National Aeronautics and Space Administration

Science Briefs

Jordens energi ubalance

af James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha og Karina von Schuckmann —januar 2012

implementering af en international række Argo-flyder, måling af havvarmeindhold til en dybde på 2000 m, blev afsluttet i løbet af det sidste årti, hvilket tillod den bedste vurdering hidtil Jordens energibalance. Den observerede planetariske energiforøgelse under det nylige stærke solminimum afslører, at solens tvang af klimaet, selvom det er signifikant, er overvældet af en meget større netto menneskeskabt klimaforcering. Den målte ubalance bekræfter, at hvis andre klimakræfter er faste, skal atmosfærisk CO2 reduceres til omkring 350 ppm eller mindre for at stoppe global warming.In vores nyligt offentliggjorte papir (Hansen et al., 2011), viser vi også, at klimaforcering af menneskeskabte aerosoler (fine partikler i luften) er større end normalt antaget, hvilket indebærer et presserende behov for nøjagtige globale aerosolmålinger for at hjælpe med at fortolke fortsatte klimaændringer.

Jordens energibalance er forskellen mellem mængden af solenergi absorberet af jorden og mængden af energi planeten udstråler til rummet som varme. Hvis ubalancen er positiv, mere energi kommer ind end at gå ud, kan vi forvente, at jorden bliver varmere i fremtiden — men køligere, hvis ubalancen er negativ. Jordens energiubalance er således det mest afgørende mål for status for Jordens klima, og det definerer forventninger til fremtidige klimaændringer.

energi ubalance opstår på grund af ændringer i klimakræfterne, der virker på planeten i kombination med planetens termiske inerti. For eksempel, hvis solen bliver lysere, er det en positiv tvang, der vil forårsage opvarmning. Hvis jorden var som kviksølv, en krop sammensat af materiale med lav ledningsevne og uden oceaner, ville dens overfladetemperatur stige hurtigt til et niveau, hvor planeten igen udstrålede så meget varmeenergi til rummet som den absorberede solenergi.jordens temperatur justeres ikke så hurtigt som Merkurs på grund af havets termiske inerti, hvilket er betydeligt, fordi havet blandes til betydelige dybder af vind og konvektion. Således kræver det århundreder for Jordens overfladetemperatur at reagere fuldt ud på en klimaforcering.

Klimaforcings pålægges forstyrrelser til Jordens energibalance. Naturlige kræfter inkluderer ændring af solens lysstyrke og vulkanudbrud, der deponerer aerosoler i stratosfæren og dermed afkøler jorden ved at reflektere sollys tilbage til rummet. De vigtigste menneskeskabte klimaforcings er drivhusgasser (hovedsageligt CO2), som forårsager opvarmning ved at fange Jordens varmestråling, og menneskeskabte aerosoler, som ligesom vulkanske aerosoler reflekterer sollys og har en køleeffekt.

lad os overveje effekten af en langvarig klimaforcering. Sig, at solen bliver lysere, forbliver lysere i et århundrede eller længere, eller mennesker øger langlivede drivhusgasser. Enten tvinger resulterer i mere energi kommer ind end at gå ud. Når planeten varmer som reaktion på denne ubalance, øges varmen, der udstråles til rummet af jorden. Til sidst vil jorden nå en global temperatur, der er varm nok til at udstråle til rummet så meget energi, som den modtager fra Solen, og dermed stabilisere klimaet på det nye niveau. På ethvert tidspunkt i løbet af denne proces giver den resterende planetariske energibalance os mulighed for at estimere, hvor meget global opvarmning der stadig er “i pipeline.”

mange nationer begyndte for omkring et årti siden at indsætte flyder rundt om verdenshavet, der kunne” yo-yo ” et instrument, der måler havtemperaturen til en dybde på 2 km. I 2006 var der omkring 3000 flåd, der dækkede det meste af verdenshavet. Disse flyder tillod von Schuckmann og Le Traon (2011) at estimere, at i løbet af 6-årsperioden 2005-2010 fik de øverste 2 km af verdenshavet energi med en hastighed på 0,41 m/m2 i gennemsnit over planeten.

vi brugte andre målinger til at estimere energien, der går ind i det dybere hav, ind i kontinenterne og til smeltning af is over hele verden i perioden 2005-2010. Vi fandt en total ubalance i jordenergi på + 0,58 liter 0,15 m/m2 opdelt som vist i Fig. 1.

solens rolle.Den målte positive ubalance i 2005-2010 er særlig vigtig, fordi den opstod under det dybeste solminimum i perioden med nøjagtig solovervågning (Fig. 2). Hvis Solen var den eneste klimatvingning eller den dominerende klimatvingning, ville planeten få energi under solmaksimaet, men miste energi under solminima.

det faktum, at jorden fik energi med en hastighed på 0,58 m/m2 under et dybt forlænget solminimum afslører, at der er en stærk positiv tvang, der overvælder den negative tvang ved solindstråling under gennemsnittet. Dette resultat er ikke en overraskelse, givet kendskab til andre forcings, men det giver utvetydig tilbagevisning af påstande om, at Solen er den dominerende klima tvang.

mål CO2.Den målte planetariske energiubalance giver en øjeblikkelig nøjagtig vurdering af, hvor meget atmosfærisk CO2 der skal reduceres for at genoprette jordens energibalance, hvilket er det grundlæggende krav til stabilisering af klimaet. Hvis andre klimaforceringer var uændrede, ville forøgelse af Jordens stråling til rummet med 0,5 vægt/m2 kræve reduktion af CO2 med ~30 ppm til 360 ppm. I betragtning af at ubalancen på 0,58 liter 0,15 m/m2 blev målt under et dybt solminimum, er det sandsynligvis nødvendigt at øge strålingen til rummet tættere på 0.75 vægt / m2, hvilket ville kræve reduktion af CO2 til ~345 ppm, andre forcings er uændrede. Jordens energibalance bekræfter således et tidligere skøn af andre grunde, at CO2 skal reduceres til omkring 350 ppm eller mindre for at stabilisere klimaet (Hansen et al., 2008).

aerosoler.Den målte planetariske energibalance giver os også mulighed for at estimere klimapåvirkningen forårsaget af menneskeskabte atmosfæriske aerosoler. Dette er vigtigt, fordi aerosolforceringen menes at være stor, men den er praktisk talt ikke målt.

den menneskeskabte drivhusgas (GHG) tvinger er kendt for at være omkring +3 m/m2 (Fig. 3). Den menneskeskabte aerosolforcering er negativ (afkøling), men dens størrelse er usikker inden for et bredt område (Fig. 3). Aerosolstyrken er kompleks, fordi der er flere aerosoltyper, med nogle aerosoler, såsom sort sod, der delvist absorberer indfaldende sollys og således opvarmer atmosfæren. Aerosoler tjener også som kondensationskerner til vanddamp, hvilket forårsager yderligere aerosolklima tvinger ved at ændre skyegenskaber. Som resultat, sofistikerede globale målinger er nødvendige for at definere aerosolklimaforceringen, som diskuteret nedenfor.

betydningen af at kende aerosolstyrken er vist ved at overveje følgende to tilfælde: (1) aerosol tvinger omkring -1 vægt/m2, således at nettoklimatstyrken er ~ 2 Vægt/m2, (2) aerosol tvinger på -2 vægt/m2, hvilket giver en nettotvingning ~1 Vægt/m2. Begge tilfælde er mulige på grund af usikkerheden i aerosolstyrken.

hvilket alternativ er tættere på sandheden definerer vilkårene for en “Faustian bargain”, som menneskeheden har sat for sig selv. Den globale opvarmning hidtil har været begrænset, da aerosolkøling delvist har opvejet drivhusgasopvarmning. Men aerosoler forbliver luftbårne kun flere dage, så de skal pumpes hurtigere og hurtigere i luften for at holde trit med stigende langlivede drivhusgasser (meget af CO2 fra fossile brændstofemissioner forbliver i luften i flere årtusinder). Imidlertid vil bekymring over de sundhedsmæssige virkninger af partikelforurening sandsynligvis føre til en eventuel reduktion af menneskeskabte aerosoler. Derefter forfalder menneskehedens faustiske betaling.

Hvis den sande nettotvingning er +2 Vægt/m2 (aerosoltvingning -1 vægt/m2), øger selv en stor indsats for at rydde aerosoler, siger reduktion med halvdelen, nettotvingningen kun 25% (fra 2 Vægt/m2 til 2,5 vægt / m2). Men hvis nettotvingningen er +1 Vægt/m2 (aerosoltvingning -2 vægt/m2), fordobler reduktion af aerosoler med halvdelen nettoklimatvingningen (fra 1 Vægt/m2 til 2 Vægt / m2). I betragtning af at globale klimaeffekter allerede er observeret (IPCC, 2007; Hansen et al.,2012), fordobling af klimapåvirkningen antyder, at menneskeheden kan blive udsat for en alvorlig Faustiansk betaling.

de fleste klimamodeller, der bidrager til den sidste vurdering fra Det Mellemstatslige Panel om klimaændringer (IPCC, 2007) anvendte aerosolforcings i området -0,5 til -1.1 m / m2 og opnået god overensstemmelse med observeret global opvarmning i løbet af det sidste århundrede, hvilket tyder på, at aerosolforceringen kun er moderat. Der er dog en tvetydighed i klimamodellerne. De fleste af de modeller, der blev brugt i IPCC (2007), blander varme effektivt i det mellemliggende og dybe hav, hvilket resulterer i behovet for et stort klima, der tvinger (~2 Vægt/m2) til at varme jordens overflade med de observerede 0,8 liter C i løbet af det sidste århundrede. Men hvis havet blander varme i det dybere hav mindre effektivt, er den nettoklima, der er nødvendig for at matche den observerede globale opvarmning, mindre.

Jordens energibalance, hvis den måles nøjagtigt, giver en måde at løse denne tvetydighed på. Sagen med hurtig havblanding og lille aerosolforcering kræver en stor planetarisk energibalance for at give den observerede overfladeopvarmning. Den planetariske energiubalance, der kræves for at give den observerede opvarmning til forskellige valg af aerosoloptisk dybde, er vist i Fig. 4, baseret på en forenklet repræsentation af globale klimasimuleringer (Hansen et al., 2011).

målt ubalance i jordenergi, +0,58 vægt / m2 i løbet af 2005-2010, indebærer, at aerosolstyrken er omkring -1.6 m / m2, en større negativ tvang end anvendt i de fleste IPCC-modeller. Vi diskuterer flere beviser for, at de fleste klimamodeller, der blev anvendt i disse tidligere undersøgelser, havde moderat overdreven havblanding, hvilket kunne redegøre for det faktum, at de opnåede en god pasform til observeret global temperaturændring med en mindre aerosolforcering.

den store (negative) aerosolklimatvingning gør det bydende nødvendigt, at vi opnår en bedre forståelse af de aerosoler, der forårsager denne tvang. Desværre er den første satellit i stand til at måle detaljerede aerosol fysiske egenskaber, Glory mission (Mishchenko et al., 2007), LED en lanceringsfejl. Det er presserende, at der udføres en udskiftningsmission, da den nuværende nettoeffekt af skiftende emissioner i udviklingslande og udviklede lande er meget usikker

globale målinger til vurdering af aerosol indirekte klimakrævning via aerosoleffekter på skyer kræver samtidige højpræcisions polarimetriske målinger af reflekteret solstråling og interferometriske målinger af udsendt varmestråling med de to instrumenter, der ser på det samme område på samme tid. Et sådant missionskoncept er defineret (Hansen et al. 1993) og nylige revurderinger indikerer, at det kunne opnås til en pris på omkring $100 millioner, hvis det udføres af den private sektor uden krav om unødige regeringsgennemgangspaneler.

relateret Link

NASA-pressemeddelelse:Jordens energibudget forblev ude af Balance på trods af usædvanlig lav solaktivitet

Hansen, J.), 1993:langsigtet overvågning af globale Klimaforceringer og Feedbacks, NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Institut for rumforskning.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer og J. C. Sachos, 2008:mål atmosfærisk CO2: hvor skal menneskeheden sigte?Åbn Atmos. Sci. J., 2, 217-231,doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha og K. von Schuckmann, 2011: jordens energibalance og implikationer.Atmos. Chem. Phys., 11, 13421-13449, doi: 10.5194 / AVS-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato og R. Ruedy, 2012: opfattelser af klimaændringer: den nye klimatube ,URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf,sidst adgang til Jan. 6, 2012 – ikke tilgængelig Apr. 10,2018

mellemstatsligt Panel om klimaændringer (IPCC), klimaændringer 2007: det fysiske videnskabsgrundlag, S. Solomon, D. Kin, M. Manning, T. Chen, M. Markis, K. B. Averyt, M. Tignor og H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Tryk, 996 s.Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, C. F. Schueler, B. A. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkavich, H. B. Maring og L. D. Travis, 2007:nøjagtig overvågning af terrestriske aerosoler og total solindstråling: introduktion af Glory-missionen.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88, 677-691, doi:10.1175 / BAM-88-5-677.

Purkey, S. G. og G. C. Johnson, 2010: opvarmning af det globale afgrund og det dybe sydlige hav mellem 1990 ‘erne og 2000’ erne:Bidrag til den globale varme og havniveauet stiger budgetter,J. klima, 23, 6336-6351,doi: 10.1175/2010jcli3682.1.Von Schuckmann, K. og P.-Y. Le Traon, 2011: hvor godt kan vi udlede globale havindikatorer fra Argo-data?Ocean Sci.,7, 783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.Bemærk: PDF-dokumenter kræver, at den gratis Adobe Reader eller det kompatible visningsprogram vises.