National Aeronautics and Space Administration

la Scienza Slip

lo Squilibrio Energetico della Terra

Da James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha e Karina von Schuckmann —gennaio 2012

la Distribuzione di una serie internazionale di boe Argo, misurare il contenuto di calore dell’oceano ad una profondità di 2000 m, è stato completato durante il passato decennio, permettendo una migliore valutazione, affinché lo squilibrio energetico della Terra. Il guadagno di energia planetaria osservato durante il recente forte minimo solare rivela che la forzatura solare del clima, sebbene significativa, è sopraffatta da una forzatura climatica molto più ampia creata dall’uomo. Lo squilibrio misurato conferma che, se altre forzature climatiche sono fisse, la CO2 atmosferica deve essere ridotta a circa 350 ppm o meno per fermare globale warming.In il nostro articolo pubblicato di recente (Hansen et al., 2011), mostriamo anche che la forzatura del clima da parte degli aerosol prodotti dall’uomo (particelle fini nell’aria) è più grande di quanto si supponga di solito, implicando un’urgente necessità di misurazioni accurate dell’aerosol globale per aiutare a interpretare il continuo cambiamento climatico.

Lo squilibrio energetico della Terra è la differenza tra la quantità di energia solare assorbita dalla Terra e la quantità di energia che il pianeta irradia nello spazio come calore. Se lo squilibrio è positivo, più energia in entrata che in uscita, possiamo aspettarci che la Terra diventi più calda in futuro, ma più fresca se lo squilibrio è negativo. Lo squilibrio energetico della Terra è quindi la misura più cruciale dello stato del clima terrestre e definisce le aspettative per i futuri cambiamenti climatici.

Lo squilibrio energetico nasce a causa dei cambiamenti delle forze climatiche che agiscono sul pianeta in combinazione con l’inerzia termica del pianeta. Ad esempio, se il Sole diventa più luminoso, questa è una forzatura positiva che causerà il riscaldamento. Se la Terra fosse come Mercurio, un corpo composto da materiale a bassa conduttività e senza oceani, la sua temperatura superficiale salirebbe rapidamente a un livello in cui il pianeta stava nuovamente irradiando tanta energia termica nello spazio quanto l’energia solare assorbita.

La temperatura terrestre non si regola velocemente come quella di Mercurio a causa dell’inerzia termica dell’oceano, che è sostanziale perché l’oceano è mescolato a profondità considerevoli dai venti e dalla convezione. Quindi ci vogliono secoli perché la temperatura della superficie terrestre risponda pienamente a una forzatura climatica.

Le forze climatiche sono perturbazioni imposte al bilancio energetico della Terra. Le forze naturali includono il cambiamento della luminosità del Sole e le eruzioni vulcaniche che depositano aerosol nella stratosfera, raffreddando così la Terra riflettendo la luce solare nello spazio. Le principali forze climatiche di origine umanasono i gas serra (principalmente CO2), che causano il riscaldamento intrappolando la radiazione di calore della Terra, e gli aerosol di origine umana, che, come gli aerosol vulcanici, riflettono la luce solare e hanno un effetto di raffreddamento.

Consideriamo l’effetto di una forzatura climatica longeva. Diciamo che il Sole diventa più luminoso, rimanendo più luminoso per un secolo o più, o gli esseri umani aumentano i gas serra di lunga durata. O forzare i risultati in più energia che entra che esce. Mentre il pianeta si riscalda in risposta a questo squilibrio, il calore irradiato nello spazio dalla Terra aumenta. Alla fine la Terra raggiungerà una temperatura globale abbastanza calda da irradiare nello spazio quanta energia riceve dal Sole, stabilizzando così il clima al nuovo livello. In qualsiasi momento durante questo processo il restante squilibrio energetico planetario ci consente di stimare quanto il riscaldamento globale sia ancora “in cantiere.”

Molte nazioni hanno iniziato, circa un decennio fa, a distribuire galleggianti intorno all’oceano mondiale che potevano” yo-yo ” uno strumento che misurava la temperatura dell’oceano a una profondità di 2 km. Nel 2006 c’erano circa 3000 galleggianti che coprivano la maggior parte dell’oceano mondiale. Questi galleggianti hanno permesso a von Schuckmann e Le Traon (2011) di stimare che durante il periodo di 6 anni 2005-2010 i 2 km superiori dell’oceano mondiale hanno guadagnato energia ad una velocità media di 0,41 W/m2 sul pianeta.

Abbiamo usato altre misurazioni per stimare l’energia che va nell’oceano più profondo, nei continenti e nello scioglimento dei ghiacci in tutto il mondo nel periodo 2005-2010. Abbiamo trovato uno squilibrio totale di energia terrestre di + 0,58±0,15 W/m2 diviso come mostrato in Fig. 1.

Il ruolo del Sole.Lo squilibrio positivo misurato nel 2005-2010 è particolarmente importante perché si è verificato durante il minimo solare più profondo nel periodo di monitoraggio solare accurato (Fig. 2). Se il Sole fosse l’unica forzatura climatica o la forzatura climatica dominante, allora il pianeta guadagnerebbe energia durante i massimi solari, ma perderebbe energia durante i minimi solari.

Il fatto che la Terra ha guadagnato energia ad una velocità di 0,58 W/m2 durante un minimo solare profondo prolungato rivela che c’è una forte forzatura positiva che travolge la forzatura negativa per irraggiamento solare inferiore alla media. Questo risultato non è una sorpresa, data la conoscenza di altre forzature, ma fornisce una confutazione inequivocabile delle affermazioni secondo cui il Sole è il forcing climatico dominante.

Obiettivo CO2.Lo squilibrio energetico planetario misurato fornisce una valutazione immediata e accurata di quanta CO2 atmosferica dovrebbe essere ridotta per ripristinare l’equilibrio energetico della Terra, che è il requisito fondamentale per stabilizzare il clima. Se altre forzature climatiche fossero invariate, aumentare la radiazione terrestre nello spazio di 0,5 W / m2 richiederebbe una riduzione della CO2 da ~30 ppm a 360 ppm. Tuttavia, dato che lo squilibrio di 0,58±0,15 W/m2 è stato misurato durante un minimo solare profondo, è probabilmente necessario aumentare la radiazione nello spazio di più vicino a 0.75 W / m2, che richiederebbe la riduzione della CO2 a ~345 ppm, mentre le altre forzature rimangono invariate. Quindi lo squilibrio energetico della Terra conferma una stima precedente per altri motivi che la CO2 deve essere ridotta a circa 350 ppm o meno per stabilizzare il clima (Hansen et al., 2008).

Aerosol.Lo squilibrio energetico planetario misurato ci consente anche di stimare la forzatura climatica causata dagli aerosol atmosferici prodotti dall’uomo. Questo è importante perché si ritiene che il forcing dell’aerosol sia grande, ma è praticamente non misurato.

La forzatura dei gas serra (GHG) prodotta dall’uomo è nota per essere di circa +3 W/m2 (Fig. 3). La forzatura netta dell’aerosol prodotta dall’uomo è negativa( raffreddamento), ma la sua grandezza è incerta all’interno di un ampio intervallo (Fig. 3). La forzatura dell’aerosol è complessa perché esistono diversi tipi di aerosol, con alcuni aerosol, come la fuliggine nera, che assorbono parzialmente la luce solare incidente, riscaldando così l’atmosfera. Anche gli aerosol fungono da nuclei di condensazione per il vapore acqueo, causando così un’ulteriore forzatura del clima degli aerosol alterando le proprietà delle nuvole. Di conseguenza, sono necessarie misurazioni globali sofisticate per definire la forzatura del clima degli aerosol, come discusso di seguito.

L’importanza di conoscere la forzatura dell’aerosol è dimostrata considerando i seguenti due casi: (1) aerosol costringendo circa -1 W/m2, tale che il clima netto costringendo è ~ 2 W/m2, (2) aerosol costringendo di -2 W/m2, producendo una rete costringendo ~1 W/m2. Entrambi i casi sono possibili, a causa dell’incertezza nella forzatura dell’aerosol.

Quale alternativa è più vicina alla verità definisce i termini di un “affare faustiano” che l’umanità si è prefissata. Il riscaldamento globale finora è stato limitato, poiché il raffreddamento con aerosol ha parzialmente compensato il riscaldamento dei gas serra. Ma gli aerosol rimangono nell’aria solo per diversi giorni, quindi devono essere pompati nell’aria sempre più velocemente per tenere il passo con l’aumento dei gas serra di lunga durata (gran parte della CO2 delle emissioni di combustibili fossili rimarrà nell’aria per diversi millenni). Tuttavia, è probabile che la preoccupazione per gli effetti sulla salute dell’inquinamento atmosferico da particolato porti a una riduzione finale degli aerosol prodotti dall’uomo. Allora il pagamento faustiano dell’umanità sarà dovuto.

Se la vera forzatura netta è +2 W/m2 (forzatura aerosol -1 W/m2), anche uno sforzo importante per ripulire gli aerosol, ad esempio la riduzione della metà, aumenta la forzatura netta solo del 25% (da 2 W/m2 a 2,5 W/m2). Ma se la forzatura netta è +1 W/m2 (forzatura aerosol -2 W/m2), ridurre gli aerosol di metà raddoppia la forzatura climatica netta (da 1 W/m2 a 2 W / m2). Dato che gli effetti climatici globali sono già stati osservati (IPCC, 2007; Hansen et al.,2012), raddoppiando la forzatura del clima suggerisce che l’umanità possa affrontare un doloroso pagamento faustiano.

La maggior parte dei modelli climatici che hanno contribuito all’ultima valutazione del Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC, 2007) ha impiegato forcings aerosol nell’intervallo da -0,5 a -1.1 W / m2 e raggiunto un buon accordo con il riscaldamento globale osservato nel secolo scorso, suggerendo che la forzatura aerosol è solo moderata. Tuttavia, c’è un’ambiguità nei modelli climatici. La maggior parte dei modelli utilizzati in IPCC (2007) mescolano il calore in modo efficiente nell’oceano intermedio e profondo, causando la necessità di un grande clima che costringe (~2 W/m2) a riscaldare la superficie terrestre di 0,8°C osservato nel secolo scorso. Ma se l’oceano mescola il calore nell’oceano più profondo in modo meno efficiente, la forza climatica netta necessaria per abbinare il riscaldamento globale osservato è più piccola.

Lo squilibrio energetico della Terra, se misurato con precisione, fornisce un modo per risolvere questa ambiguità. Il caso con una rapida miscelazione dell’oceano e una piccola forzatura di aerosol richiede un grande squilibrio energetico planetario per produrre il riscaldamento superficiale osservato. Lo squilibrio energetico planetario necessario per produrre il riscaldamento osservato per diverse scelte di profondità ottica aerosol è mostrato in Fig. 4, basato su una rappresentazione semplificata delle simulazioni climatiche globali (Hansen et al., 2011).

Lo squilibrio energetico misurato della Terra, + 0,58 W/m2 durante il 2005-2010, implica che la forzatura dell’aerosol è di circa -1.6 W/m2, una maggiore forzatura negativa rispetto impiegato nella maggior parte dei modelli IPCC. Discutiamo diverse linee di prova che la maggior parte dei modelli climatici impiegati in questi studi precedenti avevano una miscelazione oceanica moderatamente eccessiva, il che potrebbe spiegare il fatto che hanno raggiunto una buona misura per osservare il cambiamento di temperatura globale con una minore forzatura di aerosol.

La grande (negativa) forzatura del clima degli aerosol rende imperativo ottenere una migliore comprensione degli aerosol che causano questa forzatura. Purtroppo, il primo satellite in grado di misurare le proprietà fisiche dettagliate aerosol, la missione Gloria (Mishchenko et al., 2007), ha subito un fallimento di lancio. È urgente un ricambio missione sarà effettuata, come l’attuale netto effetto della modifica delle emissioni in via di sviluppo e paesi sviluppati è molto incerta

Globale di misure per valutare l’aerosol indiretta forzatura climatica, tramite aerosol effetti sulle nuvole, simultanea ad alta precisione polarimetrico misure di radiazione solare riflessa e misure interferometriche di emissione di radiazione di calore con i due strumenti, guardando la stessa area, allo stesso tempo. Tale concetto di missione è stato definito (Hansen et al., 1993) e recenti rivalutazioni indicano che potrebbe essere raggiunto ad un costo di circa $100M se effettuato dal settore privato senza l’obbligo di indebiti pannelli di revisione del governo.

Link correlato

Comunicato stampa della NASA: il bilancio energetico della Terra è rimasto fuori equilibrio nonostante l’attività solare insolitamente bassa

Hansen, J., W. Rossow e I. Fung (Eds.), 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, DL Royer e JC Zachos, 2008: Target atmospheric CO2: dove dovrebbe puntare l’umanità?Atmos aperto. Sic. J., 2, 217-231, doi:10.2174 / 1874282300802010217.

Hansen, J., Mki. Sato, P. Kharecha e K. von Schuckmann, 2011: Squilibrio energetico della Terra e implicazioni.Atmosfera. Chimica. Phys.,11, 13421-13449, doi:10.5194/acp-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. 6, 2012-non disponibile Apr. 10, 2018

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Climate Change 2007: The Physical Science Basis, S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor e H. L. Miller (Eds.), Cambridge Univ. Stampa, 996 pagg.

Mishchenko, M. I., B. Cairns, G. Kopp, CF Schueler, B. A. Fafaul, J. E. Hansen, R. J. Hooker, T. Itchkawich, H. B. Maring, e L. D. Travis, 2007:Accurate monitoring of terrestrial aerosols and total solar irradiance: Introducing the Glory mission.iBull. Amer. Meteorolo. Soc., 88, 677-691, doi:10.1175 / BAMS-88-5-677.per maggiori informazioni clicca qui. 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. e P.-Y. Le Traon, 2011: Quanto bene possiamo ricavare gli indicatori oceanici globali dai dati Argo?Ocean Sci., 7, 783-791, doi:10.5194 / os-7-783-2011.

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