Národní úřad pro Letectví a kosmonautiku

Věda Kalhotky

Energetickou Nerovnováhu Země

James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha a Karina von Schuckmann —leden 2012

Nasazení mezinárodní pole Argo plave, měření oceánu teplo obsah až do hloubky 2000 m, byla dokončena v průběhu posledních deseti let, umožňuje to nejlepší hodnocení tak daleko energetickou nerovnováhu Země. Pozorované planetární energie získat během nedávné silné sluneční minimum ukazuje, že solární nutit klimatu, i když významné, je ohromen mnohem větší čistý člověkem klima. Naměřené nerovnováha potvrzuje, že, pokud jiné klima forcings jsou pevné, atmosférický CO2 musí být snížena na přibližně 350 ppm nebo méně, zastavit globální oteplování.V naší nedávno publikované práci (Hansen et al., 2011), jsme také ukázat, že klima human-made aerosolů (jemných částic ve vzduchu) je větší, než se obvykle předpokládá, z čehož vyplývá naléhavá potřeba pro přesné globální měření aerosolu pomoci interpretovat pokračující změně klimatu.

Země je energetická nerovnováha je rozdíl mezi množství solární energie pohlcené Země a množství energie planety vyzařuje do vesmíru jako teplo. Pokud je nerovnováha pozitivní, více energie přichází, než jít ven, můžeme očekávat, že země bude teplejší v budoucnu-ale chladnější, pokud nerovnováha je negativní. Energetická nerovnováha země je tedy jediným nejdůležitějším měřítkem stavu zemského klimatu a definuje očekávání pro budoucí změnu klimatu.

energetická nerovnováha vzniká v důsledku změn klimatických sil působících na planetu v kombinaci s tepelnou setrvačností planety. Například, pokud se slunce stane jasnějším, je to pozitivní nutkání, které způsobí oteplování. Pokud Země byla jako Rtuť, orgán složený z nízké vodivosti materiálu a bez oceány, jeho povrchová teplota bude rychle stoupat na úroveň, na které planetě byl opět vyzařující tolik tepelné energie do prostoru jako absorbované sluneční energie.

teplota země se neupravuje tak rychle jako Merkur kvůli tepelné setrvačnosti oceánu, což je podstatné, protože oceán je míchán do značné hloubky větry a konvekcí. Proto vyžaduje staletí, aby povrchová teplota země plně reagovala na klimatické síly.

klimatické síly jsou vnuceny poruchám energetické bilance země. Přírodní forcings patří změna Sluneční jas a sopečné erupce, že vklad aerosoly ve stratosféře, tedy chlazení zeměkouli tím, že odrážejí sluneční záření zpět do vesmíru. Hlavní lidské klimatické silyjsou skleníkové plyny (hlavně CO2), které způsobují oteplování zachycením tepelného záření země, a lidské aerosoly, které stejně jako sopečné aerosoly odrážejí sluneční světlo a mají chladicí účinek.

uvažujme o účinku dlouhodobého klimatického vynucení. Řekněme, že Slunce bude jasnější, zůstane jasnější po celé století nebo déle, nebo lidé zvýší skleníkové plyny s dlouhou životností. Buď vynucení vede k tomu, že přichází více energie než jít ven. Jak se planeta zahřívá v reakci na tuto nerovnováhu, teplo vyzařované do vesmíru zemí se zvyšuje. Nakonec země dosáhne globální teploty dostatečně teplé, aby vyzařovala do vesmíru tolik energie, kolik přijímá ze slunce, čímž stabilizuje klima na nové úrovni. Kdykoli během tohoto procesu nám zbývající planetární energetická nerovnováha umožňuje odhadnout, kolik globálního oteplování je stále „v potrubí“.“

mnoho národů začalo, asi před deseti lety, nasazovat plováky kolem Světového oceánu, které by mohly „yo-yo“ přístroj měřící teplotu oceánu do hloubky 2 km. Do roku 2006 bylo asi 3000 plováků pokrývajících většinu světového oceánu. Tyto plováky dovoleno von Schuckmann a Le Traon (2011) odhadují, že během 6-leté období 2005-2010 horní 2 km světového oceánu získané energie v poměru 0.41 W/m2 v průměru na planetě.

použili jsme další měření k odhadu energie směřující do hlubšího oceánu, do kontinentů a do tání ledu po celém světě v období 2005-2010. Zjistili jsme celkovou energetickou nerovnováhu země +0,58±0,15 W / m2 rozdělenou, jak je znázorněno na obr. 1.

role slunce.Naměřená pozitivní nerovnováha v letech 2005-2010 je obzvláště důležitá, protože k ní došlo během nejhlubšího slunečního minima v období přesného slunečního monitorování (obr. 2). Když Slunce bylo jen klima nebo dominantní klima, planeta by získat energii během slunečního maxima, ale ztrácet energii během solárního minima.

skutečnost, že Země získané energie v poměru 0.58 W/m2 během hluboké dlouhodobé sluneční minimum ukazuje, že existuje silná pozitivní nutí drtivou negativní nutit do pod-průměrné sluneční ozáření. Tento výsledek není překvapením, vzhledem k znalosti jiných sil, ale poskytuje jednoznačné vyvrácení tvrzení, že Slunce je dominantní klimatickou silou.

cíl CO2.Měřená planetární energetická nerovnováha poskytuje okamžité přesné posouzení toho, kolik atmosférického CO2 by bylo třeba snížit, aby se obnovila energetická bilance země, což je základní požadavek na stabilizaci klimatu. Pokud by se jiné klimatické síly nezměnily, zvýšení radiace země do vesmíru o 0,5 W / m2 by vyžadovalo snížení CO2 o ~30 ppm na 360 ppm. Avšak vzhledem k tomu, že nerovnováha 0,58±0,15 W/m2 byla měřena během hlubokého slunečního minima, je pravděpodobně nutné zvýšit záření do vesmíru o blíže k 0.75 W / m2, což by vyžadovalo snížení CO2 na ~345 ppm, ostatní síly se nemění. Energetická nerovnováha Země tedy potvrzuje dřívější odhad z jiných důvodů, že CO2 musí být snížen na přibližně 350 ppm nebo méně, aby se stabilizovalo klima (Hansen et al ., 2008).

aerosoly.Měřená planetární energetická nerovnováha nám také umožňuje odhadnout klimatické síly způsobené atmosférickými aerosoly vyrobenými člověkem. To je důležité, protože aerosolové nucení je považováno za velké, ale je prakticky neměřené.

lidské-emise skleníkových plynů (GHG) nutí je známo, že být o +3 W/m2 (Obr. 3). Čisté lidské aerosolové vynucení je negativní (chlazení), ale jeho velikost je nejistá v širokém rozmezí (obr. 3). Aerosol nutí je složité, protože existuje několik aerosol typů, přičemž některé aerosoly, jako je černá saze, částečně absorbuje dopadající sluneční záření, čímž topení atmosféru. Také aerosoly slouží jako kondenzační jádra pro vodní páru, což způsobuje další aerosolové klima, které nutí změnou vlastností mraku. Výsledkem je, že k definování aerosolového klimatu je zapotřebí sofistikovaných globálních měření, jak je popsáno níže.

důležitost znalosti aerosolového vynucení je ukázána zvážením následujících dvou případů: (1) aerosol nutí o 1 W/m2, tak, že čisté klima je ~ 2 W/m2, (2) aerosol nutí -2 W/m2, čímž se získá čistý nutí ~1 W/m2. Oba případy jsou možné kvůli nejistotě v aerosolovém nucení.

která alternativa je blíže pravdě, definuje podmínky „faustovské dohody“, kterou si lidstvo stanovilo pro sebe. Globální oteplování bylo dosud omezené, protože chlazení aerosolem částečně kompenzovalo oteplování skleníkových plynů. Ale aerosoly zůstávají ve vzduchu pouze několik dní, tak oni musí být čerpána do vzduchu rychleji a rychleji, aby udržel krok s rostoucí dlouhověké skleníkových plynů (CO2 z emisí z fosilních paliv zůstane ve vzduchu po několik tisíciletí). Obavy z účinků znečištění ovzduší částicemi na zdraví však pravděpodobně povedou k případnému snížení aerosolů vyrobených člověkem. Faustovská platba lidstva přijde splatná.

Pokud je skutečné čisté vynucení +2 W/m2 (aerosolové vynucení -1 W / m2), i velké úsilí o vyčištění aerosolů, řekněme snížení o polovinu, zvyšuje čisté vynucení pouze o 25% (z 2 W/m2 na 2,5 W / m2). Pokud je však čisté vynucení +1 W/m2 (aerosolové vynucení -2 W / m2), snížení aerosolů o polovinu zdvojnásobí čisté klimatické vynucení(z 1 W/m2 na 2 W / m2). Vzhledem k tomu, že globální dopady na klima jsou již pozorovány (IPCC, 2007; Hansen et al ., 2012), zdvojnásobení klimatických sil naznačuje, že lidstvo může čelit těžké faustovské platbě.

Většina klimatických modelů, které přispívají k posledním hodnocení Mezivládního Panelu pro Změnu Klimatu (IPCC, 2007) zaměstnán aerosol forcings v rozmezí -0.5 až -1.1 W / m2 a dosáhl dobré shody s pozorovaným globálním oteplováním v minulém století, což naznačuje, že nucení aerosolu je pouze mírné. V klimatických modelech však existuje nejednoznačnost. Většina modelů používaných v IPCC (2007) mix teplo účinně do střední a hluboké oceánu, což má za následek potřebu velkého klima (~2 W/m2) teplé Zemského povrchu pozorovaných 0,8°C za posledních století. Ale jestli oceánu se mísí teplo do hlubších oceánu méně efektivně, čisté klima potřebné, aby odpovídaly pozorované globální oteplování je menší.

energetická nerovnováha země, pokud je měřena přesně, poskytuje jeden způsob, jak tuto nejednoznačnost vyřešit. V případě rychlého míchání oceánu a malé aerosolové nutí vyžaduje velké energetické nerovnováhy na výnos pozorovaný povrch oteplování. Planetární energetická nerovnováha potřebná k dosažení pozorovaného oteplování pro různé volby optické hloubky aerosolu je znázorněna na obr. 4, na základě zjednodušené reprezentace globálních klimatických simulací (Hansen et al., 2011).

měřená energetická nerovnováha země, + 0,58 W / m2 v letech 2005-2010, znamená, že aerosolové vynucení je asi -1.6 W / m2, což je větší negativní síla než u většiny modelů IPCC. Budeme diskutovat o několik řádků důkazy, že většina klimatických modelů používaných v těchto dřívějších studií mírně nadměrné míchání oceánu, které by mohly odpovídat za skutečnost, že oni dosáhli dobrého fit pozorované globální změny teploty s menší aerosol nutit.

velké (negativní) aerosolové klima nutí, abychom dosáhli lepšího porozumění aerosolům, které způsobují toto vynucení. Bohužel, první satelit schopný měřit podrobné aerosolové fyzikální vlastnosti, Glory mission (Mishchenko et al., 2007), utrpěl selhání startu. Je to naléhavé, že náhradní poslání být prováděny, jako dárek čistý efekt změny emisí v rozvojových a vyspělých zemích je vysoce nejisté,

Globální měření k posouzení aerosol nepřímé klima, prostřednictvím aerosolu účinky na mraky, vyžadují současné vysoké přesnosti polarimetrické měření odraženého slunečního záření a interferometrické měření vyzařovaného tepelného záření se dvěma nástroji, při pohledu na stejný prostor ve stejnou dobu. Takový koncept mise byl definován (Hansen et al ., 1993) a nedávné přehodnocení naznačují, že by mohlo být dosaženo za cenu o $100M, pokud provádí soukromý sektor bez požadavku na zbytečných vládních recenze panely.

Související Odkaz

NASA News Release:Energetické bilanci Země Zůstal z Rovnováhy i Přes Nezvykle Nízké Sluneční Aktivity

Hansen, J., W., Rossow, a. I. Fung (Eds.), 1993: Long-term Monitoring of Global Climate Forcings and Feedbacks, NASA Conf. Publ. 3234, Goddardův Institut pro kosmická studia, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Charecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer a J. C. Zachos, 2008:Target atmospheric CO2: Kde by mělo lidstvo zaměřit?Otevřete Atmos. Věda. J., 2, 217-231,doi: 10.2174 / 1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha a k. von Schuckmann, 2011: energetická nerovnováha země a důsledky.Ovzduší. Cheme. Phys., 11, 13421-13449,doi: 10.5194 / akt-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, and R. Ruedy, 2012: Perceptions of climate change: the new climate dice, URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, last accessed Jan. Právo, 6. Prosince 2012 – není k dispozici. 10, 2018

Mezivládního Panelu pro Změnu Klimatu (IPCC),Změna Klimatu 2007: Fyzikální Základ,S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor a H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Lis, 996 stran

Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, C. F. Schueler, B. a. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkawich, H. B. Maring, a L. D. Travis, 2007:Přesné sledování pozemní aerosolů a celkové sluneční ozáření: Představujeme Slávu mise.ibulle. Amere. Meteorol. SOC., 88, 677-691,doi: 10.1175/BAMS-88-5-677.

Purkey, s. G., and G. C. Johnson, 2010:Oteplování globální abyssal a hluboké jižním oceánu mezi lety 1990 a 2000: příspěvky na globální tepla a zvýšení hladiny moře rozpočtů,J. Klima, 23, 6336-6351,doi:10.1175/2010JCLI3682.1.

Von Schuckmann, K., and P.-y. Le Traon, 2011:jak dobře můžeme odvodit globální oceánské ukazatele z údajů Argo?Ocean Sci., 7, 783-791,doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

Poznámka: dokumenty PDF vyžadují k prohlížení bezplatný software Adobe Reader nebo kompatibilní software pro prohlížení.