Table of Contents

Основы климатической системы Земли’

Энергетический баланс Земли’ является фундаментальным принципом, регулирующим климат нашей планеты’s. Он описывает равновесие между поступающей солнечной радиацией и исходящей тепловой радиацией. Когда этот баланс нарушается, климатическая система реагирует, и основными агентами возмущения являются парниковые газы. Эти газы поглощают и повторно излучают инфракрасное излучение, эффективно улавливая тепло в нижней атмосфере. Понимание того, как парниковые газы взаимодействуют с энергетическим бюджетом Земли’, имеет важное значение для понимания механизмов, приводящих к современному изменению климата, и для оценки эффективности предлагаемых решений.

Без парниковых газов средняя температура поверхности Земли & # x 2019 будет колебаться вокруг -18 & x B0; C (0 & # x B0; F), замороженного состояния, негостеприимного для большинства форм жизни. Естественный парниковый эффект повышает эту температуру до жизнеобеспечивающего 15 & x B0; C (59 & x B0; F). Проблема в том, что деятельность человека утолщает атмосферное покрытие парниковых газов, усиливая естественный эффект и выталкивая энергетический баланс из его исторического равновесия. Этот дисбаланс измеряется как положительное радиационное воздействие, то есть больше энергии сохраняется, чем ускользает, и это является прямым двигателем глобального потепления.

Бюджет солнечной радиации

Чтобы оценить роль парниковых газов, необходимо сначала понять поток энергии через климатическую систему. Солнце испускает коротковолновое излучение, в первую очередь в видимых и ультрафиолетовых спектрах. Из 340 Вт на квадратный метр (W/m²), который в среднем достигает вершины атмосферы:

  • Примерно 30% отражается обратно в космос облаками, аэрозолями и поверхностью Земли’s. Эта фракция известна как планетарное альбедо.
  • Остальные 70% поглощаются атмосферой (около 23%) и поверхностью (около 47%).

Земля, будучи намного холоднее Солнца, испускает энергию в виде длинноволнового инфракрасного излучения. Именно это исходящее длинноволновое излучение (OLR) перехватывает парниковые газы. Поглощая и повторно излучая инфракрасную энергию обратно к поверхности, парниковые газы снижают чистую скорость охлаждения в космос, эффективно нагревая нижнюю атмосферу и поверхность.

Ключевые парниковые газы и их источники

Не все парниковые газы созданы равными. Они отличаются по концентрации в атмосфере, продолжительности жизни, эффективности улавливания тепла и профилям источников. Наиболее значительными долгоживущими парниковыми газами в атмосфере Земли’s являются углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и закись азота (N₂O). В то время как водяной пар (H₂O) является наиболее распространенным парниковым газом, его концентрация в атмосфере в основном контролируется температурой, а не прямыми выбросами, что делает его агентом обратной связи, а не прямым воздействием. Озон (O₃) важен как в стратосфере, так и в тропосфере, причем тропосферный озон действует как мощный агент потепления.

Диоксид углерода (CO₂);

Углекислый газ является наиболее важным долгоживущим парниковым газом, непосредственно выделяемым деятельностью человека. Это эталонный газ, по которому измеряются другие парниковые газы с использованием метрики потенциала глобального потепления (ПГП). CO₂ отвечает примерно за 66% потепления, связанного с долгоживущими парниковыми газами.

Основные источники включают:

  • Сжигание ископаемого топлива: Уголь, нефть и природный газ, сжигаемые для производства электроэнергии, транспортировки, отопления и промышленных процессов, составляют примерно 65% глобальных выбросов парниковых газов.Сгорание ископаемого топлива высвобождает углерод, который был заблокирован под землей в течение миллионов лет, быстро добавляя его к активному углеродному циклу.
  • Леса действуют как поглотители углерода. Когда они очищаются для сельского хозяйства, городского развития или древесины, не только углерод, хранящийся в деревьях, высвобождается (путем разложения или сжигания), но и способность земли 2019 года поглощать будущие CO & x 2082; также уменьшается. Изменение землепользования составляет около 11% глобальных выбросов парниковых газов.
  • Промышленные процессы: Производство цемента, химическое производство и производство стали выделяют CO₂ как побочный продукт химических реакций, а не только от использования энергии. На производство цемента приходится около 5-8% глобальных антропогенных CO₂ выбросов.

Атмосферный CO₂ концентрации возросли с примерно 280 частей на миллион (ppm) в доиндустриальные времена (около 1750) до более чем 420 ppm сегодня, уровень, не наблюдаемый в течение по крайней мере 2 миллионов лет. Кривая Килинга , самый длинный непрерывный рекорд атмосферного CO₂ измерения, показывает безошибочную тенденцию к росту, обусловленную деятельностью человека.

Метан (CH₄);

Метан является вторым наиболее распространенным антропогенным парниковым газом и имеет потенциал глобального потепления примерно в 28-34 раза больше, чем CO₂ за 100-летний период. За 20-летний горизонт его ПГП примерно в 84-87 раз больше, чем CO₂, что делает его особенно мощным краткосрочным агентом потепления. Метан имеет относительно короткий срок службы в атмосфере около 10-12 лет, что означает, что сокращение выбросов метана может принести почти немедленные климатические выгоды.

Основные источники включают:

  • Сельское хозяйство: Энтерическая ферментация в жвачном скоте (скот, овцы, козы) является единственным крупнейшим источником выбросов метана во всем мире. Рисовые поля также производят метан через разложение органических веществ в затопленных, лишенных кислорода почвах.
  • Производство и транспортировка ископаемого топлива:] Утечки метана из нефтяных и газовых скважин, трубопроводов и угольных шахт. Природный газ в основном состоит из метана, а беглые выбросы при добыче и распределении представляют собой потраченную впустую энергию и мощный загрязнитель климата.
  • Управление отходами: Свалки производят метан при анаэробном разложении органических отходов. Надлежащие системы улавливания свалочного газа могут значительно сократить эти выбросы.

Концентрации метана в атмосфере более чем удвоились по сравнению с доиндустриальными уровнями, достигнув примерно 1900 частей на миллиард (ppb) в последние годы. Темпы роста ускорились с 2007 года, что обусловлено ростом как источников ископаемого топлива, так и тропических водно-болотных угодий.

Оксид азота (N₂O)

Закись азота является мощным парниковым газом с потенциалом глобального потепления примерно в 298 раз больше, чем CO₂ за 100-летний период. Он также истощает стратосферный озон. Как CO₂, N₂O является долгоживущим, с атмосферным сроком жизни около 116 лет, что означает, что выбросы накапливаются в атмосфере на протяжении веков.

Основные источники включают:

  • Сельское хозяйство: Использование синтетических азотных удобрений в растениеводстве является доминирующим источником антропогенных выбросов N₂O. Почвенные микробы преобразуют азот из удобрений в N₂O посредством процессов, называемых нитрификацией и денитрификацией. Управление мануарами является еще одним важным сельскохозяйственным источником.
  • Промышленные процессы: Производство адипиновой кислоты (используется в производстве нейлона) и производство азотной кислоты (используется для удобрений) высвобождают N₂O в качестве побочного продукта. Технологии сокращения существуют, но не повсеместно применяются.
  • Сжигание: Сжигание ископаемого топлива в транспортных средствах и электростанциях высвобождает небольшие количества N₂O.

Концентрации оксида азота выросли с доиндустриальных уровней около 270 ppb до более чем 330 ppb сегодня. Значительная часть этого увеличения произошла за последние 50 лет, что совпало с глобальной интенсификацией сельского хозяйства.

водяной пар и облака

Водный пар является наиболее распространенным парниковым газом и составляет наибольший единичный вклад в естественный парниковый эффект. Однако его концентрация в атмосфере напрямую не контролируется выбросами человека. Вместо этого он реагирует на температуру через отношение Клаузиус-Клапейрон: более теплый воздух может удерживать больше влаги. Это создает мощную положительную петлю обратной связи. Как CO₂ и другие парниковые газы нагревают атмосферу, концентрации водяного пара увеличиваются, усиливая первоначальное потепление. Эта обратная связь хорошо понятна и представлена в климатических моделях. Облака добавляют дополнительную сложность: они могут охлаждать планету, отражая солнечное излучение и нагревая его, захватывая инфракрасное излучение, в зависимости от их высоты, толщины и состава.

Эффект парниковых газов в более подробной форме

В то время как широкие штрихи парникового эффекта просты, основная физика включает в себя квантовую механику и радиационный перенос. Молекулы парниковых газов & # x 2014; те, у кого есть три или более атомов, такие как CO & # x 2082;, CH & # x 2084;, N & # x 2082; O и H & # x 2082; O & # x 2014; имеют вибрационные и вращательные энергетические режимы, которые могут поглощать и излучать фотоны на определенных длинах волн в инфракрасном спектре. Диатомовые молекулы, такие как кислород (O & # x 2082;) и азот (N & # x 2082;), которые составляют 99% атмосферы, не поглощают инфракрасное излучение. Вот почему относительно небольшая концентрация парниковых газов может иметь такое большое влияние на энергетический баланс.

Спектр поглощения атмосферы

Атмосфера Земли 2019 года в значительной степени прозрачна для поступающего солнечного излучения, но частично непрозрачна для исходящего инфракрасного излучения. Различные газы поглощают на разных длинах волн:

  • Водный пар поглощает в широком диапазоне инфракрасного спектра, примерно от 5-8 микрометров (μm) и выше 15μm.
  • Диоксид углерода имеет сильную полосу поглощения, сосредоточенную вокруг 15 & # x 3BC;m, критической области в инфракрасном спектре излучения Земли & # x 2019.
  • Метан Поглощает около 7,7 & #x3BC;m и в нескольких других узких полосах.
  • Нитральный оксид поглощает при 7,8 μm и 17 μm.

По мере роста концентрации CO₂ полоса поглощения при 15μm становится все более насыщенной в нижней тропосфере, то есть излучение, испускаемое с поверхности, поглощается на более коротком расстоянии. Это сдвигает эффективную высоту излучения на более высокие, более холодные уровни атмосферы. Поскольку температура снижается с высотой в тропосфере, излучение, убегающее в космос, исходит из более холодного источника, в результате чего меньше энергии покидает планету. Это фундаментальный механизм, с помощью которого увеличение CO₂ вызывает положительное радиационное воздействие.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (]IPCC) предоставляет авторитетные оценки этих механизмов.Шестой оценочный доклад количественно оценивает эффективное радиационное воздействие от CO₂ с 1750 года примерно в 2,2 Вт/м² (относительно доиндустриального), при этом общее антропогенное воздействие достигает около 2,7 Вт/м².

Радиационное воздействие и чувствительность к климату

Радиационное воздействие измеряет дисбаланс в энергетическом бюджете Земли & # x 2019, вызванный изменением климатического драйвера, такого как CO & # x 2082; концентрация. Он выражается в ваттах на квадратный метр. Положительная сила нагревает систему; отрицательная сила охлаждает ее. Взаимосвязь между CO & # x 2082; концентрация и радиационное воздействие логарифмическая: каждое удвоение CO & # x 2082; вызывает примерно одинаковое количество силы (около 3,7-4,0 Вт / м & x B2;). Это означает, что переход от 280 до 560 ppm производит аналогичное воздействие, как переход от 560 до 1120 ppm.

Чувствительность климата количественно определяет, насколько глобальная средняя температура поверхности в конечном итоге нагревается в ответ на данное радиационное воздействие. Равновесная чувствительность климата (ECS) - это долгосрочное потепление в ответ на удвоение CO₂. МГЭИК оценивает ECS с высокой степенью уверенности между 2,5°C и 4°C, с лучшей оценкой около 3°C. Это означает, что если CO₂ концентрации стабилизируются в два раза по сравнению с доиндустриальным уровнем, планета в конечном итоге будет нагреваться примерно на 3°C, даже без учета других антропогенных воздействий.

Наблюдаемые последствия для климатической системы

Интенсификация парникового эффекта не является теоретической абстракцией. Его отпечатки видны на каждом компоненте климатической системы, от глубокого океана до верхних слоев атмосферы. Доказательства являются всеобъемлющими и последовательными.

Поверхностное и тропосферное потепление

Средняя глобальная температура выросла примерно на 1,2°C с конца 19-го века, причем большая часть этого потепления произошла за последние 50 лет. Последнее десятилетие (2011-2020) было примерно на 1,1°C теплее, чем доиндустриальный период. Важно отметить, что это потепление не является однородным. Арктика нагревается в два-четыре раза выше среднего мирового показателя, явление, известное как усиление Арктики, обусловленное обратными связями, связанными с потерей морского льда, уменьшением снежного покрова и изменениями переноса атмосферного тепла.

Повышение уровня моря

Глобальный средний уровень моря поднялся примерно на 20-25 сантиметров с 1900 года, причем скорость подъема ускоряется с примерно 1,5 мм / год в начале 20-го века до более чем 3,5 мм / год сегодня. Этот рост обусловлен двумя основными факторами: тепловым расширением (океанская вода расширяется по мере ее нагревания) и таянием ледников и ледяных щитов. И Гренландия, и Антарктида теряют лед с ускоряющимися темпами. Если весь лед Гренландии & # x 2019;s растаял, уровень моря поднимется примерно на 7 метров, в то время как Антарктида содержит достаточно льда, чтобы поднять уровень моря более чем на 60 метров.

Экстремальные события и наука об атрибуции

Изменение климата усиливает многие виды экстремальных погодных условий. Более теплый воздух может удерживать больше влаги, увеличивая интенсивность сильных осадков. Более высокие температуры поверхности моря питают более мощные тропические циклоны. Тепловые волны становятся все более частыми, более продолжительными и более интенсивными. Область атрибуции событий значительно продвинулась вперед, что позволяет ученым количественно оценить, насколько изменение климата изменяет вероятность и тяжесть конкретных событий. Например, исследователи обнаружили, что европейская жара 2003 года была сделана по крайней мере в два раза более вероятной из-за антропогенного изменения климата. Эта атрибуция наука обеспечивает четкую связь между выбросами парниковых газов и рисками, с которыми сталкиваются сообщества во всем мире.

Подкисление океана

Это воздействие часто рассматривается наряду с парниковым эффектом, потому что оно имеет одну и ту же первопричину: повышенный CO₂ Океан поглощает около 25-30% CO₂ высвобождается в результате деятельности человека. Когда CO₂ растворяется в морской воде, он образует углекислую кислоту, снижая рН океана. Поверхностный океан рН уже упал примерно на 0,1 единицы со времен промышленной революции, представляя собой 30%-ное увеличение кислотности. Это угрожает организмам, которые строят раковины и скелеты из карбоната кальция, такие как кораллы, моллюски и некоторые виды планктона, с каскадным воздействием на морские пищевые сети.

Обратная связь в климатической системе

Сети обратной связи — это внутренние процессы, которые усиливают (положительная обратная связь) или ослабляют (отрицательная обратная связь) первоначальное изменение в климатической системе. Наличие сильных положительных обратных связей — это то, что делает климатическую систему чувствительной к небольшим начальным воздействиям.

Обратная связь Ледяного Альбедо

По мере повышения температуры снег и лед тают, открывая темные поверхности суши и океана под ними. В то время как лед отражает около 50-70% поступающего солнечного света, открытый океан отражает только около 6%. Это снижение альбедо заставляет поверхность поглощать больше солнечной энергии, что приводит к дальнейшему потеплению и большему таению. Это мощная положительная обратная связь, которая вносит значительный вклад в усиление Арктики.

Обратная связь углерода вечной мерзлоты

Арктическая вечная мерзлота хранит огромное количество органического углерода (приблизительно 1500 миллиардов метрических тонн), который был заморожен в течение тысяч лет. По мере оттаивания вечной мерзлоты микробы начинают разлагать это органическое вещество, высвобождая CO₂ и CH₄ в атмосферу. Этот процесс создает еще одну положительную обратную связь, поскольку высвобождаемые парниковые газы вызывают дальнейшее потепление и дополнительную оттаивание вечной мерзлоты. Масштабы этой обратной связи остаются ключевой неопределенностью в прогнозах климата, но, по оценкам МГЭИК, она может добавить 0,1-0,2°C дополнительного потепления к 2100 году при сценариях с высоким уровнем выбросов.

Обратная связь водяного пара

Как уже было описано ранее, более теплая атмосфера содержит больше водяного пара, который сам по себе является парниковым газом. Это самая сильная положительная обратная связь в климатической системе, примерно удваивая потепление, которое произойдет от CO₂ в одиночку. Эта обратная связь хорошо понята и явно представлена в климатических моделях. Без нее чувствительность к климату была бы намного ниже, чем 3°C лучшая оценка для CO₂ удвоение.

Пути смягчения и вызовы

Решение проблемы дисбаланса в энергетическом балансе Земли и 2019 года требует сокращения чистых выбросов парниковых газов до нуля. Это центральная цель международной климатической политики в соответствии с Парижским соглашением, которое направлено на ограничение глобального потепления значительно ниже 2 & x B0; C и предпочтительно до 1,5 & x B0; C выше доиндустриального уровня. Достижение этого потребует быстрого, глубокого и устойчивого сокращения выбросов во всех секторах.

Глубокая декарбонизация энергетической системы

Энергетический сектор отвечает за большинство глобальных выбросов. Декарбонизация требует:

  • Развертывание возобновляемых источников энергии: Солнечная и ветровая энергетика за последнее десятилетие резко сократились, и в настоящее время являются самыми дешевыми источниками новой электроэнергии во многих частях мира. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что возобновляемые источники энергии составят почти 95% от увеличения глобальных мощностей электроэнергии до 2026 года.
  • Электрификация: Переход от сжигания ископаемого топлива к электричеству на транспорте (электрические транспортные средства), отопление зданий (тепловые насосы) и промышленные процессы могут значительно сократить выбросы, при условии, что электричество поступает из источников с низким содержанием углерода.
  • Энергоэффективность: Сокращение отходов за счет эффективных зданий, приборов, промышленных процессов и транспортных систем снижает общий спрос на энергию и делает декарбонизацию проще и дешевле.

Уменьшение метана

Поскольку метан является мощным и недолговечным, сокращение выбросов метана может замедлить темпы потепления в ближайшей перспективе. По оценкам Международного энергетического агентства, около 40% текущих выбросов метана от операций с ископаемым топливом можно сократить без каких-либо чистых затрат, используя существующие технологии. Глобальное обязательство по метану, начатое на КС26, обязывает более 150 стран сократить выбросы метана на 30% с уровней 2020 года к 2030 году. Сокращение выбросов метана в сельском хозяйстве, например, за счет кормовых добавок для скота или улучшенных методов выращивания риса, также имеет решающее значение.

Наземные решения

Наземные экосистемы в настоящее время поглощают около 25-30% антропогенных выбросов CO₂. Защита и улучшение этих естественных поглотителей является жизненно важной климатической стратегией:

  • лесовосстановление и облесение:] Восстановление деградировавших лесов и посадка новых лесов могут секвестрировать значительные количества углерода. Однако потенциал ограничен наличием земель и конкурирующей потребностью в производстве продовольствия.
  • Улучшение управления почвой: Сельскохозяйственные методы, такие как возделывание без дождевого периода, покрытие сельскохозяйственных культур и добавление биоугольного материала, могут увеличить содержание органического углерода в почве, улучшая здоровье почвы при хранении углерода.
  • Восстановление водно-болотных угодий: Торфяники хранят огромное количество углерода. Восстановление осушенных торфяников предотвращает дальнейшие выбросы и может превратить их обратно в поглотители углерода.

Удаление диоксида углерода (CDR)

Большинство климатических путей, согласующихся с Парижским соглашением, требуют некоторой формы удаления углекислого газа для компенсации остаточных выбросов из труднодоступных для декарбонизации секторов и, в долгосрочной перспективе, для снижения атмосферных CO₂ концентрации, если происходит перерасход. Методы CDR включают прямой захват воздуха (DAC) с геологическим хранением, биоэнергию с улавливанием и хранением углерода (BECCS), усиленное выветривание и повышение щелочности океана. Эти технологии находятся на разных стадиях развития, и проблемы, связанные с затратами, потребностями в энергии и масштабируемостью, остаются значительными.

Путь вперед

Физика парникового эффекта улажена, и траектория концентраций парниковых газов хорошо измерена. Энергетический баланс Земли и 2019 года становится все более позитивным, и климатическая система реагирует на повышение температуры, изменение погодных условий и таяние льда. Вопрос уже не в том, изменяет ли деятельность человека климат, а в том, насколько решительно и быстро человечество будет действовать, чтобы изменить свой курс.

Каждая тонна CO₂ избегала снижения будущего потепления. Сокращение метана обеспечивает более быстрое облегчение, замедляя темпы потепления в течение десятилетий. Окно для ограничения потепления до 1,5°C быстро сужается, но технико-экономическая осуществимость глубокой декарбонизации никогда не была больше. Задача в первую очередь заключается в политической воле, социальной координации и масштабных инвестициях. Понимание роли парниковых газов в энергетическом балансе Земли’ является не просто академическим упражнением; это основа, на которой должна быть построена рациональная климатическая политика.