National Aeronautics and Space Administration

Science Briefs

Earth’ s Energy epätasapaino

James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha ja Karina von Schuckmann —tammikuu 2012aukana maan energian epätasapainosta. Havaitut planeettojen energianlisäykset viimeaikaisen voimakkaan auringon minimin aikana paljastavat, että vaikka ilmaston aurinkopako onkin merkittävä, se hukkuu paljon suurempaan ihmisen aiheuttamaan ilmastopakotteeseen. Mitattu epätasapaino vahvistaa, että jos muut ilmastopakotteet on vahvistettu, ilmakehän CO2 on vähennettävä noin 350 ppm: ään tai vähemmän, jotta maailmanlaajuinen warming.In meidän äskettäin julkaistu paperi (Hansen et al., 2011), osoitamme myös, että ihmisen tekemät aerosolit (pienhiukkaset ilmassa) pakottavat ilmastoon enemmän kuin tavallisesti oletetaan, mikä tarkoittaa kiireellistä tarvetta tarkkoihin maailmanlaajuisiin aerosolimittauksiin jatkuvan ilmastonmuutoksen tulkinnan helpottamiseksi.

maan energiaepätasapaino on maan absorboiman aurinkoenergian määrän ja sen energiamäärän välinen erotus, jonka planeetta säteilee avaruuteen lämpönä. Jos epätasapaino on positiivinen, energiaa tulee enemmän kuin menee ulos, voimme odottaa maapallon lämpenevän tulevaisuudessa — mutta viileämpää, jos epätasapaino on negatiivinen. Maapallon energiaepätasapaino on siten maapallon ilmaston tilan tärkein yksittäinen mittari, ja se määrittää tulevaisuuden ilmastonmuutosodotuksia.

energiaepätasapaino syntyy planeettaan vaikuttavien ilmastopakotteiden muutoksista yhdessä planeetan lämpöinertian kanssa. Jos esimerkiksi aurinko kirkastuu, se on positiivinen pakottaminen, joka aiheuttaa lämpenemistä. Jos maa olisi Merkuriuksen kaltainen, alhaisen johtavuuden materiaalista koostuva kappale ja ilman meriä, sen pintalämpötila nousisi nopeasti tasolle,jolla planeetta säteilisi jälleen yhtä paljon lämpöenergiaa avaruuteen kuin absorboitunut aurinkoenergia.

maan lämpötila ei sopeudu yhtä nopeasti kuin Merkuriuksen johtuen meren lämpöinertiasta, joka on huomattava, koska tuulet ja konvektio sekoittavat meren melkoisiin syvyyksiin. Maapallon pintalämpötila vaatii siis satoja vuosia, jotta se pystyisi täysin reagoimaan ilmastopakotteeseen.

Ilmastopakotteet ovat maan energiatasapainoon kohdistuvia häiriöitä. Luonnollisia pakotteita ovat auringon kirkkauden muutos ja tulivuorenpurkaukset, jotka sitovat aerosoleja stratosfääriin ja siten viilentävät maata heijastamalla auringonvaloa takaisin avaruuteen. Tärkeimmät ihmisen aiheuttamat ilmastopakotteet ovat kasvihuonekaasut (pääasiassa CO2), jotka aiheuttavat lämpenemistä pyydystämällä maapallon lämpösäteilyä, ja ihmisen tekemät aerosolit, jotka vulkaanisten aerosolien tavoin heijastavat auringonvaloa ja joilla on viilentävä vaikutus.

Tarkastellaanpa pitkäikäisen ilmastopakotteen vaikutusta. Sanotaan, että aurinko kirkastuu, pysyy kirkkaampana vuosisadan tai kauemmin, tai ihmiset lisäävät pitkäikäisiä kasvihuonekaasuja. Joko pakottaminen johtaa siihen, että energiaa tulee enemmän sisään kuin ulos. Kun planeetta lämpenee vastauksena tähän epätasapainoon, maan avaruuteen säteilemä lämpö lisääntyy. Lopulta Maapallo saavuttaa globaalin lämpötilan niin lämpimänä, että se säteilee avaruuteen yhtä paljon energiaa kuin se saa auringosta, jolloin ilmasto vakiintuu uudelle tasolle. Koska tahansa tämän prosessin aikana jäljellä oleva planeetan energian epätasapaino antaa meille mahdollisuuden arvioida, kuinka paljon ilmaston lämpenemistä on vielä ” kehitteillä.”

monet valtiot alkoivat noin vuosikymmen sitten ottaa maailman valtameren ympärille kellukkeita, joilla voitiin ”yo-yo” – mittalaite mitata valtameren lämpötilaa 2 km: n syvyyteen. Vuonna 2006 oli noin 3000 kelluketta, jotka peittivät suurimman osan maailman valtamerestä. Nämä kellukkeet antoivat von Schuckmannin ja Le Traonin (2011) arvioida, että 6-vuotiskaudella 2005-2010 ylemmät 2 km maailman valtamerestä saivat energiaa nopeudella 0,41 W/m2 planeetan keskiarvona.

käytimme muita mittauksia arvioidaksemme syvempään valtamereen, mantereisiin ja jään sulamiseen menevää energiaa maailmanlaajuisesti vuosina 2005-2010. Löysimme yhteensä maan energian epätasapaino + 0,58±0,15 W/m2 jaettuna kuten kuvassa. 1.

auringon rooli.Vuosina 2005-2010 mitattu positiivinen epätasapaino on erityisen tärkeä, koska se tapahtui tarkkojen aurinkovalvontakauden syvimmän aurinkoenergian minimin aikana (Kuva. 2). Jos aurinko olisi ainoa ilmastopakotte tai vallitseva ilmastopakotte, planeetta saisi energiaa auringon maksimin aikana, mutta menettäisi energiaa auringon minimin aikana.

se, että maa sai energiaa nopeudella 0,58 W / m2 syvän pitkittyneen auringon minimin aikana, paljastaa, että on olemassa voimakas positiivinen pakottaminen, joka musertaa negatiivisen pakotteen keskimääräistä alhaisemmalla auringon säteilyvoimalla. Tämä tulos ei ole yllätys, kun otetaan huomioon muiden pakotteiden tuntemus, mutta se antaa yksiselitteisen kumouksen väitteille, että aurinko on vallitseva ilmastopakko.

tavoite CO2.Mitattu planeetan energian epätasapaino antaa välittömän tarkan arvion siitä, kuinka paljon ilmakehän hiilidioksidia olisi vähennettävä maan energiatasapainon palauttamiseksi, mikä on perusvaatimus ilmaston vakauttamiseksi. Jos muut ilmastopakotteet olisivat ennallaan, maan säteilyn lisääminen avaruuteen 0,5 W / m2 edellyttäisi hiilidioksidin vähentämistä ~30 ppm: llä 360 ppm: ään. Koska kuitenkin syvän auringon minimin aikana mitattiin 0,58±0,15 W/m2: n epätasapaino, on luultavasti tarpeen lisätä säteilyä avaruuteen lähempänä arvoa 0.75 W / m2, mikä edellyttäisi hiilidioksidin vähentämistä ~345 ppm: ään, muiden pakotteiden pysyessä muuttumattomina. Näin maapallon energian epätasapaino vahvistaa aikaisemman arvion muista syistä, että CO2 on vähennettävä noin 350 ppm tai vähemmän vakauttamiseksi ilmasto (Hansen et al., 2008).

aerosolit.Mitattu planeetan energian epätasapaino mahdollistaa myös ihmisen tekemien ilmakehän aerosolien aiheuttaman ilmastopakotteen arvioimisen. Tämä on tärkeää, koska aerosolipakotteen uskotaan olevan suuri, mutta se on käytännössä mittaamaton.

ihmisen aiheuttaman kasvihuonekaasupäästön tiedetään olevan noin +3 W / m2 (Kuva. 3). Ihmisen aikaansaama nettopakottavuus on negatiivinen (jäähdytys), mutta sen suuruus on epävarma laajalla alueella (Kuva. 3). Aerosolipakotteet ovat monimutkaisia, koska aerosoleja on useita, ja jotkin aerosolit, kuten musta noki, absorboivat osittain tulevaa auringonvaloa ja lämmittävät näin ilmakehää. Myös aerosolit toimivat vesihöyryn tiivistymisytiminä, mikä aiheuttaa lisää aerosolien ilmastopakotteita muuttamalla pilvien ominaisuuksia. Tämän vuoksi tarvitaan pitkälle kehitettyjä globaaleja mittauksia aerosoli-ilmastopakotteen määrittelemiseksi, kuten jäljempänä käsitellään.

aerosolipakotteen tuntemisen tärkeys osoitetaan tarkastelemalla seuraavia kahta tapausta: (1) aerosolin Pakotus noin -1 W/m2 siten, että ilmastopakotteen netto on ~ 2 W/m2, (2) aerosolin Pakotus on -2 W/m2, jolloin nettopakotteeksi muodostuu ~1 W/m2. Molemmat tapaukset ovat mahdollisia aerosolipakotteen epävarmuuden vuoksi.

kumpi vaihtoehto on lähempänä totuutta määrittelee ihmiskunnan itselleen asettaman ”Faustilaisen kaupan” ehdot. Ilmaston lämpeneminen on toistaiseksi ollut vähäistä, sillä aerosolien jäähdytys on osittain kompensoinut kasvihuonekaasujen lämpenemistä. Aerosolit pysyvät ilmassa kuitenkin vain useita päiviä, joten niitä on pumpattava ilmaan yhä nopeammin, jotta ne pysyisivät mukana kasvavien pitkäikäisten kasvihuonekaasujen tahdissa (suuri osa fossiilisten polttoaineiden päästöistä syntyvästä hiilidioksidista pysyy ilmassa useita vuosituhansia). Huoli ilman hiukkassaasteiden terveysvaikutuksista johtaa kuitenkin todennäköisesti ihmisen valmistamien aerosolien vähenemiseen. Sen jälkeen ihmiskunnan Faustian maksu erääntyy.

Jos todellinen nettopakottavuus on +2 W/m2 (aerosolipakottaminen -1 W/m2), suurikin ponnistus aerosolien puhdistamiseksi, sanotaan puolittaminen, lisää nettopakottamista vain 25% (2 W/m2: sta 2,5 W / m2: een). Mutta jos nettopakotteet ovat +1 W/m2 (aerosolipakotteet -2 W/m2), aerosolien vähentäminen puolella kaksinkertaistaa ilmastopakotteen (1 W/m2: sta 2 W/m2: een). Koska maailmanlaajuisia ilmastovaikutuksia on jo havaittu (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), ilmastopakotteen kaksinkertaistaminen viittaa siihen, että ihmiskunta voi kohdata tuskallisen Faustilaisen maksun.

useimmissa hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin (IPCC, 2007) viimeisimpään arvioon osallistuneissa ilmastomalleissa käytettiin aerosolipurkauksia alueella -0,5–1.1 W / m2 ja saavutti hyvän yhteisymmärryksen havaitun ilmaston lämpenemisen kanssa viime vuosisadan aikana, mikä viittaa siihen, että aerosolipakotteen määrä on vain kohtalainen. Ilmastomalleissa on kuitenkin epäselvyyttä. Useimmat IPCC: ssä (2007) käytetyt mallit sekoittavat lämpöä tehokkaasti väli-ja syvänmereen, mikä johtaa siihen, että suuri ilmasto pakottaa (~2 W/m2) lämmittämään maan pintaa havaitulla 0,8°C: lla viime vuosisadan aikana. Mutta jos valtameri sekoittaa lämpöä syvempään valtamereen vähemmän tehokkaasti, havaitun ilmaston lämpenemisen edellyttämä nettoilmastopakko on pienempi.

maan energiaepätasapaino, jos se mitataan tarkasti, tarjoaa yhden keinon ratkaista tämä epäselvyys. Jos kyseessä on nopea meren sekoittuminen ja pieni aerosoli-pakottaminen, tarvitaan suuri planeetan energian epätasapaino, jotta havaittu pinnan lämpeneminen saadaan aikaan. Planeettojen energian epätasapaino, joka tarvitaan Aerosolin optisen syvyyden eri valintojen havaitun lämpenemisen tuottamiseksi, on esitetty kuvassa. 4, joka perustuu yksinkertaistettuun esitykseen maailmanlaajuisista ilmastosimulaatioista (Hansen et al., 2011).

mitattu maan energiaepätasapaino, +0,58 W / m2 vuosina 2005-2010, viittaa siihen, että aerosolin Pakotus on noin -1.6 W/m2, suurempi negatiivinen pakote kuin useimmissa IPCC-malleissa. Käsittelemme useita todisteita siitä, että useimmissa näissä aiemmissa tutkimuksissa käytetyissä ilmastomalleissa oli kohtalaisen liiallista meren sekoittumista, mikä voisi selittää sen, että ne sopivat hyvin havaittuun maapallon lämpötilan muutokseen pienemmällä aerosolipakotteella.

suuren (negatiivisen) aerosolipakotteen vuoksi on välttämätöntä, että ymmärrämme paremmin aerosoleja, jotka aiheuttavat tämän pakotteen. Valitettavasti ensimmäinen satelliitti pystyy mittaamaan yksityiskohtaisia aerosolin fysikaalisia ominaisuuksia, Glory mission (Mištšenko et al., 2007), kärsi laukaisuhäiriöstä. On kiireesti suoritettava korvaava tehtävä, koska kehitysmaiden ja kehittyneiden maiden päästöjen muuttumisen nykyinen nettovaikutus on erittäin epävarma

globaalit mittaukset aerosolin epäsuoran ilmastopakotteen arvioimiseksi aerosolivaikutusten kautta pilviin edellyttävät samanaikaisia heijastuneen auringon säteilyn polarimetrisiä mittauksia ja lämpösäteilyn interferometrisiä mittauksia, kun kaksi laitetta tarkastelee samalla alueella samanaikaisesti. Tällainen mission käsite on määritelty (Hansen et al., 1993) ja viimeaikaiset uudelleenarvioinnit osoittavat, että se voitaisiin saavuttaa noin 100 miljoonan dollarin hinnalla, jos yksityinen sektori toteuttaisi sen vaatimatta aiheettomia hallituksen arviointilautakuntia.

aiheeseen liittyvä linkki

NASA:n tiedote: maan Energiabudjetti pysyi epätasapainossa huolimatta epätavallisen alhaisesta auringon aktiivisuudesta

Hansen, J., W. Rossow ja I. Fung (toim.), 1993: Long-term Monitoring of Global Climate Forcings and Feedbacks, NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Institute for Space Studies, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer ja J. C. Zachos, 2008:Target atmospheric CO2: Where should humanity aim?Avaa Atmos. Sci. J., 2, 217-231,doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, and K. von Schuckmann, 2011: Earth ’ s energy epätasapaino and implications.Atmos. Kemiaa. Liikuntaa., 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,viimeksi julkaistu Tammi. 6, 2012-ei saatavilla Huhtikuu. 10,2018

hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli (IPCC), Climate Change 2007: the Physical Science Basis, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor ja H. L. Miller (toim.), Cambridge Univ. Press, 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 ja L. D. Travis, 2007:Accurate monitoring of terrestrial aerosols and total solar irradiance: Introducing the Glory mission.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88, 677-691, doi: 10.1175 / BAMS-88-5-677.

Purkey, S. G. ja G. C. Johnson, 2010: Warming of global abyssal and deep southern ocean between the 1990s and 2000s: contributions to global heat and sea level rise budgets,J. Climate, 23, 6336-6351,Doi:10.1175/2010jcli3682.1.

Von Schuckmann, K., and P.-Y. Le Traon, 2011:How well can we derived global ocean indicators from Argo data?Ocean Sci., 7, 783-791, doi: 10.5194 / os-7-783-2011.

Huomautus:PDF-dokumentit vaativat katsottavaksi ilmaisen Adobe Readerin tai yhteensopivan katseluohjelman.