National Aeronautics and Space Administration

Science Briefs

Earth’s Energy Imbalance

Von James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha und Karina von Schuckmann — Januar 2012

Der Einsatz eines internationalen Arrays von Argo-Schwimmern, die den Wärmegehalt des Ozeans bis zu einer Tiefe von 2000 m messen, wurde in den letzten zehn Jahren abgeschlossen und ermöglichte die bisher beste Bewertung des Das Energieungleichgewicht der Erde. Der beobachtete planetare Energiegewinn während des jüngsten starken solaren Minimums zeigt, dass der solare Klimaantrieb, obwohl signifikant, von einem viel größeren vom Menschen verursachten Netto-Klimaantrieb überwältigt wird. Das gemessene Ungleichgewicht bestätigt, dass das atmosphärische CO2 auf etwa 350 ppm oder weniger reduziert werden muss, um die globale Erwärmung zu stoppen warming.In unsere kürzlich veröffentlichte Arbeit (Hansen et al., 2011) zeigen wir auch, dass der Klimaantrieb durch vom Menschen verursachte Aerosole (feine Partikel in der Luft) größer ist als normalerweise angenommen, was einen dringenden Bedarf an genauen globalen Aerosolmessungen zur Interpretation des anhaltenden Klimawandels impliziert.

Das Energieungleichgewicht der Erde ist der Unterschied zwischen der Menge an Sonnenenergie, die von der Erde absorbiert wird, und der Menge an Energie, die der Planet als Wärme in den Weltraum ausstrahlt. Wenn das Ungleichgewicht positiv ist, mehr Energie hereinkommt als herausgeht, können wir erwarten, dass die Erde in Zukunft wärmer wird — aber kühler, wenn das Ungleichgewicht negativ ist. Das Energieungleichgewicht der Erde ist somit das wichtigste Maß für den Zustand des Erdklimas und definiert die Erwartungen an den zukünftigen Klimawandel.

Das Energieungleichgewicht entsteht durch Veränderungen der Klimakräfte, die auf den Planeten einwirken, in Kombination mit der thermischen Trägheit des Planeten. Wenn zum Beispiel die Sonne heller wird, ist dies ein positiver Antrieb, der eine Erwärmung verursacht. Wenn die Erde wie Merkur wäre, ein Körper aus Material mit geringer Leitfähigkeit und ohne Ozeane, würde ihre Oberflächentemperatur schnell auf ein Niveau ansteigen, bei dem der Planet wieder so viel Wärmeenergie in den Weltraum abstrahlt wie die absorbierte Sonnenenergie.Die Temperatur der Erde passt sich aufgrund der thermischen Trägheit des Ozeans nicht so schnell an wie die des Merkurs, was erheblich ist, da der Ozean durch Winde und Konvektion in beträchtlichen Tiefen vermischt wird. Es dauert also Jahrhunderte, bis die Erdoberflächentemperatur vollständig auf einen Klimaantrieb reagiert.

Klimatriebe sind Störungen der Energiebilanz der Erde. Zu den natürlichen Kräften gehören die Veränderung der Sonnenhelligkeit und Vulkanausbrüche, die Aerosole in der Stratosphäre ablagern und so die Erde abkühlen, indem sie das Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektieren. Hauptsächliche vom Menschen verursachte Klimaantriebesind Treibhausgase (hauptsächlich CO2), die eine Erwärmung verursachen, indem sie die Wärmestrahlung der Erde einfangen, und vom Menschen verursachte Aerosole, die wie vulkanische Aerosole das Sonnenlicht reflektieren und eine kühlende Wirkung haben.

Betrachten wir den Effekt eines langlebigen Klimaantriebs. Sagen wir, die Sonne wird heller, bleibt heller für ein Jahrhundert oder länger, oder Menschen erhöhen langlebige Treibhausgase. Beides führt dazu, dass mehr Energie hereinkommt als herausgeht. Wenn sich der Planet als Reaktion auf dieses Ungleichgewicht erwärmt, nimmt die von der Erde in den Weltraum abgestrahlte Wärme zu. Schließlich wird die Erde eine globale Temperatur erreichen, die warm genug ist, um so viel Energie in den Weltraum zu strahlen, wie sie von der Sonne erhält, wodurch das Klima auf der neuen Ebene stabilisiert wird. Zu jedem Zeitpunkt während dieses Prozesses können wir anhand des verbleibenden planetaren Energieungleichgewichts abschätzen, wie viel globale Erwärmung noch „in der Pipeline“ ist.“

Viele Nationen begannen vor etwa einem Jahrzehnt, Schwimmer auf dem Weltozean einzusetzen, die ein Instrument „Jo-jo“ könnten, das die Meerestemperatur bis zu einer Tiefe von 2 km misst. Bis 2006 gab es etwa 3000 Schwimmer, die den größten Teil des Weltozeans bedeckten. Diese Schwimmer erlaubten von Schuckmann und Lebron (2011) zu schätzen, dass während des 6-Jahres-Zeitraums 2005-2010 die oberen 2 km des Weltozeans Energie mit einer Rate von 0,41 W / m gewonnen haben2 über den Planeten gemittelt.

Wir haben andere Messungen verwendet, um die Energie zu schätzen, die im Zeitraum 2005-2010 in den tieferen Ozean, in die Kontinente und in das Schmelzen des Eises weltweit fließt. Wir fanden ein Gesamtenergieungleichgewicht der Erde von +0,58 ± 0,15 W / m2, wie in Abb. 1.

Die Rolle der Sonne.Das gemessene positive Ungleichgewicht in den Jahren 2005-2010 ist besonders wichtig, da es während des tiefsten Sonnenminimums im Zeitraum der genauen Sonnenüberwachung auftrat (Abb. 2). Wenn die Sonne der einzige Klimaantrieb oder der dominierende Klimaantrieb wäre, würde der Planet während der Sonnenmaxima Energie gewinnen, aber während der Sonnenminima Energie verlieren.

Die Tatsache, dass die Erde während eines tiefen, verlängerten Sonnenminimums mit einer Rate von 0,58 W / m2 Energie gewonnen hat, zeigt, dass es einen starken positiven Antrieb gibt, der den negativen Antrieb durch unterdurchschnittliche Sonneneinstrahlung übertrifft. Dieses Ergebnis ist angesichts der Kenntnis anderer Antriebe keine Überraschung, aber es widerlegt eindeutig Behauptungen, dass die Sonne der dominierende Klimaantrieb ist.

Ziel CO2.Das gemessene planetare Energieungleichgewicht liefert eine sofortige genaue Einschätzung, wie viel atmosphärisches CO2 reduziert werden müsste, um die Energiebilanz der Erde wiederherzustellen, die die Grundvoraussetzung für die Stabilisierung des Klimas ist. Wenn andere Klimakräfte unverändert wären, würde die Erhöhung der Strahlung der Erde in den Weltraum um 0,5 W / m2 eine Reduzierung des CO2 um ~ 30 ppm auf 360 ppm erfordern. Angesichts der Tatsache, dass das Ungleichgewicht von 0, 58 ± 0, 15 W / m2 während eines tiefen Sonnenminimums gemessen wurde, ist es wahrscheinlich notwendig, die Strahlung in den Weltraum um näher an 0 zu erhöhen.75 W / m2, was eine Reduzierung von CO2 auf ~ 345 ppm erfordern würde, wobei andere Antriebe unverändert bleiben. Somit bestätigt das Energieungleichgewicht der Erde eine frühere Schätzung aus anderen Gründen, dass CO2 auf etwa 350 ppm oder weniger reduziert werden muss, um das Klima zu stabilisieren (Hansen et al., 2008).

Aerosole.Das gemessene planetare Energieungleichgewicht ermöglicht es uns auch, den Klimaantrieb abzuschätzen, der durch vom Menschen verursachte atmosphärische Aerosole verursacht wird. Dies ist wichtig, weil angenommen wird, dass der Aerosolantrieb groß ist, aber praktisch nicht gemessen wird.

Der vom Menschen verursachte Treibhausgasantrieb beträgt bekanntermaßen etwa +3 W / m2 (Abb. 3). Der vom Menschen verursachte Netto-Aerosolantrieb ist negativ (Abkühlung), aber seine Größe ist in einem weiten Bereich ungewiss (Abb. 3). Der Aerosolantrieb ist komplex, da es mehrere Aerosoltypen gibt, wobei einige Aerosole, wie schwarzer Ruß, einfallendes Sonnenlicht teilweise absorbieren und so die Atmosphäre erwärmen. Auch Aerosole dienen als Kondensationskeime für Wasserdampf und verursachen so zusätzlichen Aerosol-Klimaantrieb durch Veränderung der Wolkeneigenschaften. Daher sind ausgefeilte globale Messungen erforderlich, um den Aerosol-Klimaantrieb zu definieren, wie unten erläutert.

Wie wichtig es ist, den Aerosolantrieb zu kennen, zeigt die Betrachtung der folgenden zwei Fälle: (1) Aerosolantrieb von etwa -1 W / m2, so dass der Nettoklimaantrieb ~ 2 W / m2 beträgt, (2) Aerosolantrieb von -2 W / m2, was einen Nettoklimaantrieb von ~ 1 W / m2 ergibt. Beide Fälle sind aufgrund der Unsicherheit des Aerosolantriebs möglich.

Welche Alternative näher an der Wahrheit liegt, definiert die Bedingungen eines „Faustischen Handels“, den sich die Menschheit gesetzt hat. Die globale Erwärmung war bisher begrenzt, da die Aerosolkühlung die Treibhausgaserwärmung teilweise ausgeglichen hat. Aerosole bleiben jedoch nur einige Tage in der Luft und müssen daher immer schneller in die Luft gepumpt werden, um mit den zunehmenden langlebigen Treibhausgasen Schritt zu halten (ein Großteil des CO2 aus den Emissionen fossiler Brennstoffe bleibt mehrere Jahrtausende in der Luft). Die Besorgnis über die gesundheitlichen Auswirkungen der Feinstaubverschmutzung wird jedoch wahrscheinlich zu einer Verringerung der vom Menschen verursachten Aerosole führen. Daraufhin wird die faustische Zahlung der Menschheit fällig.

Wenn der wahre Nettoantrieb +2 W/ m2 beträgt (Aerosolantrieb -1 W/m2), erhöht selbst ein großer Aufwand zur Reinigung von Aerosolen, z. B. eine Reduzierung um die Hälfte, den Nettoantrieb nur um 25% (von 2 W / m2 auf 2,5 W / m2). Wenn der Nettoantrieb jedoch +1 W / m2 beträgt (Aerosolantrieb -2 W / m2), verdoppelt die Reduzierung von Aerosolen um die Hälfte den Netto-Klimaantrieb (von 1 W / m2 auf 2 W / m2). Angesichts der Tatsache, dass globale Klimaeffekte bereits beobachtet werden (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), Die Verdoppelung des Klimaantriebs deutet darauf hin, dass die Menschheit mit einer schweren faustischen Zahlung konfrontiert sein könnte.

Die meisten Klimamodelle, die zur letzten Bewertung durch das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007) beigetragen haben, verwendeten Aerosol-Antriebe im Bereich von -0,5 bis -1.1 W / m2 und erzielte eine gute Übereinstimmung mit der beobachteten globalen Erwärmung im letzten Jahrhundert, was darauf hindeutet, dass der Aerosolantrieb nur moderat ist. Allerdings gibt es eine Zweideutigkeit in den Klimamodellen. Die meisten der im IPCC (2007) verwendeten Modelle mischen Wärme effizient in den mittleren und tiefen Ozean, was dazu führt, dass ein großer Klimaantrieb (~ 2 W / m2) erforderlich ist, um die Erdoberfläche im letzten Jahrhundert um die beobachteten 0,8 ° C zu erwärmen. Wenn der Ozean jedoch weniger effizient Wärme in den tieferen Ozean mischt, ist der Netto-Klimaantrieb, der benötigt wird, um der beobachteten globalen Erwärmung zu entsprechen, geringer.

Das Energieungleichgewicht der Erde bietet, wenn es genau gemessen wird, eine Möglichkeit, diese Mehrdeutigkeit aufzulösen. Der Fall mit schneller Ozeanmischung und kleinem Aerosolantrieb erfordert ein großes planetarisches Energieungleichgewicht, um die beobachtete Oberflächenerwärmung zu erzielen. Das planetare Energieungleichgewicht, das erforderlich ist, um die beobachtete Erwärmung für verschiedene Arten der optischen Tiefe des Aerosols zu erzielen, ist in Abb. 4, basierend auf einer vereinfachten Darstellung globaler Klimasimulationen (Hansen et al., 2011).Das gemessene Energieungleichgewicht der Erde, +0,58 W/ m2 während 2005-2010, impliziert, dass der Aerosolantrieb etwa -1 beträgt.6 W / m2, ein größerer negativer Antrieb als in den meisten IPCC-Modellen. Wir diskutieren mehrere Beweislinien dafür, dass die meisten Klimamodelle, die in diesen früheren Studien verwendet wurden, eine mäßig übermäßige Vermischung der Ozeane aufwiesen, was die Tatsache erklären könnte, dass sie mit einem geringeren Aerosolantrieb gut zu den beobachteten globalen Temperaturänderungen passten.Der große (negative) Aerosol-Klimaantrieb macht es zwingend notwendig, dass wir ein besseres Verständnis der Aerosole erreichen, die diesen Antrieb verursachen. Leider ist der erste Satellit, der detaillierte physikalische Eigenschaften von Aerosolen messen kann, die Glory-Mission (Mishchenko et al., 2007), erlitt einen Startfehler. Es ist dringend notwendig, eine Ersatzmission durchzuführen, da der derzeitige Nettoeffekt der sich ändernden Emissionen in Entwicklungs- und Industrieländern sehr ungewiss ist

Globale Messungen zur Beurteilung des indirekten Aerosol-Klimaantriebs über Aerosoleffekte auf Wolken erfordern gleichzeitige hochpräzise polarimetrische Messungen der reflektierten Sonnenstrahlung und interferometrische Messungen der emittierten Wärmestrahlung, wobei die beiden Instrumente gleichzeitig dasselbe Gebiet betrachten. Ein solches Missionskonzept wurde definiert (Hansen et al., 1993) und jüngste Neubewertungen deuten darauf hin, dass dies zu Kosten von etwa 100 Mio. USD erreicht werden könnte, wenn es vom privaten Sektor ohne die Notwendigkeit unangemessener staatlicher Überprüfungsgremien durchgeführt würde.

Related Link

NASA-Pressemitteilung:Der Energiehaushalt der Erde blieb trotz ungewöhnlich geringer Sonnenaktivität aus dem Gleichgewicht

Hansen, J., W. Rossow und I. Fung (Hrsg.), 1993:Long-term Monitoring of Global Climate Forcings and Feedbacks,NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Institut für Weltraumstudien, New York.

Hansen, J., Mki. R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Kharecha, P. Sato, D. Beerling. Pagani, M. Raymo, D.L. Royer und J.C. Zachos, 2008: Ziel atmosphärisches CO2: Wohin sollte die Menschheit zielen?Öffnen Sie Atmos. Sci. J., 2, 217-231, doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha und K. von Schuckmann, 2011: Energieungleichgewicht und Implikationen der Erde.Atmos. Chem. Phys., 11, 13421-13449, Ursprungsbezeichnung: 10.5194/acp-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato und R. Ruedy, 2012:Perceptions of climate change: The new climate dice ,URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf, letzter Zugriff Jan. 6, 2012 – nicht verfügbar Apr. 10, 2018

Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC), Klimawandel 2007: Die Grundlagen der Naturwissenschaften,S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor und H.L. Miller (Hrsg.),Cambridge Univ. Presse, 996 S.Mishchenko, M.I., B. Cairns, G. Kopp, C.F. Schueler, B.A. Fafaul, J.E. Hansen, R.J. Hooker, T. Itchkawich, H.B. Maring und L.D. Travis, 2007: Genaue Überwachung von terrestrischen Aerosolen und der gesamten Sonneneinstrahlung: Einführung in die Glory-Mission.iBull. Amer. In: Meteorol. Soc., 88, 677-691,doi:10.1175/BAMS-88-5-677.

Purkey, S.G. und G.C. Johnson, 2010: Erwärmung des globalen Abgrunds und des tiefen südlichen Ozeans zwischen den 1990er und 2000er Jahren: Beiträge zu globalen Wärme- und Meeresspiegelanstiegsbudgets, J. Climate, 23, 6336-6351, doi: 10.1175 / 2010JCLI3682.1.Von Schuckmann, K. und P.-Y. Lebron, 2011:Wie gut können wir globale Ozeanindikatoren aus Argo-Daten ableiten?Ozean Sci., 7, 783-791,doi:10.5194/os-7-783-2011.Hinweis:Für PDF-Dokumente ist der kostenlose Adobe Reader oder eine kompatible Anzeigesoftware erforderlich.