя температура поверхности планеты с конца 19 века выросла примерно на 1,2 °C. Продолжение выбросов приведет к повышению температур, с прогнозами от 1,5 °C до 4 °C к 2100 году в зависимости от усилий по смягчению последствий. Это потепление не является однородным — полярные регионы нагреваются в несколько раз быстрее, чем в среднем по миру, явление, известное как полярное усиление.

Экстремальная погода

Изменения в энергетическом балансе могут привести к более частым и тяжелым погодным явлениям, таким как ураганы, засухи и наводнения. Более теплая атмосфера удерживает больше влаги, усиливая сильные осадки и наводнения. Более высокие температуры океана обеспечивают больше энергии для тропических циклонов. В то же время повышенное испарение может ухудшить засухи в регионах, уже испытывающих водный стресс. Энергетический дисбаланс также влияет на струйные потоки, что потенциально приводит к более стойким блокирующим событиям, которые вызывают волны тепла или холодные заклинания.

Влияние на экосистемы

Изменение температуры и погодных условий может нарушить среду обитания и угрожать биоразнообразию. Отбеливание кораллов, вызванное океанскими волнами тепла, повредило экосистемы рифов во всем мире. Сдвиги в видовых диапазонах, более ранние весенние цветения и несоответствия в доступности продовольствия связаны с изменением климата. Наземные экосистемы также сталкиваются с повышенным риском лесных пожаров, гибелью деревьев от засухи и вредителей и изменением вегетационных периодов. Энергетический баланс напрямую влияет на фундаментальные условия окружающей среды, которые поддерживают жизнь на Земле.

Последствия для науки и политики в области климата

Понимание энергетического баланса Земли имеет важное значение для решения проблемы изменения климата и его последствий. Признавая динамику вводимых и производимых энергоресурсов, мы можем лучше прогнозировать будущие климатические сценарии и реализовывать стратегии по смягчению неблагоприятных последствий. Усилия по сокращению радиационного воздействия включают сокращение выбросов парниковых газов, усиление поглотителей углерода (лесонаселение, управление почвами) и разработку таких технологий, как улавливание и хранение углерода. Кроме того, глобальные сети мониторинга должны продолжать отслеживать энергетический бюджет для уточнения моделей и принятия политических решений. Наука ясна: восстановление равновесия требует срочных, устойчивых действий.