Энергетический бюджет Земли

Энергетический бюджет Земли составляет баланс между энергией , что Земля получает от Солнца , [примечание 1] и энергии на Земле излучается обратно в космическое пространство после того , как были распределены по пяти компонентов земной климатической системы . [2] Эта система состоит из воды , льда , атмосферы , каменистой коры и всего живого на Земле . [3]

Климат Земли во многом определяется энергетическим балансом планеты , то есть балансом приходящей и исходящей радиации . Он измеряется спутниками и отображается в Вт / м 2 . [1]

Количественная оценка изменений в этих количествах необходима для точного моделирования климата Земли. [4]

"> Файл: NPP Ceres Shortwave Radiation.ogvВоспроизвести медиа
Входящие , топ атмосферы (TOA) коротковолновый поток излучения, показывает энергия , получаемая от солнца (26-27 янв 2012).
"> Файл: NPP Ceres Longwave Radiation.ogvВоспроизвести медиа
Уходящее длинноволновое излучение в верхних слоях атмосферы (26–27 января 2012 г.). Тепловая энергия, излучаемая Землей (в ваттах на квадратный метр), показана оттенками желтого, красного, синего и белого цветов. Ярко-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.

Полученное излучение распределяется по планете неравномерно, потому что Солнце нагревает экваториальные области больше, чем полярные. «Атмосфера и океан работают безостановочно, чтобы выровнять дисбаланс солнечного нагрева за счет испарения поверхностных вод, конвекции, осадков, ветров и циркуляции океана». [5] Земля очень близка к радиационному равновесию , ситуации, когда поступающая солнечная энергия уравновешивается равным потоком тепла в космос; при этих условиях глобальные температуры будут относительно стабильными. В глобальном масштабе в течение года система Земли - поверхность суши, океаны и атмосфера - поглощает, а затем излучает обратно в космос в среднем около 340 Вт солнечной энергии на квадратный метр. Все, что увеличивает или уменьшает количество входящей или исходящей энергии, в ответ изменит глобальную температуру. [5]

Однако энергетический баланс Земли и тепловые потоки зависят от многих факторов, таких как состав атмосферы (в основном аэрозоли и парниковые газы), альбедо (отражательная способность) свойств поверхности, облачный покров, растительность и характер землепользования.

Изменение температуры поверхности за счет энергии бюджета Земли не происходит мгновенно, за счет инерции из океанов и криосферы . Чистый тепловой поток сдерживается, прежде всего, за счет того, что он становится частью теплосодержания океана , до тех пор, пока не установится новое состояние равновесия между радиационными воздействиями и реакцией климата. [6]

Сэнка диаграмма , иллюстрирующая энергетический баланс Земли описана в этом разделе - толщина линии линейно пропорциональна относительное количество энергии. [7]

Несмотря на огромную передачу энергии на Землю и от нее, она поддерживает относительно постоянную температуру, потому что в целом чистая прибыль или убытки незначительны: Земля излучает атмосферное и земное излучение (смещенное в сторону более длинных электромагнитных волн) в космос. примерно столько же энергии, сколько получает через инсоляцию (все формы электромагнитного излучения).

Для количественной оценки Земли бюджета тепла или тепловой баланс , пусть инсоляция , полученная в верхней части атмосферы составляет 100 единиц (100 единиц = около 1 360 ватт на квадратный метр , обращенных к Солнцу), как показано на прилагаемый рисунке. Названное альбедо Земли, около 35 единиц отражаются обратно в космос: 27 от вершины облаков, 2 от снежных и ледяных областей и 6 от других частей атмосферы. Остальные 65 единиц поглощаются: 14 в атмосфере и 51 на поверхности Земли. Эти 51 единица излучаются в космос в форме земного излучения: 17 излучаются непосредственно в космос и 34 поглощаются атмосферой (19 - за счет скрытой теплоты конденсации, 9 - за счет конвекции и турбулентности, а 6 - непосредственно поглощаются). 48 единиц, поглощенных атмосферой (34 единицы от земного излучения и 14 от инсоляции), наконец, излучаются обратно в космос. Эти 65 единиц (17 от земли и 48 от атмосферы) уравновешивают 65 единиц, поглощаемых от Солнца, чтобы поддерживать нулевой чистый прирост энергии Землей. [7]

Входящая лучистая энергия (коротковолновая)

Общее количество энергии, получаемой в секунду в верхней части атмосферы Земли (TOA), измеряется в ваттах и выражается 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), средний поток TOA составляет одну четверть солнечной постоянной и, следовательно, составляет приблизительно 340 Вт / м 2 . [1] [8] Поскольку поглощение меняется в зависимости от местоположения, а также от суточных, сезонных и годовых колебаний, приведенные числа являются долгосрочными средними значениями, обычно усредненными по результатам нескольких спутниковых измерений. [1]

Из ~ 340 Вт / м 2 солнечного излучения, полученного 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 дает Земле среднее чистое альбедо (в частности, ее альбедо Бонда ) 0,306. [1]

Внутреннее тепло Земли и другие небольшие эффекты

Поток геотермального тепла из недр Земли, по оценкам, 47 тераватт [9] и разделить примерно поровну между радиогенным теплом и теплом от остаточному образования Земли. Это составляет 0,087 ватт / квадратный метр, что составляет всего 0,027% от общего энергетического баланса Земли на поверхности, на которую преобладает 173000 тераватт приходящей солнечной радиации . [10]

Производство энергии человеком еще ниже - примерно 18 ТВт. [ необходима цитата ]

Фотосинтез имеет больший эффект: эффективность фотосинтеза превращает до 2% солнечного света, падающего на растения, в биомассу . От 100 до 140 [11] ТВт (или около 0,08%) начальной энергии улавливается фотосинтезом, давая энергию растениям. [ требуется разъяснение ]

Другие второстепенные источники энергии обычно игнорируются в этих расчетах, включая аккрецию межпланетной пыли и солнечного ветра , свет от звезд, отличных от Солнца, и тепловое излучение из космоса. Ранее Джозеф Фурье утверждал, что радиация дальнего космоса имеет большое значение в статье, которую часто называют первой, посвященной парниковому эффекту . [12]

Длинноволновое излучение

Длинноволновое излучение обычно определяется как уходящая инфракрасная энергия, покидающая планету. Однако сначала атмосфера поглощает части, или облачный покров может отражать радиацию. Как правило, тепловая энергия переносится между поверхностными слоями планеты (суша и океан) в атмосферу, переносится посредством эвапотранспирации и скрытых тепловых потоков или процессов теплопроводности / конвекции . [1] В конечном итоге энергия излучается в форме длинноволнового инфракрасного излучения обратно в космос.

Недавние спутниковые наблюдения указывают на дополнительные осадки, которые поддерживаются увеличением энергии, покидающей поверхность за счет испарения (скрытый тепловой поток), компенсируя увеличение длинноволнового потока к поверхности. [4]

Если входящий поток энергии не равен исходящему потоку энергии, чистое тепло добавляется или теряется планетой (если входящий поток больше или меньше исходящего соответственно).

Косвенное измерение

Несбалансированность радиационного баланса Земли требует, чтобы компоненты климатической системы изменяли температуру с течением времени. Океан является эффективным поглотителем солнечной энергии и имеет гораздо большую теплоемкость, чем атмосфера. Измерение изменения температуры очень сложно, поскольку оно соответствует миллиградусам за короткий промежуток времени измерений ARGO. Изменение теплосодержания океана (OHC) во времени - это то же измерение, что и температурная аномалия во времени.

Энергетический баланс Земли может быть измерен буями Арго путем измерения температурной аномалии или, что эквивалентно, накопления теплосодержания океана . Теплосодержание океана в северном внетропическом океане и в тропическом океане не изменилось в течение периода 2005–2014 годов. Теплосодержание океана увеличилось только во внетропическом южном океане. [ Необходимая цитата ] Нет известной причины, по которой во внетропическом южном океане будет возрастать теплосодержание океана, в то время как теплосодержание океана останется постоянным в большей части измеренного океана. Измерение срочно требует подтверждения как долгосрочными измерениями, так и альтернативным методом. Полезно отметить, что аномалия теплосодержания океана при измерении с поплавка Арго составляет примерно 3х10 22 джоулей, или примерно три дня избыточной солнечной инсоляции за девятилетний период, или менее чем ~ 0,1% вариации солнечной инсоляции за девять лет. годы. [ необходима цитата ]

Прямое измерение

"> Воспроизвести медиа
Анимация орбит флота обсерваторий дистанционного зондирования Земли НАСА 2011 года.

Несколько спутников напрямую измеряют энергию, поглощаемую и излучаемую Землей, и, таким образом, выводим энергетический дисбаланс. В проекте НАСА « Эксперимент по оценке радиационного баланса Земли» (ERBE) задействованы три таких спутника: спутник для расчета радиационного баланса Земли (ERBS), запущенный в октябре 1984 г .; NOAA-9, запущен в декабре 1984 г .; и NOAA-10, запущенный в сентябре 1986 г. [13]

Приборы НАСА « Облака» и «Система радиантной энергии Земли» (CERES) являются частью Системы наблюдения за Землей (EOS) НАСА с 1998 года. CERES предназначен для измерения как отраженного от Солнца (коротковолнового), так и испускаемого Землей (длинноволнового) излучения. [14] Исследователи использовали данные от CERES, AIRS , CloudSat , LandSat и других инструментов EOS для поиска тенденций антропогенного радиационного воздействия, заложенного в наблюдаемых энергетических дисбалансах. Они представили модель, показывающую рост на +0,53 Вт м -2  (+/- 0,11 Вт м -2 ) с 2003 по 2018 год; примерно на 20% связано с уменьшением отраженного коротковолнового излучения, а остальное - с уменьшением уходящего длинноволнового излучения. [15] [16] [17]

refer to caption and image description
Диаграмма, показывающая энергетический баланс атмосферы Земли, включая парниковый эффект

Основные атмосферные газы ( кислород и азот ) прозрачны для поступающего солнечного света, но также прозрачны для исходящего теплового ( инфракрасного ) излучения. Однако водяной пар , углекислый газ , метан и другие следовые газы непрозрачны для многих длин волн теплового излучения. Поверхность Земли излучает чистый эквивалент 17 процентов поступающей солнечной энергии в виде теплового инфракрасного излучения. Однако количество, которое напрямую уходит в космос, составляет лишь около 12 процентов поступающей солнечной энергии. Оставшаяся фракция, от 5 до 6 процентов, поглощается атмосферой молекулами парниковых газов . [18]

Атмосферные газы поглощают энергию только некоторых длин волн, но прозрачны для других. Картины поглощения водяного пара (синие пики) и углекислого газа (розовые пики) перекрываются в некоторых длинах волн. Углекислый газ не является таким сильным парниковым газом, как водяной пар, но он поглощает энергию с длиной волны (12-15 микрометров), которой не обладает водяной пар, частично закрывая «окно», через которое тепло, излучаемое поверхностью, обычно выходит в космос. (Иллюстрация НАСА, Роберт Роде) [19]

Когда молекулы парниковых газов поглощают тепловую инфракрасную энергию, их температура повышается. Затем эти газы излучают увеличенное количество тепловой инфракрасной энергии во всех направлениях. Тепло, излучаемое вверх, продолжает встречаться с молекулами парниковых газов; эти молекулы также поглощают тепло, и их температура повышается, а количество тепла, которое они излучают, увеличивается. С высотой атмосфера становится тоньше , и примерно на 5–6  км концентрация парниковых газов в вышележащей атмосфере настолько мала, что тепло может уйти в космос. [18]

Поскольку молекулы парниковых газов излучают инфракрасную энергию во всех направлениях, часть ее распространяется вниз и в конечном итоге возвращается на поверхность Земли, где поглощается. Таким образом, температура поверхности Земли выше, чем если бы она нагревалась только прямым солнечным нагревом. Это дополнительное отопление является естественным парниковым эффектом. [18] Земля как будто покрыта одеялом, которое позволяет проникать высокочастотному излучению (солнечному свету), но замедляет скорость, с которой уходит низкочастотная инфракрасная лучистая энергия, излучаемая Землей.

Изменение падающей излучаемой части баланса энергии называется радиационным воздействием .

Чувствительность климата - это установившееся изменение равновесной температуры в результате изменений в энергетическом балансе.

Климатические факторы и глобальное потепление

Ожидаемый дисбаланс энергии Земли при трех вариантах воздействия аэрозолей на климат. Измеренный дисбаланс, близкий к 0,6 Вт / м 2 , означает, что воздействие аэрозоля близко к -1,6 Вт / м 2 . (Источник: NASA / GISS) [20]

Климатические воздействия - это изменения, которые вызывают повышение или понижение температуры, нарушая энергетический баланс. Естественные климатические воздействия включают изменения яркости Солнца, циклы Миланковича (небольшие изменения формы орбиты Земли и ее оси вращения, которые происходят за тысячи лет) и извержения вулканов, которые выбрасывают светоотражающие частицы на высоту до стратосферы . Искусственные воздействия включают загрязнение частицами ( аэрозоли ), которые поглощают и отражают падающий солнечный свет; вырубка лесов , которая меняет то, как поверхность отражает и поглощает солнечный свет; и рост концентрации углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере, что снижает скорость излучения тепла в космос.

Принуждение может вызвать обратную связь, которая усиливает ( положительная обратная связь ) или ослабляет ( отрицательная обратная связь ) исходное принуждение. Например, потеря льда на полюсах, которая делает их менее отражающими, вызывает большее поглощение энергии и, таким образом, увеличивает скорость таяния льда, является примером положительной обратной связи. [19]

Наблюдаемый планетарный энергетический дисбаланс во время недавнего солнечного минимума показывает, что солнечное воздействие на климат, хотя и является естественным и значительным, подавляется антропогенным воздействием климата. [20]

В 2012 году ученые НАСА сообщили, что для прекращения глобального потепления содержание CO 2 в атмосфере необходимо снизить до 350 частей на миллион или менее, если все другие климатические воздействия будут устранены. Воздействие антропогенных аэрозолей не было определено количественно, но считается, что отдельные типы аэрозолей оказывают существенное воздействие на нагрев и охлаждение. [20]

  • Планетарная равновесная температура
  • Облака и система лучистой энергии Земли
  • Внутренний тепловой баланс Земли

  1. ^ Внутреннее тепло Земли и другие небольшие эффекты, которые действительно принимаются во внимание, в тысячу раз меньше; см. § Внутреннее тепло Земли и другие небольшие эффекты

  1. ^ a b c d e "Плакат НАСА об энергетическом бюджете Земли" . НАСА. Архивировано из оригинального 21 апреля 2014 года . Проверено 20 апреля 2014 года .
  2. ^ IPCC AR5 WG1 Глоссарий 2013 «Энергетический бюджет»
  3. ^ IPCC AR5 WG1 Глоссарий 2013 «климатическая система»
  4. ^ а б Stephens, Graeme L .; Ли, Цзюйлинь; Дикий, Мартин; Клейсон, Кэрол Энн; Лоеб, Норман; Като, Сэйдзи; Л'Экуайер, Тристан; Стакхаус, Пол В. и Лебсок, Мэтью (2012). «Обновление энергетического баланса Земли в свете последних глобальных наблюдений». Природа Геонауки . 5 (10): 691–696. Bibcode : 2012NatGe ... 5..691S . DOI : 10.1038 / ngeo1580 . ISSN  1752-0894 .
  5. ^ а б «Климат и энергетический бюджет Земли» . earthobservatory.nasa.gov . 14 января 2009 . Дата обращения 5 августа 2019 .
  6. ^ Превиди, М; и другие. (2013). «Чувствительность климата в антропоцене». Королевское метеорологическое общество . 139 (674): 1121–1131. Bibcode : 2013QJRMS.139.1121P . CiteSeerX  10.1.1.434.854 . DOI : 10.1002 / qj.2165 .
  7. ^ а б Шарма, PD (2008). Экологическая биология и токсикология (2-е изд.). Публикации Растоги. С. 14–15. ISBN 9788171337422.
  8. ^ Дикий, Мартин; Фолини, Дорис; Шер, Кристоф; Лоеб, Норман; Dutton, Ellsworth G .; Кениг-Лангло, Герт (2013). «Глобальный энергетический баланс с точки зрения поверхности» (PDF) . Климатическая динамика . 40 (11–12): 3107–3134. Bibcode : 2013ClDy ... 40.3107W . DOI : 10.1007 / s00382-012-1569-8 . ЛВП : 20.500.11850 / 58556 . ISSN  0930-7575 . S2CID  129294935 .
  9. ^ Дэвис, JH; Дэвис, Д.Р. (22 февраля 2010 г.). «Тепловой поток с поверхности Земли» . Твердая Земля . 1 (1): 5–24. Bibcode : 2010SolE .... 1 .... 5D . DOI : 10,5194 / с-1-5-2010 . ISSN  1869-9529 .Дэвис, Дж. Х. и Дэвис, Д. Р. (2010). Тепловой поток на поверхности Земли. Твердая Земля, 1 (1), 5–24.
  10. ^ Арчер, Дэвид (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза, 2-е издание (2-е изд.). ISBN 978-0-470-94341-0.
  11. ^ «Энергетический поток Земли - Энергетическое образование» . energyeducation.ca . Дата обращения 5 августа 2019 .
  12. ^ Флеминг, Джеймс Р. (1999). «Джозеф Фурье,« парниковый эффект »и поиск универсальной теории земных температур». Endeavour . 23 (2): 72–75. DOI : 10.1016 / S0160-9327 (99) 01210-7 .
  13. ^ "GISS ICP: Влияние солнечной энергии на океан и атмосферу" . icp.giss.nasa.gov . Архивировано из оригинала 7 июля 2019 года . Дата обращения 5 августа 2019 .
  14. ^ Wielicki, Bruce A .; Харрисон, Эдвин Ф .; Сесс, Роберт Д.; Кинг, Майкл Д .; Randall, Дэвид А .; и другие. (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 .
  15. ^ Крамер, Р. Дж., Х. Хе, Б. Дж. Соден, Л. Ореопулос, Г. Майре, П. М. Форстер и С. Дж. Смит (25 марта 2021 г.). «Наблюдательные свидетельства увеличения глобального радиационного воздействия» . Письма о геофизических исследованиях . 48 (7). DOI : 10.1029 / 2020GL091585 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Сара Хансен (12 апреля 2021 г.). «Райан Крамер из UMBC впервые прямыми доказательствами подтверждает антропогенное изменение климата» . Университет Мэриленда, округ Балтимор.
  17. ^ «Прямые наблюдения подтверждают, что люди выводят энергетический бюджет Земли из равновесия» . Phys.org . 26 марта 2021 г.
  18. ^ а б в Линдси, Ребекка (14 января 2009 г.). «Климат и энергетический бюджет Земли (Часть 6 - Энергетический бюджет атмосферы)» . earthobservatory.nasa.gov . Обсерватория Земли, часть научного отдела проекта EOS, расположена в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА . Дата обращения 5 августа 2019 .
  19. ^ а б 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 отдела проекта EOS, расположена в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА . Дата обращения 5 августа 2019 .
  20. ^ а б в Хансен, Джеймс; Сато, Макико; Хареча, Пушкер; фон Шукманн, Карина (январь 2012 г.). «Энергетический дисбаланс Земли» . НАСА.

Отчет Рабочей группы I ДО5 МГЭИК
  • МГЭИК (2013). Stocker, TF; Qin, D .; Платтнер, Г.-К .; Тиньор, М .; и другие. (ред.). Изменение климата 2013: основы физических наук (PDF) . Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-05799-9. (pb: 978-1-107-66182-0 ).
  • МГЭИК (2013). «Приложение III: Глоссарий» (PDF) . ОД5 МГЭИК, WG1 2013 . С. 1447–1465.

  • НАСА: Энергетический бюджет атмосферы
  • Облака и система лучистой энергии Земли (CERES)
  • Проект бюджета на радиацию поверхности (SRB) NASA / GEWEX