National Aeronautics and Space Administration

Science Briefs

Earth’ s Energy Balance

James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha és Karina von Schuckmann —2012.január

az elmúlt évtizedben befejeződött az Argo úszók nemzetközi sorozatának telepítése, amely az óceán hőtartalmát 2000 m mélységig méri, lehetővé téve a legjobb értékelést, hogy a Föld energia-egyensúlyhiánya ne csökkenjen messze a Föld energia Egyensúlyhiányától. A legutóbbi erős napenergia-minimum során megfigyelt bolygóenergia-nyereség azt mutatja, hogy az éghajlat napenergia-kényszerítése, bár jelentős, sokkal nagyobb nettó ember által okozott éghajlati kényszerítés túlterheli. A mért egyensúlyhiány megerősíti, hogy ha más éghajlati erők rögzülnek, a légköri CO2-t körülbelül 350 ppm-re vagy annál kevesebbre kell csökkenteni a globális megállás érdekében warming.In nemrég megjelent cikkünk (Hansen et al., 2011), azt is megmutatjuk, hogy az ember által készített aeroszolok (finom részecskék a levegőben) általi éghajlati kényszerítés nagyobb, mint általában feltételezik, ami azt jelenti, hogy sürgősen szükség van pontos globális aeroszolmérésekre a folyamatos éghajlatváltozás értelmezéséhez.

a Föld energia-egyensúlyhiánya a Föld által elnyelt napenergia mennyisége és a bolygó hő formájában az űrbe sugárzó energia mennyisége közötti különbség. Ha az egyensúlyhiány pozitív, több energia érkezik be, mint ki, akkor arra számíthatunk, hogy a Föld a jövőben melegebb lesz — de hűvösebb, ha az egyensúlyhiány negatív. A Föld energia-egyensúlyhiánya tehát a Föld éghajlatának állapotának legfontosabb mércéje, és meghatározza a jövőbeli éghajlatváltozással kapcsolatos elvárásokat.

az energia egyensúlyhiánya a bolygóra ható éghajlati erők változásai miatt merül fel a bolygó termikus tehetetlenségével kombinálva. Például, ha a nap fényesebbé válik, ez pozitív kényszerítés, amely felmelegedést okoz. Ha a Föld olyan lenne, mint a Merkúr, egy alacsony vezetőképességű anyagból álló test, óceánok nélkül, felszíni hőmérséklete gyorsan olyan szintre emelkedne, amelyen a bolygó ismét annyi hőenergiát sugároz az űrbe, mint az elnyelt napenergia.

a Föld hőmérséklete nem változik olyan gyorsan, mint a Merkúré az óceán termikus tehetetlensége miatt, ami jelentős, mert az óceánt jelentős mélységekbe keverik a szél és a konvekció. Így évszázadokra van szükség ahhoz, hogy a Föld felszíni hőmérséklete teljes mértékben reagáljon az éghajlati kényszerre.

az éghajlati kényszerek a Föld energiamérlegének zavarai. A természetes erők közé tartozik a nap fényességének változása és a vulkánkitörések, amelyek aeroszolokat raknak le a sztratoszférában, így hűtik a Földet a napfény visszaverésével az űrbe. Az ember által előidézett éghajlati erők az üvegházhatású gázok (főleg a CO2), amelyek felmelegedést okoznak a Föld hősugárzásának csapdázásával, és az ember által létrehozott aeroszolok, amelyek a vulkáni aeroszolokhoz hasonlóan visszaverik a napfényt és hűtési hatást fejtenek ki.

tekintsük a hosszú élettartamú éghajlati kényszerítés hatását. Tegyük fel, hogy a nap fényesebbé válik, egy évszázadig vagy annál hosszabb ideig világosabb marad, vagy az emberek növelik a hosszú élettartamú üvegházhatású gázokat. Vagy a kényszerítés több energiát eredményez, mint kimenni. Amint a bolygó felmelegszik erre az egyensúlyhiányra reagálva, a Föld által az űrbe sugárzott hő növekszik. Végül a Föld eléri a globális hőmérsékletet, amely elég meleg ahhoz, hogy annyi energiát sugározzon az űrbe, amennyit a naptól kap, ezáltal stabilizálva az éghajlatot az új szinten. A folyamat során bármikor a fennmaradó bolygóenergia-egyensúlyhiány lehetővé teszi számunkra, hogy megbecsüljük, hogy a globális felmelegedés még mindig “folyamatban van.”

sok nemzet körülbelül egy évtizeddel ezelőtt kezdett el olyan úszókat telepíteni a világ-óceán körül, amelyek “yo-yo” – t képesek mérni az óceán hőmérsékletét 2 km mélységig. 2006 – ra mintegy 3000 úszó fedte le a világ óceánjának nagy részét. Ezek az úszók lehetővé tették von Schuckmann és Le Traon (2011) becslését, hogy a 6 éves időszakban 2005-2010 között a világ-óceán felső 2 km-je 0,41 W/m2 átlagban nyert energiát a bolygón.

más méréseket használtunk a mélyebb óceánba, a kontinensekbe, valamint a jég olvadásába jutó energia becslésére világszerte a 2005-2010 közötti időszakban. A Föld teljes energia-egyensúlyhiánya +0,58 0,15 W / m2, osztva az ábrán látható módon. 1.

a nap szerepe.A mért pozitív egyensúlyhiány 2005-2010-ben különösen fontos, mert a pontos napenergia-monitorozás időszakában a legmélyebb napenergia-minimum alatt következett be (ábra. 2). Ha a nap lenne az egyetlen éghajlati kényszerítés vagy a domináns éghajlati kényszerítés, akkor a bolygó energiát nyerne a nap maximumai alatt, de energiát veszít a napminimumok alatt.

Az a tény, hogy a Föld 0,58 W / m2 sebességgel nyert energiát egy mély, hosszan tartó napenergia-minimum alatt, azt mutatja, hogy erős pozitív kényszerítés van, amely az átlag alatti napsugárzás negatív kényszerét elsöpri. Ez az eredmény nem meglepő, figyelembe véve más erők ismeretét, de egyértelműen megcáfolja azokat az állításokat, amelyek szerint a nap a domináns éghajlati erő.

cél CO2.A mért bolygóenergia-egyensúlyhiány azonnali pontos értékelést nyújt arról, hogy mennyi légköri CO2-t kell csökkenteni a Föld energiaegyensúlyának helyreállításához, ami az éghajlat stabilizálásának alapvető követelménye. Ha más éghajlati erők változatlanok lennének, a Föld sugárzásának 0,5 W/m2-rel történő növeléséhez a CO2 ~30 ppm-ről 360 ppm-re történő csökkentésére lenne szükség. Tekintettel azonban arra, hogy a 0,58 0,15 W/m2 egyensúlyhiányt mély szoláris minimum alatt mértük, valószínűleg a 0-hoz közelebb kell növelni a sugárzást az űrbe.75 W / m2, amelyhez a CO2 ~345 ppm-re történő csökkentésére lenne szükség, az egyéb kényszerek változatlanok. Így a Föld energia-egyensúlyhiánya megerősíti a korábbi becslést más okokból, miszerint a CO2-t körülbelül 350 ppm-re vagy annál kevesebbre kell csökkenteni az éghajlat stabilizálása érdekében (Hansen et al., 2008).

aeroszolok.A mért bolygóenergia-egyensúlyhiány lehetővé teszi számunkra, hogy megbecsüljük az ember által készített légköri aeroszolok által okozott éghajlati kényszert. Ez azért fontos, mert úgy gondolják, hogy az aeroszol kényszerítése nagy, de gyakorlatilag nem mérhető.

az ember által termelt üvegházhatású gáz (ÜHG) kényszerítése ismert, hogy körülbelül +3 W/m2 (ábra. 3). A nettó ember által készített aeroszol kényszerítés negatív (hűtés), de nagysága széles tartományon belül bizonytalan (ábra. 3). Az aeroszol kényszerítése összetett, mivel többféle aeroszol létezik, néhány aeroszol, például fekete korom, részben elnyeli a beeső napfényt, ezáltal melegítve a légkört. Az aeroszolok kondenzációs magként is szolgálnak a vízgőz számára, ezáltal további aeroszol éghajlati kényszert okozva a felhő tulajdonságainak megváltoztatásával. Ennek eredményeként kifinomult globális mérésekre van szükség az aeroszol éghajlati kényszerítésének meghatározásához, amint azt az alábbiakban tárgyaljuk.

az aeroszol kényszerítésének fontosságát a következő két eset figyelembevételével mutatjuk be: (1) aeroszol kényszerítve körülbelül -1 W/m2, oly módon, hogy a nettó klíma kényszerítve ~ 2 W/m2, (2) aeroszol kényszerítve -2 W/m2, így a nettó kényszerítve ~1 W/m2. Mindkét eset lehetséges az aeroszol kényszerítésének bizonytalansága miatt.

melyik alternatíva áll közelebb az igazsághoz, meghatározza egy “fausti alku” feltételeit, amelyet az emberiség maga állított fel. A globális felmelegedés eddig korlátozott volt, mivel az aeroszolos hűtés részben ellensúlyozta az üvegházhatású gázok felmelegedését. Az aeroszolok azonban csak néhány napig maradnak levegőben, ezért egyre gyorsabban kell őket a levegőbe pumpálni, hogy lépést tartsanak a növekvő hosszú élettartamú üvegházhatású gázokkal (a fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásából származó CO2 nagy része évezredekig a levegőben marad). A részecskeszennyezés egészségügyi hatásaival kapcsolatos aggodalom azonban valószínűleg az ember által előállított aeroszolok csökkenéséhez vezet. Ezután az emberiség fausti fizetése esedékes lesz.

Ha a valódi nettó kényszerítés +2 W/m2 (aeroszol kényszerítés -1 W/m2), még az aeroszolok megtisztítására irányuló jelentős erőfeszítés, mondjuk a felére csökkentés, csak 25% – kal növeli a nettó kényszerítést (2 W/m2-ről 2,5 W/m2-re). De ha a nettó kényszerítés +1 W/m2 (aeroszol kényszerítés -2 W/m2), az aeroszolok felére csökkentése megduplázza a nettó éghajlati kényszerítést (1 W/m2-ről 2 W / m2-re). Tekintettel arra, hogy a globális éghajlati hatások már megfigyelhetők (IPCC, 2007; Hansen et al., 2012), az éghajlati kényszerítés megduplázása azt sugallja, hogy az emberiség súlyos fausti fizetéssel szembesülhet.

Az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület (IPCC, 2007) legutóbbi értékeléséhez hozzájáruló legtöbb éghajlati modell aeroszolos kényszerítést alkalmazott a -0,5-1 tartományban.1 W / m2 és jó egyezést ért el a megfigyelt Globális felmelegedéssel az elmúlt évszázadban, ami arra utal, hogy az aeroszol kényszerítése csak mérsékelt. Az éghajlati modellek azonban kétértelműek. Az IPCC-ben (2007) használt modellek többsége hatékonyan keveri a hőt a közbenső és a mély óceánba, ami azt eredményezi, hogy nagy éghajlati kényszerítésre van szükség (~2 W/m2) a Föld felszínének felmelegítésére az elmúlt évszázadban megfigyelt 0,8-mal. De ha az óceán kevésbé hatékonyan keveri a hőt a mélyebb óceánba, akkor a megfigyelt globális felmelegedéshez szükséges nettó éghajlati kényszerítés kisebb.

a Föld energia-egyensúlyhiánya, ha pontosan mérjük, az egyik módja ennek a kétértelműségnek a megoldására. Az óceán gyors keveredése és a kis aeroszolos kényszerítés esetén nagy bolygóenergia-egyensúlyhiány szükséges a megfigyelt felszíni felmelegedés eléréséhez. Az aeroszol optikai mélységének különböző választásaihoz megfigyelt felmelegedéshez szükséges bolygóenergia-egyensúlyhiány az ábrán látható. 4, a globális éghajlati szimulációk egyszerűsített ábrázolása alapján (Hansen et al., 2011).

a mért Földenergia-egyensúlyhiány, +0,58 W / m2 2005-2010 között azt jelenti, hogy az aeroszol kényszerítése körülbelül -1.6 W / m2, nagyobb negatív kényszerítés, mint a legtöbb IPCC modellben. Több bizonyítékot tárgyalunk arról, hogy a korábbi vizsgálatokban alkalmazott legtöbb éghajlati modell mérsékelten túlzott óceáni keveredést mutatott, ami megmagyarázhatja azt a tényt, hogy kisebb aeroszolos kényszerítéssel jól illeszkedtek a megfigyelt globális hőmérsékletváltozáshoz.

a nagy (negatív) aeroszol éghajlati kényszerítés elengedhetetlenné teszi, hogy jobban megértsük az aeroszolokat, amelyek ezt a kényszert okozzák. Sajnos az első műhold, amely képes részletes aeroszol fizikai tulajdonságok mérésére, a Glory mission (Mishchenko et al., 2007), indítási hibát szenvedett. Sürgősen pótmissziót kell végrehajtani, mivel a változó kibocsátások jelenlegi nettó hatása a fejlődő és a fejlett országokban erősen bizonytalan

Az aeroszol közvetett éghajlati kényszerének a felhőkre gyakorolt aeroszolhatáson keresztül történő értékeléséhez szükséges globális mérések a visszavert napsugárzás nagy pontosságú polarimetriás mérését és a kibocsátott hősugárzás interferometriás mérését teszik szükségessé, miközben a két műszer egyszerre nézi ugyanazt a területet. Egy ilyen küldetés fogalmát meghatározták (Hansen et al., 1993) és a legutóbbi újraértékelések azt mutatják, hogy körülbelül 100 millió dolláros költséggel lehetne elérni, ha a magánszektor végrehajtaná anélkül, hogy indokolatlan kormányzati felülvizsgálati testületekre lenne szükség.

kapcsolódó Link

NASA Sajtóközlemény:A Föld energia költségvetése a szokatlanul alacsony naptevékenység ellenére is egyensúlyban maradt

Hansen, J., W. Rossow és I. Fung (Szerk.), 1993: a globális éghajlati erők és visszajelzések hosszú távú megfigyelése, NASA Conf. Publ. 3234, Goddard Űrkutatási Intézet, New York.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha, D. Beerling, R. Berner, V. Masson-Delmotte, M. Pagani, M. Raymo, D. L. Royer és J. C. Zachos, 2008: cél légköri CO2: hol kell az emberiség célja?Nyissa Meg Az Atmos-T. Sci. J., 2, 217-231, doi:10.2174/1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. kharecha és K. von Schuckmann, 2011: A Föld energia egyensúlyhiánya és következményei.Atmos. Kémia. Phys., 11, 13421-13449, doi:10.5194 / AKCS-11-13421-2011.

Hansen, J., Mki. Sato, and R. Ruedy, 2012: Az éghajlatváltozás észlelése: az új éghajlati kocka ,URL http://www.columbia.edu/~jeh1/mailings/2012/20120105_PerceptionsAndDice.pdf,utoljára megtekintve Jan. 6, 2012-nem áll rendelkezésre április. 10,2018

Az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület (IPCC), éghajlatváltozás 2007: a fizikai tudomány alapja, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor és H. L. Miller (Szerk.), Cambridge Univ. Sajtó, 996 pp.Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, C. F. Schueler, B. A. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkawich, H. B. Maring és L. D. Travis, 2007:a földi aeroszolok és a teljes napsugárzás pontos megfigyelése: a Glory küldetés bemutatása.iBull. Amer. Meteorol. Soc., 88,677-691, doi:10.1175 / BAMS-88-5-677.

Purkey, S. G. és G. C. Johnson, 2010: A globális mélység és a mély Déli óceán felmelegedése az 1990-es és 2000-es évek között:hozzájárulás a globális hő-és tengerszint-emelkedési költségvetésekhez,J. Climate, 23, 6336-6351,doi: 10.1175/2010jcli3682.1.

Von Schuckmann, K., and P. – Y. Le Traon, 2011: milyen jól tudjuk levezetni a globális óceáni mutatókat az Argo adatokból?Ocean Sci., 7,783-791, doi:10.5194 / os-7-783-2011.

Megjegyzés:A PDF dokumentumokhoz az ingyenes Adobe Reader vagy a kompatibilis megtekintő szoftver szükséges.